鋁熱反應(yīng)原理

1、第三章鋁熱反應(yīng)原理鋁熱焊是基于鋁熱反應(yīng)放出的化學(xué)熱進(jìn)行的焊接過程。 同時(shí)，在高溫條件下，鋁熱焊還會伴隨多種反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng) 的熱力學(xué)決定了反應(yīng)是否具備進(jìn)行的基本條件，即反應(yīng)是自 動進(jìn)行，還是需要某種條件。冶金熱力學(xué)的研究對象自然是 冶金過程賴以存在的冶金化學(xué)變化，物理變化和札I變化。所謂冶金化學(xué)反應(yīng)平衡指的是兩項(xiàng)相對獨(dú)立而 又相互聯(lián)系的內(nèi)容：在一定條件下反應(yīng)能否按預(yù)定 方向自動進(jìn)行；若能自動進(jìn)行，則能進(jìn)行到什么程 度或限度.概括起來就是方向和限度問題在冶金中能量平衡一般表現(xiàn)為熱平衡，其基本 根據(jù)是冶金化學(xué)變化，物理變化和相變化中的能量 效應(yīng)，例如放熱和吸熱在此基礎(chǔ)上建立了冶金反應(yīng) 和單元冶金過程

2、的理淪熱平衡.從而可計(jì)算放熱反 應(yīng)（包括燃燒）的最高溫度，吸熱反應(yīng)所必需的供熱 量以及為單元冶金過稈的熱制度提供依據(jù).動力學(xué)的基本任務(wù)是研究各種因素（諸如溫度、壓力、 濃度、介質(zhì)、催化劑）對反應(yīng)速率的影響，以揭示化學(xué)反應(yīng) 與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，達(dá)到控制化學(xué)反應(yīng)的冃的。第一節(jié)鋁熱反應(yīng)的熱力學(xué)原理一熱力學(xué)第一定律對宏觀體系而言，熱另學(xué)笫一定律就是能量守恒原理。 熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)所 具有的特殊形式。通常表述為“能量有各種不同的形式，能 夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化與傳遞中能量的總數(shù)量總是保持不變?！倍崃W(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式與焙

3、1內(nèi)能內(nèi)能是蘊(yùn)藏于體系內(nèi)部的能量，是指體系內(nèi)分子運(yùn)動的動能，分子間相互作用的位能，以及原子、電子的運(yùn)動能和 核能的總和。它不包括整個(gè)體系的動能以及體系在外力場中 的位能。用符號表示為U。內(nèi)能是狀態(tài)的函數(shù)。體系從狀態(tài)A變到狀態(tài)B,可能有多種路徑，但從不同的路徑進(jìn)行變化，最終的內(nèi)能增量/U 是一致的。2.數(shù)學(xué)表達(dá)式用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，熱力學(xué)第一定律可以表示為:ZIU=q-W其物理意義是：體系所吸收的熱量q減去對環(huán)境所作功 W,等于內(nèi)能的增量NU。3焙當(dāng)必學(xué)反應(yīng)、相變過程和變溫過程是在等壓下進(jìn)行的 (通常是一大氣壓)，如果體系除體積功外不作其它功，則 有：ZU二qpP 外(V2-Vi)由于等壓過程中P外

4、=P2-Pi 所以有U2U訐 qP- (P2V2-P1V1) 整理后變?yōu)椋?2-1)(U2+P2V2)- (Ui+PM) = qP由于U和PV都是由狀態(tài)決定的，顯然它的變化值 (U2+P2V2)- (IL+PM)也由體系的始、終態(tài)決定而與途徑無關(guān)。這就是說，U+PV體系的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。把這個(gè) 復(fù)合量用H表示，這就是焙。引入焙的概念，2-1式變?yōu)?H二 qp此式說明體系在不做非體積功的情況下，等壓過程中所吸收的熱等于體系焙的增量。三鋁熱反應(yīng)的化學(xué)熱效應(yīng)鋁熱反應(yīng)進(jìn)行時(shí)有劇烈的放熱現(xiàn)象。由于應(yīng)用于鋁熱焊 的鋁熱反應(yīng)是在常壓下進(jìn)行，所以可用/H來表示等壓熱效 應(yīng)。注明了反應(yīng)熱的化學(xué)方程式為熱化學(xué)方程式

5、。鋁熱焊的主要化學(xué)反應(yīng)式：3FeO+2Al=3Fe+A14+833.9kJ(2-2)Fe203 十 2A1 = 2Fe 十 Al203 十 828.9kJ (2-3)3Fe3 04 十 8A1 = 9Fe 十 4 A12O3 十 3232.4kJ (2-4)式中：FeO氧化亞鐵；FeG三氧化二鐵；Fe3 0t四氧化三鐵；Fe金屬鐵；KJ千焦耳。鋼軌鋁熱焊就是利用上述反應(yīng)獲得液壓金屬鐵，同時(shí)利 用上述反應(yīng)的反應(yīng)熱熔化鋼軌母材而進(jìn)行的焊接過程。四熱力學(xué)第二定律炳所有自發(fā)進(jìn)行的過禾呈扁是符合熱力學(xué)第一定律的，但并 不是所有符合熱力學(xué)第一定律的過程都可以自動實(shí)現(xiàn)。熱力學(xué)第二定律揭示的是過程發(fā)生的可能性

6、及限度。即 回答在一定條件下，那些過程能自發(fā)進(jìn)行(即不需要外界做 功)以及自發(fā)進(jìn)行的限度。自然界中一切自發(fā)過程都是有方向的。例如熱可以由高溫物體傳給低溫物體。水從高處流向低處。這種方向性的根 本原因就是物體與環(huán)境所組成的體系內(nèi)部存在著某些物理 量的差別，這種差別就是過程自發(fā)進(jìn)行的推動力。進(jìn)行到差 值消失時(shí)，體系就達(dá)到了平衡。（一）爛的引出當(dāng)體系的壓力大于環(huán)境時(shí)，體系膨脹作功，當(dāng)體系的溫 度高于環(huán)境時(shí)，體系傳熱給環(huán)境。對可逆膨脹功5 W OJ=PdV 一個(gè)是體系的強(qiáng)度性質(zhì)P, 個(gè)是體系的容量性質(zhì)的變化 dVo與可逆膨脹功比較，對于可逆?zhèn)鳠徇^程，與壓力P對應(yīng) 的強(qiáng)度性質(zhì)為溫度T,假定有一個(gè)容量性質(zhì)

7、S,那么容量性 質(zhì)的變化為dS,那么對應(yīng)于&W可二PdV就有：（2-5）軌二 TdSnV ds為可精選資料，歡迎下載圖2-1（終態(tài)）B內(nèi)能變化也應(yīng)相同這個(gè)容量性質(zhì)就是嫡。（二）由爛變判斷過程 進(jìn)行的方向熱力學(xué)第二定 律上面所討論的是嫡在可 逆過程中的變化。在不可逆 過程中，爛的變化與T、q 的關(guān)系也可以導(dǎo)出：假設(shè)理想氣體的始態(tài)為 A,終態(tài)為B。dU可=8 q可一6 W可dU不二8 q不一 6 W不由丁內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，體系的始、終態(tài)和同,即：dg= d不8 q Mj- 8 W »r= 8 q 不一 6 W 不由于可逆過程所作功比相應(yīng)的可逆過程小, 即§ W可 5 W不

8、召q可 § q不或者寫成:（不可逆過程）（可逆過程）（2-6） 這就是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 對于絕熱過程Sq=Qy則（2-6）式為：dS$O（不可逆過程） （可逆過程）對于絕熱爛永不減少，這個(gè)結(jié)論稱為嫡增原理。在孤立體系中進(jìn)行的任何不可逆過程都是自發(fā)過程，都 是由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)向著炳增大的方向進(jìn)行。當(dāng)炳增至 最大時(shí)，體系達(dá)到了平衡，炳值不變。五自由能及自由焙炳的概念實(shí)際上在應(yīng)用上帶來很多不便，因?yàn)橹挥性诠?立體系的條件下才能應(yīng)用ZS20來決定自發(fā)過程進(jìn)行的方向和限度。對于非孤立體系還要考慮到環(huán)境的炳變，很不方 便。熱處理、鑄造、焊接、冶金等過程中的相變化及化學(xué)反 應(yīng)都是在

9、等溫等壓下進(jìn)行的，自由能及自由焙可以作為體系 新的函數(shù)，用以判斷自發(fā)變化的方向，不必再考慮環(huán)境。自發(fā)過程都有一種潛在的推動力，可以利用這種推動力 來作功。例如從高山上往下流水，是一個(gè)自發(fā)過程，水電站 就是利用水的自發(fā)流動來推動機(jī)器作功而發(fā)電的。還有一些 自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，如：Zn+CiTfZrr+Cu在電池內(nèi)進(jìn)行, 使化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能而作功。這就是說，自發(fā)過程與作功能 力密切相關(guān)，要解決自發(fā)過程的可能性、方向與限度，可以 從功的角度著手。（一）自由能根據(jù)熱力學(xué)第一定律8 W二-dU+ 5 q即功的增量，對于等溫等壓過程，功分為體積功與 非體積功，體積功即P外dV,非體積功以5表示，則上式 可

10、寫為：P 外 dV+ 8-dU+ 5q（2-8）熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為TdSP 外dV(2-10)(2-10)式即變?yōu)?dS> T 將上式代入（2-8）式，整理得6 W W dU +(2-9)即-d (U-TS)定義F=UTS,并稱F為自由能,6 W-(dF)T,v（不可逆過程）（可逆過程）上式表明：在等溫等容，對于可逆過程，體系所作的最 大非體積功等于體系自由能的減少。而對于不可逆過程，體 系作的非體積功小于自由能的減少。根據(jù)自由能的定義可 知，自由能F是體系狀態(tài)的函數(shù)，自由能的變化值只由始態(tài) 與終態(tài)決定，而與變化的途徑無關(guān)。如果體系不作非體積功，即S W = (dF)T,v=O

11、對于不作非體積功的等溫等容的不可逆過程，由于力卩=0,根據(jù)(2-10)式，§W'V -(dF)Lv,即0(dD T,V 或(旳 T,vW0即體系在等溫等容，不作非體積功時(shí)，自發(fā)變化總是向 自由能減少的方向進(jìn)行，直到自由能減少到最低值，達(dá)到平 衡為止。(二)自由焙對于等溫等壓可逆過程，p外dPPdV, (2-9)式可寫為：§ W 可丄一 dU+TdSPdV5 W =-dU+d(TS) -d(PV)=-d(U+PV-TS) =-d(H-TS) 設(shè)G二H-TS,并稱G為自由焙，將此式代入上式可得6 W 可=(dG) t,pW 可=/ Gj.p等溫等壓條件下，對于不可逆過程

12、，&WM&W4dG, 當(dāng)體系只做體積功時(shí)，8卩二0dGT.P<0ZIGt,p<0因此，在等溫等壓條件下，體系中只有使G減小的過程 才能自動進(jìn)行。用數(shù)學(xué)式表示則為/ Gt, p W0(自發(fā)過程)(平衡狀態(tài))上式就是自由焙判據(jù)表達(dá)式。類似于鋁與氧化鐵的反應(yīng)，許多單質(zhì)無素都可以從另外 元素的氧化物中置換出該元素的單質(zhì)。鋁熱反應(yīng)中伴隨著許 多類似的反應(yīng)。如鎰或其它合金添加劑與氧化鐵的反應(yīng)、合 金添加劑與坨坍材料二氧化硅的反應(yīng)。一部分反應(yīng)是自發(fā)進(jìn) 行的，如鋁、鎰與氧化鐵的反應(yīng)。而有些反應(yīng)則需要一定條 件，如鋁與氧化輅間的反應(yīng)，需要高溫。鋁與氧化鐵的反應(yīng) 結(jié)果正好提供了這樣的條

13、件。鋁熱焊過程中，從焊劑點(diǎn)燃到 鋼液凝固的整個(gè)過程中，化學(xué)反應(yīng)的種類是復(fù)雜多樣的。判 斷這些反應(yīng)能不能進(jìn)行，可以使用自由焙判據(jù)。許多手冊都 提供了化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焙，可以由此計(jì)算反應(yīng)的自由 焙，根據(jù)自由焙判據(jù)判斷反應(yīng)能否進(jìn)行。（三）化學(xué)反應(yīng)的在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下生成物與反應(yīng)物的自由焙之差稱為反應(yīng) 的標(biāo)準(zhǔn)自由焙變化，用符號表示。1大氣壓下由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1摩爾化合物時(shí)自由焙 變化稱為該化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焙。在298K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)生 成自由焙用符號/ Gf麗 穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焙為0, 生成物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焙減去反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焙即 為該化學(xué)反應(yīng)的自由焙?；衔锏臉?biāo)準(zhǔn)生成自由焙為負(fù)時(shí)，表示標(biāo)準(zhǔn)

14、狀態(tài)下該化 合物的生成反應(yīng)是自發(fā)的。即該化合物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是穩(wěn)定 的。 / 62數(shù)值越小，化合物越穩(wěn)定。值得說明的是，熱力學(xué)只解答過程的可能性，自由焙為 負(fù)值的化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的條件、速度等必須由 動力學(xué)來解決。第二節(jié)鋁熱反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)及進(jìn)展要了解鋁熱焊中的反應(yīng)，除了首先要知道該化學(xué)反應(yīng)的 反應(yīng)物和生成物的成分及分子結(jié)構(gòu)外，還有兩個(gè)方面的重要 內(nèi)容需要了解：其一是反應(yīng)的方向和限度.化學(xué)熱力學(xué)是研 究一個(gè)反應(yīng)的方向和限度的有力工具，它可定量地計(jì)算出， 在達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，反應(yīng)能夠進(jìn)行的最大程度，亦即反應(yīng)能 夠達(dá)到的最大理論轉(zhuǎn)化率此外是反應(yīng)的速率，即該反應(yīng)究 竟有多快?需要多長時(shí)間才能得到

15、一定數(shù)量的產(chǎn)物？這和熱 力學(xué)考察問題的方法不同，動力學(xué)是從動態(tài)的觀點(diǎn)考察反 應(yīng)，主要考察反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)，即這個(gè)系統(tǒng)是怎樣從一種狀 態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)以及這種轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間化學(xué)動力 學(xué)就是研究化學(xué)反應(yīng)的速率、影響反應(yīng)速率的各種因素（濃 度、溫度、催化劑及光、電、輻射等）以及反應(yīng)機(jī)理與反應(yīng) 速率的關(guān)系的科學(xué)平衡態(tài)原則上也可以用動力學(xué)觀點(diǎn)加以 處理，即把平衡態(tài)看成正向速率和反向速率相等的情況.可 是反過來卻不然，知道反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)不等于對反應(yīng)速率 問題也有了 了解，也就是說不能根據(jù)熱力學(xué)來理解反應(yīng)速率 問題。對于有實(shí)際意義的反應(yīng)過程，動力學(xué)往往是決定性的 因素。一自蔓延現(xiàn)象1895年，徳國Go

16、ldschm idt發(fā)現(xiàn)了鋁熱反應(yīng)的自蔓 延特征。鋁熱反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用是始于熱劑焊焊接鋼軌。這 就是我國現(xiàn)在正在使用的徳國施密特公司的鋁熱焊產(chǎn)品的 始創(chuàng)者。自60年代末，自蔓延高溫合成（Selfpropagating High- temperature Synthesis, 簡稱 SHS） 在 原蘇聯(lián)形成一個(gè)新學(xué)科以來，在各國已進(jìn)行了大量研究并 取得了很大發(fā)展。自蔓延高溫合成技術(shù)是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov和 Borovinskaya在研究火箭固體推進(jìn)劑燃燒問題時(shí)，實(shí)驗(yàn)過 渡族金屬和硼、碳、氮等的反應(yīng)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)并提岀來的，目 前，也被稱作燃燒合成（Combustion Synthesis

17、, CS）0其 特點(diǎn)是利用外部提供必要的能量誘發(fā)放熱化學(xué)反應(yīng)體系局 部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點(diǎn)燃），形成化學(xué)反映前沿（燃燒波），此 后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)為燃燒 精選資料，歡迎波蔓延至整個(gè)反應(yīng)體系，最后合成所需要材料（粉體或者固 結(jié)體）。SHS已經(jīng)形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。本章中對鋁熱反應(yīng) 的最新研究成果進(jìn)行了簡單介紹。SHS最突出的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單，過程時(shí)間短；合成物 污染少、純度高；最大限度的利用材料的人工合成中的化學(xué) 能，節(jié)約能源；能集材料合成和燒結(jié)等多種工藝于一體。從SHS被發(fā)現(xiàn)到上世紀(jì)80年代初，只有前蘇聯(lián)在不對 外公布的狀態(tài)下進(jìn)行研究。前蘇聯(lián)科學(xué)院對SHS技術(shù)研究極 為重

18、視，專門從其科學(xué)院物理化學(xué)研究所分離出一個(gè)單位來 研究，這就是后來知名的結(jié)構(gòu)宏觀動力學(xué)研究所。該研究所 對SHS進(jìn)行了全方位的研究，取得了奠基性的成果。進(jìn)人 90年代，盡管俄羅斯國家總體科研環(huán)境欠佳，但是他們在 SHS領(lǐng)域研究的總體水平仍然居于世界前列。前蘇聯(lián)對SHS理論的建立和SHS技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展做 了大量的工作。在理論上，他們發(fā)展、建立了 SHS燃燒理論, 又將其和材料科學(xué)結(jié)合起來，提出了結(jié)構(gòu)宏觀動力學(xué)理論， 建立起SHS過程中的燃燒過程和材料結(jié)構(gòu)形成間的關(guān)系；在 應(yīng)用方面，他們發(fā)展了一系列無機(jī)材料粉末合成與成型、致 密化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。80年代以后，SHS傳播到美國、日木、中國等國

19、家,開始在世界范圍內(nèi)的發(fā)展。美國科學(xué)家在SHS基礎(chǔ)研究方面 的成果最為扎實(shí)，研究力量也最為雄厚。他們發(fā)展了新的燃 燒模型和有機(jī)物的燃燒合成及非常規(guī)SHS技術(shù)。二鋁熱反應(yīng)的動力學(xué)研究到目前為止，對SHS過程熱動力學(xué)的研究大多仍是建 立在一種均質(zhì)的、平衡的物理化學(xué)狀態(tài)之上。通常采用均勻 連續(xù)介質(zhì)模型上的有內(nèi)熱源的傅立葉熱傳導(dǎo)方程對其熱動 力學(xué)過程進(jìn)行描述。其一維形式可表述如下：dt oxdt rr其中Cp和P分別為產(chǎn)物的熱容、密度和熱導(dǎo)率，q為反 應(yīng)熱量，為原始物料的反應(yīng)百分率，Q為傳熱系數(shù)，丫為 試樣半徑，£為輻射系數(shù)，a o為常數(shù)，T為絕熱溫度，To 為環(huán)境溫度，x為波傳播方向的坐標(biāo)

20、。對燃燒波的寬度與熱影響區(qū)相比很窄的條件，并假設(shè) 可忽略對流和輻射導(dǎo)致的熱損失，Novozhihov推導(dǎo)出燃燒 波速度為：?CkRT2審曠=/S)亠二-K°e牢(-E /RT )q E(214)其中：V為燃燒波速度，Tc為燃燒溫度，Ko為常數(shù)， £為反應(yīng)激活能，f (n)為級數(shù)等于n的反應(yīng)動力學(xué)函數(shù)， R為氣體常數(shù)。通過式(2-14)可以看出，影響燃燒波速的因素很多, 如材料本身的性質(zhì)、化學(xué)配比、坯料的密度等，還有如可以 通過添加稀釋材料來改變?nèi)紵ㄋ?。采用這種平面均質(zhì)模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相比, 有時(shí)存在數(shù)量級上的差異。同時(shí)這個(gè)模型也不能解釋各種復(fù) 雜的自蔓延燃燒現(xiàn)象，

21、如螺旋型、振蕩型和無規(guī)界面的混沌 型燃燒模式等。造成這種困難的主要原因是將燃燒體系過于簡化，忽略 體系的顆粒集合體特性和體系物化性能在整個(gè)過程中不斷 的變化，將體系簡化為一個(gè)均質(zhì)的、不變的平衡連續(xù)體系, 即反應(yīng)組分是以分子級別均勻混合的，過程中的物理、化學(xué) 變化均在一個(gè)平衡的不變的狀態(tài)下進(jìn)行。為了更加準(zhǔn)確地描述SHS過程中的熱動力學(xué)行為，實(shí) 現(xiàn)SHS過程可控，有必要建立一個(gè)包含體系微觀不均勻特 性、全過程動態(tài)可變的非平衡特性。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 的發(fā)展，對復(fù)雜過程的分析與模擬能力大大加強(qiáng)，同時(shí)有 關(guān)分形和滲流的研究進(jìn)展也為材料微觀結(jié)構(gòu)分析提供了有 力的工具。札I關(guān)的研究工作也吸引了眾多SHS

22、研究者的興 趣。三鋁熱反應(yīng)的層狀燃燒模型由于鋁熱SHS反應(yīng)是通過鋁熱劑反應(yīng)所出現(xiàn)的氧化還 原反應(yīng)放熱自增殖過程而進(jìn)行的，而且有文獻(xiàn)報(bào)道，在重 力分離SHS法制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的過程中，燃燒過程始 于鋁粉熔化之后，并主要受擴(kuò)散機(jī)制控制，燃燒界面以層 進(jìn)方式推移，以層狀反應(yīng)物幾何形狀所建立的燃燒模型如 圖2和式（1）所示，所以由反應(yīng)界面區(qū)和反應(yīng)合成區(qū)傳遞 給反應(yīng)預(yù)熱區(qū)的增殖熱（Q增）是克服物料中原子反應(yīng)能壘的 原動力，是誘發(fā)反應(yīng)預(yù)熱區(qū)屮鋁粉熔化的能源。而對于開放 SHS體系來講，促使反應(yīng)預(yù)熱區(qū)中鋁粉熔化的能量又主要 取決于反應(yīng)體系的生成熱（Q生）、熱散失量（Q散）和反應(yīng)預(yù)熱 區(qū)的體積V預(yù)，即，Q增

23、二（Q生- Q散）V預(yù)v2 =6RE K n式中V擴(kuò)散速度K ef層狀反應(yīng)界面上的有效熱導(dǎo)率；D ef層狀反應(yīng)界面上的有效擴(kuò)散系數(shù)E 3燃燒過程的活化能；L -一相鄰反應(yīng)區(qū)各層厚度的總和；T c一反應(yīng)燃燒溫度；R -一普適常數(shù)所以從反應(yīng)動力學(xué)上講，反應(yīng)預(yù)熱區(qū)中的單位體積增 殖熱Q增才是使反應(yīng)進(jìn)行下去的驅(qū)動力。反應(yīng)生成物合成區(qū) 反應(yīng)界面 預(yù)熱區(qū)未反應(yīng)混合 粉末原料圖2-2層狀反應(yīng)物SHS燃燒模型在開放SHS鋁熱體系中，當(dāng)裝料密度較低時(shí)，物料中 氣相體積分?jǐn)?shù)較大，物料間的熱導(dǎo)率Kh較低，同時(shí)由于物 料間的接觸面積較小，使熔化后的鋁液向鄰近Fe4顆粒表 而鋪展的液相摩爾體積分?jǐn)?shù)降低，減少了鋁液向Fe

24、©的有 效擴(kuò)散面積，增加了原子間平均擴(kuò)散自由程，從而緩延了A 1向Fe203的質(zhì)量傳輸過程，降低鋁液向Fe203的有效擴(kuò)散 系數(shù)Def。這樣因K ef , D ef降低，使得燃燒反應(yīng)的生成熱 降低，燃燒溫度Tc下降，同時(shí)也減少了由反應(yīng)界面區(qū)和反 應(yīng)合成區(qū)傳遞給反應(yīng)預(yù)熱區(qū)的增殖熱，使得進(jìn)行下一步燃 燒反應(yīng)所需的反應(yīng)預(yù)熱區(qū)中鋁粉熔化速率和A 1液摩爾體 積分?jǐn)?shù)降低，進(jìn)一步減弱了燃燒過程繼續(xù)進(jìn)行下去的原動 力，從而延緩了燃燒界面向未反應(yīng)物料的推移過程，致使 燃燒速率逐漸衰減下去，自蔓延過程進(jìn)行得越來越慢。但是，當(dāng)裝料密度較高時(shí)，雖然物料間的氣相體積分 數(shù)減少，但是由于反應(yīng)物料間及物料與鋼管

25、內(nèi)壁間的有效接 觸面積增大，使得物料間及物料與鋼管之間的熱導(dǎo)率急劇 增加，加快了反應(yīng)界面區(qū)向反應(yīng)預(yù)熱區(qū)及未反應(yīng)物料向鋼 管的熱傳導(dǎo)過程，導(dǎo)致反應(yīng)體系的熱散失量Q散增加。同時(shí)， 也因反應(yīng)物料間熱傳導(dǎo)過程加快，降低了未反應(yīng)物料中的 溫度梯度，使得反應(yīng)預(yù)熱區(qū)厚度L預(yù)增大，從而增加了反 應(yīng)預(yù)熱區(qū)的體積，這樣使得反應(yīng)預(yù)熱區(qū)所獲得的單位體積 增殖熱減少，引起反應(yīng)預(yù)熱區(qū)鋁粉熔化過程減弱和鋁液摩 爾體積分?jǐn)?shù)減少，造成鋁液向FecOs的擴(kuò)散濃度和有效擴(kuò)散 系數(shù)Def降低，從而削弱了進(jìn)行下一步燃燒反應(yīng)所需的驅(qū) 動力，引起燃燒速率也逐漸衰減下去。所以，通過試驗(yàn)測試, 平均蔓延速率在裝料密度為1.5 g/cm彳時(shí)達(dá)到最大值。第三節(jié) 鋁熱焊劑的點(diǎn)燃本節(jié)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)屬于鋁熱反應(yīng)動力學(xué)范疇，焊劑的點(diǎn)燃是鋁熱反應(yīng)的前提。在熱力學(xué)上能自發(fā)進(jìn)行的鋁熱反應(yīng)，如果 缺乏點(diǎn)燃作不前提。鋁粉與氧化鐵將能長期共存。因?yàn)辄c(diǎn)燃 在鋼軌鋁熱焊中的重要性，故單獨(dú)列出本節(jié)進(jìn)行介紹。國內(nèi)外的鋁熱焊都是采用高溫火柴進(jìn)行點(diǎn)燃。實(shí)際上， 點(diǎn)燃焊劑的方式是多樣的。SHS是需要外部能源提供熱量，來引燃SH