鍛接用鋁熱劑是鋁粉和難熔金屬氧化物的混合物。鋁熱劑是鋁熱反應的重要成分，鋁熱反應在軌道焊接等高溫戶外作業中發揮重要作用。可用於引發一些需要高溫的反應。
基本介紹
- 中文名：鍛接用鋁熱劑
- 套用：鍛接
- 原理：鋁熱反應
- 相關概念：氧化劑、金屬氧化物
- 特點：高溫
- 成分：鋁粉和難熔金屬氧化物
原理,引燃,常見種類,鐵鋁熱劑,銅鋁熱劑,鋁熱燃燒劑,
原理
鋁熱劑是把鋁粉和高熔點金屬氧化物（如三氧化二鐵粉末）按比例配成的混合物， 使用時加入氧化劑點燃，反應激烈進行，得到氧化鋁和單質並放出大量的熱，溫度可到約2500℃，能使生成的單質熔化。這個反應叫做鋁熱反應。鋁熱反應原理可以套用在生產上，例如焊接鋼軌等。用某些金屬氧化物（如V2O5、Cr2O3、MnO2等）代替氧化鐵，也可以做鋁熱劑。當鋁粉跟這些金屬氧化物反應時，產生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高溫度下呈熔融狀態，跟形成的熔渣分離開來，從而獲得較純的金屬。在工業上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。利用的是鋁被氧化時放熱。
目前國外的固體火箭燃料也有使用鋁熱反應的原理。教材上對鋁熱劑的敘述有兩處，其一是說“通常把鋁粉和氧化鐵的混合物叫鋁熱劑”，其二是講“用某些金屬氧化物（如V2O5，Cr2O3，MnO2等）代替氧化鐵也可以做鋁熱劑”。即可以發生鋁熱反應的混合物稱之為鋁熱劑。這就是說明作為鋁熱劑重要組成的金屬氧化物，並非泛指所有金屬氧化物，而是有—定範圍的，即指那些難熔的金屬氧化物。而這些難熔的金屬氧化物和混合物中的鋁反應時放出大量熱，也是構成鋁熱反應的一個重要條件。有些金屬氧化物，不能與鋁反應，或放出的熱不多，均不能做鋁熱劑使用。
引燃
鋁熱反應需要高溫來引發，可在混合物粉末上插一根鎂條做引信（可混入適量氯酸鉀幫助鎂條燃燒，高錳酸鉀、硝酸鉀等氧化劑也可助燃；過氧化鋇也可，但煙有毒）。高錳酸鉀和甘油的混合物緩慢放熱，也可以做引發劑(高錳酸鉀和葡萄糖的混合物亦可，點燃後劇烈反應並引發鋁熱反應)。丙烷槍也可以提高引發反應所需的高溫。反應開始後會劇烈放熱，火花四濺，溫度極高，所以點火時要注意安全。
常見種類
鋁熱劑中最常用的氧化鐵/鋁，磁鐵礦也工作。偶爾使用其他氧化物，例如錳鋁熱劑 ，鉻鋁熱劑 ，矽熱劑，或銅鋁熱劑，但僅用於專門目的。 所有這些實施例使用鋁作為反應性金屬。含氟聚合物可用於特殊配方中，特氟隆與鎂或鋁是相對常見的實例。 乾冰和還原劑如鎂，鋁和硼的組合遵循與傳統鋁熱劑混合物相同的化學反應，產生金屬氧化物和碳。 儘管乾冰鋁膏混合物的非常冷的溫度，但是這種系統能夠用火焰點燃。當細分狀乾冰鋁熱劑被傳統炸藥一樣限制在管中點燃時，將會爆炸，並且反應中釋放的一部分碳以金剛石的形式出現。
原則上，可以使用任何活性金屬代替鋁。但是鋁的性質對於該反應幾乎是理想的：它是迄今為止最便宜的高反應性金屬。它形成鈍化層，使其比許多其他活性金屬更安全。 其相對低的熔點 （660℃）意味著易於熔融金屬，使得反應主要在液相中發生，因此相當快地進行。其高沸點（2519℃）使得反應達到非常高的溫度，因為幾個過程傾向於將最高溫度限制到剛好低於沸點。 這種高沸點在過渡金屬（例如，分別在2887℃和2582℃下沸騰的鐵和銅）中是常見的，但是在高反應性金屬（沸點：鎂1090℃和鈉883℃）中並不常見。此外，由於反應形成的氧化鋁的低密度趨於使其漂浮在所得純金屬上。 這對於減少焊縫中的污染是特別重要的。儘管反應物在室溫下是穩定的，但當它們被加熱至著火溫度時，它們以極強烈的放熱反應燃燒。 由於達到高溫（高達2500°C，使用氧化鐵（III）），產品表現為液體 - 雖然達到的實際溫度取決於熱量能夠快速逃逸到周圍環境。 鋁熱劑有自己的氧氣供應，不需要任何外部空氣源。 因此，在給定足夠的初始熱的情況下，其不能被窒息並且可以在任何環境中點燃。 它會在濕潤時燃燒良好，不能用水輕易熄滅，雖然足夠的水會除去熱量並可能停止反應。 少量的水在達到反應前會沸騰。 即使如此，鋁熱劑也用於水下焊接。
該鋁合金的特徵在於在燃燒期間幾乎完全沒有氣體產生，反應溫度高。 燃料應具有高的燃燒熱並產生具有低熔點和高沸點的氧化物。 氧化劑應當包含至少25%的氧，具有高密度，低形成熱，並且產生具有低熔點和高沸點的金屬（因此釋放的能量不會在反應產物的蒸發中消耗）。 可以向組合物中加入有機粘合劑以改善其機械性能，然而它們傾向於產生吸熱分解產物，導致反應熱的一些損失和氣體的產生。
反應期間達到的溫度決定結果。 在理想情況下，反應產生充分分離的金屬和爐渣的熔體。 為此，溫度必須足夠高以熔化反應產物，所得金屬和燃料氧化物。 太低的溫度將導致燒結金屬和爐渣的混合物，太高的溫度 - 高於任何反應物或產物的沸點 - 將導致氣體的快速產生，分散燃燒的反應混合物，有時甚至爆炸。可以通過添加合適的氧化劑來提高太低的反應溫度（例如當從砂生產矽時），通過使用合適的冷卻劑和/或熔渣流量可以降低太高的溫度 。 通常在使用的助熔劑是氟化鈣，因為其僅最低限度地反應，具有相對低的熔點，在高溫下的低熔體粘度（因此增加爐渣的流動性）並與氧化鋁形成共晶體。 然而，過多的助熔劑將反應物稀釋至不能維持燃燒的程度。 金屬氧化物的類型也對產生的能量的量具有顯著的影響; 氧化價越高，產生的能量越高。 一個好的實例是氧化錳（IV）和氧化錳（II）之間的差異 ，其中前者產生太高的溫度，後者幾乎不能維持燃燒; 為了獲得良好的結果，應該使用具有適當比例的兩種氧化物的混合物。
反應速率也可以用粒徑調節; 較粗的顆粒比較細的顆粒燃燒得慢。 該效果對於需要加熱至較高溫度以開始反應的顆粒更顯顯著。在絕熱條件下 ，當沒有熱量損失到環境中時，在反應中實現的溫度可以使用赫斯定律來估計 - 通過計算由反應本身產生的能量（從產物的焓中減去反應物的焓）並減去加熱產品所消耗的能量（根據它們的比熱，當材料僅改變它們的溫度時，以及它們的熔化焓和當材料熔化或沸騰時的最終蒸發焓 ）。 在實際條件下，反應對環境失去熱量，因此實現的溫度略低。 傳熱速率是有限的，因此反應越快，越接近其運行的絕熱條件，並且實現的溫度越高。
鐵鋁熱劑
最常見的組合物是鐵鋁熱劑。 所用的氧化劑通常是三氧化二鐵或四氧化三鐵 。 前者產生更多的熱量。 後者更容易點燃，可能是由於氧化物的晶體結構。 添加銅或錳氧化物可以更容易點燃。
銅鋁熱劑
銅鋁熱劑可以使用氧化亞銅或氧化銅來製備。 燃燒速率非常快，並且銅的熔點相對低，因此反應在非常短的時間內產生大量的熔融銅。 銅（II）鋁熱反應可能如此之快，以致於銅鋁熱劑可以被認為是一種閃光粉末 。 可能發生爆炸，並傳送銅滴噴霧到相當遠的距離。銅（I）鋁熱劑具有工業用途，例如焊接厚銅導體（“ 焊接 ”）。 這種焊接也被用於電纜拼接。
