Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы получения дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами 13
1.1. Способы получения высоко дисперсных порошков оксида алюминия... 13
1.2. Особенности образования оксида при горении частиц алюминия 23
1.3. Модели образования оксида при горении частиц алюминия 26
1.4. Существующие способы сжигания алюминиево-воздушных смесей 33
Постановка задач диссертационной работы 36
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса образования оксида. 38
2.1. Разработка модели 38
2.2. Апробация модели 45
2.3. Влияние основных параметров на дисперсность оксида 54
ГЛАВА 3. Организация процесса получения оксида при сжигании алюминиево-воздушной смеси 60
3.1. Схема организации процесса получения оксида 60
3.2. Подача порошка алюминия и его распыление в воздушном потоке 63
3.3. Сжигание алюминиево-воздушной смеси и синтез оксида 69
3.4. Выделение конденсированной фазы из высокотемпературного потока продуктов сгорания 74
3.5. Выделение оксида с заданными свойствами из конденсированной фазы 76
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процесса получения оксида ... 80
4.1. Экспериментальная технологическая установка 80
4.2. Методика проведения испытаний экспериментальной установки 84
4.3. Результаты испытаний экспериментальной установки 86
4.4. Методика исследования образующегося оксида 91
4.5 Дисперсность и свойства образующегося оксида 96
4.6. Влияние условий смесеобразования и параметров горения на дисперсный состав оксида 97
4.7. Свойства высоко дисперсного оксида алюминия - целевого продукта метода 102
Общие выводы
Литература
- Особенности образования оксида при горении частиц алюминия
- Существующие способы сжигания алюминиево-воздушных смесей
- Апробация модели
- Сжигание алюминиево-воздушной смеси и синтез оксида
Введение к работе
Развитие современных технологий основывается на производстве высококачественных порошковых материалов, обладающих заданными свойствами: высокой химической чистотой продукта, требуемым фазовым и дисперсным составом, сферической формой частиц, высокой твердостью и тугоплавкостью, окислительной и коррозионной стойкостью и в некоторых случаях особыми электрическими и оптическими характеристиками. Порошки, обладающие такими свойствами, находят применение в производстве машиностроительной керамики, композиционных материалов, средств полировки, в электронике и химической промышленности [1-9].
В производстве высокопрочной керамики используют порошки тугоплавких материалов с размером частиц не более 0,5 мкм, а иногда и менее 0,1 мкм. В химической промышленности в качестве адсорбентов и катализаторов требуются порошки с ещё меньшим размером частиц («0,01 мкм), обладающие высокой степенью однородности фазового состава. В электронике требуются порошки с высокой степенью чистоты. В производстве средств полировки желательно использовать порошки со сферической формой частиц, обладающие высокой твердостью. Во многих случаях, особенно при производстве высококачественной керамики [1-3] и других современных материалов, требуются порошки с сочетанием всех выше перечисленных свойств.
Методы производства высокодисперсных порошков условно можно разделить на механические (диспергирование), химические и физико-химические [4]. Традиционно, основным методом производства порошков являлось диспергирование природных материалов (в шаровых, струйных и высокоскоростных вращающихся мельницах) и последующая очистка полученных порошков от примесей [1,4,10,11]. В настоящее время, новые технологии изготовления сверхчистых и высокодисперсных порошков,
5 позволяющие улучшить качество порошковых материалов, повысить химическую чистоту и дисперсность, вытесняют механическую обработку сырья [1,3,4,11-16]. В соответствии с требованиями технологии производства новых материалов, ультрадисперсные порошки Zr02, А12Оз, ТЮ2 получают преимущественно химическими методами. Из химических методов наиболее распространён золь-гель метод [1,4,13], позволяющий изготовлять сложные золи и прозрачные монолитные гели с высокой химической однородностью компонентов и дисперсностью соответствующих фаз. Кроме того, успешно используются и физико-химические методы (плазменная и лазерная технологии [1,3,4,14]). В тоже время, существующими методами редко удается преодолеть все трудности и получить порошок с заданными свойствами. Если удается получить порошки необходимых размеров и формы, то не удается стабилизировать заданную фазу и получит требуемую чистоту продукта. А если удается получить продукт с требуемым химическим и фазовым составом и малым размером частиц, то не удается получить сферическую форму [3]. Кроме того, эффективность изготовления требуемых порошков во многом определяется производительностью и экономичностью существующих методов.
В последние годы наблюдается повышенный интерес к получению ультрадисперсного порошка (УДП) оксида алюминия [1-3]. УДП оксида алюминия может быть использован для создания материалов с новыми функциональными свойствами. Однако из-за высокой температуры плавления, большого количества фаз и высокой сорбционной способности оксида алюминия, получить порошок А1203, удовлетворяющий совокупности требуемых характеристик, ещё сложнее, чем другие порошки. В этом случае предпочтительнее других методов является лазерный синтез УДП, который в отличие от других технологий позволяет получить высокочистый порошок оксида алюминия с сферическими частицами размером менее 0,05 мкм и с заданным фазовым составом [3]. Тем не менее, этот метод не может быть
применен в ближайшем будущем в промышленном производстве. Во-первых, производительность установки лазерного синтеза ~1 г/час [3], что явно недостаточно для промышленного производства. Во-вторых, энергетический КПД существующих сегодня мощных технологических лазеров не превышает 10% (в большинстве случаев он составляет 1-3%) [17-19], соответственно энергетические затраты на производство УДП будут чрезмерно велики. К сожалению, по производительности и экономичности лазерный синтез порошков намного уступает традиционным методам механического измельчения и многим другим. Таким образом, в настоящее время не существует метода получения дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами, обеспечивающего его промышленное производство.
В научно - исследовательских работах [20-24] был предложен новый метод получения высокодисперсных порошков оксидов металлов. Многие металлы (алюминий, магний, цирконий, титан и др.) при горении в активных газах (кислороде, азоте, диоксиде углерода или их смесях) образуют конденсированные продукты сгорания (оксиды, нитриды, карбиды), обладающие высокой твердостью и тугоплавкостью. Если горение этих металлов происходит в виде газовзвеси металлических частиц, то продукты их сгорания получаются в газодисперсной форме. Изменяя условия горения (давление, температуру, состав газовой фазы, концентрацию дисперсной фазы) дисперсный и химический состав исходных порошков металлов можно влиять на форму и структуру частиц продуктов сгорания, их размер, химический и фазовый состав [21-30]. Обеспечив высокую химическую чистоту исходного порошкообразного металла и газообразного окислителя, можно обеспечить высокую химическую чистоту конечного продукта. Таким образом, сжигая распыленные в активном газе порошкообразные металлы, в технологической установке можно синтезировать новые порошковые материалы с заданными свойствами. Процессы горения металлов являются сильно экзотермическими, протекают при высокой температуре и с большими скоростями. При этом, для
7 осуществления процессов не требуется дополнительная энергия. Такие технология являются перспективными, экономически выгодными и позволяют получить продукты высокого качества при большой производительности (более 100 кг/час целевого продукта). Получение высокодисперсного оксида алюминия, с заданной кристаллической модификацией, формой и размером частиц, с низким содержанием примесей, методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке составляет важное направление в рамках указанной проблемы.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является научное обоснование возможности промышленного получения дисперсного оксида алюминия методом сжигания аэровзвесей алюминиевых порошков, обеспечивающим заданные свойства оксида при высокой производительности и экономичности его производства.
Для достижения указанной цели необходимо:
Создать математическую модель образования оксида при горении частиц алюминия, провести расчеты и исследовать влияние параметров частиц алюминия и окисляющей среды на характеристики образующегося оксида.
Разработать способ организации процесса получения оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия.
Разработать экспериментальную технологическую установку для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке и определить параметры, влияющие на свойства образующегося оксида, производительность и экономичность установки.
Обеспечить получение образцов дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами.
МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Использованы методы и подходы теории горения металлов и газодисперсных систем, математического моделирования процессов испарения частиц металлов и химической
8 конденсации продуктов испарения, газовой динамики дисперсных систем, проектирования, конструирования и проведение испытаний нестандартного оборудования, физико-химические методы исследования порошковых материалов (рентгеновский, электроннооптический, оптический).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
Разработана математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, впервые учитывающая кинетические ограничения процессов испарения и поверхностных химических реакций. Модель вносит существенный вклад в теорию горения мелкодисперсного алюминия при низких давлениях.
С помощью модели доказана сильная неравновесность процесса образования оксида при горении частиц алюминия. В рамках созданной модели впервые получили ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты, связанные с образованием оксида: асимметричность горения, распад частиц на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания.
В отличие от существующих моделей предложенная модель правильно описывает процессы образования оксида. Расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными.
Проведены теоретические исследования влияния начального размера частицы алюминия и параметров окисляющей среды на процесс образования оксида. Расчетами показано: изменяя параметры среды и размер частицы можно осуществлять переход от гетерогенного горения к парофазному, тем самым в широких пределах изменять дисперсность оксида.
Сформулированы новые принципы организации процесса получения оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке.
Экспериментально показано, что изменяя условия смешения в камере сгорания, можно влиять на механизм горения частиц алюминия и тем самым изменять дисперсность оксида в широких пределах.
7. Экспериментально подтверждена возможность промышленного
получения дисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания
аэровзвеси порошка алюминия, при большой производительности и
экономичности метода.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:
Разработан высокопроизводительный и экономичный метод получения дисперсных оксидов с заданными свойствами, который может позволить перейти к массовому производству новых промышленных материалов для современных технологий.
Обоснованный в работе способ получения оксида алюминия с заданными свойствами дает возможность в широких пределах изменять дисперсность оксидов, образующихся при сгорании не только алюминиево-воздушной смеси, но и других металлогазовых смесей. Математическое моделирование процесса образования оксида на основе разработанной модели позволяет уменьшить число необходимых испытаний при отработке спроектированных и изготовленных новых технологических установок.
Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем и элементов смесеобразования и горения новых высокоэффективных технологических и ракетных двигательных установок на порошкообразном металлическом горючем.
Полученные в диссертации результаты были использованы в проектных работах в НИМИ (г. Москва) и ГНПЦ "Звезда-Стрела" (г. Королев).
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, учитывающая кинетику испарения и поверхностных химических реакций.
Результаты теоретических исследований влияния параметров частиц алюминия и окисляющей среды на характеристики горения и образующегося оксида.
Способ организации процесса получения дисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке.
Результаты экспериментальных исследований получения дисперсного оксида в технологической установке при сжигании аэровзвеси порошка алюминия.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Результаты диссертационной работы докладывались на: -III, IV, V Всесоюзной школе - семинаре по горению дисперсных систем, г. Одесса, 1985, 1987, 1989 г.г.;
IX Всесоюзном Симпозиуме по горению и взрыву, г. Суздаль, 1989г.
I Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 93). г. Москва, 1993г.
совместном Семинаре Российской и Японской секций Международного института горения. Черноголовка, 1993г.
Международной конференции по горению (Мемориал Я.Б. Зельдовича). Москва, 1994г.
I Международной школе-семинаре: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем, г. Санкт-Петербург, 1995г.
II Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 96). г. Санкт-Петербург, 1996г.
Международном коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения г. Москва, 1997г.
III Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 99). г. Ижевск, 1999г.
Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001. г. Пермь, 2001 г.
Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002. г. Пермь, 2002 г.
Всероссийской конференции: Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов, г. Москва, 2002 г.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы; изложена на 123 страницах, содержит 29 рисунков, 4 таблицы; список литературных источников включает 107 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности работы (темы исследования) формулировку цели работы и основных задач, решаемых в диссертации, содержание работы по главам.
В первой главе рассмотрены различные способы получения высокодисперсных порошков оксида алюминия. Выделен, как наиболее экономичный и производительный, способ получения высокодисперсных порошков сжиганием аэровзвесей алюминия, обеспечивающий заданные свойства оксида. Рассмотрены особенности образования оксида при горении алюминия. Проведен анализ математических моделей образования оксида при горении частиц алюминия и способов сжигания алюминиевовоздушных смесей. Определена цель и выполнена постановка задач диссертационной работы.
Во второй главе описано математическое моделирование процесса образования оксида при горении частиц алюминия. В диссертационной работе предложена новая модель образования оксида. В отличие от прежних, предложенная модель учитывает основные факторы, влияющие на процесс образования оксида: кинетические ограничения скоростей испарения и поверхностных химических реакций. На основе модели проведены расчеты процесса образования оксида. Результаты расчетов хорошо согласуются с
12 экспериментальными данными. Математическим моделированием выявлены параметры, позволяющие изменять характеристики образующегося оксида в широких пределах.
В третьей главе описана организация процесса получения оксида алюминия с заданными свойствами, включающая: процесс регулируемой подачи порошка алюминия и его распыление; первичное смесеобразование, воспламенение и стабилизацию пламени; вторичное смесеобразование, горение и образование оксида с заданной дисперсностью; выделение конденсированной фазы из высокотемпературного и высокоскоростного двухфазного потока продуктов сгорания; выделение оксида с заданными свойствами из суспензии конденсированной фазы.
В четвертой главе описана экспериментальная технологическая установка для получения дисперсного оксида алюминия, методика проведения испытаний установки и результаты исследований влияния определяющих параметров установки на дисперсность образующегося оксида. Там же описаны методы исследования образующегося оксида, его свойства и свойства конечного продукта - оксида с заданной дисперсностью, формой частиц и кристаллической модификацией (у или а).
Общие выводы содержат формулировку основных результатов работы.
Автор благодарит своего научного руководителя Петренко В.И. за постоянное внимание к работе.
Особенности образования оксида при горении частиц алюминия
Для получения оксида с заданными свойствами, методом сжигания аэровзвесей алюминия необходимо знать основные особенности образования оксида при горении частиц алюминия, которые могут повлиять на характеристики конечного продукта (дисперсность, форму частиц, фазовый состав).
Дисперсность конденсированных продуктов горения одиночных частиц алюминия рассматривается в монографии [25] , где отмечено, что подавляющая доля твёрдых конечных продуктов сгорания частиц алюминия представляет собой мелкие сферические частицы размером порядка I мкм и менее. Наряду с ними имеется некоторое количество более крупных сплошных сфер, а также определённое количество полых сфер, которые по размерам равны, или даже превосходят исходную частицу алюминия.
Более подробно дисперсность конденсированных продуктов горения алюминизированных составов экспериментально исследовалась в работе [34] . Эксперимент по сжиганию прессованных таблеток исследуемого состава проводился в бомбе постоянного объёма по специальной методике. Дисперсность отобранных продуктов определялась с помощью оптической и электронной микроскопии. Особенности применяемой методики дисперсного анализа позволяли получать полное распределение количества и массы частиц по размерам.
При изготовлении топлив по принятым технологиям частицы алюминия вместе со связкой оказываются сконцентрированными в карманах между зёрнами окислителя. По расчёту авторов [34] для состава с 5% алюминия в одном кармане находится в среднем одна частица. Если каждая частица алюминия в топливе окружена частицами окислителя, то агломерация таких изолированных частиц мало вероятна и таким, образом отобранный оксид представляет собой продукты сгорания одиночных частиц металла.
На рис. 1.2 приведена типичная форма кривой распределения массы конденсированных продуктов сгорания алюминизированного состава по размерам частиц оксида для композиции топлива, содержащего 5% алюминия (распределение частиц которого на рисунке представлено пунктиром). Главной особенностью полученной кривой является двумодальность, обусловленная различием в механизме образования оксидов того или иного размера [34]. Мелкодисперсные частицы левой моды образуются в результате газофазных реакций в объеме вокруг горящих частиц алюминия. Частицы правой моды распределения соответствуют по своим размерам исходным частицам алюминия и представляют собой продукты процесса накопления оксида на поверхности горящей частицы металла. По внешнему виду частицы левой моды - прозрачные, сферические, сплошные; частицы правой моды - непрозрачные, белые в отражённом свете, по форме близки к сферам, часто полые. Плотность частиц правой моды линейно уменьшается при увеличении размера частиц.
Наибольшую ценность для технологии представляют высокодисперсные частицы левой моды. В связи с этим ставится задача при сжигании аэровзвеси порошка алюминия добиться максимального увеличения массовой доли левой моды и уменьшения правой.
В теоретических работах А.Я. Лукина, A.M. Степанова [28,29] и экспериментальных Л.Н. Стесика с сотр. [26,27] показано, что средний размер частиц левой моды пропорционален давлению рш и температуре газа Tg. Варьируя давление и температуру газа в широких пределах возможно значительно изменять размеры частиц высокодисперсного оксида. Таким способом можно получить УДП оксида алюминия с размером частиц менее 100 нм.
Важной задачей метода получения оксида с заданными свойствами при сжигании порошков алюминия, является расчет дисперсности конденсированных продуктов сгорания. Для проведения расчета необходимо математическое моделирование процесса образования оксида. Ниже рассмотрим моделирование образования оксида в разных моделях горения частиц алюминия. В основе большинства известных моделей горения частицы алюминия [35-37] лежит модель диффузионного газофазного горения капель углеводородного горючего, с некоторыми осложнениями и дополнениями, учитывающая образование конденсированных продуктов сгорания. При этом основные положения теории горения капель жидкого горючего сохраняются. Считается, что химическая реакция между парами частицы металла и окислителем сосредоточена в узкой зоне над поверхностью частицы металла (рис. 1.3), и скорость этой реакции лимитируется диффузией окислителя и паров частицы металла в зону реакции. Тепло, необходимое для испарения металла, поступает к поверхности частицы из зоны реакции за счёт теплопроводности. В теории диффузионного газофазного горения частицы алюминия, по сравнению с теорией горения капли жидкого горючего, учитываются следующие особенности [35-37]. Предполагается, что часть оксида в зоне реакции образуется в конденсированном виде, поэтому температура в зоне реакции при наибольших скоростях горения должна ограничиваться температурой кипения окида. Во-вторых, конденсированные продукты сгорания не могут диффундировать, а переносятся движением всей массы газа. В-третьих, считается, что из-за существования конденсированных продуктов в зоне реакции при высоких температурах становится существенной роль излучения.
Существующие способы сжигания алюминиево-воздушных смесей
Эффективность процесса получения оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошков алюминия во многом определяется организацией процесса их воспламенения и горения. Однако в сравнении с углеводородными горючими порошки металлов обладают рядом особенностей, затрудняющих организацию воспламенения и горения. Во-первых, частицы металлов обладают высокой температурой воспламенения (Tign 1000 К) [25]. Во - вторых, капли металлов обладают большой вязкостью [46,47] и плохо испаряются даже при повышенных температурах [48] (температура, при которой существенно давление насыщенных паров алюминия, превышает 2000 К). В -третьих, продукты сгорания металлов содержат большую долю конденсированной фазы.
Стабилизация пламени в углеводородовоздушной смеси обычно осуществляется аэродинамической рециркуляцией, при которой тепло продуктов сгорания переносится навстречу свежей смеси обратными потоками вещества, возникающими за плохо обтекаемыми телами или при внезапном расширении потока рис. 1.5 [49,50]. Из-за выше перечисленных особенностей, стабилизация пламени в потоке металловоздушной смеси традиционными методами малоэффективна: а) в обратных потоках металлическое горючее будет учавствовать преимущественно в конденсированной фазе, а не в газовой; б)капли металла совместно с конденсированными продуктами сгорания будут интенсивно налипать на поверхность стабилизаторов, уменьшая проходное сечение потока и вызывая неустойчивость процессов горения и синтеза оксида; в) повышенная турбулентность, высокая температура, скорость и содержание конденсированной фазы в зоне обратных токов (ЗОТ) приведут к резкому возрастанию теплового и эрозионного воздействия на элементы конструкции стабилизаторов; г) крупные частицы металла не будут участвовать в движении обратных токов, поэтому их время пребывания в зоне высокой температуры мало и они не будут успевать воспламеняться и сгорать; д) при срыве с поверхности стабилизаторов налипшего жидкого металла, образуются крупные капли, которые также не будут успевать сгорать.
В экспериментальных работах [51,52] осуществлена стабилизация пламени в потоке аэровзвеси частиц алюминия традиционными методами, за счет внезапного расширения потока. Однако из результатов [40,41] и термодинамических свойств алюминия [48] следует, что при коэффициенте избытка воздуха а 0,4 и давлении р 0,1 МПа доля алюминия, находящегося в ЗОТ в газовой фазе не превышает 10%. Все отрицательные факторы, отмеченные выше, присутствуют в экспериментах [51,52]. Поэтому длительное и эффективное функционирование описанных там установок проблематично.
Воспламенение и горение металлогазовой смеси в технологической установке синтеза новых порошковых материалов должно осуществляться с высокой эффективностью в течение длительного промежутка времени, в широком диапазоне значений основных параметров, характеризующих условия горения (для изменения свойств целевого продукта необходимо в широких пределах изменять давление, температуру, концентрацию дисперсной фазы [25-30]).
Таким образом, возникают большие сложности по эффективной организации рабочего процесса в технологической установке получения оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвесей порошков алюминия. Необходимо разработать новый способ сжигания металловоздушных смесей, обеспечивающий устойчивый и эффективный рабочий процесс в широком диапазоне значений параметров горения, без применения традиционных методов стабилизации пламени.
Проведенный анализ проблемы получения дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами показал, что в настоящее время не существует метода, позволяющего получать промышленным путем, с высокой производительностью и экономичностью, высококачественные ультрадисперсные порошки оксида. Таким методом может стать способ получения дисперсного оксида при сжигании аэровзвесей порошков алюминия. Анализ особенностей образования оксида при горении частиц алюминия показал возможность получить в продуктах сгорания аэровзвесей порошка алюминия дисперсный оксид с частицами сферической формы размером менее 1мкм, а при определенных условиях менее 0,1 мкм.
Анализ так же показал, что не существует математических моделей, позволяющих моделировать процесс образования оксида и производить расчет параметров, характеризующих дисперсность продуктов сгорания частиц алюминия. Существующие модели образования оксида при горении частиц алюминия учитывают только диффузионный характер горения и не учитывают кинетические ограничения скоростей химических реакций и испарения.
Апробация модели
Анализ таблицы позволяет сделать вывод, что в реальности при повышенных давлениях среды ( р=4 МПа), оксид на частице А1 испаряется менее интенсивно, чем в модели локального термодинамического равновесия, т. е. вклад реакции А1 с А1203 в испарение частицы намного менее значителен, чем представляется авторам [38]. Пренебрежение образованием субокисла А120 вносит гораздо меньшую погрешность в расчет, чем его учет в соответствии с локальным термодинамическим равновесием. В конечном итоге, учёт кинетических ограничений скоростей процессов позволяет правильно рассчитать процесс образования оксида.
Комплекс расчетов по предлагаемой модели процессов горения А1 при различных параметрах потока (скорость, температура, давление, состав) и размерах частиц позволил выявить особенности образования оксида при горении А1, не отмеченные ранее.
1. При горении на поверхности частицы А1 интенсивно накапливается оксид (рис. 2.2,а) и к концу горения значительная часть его остается на частице (40 % -при горении в воздухе, 60-4-70 % -в продуктах сгорания смесевых составов). При этом (с учетом массы оксида) масса частицы при горении в воздухе меняется незначительно (в конце горения уменьшается на 20 %), - а (2), 71,5% (3); сплошные линии - горение в продуктах сгорания смесевых составов, штриховые - в воздухе. при горении в продуктах сгорания смесевых составов постоянно увеличивается и к концу горения возрастает на 40 %. С учетом различия плотностей А1 и А1203 среднеинтегральный размер частицы за время горения в воздухе составлял 95 % от начального, а при горении в продуктах сгорания смесевых составов он практически не отличается от исходного (вывод справедлив только для одиночных частиц А1, горящих при 7 3000 К и т0 0,05 или а0х 25 %).
Таким образом, в исследуемом диапазоне изменения параметров размер частиц в процессе горения изменяется незначительно.
2. При начальной разности скоростей частицы А1 и потока газа AV=2-=-8 м/с скоростное равновесие не успевает установиться не только к моменту воспламенения частицы, но и к концу ее горения. Как уже отмечалось выше, это связано с тем, что в процессе горения А1 масса частицы уменьшается незначительно или даже возрастает. Расчеты показали, что в случае даже незначительного различия скоростей частицы и газа («1 м/с) при р 1 МПа критерий Нуссельта (см. рис. 2.2,6) существенно отличается от 2. Следовательно, отсутствие учета даже слабой скоростной неравновесности при высоком давлении среды приводит к большим ошибкам в расчете параметров тепло- и массообмена, скорости горения и, в конечном итоге, времени горения частицы А1. Время горения частицы А1 размером 70 мкм, неподвижной относительно газа при 7 =2400 К и а0х =71,5%, на 30% превышает время горения частицы А1 при таких же условиях, но с начальной разностью скоростей AV=2 м/с (в момент вылета с поверхности смесевого состава). Влияние скоростной неравновесности фаз на параметры воспламенения и горения газовзвесей частиц металлов также было учтено и отмечено в работе [55].
Сжигание алюминиево-воздушной смеси и синтез оксида
Предлагаемый автором процесс сжигания аэровзвеси алюминия и синтеза дисперсного оксида, как было показано в главе 1, должен осуществляться с высокой эффективностью в течение длительного времени, в широком диапазоне основных параметров. Анализ ряда особенностей горения металлических порошков, распыленных в воздухе [55,74-79], показал возможность организовать их эффективное горение и синтез оксида в течение длительного времени, в широком диапазоне параметров.
Повышенная горючесть металлических порошков объясняется их большой химической активностью и высоким значением тепловыделения в химических реакциях (на единицу массы продуктов сгорания). Поэтому металлы могут активно реагировать с азотом, с большим выделением тепла. Этим обусловлено повышенное тепловыделение в горящих металловоздушных смесях при низких коэффициентах избытка воздуха (а 0,3 , рис. 3.4а). Термодинамический анализ горения металлов в воздухе указывает на высокие температуры продуктов сгорания при низких значениях а, что можно было ожидать, в связи с результатами термохимического анализа (рис. 3.46). Из-за высокого тепловыделения и больших температур при низких значениях а, в металловоздушных смесях верхний концентрационный предел распространения пламени должен быть высоким (при условии реакции алюминия со значительной долей азота), соответственно предельное значение а - низким. Действительно, в работе [78], было обнаружено распространение пламени по аэровзвеси алюминия при а = 0,04.
Изложенные выше особенности горения переобогащенных металловоздушных смесей позволяют организовать воспламенение и первичное горение порошков металлов в технологических установках при низких значениях а, соответственно при низких скоростях потока, без осуществления аэродинамической рециркуляции.
Воспламенение и горение потока алюминиево-воздушной смеси организуется следующим образом (рис. 3.5). Поток воздуха делится на две неравные части: первичный поток (меньшая часть) и вторичный поток (большая часть). В первичный поток подаётся весь порошок металла, смешивается с ним, воспламеняется и частично сгорает, затем смешивается с вторичным потоком и догорает. Коэффициент избытка воздуха первичного потока - ot! « 1, а вторичного — ос2 1. Уменьшение доли первичного потока до минимально необходимой и его турбулизация, за счет пространственной неоднородности смеси, обеспечивают стабилизацию пламени.
Первичное смешение, воспламенение и стабилизация пламени. Исходным процессом является образование потока смеси порошкообразного металла и первичного воздуха, с параметрами благоприятными для воспламенения и стабилизации пламени. В распределенный по поперечному сечению потока порошок, подается первичный воздух в виде нескольких струй, перпендикулярных к оси потока. Скорость первичного потока на порядок меньше, чем вторичного, что способствует стабилизации пламени. Обычно стремятся обеспечить равномерное смешение горючего и воздуха. Однако автором доказано, что высокая степень равномерного смешения порошка алюминия и воздуха в первичном потоке не требуется.
В таблице представлено сравнение пределов распространения пламени в алюминиевовоздушных смесях - с керосино-воздушными. Анализ таблицы показывает, что в отличие от аэровзвесей керосина, пределы распространения пламени для металловоздушных смесей чрезвычайно широки. Верхнее и нижнее значения а, отличаются более чем в 150 раз (для керосино-воздушных всего в 6 раз). Такое большое отличие создаёт принципиально новую ситуацию при горении порошков металлов в воздухе: во-первых, большая пространственная неоднородность концентрации металла не является препятствием для распространения пламени, во-вторых в разных точках пространства нормальная скорость пламени и особенно удельный объём сгоревшей смеси будут сильно отличаться, что приведёт к турбулизации потока и искривлению фронта пламени. В конечном итоге, неравномерная концентрация металла в первичном потоке не только не исключит распространения пламени, но и увеличит скорость его распространения.
