При какой температуре сгорает металл

Обновлено: 22.09.2024

Алюминий и его сплавы являются наиболее распространенными среди цветных металлов материалами и находят все более широкое применение в транспорте, строительстве, упаковке, электротехнике и производстве предметов быта. Благодаря уникальному комплексу свойств они успешно выдерживают конкуренцию со стороны других конструкционных материалов, таких как сталь, бетон, дерево, пластмассы, стекло и др.

К сожалению, в России – одном из крупнейших мировых производителей первичного алюминия – использование алюминия для этих целей существенно отстает от уровня развитых стран. Из произведенного в прошлом году 3,76 млн. т алюминия только немногим более 600 тыс. т было использовано в виде изделий для внутреннего потребления в стране. Причин этому несколько. В первую очередь низкий спрос на алюминиевую продукцию в России обусловлен значительным спадом промышленного производства. Однако немаловажную роль сыграло имевшее в советское время подчинение потребления нуждам военно-промышленного комплекса и, как следствие, недостаточная до настоящего времени осведомленность производителей и потребителей гражданской промышленной продукции о свойствах алюминия, его сплавов и их преимуществах перед другими материалами. Отсюда и ошибочные представления у многих, например, о токсичности или излишне высокой стоимости алюминия, невысокой коррозионной стойкости или недостаточной механической прочности его сплавов и др. А эти стереотипы создают препятствие применению алюминия в изделиях, сооружениях и машинах.

С очередным мифом мы столкнулись, знакомясь с материалами «круглого стола» по проблеме «Вентилируемые фасады: «за» или «против» [1]. В ходе дискуссии там были высказаны опасения в части применения для этих целей алюминия: мол «…алюминиево-магниевые сплавы горят… и специалисты-материаловеды, работающие в авиации, это прекрасно знают…». Наш почти сорокалетний опыт работы в авиационной промышленности, связанный с плавлением, литьем и горячей обработкой давлением практически всех марок алюминиевых деформируемых сплавов позволяет судить об ошибочности этого утверждения. Известно, что горение – это высокотемпературное окисление, характеризующееся высокой скоростью процесса и выделением значительного количества тепла. Поэтому представления о горючести алюминия и его сплавов прежде всего связаны с большим сродством алюминия к кислороду. Из рис. 1 [2]следует, что алюминий отличается от меди и железа значительно более высокой теплотой окисления. Его окисел очень стабилен и плохо восстанавливается. Это свойство широко используется в металлургии, где алюминий применяют в качестве раскислителя.

Отметим, что разница в сродстве к кислороду предопределила хронологию применения этих металлов человечеством. В бронзовом веке сначала использовали самородную медь, а затем стали получать ее сплавы с оловом, раздувая горн легкими через трубки. Для получения железа потребовалось уже восстановление руды древесным углем в сыродутных печах. И только с появлением электричества стало возможным разорвать прочную связь кислорода и алюминия и начать производство этого легкого металла.

Известно, что при нагреве мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе

При этом выделяется 31 кДж энергии на 1 г окислившегося алюминия, это чуть меньше тепла, образуемого при сгорании 1 л природного газа. Чем дисперснее частицы алюминия, тем меньшая необходима температура нагрева. Так, алюминиевый порошок, смешанный с выделяющими кислород веществами, начинает интенсивно гореть при температуре воспламенения 250-300 0С. Это широко используется в пиротехнике и производстве ракетного топлива. Распыленный же в воздухе алюминиевый порошок с размерами частиц менее 100 мкм способен образовывать взрывчатую смесь при комнатной температуре.

При проведении алюмотермической реакции алюминиевая дробь, смешанная с окисью железа (кузнечной окалиной), для воспламенения требует доведение локальной температуры до 1 100 0С. Затем реакция Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 продолжается самопроизвольно с образованием жидкого шлака из окиси алюминия и жидкого железа. При этом температура в зоне реакции достигает 2 400 0С. Следует отметить, что в 50-х гг. прошлого столетия в горнорудной промышленности ряда стран имели место случаи возгорания и взрывов при ударе алюминия ржавым железом или сталью в присутствии горючей окружающей среды. Природа явления также связана с алюмотермической реакцией, вызванной передачей кислорода между глубоко смешанными частицами алюминия и ржавчины. В нормальных атмосферных условиях таких случаев не наблюдалось. Поэтому в присутствии горючей окружающей среды алюминиевые детали, находящиеся в прямом контакте с ржавым железом или сталью, обязательно окрашивают и поддерживают покрытие в хорошем состоянии.

Химические свойства

Гидроксид алюминия
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

• с кислородом: 4Al + 3O2 = 2Al2O3
• с галогенами: 2Al + 3Br2 = 2AlBr3
• с другими неметаллами реагирует при нагревании: с серой, образуя сульфид алюминия: 2Al + 3S = Al2S3
• с азотом, образуя нитрид алюминия: 2Al + N2 = 2AlN
• с углеродом, образуя карбид алюминия: 4Al + 3С = Al4С3

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S­ Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4­

Со сложными веществами:

• с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи): 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2­
• со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов): 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2­ 2(NaOH•H2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2

• Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2­ 2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2
• При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия: 2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2­ + 3H2O
• восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия): 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe 2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

Еще один пример возгорания дисперсного алюминия

горение капель алюминиевого расплава в шлаке, снятом с зеркала ванны печи. Исследования [3] показывают, что в этом случае сгорают капли размером 1 мм и менее. Их доля достигает в шлаке 20-25%. Для сокращения потерь металла используют или быстрое охлаждение шлака до температуры 450 0С в среде инертного газа или прессование горячего шлака с применением установок ALTEK PRESS (а также их аналогов) для выжимания 10-20% алюминия и коагулирования капель в более крупные образования.

Горению алюминия в дисперсной форме способствуют следующие факторы. Поверхность дисперсных частиц обладает повышенной реакционной способностью, обусловленной увеличенной долей несовершенств из-за дефектов решетки и примесей. Большое значение имеет также огромное выделение энергии вследствие большой удельной поверхности контакта металла с кислородом и невозможность ее отвода вглубь металла из-за малости размера частиц. В результате подъема температуры ослабляются защитные свойства окисной пленки.

В компактной же форме алюминий и алюминиево-магниевые сплавы ни в твердом, ни в расплавленном состояниях в атмосферных условиях не горят, не поддерживают горения и не способствуют распространению пламени. Это свойство алюминиевых сплавов позволяет успешно плавить их в пламенных отражательных печах, подвергая непосредственному окислительному воздействию пламени горелок. Алюминиевая поверхность под действием огня нагревается и при достижении температуры плавления начинает оплавляться, но не горит. Такое поведение металла при взаимодействии с кислородом обусловлено достаточно высокими защитными свойствами образующейся на поверхности окисной пленки и возможностью отвода тепла из зоны реакции вглубь металла вследствие высокой теплопроводности алюминия.

Известно, что свежевскрытая поверхность алюминия даже при комнатной температуре довольно быстро покрывается окисной пленкой, толщина которой в первые часы окисления достигает 1,7-2,1 нм. При дальнейшей выдержке на воздухе толщина оксидного слоя медленно в течение 70-80 дней увеличивается до 3 нм и затем рост пленки практически прекращается. С повышением температуры толщина окисной пленки на поверхности алюминия растет и при температурах, близких к точке плавления, достигает 100 нм. На чистом алюминии до температур 700-1 000 0Сона состоит из г-Al2O3, параметр кубической решетки которой (0,791 нм) почти точно соответствует удвоенному параметру г.ц.к. решетки алюминия (0,808 нм). Поэтому г-окись алюминия как бы является простым продолжением решетки алюминия. Это обес-печивает ее хорошую адгезию на металле, сплошность и отсутствие пор и трещин. Единственный способ проникновения кислорода к алюминию – диффузия ионов через окисную пленку – процесс достаточно медленный даже при высокой температуре нагрева. Вот почему несмотря на высокое сродство алюминия с кислородом и экзотермический характер реакции окисления процесс горения алюминия в результате этой реакции развития не получает.

Продукты горения (сгорания)

Продукты горения – это вещества (газообразные, жидкие или твердые вещества) и соединения, образующиеся в результате сложного физико-химического процесса горения веществ (материалов).
Под продуктами горения чаще всего понимают дым, токсичные продукты горения, сажу и другие.

Продукты горения сухой травы

Знание свойств и количества продуктов горения необходимо для расчета теплоты сгорания , температуры горения и других показателей, используемых для оценки пожаровзрывоопасности веществ (материалов), объектов с наличием этих веществ (материалов).

В сплавах алюминия с магнием

ведущую роль в окислении играет магний, поскольку является поверхностно активным элементом и обладает большим, чем алюминий, сродством к кислороду. Поэтому в алюминиево-магниевых сплавах, содержащих до 1,0% магния, окисная пленка состоит в основном из шпинели MgAl2O4 и при более высоких содержаниях магния – только из MgO.

Защитные свойства поверхностных окисных пленок оценивают в соответствии с известным правилом Пиллинга и Бедворта [5] с помощью коэффициента изменения объема в, который представляет собой отношение объема эквивалента полученного окисла Мок/сок (Мок – масса в грамм-эквивалентах, сок – плотность) к соответствующему объему металла М/с. Если коэффициент в 1, что наблюдается для алюминия и железа, то на поверхности металла образуется плотная защитная пленка окисла. Пленка на алюминиево-магниевом сплаве из MgO хуже защищает от окисления и потерь магния, чем г-Al2O3 или б-Al2O3 на алюминии, но и она не допускает возгорания металла при нагреве в кислородосодержащей атмосфере.

Приведенные в табл. 1 [5] данные свидетельствуют о том, что сплавы на основе железа и алюминиевые сплавы в отношении горения должны быть равнозначными. Это согласуется с результатами испытаний на горючесть алюминия марки 8112 и алюминиевых сплавов систем Al-Mn (3003, 3004, 3105), Al-Mg (5005), Al-Mg-Si (6061, 6063) в вертикальной трубчатой печи, проведенных фирмой et Laboratories в США по заказу компании Kaiser Aluminium в период с 1968 по 1972 гг. Как отмечается в материалах [6] Американской алюминиевой ассоциации, все указанные сплавы в ходе этих испытаний вели себя одинаково и были полностью негорючими, как стальные материалы.

Алюминий и его сплавы от стальных материалов отличает более низкая температура плавления, данные по которой для сплавов, используемых в производстве строительных конструкций, приведены в таблице 2 [7]. В результате алюминиевые сплавы уступают сталям в части огнестойкости.

Большинство алюминиевых сплавов начинают заметно снижать прочность при температурах 200-250 0С и поэтому имеют более низкий максимум рабочей температуры по сравнению со сталью. В качестве примера на рисунке 2 [8] приведены данные по изменению механических свойств прутков и листов из сплава АД31, широко используемого в отечественных алюминиевых строительных конструкциях.

Эта особенность алюминиевых сплавов должна учитываться при проектировании строительных конструкций. Необходимо предусматривать защиту структурной целостности конструкций от воздействия огня в течение требуемых периодов времени с помощью техники огнестойкой отделки или вспенивающихся защитных покрытий, использовать комбинированные профили со специальными термоизолирующими элементами, позволяющими увеличить время прогрева каркаса и уменьшить температурные деформации при нагреве, применять водяные завесы, создаваемые спринклерными системами пожаротушения, а также другие известные строителям приемы.

В 1962 г. американская компания Alcoa опробовала защиту от пожара алюминиевых конструкций зданий покрытиями из легкого бетона на основе вермикулита. Было доказано, что толщина покрытия, необходимая для предотвращения увеличения температуры алюминиевых колонн сверх 190 0С и 260 0С в течение периода до 4 часов, лишь на немного больше, чем для стали. Для стальных колонн, в соответствии с требованиями Американского общества по испытанию материалов, такие покрытия требуются для предохранения от нагрева выше 540 0С. Использование легкого бетона было признано эффективным способом защиты алюминиевых строений.

Приведем несколько примеров. Немецкая компания Schьco предлагает ряд системных решений для защиты зданий от огня за счет применения огнестойких алюминиевых дверей, фасадов и стекла, а также компонентов огнестойкой конструкции (фурнитуры, уплотнителей, крепежа и пр.), которые прошли тестирование в Технологическом центре в Билефельде – одном из крупнейших в мире испытательных центров. Ею разработаны системы Firestop для дверей и перегородок с огнестойкостью 30, 60 и 90 минут [9].

Большие успехи в создании огнестойких алюминиевых конструкций достигнуты российской . Применяя профили с термоизолирующими элементами «АГРИСОВГАЗ» и «ТАТПРОФ», а также многослойные композиционные стекла со вспенивающимся при температурах 150-300 0Си образующим теплозащитный коксовый слой клеевым составом, она освоила серийный выпуск фасадов и перегородок с огнестойкостью EI-60 и EI-90. На сертификационных испытаниях огнестойкая конструкция из системы AGS-150 противостояла открытому пламени 120 минут, показав реальное соответствие уровню EI-120 (I класс огнестойкости).

Классификация

Большинство продуктов горения являются отравляющими веществами. Поэтому, говоря об их классификации, будет правильным ознакомить вас со следующим термином:

Классификация опасности веществ по степени воздействия на организм – это установление (ранжирование) уровней опасности веществ по их поражающему и повреждающему воздействию на организм человека и (или) животного. Более подробно о данной классификации читайте в материале по ссылке >>

Также ознакомьтесь с познавательным материалом по теме:

И, наконец, отличная способность алюминия

к отражению лучистой энергии обес-печивает лучшую защиту конструкции от перегрева при пожаре. При этом, чем больше длина волны света, тем интенсивнее (особенно в инфракрасной части спектра) она отражается алюминием. В реальных условиях поверхностная окисная пленка на алюминиевых сплавах уменьшает на 10-15% отражательную способность. Однако и в этом случае она значительно превышает 5% коэффициент отражения для окрашенной стали и 25% для нержавеющей стали. Это придает алюминиевым конструкциям дополнительные преимущества.

Таким образом, алюминий и его сплавы в компактной форме в атмосферных условиях не горят и не поддерживают горения. При проектировании конструкций необходимо учитывать весь комплекс свойств этих сплавов, как способствующих повышению огнестойкости, так и ее снижающих, а также применять способы защиты структурной целостности конструкции от воздействия огня. В мире накоплен огромный опыт успешного применения алюминия и его сплавов (в том числе и алюминиево-магниевых композиций) в конструкциях, требующих высокого сопротивления возгоранию и распространению пламени, включая суда, нефтяные платформы, грузовики с жидкими огнеопасными веществами, общественные здания (типа павильонов, торговых центров, арен) и др. сооружения. Поэтому есть все основания для широкого использования алюминиевых сплавов и в российской строительной практике.

Литература

1. «Вентилируемые фасады: «за» и «против»».//«Технологии строительства», № 1 (42), 2006, с. 6-18.

2. Уикс К. Е., Блок Ф. Е. «Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов». – М.: «Металлургия», 1965.

3. Zeng D., Pankov E. The best recycling technology and equipment for today’s Russian market with case study at VMC, Russia.//Труды 3-й международной конференции «Рециклинг алюминия». Москва, 29-31 марта 2006 г.

4. Добаткин В. И., Габидуллин Р. М., Кола-чев Б. А., Макаров Г. С. «Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах». – М.: «Металлургия», 1976.

5. «Окисление металлов» (под ред. Ж. Бенара). Т. 1. – М.: «Металлургия», 1968.

6. Fire Resistance and Flame Spread Performance of Aluminum and Aluminum Alloys. Second Edition. The Aluminum Association, Inc. July 2002. P. 21.

7. «Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение)». – М.: «Металлургия», 1979.

8. Микляев П. Г. «Механические свойства легких сплавов при температурах и скоростях обработки давлением». Справочник. – М.: «Металлургия», 1994.

9. «Алюминиевые огнестойкие системы Schьco».//«Окна, двери, фасады». Выпуск 17. 2006, с. 134-137.

Химический справочник Цвет пламени при горении соединений, содержащих металлы

Цвет пламени при горении соединений, содержащих металлы

Металл, входящий в соединение	Цвет пламени
Стронций	Темно-красный
Литий	Малиновый
Кальций	Кирпично-красный
Натрий	Желтый
Молибден	Желто-зеленоватый
Барий	Желтовато-зеленый
Медь	Ярко-зеленый
Бор	Бледно-зеленый
Теллур	Зеленый
Таллий	Изумрудный
Селен	Голубой
Мышьяк	Бледно-синий
Индий	Сине-фиолетовый
Цезий	Розово-фиолетовый
Рубидий	Красно-фиолетовый
Калий	Фиолетовый

× Источник: Коленко Е. А. Технология лабораторного эксперимента: Справочник. -СПб.: Политехника, 1994. С. 736.

Особенности горения и тушения металлов и гидридов металлов

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.

Результаты и обсуждение

Горение металлов, их сплавов, металлосодержащих веществ, в т.ч. металлоорганических веществ согласно ГОСТ 27331-87 подразделяются на 3 класса:

1. класс Д1 – горение легких металлов (алюминий, магний и их сплавы, кальций, титан), условно «тяжелых» металлов (цирконий, ниобий, уран и др.);
2. класс Д2 – горение щелочных металлов (литий, натрий, калий и др.);
3. класс Д3 – (металлоорганические соединения: алюмо-, литий-, цинк- органика, гидриды алюминия, лития и др.).

Каждый из перечисленных металлов и их гидридов в обычном состоянии представляет собой твердое вещество, кроме металлоорганических соединений (МОС), представляющих собой жидкости.

Из особенностей металлов, которые имеют прямое отношение к их пожаро-, взрывоопасности и горению необходимо отметить следующие:

• склонность к самовозгоранию при обычных условиях (т.е. пирофорность);
• способность взрываться в состоянии аэровзвеси;
• взаимодействие горящих металлов с водой, некоторыми газовыми огнетушащими составами: хладонами (хлорфторуглеводороды), азотом (например, магний) и др.

Способностью самовоспламеняться обладают щелочные металлы, стружка, металлические порошки, имеющие неокисленную активную поверхность, гидриды металлов, МОС (классы пожаров Д2, Д3).

Наиболее пожаро-, взрывоопасными металлами, горение которых происходит по классу Д1, являются легкие металлы в виде продуктов их переработки: порошков разной дисперсности, стружки. Металлы в виде изделий различной конфигурации (листы, профили и т.п.) поджечь практически невозможно, если обеспечиваются условия преобладания теплоотвода над теплоприходом.

Гидриды металлов занимают промежуточное положение между металлами и органическими соединениями. Связано это с тем, что при их разложении выделяется водород, что можно рассматривать как аналогию процесса выделения горючих газов при пиролизе органических материалов, сгорающих в газовой фазе [1]

При этом гидриды металлов значительно различаются между собой по своим физико-химическим свойствам, по механизму горения и воспламенения. Так, гидриды титана, ниобия, тантала и т. д. являются по существу растворами водорода в металле и имеют переменный состав с металлическим типом связи. Они горят в основном в тлеющем режиме, пламенное горение водорода практически отсутствует.

В то же время литий-алюминий гидрид (ЛАГ), гидриды алюминия (ГА) и лития (ГЛ) – ярко выраженные индивидуальные соединения с ионной (для ГЛ – частично ковалентной) связью, характеризующиеся наличием режимов пламенного и гетерогенного горения [2]

ГА и гидриды щелочных металлов проявляют пирофорные свойства, активно взаимодействуют с влагой воздуха, при небольшом нагреве активно выделяют водород и вследствие этого в состоянии аэровзвеси образуют гибридные взрывоопасные смеси с воздухом.

При повышенных температурах и при горении возможно взаимодействие азота с наиболее активными гидридами, например, ГА.

Небольшое разбавление азота воздухом может привести к очень «жесткому» взрыву аэровзвеси ГА, поэтому не для всех гидридов металлов можно использовать азот в качестве защитной атмосферы. Иногда для этого приходится использовать аргон.

Таким образом, характер горения металлов и металлосодержащих веществ исключает применение воды, водопенных средств тушения и ряда газовых огнетушащих составов, т. к. при контакте этих средств с горящими металлами происходит их взаимодействие, приводящее к разгоранию.

В России и мировой практике для тушения пожаров классов Д1, Д2, Д3 применяются огнетушащие порошковые составы специального назначения (ОПСН). При создании рецептуры таких составов учитываются следующие факторы:

• основное вещество, определяющее этот состав (от 80 до 95% об.), не должно содержать в молекуле атом кислорода (не поддерживать горение) и не вступать с металлом в химическую реакцию;
• ОПСН должны иметь определенный фракционный состав (как правило, в диапазоне 50-75 мкм);
• ОПСН не должны слеживаться в процессе хранения, что достигается включением в их состав антислеживающих гидрофобизирующих добавок, а также обладать рядом других эксплуатационных свойств в соответствии с общепринятыми техническими требованиями;

В настоящее время наиболее распространены для тушения пожаров классов Д1, Д2, Д3 ОПСН на основе хлоридов щелочных металлов (KCl – Россия и NaCl – Европа, США). В качестве огнетушащих составов для металлов существует ряд жидкостных составов (например, на основе борных эфиров), но они не нашли широкого применения в практике пожаротушения.

Основным принципом достижения положительного результата при тушении металлосодержащих веществ (по классам Д1, Д2, Д3) является создание с помощью ОПСН защитного полного покрытия очага горения, препятствующего доступу кислорода воздуха в зону горения. Такое покрытие должно быть достаточно плотным, иметь необходимую толщину слоя порошка по всей поверхности очага горения, что достигается при определенном удельном расходе порошка (кг/м2).

Тушение металлов и металлосодержащих веществ имеет ряд особенностей, присущих каждой группе веществ по классам Д1, Д2, Д3 в т.ч.:

1. для тушения металлов по классу Д1 ОПСН должен отвечать критериям, приведенным выше, при этом основу порошка составляет, например, хлорид калия с плотностью около 1 г/см3).;
2. для тушения гидридов металлов (Д3) применяется ОПСН с характеристиками, аналогичными для ОПСН, применяемого для тушения по классу Д1;
3. для металлорганических веществ, являющихся жидкостями при обычных условиях, ОПСН должен иметь плотность, близкую к плотности этих веществ (~ 0,7-0,8 г/см3), что обеспечивается введением в состав порошка негорючей добавки с низкой плотностью (перлит, вермикулит), что также способствует адсорбции МОС и улучшает надежность тушения.

При тушении натрия [3]

возникает так называемый «капиллярный» или фитильный эффект горения за счет роста оксидных образований, прорастающих через слой порошка, по которым жидкий натрий проникает и горит в виде фитиля. Для предотвращения роста оксидов обычно используют специальные добавки.

Тушение металлов и металлосодержащих соединений ОПСН коренным образом отличается от тушения, например, углеводородных ЛВЖ, ГЖ (классы пожаров A, B, C) порошками общего назначения. В случае тушения пожаров класса Д (Д1, Д2, Д3) основная задача при подаче ОПСН заключается в создании на поверхности очага горения слоя порошкового покрытия, желательно равной высоты, что достигается путем использования так называемых успокоителей, присоединяемых к подающему устройству (на выходе подающего ствола) огнетушителей, порошковых автомобилей. Использование насадки-успокоителя при подаче ОПСН необходимо при тушении порошков металлов и их гидридов, при этом практически предотвращается образование аэровзвеси огнетушащего порошка. Для тушения пожаров классов A, B, C применяется распылительное устройство типа «пистолет», при этом создается порошковое облако над очагом горения, которое способствует достижению тушения.

ОПСН можно применять для тушения радиоактивных металлов. При использовании, например, огнетушащего состава на основе хлорида калия, значительно снижается выделение радиоактивных аэрозолей.

Однако использование порошкового пожаротушения тоже имеет свои недостатки:

• огнетушащий порошковый состав в отличие от воды не обладает охлаждающим действием. Надежное тушение можно достичь при охлаждении металлов до температуры ниже температуры их самовоспламенения. А температура горящих металлов, как правило, значительно выше температуры самовоспламенения, поэтому процесс тушения металлов и их гидридов носит длительный характер;
• практически все выпускаемые автомобили порошкового тушения имеют ограниченные технические возможности и не могут обеспечить надежное тушение в помещениях объемом более 300-600 м3. Максимальная высота подачи ОПСН в зависимости от типа автомобиля порошкового тушения и давления в емкости составляет 10-25 м, при этом максимальное расстояние подачи порошка по горизонтали составляет 40-60 м, что является в ряде случаев недостаточным для того, чтобы обеспечить доставку порошка к месту загорания.

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.

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 96. 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.

Пожар класса «D» - горение металлов

Натрий, калий и их сплав тушатся огнетушителями или установками с огнетушащими порошками ПС-1 и ПС-2. Нередко для борьбы с возгоранием этих щелочных металлом используют поваренную соль, аргон и азот.

Горящий натрий можно потушить порошкообразным графитом.

Металлический литий в случае его воспламенения потушить очень непросто. Все самые распространенные огнетушащие вещества для этого не подходят (вода, углекислота, пена и т. д.).

Для устранения возгорания металлического лития были разработаны специальные порошковые смеси ПС-11, ПС-12 и ПС-13. В их основе – различные флюсы и графит с примесями.

Возгорание лития также можно подавить путем вытеснения воздуха из очага горения при помощи аргона.

Особенности резки

К каждой металлической заготовке нужен свой подход. Остановимся на особенностях резки листов, поковок и труб.

Резка листов

Ручная техника применяется для обработки листов. В качестве горючего газа в этом случае часто используют ацетилен, пропан-бутан и природный газ. Первый вариант предпочтительнее, поскольку при его применении время разогрева заготовки минимально.

Листы толщиной 3–300 мм рассекаются резаками Р2А-01 или РЗП-01. Для материала толщиной до 800 мм необходимы специализированные инструменты типа РЗР-2.

При резке стали малой толщины возможны перегревы, коробление металла и оплавление кромок. Чтобы не допустить этого, лучше применять резку с последовательным расположением пламени и кислорода. Мощность пламени должна быть минимальная, а скорость работы — максимальная.

При использовании ручной кислородной резки актуальны следующие технологические приемы:

• безгратовая резка (позволяет получить срезы без грата (заусенцев, избыточного выдавленного металла) на кромках, подразумевает использование сопла с расширением на выходе и кислорода чистотой более 99,5 %);
• пакетная резка (позволяет получать качественные срезы тонких листов, подразумевает стягивание в одну пачку заготовок толщиной 1,5–2 мм).

Рисунок 3 — Резка листового металла

Оборудование для кислородной резки

Поскольку для работы часто используют ацетилен, то в качестве оборудования нередко берут установки для ацетиленовой сварки. Вместо сварочных горелок там применяются газовые резаки. Наиболее распространенный вариант — резак инжекторного типа.

По своей конструкции резаки существенно отличаются от горелок. Они имеют дополнительные трубки, через которые подается режущий кислород, и наконечники с мелкими отверстиями для смеси газов. Центральное отверстие предусмотрено для подачи режущего кислорода.

Рисунок 4 — Схема установки для кислородной резки

Принцип работы машины для кислородной резки:

1. заготовка располагается горизонтально, вентили резака закрыты;
2. открывается кислородный вентиль, а после — вентиль горючего газа;
3. смесь воспламеняется и регулируется по мощности;
4. металл нагревается по площади реза;
5. открывается вентиль с режущим кислородом, активирующим горение при достижении разогретого металла;
6. в процессе появляются окислы, они удаляются струей кислорода;
7. при окончании работы сначала закрывают вентиль режущего кислорода, потом горючего газа, в завершении — горелки.

Основной инструмент комплекта кислородной резки — резак. Существуют классификации этих элементов:

• по виду горючего газа (резаки для жидких горючих смесей, ацетилена, газов-заменителей);
• степени автоматизации (ручные, машинные);
• назначению (специальные и универсальные);
• смешиванию газов (безинжекторные и инжекторные);
• мощности пламени (большая, средняя, малая).

Литература:

1. Чибисов А.Л., Соина Е.А., Габриэлян С.Г., Смирнова Т.М., Габриэлян Г.С. Предельные условия и особенности воспламенения, горения и тушения различных металлов// Водородное материаловедение и химия гидридов металлов: Сборник тезисов VII международной конференции.-Украина, Ялта, 2001.-С.416.
2. Чибисов А.Л., Смирнова Т.М., Громов А.Д., Акинин Н. И. Определение безопасной удельной скорости выделения водорода в технологическом процессе// Водородное материаловедение и химия гидридов металлов: Сборник тезисов VIII международной конференции.-Украина, Ялта, 2003. С.356-357.
3. Габриэлян С. Г., Габриэлян Г. С. Рекомендации по тушению жидкого натрия и пирофорных алюмоорганических катализаторов М.: Изд. ВНИИПО, 2000, 19 с.

Другие статьи по теме:

• Основные неисправности подвески и рулевого управления — часть 1
• Техника безопасности и основные требования ТБ во время разборки
• Заточка и правка режущих инструментов
• Основные неисправности подвески и рулевого управления — часть 2
• Основные элементы системы зажигания. Катушка зажигания. Часть 2
• Основные элементы системы зажигания. Катушка зажигания. Часть 1
• Техника безопасности при эксплуатации моечного оборудования и применении моющих средств
• Рабочее место. Особенности организации и ТБ
• Техника безопасности при применении бензола и антифриза
• Техника безопасности при работе на линии

Преимущества кислородной резки

Технология кислородной и кислородно-флюсовой резки имеет массу преимуществ. Среди них:

1. большие толщины рассекаемого металла (до 500 мм), ограниченные лишь конструктивными особенностями установок кислородно-флюсовой резки;
2. низкая себестоимость;
3. высокое качество (современные машины позволяют достичь приемлемой ширины реза, отсутствия конусности реза, чистых кромок, не требующих обработки);
4. возможность использования многорезаковых схем.

Качественную кислородную резку осуществляют специалисты «МетиСтр», в арсенале которых — высокоточные станки и богатый опыт.

Читайте также:

  
• Сергей высокосов коррозия металла
  
• Лазерная трубка для резки металла
  
• Без какого металла невозможна фотография
  
• Двери металлические с молотковым покрытием
  
• Шкаф медицинский металлический с замком