6.3. Особенности горения металлов

Металлы отличаются от других ТГВ тем, что на их поверхности образуются твёрдые оксиды, препятствующие контакту металла и окислителя (кислорода воздуха).

По характеру горения и по температуре фазового перехода металлы делят на две группы: летучие и нелетучие.

К летучим металлам относятся щелочные и щелочноземельные металлы: литий Li, натрий Na, калий K, магний Mg, кальций Ca. Особенностью их горения является то, что при кипении металла окисел находится в твёрдом состоянии. Например, для магния

К нелетучим металлам относят алюминий AL, титан Ti, бериллий Be, цинк Zn. Температура кипения нелетучих металлов выше температуры плавления их окисла , т.е. когда металл кипит, окисел находится в жидком состоянии. Например, алюминий .

Металлы считаются негорючими, однако в некоторых случаях могут гореть (при высоких температурах, мощных источниках зажигания).

При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит нагревание, плавление металла, испарение паров, окисление паров. Далее горение летучих и нелетучих металлов из-за особенностей поведения их окислов происходит несколько по-разному.

Летучий металл в этот момент расплавлен, а его окисел находится в твердом состоянии, поэтому пары свободно проходят через его пористую структуру. При достижении концентрации паров значения нижнего КПРП происходит воспламенение, температура воспламенения для разных металлов лежит в пределах 70 600 С. Так как пламя располагается близко к поверхности, много тепла передаётся металлу, происходит его кипение, что способствует разрушению корки окисла. Кислород получает доступ непосредственно к металлу, что приводит к ускорению горения. Температура горения металла выше температуры кипения окислов , поэтому пары окислов находятся в газообразном состоянии, выделяется характерный белый дым.

У нелетучих металлов окисел расплавляется первым, окисная пленка препятствует контакту с кислородом. Крупные частицы нелетучих металлов не горят, только стружка, порошок. Горение происходит без дыма. Периодически происходит разрыв окисной пленки, интенсифицирующий горение. Температура горения нелетучих металлов порядка 300-1000 C.

Таким образом, особенности горения металлов связаны со свойствами их окислов и высокими температурами их горения.

Важно, что горение металлов, в отличие от прочих ТГВМ, продолжается в продуктах горения (флегматизаторы СО₂, Н₂О), что осложняет предотвращение пожаров и их тушение.

Большинством огнетушащих веществ тушить металлы не только неэффективно, но и опасно [9, 17, 22].

Металлы горят при настолько высокой температуре, что при подаче на горящий металл воды и пены выделяется водород, образуется гремучая смесь, горение происходит с хлопками, которые усиливают горение. В целом, водой можно водой тушить порошкообразное железо и компактные металлы, но с принятием мер безопасности (с безопасного расстояния, из-за укрытий). Однако подача воды на радиоактивные материалы может спровоцировать самопроизвольную цепную реакцию.

В связи с тем, что горение металлов протекает не по цепному механизму, они, в отличие от других ТГВМ, продолжают гореть в среде продуктов горения (диоксид углерода , пары воды и азот ). Диоксид углерода при высокой температуре горения может разлагаться на горючий газ ‑ монооксид углерода СО (угарный газ). Из флегматизаторов можно тушить аргоном Ar, но необходимо долгое время поддерживать огнетушащую концентрацию, так как металлы продолжают гореть при содержании кислорода 2 % (МВСК = 2 %).

Обычные огнетушащие порошки также неэффективны, т.к. их компоненты: бикарбонат Na и фосфорно-аммонийные соли, интенсивно взаимодействуют с горючим металлом.

Основное средство тушения при горении металлов – порошки специального назначения, например ПГС-М, МГС, ПХК. Однако и эти специальные порошки надо подавать со сравнительно большим удельным расходом. Так, удельный расход ПГС-М для тушения магния Mg, алюминия Al – 12-14 кг/м², стружки титана Ti – 60 кг/м²; уран в брикетах – 110 кг/м². Для сравнения приведем удельный расход огнетушащего порошка для тушения горючих жидкостей – 0,8 -0,9 кг/м². Подробнее о тушении металлов говорится в теме «Прекращение горения» [17].

Вопросы для самоконтроля

1. На какие группы делят металлы по характеру горения?

2. Какие металлы относят к летучим, в чем состоит особенность их горения?

3. Какие металлы относят к нелетучим, в чем их особенность горения?

4. Почему обычные огнетушащие вещества неэффективно или опасно применять для тушения пожаров металлов?

5. Перечислите огнетушащие средства, рекомендуемые для тушения пожаров металлов

Глава 7. Оценка пожаровзрывоопасности веществ и материалов

7.1. Понятие и методика оценки пожаровзрывоопасности веществ и материалов

Прежде чем приступить к изучению методики оценки пожаровзрывоопасности (ПВО) (пожарной опасности) веществ и материалов, необходимо определиться с исходными понятиями: оценка и пожаровзрывоопасность (пожарная опасность).

Под оценкой понимают определение степени, уровня чего-либо.

Пожаровзрывоопасность (пожарная опасность) – возможность возникновения и/или быстрого развития пожара (взрыва), заключенная в веществе или технологическом процессе.

Итак, под оценкой пожаровзрывоопасности вещества (материала) будем понимать установление возможности (вероятности) возникновения и/или быстрого развития пожара (взрыва), которая заключена в веществе (материале).

Пожарная опасность не является постоянной и зависит от состояния внешней среды (так, пожарная опасность практически всех веществ возрастает при повышении температуры, давления и снижается при повышении влажности).

Пожаровзрывоопасными называют вещества (материалы), которые в силу своих свойств каким-либо образом благоприятствуют возникновению или развитию пожара.

Эти вещества могут принадлежать к самым различным классам химических веществ.

Для того чтобы оценить пожарную опасность вещества (материала), необходимо определить:

• способность вещества возгораться;

• интенсивность процесса горения и сопутствующих горению явлений (дымообразование, токсичность);

• возможность прекращения горения.

Поэтому говорят, что вышеперечисленные процессы определяют пожарную опасность веществ (материалов).

Сущность оценки пожаровзрывоопасности вещества (материала) состоит в определении:

• ряда физико-химических констант: стандартная теплота образования, нормальная температура кипения, теплота плавления, теплота испарения, коэффициент диффузии, теплоемкость, плотность и др.;

• комплекса показателей пожаровзрывоопасности (в соответствии с ГОСТ 12.1.044 [7]). Число определяемых показателей зависит от агрегатного состояния вещества и условий применения. Так как каждый показатель пожаровзрывоопасности оценивает какую-то одну сторону пожаровзрывоопасности (один процесс), для оценки пожаровзрывоопасности нельзя применять один показатель, только комплекс. Количество определяемых показателей пожаровзрывоопасности устанавливает проектировщик.

• эффективных средств пожаротушения [9, 17, 22].

Оценку пожарной опасности проводят, как правило, при лабораторных исследованиях [7, 16].

Ответственность за оценку пожаровзрывоопасности возлагается на организацию, разрабатывающую технологию и рекомендующую материал для использования.

Перечень показателей пожаровзрывоопасности, которые необходимо определять при оценке пожаровзрывоопасности газов, жидкостей и твердых веществ, приведен в ГОСТ 12.1.044 [7], табл. П.1.

Все показатели пожаровзрывоопасности можно разделить на несколько групп, характеризующих различные этапы и стороны развития и прекращения горения:

I группа: на основании эксперимента решает вопрос о горючести (группа горючести);

II группа: характеризует способность вещества к самовоспламенению, самовозгоранию и возгоранию от источников зажигания. Например, температура самовоспламенения, температура воспламенения, минимальная энергия зажигания, температурные условия самовозгорания, кислородный индекс, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, концентрационные и температурные пределы распространения пламени;

III группа: характеризует способность вещества к распространению пламени. Например, скорость выгорания; косвенно характеризующие процесс горения: коэффициент дымообразования, удельная скорость дымообразования, токсичность продуктов горения.

Из всех показателей пожаровзрывоопасности выделяют важнейшие (наиболее часто употребляемые):

• для газов: группа горючести (наиболее общий показатель), концентрационные пределы распространения пламени; температура самовоспламенения;

• для жидкостей: группа горючести, температура вспышки, температурные пределы распространения пламени, температура самовоспламенения;

• для твердых веществ: группа горючести, температура воспламенения и температура самовоспламенения.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под оценкой пожаровзрывоопасности веществ и материалов?

2. Какие вещества называют пожаровзрывоопасными?

3. Какие процессы определяют пожарную опасность веществ (материалов)?

4. В чем состоит сущность оценки пожаровзрывоопасности веществ и материалов?

5. На какие группы можно разделить все показатели пожаровзрывоопасности?

6. Перечислите важнейшие (наиболее часто употребляемые) показатели пожаровзрывоопасности.

2. Алгоритм оценки пожаровзрывоопасности веществ и материалов

Для того чтобы оценить пожаровзрывоопасность вещества (материала) придерживаются следующего алгоритма.

1. По литературным источникам и опытным путем устанавливается агрегатное состояние вещества (материала) и параметры, характеризующие физико-химические свойства (название, химическая формула и элементный состав, плотность вещества, растворимость в воде и других растворителях, температуру кипения, плотность паров по воздуху).

2. Определяется химическая активность (в особенности, склонность оцениваемого вещества к самовозгоранию);

3. Преимущественно экспериментальным путем определяется способность возгораться и распространять пламя (т.е. комплекс показателей пожаровзрывоопасности).

Работа по определению показателей пожаровзрывоопасности выполняется в несколько этапов:

• изучаются литературные данные о физико-химических и пожаровзрывоопасных свойствах вещества;

• рассчитываются показатели пожаровзрывоопасности;

• составляется рабочая программа исследования;

• производится отбор, транспортировка и хранение проб исследуемого вещества;

• производится подготовка к испытаниям;

• проводятся испытания и оформляются результаты опытов.

4. Устанавливается токсичность вещества и продуктов горения.

5. Определяются наиболее эффективные огнетушащие средства и те, которыми данное вещество тушить опасно.

Результаты оценки пожарной опасности веществ и материалов и показатели пожаровзрывоопасности используются:

• при разработке противопожарных мероприятий (мероприятий по обеспечению пожарной безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 [2]; в качестве первого и очень важного этапа оценки пожарной опасности технологического процесса и объекта для разработки противопожарных мероприятий). На основе оценки пожарной опасности техпроцессов строится система противопожарной защиты объекта;

• при выборе типа электрооборудования и уровня его взрывозащиты. Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) объем противопожарных мероприятий зависит от класса зоны, группы и категории взрывоопасных смесей газов и паров, температурного класса веществ, для чего необходимо определить НКПРП, температуру вспышки, температуру самовоспламенения обращающихся в помещении веществ;

• для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности, в зависимости от чего определяется объем противопожарных мероприятий;

• при разведке пожара [19];

• включаются в стандарты или технические условия на твердые вещества и материалы.

Добавим, что проектировать производства, склады, объекты транспорта можно только при наличии оценки пожаровзрывоопасности веществ, применяемых в строительстве и обращающихся в производстве [7, 21].

Таким образом, для успешного предупреждения и тушения пожаров необходимо качественно проводить оценку пожаровзрывоопасности веществ (материалов), которая состоит в определении комплекса показателей пожаровзрывоопасности и физико-химических свойств, влияющих на пожарную опасность вещества. Алгоритм оценки насчитывает пять позиций. Оценка пожаровзрывоопасности вещества (материала) производится согласно ГОСТ 12.1.044 [7].

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите алгоритм оценки пожаровзрывоопасности веществ (материалов).

2. Где применяются результаты оценки пожарной опасности веществ (материалов)?