ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ТЕХНИКЕ

Цепные реакции, и, в частности, горение углеводородов в кислороде, часто используются в сварочной технике при раздели­тельной резке металлов, сварке и наплавке, применяемыми в ремонтных работах, высокотемпературной пайке изделий.

Использование кислорода и горючих газов (ацетилен, пропа­но-бутановая смесь) — взрывоопасный процесс, поэтому вопро­сы использования сжатых горючих газов должны быть известны инженера м-сварщикам.

Цепной реакцией называется процесс химического взаимодей­ствия, в котором активная частица (возбужденный атом, мо­лекула с незамкнутыми связями — радикал) может вызвать не одно химическое превращение, а несколько, передавая свою энергию возбуждения вновь образовавшимся частицам. Число превращений, вызванных одной частицей, определяет длину цепи и может исчисляться сотнями и даже тысячами. Механизм цеп­ных реакций очень сложен, так как на развитие цепной реакции влияет скорость зарождения активных частиц, скорость развития цепи, скорость обрыва цепей (время жизни активных частиц), а также внешние физические условия — давление, температура, скорость отвода теплоты. Математическая теория и физические основы цепных реакций получили свое развитие в трудах Н. Н. Семенова, Н. М. Эммануэля и других ученых.

Скорость цепных реакций во времени может сильно воз­растать благодаря непрерывной подаче энергии для образования активных частиц или использованию энергетического эффекта реакции на образование новых частиц. При возрастании числа активных частиц так называемый коэффициент размножения бу­дет больше единицы (1,1…1,5) и создаются условия для пере­хода реакции во взрыв. В качестве примера последнего случая цепной реакции можно привести реакцию кислорода с водородом по следующей схеме (звездочкой обозначены активные частицы):

Как видно, в этой схеме число активных частиц непрерывно возрастает, а следовательно, возрастает и скорость процесса. Приближенное уравнение для вычисления скорости цепной реак­ции в этом случае будет иметь вид

v = AeB‘, (8.119)

где v — скорость цепной реакции; А, В — постоянные коэффи­циенты; t — время реакции.

Исчезновение активных центров (ионы, возбужденные мо­лекулы) может вызвать обрыв цепи или уменьшить коэффициент размножения. Это происходит в следующих случаях: тройное столкновение и перераспределение энергии; столкновение с молекулами примесей, не вступающих в реак­цию;

столкновение со стенкой сосуда и распределение энергии возбуждения между многими частицами, составляющими стенку.

Регулирование скорости цепных реакций и управление ими в технологических процессах основано на контроле числа активных центров и на согласованности скорости цепной реакции (скорость фронта пламени) со скоростью потока газов.

Скорость распространения фронта пламени зависит от соста-

Таблица 8.11. Температуры самовоспламенения и составы смесей с кислородом (границы воспламенения)

Газ

Границы самовоспламенения (% объемная доля горючего газа)

Температура воспламенения, К

нижняя

верхняя

Ацетилен

2,8

93

573

Водород

4,5

95

723

Метан

5,0

60

810 (воздух)

Окись углерода

15,5

94

863

ва горючей смеси, так как избыток того или иного компонента следует рассматривать как примесь, уменьшающую число актив­ных столкновений. На рис. 8.23 показаны значения скоростей распространения фронта пламени для некоторых газов в смеси с воздухом (примесь N2) и кислородом.

Весьма важная характеристика — температура самовоспла­менения смесей газа с кислородом или воздухом, зависящая от состава смеси и от давления (табл. 8.11).

Температура самовоспламенения га­зовых смесей зависит не только от со­отношения концентраций компонентов (см. табл. 8.11), но и от давления газа.

Давление газовой смеси определяет время жизни активных центров, так как увеличение числа частиц в единице объ­ема, эквивалентное увеличению давле­ния, приводит к росту числа столкнове­ний, в том числе и активных. Создание вакуума понижает вероятность актив­ных столкновений и время жизни актив­ной частицы возрастает, но и температу­ра самовоспламенения также возраста­ет, так как число активных столкнове­ний, необходимых для развития цепного процесса, уменьшается.

На рис. 8.24 показана область самовоспламенения гремучего газа в координатах давление — температура.

Updated: 19.03.2016 — 23:12