Взрыв металла в воде

Обновлено: 04.10.2024

Обсуждаются различные механизмы кулоновского взрыва металла во внешнем электрическом поле. Показано, что в случае низкочастотного поля, когда частота поля меньше частоты столкновений электронов металла, достичь условий кулоновского взрыва металла практически невозможно. Если же частота поля больше частоты столкновений, то кулоновский взрыв металла возможен в условиях, когда энергия осцилляций электронов металла намного превосходит энергию Ферми и работу выхода. Такие условия реализуются в мощном импульсе коротковолнового (ультрафиолетового) лазерного излучения при плотностях мощности ^ 1017 Вт/см2, или при напряженностях электрического поля лазерного излуче• ния, более чем на порядок превосходящих атомное поле.

Текст научной работы на тему «О возможности реализации кулоновского взрыва металла»

О ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ КУЛОНОВСКОГО

А. А. Рухадзе, У. Юсупалиев

Обсуждаются различные механизмы кулоновского взрыва металла во внешнем электрическом поле. Показано, что в случае низкочастотного поля, когда частота поля меньше частоты столкновений электронов металла, достичь условий кулоновского взрыва металла практически невозможно. Если же частота поля больше частоты столкновений, то кулоновский взрыв металла возможен в условиях, когда энергия осцилляций электронов металла намного превосходит энергию Ферми и работу выхода. Такие условия реализуются в мощном импульсе коротковолнового (ультрафиолетового) лазерного излучения при плотностях мощности > 1017 Вт/см2, или при напряженностях электрического поля лазерного излучения, более чем на порядок превосходящих атомное поле.

В начале июня сего года на Интернет-Сайте появилась статья [1] профессора МГТУ им. Н. Э. Баумана М. Марахтанова и аспиранта Калифорнийского Университета (г. Беркли, США) А. Марахтанова под названием "Металл взрывается". Чтобы не исказить смысл статьи, цитируем дословно. В аннотации к статье говорится: В 1988 году журнал опубликовал статью доктора технических наук, академика Российской академии ракетно-артиллерийских наук В. В. Яворского "Энергия из ниоткуда (см. "Наука и жизнь" N 10). В ней сообщалось, что при работе над средствами пора жения брони было обнаружено крайне любопытное явление. При внедрении в стальную плиту бронебойного снаряда из твердого металла массой 4 килограмма, не снаряженного взрывчатым веществом, вокруг пробоины возникала зона цветов побежалости.

свидетельствующая о сильном нагреве. Оценка показала, что количество выделившегося тепла было в несколько раз больше кинетической энергии снаряда. КПД процесса превышал 400%! Исследования на моделях - легких ударниках и прямые измерения количества выделившегося тепла в калориметре подтвердили наличие странного явления. Превышение тепловой энергии над кинетической для модели массой 61.5 грамма составило 20%, массой 88.5 грамма - 48%: явно прослеживалась роль масштабного фактора.

Сотрудники ФИАН им. П. Н. Лебедева, к которым обратились за консультацией, объяснить происходящее не смогли, но указали, что обнаруженный дисбаланс энергий говорит о большой сложности протекающих при ударе процессов. Объяснить физическую суть явления и обнаружить новое, неизвестное ранее свойство металла сумели авторы настоящей статьи". Далее в статье приводится ряд примеров, в которых аналогичное явление выделения тепла сверхмеханической энергии наблюдалось при падении на Землю метеоритов и при протекании достаточно большого тока в металлических пленках: "Авторы проделали подобные опыты, пропуская ток по металлическим пленкам толщиной несколько сотен атомарных слоев. В столь тонком слое металл хорошо охлаждался воздухом и нагревался не выше 1800°С. Плотность тока ] в пленках увеличивали в 1000 раз по сравнению с обычным проводом. При значениях ] — (1.43 - 8.04)-109 А/м^ (соответственно вольфрам и алюминий) энергетическое равновесие в кристаллах нарушалось настолько, что они взрывались, минуя жидкое состояние, за несколько микросекунд. Известно, что плотность тока пропорциональна скорости потока электронов, а кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Поэтому, когда плотность тока увеличивалась в тысячу раз, кинетическая энергия направленного (локализованного) потока электронов возрастала в миллион раз. Этого оказалось достаточно, чтобы "отвлечь" свободные электроны от роли "клея" и взорвать кристаллическую решетку. Сйособ взрыва твердого металла с помощью электрической силы, а также источник энергии, основанный на этом принципе, авторы запатентовали в 2000 году.

Электрический взрыв твердого металла оказался весьма эффективным. Энергия связи каждого атома, например, железа, превращенная в энергию взрыва, составляет около 8 • 106 Дж/кг (известное взрывчатое вещество тротил вдвое слабее). Вместе с тем эффективность взрывчатых веществ оценивается не только энергией, но и мощностью, то есть отношением энергии взрыва к его продолжительности. Благодаря кратковременности мощность взрыва металла в сотни раз больше, чем у того же тротила.

Проведенные опыты позволили наконец определить ту величину избытка кинетиче-

ской энергии свободных электронов, которая нарушает равновесие частиц в металли ческом кристалле. Мы установили, что труднее всего взорвать легкий алюминий. Для этого требуется электрическая энергия /3 = 1/66 его энергии связи. Легче всего взры вается тяжелый вольфрам - необходимая энергия составляет только 1/2133 энергии связи, и КПД взрыва близок к 100%, поскольку он равен (1 — ¡3) ■ 100".

Прочитав эту статью в Интернете, мы решили количественно рассмотреть различные механизмы кулоновского взрыва металла. Прежде всего отметим, что ни бронебой ный снаряд, ни метеорит при ударе о мишень кулоновский взрыв металла вызвать не могут - свободные электроны металла оторваться от ионов кристаллической решетки на длину дебаевского радиуса (которая в металлах ^ 10 8 еле) не могут, не говоря уж о том, что преодолеть энергетический барьер (работу выхода) и выйти за пределы поверхности металла они не способны. Действительно, скорость бронебойного снаряда, также как и скорость метеорита, не превышает 106 см/с — 104 м/с (или 30 скоростей звука в воздухе), в то время как скорость Ферми порядка « 108 см/с (энергия Ферми > 1 эВ), а чтобы преодолеть работу выхода и покинуть металл, электроны должны получить скорость свыше скорости Ферми. Таких скоростей электроны при мгновен ном торможении бронебойного снаряда либо метеорита следовательно не приобрет г и наблюдаемое В. В. Яровским явление (также как и подобное явление при падении метеоритов) скорее всего связано с разогревом металла и его окислением (т.е. обычным горением металла). Это явление хорошо известно и для сведения авторов мы сошлемся на недавно опубликованные работы [2, 3] (где можно найти и предшествующую лите-

Что касается реализации кулоновского взрыва при протекании импульса тока чере ■■ металлическую пленку, то приведем количественное рассмотрение такой возможносл и Предположим, что длительность импульса превышает время свободного пролета электронов в металле, т.е.

где ие - частота упругих столкновений электрона в металле (или v~l - время жизни или время релаксации импульса электрона в металле). Для сильноточных источников условие (1) всегда выполняется. Отметим, что длина свободного пробега электрона в металлах, согласно оценке (1), порядка L и VFe/vc ~ Ю-6 см. Толшину пленки обозначим через 2d, а плотность тока - j. Скорость токового дрейфа U = j /епе, где пе = 1022 см~л плотность свободных электронов в металле. Кулоновский взрыв металла, как правильно

отмечают авторы работы [1], возможен когда электроны отрываются от ионов кристал лической решетки, причем такой отрыв должен превосходить дебаевский радиус. Как отмечалось выше, это возможно, если скорость дрейфа превышает V > Уре = 108 см/с При этом плотность тока окажется больше, чем ¿рт = 1011 А/см2 — 101о А/м2. В приведенном же в работе [1] эксперименте плотность тока на 5 порядков ниже. Поэтому нам представляется, что наблюдаемое авторами дополнительное выделение тепла не может объясняться кулоновским взрывом металла, а объясняется уже упомянутым выше окислением металла при омическом его нагреве [2, 3]. Следует напомнить, что еще в середине прошлого века при электрическом взрыве проводника (циркония) в воде экспе риментально была показана возможность получения энергии большей, чем вложенной [4]. Там же дано объяснение этого явления: высокая температура плазмы металла инициирует химическую реакцию окисления в продуктах разложения воды.

При меньших же плотностях тока контакты пленки с электродами вполне могут обеспечить "поставку" электронов в металлическую пленку и никакого отрыва электронов от ионной решетки не будет.

Однако возможен другой механизм кулоновского взрыва металла при протекании тока через него. А именно, отжатие электронов от ионов магнитным полем тока (или так называемый пинч-эффект). В случае металлической пленки толщины 2с1 такой эффект будет иметь место при условии

Здесь ере = (З7г2)2/3/г2гг^3/2т = тУре/2 — энергия Ферми: при пЕ = 1022 см~3 имеем бре ~ 1 эВ, В0 - магнитное поле тока. Из (2) следует, что отжатие электронов магнитным полем тока в пленке с толщиной 2 3 ■ Ю11 А/см2. Отметим здесь же, что выполнение условия (2) необходимо, но недостаточно для наблюдения кулоновского взрыва металла пленки. Для этого должны выполняться еще два следующих важных условия:

а) Длительность импульса тока должна быть больше времени проникновения тока в пленку, т.е.

где а = и>-[е/Атп/е ¡=з 2 • 1016ССБЕ - проводимость металла пленки. Согласно (3) г > Ю-16 с.

б) Вместе с тем, время импульса тока должно быть меньше времени омического нагрева кристалла до температуры плавления, Тпл ~ 103 К, или

где 8 ~ 2гп/М ~ 10~4 - доля передаваемой энергии при столкновениях электронов с ионами решетки.

Из неравенств (2) - (4) следует условие на параметры системы, когда возможно магнитное отжатие электронов и кулоновский взрыв нерасплавленного кристалла,

Значительно более подходящим представляется реализовать кулоновский взрыв металла при его облучении мощным фемтосекундным импульсом ультрафиолетового лазерного излучения. Здесь также необходимо выполнение двух условий [5]:

а) необходимо, чтобы металл был прозрачен для лазерного излучения с частотой шо,

где ши = (47Ге2пе/т) ~ 6-Ю15 с-1, что хорошо выполняется в ультрафиолетовой области длин волн А < 3 • 10~5 см и 3000 А;

б) нужно, чтобы амплитуда осцилляций электрона в поле лазерного излучения превышала толщину металлической пленки

Здесь Е0 - амплитуда электрического поля лазерного излучения, Уе - амплитуда скорости осцилляций электрона. При и>0 ~ Ю16 с-1 (т.е. А и 2000 А) и й и Ю-6 см отсюда следует, что Ео > Ю11 В]см, или плотность мощности Р — сЕ2/4тг > 5 • 1019 Вт/см1 Такая плотность мощности ультрафиолетового лазерного излучения сегодня уже превзойдена.

В указанных условиях поле лазерного излучения проникает в металл без ослабления, приводит электроны пучка в осцилляторное движение с амплитудой ге > 2d и поэтому электроны, обладая энергией, намного большей работы выхода, легко покидают металлическую фольгу за время ~ 2ж¡uq. При этом кристаллическая решетка оголяется от электронов, причем из-за правого неравенства (6) разогрев металла несущественен. Отметим также, что при Eq и 1011 В/см энергия осцилляции электронов в поле лазерной волны намного превышает энергию Ферми, но все еще остается нерелятивистской, она порядка 30 кэВ.

[1] Марахтанов М., М а р а х т а н о в А. "Металл взрывается", htth://Nauka. ru/06/02.04/06204016.htm, 2003.

[2]Картходжия В. П., Мдивиншвили М. О., Тантекошвили Н. И. ЖТФ, 69, N 4, 41 (1999).

[3]Картходжия В. П., Мдивиншвили М. О., Тантекошвили Н. И. Письма ЖТФ, 25, вып. 13, 10 (1999). х

[4] Электрический взрыв проводников, пер. с англ. под ред. Рухадзе А. А. и Шпигеля И. С., М., Мир, 1 - 2, 1965.

[5] Rusek M.,Logatec I., and В 1 е п s к у Т. Phys. Rev., А, 63, 013203 (2000).

О возможности реализации кулоновского взрыва металла Текст научной статьи по специальности «Физика»

Почему щелочные металлы взрываются в воде. Видео

Исследователи из Республики Чехия заявляют, что следует пересмотреть механизм, лежащий в основе бурного взаимодействия натрия с водой, зачастую протекающего со взрывом. Они предполагают, что активное протекание реакции и «прыжки» щелочного металла могут объясняться не воспламенением выделяющегося водорода, как предполагалось ранее, а значительной неустойчивостью заряда в структуре металла.

Рисунок из Nature Chemistry

Взаимодействие щелочных металлов с водой является излюбленным демонстрационным экспериментом многих преподавателей, демонстрирующих волшебную силу химии школьникам или студентам. Чаще всего результат такого опыта объясняется горением выделяющегося в процессе реакции водорода, однако Павел Юнгвирт (Pavel Jungwirth) с коллегами считает такое объяснение неудовлетворительным.

Исследователь заявляет, что одним из важных условий протекания реакции со взрывом является эффективность смешения реагентов. Так, например, характер взрыва дымного пороха сильно зависит от степени измельчения всех образующих его компонентов и того, насколько тщательно смешаны растертые в порошок селитра, сера и уголь. Юнгвирт подчеркивает, что при взаимодействии натрия с водой происходит одновременное выделение водорода и паров воды, которые могут выступать в роли защитного буфера, разделяющего реагенты; таким образом, должно было бы наблюдаться самопроизвольное гашение реакции, и растворение натрия в воде должно было бы протекать мирно, без известных свето-шумовых эффектов.

Дополнительной аргументацией в пользу своих доводов Юнгвирт называет то обстоятельство, что даже при проведении демонстрационных лекционных экспериментов в системе натрий/вода в ряде случаев взрыва не происходит, что, очевидно, указывает на важность того, как реагенты должны контактировать друг с другом для того, чтобы взрыв произошел.

Для детального изучения феномена Юнгвирт с коллегами помещал небольшую каплю калий-натриевого сплава в воду и наблюдал за взрывом с помощью высокоскоростной камеры, способной регистрировать 10000 кадров в секунду – такой подход позволял исследователям наблюдать за взаимодействием щелочных металлов с водой с четырехсоткратным замедлением по сравнению с реальным протеканием этого процесса.

Было обнаружено, что через 300 микросекунд контакта сплава с водой из капли «прорастали» дендриты металла, перфорировавшие слой паров вокруг металла. Эти иголки, которыми как дикобраз обрастал кусок металла, обеспечивали увеличение площади поверхности металла и позволяли ему быстрее реагировать с окружающей водой. Юнгвирт заявляет, что причиной столь быстрого расширения металла является зарядовое распределение.

Чешский ученый говорит, что, конечно же, учителя и преподаватели говорят своим слушателям о том, что в ходе реакции натрия с водой электроны покидают металл и переходят в воду. Тем не менее, из слов Юнгвирта становится ясно: вряд ли в учебной аудитории можно услышать о том, что после потери металлом электронов кристалл металла приобретает существенный положительный заряд.

С помощью методов молекулярной динамики исследователи продемонстрировали, что в результате накопления существенного положительного заряда металлическая кристаллическая решетка сплава в значительной степени теряет устойчивость. В результате такой дестабилизации происходит «кулоновский взрыв» (coulomb explosion), ответственный за увеличение площади поверхности образца металла, взаимодействующего с водой. Исследователи из Чехии заявляют, что именно это расширение и приводит к бурной реакции металла с водой.

Нейл Бурн (Neil Bourne), директор Национального центра исследования веществ в экстремальных условиях, отмечает, что результаты новой работы весьма интересны, поскольку в ней пытаются пересмотреть устоявшиеся концепции. Тем не менее, Бурн советует чешским коллегам для более надежного доказательства своих взглядов использовать дополнительные методы. Также он задается вопросом – какое влияние могут оказать результаты работы на оптимизацию условий существующих промышленных химических процессов.

Юнгвирт парирует, подчёркивая, что задачей исследователей не всегда является повышение эффективности промышленных технологий. Он добавляет, что был бы счастлив, если бы школьные учителя и вузовские преподаватели узнали о результатах работы и в следующий раз дополнили бы демонстрационный эксперимент правильным, на его взгляд, объяснением.

Паровой взрыв при попадании раскаленного металла в воду Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ПАРОВОЙ ВЗРЫВ / STEAM EXPLOSION / КОНТАКТ РАСКАЛЕННОГО МЕТАЛЛА С ВОДОЙ / CONTACT OF THE HEATED METAL WITH WATER / ТЕПЛООБМЕН / HEAT EXCHANGE / ФРАГМЕНТАЦИЯ / FRAGMENTATION / ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ / BUBBLE BOILING / ПАРОВАЯ ПЛЕНКА / STEAM FILM

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Лупачев Дмитрий Андреевич, Ивочкин Юрий Петрович

В статье подробно рассмотрены межфазные взаимодействия раскаленного металла и холодной жидкости. Раскрывается многофакторный характер парового взрыва , детально описываются ключевые этапы его развития и процессы, непосредственно влияющие на образование данного явления. Рассматриваются механизмы фрагментации капли жидкого расплавленного металла при паровом взрыве и приводятся примеры его проявления в природе и на производстве. В работе озвучена важность продолжения исследования данной тематики и перспективы ее применения.

Текст научной работы на тему «Паровой взрыв при попадании раскаленного металла в воду»

STEAM EXPLOSION WHEN A HOT METAL HITS THE WATER

1 2 Lupachev D.A. , Ivochkin Yu.P. (Russian Federation)

1Lupachev Dmitry Andreevich - Graduate Student;

2Ivochkin Yuri Petrovich - Candidate of Technical Sciences, LOW TEMPERATURE DEPARTMENT, NATIONAL RESEARCH UNIVERSITY «MOSCOWPOWER ENGINEERING INSTITUTE»,

Abstract: the article discusses in detail the interphase interactions of hot metal and cold liquid. The multi-factor character of the steam explosion is revealed, the key stages of its development and processes directly influencing the formation of this phenomenon are described in detail. Mechanisms of fragmentation of a droplet of liquid molten metal during a steam explosion are considered and examples of its manifestation in nature and in industry are given. The importance of continuing research on this topic and the prospects for its application has been voiced in the work.

Keywords: steam explosion, contact of the heated metal with water, heat exchange, fragmentation, bubble boiling, steam film.

ПАРОВОЙ ВЗРЫВ ПРИ ПОПАДАНИИ РАСКАЛЕННОГО

МЕТАЛЛА В ВОДУ 12 Лупачев Д.А. , Ивочкин Ю.П. (Российская Федерация)

1Лупачев Дмитрий Андреевич - магистрант;

2Ивочкин Юрий Петрович - кандидат технических наук, кафедра низких температур, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,

Аннотация: в статье подробно рассмотрены межфазные взаимодействия раскаленного металла и холодной жидкости. Раскрывается многофакторный характер парового взрыва, детально описываются ключевые этапы его развития и процессы, непосредственно влияющие на образование данного явления. Рассматриваются механизмы фрагментации капли жидкого расплавленного металла при паровом взрыве и приводятся примеры его проявления в природе и на производстве. В работе озвучена важность продолжения исследования данной тематики и перспективы ее применения.

Ключевые слова: паровой взрыв, контакт раскаленного металла с водой, теплообмен, фрагментация, пузырьковое кипение, паровая пленка.

Паровой взрыв является физическим процессом, в ходе которого горячая, чаще всего жидкая, среда (расплавленный металл, шлак, магма и пр.) соприкасается с холодной легкокипящей жидкостью (в большинстве случаев - это вода), что сопровождается чрезвычайно интенсивным межфазным взаимодействием [6].

Взрыв, возникающий при контакте расплавленного металла с водой, объясняется физико-химическими свойствами воды, изучение которых позволяет раскрыть сущность механизма и кинетику такого рода взрыва [1]. Соприкосновение воды с расплавленным металлом приводит к мгновенному ее испарению, сопровождающемуся резким увеличением объема и давления.

При атмосферном давлении вода закипает при 100°С и весь процесс парообразования идет при температуре кипения. При нагревании воды выше 100°С в

замкнутом пространстве интенсивность испарения несколько снижается, что объясняется свойством воды при высоких температурах изменять режим кипения. Так, в интервале 100—300°С режим кипения имеет пузырьковый характер, т. е. на поверхности идут образование мелких пузырьков пара, их отрыв, поднятие на поверхность и переход в газовую фазу. При более высокой температуре режим кипения усиливается и переходит в пленочный. При этом паровые пузыри сливаются в сплошную паровую прослойку между поверхностью нагрева и водой, что препятствует передаче тепла другим слоям воды.

Температура кипения воды зависит от давления над ее поверхностью: с ростом давления температура кипения повышается. Так, при давлении 490 кПа вода начинает закипать при температуре 151,1°С. Если внезапно давление над поверхностью воды снизится до атмосферного, вода окажется перегретой на 51°С и мгновенно превратится в пар, объем которого примерно в 1600 раз больше объема воды. Такое превращение носит взрывообразный характер.

Энергия взрыва при контакте расплавленного металла во много раз превышает энергию рабочего пара при расширении даже при коэффициенте полезного действия, равном 100%. Это объясняется физико-химическими свойствами воды. Соотношение масс водорода и кислорода в воде составляет 11,19 и 88,81%, т. е. содержание кислорода в воде больше, чем в любом другом соединении. При нормальных условиях (атмосферном давлении и температуре 20°С) диссоциация воды не протекает. При повышении температуры до 1500°С скорость разложения воды возрастает, однако до 2000°С интенсивность разложения незначительна, так как вода является химически стойким соединением. Лишь при достижении 4000°С вода разлагается на газообразные водород и кислород, что сопровождается взрывом. В этом случае содержание водорода значительно больше, чем при диссоциации воды, в связи с тем, что взаимодействие водяного пара с железом, нагретым до высоких температур, приводит к выделению свободного водорода: Fe+H2O=FeO+H2.

Эта реакция протекает достаточно энергично уже при температуре нагрева железа 350°С, а при более высокой температуре — практически мгновенно. В производственных условиях, при контакте расплавленных металла с водой, одновременно протекают процессы испарения, диссоциации воды и ее взаимодействия с железом, сопровождающиеся выделением водорода, который при определенных условиях образует с кислородом взрывчатую смесь. Воспламенение этой смеси приводит к взрыву, энергия которого изменяется в широких пределах и зависит от многих факторов. При этом взрыв происходит только при взаимодействии жидких фаз — расплавленных металла и воды. Контакт воды с металлом в твердом состоянии при температуре, близкой к температуре солидуса, взрыва не вызывает.

При взаимодействии расплавленного металла с водой контакт может быть поверхностным и внутренним [8]. При поверхностном контакте возможны два варианта: взаимодействие незначительных масс расплава и воды, либо больших масс. В первом случае при контакте наблюдается интенсивное кипение и свободное удаление пара, а также, образовавшихся в результате диссоциации воды и реакции окисления железа, водорода и кислорода в окружающую среду. Такой контакт металла с водой взрыва не вызывает. Во втором случае, когда взаимодействуют большие массы металла и воды, у поверхности контакта образуется парогазовая прослойка, содержащая пары воды, водород и кислород, выделяющиеся вследствие диссоциации воды и окисления железа. Контактирующая с водой часть расплава в твердой фазе в результате действия охлаждения при испарении воды и возникновении напряжений может растрескиваться, что приводит к контакту расплавленного металла с водой. Это явление усугубляется при наличии на поверхности металла расплавленного шлака, контакт которых с взрывоопасной газовой смесью повышает вероятность взрыва. Критическими параметрами в этом случае являются масса металла, масса воды и время соприкосновения металла с водой.

Потери тепла металлом складываются из тепла, выделяющегося при охлаждении металла от начальной температуры до температуры плавления, и тепла, выделяющегося при затвердевании металла. Так как масса жидкого металла незначительна, процесс образования твердой фазы в пограничном слое необратим. В данном случае массы металла и воды находятся в соотношении, обеспечивающем взаимодействие между ними без возникновения взрыва.

Внутренний контакт расплава с водой возможен в двух случаях: при поступлении жидкого металла в воду и при поступлении материалов, содержащих воду, в расплав [1]. Отметим, что капельное тонко-струйное поступление жидкого металла в воду взрыва не вызывает. Увеличение массы жидкого металла, поступающего в воду, приводит к взрыву. При контакте с водой жидкого шлака взрывоопасность значительно ниже. Вероятность взрыва при поступлении жидкого шлака в воду резко возрастает при наличии в шлаке жидкого металла. Контакт жидкого металла и шлака с водой, вызванный попаданием в расплав пористых материалов, пропитанных влагой, как правило, приводит ко взрыву.

Паровой взрыв достаточно широкое явление и хотя иногда высказываются сомнения относительно возможности отнесения того или иного события к паровому взрыву, различные стадии парового взрыва исследуются не только на твердых частицах, но и напрямую, на каплях расплавленного металла, попавших в холодную жидкость. Это накладывает свои трудности на проведение экспериментов, однако их проведение позволяет изучить такие процессы как соприкосновение жидко -металлической поверхности капли с окружающим хладагентом, образование неустойчивости на поверхности жидкостей и в том числе такой хорошо экспериментально известный процесс как фрагментация поверхности расплава.

Фрагментация возможна в случае расплавленного металла, находящегося в жидкости [3]. При попадании расплавленной капли металла в объем легкокипящей холодной жидкости, сначала над горячим металлом образуется пленка пара и наблюдается пленочный режим кипения. Однако, после срыва этой пленки, у поверхности капли довольно быстро начинают формироваться пузырьки пара, и наступает пузырьковый режим кипения. Иногда бывает, что пленочное кипение сменяется пузырьковым взрывообразным образом. Если подобный эффект имеет место при кипении теплоносителя над поверхностью расплава, то последний, в результате, может раздробиться на отдельные капли. Вследствие чего, возникает процесс неустойчивости Рэлея-Тейлора на поверхности металла [2], развитие которой приводит к дроблению расплавленного металла и интенсивному перемешиванию воды и горячих капель. Данное явление возникает как в промышленности, при авариях на металлургическом производстве и в энергетике, так и в природе, например при извержении подводных вулканов. В любом случае расплавленные металл, шлак или магма струей вытекают в холодную легкокипящую жидкость (чаще всего - это вода), далее струя расплава дробится на капли [5], которые в свою очередь, взрывообразным образом распадаются на мелкие фрагменты. В результате этого процесса теплообмен между расплавом и легкокипящей жидкостью усиливается сразу на несколько порядков, а давление в системе резко возрастает. Данное явление весьма напоминает взрыв, почему и называется паровым взрывом [7]. Возможной причиной дробления металла могут быть струйки, бьющие в поверхность при схлопывании паровых пузырьков, образующихся вблизи поверхности расплавленной капли. Площадь поверхности взаимодействия расплава и теплоносителя в таком случае резко возрастает и возникает собственно паровой взрыв [4]. Если же поверхность, над которой кипит теплоноситель, является твердой, то в аналогичный момент фиксируется хлопок и наблюдаются парожидкостные струи, бьющие от поверхности. Тот же эффект наблюдается когда раскаленный образец с некоторой регулируемой скоростью опускается в холодную жидкость. Даже при относительно невысоких

скоростях, при которых тело погружается в жидкость, может быть зафиксирован прямой электрический контакт между жидкостью и телом.

Не менее существенным, чем фрагментация процессом является испарение окружающей холодной жидкости при попадании в нее нагретой до высокой температуры твердой частицы. На поверхности твердой частицы возникает паровая пленка, соприкасающаяся с охлаждающей жидкостью. При наличии ансамбля горячих частиц, попадающих в холодную, недогретую до температуры кипения жидкость, появляется возможность возникновения парового взрыва - мгновенного вскипания большой массы жидкости, сопровождающегося резким ростом давления в системе, содержащей горячие частицы в холодной жидкости. Не исключена возможность возникновения парового взрыва в химической промышленности, при варке целлюлозы, в металлургии и в ряде других технологических процессов.

Поэтому, при изучении данного явления очень важно учитывать ряд аспектов, которые являются важными составляющими парового взрыва: скорость нагрева жидкости и остывания отдельно взятой капли, тепловые потоки на поверхности раздела жидкостей, время начала кипения и параметры паровой пленки, возникающей вокруг капель расплава.

Тщательное изучение данного процесса способствуют более глубокому пониманию исследуемых явлений и позволяют прогнозировать и проводить оценки параметров возможного парового взрыва, что позволит более эффективно предотвращать и устранять аварии на важных для экономики и экологии производствах.

Список литературы /References

1. Бринза В.Н., Зеньковский М.М. «Охрана труда в черной металлургии»: учебное пособие. М. «Металлургия», 1982. 336 с.

2. Inoue A., Fujii Y., Matsuzaki M., Takahashi M. Thermal-Hydraulic Behaviors of Vapor-Liquid Interface due to Arrival of a Pressure Wave // Proc. 7th Int. Topical Meet. NURETH-7 NUREG/CP-0142. Saratoga Springs, U.S.A., 1995.1. P. 1663-1976.

3. Глазков В.В., Синкевич О.А. Механизмы фрагментации поверхности расплава при прямом контакте с теплоносителем // Теплоэнергетика, 1998. Т. 3. С. 27-30.

4. Corradini М. Vapor Explosions: a Review of Experiments for Accident Analysis // Nucl. Safety, 1991. V. 32. P. 337-362.

5. Евдокимов И.А., Лиханский В.В., Хоружий О.В. Влияние пленочного кипения на фрагментацию струи расплава в теплоносителе // Исследовано в России, 2000. Т. 3. С. 33.

6. ЗейгарникЮ.А., Ивочкин Ю.П., Григорьев B.C., Оксман А.А. Заметки о некоторых аспектах парового взрыва // ТВТ, 2008. Т. 46. № 5. С. 797-800.

7. ЗейгарникЮ.А., Ивочкин Ю.П., Король Е.З. Термомеханический механизм тонкой фрагментации жидких капель при паровом взрыве // ТВТ. Т. 43. № 3, 2004. С. 491, 492.

8. Вавилов С.Н., Жатухин А.В., Киреева А.Н. Исследование контакта холодного теплоносителя с перегретой поверхностью // Тепловые процессы в технике, 2011. № 3. С. 118.

Список литературы на английском языке /References in English

1. Brinza V.N., Zenkovsky M.M. "Protection of labor in ferrous metallurgy": textbook. M. "Metallurgy", 1982. 336 p.

2. Inoue A., Fujii Y., Matsuzaki M., Takahashi M. Thermal-Hydraulic Behavior of Vapor-Liquid Interface due to Arrival of a Pressure Wave // Proc. 7th Int. Topical Meet. NURETH-7 NUREG / CP-0142. Saratoga Springs, U.S.A., 1995.1. P. 1663-1976.

3. Glazkov V.V., Sinkevich O.A. Mechanisms of fragmentation of the melt surface in direct contact with the heat carrier // Teploenergetika, 1998. T. 3. P. 27-30.

4. Corradini M. Vapor Explosions: a Review of Experiments for Accident Analysis // Nucl. Safety, 1991. V. 32. P. 337-362.

5. Evdokimov I.A., Likhansky V.V., Horuzhy O.V. Influence of film boiling on the fragmentation of a melt stream in a heat carrier // Investigated in Russia, 2000. T. 3. P. 33.

6. Zeigarnik Yu.A., Ivochkin Yu.P., Grigoriev B.C., Oxman A.A. За-labels about some aspects of the steam explosion // TVT, 2008. T. 46 № 5. P. 797-800.

7. Zeigarnik Yu.A., Ivochkin Yu.P., King Ye.Z. Thermomechanical Mechanism of Fine Fragmentation of Liquid Drops in a Steam Explosion // TVT. ^ 43. № 3, 2004. C 491, 492.

8. Vavilov S.N., Zhatukhin A. V, Kireeva A.N. Investigation of the cold coolant contact with superheated surface // Thermal processes in engineering, 2011. № 3. Q 118.

Читайте также: