Горение металлов

По характеру горения металлов их делят на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительна низкими температурами фазового перехода — температура плавления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литий, 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. 7).

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 передается 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 рызрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения.

Таблица7

	Химическая формула		Температура плавления, К		Температура кипения, К
Группа	Металл	Окисел	Металл	Окисел	Металл	Окисел
Летучие	Li Na К Mg -	Li2O Na8O K2O MgO	1454 317 337 923	1,700 111 700 3075	116 20 Iil56 1Q52 1381	2823 2190 1(750 3(350
Нелетучие	Al Be Ti	Аl2O3, BeO ТЮ2	932 1,556 . 1(950	241,8 2823 211(38	2679 2750 Э550	3800 41/23 4Ш0

Для нелетучих металлов характерны высокие температуры плавления (выше 1000 К) и кипения (выше 1500 К), образующиеся при высоких температурах оксиды находятся в жидком состоянии и не дают продолжаться горению. Поэтому они могут гореть в состоянии порошков, тонкой проволоки, стружки, или в условиях очень высоких температур, без образования дыма.

Основными параметрами их горения являются время воспламенения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частички металла т_г пропорционально квадрату ее диаметра d₀. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической.

• 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. 8.8 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгора­ния взвеси частиц диаметрами менее 10^-2мм и 3-10^-2мм алю­миния в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.

Таблица 8

Концентрация алюминия ,	Коэффициент избытка	Скорость рас­пространения пламени, м/с		Массовая ско­рость выгора- ния, кг/(м2-с)
г/л-103	воздуха	d< 10-2 мм	d< 3 • 10-2 мм	d<10-2 мм	d< 3- 10-2 мм
100	3,15	0,21	0,15	0,275	0,196
150	2	0,285	0,19	0,387	ода
200	1,58	0,345	0,33	0,486	оде*
250	1,26	0,395	01,26	0,577	0,38

Анализ данных табл. 8 позволяет сделать следующие выводы.

1. С увеличением размера частиц горючего в воздухе скорость распространения пламени уменьшается.

2. При приближении состава горючей смеси (металл—воздух) к стехиометрической (а=1) скорость распространения пламени возрастает.

3. Скорость горения взвеси частиц металла в воздухе одного, порядка с нормальной скоростью распространения пламени по стехиомётрическим смесям предельных углеводородов в воздухе—0,4м/с (табл. 8).

Горение металлов возможно не только в окислительной среде, но и в продуктах горения органических веществ. В этом случае горение протекает за счет экзотермической реакции восстановле­ния воды до водорода, а двуокиси углерода до его окисла по реакции:

Вода при температурах выше 1700 ^оС разлагается на водород и кислород, образуя гремучую смесь (возможен взрыв), поэтому её нельзя подавать на раскалённые поверхности.

При тушении металлов не допускается использовать пену, воду и др. средства на её основе. СО₂, порошки общего назначения, хладоны не дают эффекта. Следует использовать специальные порошки: ПС, МГС, РС, ПГС-М, объёмное тушение аргоном, комбинированным составом (N₂ + CO₂).

23