Горение металлов в воздухе

Обновлено: 20.05.2024

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 ~do 1,5÷1,8 , магния tг ~do 2,6 , а для титана ­ tг ~do 1,59 .

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

По характеру горения металлы делятся на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкимитемпературами фазового перехода, температура их плавления менее1000 К, температура кипения < 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий) и ще­лочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода нелетучих металлов значительно выше Тплав > 1000 К, а Ткип > 2500 К. Механизм горения металлов во мно­гом определяется состоянием их оксидов. Температура плавления летучих металлов зна­чительно ниже температуры плавления их оксидов. При этом оксиды представ­ляют собой достаточно пористые соединения.

При воздействии ИЗ на поверхность металла проис­ходит его испарение и окисление. При достижении НКПРП происходит их воспламенение. Зона диффузион­ного горения устанавливается у поверхности. Образующиеся пары, свободно диффундируют через пористую оксидную пленку и поступают в зону горения. Кипение металла вызы­вает периодическое разрушения оксидной пленки, что ин­тенсифицирует горние. Продукты горения, окислы металлов диффундируют не только к поверхности металла, способст­вуя образованию корки окисла (оксида), но и в окружающее про­странство, где, конденсируясь, образуются твердые частички в виде белого дыма. Белый плотный дым – признак горения летучих металлов.

У нелетучих металлов при горении на поверхности образуется более плотная окисная пленка, она хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку затруднена и поэтому крупные частицы алюминия, бериллия гореть не способны. Как правило, нелетучие металлы горят в виде стружки, порошка аэрозолей. Их горение проходит без об­разования плотного дыма. При горении металлических пылей следует знать особенности, отличающие их от горения органических пылей:

1) при приближении состава горючей смеси (металл-
воздух) к стехиометрической (a = 1) скорость распространения
пламени возрастает;

2) скорость горения металлических пылей одного порядка с горением смесей предельных углеводородов;

3) горение металлов возможно не только в окислительной среде, но и в продуктах горения органических веществ, в этом случае горение протекает за счет экзотермической реакции воспламенения воды до водорода.

4) аэрогель металлов повышает свои пожароопасные свойства при увлажнении. Склонен к самовозгоранию. И при воспламенении развивает температуру, в десятки раз превышающую горение сухой аэровзвеси. Так, испытания, проведенные ФГУ ВНИИПО МЧС России, показали следующиерезультаты:

· для испытаний были приготовлены две 40-литровые фляги с порошком циркония. Порошок в одном случае был сухой, в другом увлажненный. При воспламенении сухого циркония горение продолжалось 30 мин, Тпл = 1200 0 С, температура воздуха на расстоянии 40 м от фляги составила 300 0 С;

· при воспламенении увлажненного порошка циркония процесс горения не превысил 5 минут, столб пламени имел высоту около 30 м, температура воздуха на расстоянии 40 м от очага горения составила 1300 0 С.

Вопросы для самоконтроля

1. Как классифицируются органические, неорганические ТГМ?

2. Какие соединения относятся к комплексным ТГМ?

3. Как ведут себя при нагревании каучуки, термопласты?

4. Как ведут себя при нагревании древесина, реактопласты?

5. Какие ТГМ горят по гетерогенному механизму?

6. В чем состоит принцип действия огнезащиты ТГМ?

7. Какие способы теплопередачи участвуют в распространении горения по ТГМ?

8. От каких факторов зависит скорость горения ТГМ?

9. В чем сходство в горении жидкостей и ТГМ?

10. Что происходит при воспламенении древесины?

11. Как протекает процесс термического разложения (пиролиза) древесины?

12. При какой температуре происходит прекращение выхода летучих соединений и начало горения углеродистого остатка древесины?

Горение металлов и сплавов

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 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].

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., 0 С 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 0 С,

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.

11.5. Горение металлов

Общей закономерностью для всех металлов является то, что пожарная опасность их в чистом виде возрастает с уменьшением номера группы и увеличением номера периода.

Характерные признаки горения металлов приведены в табл.11.7. Самыми пожароопасными являются щелочные металлы первой группы

Щелочноземельные металлы (II группа, главная подгруппа) плавятся при нагревании до 600-800 0 С и в присутствии воздуха легко загораются.

Металлы III группы главной подгруппы (B, Al и их аналоги) плавятся при нагревании до 150-700 0 С и энергично окисляются, т.е. медленно горят, легко воспламеняются и быстро горят в порошкообразном состоянии.

Мышьяк, сурьма и висмут (V группа, главная подгруппа) легко сгорают в расплавленном состоянии при 250-700 0 С.

Остальные металлы более тугоплавки, температура их плавления выше

В монолитном виде (слитки, массивные изделия) они не горят а к-

даже при нагревании, за исключением титана и циркония, однако

многие из них пирофорны в порошкообразном и губчатом состоянии (Fе, Аl, Zn, Cо и др.).

В принципе все металлы, за исключением благородных (VIII группа), должны хорошо гореть на воздухе при нагревании. Однако в действительности это не так. Способность металлов к горению на воздухе определ яется свойствами образующихся продуктов - оксидов.

Многие оксиды металлов тугоплавки, температура их плавления выше 1000 0 С, а некоторые плавятся даже при 2000-3000 0 С и выше. Такие оксиды покрывают поверхность горящего металла, изолируя его от воздуха.

Сопротивление оксидной пленки зависит от объемного отношения

ϕ - это отношение объема оксида к объему сгоревшего металла . Если

Воспламенение металлов наблюдается, как уже отмечалось, при относительно низкой температуре. Однако процессы их горения сильно экзотермичны, и поэтому многие из них, покрываясь оксидной пленкой, быстро разогреваются, плавятся, а многие начинают даже испаряться (температуры могут достичь 3000 0 С и выше). То есть металлы горят с поверхности расплава и в виде паров. Парообразование часто приводит к резкому разрушению оксидных пленок с разбрызгиванием капель расплава металла и его оксида и интенсифицирует горение.

Отличительной от органических материалов особенностью многих металлов является способность их при нагревании окислятся в среде азота с образованием нитридов - соединений формулы Ме n Н m . То есть азот - флег-

матизатор горения органических веществ - является окислителем ме-

Способность металлов к горению на воздухе

Характерные признаки горения на воздухе

Rb и Cs воспламеняются при контакте с

воздухом. Остальные легко воспламеняют-

ся при незначительном нагревании

При простом контакте с воздухом не вос-

пламеняются. Довольно легко загораются

при нагревании до 600-800 0 С. Горят с об-

разованием оксидов и отчасти нитридов

Hg пожаробезопасна. Zn и Cd при нагрева-

нии до 200-250 ° С воспламеняются и горят

В холодном состоянии пожаробезопасны.

При нагревании выше температуры

плавления (150-700 ° С) энергично окисля-

ются, в виде стружки или порошка - быстро

Холодные пожаробезопасны. Самовозго-

раются при локальном нагреве в тонких

сечениях. Особенно опасны в виде стружки

и порошка. Горят не только в кислороде,

Холодные пожаробезопасны. Легко

сгорают в расплавленном состоянии

Se загорается легко при нагревании,

Те и Po пожаробезопасны

Холодные пожаробезопасны. Оs при

нагревании сгорает. Fе и Cо не горят при

нагревании, свежеприготовленные в виде

порошка и губки пирофорны

(*) ϕ - отношение объема окисла к объему сгоревшего металла.

Нитриды щелочных металлов при 300-350 ° С разлагаются на элементы, поэтому в продуктах горения не накапливаются. Нитриды щелочноземельных металлов стабильны до 1500-2000 ° С, поэтому в реакции горения этих металлов заметно участвует и азот. Более тугоплавкие металлы (B, Аl, Тi, Zr и др.) в порошкообразном виде могут при нагревании воспламеняться и гореть в среде азота с образованием тугоплавких нитридов.

Обобщая рассмотренные данные, можно выделить следующие основ-

ные особенности пожарной опасности и горения металлов:

1. Некоторые металлы пирофорны, т.е. способны воспламеняться при контакте с кислородом воздуха, в слитках и массивных изделиях (щелочные), а так же в измельченном, порошкообразном состоянии (железо, никель, кобальт, титан, цирконий и др.).

2. Многие металлы опасно хранить совместно с горючими органическим веществами и материалами. Последние, как правило, легко воспламеняются даже от малокалорийных источников зажигания и могут зажечь металлы, при горении которых развиваются очень высокие температуры (до 3000 ° С и выше). Достигаемые значения опасных факторов пожара при горении металлов в 1,5-2,0 раза выше, чем при горении других горючих материалов.

3. Следует также отметить большую пожарную опасность многих металлов, способных бурно реагировать с водой со взрывами, интенсивным горением.

11.6. Особенности горения пылевидных веществ

Пыли - это твердые вещества и материалы, диспергированные до частиц размером 850 мкм (0,85 мм) и менее.

Горючая пыль представляет собой дисперсную систему, которая в процессе горения во взвешенном состоянии ( аэрозоль ) ведет себя как газы и пары, и как твердое вещество - в осевшем состоянии ( аэрогель ). Поэтому

горючие пыли сочетают в себе пожароопасные свойства горючих газов,

паров и твердых веществ. Пожарная опасность горючих пылей характеризуется показателями, применяемыми для тех и других.

Наиболее важными из них являются 6 показателей:

• минимальное взрывоопасное содержание кислорода в горючей смеси (МВСК),

• способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами.

Наибольшую пожарную опасность представляют пыли, взвешенные в воздухе (аэрозоли, аэровзвеси, пылевоздушные смеси). Они способны к распространению пламени на неограниченное расстояние от источника зажигания.

Пожарная статистика показывает, что ежегодно происходит большое количество взрывов пылей на предприятиях угледобывающей, мукомольной, химической и других отраслей промышленности, на зерновых элеваторах и многих других объектах, где обращаются или образуются пылевидные горючие материалы.

Распространение пламени по пылевоздушной смеси - очень сложный процесс, не поддающиийся точному математическому описанию. Механизм распространения пламени по аэрозолю пытались объяснить с позиций классической тепловой теории Я.Б.Зельдовича и Н.Н.Семенова, радиационной теории (О.М.Тодес), "эстафетной" теории (Л.А.Клячко) и многих других. Но ни одна из них не может объяснить все происходящие в пылевидном облаке явления. В действительности распространение фронта пламени по аэрозолю происходит в результате протекающих одновременно и последовательно многих процессов: передаче теплоты из зоны горения в свежую смесь конвекцией, кондукцией и радиацией, факельном зажигании свежих пылинок от горящих и т.д.

Принципиальным отличием от механизма горения парогазовоздушных смесей является турбулентный режим распространения пламени по аэрозолям, т.е. искривление его фронта, образование "языков" пламени, непостоянство нормальной скорости горения, а отсюда часто и повышенные значения скорости распространения пламени.

Взрыв пыли - это быстрое сгорание аэрозоля с мгновенным выделением теплоты и газообразных продуктов. При таком взрыве быстро возникает давление, и волны сжатия распространяются в окружающей среде со ск о-

ростью до нескольких сотен м/с. Ударная волна очень часто взвихривает, поднимает в воздух осевшую пыль (аэрогель), после чего следует новая серия взрывов. Особенно страдают от пылевых взрывов зерновые элеваторы, предприятия мукомольной и комбикормовой промышленности.

Взрыв может возникнуть только в том случае, если концентрация пыли находится в концентрационной области распространения пламени. НКПР для пылей колеблется в очень широких пределах – от нескольких граммов до килограммов в одном кубическом метре. ВКПР по величине огромен (от нескольких до десятков кг/м 3 ), в реальных условиях никогда и нигде не достигается, поэтому для пылей его не определяют.

НКПР пылей сильно зависит от их дисперсности, влажности и зольности (рис.11.7). Промышленные пыли все без исключения переменного состава, поэтому при решении ов пожарной профилактики на разных предприятиях необходимо каждый раз определять НКПР пыли и ее концентрацию в конкретных производственных условиях.

Читайте также: