Глава VIII горение составов

§ 1. Механизм горения

Процесс сгорания составов можно разделить яа три стадии:

инициирование (зажжение)

воспламенение

горение.

Инициированиеобычно осуществляется при помощи теплового импульса, который сообщается ограниченному участку поверхности состава.

Воспламенением принятоназывать распространение горения по всей поверхности состава.

Собственно горениемназывают движение процесса в глубину.

Скорость воспламенения составов во много раз больше, чем скорость их горения. Для одного и того же состава скорость воспламенения зависит:

1) от степени измельчения компонентов; чем тоньше измельчение, тем больше общая поверхность состава и тем быстрее идет воспламенение;

2) от плотности состава: чем больше плотность, тем меньше становится общая поверхность состава (уменьшается количество пор) и тем труднее и медленнее происходит воспламенение;

3) от начальной температуры: чем она выше, тем легче и быстрее протекает воспламенение;

4) от внешнего давления: при его повышении скорость воспламенения сильно увеличивается; сжатые газы передают в этом случае больше тепла в единицу времени воспламеняемой ими поверхности;

5) от состава газовой фазы и, в частности, от содержания в ней кислорода, который активно участвует в процессах воспламенения многих пиротехнических составов.

Наибольшая скорость воспламенения наблюдается для слабоуплотненных фотосмесей я для дымного пороха; дорожка из дымного пороха в открытом пространстве воспламеняется соскоростью 3—4 м/с. 94

Процесс горения пиротехнических составов чрезвычайно сложен. Изучению его уделялось сравнительно мало внимания. Наряду с этим в литературе за последние 15—20 лет опубликовано много работ по исследованию механизма горения ВВ и порохов.

Конечно, процесс горения пиросоставов имеет ряд особенностей но сравнению с процессами горения ВВ или лорохов, но многие закономерности аналогичны, что было доказано рядом экспериментов.

В связи с этим далее в этой главе часто проводится аналогия между закономерностями горения пиросоставов и взрывчатых веществ (и порохов).

Процесс горения пиротехнических составов представляет собой совокупность многих экзо и эндотермических химических процессов и физических процессов диффузии и теплопередачи.

Горение составов начинается в конденсированной фазе и заканчивается в газовой фазе (в пламени).

Процессы, протекающие в конденсированной фазе, чаще всего бывают (суммарно) слабоэкзотермическими; степень экзотермичности реакции в конденсированной фазе зависит как от рецепта состава, так в некоторой степени от условий его горения (от внешнего давления). Процессы, протекающие в газовой фазе (в пламени) всегда суммарно, являются экзотермичными. Во многих случаях процессы, протекающие в конденсированной фазе, могут осуществляться только за счет тепла, поступающего из газовой фазы (из пламени).

Это положение подтверждается наблюдением, что многие пиротехнические составы теряют способность к горению при низких давлениях: менее 1 мм рт. ст. -(133 Н/м2).

Вопрос о соотношении количества тепла, выделяющегося в конденсированной и газовой фазе, должен рассматриваться индивидуально для каждого вида составов. Количественные данные по этому вопросу пока отсутствуют.

Непременным условием для нормального равномерного горения является равенство теплоприхода и теплоотвода во всех зонах реакции. При нарушении этого условия горение или затухает или становится неравномерным, возникает пульсация .

Однако расчленение процесса горения на две стадии является только весьма грубым приближением к действительности.

Прежде всего следует напомнить, что пиросоставы представляют собой микрогетерогенную систему.

Для осуществления быстрой реакции необходимо тесное (молекулярное) соприкосновение реагирующих между собой веществ. В твердом состоянии этой возможности почти не представляется; реакции между твердыми веществами протекают, как известно, медленно, даже при очень высоких температурах; тот

' Подробнее с пульсирующем горении см. [4, 1-е изд., 1957].

факт, что многие «малогазовые» составы горят довольно быстро, не противоречит высказываемому положению, так как основная реакция окисления горючего в них протекает в жидкой или в газовой фазе, образующейся при температуре горения.

Быстрое взаимодействие между компонентами всоставе начинается только тогда, когда хотя бы один из них переходит в жидкое иливгазообразное состояние.

В конденсированной фазе .возможно протекание двух видов процессов: тверд.+жидк.; жидк.+жидк.

Рис. 8.1. Схема горения пиротехнического состава:

1-пиротехнический состав; 2-зона прогрева; 3-зона реакции в конденсированной фазе; 4-зона реакции в газовой фазе; 5-продукты реакции; 6- реакция на поверхности раздела фаз

Компоненты составов часто имеют резко отличающиеся друг от друга температуры плавления и кипения или термического разложения. Имея это в виду, можно понять, почему во многих случаях реакции между компонентами (или продуктами их разложения) протекают на поверхности раздела конденсированной и газовой фаз; в этом случае возможны варианты: тверд.+газ; жидк.+газ.

Скорость химических реакций в большой мере зависит также от скорости физических процессов: газовой (и жидкостной) диффузии и возможности быстрого удаления из сферы реакции продуктов горения.

В зоне наиболее высокой температуры все реагирующие вещества будут находиться в газообразном состоянии, и здесь реакция будет протекать в системе: газ + газ.

В этой последней стадии горения во многих случаях принимает участие кислород воздуха. Следует заметить, что температура в пламени многих составов значительно выше, чем температура в пламени порохов или нитросоединаний. .

Все сказанное ранее о механизме горения пиросоставов может быть проиллюстрировано схемой, во многом сходной со схемой горения пороха, предложенной Я. Б. Зельдовичем (рис. 8.1).

Повышение гемпературы в конденсированной фазе может происходить как за счет тепла, передающегося из газовой фазы (или с поверхности раздела фаз), так часто и за счет тепла реакции, протекающей в самой конденсированной фазе.

Решению вопроса, какие процессы, в конденсированной или в газовой фазе, доминируют при горении какого-либо пиросостава, может способствовать изучение зависимости скорости горения от давления. Чем больше скорость горения зависит от давления, тем больше удельный вес реакций, протекающих в газовой фазе.

Однако и описанная выше схема горения пиросоставов не вполне соответствует действительности.

В настоящее время доказано экспериментально, что при горении многих пиросоставов происходит диспергирование частиц непрореагировавших компонентов, в первую очередь частиц металлических порошков, а также капель расплава окислителя (нитрата).

Это выбрасывание в газовую фазу мельчайших частиц обусловливается тем, что образующиеся в конденсированной фазе газы отрывают и увлекают за собой впламя твердые (и жидкие) частицы компонентов состава. Следовательно, и в газовой фазе во многих случаях сохраняется гетерогенность системы, и ближайшую к конденсированной фазе зону пламени можно назватьдымогазовой зоной.При дальнейшем движении в пламени эти частицы исчезают, реагируя с окружающей их газовой средой.

В отдельных случаях выяснение механизма горения облегчается рассмотрением свойств входящих в состав компонентов.

В качестве примера ниже дается описание механизма горения двойной смеси, содержащей хлорат калия и магний.

Хлорат калия плавится при 360°С1; магний — при 650° С, а кипит при 11003 С.

Взаимодействие этих веществ можно представить себе следующим образом:

1.В конденсированной фазе:

а) КСlOзжидк+Mg тв—>

б) КСlOзжидк—КС1+кислород

2. Н а поверхности раздела фаз ив дымогазовой зоне пламени:

а) Мg тв+кислород—>

б) Mgжидк+ кислород—>

3. В -газовой фазе (в пламени):

а) Mgnap+ кислород—>

б) Mgnap+кислород воздуха—>

Выяснению механизма горения пиросоставов помогают наблюдения при совместном использовании микроскопа и скоростной киносъемки.

Введение термопар внутрь шашки состава и снятие в процессе его горения кривой температура — время может дать некоторые сведения о прединициальных процессах, т. е. процессах, предшествующих возникновению горения. К сожалению, до сего времени для пиросоставов (не считая смесевых порохов) в открытой литературе не имеется данных о толщине реакционной зоны и о температуре на поверхности К-фазы.

' При наличии в хлорате калия каталитических добавок (MnO2, Со2О3 и др.) разложение его происходит уже при 200—250° С.