Горение металла в кислороде

Обновлено: 20.09.2024

По характеру горения металлов их делят на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкими температурами фазового перехода — температура плавления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литии, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода нелетучих металлов значительно выше. Температура плавления, как правило, выше 1000 К. а температура кипения — больше 2500 К (табл. 1).
Механизм горения металлов во многом определяется состоянием их окисла. Температура плавления летучих металлов значительно ниже температуры плавления их окислов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования.

При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла перелается металлу, и он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую окисную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (окислы металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная окисная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плотной окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последующим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения.

Основными параметрами их горения являются время воспламенения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частицы металла tг пропорционально квадрату ее диаметра do. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия tг

Повышение концентрации кислорода в атмосфере интенсифицирует горение металла. Частички алюминия диаметром (53 ÷ 66) 10 -3 мм в атмосфере, содержащей 23% кислорода, сгорают за 12,7·10 -3 с, а при повышении концентрации окислителя до 60% — за 4,5·10 -3 с.

Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес представляет не время сгорания частицы металла, а скорость распространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окислителе. В табл.2 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгорания взвеси частиц диаметрами менее 10 -2 мм и 3·10 -2 мм алюминия в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.

Горение металлов и сплавов

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 68Следующая ⇒

Общеизвестна способность к горению щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, лития, магния и др.). Однако менее известно, что в отдельных ситуациях, в т.ч. в определенных условиях пожара, способны гореть металлы и сплавы, обычно не считающиеся горючими. Из наиболее распространенных к таковым относятся различные сплавы на основе алюминия, широко применяемые в строительстве, машиностроении и других областях.

Как известно, устойчивость алюминия к окислению обусловлена наличием на его поверхности тонкой (около 0,0002 мм), очень плотной и беспористой пленки окисла. Однако алюминий, нагретый на воздухе до температуры, близкой к точке плавления (660 0С), все же начинает окисляться далее, при этом скорость окисления существенно увеличивается по мере повышения температуры выше температуры плавления. Необходимо отметить, что реакция алюминия с кислородом экзотермична и сопровождается значительно большим выделением тепла, нежели реакция окисления других металлов (1675 кДж/моль) [93].

Усиливает окисление алюминия присутствие в нем примесей магния, кальция, натрия, кремния, меди. Особенно же легко окисляются при нагревании алюмомагниевые сплавы, на поверхности которых образуются рыхлые окисные пленки [94].

В таблице 1.19 приведены температуры самовоспламенения на воздухе алюмомагниевых сплавов с различным содержанием в сплаве магния.

Температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов

на воздухе (порошки 0-50 мкм, ДТА)[94]

Содерж. Mg в спла- ве, % масс.	9,1	15,5	20,0	28,0	34,8	45,4	49,9	61,6	75,0	85,0	90,0	95,0
Т самовоспл., 0С	не горит

Интересно отметить, что температура самовоспламенения отнюдь не снижается монотонно при увеличении содержания Мg от 0 до 100 %; экстремально низкую температуру самовоспламенения имеют сплавы, содержащие примерно равные части Mg и Al.

Конечно, приведенные данные характеризуют свойства сплавов в мелкодисперсном виде. Как известно, склонность металла (сплава) к воспламенению и температура воспламенения сильно зависят от его агрегатного состояния — чем металл более дисперсен, чем больше поверхность его соприкосновения с воздухом, тем легче прогреть до критической температуры каждую частичку и тем легче идет процесс окисления, вплоть до самовоспламенения. И все же, на крупных пожарах, при больших тепловых потоках отмечались случаи, когда горели не только металлы и сплавы в измельченном состоянии, но и в буквальном смысле металлоконструкции. Такие вещи пожарные наблюдали, например, при горении складов из легких металлических конструкций (алюминиевых сплавов) со сгораемым (пенополиуретановым) утеплителем.

Особую роль здесь может играть среда. Повышенное содержание кислорода резко увеличивает возможность загорания и интенсивность горения любого материала, в том числе металла (сплава). Специалистам это хорошо известно по описаниям пожаров на подводных лодках, в медицинских камерах оксигенальной терапии, на производствах, связанных с потреблением газообразного и (что особенно опасно) жидкого кислорода.

Широко известно, что горение может возникнуть при попадании в кислородный баллон, шланг, трубопровод минерального масла вследствие самовозгорания последнего. Гораздо менее известно, что возникновение горения возможно в результате трения деталей в атмосфере кислорода: при открывании и закрывании вентилей и задвижек, срабатывании клапанов и переключающих устройств, регулировании редукторов, в момент пуска и остановки машин 95. Опасно здесь не только трение металла о металл; при срабатывании отсечных клапанов или резком открытии вентилей возникает высокоскоростной поток кислорода, сопровождающийся формированием волн сжатия, ударных волн и резким возрастанием давления и температуры кислорода [99]. Конечно, указанные процессы, как правило, не обеспечивают выделения тепловой энергии, достаточной для воспламенения непосредственно металла и сплава. На практике загорание последних происходит через цепочку: “тепловыделение — загорание неметаллических материалов, жировых веществ или отложений — загорание металла”. К неметаллическим материалам и изделиям такого рода относятся прокладки из паронита, фибры, резины, фторопласта. Загорание может возникнуть при попадании в ток кислорода сварочного грата, прокатной окалины [95, 100].

О склонности различных металлов и сплавов к горению в токе кислорода можно судить по данным табл. 1.20.

Предельные давления кислорода, при которых

возможно горение различных металлов [95]

(толщина образца — 3 мм, температура — 20 0С,

образец расположен горизонтально)

Металл (сплав)	Р, Мпа
Сталь Ст3, Ст10	0,02
Алюминий, сплавы АМЦ, АМг	0,1
Медистый чугун	1,1
Нерж.сталь (13 % Cr, 19 %Mn)	1,5
Сталь 3 ´ 13	2,2
Нерж. сталь Х18Н10Т	2,6
Медь, латунь, никель	> 4,2

Из приведенных данных следует, что наиболее склонны к горению в кислороде самые распространенные марки конструкционных сталей (низкоуглеродистые, нелегированные), а также алюминий и сплавы на его основе.

Скорость горения металлов в кислороде зависит от геометрических размеров изделия и давления кислорода. С увеличением размеров и толщины изделия скорость, естественно, падает; с увеличением давления — возрастает. Представление об абсолютных величинах скоростей горения дают сведения, приведенные в таблице 1.21.

Скорости горения металлов и сплавов в кислороде

При давлении газа 1-10 МПа

(образцы толщиной 3 мм, горизонтально расположенные) [95]

Металл (сплав)	U, см/сек
Малоуглеродистая сталь	0,4-1,4
Сталь Х18Н9	1,2-1,7
Медистый чугун	0,4-1,0
Сплав АМЦ	6,9-11,2
Сплав АМг6	7,4 -9,9

Визуальными признаками горения металла (сплава) является разрушение конструкции (предмета) в зоне горения. От выгоревшей детали часто остается ажурный “скелет”. Горение сопровождается разбрызгиванием металла, особенно интенсивным, если оно происходит в токе газа. В этом случае на месте пожара обнаруживаются множественные мелкие частички застывшего металла и окислов металла. Аналогичный разброс частиц происходит при горении электрической дуги, в которой процессы горения металла имеют место наряду с плавлением.

Горение металлов и сплавов на пожаре может вносить существенные коррективы в картину термических поражений, в формирование очаговых и “псевдоочаговых” признаков. По мере возможности это необходимо учитывать. Склонность того или иного металла (сплава) к экзотермическому взаимодействию с кислородом воздуха (горению) может быть установлена экспертом аналитическим путем, например, исследованием пробы металла методом ДТА. Подробнее об этом см. ч. III.

Инструментальные методы исследования

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Горение – алюминий

Массовая скорость испарения пггф материала в режиме кипения определяется скоростью поступления тепла из зоны горения, которая пропорциональна разности температур горения Тг и кипения Тк. Поскольку Тт в рассматриваемой области давлений почти не изменяется, а Тк увеличивается с увеличением давления, то разность Тг-Тк уменьшается с ростом давления и вместе с этим уменьшается скорость газификации ( испарения) металла тгф а ( Тг-ТК) / ЬИСЯ. Таким образом, при увеличении давления происходит приближение зоны горения к поверхности металла и парофазное горение может прекратиться. Следовательно, при горении алюминия существует область давлений, в которой механизм горения алюминия контролируется скоростью его испарения, и в этой области происходит постепенный переход от парофазного горения при наличии кипения к горению в отсутствие кипения, при котором могут преобладать реакции на поверхности металла. [31]

Близкая к этому значению температура горения алюминия приводится в работах [ 11, с. Температуре 3533 К по формуле (1.15), описывающей кривую кипения, соответствует давление р 3 22 МПа. Отсюда ясно, что при давлениях, больших 3 22 МПа. [33]

Пожары класса D: горят ли металлы?

Фраза «горение металлов» у многих вызывает недоумение. Люди далекие от вопросов пожарной безопасности уверены, что металлы не горят. Однако это не совсем так. Некоторые металлы способны не просто гореть, но даже самовоспламеняться.

Основные опасности, которые несут в себе разные металлы:

Алюминий – легкий электропроводный металл с довольно низкой температурой плавления (660°С), в связи с чем при пожаре может произойти разрушение алюминиевых конструкций. Но самым опасным является алюминиевый порошок, который несет в себе угрозу взрыва и может гореть.
Кадмий и многие другие металлы под воздействием высоких температур выделяют токсичные пары. Поэтому тушение горящих металлов следует производить в защитных масках.
Щелочные металлы (натрий, калий, литий) вступают в реакцию с водой, образуя при этом водород и количество теплоты, необходимой для его воспламенения.
Чугун в виде порошка при воздействии высоких температур или огня может взорваться. Искры от чугуна могут спровоцировать возгорание горючих материалов, находящихся вблизи.
Сталь, которая не считается горючим металлом, также может загореться, если она находится в порошкообразном состоянии или в виде опилок.
Титан – прочный металл, основной элемент стальных сплавов. Плавится он при высоких температурах (2000°С) и в больших конструкциях или изделиях не горит. Но маленькие детали из титана вполне могут воспламениться.
Магний – один из главных элементов в легких сплавах, придающий им пластичность и прочность. Гореть могут хлопья и порошок магния. Твердый магний также может воспламениться, но только если его нагреть до температуры выше 650°С.

Как видно, гореть способны в основном измельченные металлы в виде порошка, стружки, опилок. Помимо указанных опасностей, металлы могут также стать причиной травм, ожогов и увечий людей.

Тушение пожаров класса D

Горение класса D происходит на поверхности металла при очень высокой температуре и сильным искрообразованием.

Вода как огнетушащее вещество совершенно не подходит для металлических изделий и порошков, так как многие из них вступают в реакцию с ней, вследствие чего пожар может только усилиться. Также попадание воды на горящий металл может способствовать разбрызгиванию его на людей и окружающие предметы.

Песком также нельзя тушить горящие металлы. Его применение может привести к взаимодействию этих двух материалов и усилить горение.

Для тушения металлов чаще всего используют специальные сухие порошки. Причем для каждого метала необходимо подбирать свой состав.

Горение магния и сплавов на его основе подавляется посредством сухих молотых флюсов, применяемых при их плавке. Флюсы способствуют отделению очага возгорания от воздуха с помощью образующейся жидкой пленки.

Про метаалюминаты

Начинающие производители глинозема, наверное, задавались вопросом: «Как из оксида алюминия получить метаалюминат натрия?»

Алюминаты используются в широком производстве для ускорения некоторых реакций, окрашивания тканей и получения глинозема.

Лирическое отступление: глинозем — это, по сути, и есть оксид алюминия Al2О3.

Обычно оксид добывают из метаалюминатов, но здесь будет рассмотрен «обратный» способ.

Итак, чтобы получить наш алюминат, нужно просто смешать оксид натрия с оксидом алюминия при очень высокой температуре.

Случится реакция соединения — Al2О3 + Na2О = 2NaAlO2

Для нормального протекания требуется температура в 1200°C.

Можно проследить за изменением энергии Гиббса в реакции:

Na2O(к.)+ Al2O3(к.)= 2NaAlO2(к.), ΔG0298= -175 кДж.

Еще одно лирическое отступление:

Энергия Гиббса (или «свободная энергия Гиббса») — это зависимость, которая существует между энтальпией (энергией, доступной для преобразований) и энтропией (мерой «хаоса», беспорядка в системе). Абсолютное значение измерить невозможно, поэтому измеряются изменения во время протекания процесса. Формула: G (энергия Гиббса) = Н (изменение энтальпии между продуктами и исходными веществами реакции) — Т (температура) * S (изменение энтропии между продуктами и исходниками). Измеряется в Джоулях.

Как из оксида алюминия получить алюминат?

Для этого подойдет и тот способ, который был рассмотрен выше — с глиноземом и натрием.

Оксид алюминия, смешанный с оксидом другого металла при высоких температурах, и дает метаалюминат.

Но еще можно сплавить гидроксид алюминия со щелочью в присутствии оксида углерода СО:

Как известно, устойчивость алюминия к окислению обусловлена наличием на его поверхности тонкой (около 0,0002 мм), очень плотной и беспористой пленки окисла. Однако алюминий, нагретый на воздухе до температуры, близкой к точке плавления (660 0 С), все же начинает окисляться далее, при этом скорость окисления существенно увеличивается по мере повышения температуры выше температуры плавления. Необходимо отметить, что реакция алюминия с кислородом экзотермична и сопровождается значительно большим выделением тепла, нежели реакция окисления других металлов (1675 кДж/моль) [93].

Содерж. Mg в спла- ве, % масс.	9,1	15,5	20,0	28,0	34,8	45,4	49,9	61,6	75,0	85,0	90,0	95,0
Т _{самовоспл.}, 0 С	не горит

Конечно, приведенные данные характеризуют свойства сплавов в мелкодисперсном виде. Как известно, склонность металла (сплава) к воспламенению и температура воспламенения сильно зависят от его агрегатного состояния - чем металл более дисперсен, чем больше поверхность его соприкосновения с воздухом, тем легче прогреть до критической температуры каждую частичку и тем легче идет процесс окисления, вплоть до самовоспламенения. И все же, на крупных пожарах, при больших тепловых потоках отмечались случаи, когда горели не только металлы и сплавы в измельченном состоянии, но и в буквальном смысле металлоконструкции. Такие вещи пожарные наблюдали, например, при горении складов из легких металлических конструкций (алюминиевых сплавов) со сгораемым (пенополиуретановым) утеплителем.

Широко известно, что горение может возникнуть при попадании в кислородный баллон, шланг, трубопровод минерального масла вследствие самовозгорания последнего. Гораздо менее известно, что возникновение горения возможно в результате трения деталей в атмосфере кислорода: при открывании и закрывании вентилей и задвижек, срабатывании клапанов и переключающих устройств, регулировании редукторов, в момент пуска и остановки машин 97. Опасно здесь не только трение металла о металл; при срабатывании отсечных клапанов или резком открытии вентилей возникает высокоскоростной поток кислорода, сопровождающийся формированием волн сжатия, ударных волн и резким возрастанием давления и температуры кислорода [99]. Конечно, указанные процессы, как правило, не обеспечивают выделения тепловой энергии, достаточной для воспламенения непосредственно металла и сплава. На практике загорание последних происходит через цепочку: “тепловыделение - загорание неметаллических материалов, жировых веществ или отложений - загорание металла”. К неметаллическим материалам и изделиям такого рода относятся прокладки из паронита, фибры, резины, фторопласта. Загорание может возникнуть при попадании в ток кислорода сварочного грата, прокатной окалины [95, 100].

(толщина образца - 3 мм, температура - 20 0 С,

Металл (сплав)	Р, Мпа
Сталь Ст3, Ст10	0,02
Алюминий, сплавы АМЦ, АМг	0,1
Медистый чугун	1,1
Нерж.сталь (13 % Cr, 19 %Mn)	1,5
Сталь 3 ´ 13	2,2
Нерж. сталь Х18Н10Т	2,6
Медь, латунь, никель	> 4,2

Скорость горения металлов в кислороде зависит от геометрических размеров изделия и давления кислорода. С увеличением размеров и толщины изделия скорость, естественно, падает; с увеличением давления - возрастает. Представление об абсолютных величинах скоростей горения дают сведения, приведенные в таблице 1.21.

Металл (сплав)	U, см/сек
Малоуглеродистая сталь	0,4-1,4
Сталь Х18Н9	1,2-1,7
Медистый чугун	0,4-1,0
Сплав АМЦ	6,9-11,2
Сплав АМг6	7,4 -9,9

Acetyl

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

H +

Li +

K +

Na +

NH₄ +

Ba 2+

Ca 2+

Mg 2+

Sr 2+

Al 3+

Cr 3+

Fe 2+

Fe 3+

Ni 2+

Co 2+

Mn 2+

Zn 2+

Ag +

Hg 2+

Pb 2+

Sn 2+

Cu 2+

OH -

F -

Cl -

Br -

I -

S 2-

HS -

SO₃ 2-

HSO₃ -

SO₄ 2-

HSO₄ -

NO₃ -

NO₂ -

PO₄ 3-

CO₃ 2-

CH₃COO -

SiO₃ 2-

Растворимые (>1%)

Нерастворимые (

Спасибо! Ваша заявка отправлена, преподаватель свяжется с вами в ближайшее время.

Вы можете также связаться с преподавателем напрямую:

Скопируйте эту ссылку, чтобы разместить результат запроса " " на другом сайте.

Изображение вещества/реакции можно сохранить или скопировать, кликнув по нему правой кнопкой мыши.

Внимание, если вы не нашли в базе сайта нужную реакцию, вы можете добавить ее самостоятельно.

На данный момент доступна упрощенная авторизация через VK.
В будущем добавлю авторизацию через Гугл и Яндекс.

Здесь вы можете выбрать параметры отображения органических соединений.

Эти параметры действуют только для верхнего изображения вещества и не применяются в реакциях.

Размер шрифта

Отображение гетероатомов

Корректная работа сайта обеспечена на всех браузерах, кроме Internet Explorer.

Если вы пользуетесь Internet Explorer, смените браузер.

На сайте есть сноски двух типов:

Подсказки - помогают вспомнить определения терминов или поясняют информацию, которая может быть сложна для начинающего.

Дополнительная информация - такие сноски содержат примечания или уточнения, выходящие за рамки базовой школьной химии, нужны для углубленного изучения.

Читайте также: