.336 北京科技大学学报 1994年No.4 1实验方法 实验在小型自制离心机上进行，调速范围500~3000r/min,碳钢钢管的内径76mm, 外径84mm,长120mm.物料Fe,0,粉-200目，铝粉100~200目，混均后装人钢管内. 带有试料的钢管装夹在离心机上，旋转到一定转速后，用氧一乙炔火焰点燃物料.铝和氧 化铁发生放热反应： Fe,O3+2Al=2Fe+Al,O,+836 kJ 依靠反应放热，反应可自我维持并迅速在钢管内蔓延，燃烧温度高达2453K,使反应 产物A1,O,和Fe瞬时熔化.在离心力作用下，密度较小的A1,O,分布在钢管内壁，密度较大的Fe 处于钢和和陶瓷层之间，形成复合钢管·采用光纤红外高温计测温·用抗压剪切强度表征陶 瓷与金属管的结合强度， 2结果和讨论 2.1离心力的作用 在离心力场下，Fe,O,+Al→Al,O,+Fe的SHS过程可大致描述为：反应物料被点燃 后，A1熔化并在离心力作用下迅速渗人物料孔隙中，导致反应的刷烈进行，熔融的产物 A1O,和Fe,在离心力作用下发生相分离，A1,O,处于内壁，Fe处于A1,O,与钢管之间.反应 结束后，陶瓷层先凝固，F后凝固，最后，产物和钢管一起冷却下来.在反应的剧烈阶段， 气相产物从液相中溢出，产生烟气喷射现象.温度随着反应的进行，迅速提高.在F,O,+A1 系温度最高达2453K.在添加5%Si的F,03+A1系中，温度为2398K,反应持续5~6s. 离心力对于燃烧过程、相分离和产物组织产生重要的影响·业已查明，对于无离心力作 用的SHS反应体系，例如Ti+C→TiC,存在扩散和毛细管铺展两种燃烧模式，燃烧模式是 指反应物发生接触和燃烧反应的行为方式，毛细管铺展燃烧模式是液相在毛细管力作用下沿 物料的孔隙漫流，使反应物接触并发生反应.显然，在离心力场下，FO+A1→ A1,O,+F的燃烧模式不同于以上模式，A1液是在离心力作用下，沿钢管径向渗人物料孔隙中， 增加反应物的接触并发生反应，离心力可加快热交换和物质交换过程，大大提高燃烧速度四 由于产物A1O,和F的密度不同，在离心力作用下，产生相分离.在较小的离心力下， AlO和Fe完全不分离.在离心力为380N时，Al,O,和Fe开始分离，Fe颗粒分散在Al,O, 基体上并呈梯度分布，即靠近钢管处Fe颗粒较多，远离钢管处Fe颗粒较少，当离心力达106ON 时，F层和Al,O,层完全分离.图1是陶瓷内衬钢管未浸蚀的金相照片，上部为A1,O,陶瓷，下 部为钢管，中间白亮部分是铁层· 离心力可加速气体的逸出，减少陶瓷层的孔隙度，提高陶瓷的致密度.图2是离心力对陶 瓷层孔隙度的影响.图3是离心力作用下，陶瓷中的孔隙沿钢管径向拉长的情况. 在反应过程中，钢管的温度从内壁到外表面逐渐下降.外表面温度达700~800℃.钢 管内壁同产物的接触部分局部熔化，同铁层结合在一起，图4是铁层凝固时沿钢管径向结晶 形成的树枝状组织.3 3 6 北 京 科 技 大 学 学 报 1卯4 年 N o . 4 1 实验方 法 实验 在 小 型 自制离 心 机 上 进 行 , 调 速 范 围 50 一 3 0 0 r /~ . 碳 钢钢 管 的 内 径 76 m m , 外 径 84 m l n , 长 120 ~ . 物 料 F e p 3 粉 一 2 0 目 , 铝 粉 10 一 2 0 目 , 混 均 后 装 人 钢 管 内 . 带有试料 的钢 管装夹在 离心 机上 , 旋转 到一 定 转 速 后 , 用 氧 一 乙 炔 火 焰 点燃 物 料 . 铝 和 氧 化铁发生 放热 反应 : F e夕 3+ 2月 = Z F e + iA p 3 + 8 3 6 k J 依靠反应 放热 , 反 应可 自我 维持并 迅速 在钢 管 内蔓 延 . 燃烧 温度 高 达 2 4 5 3 K , 使反 应 产物 1A 2O 3 和 F e 瞬时熔化 . 在 离心力 作用下 , 密度 较小 的 lA 户 , 分布在钢管 内壁 , 密度较大的 F e 处于 钢和 和陶瓷层 之 间 , 形 成复合钢管 . 采用光 纤 红外 高温 计测温 . 用 抗压 剪切 强度 表征 陶 瓷 与金属 管的结合强度 . 结果和 讨论 离心 力的作用 在 离 心 力 场 下 , F e ZO 3+ lA ~ 1A 2 0 3 + F e 的 S SH 过 程 可 大 致 描 述 为 : 反 应 物 料 被 点 燃 后 , 用 熔化 并 在 离心 力 作 用 下 迅 速 渗 人 物 料 孔 隙 中 , 导 致 反 应 的 剧 烈 进 行 . 熔 融 的 产 物 越户 3 和 eF , 在 离心 力作用下 发 生相 分 离 , lA 夕 3 处于 内壁 , eF 处 于 lA p 3 与钢 管之 间 . 反 应 结束后 , 陶瓷 层先 凝 固 , F e 后 凝 固 , 最后 , 产物 和钢 管一 起冷 却下 来 . 在反 应 的剧 烈 阶段 , 气相 产物 从液相 中溢 出 , 产生 烟气喷射 现象 . 温度 随着 反应 的进行 , 迅速提高 . 在 F动 3 + 超 系 温度最 高达 2 4 5 3 K . 在添 加 5% is 的 F e户 3 + lA 系 中 , 温 度 为 2 3 98 K , 反 应持 续 5 一 6 5 . 离 心力 对于 燃烧 过程 、 相 分 离和产 物组 织 产生重要 的影 响 . 业 已 查 明 , 对于无 离心力 作 用 的 S H S 反 应体系 , 例如 iT + C ~ T CI , 存在 扩散 和 毛细管铺展 两种 燃烧 模式 . 燃烧模式 是 指反 应 物发 生接 触和 燃烧 反应 的行 为 方式 . 毛 细 管铺展 燃烧 模式 是液相 在 毛细 管力 作用 下沿 物 料的 孔 隙漫 流 , 使 反 应 物 接 触 并 发 生 反 应 . 显 然 , 在 离 心 力 场 下 , F e户 3 + iA ~ 川户 3 + eF 的燃烧模式不 同于 以上模 式 . AI 液是在离心力作用下 , 沿钢管径 向渗人物料孔 隙中 , 增 加反 应物的接 触并 发生 反应 . 离 心 力 可 加 快 热 交换 和物质交换 过程 , 大 大提高燃 烧 速度 .l[] 由于 产物 iA 户 3 和 F e 的密度 不 同 , 在离心力作用 下 , 产 生 相 分离 . 在较 小 的离心力下 , iA 夕 3 和 F e 完全 不分 离 . 在 离 心 力 为 3 80 N 时 , lA p 3 和 F e 开 始 分 离 , F e 颗 粒 分 散 在 lA 户 3 基 体上并 呈梯度分布 , 即靠近钢管处 F e 颗粒 较多 , 远离钢管处 F e 颗粒较少 . 当离自力达 1 O60 N 时 , F e 层和 iA 户 3 层完 全分 离 . 图 1 是陶瓷 内衬钢管未浸蚀 的金相照 片 . 上部 为 lA 户 3 陶瓷 , 下 部 为钢 管 , 中 间 白亮 部分 是铁层 . 离心 力可 加 速气体的逸 出 , 减 少陶瓷 层 的孔 隙度 , 提高 陶瓷 的致密度 . 图 2 是离心力对陶 瓷 层孔 隙度 的影 响 . 图 3 是 离 心力作 用下 , 陶 瓷 中的孔 隙沿 钢管 径 向拉 长的情 况 . 在 反应过程 中 , 钢 管 的温度 从内壁到 外表 面 逐渐 下 降 . 外 表 面温度 达 70 一 80 ℃ . 钢 管 内壁 同产物 的接 触部分 局部 熔 化 , 同铁层结合在一 起 . 图 4 是 铁层 凝 固时沿 钢管 径 向结 晶 形 成 的树枝 状组 织