Влияние испарения оксидной пленки и теплообмена излучением на высокотемпературный тепломассообмен и кинетику окисления вольфрамового проводника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. И.И.МЕЧНИКОВА

Кафедра теплофизики

Влияние испарения оксидной пленки и теплообмена излучением на высокотемпературный тепломассообмен и кинетику окисления вольфрамового проводника

Допускается к защите

Зав. кафедрой теплофизики

профессор Калинчак В.В.

“_____”_______________2003 г.

Курсовая работа

студента 4 курса

физического факультета

Спиридонова Алексея Владимировича

Научные руководители

доцент Орловская С.Г.

м.н.с.  Грызунова Т.В.

ОДЕССА – 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Особенности процессов высокотемпературного окисления

металлов

1.1.Общие закономерности окисления металлов

1.2.Высокотемпературное окисление вольфрама. Свойства окислов

вольфрама

1.3.Влияние фазовых переходов на закономерности окисления

1.4.Влияние защитных покрытий на кинетику окисления вольфрама

2.Изучение нестационарного тепломассообмена и кинетики окисления

вольфрамового проводника

2.1.Электротермографический метод исследования. Результаты

экспериментальных исследований

2.1.1.Определение температурного поля по длине проводника……

2.1.2.Анализ влияния геометрических размеров проводника и силы

тока на высокотемпературное окисление вольфрамового проводника. Определение плотности теплового потока через концы проводника

2.2.Физико–математическое моделирование процессов высокотемпературного окисления вольфрамовой проволочки с учетом испарения оксидной пленки

3.Устойчивые и критические режимы тепломассообмена и высокотемпературного окисления вольфрамового проводника

Выводы

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Развитие новых отраслей современной техники вызывает необходимость исследовать материалы, способные работать при высоких температурах и больших механических нагрузках.. К таким конструкционным материалам относится вольфрам. При температурах выше 2000°С вольфрам является практически единственным металлом, сохраняющим достаточно высокую механическую прочность, 80-90% этого металла расходуется на легирование стали, никелевых медных сплавов.

Главное преимущество вольфрама перед другими легирующими
металлами заключается в том, что он значительно повышает температуру
закалки, что в свою очередь приводит к сохранению твердости при более
высоких температурах - вплоть до 700 - 800°С (вместо 200 - 250°С). Еще
большей твердостью при повышенных температурах обладают стеллиты
(сплав вольфрама с кобальтом и хромом без железа). Из сплавов с
вольфрамом, кобальтом и хромом изготовляются хирургические
инструменты. Небольшая добавка вольфрама (1 – 3 %) в нихромовые и
хромалюминивые сплавы придает им жаропрочность. Из подобных сплавов
изготавливают турбины для авиационных двигателей. Сплавы вольфрама
применяются в реактивной и ядерной технике. В радиотерапии очень ценен сплав вольфрама с медью и никелем (85% W+10% Ni +5%Си), который хорошо защищает от радиоактивных излучений. Из этого сплава изготавливают контейнеры для хранения радия и других радиоактивных препаратов. В электрических лампах вольфрамовая нить накаливания позволяет довести накал до 2200°С.

Однако, не смотря на высокую температуру плавления и уникальную жаропрочность, вольфрам все еще имеет ограничение в качестве жаропрочного металла.Одной из причин является его низкая стойкость против окисления .Исследованию окисления вольфрама посвящено большое количество робот [1-4,15]. Тем не менее,единого мнения о кинетике и механизме высокотемпературного окисления вольфрама нет.

В специальной литературе мало изучен вопрос о влиянии фазовых переходов (сублимации, испарения окислов) на характеристики высокотемпературных состояний и критические режимы зажигания и потухания вольфрама.Практически отсутствует информация о роли теплообмена излучением при осуществлении высокотемпературных состояний металлических проводников.

В связи с выше сказанным определена актуальность и цель данной работы.

Целью настоящей работы является изучение влияния фазовых переходов (испарения оксидной пленки) и теплообмена излучением на устойчивые и критические режимы окисления вольфрамовых проводников при различных мощностях нагрева электрическим током.

1.   ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ.

 

1.1. Общие закономерности окисления металлов.

 Образование конденсированных продуктов при окислении металла приводят к тому, что процесс взаимодействия металла с окислителем выводится из кинетической области и течение процесса начинает определяться диффузионным сопротивлением образовавшегося окисла.

Сопротивление оксидной пленки различных металлов наиболее отчетливо выражается объемным отношением j, показывающим, как изменится объем металла при окислении и представляющим собой отношение объема окисла к объему металла, из которого этот окисел образовался [1].

При j<1 окисел не может покрыть металл сплошной пленкой. Пленка имеет пористую, ячеистую структуру и не оказывает существенного сопротивления дальнейшему окислению металла. К металлам, имеющим такую пленку, относятся Mg (j=0,81), Ва (j=0,78), Са (j=0,64), Li (j=0,58).

При j>1 пленка покрывает металл сплошным слоем. Поверхность свободно растет с внешней стороны. Компактная пленка служит эффективной преградой окислению. Такими окисными пленками обладают Al (при окислении до Al₂O₃, j=1,28), Ве (ВеО, j=1,68), Cu (CuO, j=1,72), Ni (Ni₂O₃, j=1,65), Zn (ZnO, j=1,55), W (WO₂, j=1,87).

При j>>1 защитные свойства окисла вновь утрачиваются. Это связанно с большим увеличением объема при окислении, вызывающие деформации в пленке. Так ведут себя V (V₂O₅, j=3,19), Cr (Cr₂O₃, j=3,92).

В зависимости от свойств окисной пленки изменяется кинетический закон, характеризующий окисление металла во времени. Рыхлая (j<1или j>>1), либо растворимая в металле пленка не оказывает сопротивления продвижению окислителя, скорость окисления не зависит от толщины пленки и контролируется скоростью диффузии в тонком слое воздуха у поверхности металла.

Экспериментально установлены различные законы окисления [2].

Распространены так называемые степенные законы окисления, при которых скорость реакции (скорость роста слоя продукта) уменьшается с ростом толщины слоя продукта обратно пропорционально толщине этого слоя в некоторой степени [3]:

 .  (1.1)

Здесь С_ок – концентрация окислителя у поверхности частицы; n – порядок реакции по окислителю; r_ox – плотность оксида; k₀ – предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации. Показатель m определяет зависимость скорости реакции от толщины слоя окиси h. В кинетической литературе название закона связывают с величиной m (m=0 – линейный, m=1 – параболический, m=2 – кубический), что соответствует интегральной форме этих законов.

Обычно m=0 и для случаев, когда продуктом реакции является пористая окисная пленка, то есть j<1. Окисление, подчиняющееся линейной закономерности, можно охарактеризовать в виде:

h=k_линt+С_лин ,

где k_лин – константа линейной скорости, а С_лин – постоянная интегрирования.

Графически это представлено кривой 2 на рис.1.1.

h

2

1

t

Рис.1.1. Параболическое (1) и линейное (2) окисление.

Скорость линейного окисления постоянна во времени и не зависит от количества уже прореагировавшего газа или металла. Если зависимость линейна, то скорость окисления лимитируется процессом или реакцией на поверхности или на фазовой границе. К ним могут, например, относится установившаяся реакция, скорость которой лимитируется подводом (адсорбцией) кислорода к поверхности, или реакция, управляемая образованием с установившейся скоростью окисла на границе раздела металл – окисел.

При m=1 (параболический закон окисления) скорость реакции определяется диффузионными процессами в твердой или жидкой окисной пленке. Появление экспоненты в законе окисления формально отражает зависимость коэффициента диффузии реагентов в окисной пленке от температуры.

Механизм окисления металлов по параболическому закону объясняют теории Вагнера и Кабрера – Мотта (для толстых и тонких пленок) [4].

Параболическое уравнение скорости записывается в интегральном виде:

h²=k_пар t+С_пар  ,

где k_пар – константа параболической скорости, а С_пар – постоянная интегрирования.

Кривая 1 (рис.1.1) описывает зависимость толщины оксидной пленки от времени для параболического закона окисления.

Параболический закон высокотемпературного окисления означает, как правило, что скорость окисления лимитируется скоростью термодиффузии. Подобный процесс может охватывать и равномерную диффузию одного или обоих реагентов через растущую плотную окалину и равномерную диффузию газа в металл.