Особенности горения и тушения металлов и гидридов металлов

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.

Пожарная опасность жидких горючих веществ

Пожарная опасность горючих жидкостей определяется температурой вспышки паров испаряющейся жидкости при (внесении источника тепла. Температура вспышки представляет собой наименьшую температуру, при которой пары горючего вещества создают над его поверхностью паровоздушную смесь, воспламеняющуюся при внесении источника тепла (например, открытого огня).

За время вспышки поверхность горючей жидкости не прогревается до температуры, достаточной для интенсивного испарения жидкости, и дальнейшее горение прекращается. Если температура жидкости в момент вспышки окажется достаточной для того, чтобы вслед за вспышкой последовало горение, то такую температуру называют температурой воспламенения горючей жидкости.

Чем ниже температура вспышки горючей жидкости, тем больше пожарная опасность По существующей классификации все горючие жидкости разделяются на два класса. К I классу относятся жидкости с температурой вспышки менее 45°С (например, бензин, спирт, эфир, керосин и др.), а ко II классу—жидкости с температурой вспышки более 450С (например, масла, мазуты и др.). Огнеопасные жидкости I класса относят к легковоспламеняющимся жидкостям, а жидкости II класса — к горючим.

Следует отметить, что пожарная опасность ряда твердых веществ (например, нафталин, фосфор, камфора и др., которые испаряются при нормальной температуре) также характеризуется температурой вспышки.

У легковоспламеняющихся жидкостей небольшая (1—2°С) разница между температурой вспышки паров и температурой воспламенения. У горючих жидкостей эта разница достигает 30 0С и более.

Пожарная опасность жидкостей увеличивается с понижением температуры вспышки, температуры воспламенения и самовоспламенения, а также с увеличением скорости испарения и уменьшением нижнего предела концентрации взрывоопасной смеси паров жидкости с воздухом.

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

Пожарная опасность пыли

Пыль горючих веществ в состоянии аэрогеля (в виде отложений пыли) может тлеть и гореть, а находясь в форме аэрозоля, т. е. будучи взвешенной в воздухе, она способна взрываться, образуя взрывоопасные пылевоздушные смеси. Горению пыли в значительной мере способствует адсорбция пылью кислорода воздуха. Взрывоопасность пыли повышается с уменьшением частиц пыли вследствие увеличения ее удельной поверхности. Температура самовоспламенения горючей пыли обычно колеблется в пределах 700—900°С, но некоторые виды пыли имеют относительно низкую температуру самовоспламенения (например, сажа взрывается при 360 °С).

Аналогично горючим газам и парам у пыли существует нижний и верхний пределы взрывоопасной концентрации. Нижний предел взрывной концентрации (источник тепла — раскаленное тело) для серной пыли составляет 7, сахарной 10,3, алюминиевой 7 и каменноугольной 17,2 г/м3.

Пределы взрывоопасной концентрации пыли зависят от влажности, дисперсности, температуры и мощности источника тепла и других факторов. Развиваемое при взрывах пыли давление обычно не превышает 0,4—0,6 мн/м2 (4—6 атм).