Способ исследования воспламенения и горения одиночных частиц металла

 

<>767633

Сбюз Советских

Социалистических

Республик

ОПИС

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (6 t ) Дополнительное к ввт. свмд-ау (22) Заявлено 21.0378 (2)) 2592564/18-25 с присоединением заявки Но . (23) Приоритет

Опубликовано 3009.80. Бюллетень N9 (51)М, Кп пÇ

G 01 Н 25/52 (осударетвеииый комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 543.544 (088.8) Дата опубликования описания 300930

В.Н. Бринза, И.В. Бабайцев, В.В. Курылев, B.N, Ладная и В.N. Мальцев (72) Авторы изобретения

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт стали и сплавов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ

ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛА

Изобретение относится к области техники безопасности металлургического производства, прежде всего к процессам, связанным с получением, переработкой, транспортировкой (по трубам) и хранением порошков метал.лов и сплавов и может быть использовано для определения критических условий воспламенения н исследования механизма горения частиц металлов в окислительных средах и влияния различных факторов (атмосферы воэдухазот, воздух-аргон при пони:кенных . давлениях) на их воспламеняемость.

Известен способ исследования вос- тЗ пламенения и горения одиночных металлических частиц, основанный на том, что одиночная частица нагревается в пламени горелки до температуры плавления и затем вносится в поток 26 окислителя. Процесс горения регистрируется кинокамерой, температурный профиль снимается с помощью хромельалюмелевых термопар с записью их показаний на осциллографе t1 }. 25

Известен также спосбб исследова- ния горения одиночных металлических частиц путем нагрева частиц в окислительной среде и регистрации процесса горения (2). Заданная окислитель- 30 ная среда создается продувкой камеры приготовленной газовой смесью. Нагрев и воспламенение частицы достигается при помощи нагреваемого силитового стержня или на острие вольфрамовой иглы. Температура измеряется малоинерционными термопарами.

Этот способ выбран s качестве прототипа изобретения. указанный способ позволяет исследовать горение частицы, находящейся в потоке газообразных продуктов разложения топлива, или частицы, находящейся на границе раздела конденсированной и газодисперсной фаэ топлива.

Известный способ не пригоден для определения температуры воспламенения отдельных частиц металла, с его помощью не могут быть изучены процессы окисления, происходящие в предвоспламенительный период, а, следовательно, параметры воспламеняемости не могут быть связаны с закономерностями окисления металлов. Другими недостатками известного способа являются невозможность исследования воспламенения и горения частицы при пониженных давлениях или в вакууме (зти условия реалиэуются, например, при вакуумной

767633 сушке металлических порошков), неоп- ределенность скорости нагрева (тогда, как -известно, что температура воспламенения существенно зависит от скорости нагрева). Кроме того известный спосбб, связанный с продувкой окислительной среды не пригоден для ис следования воспламенения и горения одиночной частицы, осевшей на нагретую поверхность.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. исследование процессов окисления, происходящих в предвоспламенительный перйод, изучение влияния различных факторов (состава атмосферы, давления) на воспламеняемость частиц металлов.

Поставленная цель достигается тем, что нагрев осуществляют линейно со скоростью 2,5-150 град/мин.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве, представляющем собой герметичную капсулу, снабженную штуцерами для вакуумирования и заполнения газовыми смесями заданного состава, позволяющую проводить исследование процесса воспламенения и горения час"тиц металлов в воздушной среде, прй йониженных давлениях в атмосфере воздух-инертный газ при нормальном давлении). В качестве нагревателя используется силитовый (из карбида кремния} инфракрасный излучатель, позволяющий осуществить линейный нагрев с контролируемой скоростью в Нроких пределах.

В устройстве предусмотрено синхронное включение нагревания, киносъемки и записи профиля температур на осциллографе, а также имеется воэможность автономного включения их.

На чертеже представлена схема установки для реализации предлагаемого спОсоба.

Она состоит из герметичной медной капсулы 1, миниатюрного силитового стержня 2, трансформатора 3 для подачи напряжения на нагревательный элемент, термопары 4, осциллографа 5, реле 6, микроскопа 7, кинокамеры 8.

Вакуумйая система устройства состоит из вакуум-насоса 9, образцового мано метра .10, лампы 11 для "измерения остаточного давления и вакуумметра 12 для Фиксирования глубокого разряже йия . В задней стенке капсулы вварены шгуцера"для вакуумированйя- и подачи газовой смеси заданного состава.

Одйн штуцер через вакуумнйй кран сое динен с вакуум-насосом 9, а другой с образцовым манометром 10, лампой 11 и вакуумметром 12. .Установка работает следующим обра э ом.

Выбранная частица металла иглой переносится на площадку нагревателя и ed изображение фокусируется "через микроскоп 7 на кинопленку кинокамеры, 4

О

8. Для загрузки частиц металла и их киносъемки в процессе нагрева в капсуле предусмотрены два герметичных съемных окна. Во время проведения опыта загрузочное окно используется также для подсветки частицы. Подсветка осуществляется сфокусированным потоком софитовой лампы. После загрузки в капсулу воздух из нее откачивается вакуум-насосоМ 9 до заданного остаточного давления, значение которого Фиксируется на вакуумметре 12. Затем капсула заполняется газовой смесью и включается нагрев частицы. Воспламенение частицы осуществляется от миниатюрного силитово)5 ro стержня 2,нагреваемого электрическим током от сети переменного напряжения, который через трансформатор 3 подается на нагреватель. Силитовый стержень крепится в герметичных токовводах, которые вварены в боковые стенки капсулы. В центре нагревателя делаются две взаимно перпендикулярные площадки (2,5 5 мм). Одна служит ,цля размещения частиц металлов, другая — для термопары 4. Головка хромель-алюмелевой термопары диаметром

500 мк сфериэировывается на 1/3 диаметра (для лучшего контакта) и плоской поверхностью прижимается к боковой площадке, концы термопары через реле 6 подключаются к осциллографу 5.

Перед началом опыта осциллограф 5 прогневается, а затем синхрониэированно включается нагреватель 2, кинокамера 8 и осциллограф 5.

35 Синхронизация процесса включения и выключения нагрева частицы и ее киносъемки осуществляется следующим образом: сигнал кинокамеры 8 через реле 6 подается на щит выключения си,р литового нагревателя 2 и осциллограф

5. На осциллографе ведется запись времени между кадрами киносъемки и

"запись истинной температуры частицы (до момента воспламенения) во време.ни. В установке предусмотрена воэмож45 ность автономного включения нагревателя, кинокамеры и осциллографа.

С помощью разработанного способа исследованы параметры воспламенения

5р и механизм горения одиночных частиц ряда активных металлов: магния, циркоиия, титана, бора в зависимости от скорости нагревания и размера частиц.

Установка позволяет не только- полу55 чить укаэанные закономерности, но и определить скорости окисления по росту окисной пленки в предвоспламенительный период, а также различить по воспламеняемости и скорости горения образцы металлов, полученных различбО ными способами. Так,.при исследовании электролитического и иодидного циркония с чистотой 99,96% и 99,99% обнаружено, что температура воспламенения частицы уменьшалась с увели65 чением скорости нагрева и с увеличе767633!

Формула изобретения

ЦНИПИ Заказ 7184/39 Тираж 1019 Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 нием размера частиц. При разных ус- ловиях частицы иодидного циркония воспламенялись труднее, чем электролитического. Так, при температурном нагреве в 100 град/мин температуры воспламенения частиц размером 100, 300 и 500 мк составляли соответственно 612, 550 и 468 С для электролитического циркония и 652, 589 и

- 506 С для иодидного циркония. Способ получения влиял и на температуры воспламенения других металлов: так при тех же условиях и размерах частиц иодидный титан воспламенялся при температурах 620о, 609о и 562 С, т.е. с разницей в несколько десятков градусов по отношению к иодидному цирконию, а магниетермический титанпри температурах 245о 306 и 395 С.

Таким образом, при переходе к магниетермическому порошку не только наблюдалось снижение температур воспламенения в среднем почти .на 300 С, но о и изменение характера влияния размера частиц на температуры воспламенения. Такая же закономерность (уменьшение температуры воспламенения с уменьшением размера частиц) обнаружена и для магния. Столь же разительное влияние оказывает способ получения порошка и на его скорость горения. Например, при размере частиц

500 мк время горения для иодидного и электролитического циркония составляет 1050 и 950 мсек, для иодидного титана 700 мсек, а для магниетермического титана всего около 200 мсек, т.е. в 3,5 раза меньше, чем для иодидного титана и в 2,5 раза меньше, чем для магния.

Способ исследования воспламенения и горения одиночных частиц металла путем нагрева частицы в окислительной среде и регистрации процесса гбрения, отличающийся тем, что, с целью исследования процесса предвоспламенительного окисления, нагрев частицы проводят линейно со скоростью в интервале от 2,5 до

150 град/мин.

Источникй инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Физика горения и взрыва

1971, 7 Р 2, с. 236.

2. Мальцев В.М. и др. Основные характеристики горения, М., "Химия", 3.977, с. 253 (прототип).