Вплив випаровування оксидної плівки і теплообміну випромінюванням на високий

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. І. І. МЕЧНИКОВА
Кафедра теплофізики
Вплив випаровування оксидної плівки і теплообміну випромінюванням на високотемпературний тепломасообмін і кінетику окислення вольфрамового провідника
Допускається до захисту
Зав. кафедрою теплофізики
професор Калінчак В.В.
"_____"_______________ 2003
Курсова робота
студента 4 курсу
фізичного факультету
Спиридонова Олексія Володимировича
Наукові керівники
доцент Орловська С.Г.
м.н.с. Гризунова Т.В.

ОДЕСА - 2003

ЗМІСТ
Введення
1.Особенности процесів високотемпературного окислення
металів
1.1.Общая закономірності окислення металів
1.2.Високотемпературное окислення вольфраму. Властивості оксидів
вольфраму
1.3.Вліяніе фазових переходів на закономірності окислення
1.4.Вліяніе захисних покриттів на кінетику окислення вольфраму
2.Изучение нестаціонарного тепломасообміну і кінетики окислення
вольфрамового провідника
2.1.Електротермографіческій метод дослідження. Результати
експериментальних досліджень
2.1.1.Определеніе температурного поля по довжині провідника ... ...
2.1.2.Аналіз впливу геометричних розмірів провідника і сили
струму на високотемпературне окислення вольфрамового провідника. Визначення щільності теплового потоку через кінці провідника
2.2.Фізіко-математичне моделювання процесів високотемпературного окислення вольфрамової зволікання з урахуванням випаровування оксидної плівки
3.Устойчівие і критичні режими тепломасообміну і високотемпературного окислення вольфрамового провідника
Висновки
Література

ВСТУП
Розвиток нових галузей сучасної техніки викликає необхідність дослідити матеріали, здатні працювати при високих температурах і великих механічних навантаженнях .. До таких конструкційних матеріалів відноситься вольфрам. При температурах вище 2000 ° С вольфрам є практично єдиним металом, зберігає досить високу механічну міцність, 80-90% цього металу витрачається на легування стали, нікелевих мідних сплавів.
Головна перевага вольфраму перед іншими легуючими
металами полягає в тому, що він значно підвищує температуру
загартування, що в свою чергу призводить до збереження твердості при більш
високих температурах - аж до 700 - 800 ° С (замість 200 - 250 ° С). Ще
більшою твердістю при підвищених температурах мають стелліти
(Сплав вольфраму з кобальтом і хромом без заліза). Із сплавів з
вольфрамом, кобальтом і хромом виготовляються хірургічні
інструменти. Невелика добавка вольфраму (1 - 3%) у ніхромовиє і
хромалюмінівие сплави надає їм жароміцність. З подібних сплавів
виготовляють турбіни для авіаційних двигунів. Сплави вольфраму
застосовуються в реактивній і ядерної техніки. У радіотерапії дуже цінний сплав вольфраму з міддю і нікелем (85% W +10% Ni +5% Сі), який добре захищає від радіоактивних випромінювань. З цього сплаву виготовляють контейнери для зберігання радію та інших радіоактивних препаратів. В електричних лампах вольфрамова нитка розжарення дозволяє довести розжарення до 2200 ° С.
Проте, не дивлячись на високу температуру плавлення і унікальну жароміцність, вольфрам все ще має обмеження в якості жароміцного металла.Одной з причин є його низька стійкість проти окислення. Дослідженню окислення вольфраму присвячена велика кількість робот [1-4,15]. Тим не менш, єдиної думки про кінетику і механізм високотемпературного окислення вольфраму немає.
У спеціальній літературі мало вивчене питання про вплив фазових переходів (сублімації, випаровування окислів) на характеристики високотемпературних станів і критичні режими запалення і потухання вольфрама.Практіческі відсутня інформація про роль теплообміну випромінюванням при здійсненні високотемпературних станів металевих провідників.
У зв'язку з вище сказаним визначена актуальність і мета даної роботи.
Метою цієї роботи є вивчення впливу фазових переходів (випаровування оксидної плівки) і теплообміну випромінюванням на стійкі і критичні режими окислення вольфрамових провідників при різних потужностях нагріву електричним струмом.

1. ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСІВ високотемпературного окиснення МЕТАЛІВ.
1.1. Загальні закономірності окислення металів.
Освіта конденсованих продуктів при окислюванні металу призводять до того, що процес взаємодії металу з окислювачем виводиться з кінетичної області та перебіг процесу починає визначатися дифузійним опором утворився оксиду.
Опір оксидної плівки різних металів найбільш чітко виражається об'ємним відношенням j, що показує, як зміниться обсяг металу при окислюванні і являє собою відношення обсягу оксиду до обсягу металу, з якого цей оксид утворився [1].
При j <1 окисел не може покрити метал суцільною плівкою. Плівка має пористу, пористу структуру і не робить істотного опору подальшому окислювання металу. До металам, хто має таку плівку, відносяться Mg (j = 0,81), Ва (j = 0,78), Са (j = 0,64), Li (j = 0,58).
При j> 1 плівка покриває метал суцільним шаром. Поверхня вільно росте з зовнішньої сторони. Компактна плівка служить ефективною перешкодою окислення. Такими окисними плівками володіють Al (при окисленні до Al 2 O 3, j = 1,28), Ве (ВЕО, j = 1,68), Cu (CuO, j = 1,72), Ni (Ni 2 O 3, j = 1,65), Zn (ZnO, j = 1,55), W (WO 2, j = 1,87).
При j>> 1 захисні властивості оксиду знову втрачаються. Це пов'язано з великим збільшенням об'єму при окисленні, що викликають деформації в плівці. Так поводяться V (V 2 O 5, j = 3,19), Cr (Cr 2 O 3, j = 3,92).
У залежності від властивостей окисної плівки змінюється кінетичний закон, характеризує окислення металу в часі. Пухка (j <1 або j>> 1), або розчинна у металі плівка не чинить опору просуванню окислювача, швидкість окислювання не залежить від товщини плівки і контролюється швидкістю дифузії в тонкому шарі повітря у поверхні металу.
Експериментально встановлено різні закони окислення [2].
Поширені так звані статечні закони окислення, при яких швидкість реакції (швидкість росту шару продукту) зменшується з ростом товщини шару продукту назад пропорційно товщині цього шару в деякій мірі [3]:
. (1.1)
Тут З ок - концентрація окислювача у поверхні частинки; n - порядок реакції по окислителю; r ox - щільність оксиду; k 0 - предекспоненціальний множник; Е - енергія активації. Показник m визначає залежність швидкості реакції від товщини шару окису h. У кінетичної літературі назву закону пов'язують з величиною m (m = 0 - лінійний, m = 1 - параболічний, m = 2 - кубічний), що відповідає інтегральній формі цих законів.
Зазвичай m = 0 і для випадків, коли продуктом реакції є пориста окисна плівка, тобто j <1. Окислення, що підкоряється лінійної закономірності, можна охарактеризувати у вигляді:
h = k лін t + З лін,
де k лин - константа лінійної швидкості, а С лин - постійна інтегрування.
Графічно це представлено кривою 2 на рис.1.1.

h
2
1

t
Рис.1.1. Параболічне (1) і лінійне (2) окислення.
Швидкість лінійного окислення постійна в часі і не залежить від кількості вже прореагировавшего газу або металу. Якщо залежність лінійна, то швидкість окислення лімітується процесом або реакцією на поверхні або на фазовій кордоні. До них можуть, наприклад, відноситься встановилася реакція, швидкість якої лімітується підведенням (адсорбцією) кисню до поверхні, або реакція, керована освітою з усталеною швидкістю оксиду на межі поділу метал - окисел.
При m = 1 (параболічний закон окислення) швидкість реакції визначається дифузійними процесами в твердій або рідкої окисної плівці. Поява експоненти в законі окислення формально відображає залежність коефіцієнта дифузії реагентів у окисной плівці від температури.
Механізм окислення металів за параболическому закону пояснюють теорії Вагнера і Кабрера - Мотта (для товстих і тонких плівок) [4].
Параболічне рівняння швидкості записується в інтегральному вигляді:
h 2 = k пар t + С пар,
де k пар - константа параболічної швидкості, а С пар - стала інтегрування.
Крива 1 (рис.1.1) описує залежність товщини оксидної плівки від часу для параболічного закону окислення.
Параболічний закон високотемпературного окислення означає, як правило, що швидкість окиснення лімітується швидкістю термодифузії. Подібний процес може охоплювати і рівномірну дифузію одного або обох реагентів через зростаючу щільну окалину і рівномірну дифузію газу в метал.
1.2. Розчинність кисню в вольфрамі.
У зв'язку з особливими умовами застосування вольфраму в техніці питання про поздовжню розчинності кисню в кристалічній решітці вольфраму був і залишається найбільш важливим питанням. Значення його особливо зросла останнім часом у зв'язку з перспективами застосування вольфраму, як самого тугоплавкого металу, а також як конструкційний матеріал для високотемпературної техніки.
Проте до цих пір немає остаточно встановлених і загальновизнаних даних про взаємодію кисню з вольфрамом, про розчинність кисню в вольфрамі і про залежність цієї розчинності від температури, ступеня чистоти вихідного вольфраму та інших чинників рівноваги.
Тому в цьому розділі ми обмежимося наведенням деяких літературних даних про розчинність кисню в вольфрамі.
При дослідженні сплавів системи вольфрам-кисень було показано, що в структурі цих сплавів виявлена ​​тільки суміш чистого вольфраму і WO 2, при цьому було встановлено, що параметр решітки вольфраму в межах точності вимірювання зберігається постійним при всіх концентраціях кисню. [5] Гранична розчинність кисню в вольфрамі при 1700 o С дорівнює 0,06% ат. (0,005% ваг.)
Роботі розчинність кисню в вольфрамі виражається незначною величиною 0,001% вагу. (0,0011% ат.). Таке значення грунтується на даних про рівноважної розчинності при температурі, коли швидкість дифузії дорівнює 10 -11 см 2 / сек.
Аналіз впливу домішок впровадження на структуру і властивості монокристалу вольфраму показав, що кисень розчиняється в досконалої кристалічній решітці вольфраму. Ці висновки зроблено, на жаль, на підставі досліджень монокристалічного вольфраму, вміст кисню в якому не знижувався нижче 0,001% вагу.
Таким чином, незважаючи на важливість, питання про розчинність кисню в вольфрамі залишається досі невирішеним і вимагає додаткових досліджень. Ці дослідження повинні бути виконані на вольфрамі, абсолютно вільному від інших домішок, особливо від малорозчинних (вуглець, азот і водень).
1.3 Кисневі сполуки вольфраму.
Положення вольфраму в групі перехідних металів в електронному будові його атомів (чотири електрона в незаповненою d-оболонці і два електрони у зовнішній s-оболонці) зумовлює змінну його валентність і утворення оксидів вольфраму з різним стехіометричним співвідношенням атомів. Цим вольфрам не відрізняється від своїх аналогів - молібдену та хрому.
Вважається, що стабільними сполуками є наступні оксиди: WO, WO 2, WO 3 і W 2 O 5 або W 4 O 11. Ці оксиди, за винятком W 4 O 11, відповідають валентності вольфраму. Один з нижчих оксидів (WO) утворюється на проміжній стадії окислення. Існування інших окислів, описаних в літературі (W 2 O 3, W 4 O 3, W 5 O 9, W 3 O 8 і W 5 O 14), точно не встановлено. Є дані про дисоціації стабільних оксидів, однак наведені температури їх утворення та розкладання не можна вважати точними. В даний час підтверджується існування окислів WO 2 (14,82% ваг. О), W 4 O 11 (73.33% ат. О, 19,3% вагу. О) і WO 3 (20,7% ваг. O). Розчинність кисню у твердому вольфрамі, як було сказано вище, мабуть, незначна. При рентгенівському дослідженні сплавів, які містять від 0 до 66% ат. О, в механічної суміші WO 2, і металевого вольфраму період грати останнього мав тільки значення, що верб чистому вольфрамі.
При дослідженні діаграми стану системи W - О в широкому інтервалі концентрації, наголошується, що в системі W-О присутні чотири окисні фази: при відношенні О / W, близькому до наступних величин: 2,00 (WO 2); 2,72 (W 18 O 49); 2,9 W 20 O 58) і 3,0 (WO 3). Аллотропических перетворення кожного з оксидів не були вивчені; не були також визначені області гомогенності окислів. Однак повчання пружності пари вказало на існування при 1280 ° С різних сполук з відношенням W / O 1,99-2,02 (WO 2); 2,70-2,75 (W 18 O 49); 2,90-2, 94 (W 20 O 58). Була виявлена ​​також область гомогенності на основі оксиду W 18 O 49, складова 2,664 - 2,766.
У наведених вище дослідженнях визначені також енергії утворення окислів WO 2, W 18 O 49, W 20 O 58 і WO 3 в температурному інтервалі 700 - 1200 ° С.
При побудові діаграми стану системи W - О в якості вихідних матеріалів був використаний вольфрам чистотою 99,95%, а також порошок триокиси вольфраму. Отримані металокерамічним способом зразки були отожжени при температурі 1450 ° С протягом 3 год в атмосфері водню і аргону.
Ці дослідження дозволили побудувати діаграму рівноваги системи W - О (рис. 1.2). На цій діаграмі видно, що кисень у твердому вольфрамі практично не розчиняється. Першою фазою, що утворюється при легуванні вольфраму киснем в умовах низьких температур, є фаза складу W 3 O. Це з'єднання утворюється по реакції між вольфрамом і з'єднанням WO 2. З'єднання W 3 O стійко тільки до температури 725 ° C. На діаграмі також видно, що з'єднання W 18 O 49 стає нестабільним при температурах нижче 585 ° С. При температурі нижче 484 o С виявляється нестабільним з'єднання W 20 O 58; воно стійко тільки в інтервалі 484-585 o С. При температурі нижче 484 ° С в цій області діаграми співіснують дві фази: WO 2 і WO 3. Досліджувані окисли вольфраму були отримані відновленням високотемпературної модифікації триокиси вольфраму воднем при температурі 750 ° С. Ваговий склад оксидів визначали після відновлення по втраті ваги човники з речовиною. Оскільки оксиди вольфраму летючі у вакуумі при 750-800 ° С. Цим шляхом визначали лише приблизний склад. Більш точно (до 0,005 г ∙ am) склад

Рис. 1.2 Діаграма стану системи WO
встановлювали після досвіду зворотним окисленням до W0 3 при температурах 650-700 ° С в струмі вологого кисню.
Таким чином, з аналізу літературних даних можна зробити висновок про те, що вольфрам утворює з киснем ряд оксидів різного складу.
Двоокис і триокис були відомі давно, як фази постійного складу
з валентним співвідношенням атомом. Між цими двома фазами існує
ряд менш вивчених окислів невизначеного складу. До останнього часу були відсутні надійні експериментальні дані, що підтверджують склади цих окислів. Приготовлені   зразки часто були подібні за своїм фізичним та хімічним властивостям. Незначна кількість досліджень на монокристалічних зразках. Таке становище було в значній ступеня змінено після впровадження рентгеноструктурного методу для дослідження окислів вольфраму. Фазовий аналіз за допомогою рентгеноструктурного методу дав можливість розрізнити окисли за складом і будовою.

1.4 Двоокис вольфраму WO 2.
Виявлено, що на підставі цього оксиду є область гомогенності. Раніше вважалося, що структура цього оксиду подібна до структури рутилу (тетрагональная грати), однак більш пізніми дослідженнями було доведено, що в дійсності структура цього оксиду моноклінна.
Щільність WO 2, складає 11,4 г / см 3. Температура плавлення цього оксиду 1500-1000 про К, температура кипіння - близько 2000 ° К. При температурі 1050 ° С відбувається значна сублімація WO 2.
Бреєром повідомляє, що двоокис вольфраму розкладається при температурі 2125 + 50 ° К і тиску I am відповідно до рівняння
WO 2 (тв.) → W (тв.) + WO 3 (газ.)
Теплота утворення WO 2 paвна 134 0_ккал/мол'
.
1.5 триокис вольфраму W 0 3.
Триокис вольфраму називають також вольфрамовим ангідридом. Ця сполука є кінцевим продуктом переробки вольфрамового сировини. Пружність парів триокиси вольфраму при температурі 1357 о C досягає 1 am, але помітна сублімація починається при значно більш низьких температурах. [6-8,11]
Оксид складу WO 3 існує в трьох модифікація, стійких відповідно в наступних температурних інтервалах: від кімнатної до 720 о C, 720 - 1100 о C, і вище 1100 ° С.
Дослідження кристалічної структури окислів вольфраму дозволили зробити припущення про те, що в структурі всіх окислів разом металу присутній елементарний осередок типу МЕО 6. У викрадення осередку шість атомів кисню оточують один атом металу, і октаедри МeО 6 з'єднуються між собою тільки вершинами. Така осередок дуже зручна при описі всіх кристалічних структур окислів вольфраму. Це з'єднання характеризується структурою з низькою симетрією, що складається з деформованих октаедрів WO 6, з'єднаних між собою. Через розбіжності думок з приводу симетрії WO 3 в останній час було проведено повторне дослідження структури WO 3 і було знайдено, що симетрія цього з'єднання є моноклінної. Наведені дані про симетрії відносяться до стабільної при кімнатній температурі модифікації WO 3. Ця структура при температурі
350 ° С переходить в орторомбічна і при температурі 735 ° С - в тетрагональную. Подальших змін структури оксиду WO 3 при підвищених температурах виявлено не було.
При низьких (-50 ° С) температурах відбувається, інше полиморфное припинення триокиси вольфраму, яке призводить до більш високої симетрії, ніж симетрія при кімнатній температурі.
При дослідженні рентгенографічним методом порошків WO 3 не було знайдено будь-яких відхилень від моноклінної форми, в той час як при оптичному вивченні монокристалів була визначена Триклінна симетрія. Але все ж симетрія є моноклінної.

1.6 Окислення вольфраму.
Детально досліджено поведінку вольфраму і окислів на його поверхні в окисних атмосферах в залежності від температури окислення, тиску кисню в інтервалі 500-1300 о С і тривалості витримки при цих температурах. У цьому ж дослідженні були вивчені фізична природа і кристалічна структура окисної плівки на поверхні вольфраму, а також механізм реакції взаємодії вольфраму з киснем.
Швидкість окислення вольфраму в інтервалі між 400-500 ° C підпорядковується параболическому закону. Енергія активації процесу окислення в цьому інтервалі температур виявилася рівною 45,65 ккал / моль. Окис вольфраму у вигляді товстих плівок починала випаровуватися при температурі 800 ° С; теплота активації в інтервалі температур 390-487 ° C в значній мірі визначалася вихідним станом поверхні. Теплота активації, обчислена на підставі експериментально отриманої константи параболічного закону швидкості окислення, виявилася рівною 46,5 ккал / моль при дослідженні зразків електрополірованій поверхнею і 41,0 ккал / моль при вивченні механічно полірованих зразків.
Досліджено окиснення вольфраму в інтервалі температур 700-1000 ° С і знайдено, що і в цьому інтервалі діє параболічний закон швидкості окислення. Також помічені деякі відхилення при 850 - 900 ° С, які пояснювалися фазовими перетвореннями в окисних плівках. Ці фазові припинення окисних плівок на поверхні і можуть бути пов'язані з реакцією 2W 3 O → 5W + WO 2, хоча прямих експериментальних даних, підтверджуючих це, немає. Вивчалася швидкість окислення вольфраму при 500 і 700 ° С, і тривалій витримці при кожній температурі і встановлено лінійний закон зміни швидкості окислення.
У дослідженні швидкості окислення вольфраму в температурному інтервалі 700-1000 ° С виявлено, що швидкість окиснення спочатку змінюється за параболическому закону, а потім, коли товщина окисної плівки збільшується, за лінійним. Встановлено шаруватий характер плівок на поверхні вольфраму. Зовнішній шар представляв собою пористу триокис вольфраму жовтого кольору, а внутрішній шар - тонку щільно прилеглу плівку окислів невизначеного складу. Швидкість утворення внутрішнього шару підпорядковувалася параболическому закону, зовнішнього ж - лінійному.
Досліджувався вплив тиску на швидкість окислення вольфраму при температурах 600-850 ° С. Швидкість окислення лінійно зростала з підвищенням тиску.
Швидкість окислення визначається дифузією кисню. З підвищенням температури вище 1150 ° С лінійний закон швидкості окислення змінюється на параболічний, що імовірно пояснювалося оплавленням окислів.
1.7 Вплив температури на окислення вольфраму.
Шліфовані зразки були окислені в інтервалі температур 500-1150 ° С при тиску очищеного кисню 0,1 ат. По мірі збільшення товщини окисної плівки швидкість реакції знижується. Розрахунки показали, що при 600 ° С за 6 год витримки па вольфрамі утворюється окисна плівка товщиною 100000 А.
Кінетичні криві окиснення при цих температурах мають s - образну форму. Коли збільшення ваги досягне 2500-3000 мг / см 2, швидкість окислення різко підростає. На поверхні, окисленої при 650 ° С утворюються дрібні кристали окислу жовтого кольору. Після окислення протягом 3 год при 750 ° С, збільшення ваги склало 11800 мг / см 2. При 750 ° C вольфрам погано чинить опір окисленню. Це явище, можна зв'язати, з активованим станом атомів вольфраму і кисню в результаті реакції розпаду W 3 O.
Витяг протягом 1 год при 850 ° С викликала збільшення ваги зразка на 16090 мг / см 2. На зразку спостерігалося відшаровування окисної плівки. Розрахунки показали, що збільшення швидкості окислення з температурою зменшується при досягненні температури, що перевищує 800 ° С.
При витримках 6-45 хв зразок майже повністю реагує з киснем з утворенням триокиси вольфраму. При 1100 ° С окислення на початковій стадії відбувається зі швидкістю 83 мг / см 2, а середня швидкість за весь 10-хвилинний процес склала 41,6 мг / см 2. Теплота утворення триокиси вольфраму визначена рівною 0,34 кал / см 2 ∙ сек, причому передбачалося, що утворилася окалина складалася з WO 3. Якщо втрат на випромінювання немає, то це кількість тепла вибуває значне підвищення температури зразка. Але так як реакція зосереджується у крайок зразка, то ці області перегріваються, внаслідок чого починається подальше прискорення окислення у крайок.
Дротяний вольфрамовий зразок окислюється в інтервалі температур 1100-1200 ° С. На самому початку випробування вага зразка дещо зростає, проте вже після витримки протягом 2 - 5 хв він починає зменшуватися. Принаймні освіти оксиду при температурі 1200 ° С відбувається і його випаровування. Розрахунки показали, що при 1200 ° С теоретична швидкість випаровування триокиси вольфраму перевершує швидкість окислення. При температурах вище 1200 ° С швидкість окислення була настільки велика, що вже не могла бути виміряна на установці з Мікроваги.
При температурі 1200 о С і вище швидкість випаровування триокиси вольфраму виявляється не нижче швидкості його утворення. Форма кінетичної кривої окислення визначається швидкістю дифузії кисню до поверхні і формою зразка, тобто характером зменшення площі поверхні, що бере участь в реакції. У міру випаровування оксиду площа металу зменшується і швидкість реакції уповільнюється.
1.8 Механізм окислення вольфраму.
В інтервалі між 500 і 600 ° С, а також при більш низьких температурах реакція окислення визначається дифузійним процесом. У результаті окислювання при 500 о С протягом 6 год не було виявлено слідів місцевого розтріскування зразка у крайок. При 600 ° С вже спостерігалося деяке місцеве розтріскування. Параболічна крива окиснення при 500 ° С свідчить про те, що константа швидкості окиснення збільшується з часом. Захисні властивості окисної плівки поступово погіршуються, що можна пояснити зміною її складу або мікрорастресківаніем на поверхні розділу між окислом і металом. Зміни складу можливі. Перш за все в зовнішніх шарах окисної плівки утворюється триокис вольфраму. У результаті реакції у твердій фазі між вольфрамом і його вищим окислом з'являється WO 2, і інші оксиди вольфраму.
При 500-600 ° С тиск надає порівняно невеликий вплив на швидкість окислення. В інтервалі температур 650-950 ° С спостерігаються відхилення від дифузійного характеру реакції окислення: у зв'язку із залишковими напруженнями і деформацією металу у крайок зразка реакція окислення в сильному ступені локалізована. При температурі 950 ° С важливу роль відіграє і тиск.
Швидкість окислення різко підвищувалася при товщині окисної плівки, відповідної зміни ваги на 2000-4000 мг / см 2. Механізм окислення в цьому інтервалі температур представляється наступним чином. Тонкий шар окисної плівки утворюється відповідно до загальними законами дифузії. При певній товщині плівка розтріскується; в деяких місцях, де плівка відстає від металу, відкривається доступ кисню до металу і знову відбувається наростання шару оксиду до критичної величини. Такий безперервний процес розтріскування по всій поверхні є функцією часу. Так як в умовах, що визначаються дифузією, відбувається лише освіта тонкої окисної плівки, то основна частина оксидів робить дуже слабкий вплив на кінетику реакції. У результаті тісного контакту окисленого шару з киснем утворюється вищий оксид вольфраму WO 3. Це підтверджується даними рентгенівського аналізу. При товстих окисних плівках двоокис вольфраму може існувати тільки у вигляді дуже тонкої плівки на межі поділу метал - окислений шар. Оскільки при 950 ° С тиск надає більш помітний вплив на хід реакції окислення в часі, летючість WO 3 у середовищі, збідненої киснем, також починає позначатися на реакції.
В інтервалі температур 1000-1300 о С. механізм окислення у великій мірі залежить від температури і тиску. При температурі 1000 ° С і тиску кисню 0,1 ат утворюється окисной шар, а при 1200 ° С і вище і тиску кисню 0,01 am на зразку не виходить окисної плівки, яку можна було б виміряти. Однак окісна плівка може бути присутнім на металі, але оксиди випаровуються в міру їх утворення. Хід реакції окислення у часі визначається швидкістю, з якою кисень підводиться до реагує поверхні, дифузією випаровується з поверхні оксиду та геометричної формою поверхні зразка. При деякому значенні температури в межах цього інтервалу теоретична швидкість випаровування стає більше швидкості окислення. Величина цієї температури залежить від тиску кисню.
Механізм окислення вольфраму при 1200 ° С і вище аналогічний механізму горіння вуглецю. Вивчення реакції горіння вольфраму в кисні представляє певні труднощі. При температурах нижче 1200 ° С окисли на вольфрамі утворюються при тиску кисню 0,1 ат, тому дослідження повинні проводитися при температурах вище 1200 ° С, коли швидкості реакції більш високі. Площа поверхні зразка грає важливу роль; тривалість реакції дуже мала. Хід кривих окиснення при температурах понад 1150 ° С змінюється внаслідок плавлення оксидів, так як у зразків, підданих високотемпературному окисленню, спостерігалося округлення крайок. Однак таке явище могло статися і внаслідок випаровування окислів.
Передбачається, що зміна швидкості окислення при температурах вище 1150 ° С пояснюється структурними змінами в оксиди. Вважається, що головним фактором, що регулює хід реакції окислення в інтервалі температур 1100 -1200 ° С, є летючість окислів.
Таким чином, можна вважати, що процес окислення вольфраму і механізм його окислення пов'язані з температурою і тиском складної залежністю і повністю до цих пір не вивчені. Складність цих явищ полягає в різному характері окислення, природі, складах і властивості утворюються на поверхні окисних плівок.

2. ВИВЧЕННЯ нестаціонарного тепломасообміну
І КІНЕТИКИ ОКИСЛЕННЯ Вольфрамова ПРОВІДНИКА.
2.1. Електротермографіческій метод дослідження. Результати
      експериментальних досліджень.
Розробка нових технологічних процесів, пов'язаних з отриманням тугоплавких сполук методом СВС призводить до необхідності вивчення високотемпературної кінетики реагування металу з газами.
Зазвичай для цих цілей застосовується гравіметрична методика, в якій за протіканням хімічної реакції стежать за зміни ваги досліджуваного зразка або по кількості поглиненого газу в ізотермічних умовах. Незважаючи на хорошу точність і надійність подібних вимірів, тут є ряд недоліків, які зводяться до труднощів отримання високих температур (Т> 1500 ° C), здійснення изотермичности процесу (особливо високотемпературної області) і до істотної інерційності апаратури, в результаті чого утруднено протікання реакцій.
Тому для дослідження швидкоплинних високотемпературних процесів потрібна розробка спеціально нових методичних підходів.
Одним з найбільш універсальних методів дослідження взаємодії металів з газами є електротермографіческій метод, який використовується багатьма вченими для вивчення кінетики високотемпературного окислення і тепломасообміну металів [13,14,15].
Основу цього методу складає программированное нагрівання електричним струмом тонких металевих ниток в потоці газоподібного окислювача. Для реалізації електротермографіческого методу була створена установка, наведена на рис.2.1.
4
1
3
Овал: 4




2



Рис 2.1. Схема експериментальної установки.
Вольфрамова зволікання (1) нагрівалася електричним струмом, який подавався від джерела стабілізованої живлення Б5 - 47 (2). Падіння напруги на кінцях зволікання вимірювалося цифровим вольтметром В7 - 21А (3) або фіксувалося за допомогою самописця КСП - 4. Таким чином, при постійному значенні сили струму, що вимірюється амперметром (4), були отримані залежності падіння напруги U на кінцях вольфрамового провідника від часу t. Отримані залежності U (t) використовувалися для визначення опору провідника R в різні моменти окислення.
Скориставшись залежністю опору провідника від температури:
, , (2.1)
визначимо температуру досліджуваного зразка:
. (2.2)
У формулах (2.1) та (2.2) питомий опір провідника при Т 0 = 273К, Ом м; питомий опір провідника при температурі Т, Ом м; T температура провідника, К; температурний коефіцієнт опору, К -1; L - довжина провідника, м; d - діаметр провідника, м. При цьому вважалося, що розподіл температури по перерізу і довжині зволікання незначно.

Таким чином, аналіз часової залежності температури провідника, що нагрівається постійним електричним струмом, дозволяє досліджувати механізм послідовних стадій тепломасообміну та високотемпературного окислення вольфрамового провідника в повітрі.

На ріс.2.2.б зображена експериментальна термограмма, що відображає зміну температури вольфрамового провідника з часом в зіставленні з фотографіями провідника, зробленими в певні моменти часу за допомогою цифрової камери (ріс.2.2.а). Точки 1,2 ... .. 6 на термограмме відповідають часу кадрам 1,2 ... .. 6.
Після моменту подачі електричного струму температура провідника різко зростає і досягає квазістаціонарного значення в т.А, що визначається рівністю джоулева тепловиділення і тепловтрат від провідника в навколишній газ і до токоподводящих дротах. Вираз для розрахунку цієї температури отримаємо пізніше.
Надалі настає друга стадія тривала високотемпературного тепломасообміну та окислення вольфрамового провідника до температур плавлення його окислів Т.В. Як видно з таблиці 1.1 область температур плавлення оксидів вольфраму лежить в межах 1500 (WO 2) 1 746 (WO 3). На другій стадії температура зволікання повільно зростає, на поверхні провідника інтенсифікується хімічна реакція окислення вольфраму. По зворотної взаємного зв'язку зі збільшенням температури швидкість окислення збільшується, що веде до збільшення температури провідника (точки та кадри 1,2,3,4,5). Зі збільшенням температури зволікання починається процес сублімації оксидної плівки з поверхні. Як вказують літературні дані, сублімація окислів починається ще до їх плавлення, приблизно при температурах 1200 - 1400 К.
Процес сублімації призводить до деякого зменшення товщини оксиду і, як наслідок, зростанням швидкості окислення. Стадія II обмежується температурою плавлення оксиду WO 2 (т.В). Під час подальшої III стадії (крива вище т.В) відбуваються процеси плавлення та інтенсивного випаровування оксидної плівки з поверхні провідника. Товщина оксидної плівки зменшується і менше перешкоджає доступу кисню до поверхні металу, що веде до зростання швидкості окислення і різкого збільшення температури вольфрамового провідника. При таких високих температурах провідника відбувається процес рекристалізації - укрупнення зернистої структури матеріалу і поступового зникнення його волокнистої структури. Зерна збільшуються в розмірах до площі поперечного перерізу зволікання, в результаті чого починають ковзати «провисати» під дією власної маси відносно один одного. При температурах, близьких до температури плавлення вольфраму (Т пл = 3650 К [9,6]), провідник перегорає в невеликій локальній області, переважно по центру, де його температура максимальна (кадр 6, точка 6). Руйнування провідника пов'язано з плавленням і випаровуванням оксиду, рекристалізацією і, можливо, з плавленням самого металу.
Таким чином, нестаціонарний тепломасообмін і кінетику окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом можна представити у вигляді 3-х послідовних стадій: I - нагрівання провідника до квазістаціонарних температури; II - високотемпературне окислення вольфраму до температури плавлення оксидної плівки; III - плавлення та інтенсивне випаровування оксидної плівки, збільшення швидкості окислення, перегоряння провідника.








Рис.2.2. Фотографії поверхні вольфрамової зволікання і графік зміни її температури з плином часу при силі струму I = 1.1 A, d = 70 мкм, L = 5.3 см, T g = 291 К. (Відстань до провідника 10 см)
На рис.2.3 представлені фотографії вольфрамової зволікання, зроблені на різних стадіях високотемпературного окислення (кадри 1 - 7) і в момент її перегоряння (кадр 8). Видно, що в момент часу, що передує перегорання провідник візуально кілька товщає. Ймовірно, це пов'язано з переходом оксиду в рідкий стан і освітою в поверхні провідника тонкого шару випарувався газоподібного оксиду - зони конденсації. У момент перегорання утворюється велика кількість дрібних частинок, що летять в різних напрямках. Найбільші з них видно на останньому кадрі рис.2.3.
2. 2. Фізико-математичне моделювання процесів високотемпературного окислення вольфрамової зволікання з урахуванням випаровування оксидної плівки.
Розглянемо нестаціонарний тепломасообмін (ТМО) і кінетику окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом, в повітрі при кімнатній температурі. Виділяється при цьому джоулево тепло приводить до збільшення температури провідника і до активізації на його поверхні хімічної реакції окислення металу
Як було зазначено у розділі 1, при окислюванні вольфраму в повітрі можливе утворення двох стійких оксидів WO 2 і WO 3 відповідно до рівнянь:
W + O 2 ® WO 2 (I)
2W +3 O 2 ® 2WO 3 (II).
Припустимо, що на поверхні зволікання утворюється окисна плівка, що складається тільки з WO 2. Так як реакція окислення протікає по параболическому закону, то швидкість хімічної реакції по кисню лімітується товщиною оксидної плівки
, , (2.3)
де k - константа швидкості хімічної реакції, ; H - товщина оксидної плівки, м; відносна масова концентрація кисню на поверхні металу; r g - щільність повітря, ; швидкість окислення по кисню, ; K 0 - предекспоненціальний множник, ; Е - енергія активації, .
Концентрацію кисню на поверхні дроту знайдемо з умови рівності масового потоку кисню до поверхні і швидкості його споживання на межі метал - окисел [2]:
,
,
, (2.4)
де S h , D h , S, d - відповідно площа поверхні і діаметр провідника, покритого шаром оксиду товщиною h, і чистого металевого провідника без оксидного покриття. Для тонких оксидних плівок, які спостерігаються при окисленні вольфраму, можна вважати, що d h / D »1 (d h = d +2 h).
Це дає нам можливість визначити щільність хімічного тепловиділення реакції окислення вольфраму у вигляді:
. (2.5)
У рівняннях (2.4), (2.5): відносна масова концентрація кисню в повітрі, = 0.23 при Р атм = 10 5 Па, Q - тепловий ефект реакції, ; коефіцієнт масообміну, , Який визначається умовами масообміну зволікання з повітрям і характерним її розміром:
, (2.6)
де Sh - критерій Шервуда; D - коефіцієнт дифузії кисню в повітрі, ; D - діаметр дроту, м.
Молекулярно-конвективний теплообмін нагрітої зволікання з повітрям описується законом Ньютона-Рихмана:
, , (2.7) де q c-щільність теплового потоку молекулярно-конвективним шляхом, ; T g - температура газу, К; коефіцієнт теплообміну, ; коефіцієнт теплопровідності газу, ; Nu - критерій Нуссельта.
Для тонких зволікань можна прийняти, що Nu = Sh = 0.5 [12]
Для зволікань у поперечному потоці повітря в інтервалі чисел Рейнольдса:
1 <Re <4 для Nu можна користуватися залежністю.
, ,
V - швидкість потоку, ; коефіцієнт кінематичної в'язкості повітря, .
В області 4 <Re <40 використовується залежність:
Для областей 40 <Re <10 3 рекомендується залежність
Nu f = 0.52Re 0.5 f Pr 0.37 f (Pr f / Pr w) 0.25,
Pr - критерій Прандтля, індекс ² w ² - властивості розраховані біля стінки, тобто при температурі зволікання, ² f ² при температурі набігаючого газу.
Нагрівається зволікання втрачає частину енергії в результаті променистого теплообміну зі стінками реакційної установки, який описується законами Кірхгофа і Стефана-Больцмана:
, (2.8)
де q r - Щільність теплового потоку випромінюванням, ; ступінь чорноти оксидної плівки; постійна Стефана - Больцмана, ; T w температура стінок реакційної установки, К. У нашому випадку T w = T g = T k, де T k - кімнатна температура повітря, К.
У місцях контакту вольфрамової зволікання з токоподводящих проводами виникає тепловий потік теплопровідністю, спрямований до сполучних проводів і призводить до зниження температури зволікання. Як було сказано в главі 2, тепловтрати зволікання через її кінці визначається виразом:
, (2.9)
q L - щільність теплового потоку теплопровідністю, .
Вважаємо, що температура проводів, що підводять дорівнює температурі навколишнього повітря T g.
Потужність електричного струму, що нагріває провідник, з урахуванням залежностей від геометричних розмірів і температури, представимо у вигляді:
. (2.10)
Як було викладено в розділах 1 і 2, оксиди вольфраму летких і при досягненні певних температур відбувається їх сублімація і випаровування.
Інтенсивне випаровування оксиду WO 2 починається після його плавлення, яке відбувається при температурі, що лежить в інтервалі 1500-1600 К. Врахуємо в тепловому балансі провідника тепловтрати, що йдуть на випаровування оксиду WO 2.
Щільність теплового потоку, що витрачається на випаровування оксиду, залежить від питомої теплоти випаровування і швидкості випаровування:
, (2.11)
де   коефіцієнт дифузії оксиду WO 2 у повітрі, ;
, відносна масова концентрація парів WO 2 в насиченому стані на поверхні частки і на нескінченному віддаленні від неї.
Використовуючи для парів WO 2 наближення ідеального газу, знайдемо :
,
молярна маса WO 2.
Тиск насичених парів залежить від температури за законом Клапейрона-Клаузіуса:
,
де Т кип - температура кипіння WO 2 при атмосферному тиску .
З урахуванням вище викладеного, (2.23) перетвориться до виду:
. (2.12)
У припущенні Вi <0 запишемо диференціальне рівняння для зміни температури провідника з урахуванням описаних вище фізичних і хімічних процесів, що протікають на його поверхні:
, Т (t = 0) = T 0, (2.13)
де питома теплоємність і щільність вольфраму, ; ;
Т 0 - початкова температура провідника, К.
Зміна товщини оксидної плівки з часом відбувається в результаті реакції окислення вольфраму і випаровування оксиду з поверхні:
. (2.14)
Для тонких плівок вважаємо, що S h »S. Так як:
,
то ; ,
де Мо 2 - молярна маса О 2; стехіометричні коефіцієнти в реакції окислення W + O 2 ® WO 2, .
Тоді з урахуванням (2.3) для швидкості утворення оксиду маємо:
.
Використовуючи (2.10) і враховуючи, що , S б = pdL, з (2.14) визначимо тимчасову залежність товщини оксидної плівки на поверхні провідника:
,
.        (2.15)
Диференціальні рівняння (2.13), (2.14) з урахуванням рівнянь (2.9), (2.5) - (2.12) описують нестаціонарний високотемпературний тепломасообмін і кінетику окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом в газоподібному середовищі, з урахуванням випаровування оксиду з його поверхні. На рис.2.3 представлені залежності T (t) і h (t), розраховані за вказаними формулами для вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом у середовищі кисню. Результати представлені у порівнянні з експериментальними даними А. Г. Мержанова [10]. Крива 2 описує залежності T (t) і h (t) без урахування тепловтрат на випаровування. Високотемпературне стан характеризується максимальним значенням температури, яка потім зменшується в міру зростання товщини оксидного шару. При досягненні товщиною оксиду критичного значення h E відбувається загасання реакції окислення на поверхні провідника, внаслідок зменшення щільності хімічного виділення. З урахуванням випаровування оксиду з поверхні провідника товщина оксидної плівки збільшується (крива 1), досягає максимального значення, а потім убуває, тому що швидкість випаровування її при високих температурах більше швидкості утворення оксиду. Результати розрахунків за фізико-математичної моделі з урахуванням випаровування добре узгоджуються з експериментальними даними. Зі зменшенням потужності електричного струму, що нагріває провідник, збільшується час високотемпературного окислення провідника і максимальне значення товщини оксидної плівки, тому що при більш низьких температурах швидкість випаровування оксиду менше.


Рис.2.3. Тимчасові залежності температури вольфрамового провідника і товщини оксиду на його поверхні. d = 50 мкм, L = 7 см, = 1, v = 0.13 м / с.
а), б): 1-q v ¹ 0, 2-q v = 0, Р = 106,4 Вт / см 2;
в), г): q v ¹ 0, 1-Р = 194.4 Вт / см 2, 2-Р = 91.3 Вт / см 2;
ооо - експериментальні дані [10]; Р-постійна потужність нагріву електричним струмом; υ - швидкість обдування провідника.


Рис. 2.4. Вплив теплообміну випромінюванням на тимчасові залежності температури і товщину оксидної плівки вольфрамового провідника.
l = 10 см, d = 10 мкм; T g = 288 K, .
1 - q = 0, 2 - q ,
T w = 288 K


3. СТАБІЛЬНІСТЬ ТА КРИТИЧНІ РЕЖИМИ тепломасообміну та високотемпературного окиснення Вольфрамова ПРОВІДНИКА.
Вивчимо стаціонарні режими вольфрамової зволікання, що нагрівається електричним струмом і, що знаходиться в газовій суміші, яка містить окислювач.
Запишемо умова стаціонарності, визначається рівністю теплових потоків, що нагрівають зволікання і охолоджуючих її. У стаціонарному режимі температура зволікання з часом не змінюється .
Тоді рівняння теплового балансу:
. (3.1)
З урахуванням (2.5) - (2.12) з (3.1) знайдемо залежність сили струму, що визначає стійкі і критичні стани зволікання, від її стаціонарної температури:

(3.2)
де h 0 - початкова товщина оксидної плівки, м.
Рівняння (3.2) визначає стійкі і критичні високо-і низькотемпературним режими тепломасообміну і окислення зволікання з заданою товщиною оксиду h 0 при різних інтенсивностях її нагрівання електричним струмом.
Проведемо аналіз залежності Т (I), розрахованої за формулою (3.2) для вольфрамової зволікання d = 70 мкм, L = 10 см при початковій товщині оксидної плівки h 0 = 0.4 мкм (рис.3.1). Екстремуми на кривій T (I) характеризують критичні режими запалювання зволікання (т. i-максимум) і потухання (т. e-мінімум) при відповідно критичних значеннях сили струму I i і I e.
Крива до т. i визначає низькотемпературні стійкі стаціонарні режими - окислення, крива після т. e - стійкі високотемпературні режими - горіння. При підвищенні сили струму в низькотемпературному режимі відбувається монотонний зростання температури зволікання, що приводить до виникнення на поверхні зволікання хімічної реакції окислення.
Для того, щоб перевести зволікання з заданою товщиною оксидної плівки в високотемпературне стан, необхідно збільшити силу струму до значення, обумовленого т. i, в якій загальний теплонадходжень до зволіканні за рахунок джоулева та хімічного тепловиділення максимально перевищує тепловтрати в газ, до стінок і через кінці зволікання до токоподводящих дротах. Перехід на високотемпературний режим тепломассобмена відбувається стрибкоподібно з різким збільшенням температури. Для всіх значень сили струму I> I i зволікання із заданою h 0 буде запалюватися, і переходити в стійке високотемпературне стан. Для того, щоб перевести зволікання з високотемпературного стану в низькотемпературне, потрібно зменшити значення сили струму до величини I e. Потухання зволікання є наслідком максимального перевищення тепловтрат над теплонадходжень за рахунок нагріву електричним струмом і тепловиділення реакції окислення. Крива, що з'єднує т. i і e визначає нестійкі стаціонарні стани, що характеризують вплив початкової температури зволікання на критичну величину сили струму, при якій відбувається перехід на високотемпературний режим тепломассобмена.
Запалювання зволікання силою струму, значення якої лежить в інтервалі I e <I <I i відбувається, якщо її початкова температура вище значення, що лежить на кривій, що з'єднує т. i і e для відповідного значення I. Таким чином, спостерігається гістерезисні поведінка температури зволікання в залежності від сили струму, що нагріває її. Область гістерезису обмежується критичними значеннями I i і I e. Ці стани нестійкі і визначають переходи з низькотемпературного стану у високотемпературне і навпаки. При значеннях сили струму I <I e запалювання зволікання неможливо ні за яких значеннях її початкової температури.
Облік випаровування оксиду призводить до збільшення критичного значення сили струму, що характеризує потухання провідника, і зменшення температури в стійкому високотемпературному стані (рис.3.1, крівая2). Зростання I e пояснюється збільшенням щільності хімічного тепловиділення при зменшенні товщини випаровується оксиду. Отже, для збереження умови стаціонарності силу струму потрібно збільшити. Тепловтрати на випаровування оксиду призводять до зниження температури в режимі високотемпературного окислення. Випаровування оксиду не впливає на режими низькотемпературного тепломасообміну і критичні параметри запалювання провідника, тому що при цих температурах швидкість випаровування невелика.
Кружечками на рис.3.1 представлені експериментальні дані, отримані нами для вольфрамової зволікання тих же геометричних розмірів. Спостерігається гарну згоду експериментальних і розрахункових стаціонарних низькотемпературних режимів тепломасообміну. Певне критичне значення сили струму, при якому відбувається стрибкоподібний перехід в високотемпературне стан провідника. При досягненні силою струму критичного значення I i 1.03 А зволікання швидко загострюється і перегорає. Так як в центрі зволікання температура максимальна (краю зволікання охолоджуються за рахунок теплового потоку до токоподводящих проводах), то її перегоряння спостерігається саме в цьому місці. Що відбуваються на поверхні зволікання процеси плавлення та випаровування оксиду призводять до зменшення товщини оксидної плівки і, отже, до збільшення швидкості хімічної реакції, що веде до різкого збільшення температури і руйнування зволікання. Запалювання зволікання відбувається в кінетичному режимі . Тоді з (2.5) випливає, що , Тобто q ch не залежить від і тим менше, чим більше h 0. При потухання спостерігається перехідною режим реакції окислення . Тоді концентрація кисню на поверхні окисляющегося провідника залежить і від швидкості надходження кисню з навколишнього середовища. Тому q ch зменшується як за рахунок зростання h 0, так і в результаті зниження . Отже, силу струму в разі потухання потрібно збільшити сильніше, ніж у випадку запалення.
На рис.3.2 представлені критичні значення сили струму і температур вольфрамового провідника, при яких відбувається його запалення і потухання в залежності від діаметра і товщини оксиду на поверхні. Облік тепловтрат на випаровування оксидної плівки призводить до підвищення критичних значень сили струму, при яких реалізуються високотемпературні стану. При деякому малому діаметрі провідника і силі струму спостерігається виродження критичних режимів запалення і потухання (т. ). В області великих діаметрів провідника ( 2300 мкм) вироджені режими окислення також спостерігаються, проте, їм відповідають достатньо великі значення сили струму. Зі збільшенням d швидкість випаровування зменшується, тому ступінь впливу цього процесу на I e і зменшується (ріс.3.2.а, б, криві 1 і 2).

Рис.3.1. Залежність T (I) для вольфрамового провідника d = 70 мкм, L = 10 см, T g = T w = 288 K:
а) h 0 = 0.4 мкм; 1 - без урахування випаровування, 2 - з урахуванням випаровування WO 2;

Рис.3.2. Вплив діаметра провідника і товщини оксидної плівки на критичні значення сили струму і температури, що характеризують запалювання ( ) І потухання ( ) Провідника.
а), б) h 0 = 0.4 мкм; 1-з урахуванням випаровування WO 2, 2-без урахування випаровування WO 2;


Рис.3.3 Вплив теплообміну випромінюванням на стійкі і критичні режими окислення вольфрамо провідника.
T w = T g = 288 K, , L = 10 см
а) d = 70 мкм, б) d = 250 мкм
1 - q = 0, 2 - q


Рис.3.4 Критичні режими режими запалювання (т. i) і потухання (т. е) вольфрамового провідника різних діаметрів при нагріванні його електричним струмом.
L = 10 см. 1 - q 0; 2 - q r = 0; T w = T g = 288 K; a) Tcr (d), б) Icr (d)
Вивчимо вплив теплообміну випромінюванням на стійкі і критичні режими високотемпературного окислення провідника, що нагрівається електричним струмом. З ріс3.3.а. видно, що тепловтрати до стінок реакційної установки приводять до збільшення критичних значень сил струму, що характеризують запалення і потухання провідника. При деякому діаметрі провідника (ріс.3.3.б) критичний режим, що характеризує потухання, зникає. Погасити вольфрамовий провідник даного діаметра зменшенням сили струму стає неможливим.
Ріс.3.4.а, б ілюструє вплив теплообміну випромінюванням на критичні температури і значення сили струму, при яких відбувається запалювання (Ті, Ii) і потухання (Ті, Ie) провідника. Точки 1 і 2 характеризують виродження критичних режимів запалення і потухання. З ріс.3.4.б випливає, що в разі відсутності теплообміну випромінюванням існує інтервал діаметрів провідника, для якого неможливий перехід з високотемпературного стану в низькотемпературне зменшенням сили струму.
Висновки.
1.Експеріментально досліджено високотемпературні режими тепломасообміну і окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом. Визначено стадійність у здійсненні високотемпературних станів: інертний нагрів провідника (1 стадія); високотемпературний тепломасообмін і окислення (2 стадія); плавлення і випаровування окислів, перегоряння провідника (3 стадія).
2.Показано, що облік випаровування оксиду з поверхні провідника приводить до зменшення швидкості росту товщини оксидної плівки, досягненню нею максимального значення і подальшого зменшення, що передує перегорання провідника. Результати розрахунку за фізико-математичної моделі з урахуванням випаровування добре описують експериментальні дані.
3.Определите критичні значення сили струму, при яких відбуваються стрибкоподібні переходи з низькотемпературного режиму в високотемпературний і навпаки (запалення і потухання) провідника. Показано, що тепловтрати на випаровування оксиду призводять до збільшення критичного значення сили струму, що характеризує потухання і зменшення температури горіння провідника.
4.Изучить вплив теплообміну випромінюванням на час існування високотемпературного режиму і швидкість росту товщини оксидної плівки. Показано, що з урахуванням тепловтрат випромінюванням до стінок реакційної установки збільшуються час виходу та високотемпературний режим.
5.Установлено, що тепловтрати випромінюванням приводять до значного збільшення критичних значень сили струму, що характеризують потухання провідника.
6.Доказано, що існує такий інтервал діаметрів провідника для якого перевести, що знаходиться у високотемпературному стані, провідник у низькотемпературне стан неможливо.

ЛІТЕРАТУРА.
1. Кофстад П.А. Високотемпературне окислення металів. - М.: Світ, 1969. 392с.
2. Кубашевскій О.К., Гопкінс Б. Окислення металів і сплавів. - М.: Металургія, 1965. - 428 с.
3. Іванов В.Є. та ін Захист вольфраму від окислення при високих температурах. - М.: Атоміздат, 1968. - 159 с.
4. Окислення металів. / Под ред. Бенара Ж.М.: Металургія, - 1969. - 318 с.
5.Корнілов І.І., Глазова В.В. Взаємодія тугоплавких металів перехідних груп з киснем .- М.; Наука, 1967.255с.
6. Герасимов Я.І., Крестовников О.М., шаков А.С. Хімічна термодинаміка в кольоровій металургії. - М.: Изд-во літератури з чорної й кольорової металургії, 1963. - Т.2. - С.5-29.
7. Самсонов Г.В. Фізико-хімічні властивості оксидів. Довідник. - М.: Металургія, 1978. - 471 с.
8. Рабинович В.А., Хавін З.Я. Короткий хімічний довідник. - Л.: Хімія, 1977. - 238 с.
9. Деревяга М.Є., Стесін Л.М., Федорин Е.А. Займання і горіння тугоплавких металів (вольфрам, молібден, Бор). / / ФГВ. - 1979. - Т.15, № 4. С.17-29.
10. Мержанов А.Г., Теплова теорія займання часток металів. / / Ракетна техніка та космонавтика. -1975. - Т.13, - № 2. С.106-112.
11. Тепло-і масообмін. Теплотехнічний експеримент. Довідник. / Под ред. Григор'єва В., Зоріна В. - К.: Енергоіздат, - 1982. - 512 с.
12. Жукаускас А.А., Конвективний перенесення в теплообмінниках. - М.: Наука, 1982. - 472 с.
13. Барелко В.В., Абрамов В.Г., Мержанов А.Г. Термографічний метод дослідження кінетики газофазних гетерогенно-каталітичних реакцій. / / Журнал фізичної хімії. - 1969. - Т. XLIII, № 11. - С.2828-2829.
14. Черненко Є.В., Розенбанд В.І., Барзикін В.В., Вивчення закономірностей займання цирконію в кисні під тиском. / / ФГВ. - 1979. - Т.15, № 4. - С.66-69.
15.Харатян С.Л., Чатілян.Закономерності тепловиділення при силицирование вольфраму у хвилі безгазовий горенія. / ФГВ, т.36, N 3,2000, c.65-71.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
134кб. | скачати


Схожі роботи:
Дослідження процесів випаровування і конденсації рідких крапель
Визначення поверхні теплообміну
Дивовижні властивості пакувальної плівки
Захисні діелектричні плівки в планарної технології
Фотопроцеси індуковані лазерним випромінюванням в розчинах і плівках наночастинок CdSe ZnS
Розрахунок технологічного обладнання для процесу рекуперативного теплообміну
Оман високий
Високий тиск любові
Заманіха висока ехінопанакс високий
© Усі права захищені
написати до нас