Температура горения алюминия

Горение алюминия

Горение алюминия в воздухе

В отличие от магния, одиночные частицы алюминия при нагревании в воздухе или водяном паре до 2100 К не воспламеняются. Для поджигания алюминия использовали горящие частицы магния. Последние помещали на поверхности нагревательного элемента, а частицы алюминия – на острие иглы на расстоянии 10-4 м над первыми.

Воспламенение частиц алюминия при его поджигании происходит в паровой фазе, причем интенсивность зоны свечения, появляющейся вокруг частицы, увеличивается медленно. Стационарное горение характеризуется существованием зоны свечения, которая не изменяет своих размеров почти до полного выгорания металла. Отношение размеров зоны свечения и частицы составляет 1,6-1,9. В зоне свечения образуются мелкие капельки оксида, которые при столкновении сливаются.

Остаток после сгорания частицы представляет собой полую оболочку, не содержащую внутри металла. Зависимость времени горения частицы от ее размера выражается формулой (горение симметричное).

Горение алюминия в водяном паре

Воспламенение алюминия в водяном паре происходит гетерогенно. Выделяющийся при реакции водород способствует разрушению оксидной пленки; при этом жидкий оксид (или гидроксид) алюминия разбрызгивается в виде капель диаметром до 10-15 мкм. Такие разрушения оксидной оболочки периодически повторяются. Это говорит о том, что значительная доля металла сгорает па поверхности частицы.

В начале горения отношение rсв/r0 равно 1,6-1,7. В процессе горения размер частицы уменьшается, а отношение гсв/?о растет до 2,0-3,0. Скорость горения алюминиевой частицы в водяном паре почти в 5 раз больше, чем в воздухе.

Горение алюминиево-магниевых сплавов

Горение алюминиево-магниевых сплавов в воздухе

Воспламенение частиц алюминиево-магниевых сплавов переменного состава в воздухе, кислород-аргонных смесях, водяном паре и диоксиде углерода протекает, как правило, аналогично воспламенению частиц магния. Началу воспламенения предшествуют окислительные реакции, протекающие на поверхности.

Горение алюминиево-магниевых сплавов существенно отличается от горения как алюминия, так и магния и сильно зависит от соотношения компонентов в сплаве и от параметров окислительной среды. Важнейшей особенностью горения частиц сплавов является двустадийность процесса (рис. 2.6). На первой стадии частица окружена совокупностью факелов, образующих неоднородную зону свечения продуктов реакции. Сравнивая характер и размеры зоны свечения, окружающей частицу сплава во время первой стадии горения, с характером и размером светящейся зоны вокруг горящей частицы магния (см. рис. 2.4), можно заключить, что на этой стадии из частицы выгорает в основном магний.

Рис. 2.6. Горение частицы сплава 30% А1 + 70% Mg при нормальном атмосферном давлении в смеси, содержащей по объему 15% O2 и 85% Аr:

1, 2 – выгорание магния; 3-6 – выгорание алюминия

Особенностью первой стадии горения сплава является постоянство размеров частицы и зоны пламени. Это означает, что жидкая капля сплава заключена внутри твердой оксидной оболочки. В оксидной пленке преобладает оксид магния. Через дефекты пленки происходит истечение магния, сгорающего в парофазном диффузионном пламени.

В конце первой стадии увеличивается протекание гетерогенных реакций, о чем свидетельствует появление очагов яркого свечения па поверхности частицы. Тепло, выделяющееся при гетерогенных реакциях, способствует нагреванию частицы до температуры плавления оксида и началу второй стадии горения.

На второй стадии горения частицу окружает однородная, более яркая зона свечения, которая уменьшается по мере выгорания металла. Однородность и сферичность зоны пламени показывают, что оксидная пленка на поверхности частицы расплавлена. Диффузия металла через пленку обеспечивается низким диффузионным сопротивлением жидкого оксида. Размер зоны пламени значительно превышает размер частицы, что говорит о горении металла в паровой фазе. Сравнение характера второй стадии горения с известной картиной горения алюминия указывает на большое сходство, вероятно, на этой стадии процесса горит алюминий. По мере его выгорания происходит уменьшение размеров пламени, а следовательно, и горящей капли. Сгоревшая частица длительное время светится.

Изменение размеров зоны свечения частицы, горящей в соответствии с описанным механизмом, является сложным (рис. 2.7). После воспламенения величина rсв/r0 быстро (за -0,1 мс) достигает максимального значения (участок аб). Далее в основное время первой стадии горения отношение rсв/r0 остается постоянным (участок бв). Когда выгорание магния заканчивается, rcв/r0 уменьшается до минимума (точка г), а затем, с началом горения алюминия, возрастает (участок гд). Наконец, но мере выгорания алюминия rсв/r0 монотонно уменьшается (участок де) до конечного значения, соответствующего размеру образовавшегося оксида.

Рис. 2.7. Зависимость отношения радиуса зоны свечения к начальному радиусу частицы алюминиево-магниевого сплава от относительного времени ее горения q:

1 – сплав 30% Al + 70% Mg, воздух; 2 – сплав 30% А1 + 70% Mg, смесь 15% O2 + 85% Аr; 3 – сплав 50% А1 + 50% Mg, воздух

Механизм и параметры процесса горения алюминиевомагниевых сплавов существенно зависят от состава сплава. Со снижением содержания магния в сплаве уменьшается размер зоны свечения во время первой стадии горения и продолжительность этой стадии. При содержании магния в сплаве менее 30% процесс остается двухстадийным, но становится прерывистым. В конце первой стадии зона свечения уменьшается до размера самой частицы, процесс горения прекращается, и выгорание алюминия происходит только после повторного воспламенения частицы. Частицы, которые повторно не воспламеняются, представляют собой полые пористые оксидные оболочки, содержащие внутри капли несгоревшего алюминия.

Зависимость времени горения частиц от их начального диаметра выражается следующими эмпирическими формулами:

Горение алюминиево-магниевых сплавов в смесях кислорода с аргоном, в водяном паре и в диоксиде углерода.

Характер горения частиц алюминиево-магниевых сплавов в кислород-аргонных смесях таков же, как и в воздухе. С уменьшением содержания кислорода размер зоны свечения во время выгорания магния заметно уменьшается. Зависимость времени горения частиц сплава 50% А1 + 50% Mg от размеров частиц и содержания кислорода в смеси в объемных процентах выражается формулой

(2.2)

Горение сплавов в водяном паре существенно отличается (рис. 2.8). Образующаяся во время первой стадии оксидная пленка разрушается водородом, и частица приобретает вид коралла. Оставшийся в коралле алюминий воспламеняется только спустя 1-10 мс после окончания первой стадии. Такая прерывистость процесса характерна для сплавов любого состава.

Рис. 2.8. Горение частиц алюминиево-магниевого сплава (50 : 50) сферической (а) и неправильной (б) форм в среде водяного пара при нормальном атмосферном давлении:

1 – исходная частица; 2 – частица перед воспламенением; 3 – выгорание магния; 4 – выгорание алюминия; 5 – коралл, образующийся после частицы

При горении алюминиево-магниевых сплавов в диоксиде углерода из частицы выгорает только магний, после чего процесс горения прекращается.

Горение алюминиево-магниевых сплавов в высокотемпературном пламени

Для исследования процесса горения металлических частиц при высоких температурах под частицей, насаженной на острие иглы, сжигалась прессованная таблетка из смесей перхлората аммония и уротропина, имеющих расчетные температуры горения 2500, 2700 и 3100 К.

Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов в этих условиях происходит, как правило, со взрывом. Наличие взрыва характерно для частиц всех составов. В результате взрыва образуется значительная по размерам зона свечения, что является признаком преобладания парофазного горения. Фотографии горящей частицы в начале горения (рис. 2.9, а) показывают, что на всей поверхности оксидной оболочки протекают гетерогенные реакции. За счет тепла гетерогенных реакций происходит бурное испарение металла (рис. 2.9, б), способствующее разрыву оксидной оболочки и разбрызгиванию неиспарившейся капли (рис. 2.9, в).

Рис. 2.9. Горение частицы сплава 95% Al с 5% Mg в окислительном пламени (температура 2700 К):

а – начальная стадия горения; б – стационарное горение; в – дробление

По мнению Б. Г. Лрабея, С. Е. Салибекова и Ю. В. Ленинского [1] , дробление частиц алюминиево-магниевых сплавов вызывается очень большой разностью температур кипения магния и алюминия, вследствие чего кипение магния при нахождении частицы в зоне высоких температур носит взрывной характер и приводит к дроблению оставшегося алюминия. Температура 2500 К уже достаточна для возникновения взрывного горения, что вполне естественно, поскольку эта температура превышает температуру кипения обоих компонентов.

• [1]Арабей Б. Г., Салибеков С. Е., Левинский Ю . В. Некоторые характеристики воспламенения и горения металлической пыли // Порошковая металлургия. 1964. № 3. С. 109-118.

Алюминий вошел в промышленное и бытовое применение относительно не так давно. На пересечении XIX – XX было освоено производство этого металла в промышленных масштабах. Все дело в том, что началось производство множества товаров, в которых алюминий широко применялся, например, при строительстве катеров, железнодорожных вагонов и пр. Кстати, именно тогда был показан широкой публике автомобиль с кузовом, выполненным из алюминия.

Состав и структура алюминия

Алюминий – это самый распространенный в земной коре металл. Его относят к легким металлам. Он обладает небольшой плотностью и массой. Кроме того, у него довольно низкая температура плавления. В то же время он обладает высокой пластичностью и показывает хорошие тепло- и электропроводные характеристики.

Предел прочности чистого алюминия составляет всего 90 МПа. Но, если в расплав добавить некоторые вещества, например, медь и ряд других, то предел прочности резко вырастает до 700 МПа. Такого же результат можно достичь, применяя термическую обработку.

Алюминий, обладающий предельно высокой чистотой – 99,99% производят для использования в лабораторных целях. Для применения в промышленности применяют технически чистый алюминий. При получении алюминиевых сплавов применяют такие добавки, как – железо и кремний. Они не растворяются в расплаве алюминия, а из добавка снижает пластичность основного материала, но в то же время повышает его прочность.

Внешний вид простого вещества

Структура этого металла состоит из простейших ячеек, состоящих из четырех атомов. Такую структуру называют гранецентрической.

Проведенные расчеты показывают, что плотность чистого металла составляет 2,7 кг на метр кубический.

Свойства и характеристики

Алюминий – это металл с серебристо-белой поверхности. Как уже отмечалось, его плотность составляет 2,7 кг/м 3 . Температура составляет 660°C.

Его электропроводность равняется 65% от меди и ее сплавов. Алюминий и бо́льшая часть сплавов из него стойко воспринимает воздействие коррозии. Это связано с тем, что на его поверхности образуется оксидная пленка, которая и защищает основной материал от воздействия атмосферного воздуха.

В необработанном состоянии его прочность равна 60 МПа, но после добавления определенных добавок она вырастает до 700 МПа. Твердость в этом состоянии достигает 250 по НВ.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением. Для удаления наклепа и восстановления пластичности после обработки алюминиевые детали подвергают отжигу, при этом температура должна лежать в пределах 350°C.

Температура плавления алюминия

Получение алюминиевого расплава, как и многих других материалов, происходит после того, как к исходному металлу подвели тепловую энергию. Она может быть подведена как непосредственно в него, так и снаружи.

Температура плавления алюминия напрямую зависит от уровня его чистоты:

1. 1. Сверхчистый алюминий плавится при температуре 660, 3°C.
   2. При количестве алюминия 99,5% температура плавления составляет 657°C.
   3. При содержании этого металла в 99% расплав можно получить при 643°C.

Алюминиевый сплав может включать в свой состав различные вещества, в том числе и легирующие. Их наличие приводит к снижению температуры плавления. Например, при наличии большого количества кремния, температура может понизиться до 500°C. На самом деле понятие температуры плавления относят к чистым металлам. Сплавы не обладают какой-то постоянной температурой плавления. Этот процесс происходит в определенном диапазоне нагрева.

В материаловедении существует понятие – температура солидус и ликвидус.

Первая температура обозначает ту точку, в которой начинается плавление алюминия, а вторая, показывает, при какой температуре, сплав будет окончательно расплавлен. В промежутке между ними сплав будет находиться в кашеобразном состоянии.

Уменьшение температуры

Перед тем как приступать к плавке металла, можно выполнить определенные операции, которые позволят снизить температуру плавления. Например, иногда расплаву подвергают алюминиевый порошок. В порошкообразном состоянии металл начинает плавиться несколько быстрее. Но при такой обработке возникает реальная опасность того, что при взаимодействии с кислородом, который содержится в атмосфере алюминиевый порошок, начнет окисляться с большим выделением тепла и образования оксидов металла, этот процесс происходит при температуре 2300 градусов. Главное, в этот момент плавления не допустить контакта расплава и воды. Это приведет к взрыву.

Процесс плавления в домашних условиях

Относительно низкая температура плавления алюминия позволяет проводить эту операцию в домашних условия. Надо сразу отметить, что в качестве сырья в домашней мастерской использовать порошкообразную смесь слишком опасно. Поэтому в качестве сырья применяют или чушки, или нарезанную проволоку. Если к будущему изделию нет особых требований по качеству, то для плавления можно использовать все, что изготовленного из этого металла.

Плавка алюминия в самодельном горне

При этом не особо важно, будет сырье покрыто краской или нет. Когда происходит плавление алюминия, все посторонние вещества просто выгорят и будут удалены вместе со шлаком.

Для получения качественного результата плавки необходимо использовать материалы, которые называют флюсами. Они призваны решать задачу по связыванию и удалению из расплава посторонних примесей и загрязнений.

Средства защиты

Домашний мастер, решивший в домашних условиях выполнять плавление алюминия должен отдавать себе отчет в том, что это довольно опасный процесс. И поэтому без применения средств защиты не обойтись. В частности, должны быть использованы перчатки, фартук, очки. Дело в том, что температура расплава лежит в пределах 600 градусов. Поэтому имеет смысл использовать средства защиты, которые применяют сварщики.

Использование средств защиты при плавке алюминия

Кстати, при плавлении алюминия и использовании очищающих химикатов необходимо защищать органы дыхания от продуктов их сгорания.

Выбор формы для литья

При выборе формы для отливки алюминия домашний мастер должен понимать, а для какой цели он обрабатывает алюминий. Если будущая отливка будет предназначена для использования в качестве припоя, то использовать, какие-то специальные формы, нет необходимости. Для этого можно использовать металлический лист, на котором можно остудить расплавленный металл.

Но если возникает необходимость получения даже простой детали, то мастер должен определиться с типом формы для литья.

Форму можно изготовить из гипса. Для этого, гипс в жидком состоянии заливают в обработанную маслом форму. После того, как начнет застывать, в него устанавливают литейную модель. Для того, чтобы в форму можно было залить расплавленный металл необходимо сформировать литник. Для этого в форму устанавливают цилиндрическую деталь. Формы бывают разъемные и нет. Процесс изготовления разъемной формы усложняется тем, что модель будет находиться в двух полуформах. После застывания их разделяют, удаляют модель и соединяют снова. Форма готова к работе.

Кокиль для литья алюминия

Для получения качественных отливок целесообразно использовать металлические формы (кокили), но изготавливать их целесообразно только в заводских условиях.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Свойства алюминия позволяют активно применять в составе металлоконструкций: он легкий, мягкий, поддается штамповке, обладает высокой антикоррозийной устойчивостью.

Для алюминия характерна высокая химическая активность, отличается также высокой электро- и теплопроводностью.

Основное и возбужденное состояние

При переходе атома алюминия в возбужденное состояние 2 электрона s-подуровня распариваются, и один электрон переходит на p-подуровень.

Природные соединения

Алюминий получают путем электролиза расплава Al₂O₃ в криолите (Na₃AlF₆). Галлий, индий и таллий получают схожим образом — методом электролиза их оксидов и солей.

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При комнатной температуре реагирует с галогенами (кроме фтора) и кислородом, покрываясь при этом оксидной пленкой.

Al + Br₂ → AlBr₃ (бромид алюминия)

При нагревании алюминий вступает в реакции с фтором, серой, азотом и углеродом.

Al + F₂ → (t) AlF₃ (фторид алюминия)

Al + S → (t) Al₂S₃ (сульфид алюминия)

Al + N₂ → (t) AlN (нитрид алюминия)

Al + C → (t) Al₄C₃ (карбид алюминия)

Алюминий проявляет амфотерные свойства (греч. ἀμφότεροι — двойственный), вступает в реакции как с кислотами, так и с основаниями.

Al + NaOH + H₂O → Na[Al(OH)₄] + H₂↑ (тетрагидроксоалюминат натрия; поскольку алюминий дан в чистом виде — выделяется водород)

При прокаливании комплексные соли не образуются, так вода испаряется:

Реакция с водой

При комнатной температуре не идет из-за образования оксидной пленки — Al₂O₃ — на воздухе. Если разрушить оксидную пленку нагреванием раствора щелочи или амальгамированием (покрытием металла слоем ртути) — реакция идет.

Алюминотермия (лат. Aluminium + греч. therme — тепло) — способ получения металлов и неметаллов, заключающийся в восстановлении их оксидов алюминием. Температуры при этом процессе могут достигать 2400°C.

С помощью алюминотермии получают Fe, Cr, Mn, Ca, Ti, V, W.

Оксид алюминия

Оксид алюминия получают в ходе взаимодействия с кислородом — на воздухе алюминий покрывается оксидной пленкой. При нагревании гидроксид алюминия, как нерастворимое основание, легко разлагается на оксид и воду.

Проявляет амфотерные свойства: реагирует и с кислотами, и с основаниями.

Al₂O₃ + NaOH + H₂O → Na[Al(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия)

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия получают в ходе реакций обмена между растворимыми солями алюминия и щелочами. В результате гидролиза солей алюминия часто выпадает белый осадок — гидроксид алюминия.

Проявляет амфотерные свойства. Реагирует и с кислотами, и с основаниями. Вследствие нерастворимости гидроксид алюминия не реагирует с солями.

Al(OH)₃ + LiOH → Li[Al(OH)₄] (при избытке щелочи будет верным написание — Li₃[Al(OH)₆] — гексагидроксоалюминат лития)

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Температура горения алюминия

Физические параметры алюминия и температура плавления

Температура плавления алюминия характеризует градиент перехода в жидкое состояние и определяет физические параметры химического элемента. Свойства металла позволяют применять его в различных отраслях промышленного производства, а способность образовывать устойчивые соединения значительно расширяет сферы его использования.

Способность переходить из твердого в жидкое состояние определяет физические свойства металла.

Характеристика физических и технических параметров алюминия

• Алюминий относится к самым распространенным химическим элементам и характеризуется небольшим весом, мягкостью. Основные физические параметры металла, способность образовывать устойчивые к воздействию среды соединения, позволяют его использовать в различных отраслях промышленного производства.
• Металл является привлекательным материалом для работы в домашних условиях. Удельная теплота плавления алюминия составляет 390 кДж/кг, и для литейных целей расплавить его в бытовых условиях не составляет труда.
• Плавка металла может осуществляться поверхностным и внутренним нагревом. Способ внешнего теплового воздействия не требует особого оборудования и применяется в кустарных условиях.
• Алюминий, температура плавления которого зависит от чистоты соединения, давления, для перехода в жидкое состояние требует нагрева в среднем до 660 °C или 993,5°К.
• Существуют различные мнения относительно показателя температуры плавления металла в домашних условиях, но проверить их можно только на практике.

Свойства сплавов металла

Показатель температурного градиента колеблется для соединений металла с другими химическими элементами, определяющими их свойства. Для литейных сплавов, содержащих магний и кремний, он составляет 500 °C.

Удельная теплота плавления определяет физическое свойство химического элемента. Для сплавов этот показатель характеризует процесс перехода из одного агрегатного состояния в другое в определенном температурном интервале.

Температура начала перехода в жидкое состояние называется точкой солидус (твердый), а окончание — ликвидус (жидкий). Соответственно начало кристаллизации будет определяться точкой ликвидус, а окончание — солидус. В температурном интервале соединение находится в переходном состоянии от жидкости к твердой фазе.

В некоторых соединениях алюминия с другими химическими элементами отсутствует интервал между температурными показателями перехода из твердого состояния в расплав. Эти сплавы называются эвтектическими.

Например, соединению алюминия с 12,5% кремния, как и чистому металлу, свойственна точка плавления, а не интервал. Этот сплав относится к литейным и характеризуется постоянной температурой 577 °C.

При увеличении в сплаве количества кремния градиент ликвидус снижается от максимального показателя, свойственного чистому металлу. Среди лигатурных добавок температурный градиент снижает использование магния (450 °C). Для соединения с медью он составляет 548 °C, а с марганцем — всего 658 °C.

Алюминий образует различные сплавы с минералами.

Большинство соединений состоят из нескольких компонентов, что влияет на показатель затвердевания и плавления материала. Понятия температурных градиентов солидус и ликвидус определены для бесконечной длительности процессов равновесных переходов в жидкое и твердое состояние.

На практике учитываются поправки скорости нагревания и охлаждения составов.

Применение металла в промышленном производстве

В естественных условиях алюминий имеет свойство образовывать тонкую оксидную пленку, что предотвращает реакции с водой и азотной кислотой (без нагрева). При разрушении пленки в результате контакта со щелочами химический элемент выступает в качестве восстановителя.

С целью предотвращения образования оксидной пленки в сплав добавляют другие металлы (галлий, олово, индий). Металл практически не подвергается коррозионным процессам. Он является востребованным материалом в различных отраслях промышленности.

Алюминий и его сплавы очень востребованы в различных сферах жизни человека.

• Алюминий считается популярным материалом для изготовления посуды, основным сырьем для авиационной и космической отрасли промышленности. Отличная электропроводность металла позволяет использовать его при напылении проводников в микроэлектронике.
• Свойство алюминия и его сплавов при низких температурах приобретать хрупкость позволяет его использовать в криогенной технике. Отражательная способность и дешевизна, легкость вакуумного напыления делают алюминий незаменимым материалом для изготовления зеркал.
• Нанесение металла на поверхность деталей турбин, нефтяных платформ придают устойчивость к коррозии сплавам из стали. Для производства сероводорода применяется сульфид металла, а чистый алюминий используется в качестве восстановителя редких сплавов из оксидов.
• Химический элемент используют как компонент соединений, например, в алюминиевых бронзах, магниевых сплавах. Наряду с другими материалами его применяют для изготовления спиралей в электронагревательных приборах. Соединения металла широко применяются в стекловарении.
• В данное время чистый алюминий редко используется в качестве материала для ювелирной бижутерии, но набирает популярности его сплав с золотом, обладающий особым блеском и игрой. В Японии металл вместо серебра используется для изготовления украшений.
• В пищевой промышленности алюминий зарегистрирован в качестве добавки. Алюминиевые банки для пива стали популярной упаковкой для напитка с 60-х годов прошлого века. Технологическая линия предусматривает производство тары 0,33 и 0,5 л. Упаковка имеет одинаковый диаметр и отличается только высотой.
• Основным преимуществом упаковки перед стеклом является возможность вторичного использования материала.
• Банки для пива (газированных напитков) выдерживают давление до 6 атмосфер, имеют куполообразное, толстое дно и тонкие стенки. Особенности технологии изготовления путем вытяжки обеспечивают конструкционную прочность и надежные эксплуатационные свойства тары.

Алюминий, свойства, сплавы, производство – Инженерный справочник DPVA.ru / Технический справочник ДПВА / Таблицы для инженеров (ex DPVA-info)

Алюминий – химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное – оксид Al2O3.

Алюминий – серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см3) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой – оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления.

Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия.

• Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:
  • Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] .
• Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:
  • 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
• Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
  • Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].
• Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:
  • 2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2.
• Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 – белое, полупрозрачное, студенистое вещество.
• В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый – среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия – боксит содержит 28-60% глинозема – оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе. Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950 °C.

Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

научная статья по теме ГОРЕНИE ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ Химия

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ГОРЕНИE ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 3, с. 26-31

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

ГОРЕН^ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ © 2012 г. А. А. Борисов*, П. В. Комиссаров, Г. Н. Соколов

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

*Е-таП: [email protected] Поступила в редакцию 15.06.2011

Опыты в реакторе постоянного объема и в модельной ракетной камере сгорания продемонстрировали возможность конвективного горения смесей вода + частицы чешуйчатого алюминия марки ПАП-2 с образованием оксида алюминия и водорода. Показано, что пористость смеси — важный фактор, определяющий характер горения. Горение происходит при давлении в несколько сот атмосфер в конвективном режиме.

Ключевые слова: алюминий, частицы, вода, горение конвективное.

Водород — идеальное горючее практически для всех энергетических установок. Продукты его горения экологически чистые, теплотворная способность у него высокая, сам он экологически безвреден. К сожалению, ряд существенных обстоятельств сдерживают развитие водородной энергетики. В отличие от большинства углеводородных горючих он газообразен в очень широком диапазоне условий, в результате чего возникает острая проблема его хранения и транспортировки, а синтез водорода энергозатратен, тогда как углеводороды в большинстве своем — либо природные ископаемые, либо могут быть синтезированы из природного сырья без значительных затрат энергии. Электролиз воды, который можно считать наиболее прямым методом получения водорода, нельзя рассматривать в качестве перспективного метода для производства топлива, особенно для мобильных энергетических установок, поскольку достаточно экономичные и безопасные способы транспортировки водорода еще находятся в стадии разработки. Следовательно, желательно синтезировать водород непосредственно на месте его применения, используя для реакции синтеза компоненты с высокой экономичностью, доступностью и безопасностью их транспортировки и обращения с ними. Подходящим способом получения водорода, удовлетворяющим поставленным условиям, может быть реакция алюминия с водой. Известно, что эта реакция, хотя и идет с выделением большого количества тепла, требует высокой температуры для ее инициирования, поэтому нет сомнения, что потребуются очень специфические условия, чтобы организовать самоподдерживающийся режим горения в системе алюминий + вода. Если же удастся организовать такой режим, то можно бы-

ло бы синтезировать водород непосредственно рядом с любой энергетической установкой, используя алюминиевый порошок и воду. При этом большое количество тепла, выделяющееся в реакции, можно использовать и для генерации пара, направляемого, например, в турбину, и для облегчения инициирования проведения реакции синтеза водорода. Конденсированный продукт реакции — окись алюминия может быть возвращен на восстановление до алюминия. Снимается необходимость перевозки, хранения, а также компри-мирования водорода, поскольку он может вырабатываться в сменных кассетах, в которых при условии зажигания давление будет поддерживаться за счет реакции.

Возможность горения алюминия в воде была продемонстрирована в ряде работ [1—6], однако в большинстве из них (за исключением [5, 6]) исследовались горение и воспламенение порошков с субмикронным размером частиц и высокой активностью. В настоящей работе предпринята попытка организовать горение в системе вода + порошок алюминия марки ПАП-2, который дешев и производится в большщом количестве.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Опыты проводили в реакторе постоянного объема и в модельной ракетной камере сгорания. Схема манометрической бомбы номинальным объемом 57.4 см3 представлена на рис. 1. Исследуемую смесь помещали в зарядную капсулу 2 внутренним диаметром 12 мм, которая помещалась в оболочку манометрической бомбы 1. Сверху на нее помещали бустер 7 (стехиометрическая смесь алюминия и перхлората аммония) массой 1.5 г и воспламенитель, состоящий из 1.2 г дымного ру-

Рис. 1. Реактор постоянного объема: 1 — корпус, 2 — зарядная капсула, 3 — датчик давления, 4 — заглушка с электровводами, 5 — крышка, 6 — электроввод, 7 — бустер и инициатор заряда, 8 — исследуемая смесь.

жейного пороха (ДРП). Воспламенитель зажигали путем подачи электрического импульса на ни-хромовую проволочку. Давление в ходе эксперимента регистрировалось датчиком Т-6000 с усилителем заряда.

Для обеспечения полного сгорания алюминия использовали слегка бедную смесь горючего и окислителя (Н2О). Смесь приготавливали следующим образом:

• в смесительный стаканчик наливали 8 мл воды при температуре 20°С;

• добавляли 6.7 г алюминия марки ПАП-2;

• вводили ПАВ (Fairy) в количестве менее 1 мл;

• смесь тщательно перемешивали до образования однородной массы.

Принятая процедура приготовления смеси позволила решить важную задачу формирования водно-алюминиевых гранул размером 300—800 мкм без гелеобразующих добавок. Это позволило приготовить заряды смеси с пористостью, регулируемой в широких пределах простым компактирова-нием и достаточной для создания условий, необходимых для организации в них режима конвективного горения, распространяющегося с высокими скоростями.

90 80 70 60 50 40 30 20 10

Рис. 2. Давление в бомбе постоянного объема: 1 — бустер: стехиометрическая смесь А1 + ПА, масса — 1.5 г, плотность — 1.6 г/см3, воспламенитель: 1 г ДРП + 0.2 г. молотого ДРП, песок с водой объемом 1.6 см3; 2 — воспламенитель, бустер и 2 г смеси вода + алюминий плотностью 0.8 г/см3; 3 — воспламенитель, бустер и 6.7 г смеси А1 + ЩО плотностью 0.8 г/см3.

Повышение начального давления в реакторе и зажигание смеси производились с помощью навесок дымного пороха и стехиометрической смеси А1 + перхлорат аммония, помещаемой на смесь алюминия с водой. Рисунок 2, на котором представлены зависимости давления от времени в опытах только с воспламеняющим составом и с различными количествами исследуемой смеси алюминий + вода, демонстрирует быстрый рост давления за счет сгорания инициирующей навески и затем медленный его рост, вызванный горением водно-алюминиевых гранул. В опыте, в котором сжигали только ДРП и бустер вместо исследуемой водно-алюминиевой смеси в реактор помещали смесь песок + вода в объеме, приблизительно равном объему, занимаемому двумя граммами исследуемой смеси при ее плотности, равной 0.8 г/см3. Как видно, несмотря на то, что навески ДРП и смеси алюминий + перхлорат аммония были по возможности одинаковыми во всех опытах, время сгорания воспламеняющих составов разное. Несколько, по-видимому, различаются также и максимальные давления, достигаемые при полном сгорании бустера. Различная форма записей давления на начальной стадии в холостом опыте и в опытах с водно-алюминиевой смесью объясняется тем, что смесь песок + вода практически не пористая, в то время как пористость исследуемых смесей несколько превышала 40%. Продукты горения воспламенителя проникали в исследуемую смесь и охлаждались, уменьшая скорость нарастания давления в конце стадии воспламенения. Быстрый спад давления на

начальном участке сигнала, полученного в опыте без смеси алюминий + вода, можно также объяснить проникновением продуктов горения воспламеняющего состава в узкие зазоры между капсулой и стенками бомбы и конденсацией воды.

Хотя повышение давления за счет сгорания частиц алюминия в воде очевидно, его максимальная величина только качественно соответствует количеству смеси, т.е. чем больше смеси, тем больше рост давления. Однако абсолютные значения максимального давления оказались существенно ниже, чем можно было бы ожидать при полном превращении алюминия в окись алюминия. При этом следует отметить, что несгоревший алюминий в конденсированных продуктах реакции не был обнаружен. По-видимому, искать объяснение такого противоречия следует в механизме реагирования смеси. Как видно из рис. 2, скорость нарастания давления за счет сгорания смеси алюминия с водой быстро уменьшается со временем. Для того чтобы выяснить природу процесса горения смеси, оценим приближенно скорость ее горения по регистрациям давления. По стехиометрическому соотношению при сгорании 1 г смеси должно выделяться 0.029 моля водорода (или 0.015 моля Н2 на 1 г сгоревшего алюминия). Горение смеси начинается, когда инициатор полностью сгорает, так что в дальнейшем давление возрастает за счет поступления водорода при сгорании исследуемой смеси. Для простоты анализа будем считать, что температуры продуктов горения инициатора и смеси близки (во всяком случае, для последующих оценок). Действительно, температура смеси продуктов горения инициатора не превышает 3500 К. Учитывая то, что теплоемкость этой смеси значительно выше, чем теплоемкость водорода, выделяющегося при горении смеси алюминий + вода, температура газа в реакторе в процессе горения не будет сильно отличаться от начального ее значения. В соответствии со стехиометрическим уравнением окисления алюминия водой 2/3 моля прореагировавшего алюминия приводит к образованию 1 моля водорода. В предположении, что давление в реакторе после срабатывания инициатора возрастает только за счет поступления в газовую фазу водорода, имеем

где V — объем реактора; Т — температура газовой фазы, которую для оценки можно принять постоянной и равной температуре продуктов горения инициатора; шм — масса сгоревшего алюминия; цА1 — атомный вес алюминия. Для нахождения Т

используем уравнение состояния идеального газа для продуктов горения инициатора:

Здесь minit — масса инициатора, Pmax — максимальное давление после сгорания инициатора, ц,prod — молекулярный вес продуктов горения инициатора. Окончательно получаем

dP = р 2 d(m^ ц Ai) n

Величина Ртах находится из рис. 2 (кривая 1), пш оценивается на основании уравнения состояния идеального газа по известным значениям Ртах и объема реактора, а также предполагаемой температуры продуктов — 3500 К (хотя температура газа не определена строго, ее изменение в пределах 300

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Химия»

ЕРМОЛАЕВ Б.С., ХРАПОВСКИЙ В.Е., ШМЕЛЕВ В.М. — 2014 г.

ФИНЯКОВ С.В., ШМЕЛЕВ В.М. — 2013 г.

ФИНЯКОВ С.В., ШМЕЛЕВ В.М. — 2013 г.

БЕЛЯЕВ А.А., ЕРМОЛАЕВ Б.С., СУЛИМОВ А.А., ФОТЕЕНКОВ В.А., ХРАПОВСКИЙ В.Е. — 2007 г.