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本文主要利用一套适用于研究粉尘云点火及火焰传播的实验系统对纯锆粉与包覆Fe304锆粉火焰传播特性以及浓度和粒径等因素对粉尘云火焰传播的影响规律进行了研究,并利用XPS等测试技术对包覆锆粉云的燃烧产物进行了分析。
本文首先利用热重一差热量热仪对纯锆粉与包覆Fe304锆粉的静态氧化特性开展了研究。结果表明,它们的氧化规律基本是一致的,都是在550K左右氧化反应开始进行;在1200K左右氧化反应基本结束。在950K之前,200目纯锆粉的增重比率高于400目的增重比率,而在950K之后,400目纯锆粉的增重比率逐渐高于200目粉体,推测这种情况可能是由于400目粉体颗粒暴露于空气中的表面积小于200目粉体。上述推测通过BET测试得到了验证,这种情况出现主要是由于200目粉体表面具有较大的孔隙体积导致。
通过对火焰图像的分析得到,在质量浓度较低(0.454kg/m3)时,火焰传播速度不稳定,震荡比较剧烈;质量浓度较高(0.842kg/m3)时,粉尘云的火焰传播速度实现了较为稳定的增长。总体来讲,纯锆粉的火焰传播速度大于包覆锆粉的火焰传播速度,这可能由于纯锆粉粒子比包覆锆粉与氧气有更大的接触面积,更容易与氧气发生反应;同时从热特性分析的结果可推出,相同质量浓度下,纯锆粉可以与更多的氧气反应,释放的热量也相对较多;综合以上两个原因,火焰阵面前未燃的锆粉从预热到发生燃烧的时间较包覆锆粉缩短,导致纯锆粉云的火焰传播速度相对于相同浓度下的包覆锆粉云较快。
通过对微细热电偶测得的温度数据进行分析可以得到,纯锆粉与包覆锆粉云的最高火焰温度随着粉尘云质量浓度的增大都是一个先增加后下降的过程。包覆锆粉云的火焰温度与纯锆粉云的火焰温度之间存在一个滞后过程,其主要原因可能是在粉尘浓度较低的阶段时,氧气的量是相对充足的,这个阶段燃烧的温度是由可燃粉尘量主导的,而包覆粉尘颗粒其暴露于空气中的表面积小于相同粒径下的纯锆粉,此外,相同质量浓度下包覆锆粉其锆含量略低于纯锆粉,基于以上两个原因,包覆锆粉云如要达到与纯锆粉云相似的火焰温度,需要更大的质量浓度。
通过对包覆锆粉燃烧产物的SEM电镜分析得出,包覆锆粉的燃烧产物中可能有新的球状物质生成。通过对包覆锆粉的燃烧产物进行光电子能谱分析,发现包覆锆粉的燃烧产物中有单质铁元素的存在,推测在包覆锆粉的火焰传播过程中锆和四氧化三铁之间可能发生了置换反应,铁单质被置换出来。