Конвективный и кондуктивный режимы горения гранулированных смесей Ti–C–B. Определение коэффициента теплообмена фильтрующегося газа с гранулами

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Проведены исследования закономерностей горения системы (100 – х)(Ti + C) – х(Ti + 2B) насыпной плотности в порошковом и гранулированном виде. Показано, что зависимость скорости горения порошковой смеси от содержания Ti + 2B имеет немонотонный характер, что связано с влиянием примесного газовыделения на процесс горения. Для гранулированной смеси получена монотонная зависимость, имеющая два характерных участка. Увеличение скорости горения при содержании (Ti + 2B) >60 мас. % позволило сделать вывод о смене кондуктивного режима горения на конвективный. Для конвективного режима горения показано, что уменьшение содержания газифицирующейся добавки в смеси (грануляция этиловым спиртом) приводит к неожиданному результату: увеличению скорости горения системы для составов x = 90 и 100 мас. %. Для составов с содержанием (Ti + 2B) >60 мас. % впервые определена скорость горения при отводе примесного газа через боковую поверхность образца. Это позволило исключить влияние конвективного теплопереноса и определить скорость горения вещества внутри гранул. Совокупность имеющихся экспериментальных данных и результаты проведенных расчетов показали, что критическим условиям перехода горения в конвективный режим для гранул диаметром 1.7 мм отвечает состав при x = 60 мас. %, а для гранул диаметром 0.6 мм – при x = 80 мас. %. Установлено значительное различие расчетных и экспериментальных коэффициентов теплообмена газового потока с гранулами в конвективном режиме горения. Основной причиной отличия является химически активная среда исследуемых составов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Р. А. Кочетков

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: seplb1@mail.ru
Russian Federation, Черноголовка

Б. С. Сеплярский

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: seplb1@mail.ru
Russian Federation, Черноголовка

Д. С. Васильев

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Author for correspondence.
Email: d.s.vasilyev@mail.ru
Russian Federation, Черноголовка

References

  1. Vallauri D., Atias Adrian I.C., Chrysanthou A. TiC‒TiB2 Composites: A Review of Phase Relationships, Processing and Properties // J. Eur. Ceram. Soc. 2008. V. 28. № 8. P. 1697.
  2. Matsuda T. Synthesis and Sintering of TiC‒TiB2 Composite Powders // Mater. Today Commun. 2020. V. 25. 101457.
  3. Brodkin D., Kalidindi S., Barsoum M., Zavaliangos A. Microstructural Evolution During Transient Plastic Phase Processing of Titanium Carbide-Titanium Boride Composites // J. Am. Ceram. Soc. 1996. V. 79. № 7. P. 1945.
  4. Qian J.C., Zhou Z.F., Zhang W.J. et al. Microstructure and Tribo-mechanical Properties of Ti–B–C Nanocomposite Films Prepared by Magnetron Sputtering // Surf. Coat. Technol. 2015. V. 270. № 25. P. 290.
  5. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for Material Synthesis. N.Y.: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2015. P. 424.
  6. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating High-temperature Synthesis of Advanced Materials and Coatings // Int. Mater. Rev. 2017. V. 62. 1243291.
  7. Merzhanov A.G. Solid Flames: Discoveries, Concepts, and Horizons of Cognition // Comb. Sci. Technol. 1994. V. 98. P. 307.
  8. Шкадинский К.Г., Струнина А.Г., Фирсов А.Н., Демидова Л.Д., Барзыкин В.В. Математическое моделирование горения пористых малогазовых составов // ФГВ. 1991. Т. 27. № 5. С. 84.
  9. Aldushin A.P., Martemyanova T.M., Merzhanov A.G., Khaikin B.I., Shkadinskii K.G. Propagation of the Front of an Exothermic Reaction in Condensed Mixtures with the Interaction of the Components Through a Layer of High-melting Product // Combust. Exp. Shock Waves. 1972. V. 8. № 2. P. 159.
  10. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. М.: Торус Пресс, 2007.
  11. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Alymov M.I. Ignition and Wave Processes in Combustion of Solids. Switzerland: Springer Int. Publ. AG, Cham., 2017.
  12. Кочетов Н.А., Сеплярский Б.С. Влияние примесных газов на горение механически активированной смеси Ni + Al // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 1. С. 42.
  13. Vadchenko S.G. Effect of Thermal Treatment in Vacuum on Ignition of Titanium Compacts in Hydrogen // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2010. V. 19. P. 206.
  14. Nikogosov V.N., Nersesyan G.A., Sherbakov V.A., Kharatyan S.L., Shteinberg A.S. Influence of a Blowing Agent on Mechanism of Combustion and Degassing in a Titanium-carbon Black System // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1999. V. 8. № 3. P. 321.
  15. Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра // Докл. РАН. 2004. Т. 396. № 5. С. 640.
  16. Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A. Granulation as a Tool for Stabilization of SHS Reactions // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2017. V. 26. № 2. P. 134.
  17. Сеплярский Б.С., Тарасов А.Г., Кочетков Р.А., Ковалев И.Д. Закономерности горения смеси Ti + TiC в спутном потоке азота // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 61.
  18. Сеплярский Б.С., Абзалов Н.И., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. Влияние содержания поливинилбутираля на режим горения гранулированной смеси (Ti + C) + xNi // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 3. C. 23.
  19. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А. Исследование закономерностей горения порошковых и гранулированных составов Ti + xC (x > 0.5) в спутном потоке газа // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 9. С. 21.
  20. Алдушин А.П., Мержанов А.Г. Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. Новосибирск: Наука, 1988.
  21. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. Новосибирск: ИТФ СОАН СССР, 1984.
  22. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г., Абзалов Н.И. Влияние размеров гранул Ti + C на закономерности горения в потоке азота // ФГВ. 2021. Т. 57. № 1. С. 65.
  23. Акопян А.Г., Долуханян С.К., Боровинская И.П. Взаимодействие титана, бора и углерода в режиме горения // ФГВ. 1978. № 3. С. 70.
  24. Щербаков В.А., Питюлин А.Н. Особенности горения системы Ti–C–B // ФГВ. 1983. № 5. С. 108.
  25. Grigoryan Н.Е., Rogachev A.S., Sytschev А.Е. Gasless Combustion in the Ti–C–Si System // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1997. V. 6. № 1. P. 29.
  26. Vadchenko S.G. Gas Release During Combustion of Ti + 2B Films: Influence of Mechanical Alloying // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2015. V. 24. P. 89.
  27. Nikogosov V.N., Nersesyan G.A., Shcherbakov V.A., Kharatyan S.L., Shteinberg A.S. Influence of a Blowing Agent on Mechanisms of Combustion and Degassing in a Titanium‒Carbon Black System // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1999. V. 8. P. 321.
  28. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. и др. Макрокинетический механизм горения порошковых и гранулированных смесей 5Ti + 3Si: влияние примесного газовыделения и размера частиц титана // Хим. физика. 2022. Т. 96. № 5. С. 660.
  29. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г., Васильев Д.С. Причина увеличения скорости горения порошковой смеси Ti + C при разбавлении медью // ФГВ. 2023. № 3. С. 100.
  30. Зенин А.А., Мержанов А., Несесян Г.А. Исследование структуры тепловой волны в СВС-процессах // ФГВ. 1981. Т. 17. № 1. С. 79.
  31. Мартиросян Н.А., Долуханян С.К., Мержанов А.Г. Экспериментальные наблюдения неединственности стационарных режимов горения в системах с параллельными реакциями // ФГВ. 1983. № 6. С. 22.
  32. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братсковский А.М. и др. Физические величины. Спр. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 1232.
  33. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г., Абзалов Н.И. Экспериментально-теоретическое определение коэффициента межфазового теплообмена при горении гранулированной СВС-смеси в потоке газа // ТВТ. 2022. Т. 60. № 1. С. 81.
  34. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.
  35. Касацкий Н.Г., Филатов В.М., Найбороденко Ю.С. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1991.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup: 1 – argon cylinder, 2 – argon flow sensors, 3 – gas pressure sensors, 4 – gas switch (I – nitrogen, II – argon, III – supply shut off), 5 – tungsten spiral, 6 – charge, 7 – substrate, 8 – digital video camera, 9 – personal computer for recording data from sensors and video camera, 10 – data transmission bus.

Download (165KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. External appearance of a quartz tube: with granulated charge (a) and with granulated charge inside a metal mesh insert (b).

Download (180KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of the combustion rate of powder (1) and granulated mixtures of fractions d = 0.6 (2) and 1.7 mm (3) on the mass content of Ti + 2B.

Download (56KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the combustion rate of granulated mixtures of two fractions with a change in the Ti + 2B content in the co-current mode of NG (1) and with NG removal (2): (a) – d = 0.6 mm, (b) – 1.7.

Download (86KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Schematic representation of the axial section of the sample during combustion in the convective mode (a), section of the granule at the ignition stage (b) and combustion (c): 1 - initial granules, 2 - granules at the ignition front, 3 - burning granules, 4 - burnt granules; arrows - directions of movement of impurity gas.

Download (150KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the combustion rate of granulated mixtures with a change in the Ti + 2B content: 1 – granulation without PVB, 2 – with the addition of PVB; (a) – d = 0.6 mm, (b) – 1.7.

Download (80KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Experimental dependences of combustion rates of granulated mixtures with a change in the Ti + 2B content in the co-current mode (1) and calculated using TFG (2): (a) – d = 0.6 mm, (b) – 1.7.

Download (81KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences