Патент на изобретение №2255080

(54) СОСТАВ БЕЗГАЗОВОГО ТЕРМИТНОГО ТОПЛИВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к составам термитного топлива. Предложен состав безгазового термитного топлива, включающий смесь порошков оксида железа и алюминия, дополнительно 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, Ca, Ва, С в определенном соотношении компонентов, при этом соотношение суммы всех оксидов к сумме восстановителей, включая алюминий, составляет 2-3. Изобретение направлено на расширение ассортимента составов безгазового термитного топлива с регулируемым тепловыделением, температурой и скоростью горения, снижение времени зажигания до десятых долей секунды, расширение диапазона применения термитного топлива и повышение безопасности работы теплогенерирующих устройств на основе этого топлива.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к составам безгазового 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 процессы идут в режиме горения без участия газовой фазы. Основное использование такие составы находят в теплогенераторах.

Известен состав термитной смеси, содержащий исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%: железная окалина (смесь оксидов железа) 63-70; порошок магния 23-28; натриевое жидкое стекло 3,25-6,75; политетрафторэтилен 0,25-5,75 (SU 1779514 A1, 07.12.1992).

Известный состав имеет температуру воспламенения 752-1200°С и показатель формуемости 0,16-0,55.

Основные недостатки этого состава:

– невозможность получения из известной смеси достаточно прочных топливных элементов, которые сохраняли бы форму и размеры не только при хранении, но и при горении;

– образование вредных летучих веществ при сгорании органических связующих, входящих в состав.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому составу является состав безгазового термитного топлива, содержащий 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 (RU 2062194 C1, 20.06.1996).

Известный состав топлива позволяет сохранять форму и размеры термитного элемента при горении и хранении, обладает достаточным тепловыделением при отсутствии газообразных и твердых выбросов. Выход на стационарный режим горения термитного топливного элемента составляет 6-13 с.

Известный состав топлива используется для отопления помещений и для получения электрической энергии в специальных объектах.

Основные недостатки прототипа:

– присутствие в составе значительного количества инертной добавки – оксида алюминия, что существенно снижает удельное тепловыделение и не позволяет достичь температур горения выше 2200К;

– невозможность плавной регулировки удельного тепловыделения и температур горения выше и ниже интервала 2100 – 2200К;

– необходимость применения поджигающих составов;

– образование при горении фосфатного связующего паровой фазы оксида фосфора и свободного фосфора, которые являются ядовитыми веществами и могут при выбросах загрязнять окружающую среду;

– продолжительное 6-13 с время зажигания.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение ассортимента составов безгазового термитного топлива, не требующих применения специальных поджигающих составляющих, с регулируемым тепловыделением, температурой и скоростью горения, снижение времени зажигания до десятых долей секунды, расширение диапазона применения термитного топлива и повышение безопасности работы теплогенерирующих устройств на основе этого топлива.

Технический результат достигается тем, что состав безгазового термитного топлива, включающий смесь порошков оксида железа и алюминия, дополнительно 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, Ca, Ва, С, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид железа 16,6-62,5

Алюминий 5,0-24,0

Оксид указанных элементов 12,5-52,5

Восстановитель указанных элементов 1,0-20,0,

при этом соотношение суммы всех оксидов к сумме восстановителей, включая алюминий, составляет 2-3.

Заявленная совокупность признаков путем экспериментального подбора компонентов состава термитного топлива и их соотношения в смеси позволяет регулировать температуру горения в пределах 800 – 4400К, регулировать удельное тепловыделение в пределах 0.1 – 4.0 МДж/кг, скорость горения в пределах 4-20 мм/с, получать продукты горения, сохраняющие форму и размеры исходной спрессованной смеси и легко удаляющиеся из оболочки.

Горение заявленных составов происходит в спокойном фронтальном режиме без диспергирования исходной смеси и продуктов горения, без выделения каких-либо вредных веществ, в том числе газообразных, кроме компонентов воздуха, которые могут быть сорбированы исходной порошковой смесью. В зависимости от требований конкретного применения продукты горения могут “держать” и могут не “держать” форму исходной заготовки, сохраняя или не сохраняя при этом первоначальный объем. А продукты горения могут быть использованы в качестве абразивных и огнеупорных материалов.

Сущность изобретения подтверждается примерами.

Пример 1

Используют состав (мас.%): Fe₂O₃ – 62,5; TiO₂ – 12,5; Al – 5,0; Mg – 10,0; Ca – 10,0. Измельчение и перемешивание компонентов проводят в шаровой мельнице. Из указанной смеси прессуют на гидравлическом прессе при нагрузке 90-100 МПа топливные блоки в виде шашек диаметром 30 мм и длиной 50 мм. Топливные блоки затем используют в теплогенераторе, который представляет собой патрон с головкой, содержащей в своем составе вводы для подачи электрического импульса, с помощью которого инициируют горение шашек, а также вывод для термопары ВР 5/20, спай которой помещают между соседними шашками. Стационарное горение после инициирования устанавливается примерно через 0,3 с (время зажигания). Расчетная адиабатическая температура горения используемого состава составляет 1950К. Внутри зоны горения развивается температура 1890К. Скорость перемещения фронта горения составляет 16 мм/с. Корпус патрона раскаляется до белого цвета, но не проплавляется.

Пример 2

Используют состав (мас.%): Fe₂O₃ – 26,75; TiO₂ – 39,95; Al – 20,0; Mg – 7,0; С – 6,3. Далее, как в примере 1, но термопару ХА закрепляют на наружной стенке патрона. Теплогенератор опускают в емкость с водой. Стационарное горение после инициирования состава подачей электрического импульса устанавливается примерно через 0,5. Расчетная адиабатическая температура горения составляет 2700 К. Внутри зоны горения развивается температура 2100К, а на наружной стенке патрона 410К. Скорость перемещения фронта горения составляет 10 мм/с.

В параллельном эксперименте горение топливного блока аналогичного состава осуществляют вне патрона теплогенератора. Продукты горения хорошо сохраняют форму и размеры исходной шашки при некотором увеличении длины образца.

Пример 3

Используют состав (мас.%): Fe₂O₃ – 33,0; МоО₃ – 36,8; Al – 20,2; Са 10,0. Измельчение и перемешивание компонентов проводят в шаровой мельнице. Топливные блоки из указанной смеси диаметром 30 мм и длиной 35-40 мм, спрессованные на гидравлическом прессе при нагрузке 100-120 МПа, помещают в патрон теплогенератора в количестве 12 штук. Используют теплогенератор в виде патрона с головкой, содержащей в своем составе вводы для подачи электрического импульса, с помощью которого инициируется горение. Устанавливают термопару ХА на наружной стенке патрона. Патрон герметизируют и помещают в емкость с водой. Внутренняя термопара не предусматривается. Расчетная адиабатическая температура горения составляет 3870К. Время зажигания – сотые доли секунды. Максимальная температура на наружной стенке патрона, погруженного в воду, составляет 420К. Полное сгорание заряда происходит за 20 с. Продукт горения (железо – молибденовый сплав) резко уменьшается в объеме по сравнению с исходным блоком и сваривается со стальным корпусом патрона. Сверху слиток покрыт корочкой шлака из Аl₂O₃.

Пример 4

Используют состав (мас.%): Fe₂O₃ – 22,5; СаO₂ – 47,5; В₂О₃ – 5,0; Al – 20,0; Mg – 5,0. Далее, как в примере 3, помещают топливные блоки из указанной смеси в патрон теплогенератора в количестве 11 штук. Используют теплогенератор в виде патрона с головкой, содержащей в своем составе вводы для подачи электрического импульса, с помощью которого инициируют горение. Устанавливают термопару ХА на наружной стенке патрона. Патрон герметизируют и помещают в емкость с водой. Время зажигания менее 0,1 с. Внутренняя термопара не предусматривается. Расчетная адиабатическая температура горения составляет 3870К. Максимальная температура на наружной стенке патрона, погруженного в воду, составляет 397К. Полное сгорание заряда происходит за 22 с. Продукт горения легко извлекается из патрона, сохраняет форму и объем исходного топливного блока.

Пример 5

Используют состав (мас.%): Fе₂O₃ – 45,0; SiO₂ – 30,0; Al – 24,0; Ва – 1. Измельчение и перемешивание компонентов производят в шаровой мельнице. Топливные блоки диаметром 30 мм и длиной 40 – 50 мм, спрессованные на гидравлическом прессе при нагрузке 120 – 125 МПа, помещают в патрон теплогенератора в количестве 12 штук. Используют теплогенератор в виде патрона с головкой и вводами подачи электрического импульса для инициирования горения шашек. Термопару ХА устанавливают на наружной стенке патрона. Патрон герметизируют и помещают в емкость с водой. Время зажигания 0,8 с. Расчетная адиабатическая температура горения составляет 2360К. Максимальная температура на наружной стенке патрона, погруженного в воду, составляет 360К. Полное сгорание заряда происходит за 36 с. Продукт горения легко извлекается из патрона при этом сохраняет форму и объем исходной термитной шашки.

Пример 6

Используют состав (мас.%): Fe₂O₃ – 42,0; TiO₂ – 33,0; Al – 23,0; С – 2,0. После измельчения и перемешивания компонентов состава из смеси прессуют шашки диаметром 30 мм и длиной 50 мм при нагрузке 90 – 100 МПа. Используют теплогенератор в виде патрона с головкой и вводами подачи электрического импульса для инициирования горения шашек, содержащий вывод для термопары ВР 5/20, спай которой помещают между соседними шашками. Закрепляют термопару ХА на наружной стенке патрона. Стационарное горение после инициирования устанавливается практически мгновенно. Расчетная адиабатическая температура горения составляет 970К. Внутри зоны горения развивается температура 890К, а на наружной стенке патрона – 165К. Скорость перемещения фронта горения составляет 15 мм/с.

Представленные примеры не ограничивают возможности использования заявленных составов, другие их варианты могут быть осуществлены специалистами в данной области.

Таким образом, заявленные составы безгазового термитного топлива не содержат инертных добавок, что позволяет полностью использовать теплотворные ресурсы системы и достигать максимальных температур горения, не требуют применения специальных поджигающих составов, позволяют регулировать удельное тепловыделение, температуру и скорость горения, при этом время зажигания составов составляет не более 1 с.

Формула изобретения

Состав безгазового термитного топлива, включающий смесь порошков оксида железа и алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно 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, Ca, Ва, С, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид железа 16,6-62,5

Алюминий 5,0-24,0

Оксид указанных элементов 12,5-52,3

Восстановитель указанных

элементов 1,0-20,0,

при этом соотношение суммы всех оксидов к сумме восстановителей, включая алюминий, составляет 2-3.