СОСТАВ ТЕРМИТНОГО ТОПЛИВА
THERMITE FUEL COMPOSITION

Изобретение относится к малой теплоэнергетике, в частности к составам термитного топлива, способным при инициировании претерпевать химические превращения с выделением большого количества тепла, преимущественно к таким составам, которые не детонируют и в которых окислительно-восстановительные реакции идут в воздухе в режиме горения без участия специального окислителя и без образования жидкой фазы.
Известен термитный состав [Патент РФ №2255080 «Состав безгазового термитного топлива», С06В 33/12, опубл. 27.06.2005], включающий смесь порошков оксида железа и алюминия, дополнительно он содержит, по крайней мере, один оксид элемента, выбранного из ряда В, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, РЗЭ, Hf, Та, W, Pb, Bi и восстановитель, в качестве которого выбран, по крайней мере, один элемент из ряда Mg, Са, Ва, С, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид железа
16,6-62,5
Алюминий
5,0-24,0
Оксид одного из указанных элементов
12,5-52,5
Восстановитель указанных элементов
1,0-20,0
при этом соотношение суммы всех оксидов к сумме всех восстановителей, включая алюминий, составляет 2-3.
К основным недостаткам этого изобретения относятся: образование жидкой фазы восстановленного железа и шлаков, что приводит к взаимодействию с подложкой и ее разрушению.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому составу является состав безгазового термитного топлива [Патент РФ №2062194, В23К 23/00, С06В 33/00, опубл. 20.06.1996 г.], который был выбран за прототип. Состав содержит исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Железная окалина (смесь оксидов железа)
40-45
Алюминий (в качестве восстановителя)
15-17
Глинозем
30-35
Металлофосфатное связующее
7-10
К основным недостаткам прототипа следует отнести наличие жидкой фазы железа и шлаков, которые взаимодействуют с материалами устройств, разрушая их, а также присутствие в составе значительного количества инертной добавки (α-оксида алюминия (глинозем) - 30-35 мас.%), что существенно снижает удельное тепловыделение. При горении фосфатное связующее переходит в паровую фазу, образуя оксид фосфора и свободный фосфор, которые являются ядовитыми веществами и загрязняют окружающую среду.
Основной технической задачей изобретения является повышение удельного тепловыделения термитного топлива и снижение содержания жидкой фазы в продуктах его сгорания.
Основная техническая задача достигается тем, что в заявленном составе термитного топлива, согласно которому, так же как и в прототипе, смесь включает оксиды металлов и порошок алюминия, в соответствии с предложенным решением, в состав термитного топлива оксиды и алюминий входят в виде нанопорошков, при горении которых не образуется жидкая фаза и не происходит сплавления с подложкой, при следующем соотношении, мас.%:
Нанопорошок оксида алюминия
1,5-3,0
Нанопорошок алюминия
Остальное
Путем экспериментального подбора компонентов состава термитного топлива и их соотношения в смеси получаются продукты горения, не содержащие жидкой фазы, что позволяет легко удалять их и сохранять от разрушения устройство для сжигания топлива.
Горение составов заявленного топлива происходит самопроизвольно после инициирования искрой или нагретой электрическим током нихромовой спиралью. Продукты сгорания содержат в качестве компонента нитрид и оксинитриды алюминия. Согласно прототипу, состав термитного топлива с максимальным тепловым эффектом содержит: оксиды железа - 43 мас.%, алюминий - 17 мас.%, глинозем - 30%, фосфатное связующее - 10%. Для прототипа содержание алюминия составляет 170 г на 1 кг исходной смеси (максимальное содержание Аl), а для заявляемого состава 970 г нанопорошка алюминия содержится в 1 кг исходной смеси. Согласно справочным данным, при сгорании 27 г (1 моль) выделяется 837 кДж/моль теплоты. Для прототипа тепловой эффект составляет 5270 кДж/кг, а для заявляемого состава - 30070 кДж/кг. Заявленный состав термитного топлива дает существенно более высокий тепловой эффект, превышающий по энерговыделению прототип в 5,7 раза.
Пример
2
3
2
Используют нанопорошок алюминия (НП Аl), полученный в условиях быстрого электрического взрыва алюминиевого проводника в среде газообразного аргона. Форма частиц сферическая, распределение по диаметру - нормально-логарифмическое. Нанопорошок оксида алюминия (НП АlO) получают путем гидротермального синтеза при взаимодействии нанопорошка алюминия с водой. Форма частиц неправильная, площадь удельной поверхности составляла 300 м/г.
Из порошков готовили смеси массой 3 г при следующем соотношении компонентов (маc.%):
Нанопорошок оксида алюминия
0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0
Нанопорошок алюминия
Остальное
Образцы смесей приготавливали методом сухого смешения на кальке с применением малых нагрузок до оптически однородной смеси (пиротехнический метод перетирания порошков). Смешение осуществляли в течение 15 минут. Затем смесь высыпали на железную подложку (сплав «Сталь 3») и инициировали процесс горения нагретой нихромовой спиралью, находящейся в контакте со смесью. По окончании горения и последующего остывания подложки было обнаружено, что продукты сгорания легко отделяются от поверхности подложки.
Согласно седиментационному анализу продукты сгорания заявленной смеси - легкоразрушаемые спеки, характерный диаметр частиц которых не превышает 1 мкм. Наличие жидкой фазы приводит к образованию монолитных спеков большого размера, т.е. прямым признаком наличия жидкой фазы является наличие измельченных спеков большого размера (>1 мкм). Аналогичные результаты получены при сжигании заявленной термитной смеси на подложках из алюминия, корунда, алунда, гексагонального нитрида бора и других материалов.
В таблице представлены составы исходных смесей и содержание спеков размером более 63 мкм. При содержании в исходной смеси нанопорошка оксида алюминия менее 1,5 мас.% содержание спеков размером более 63 мкм в продуктах сгорания смесей составляет более 3,4 мас.%, что свидетельствует о наличии жидкой фазы. При содержании в исходной смеси нанопорошка оксида алюминия более 3,0 мас.% содержание спеков размером более 63 мкм в продуктах сгорания смесей практически не уменьшается, но происходит уменьшение энтальпии сгорания смеси (менее 28,0 кДж/г), что снижает энерговыделение при работе термитного топлива. Наиболее оптимальный состав смесей содержит от 1,5 до 3,0 мас.% нанопорошка оксида алюминия.
№, п/п
Состав смеси, мас.%
Энтальпия сгорания смеси, кДж/г
Наличие спеков размером более 63 мкм, маc.%
Примечание
НП Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
НП Аl
1
0,5
99,5
28,7
31,2
2
1,0
99,0
28,6
18,8
3
1,5
98,5
28,4
3,4
Заявляемый состав
4
2,0
98,0
28,2
2,9
5
3,0
97,0
28,0
1,6
6
4,0
96,0
27,7
1,5
7
5,0
95,0
27,4
1,5