Способ исследования воспламенения и горения одиночных частиц металла

г .пу ь .и. Ь.ЫАЙ 767633 Л-"-Н"И"Е Сбюз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 21.0378 (21) 25925 б 4/18-25 с присоединением заявки йо(осударетвеииый комитет СССР по делам изобретениЯ и открытий(72) Авторы изобретения Московский ордена Трудового Красного Знамени институт стали и сплавов(54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛАИзобретение относится к области техники безопасности металлургического производства, прежде всего к процессам, связанным с получением, переработкой, транспортировкой (по трубам) и хранением порошков металлов и сплавов иможет 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 пониженных . давлениях) на их воспламеняемость.Известен способ исследования вос 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 1 ). 25Известен также способ исследова- ния горения одиночных металлических частиц путем нагрева частиц в окислительной среде и регистрации процесса горения (2. Заданная окислитель ная среда создается продувкой камерыприготовленной газовой смесью. Нагрев и воспламенение частицы достигается при помощи нагреваемого силитового стержня или на острие вольфрамовой иглы, Температура измеряетсямалоинерционными термопарами.Этот способ выбран в качествепрототипа изобретения,указанный способ позволяет исследовать горение частицы, находящейсяв потоке газообразных продуктов разложения топлива, или частицы, находящейся на границе раздела конденсированной и газодисперсной фаэ топлива,Известный способ не пригоден дляопределения температуры воспламененияотдельных частиц металла, с его помощью не могут быть изучены процессыокисления, происходящие в предвоспламенительный период, а, следовательно,параметры воспламеняемости не могутбыть связаны с закономерностями окисления металлов. Другими недостаткамиизвестного способа являются невозможность исследования воспламененияи горения частицы при пониженных дав.лениях или в вакууме (зти условияреалиэуются, например, при вакуумнойсушке металлических порошков), неоп-ределенность скорости нагрева (тогда,как-известно, что температура воспламенения существенно зависит от скорости нагрева). Кроме того известныйспособ, связанный с продувкой окислительной среды не пригоден для исследования воспламенения и горенияодиночной частицы, осевшей на нагретую поверхность,Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е.исследование процессов окисления,происходящих в предвоспламенительныйперйод, изучение влияния различныхфакторов (состава атмосферы, давления) на воспламеняемость частиц металлов.Поставленная цель достигается тем,что нагрев осуществляют линейно соскоростью 2,5-150 град/минПредлагаемый способ реализуется вустройстве, представляющем собой герметичную капсулу, снабженную штуцерами для вакуумирования и заполнениягазовыми смесями заданного состава,позволяющую проводить исследованиепроцесса воспламенения и горения час"тицметаллов в воздушной среде, йрййониженных давлениях в атмосфере воздух-инертный газ при нормальном давлении), В качестве нагревателя используется силитовый (из карбидакремния) инфракрасный излучатель,позволяющий осуществить линейный нагрев с контролируемой скоростью в широких пределах.В устройстве предусмотрено син" хронное включение нагревания, киносъемки и записи профиля температурна осциллографе, а также имеется воэможность автономного включения их. На чертеже представлена схема установки для реализации предлагаемогоспОсоба.Она состоит из герметичной меднойкапсулы 1, миниатюрного силитовогостержня 2, трансформатора 3 для подачи напряжения на нагревательный элемент, термопары 4, осциллографа 5,реле 6, микроскопа 7, кинокамеры 8.Вакуумйая система устройства состоитиз вакуум-насоса 9, образцового"манометра .10, лампы 11 для"измерения остаточного давления и вакуумметра 12для фиксирования глубокого разряже"йия. В задней стенке капсулы вварены шгуцера"для вакуумировавйя"и йбйачигазовой смеси заданного состава.Одйн штуцер через вакуумнйй кран соединен с вакуум-насосом 9, а другой - с образцовым манометром 10, лампой 11и вакуумметром 12..Установка работает следующим обраэом.Выбранная частица металла иглойпереносится наплощадку нагревателяи ее изображение фокусируется "черезмикроскоп 7 на кинопленку кинокамеры,48. цля 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 вакуум- метре 12, Затем капсула заполняетсягазовой смесью и включается нагревчастицы. Воспламенение частицы осуществляется от миниатюрного силитово го стержня 2,нагреваемого электрическим током от сети переменного напряжения, который через трансформатор 3подается на нагреватель. Силитовый стержень крепится в герметичных токовводах, которые вварены в боковые стенки капсулы. В центре нагревателя делаются две взаимно перпендикулярные площадки (2,55 мм). Одна служит ,цля размещения частиц металлов, другая - для термопары 4. Головка хро-мель-алюмелевой термопары диаметром500 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 5прогневается, а затем синхрониэированно включается нагреватель 2, кинокамера 8 и осциллограф 5.35 Синхронизация процесса включенияи выключения нагрева частицы и ее киносъемки осуществляется следующим образом: сигнал кинокамеры 8 через реле 6 подается на щит выключения си О литового нагревателя 2 и осциллограф5. На осциллографе ведется запись времени между кадрами киносъемки и "запись истинной температуры частицы (до момента воспламенения) во време.ни. В установке предусмотрена воэмож ность автономного включения нагревателя, кинокамеры и осциллографа.С помощью разработанного способаисследованы параметры воспламенения р и механизм горения одиночных частицряда активных металлоь: магния, циркоиия, титана, бора в зависимости от скорости нагревания и размера частиц.Установка позволяет не только полу-чить укаэанные закономерности, но иопределить скорости окисления по росту окисной пленки в предвоспламенительный период, а также различить по воспламеняемости и скорости горения образцы металлов, полученных различ- бО ными способами,. Так,.при исследовании электролитического и иодидного циркония с чистотой 99,96 и 99,99 обнаружено, что температура воспламенения частицы уменьшалась с увели. Ю чением скорости нагрева и с увеличе767633 О Формула изобретения ПИЗаказ 7184 аж 101 одписное ПП Патентфф, г, Ужгород,ул. Пр ектная,л 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 , 589и - 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 620 ф, 609 О и 562 С, т.е. с разницей в несколько десятков градусов по отношению к иодидному цирконию, а магниетермический титанпри температурах 245, 306 и 395 С. Таким образом, при переходе к магниетермическому порошку не только наблюдалось снижение температур воспламенения в среднем почти .на 300 С, ноо 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 частиц500 мк время горения для иодидного иэлектролитического циркония составляет 1050 и 950 мсек, для иодидноготитана 700 мсек, а для магниетермического титана всего около 200 мсек,т.е. в 3,5 раза меньше, чем дляиодидного титана и в 2,5 раза меньше,чем для магния. Способ исследования воспламененияи горения одиночных частиц металлапутем нагрева частицы в окислительной среде и регистрации процесса гбрения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью исследования процессаредвоспламенительного окисления, нагрев частицы проводят линейно со скоростью в интервале от 2,5 до 20 150 град/мин. Источники 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., "Химияф,1977, с. 253 (прототип).