Температура горения алюминия

Горение 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 t_г пропорционально квадрату ее диаметра d_o. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия t_г

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.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

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]

Во взрывоопасных установках ( внутри помещений и наружных) основными видами электропроводок в сетях напряжением до 1000 в являются электропроводки, выполненные изолированными проводами в стальных трубах или кабелями с бумажной изоляцией. Провода и кабели с алюминиевыми жилами могут применяться во взрывоопасных установках всех классов, кроме помещений классов B-I и В-I a. В помещениях классов B-I и В-I a должны применяться провода и кабели только с медными жилами. Это требование объясняется особыми свойствами горения алюминия . При коротком замыкании между алюминиевыми жилами внутри оболочки оборудования мельчайшие частицы раскаленного алюминия получают весьма большое ускорение и, не успев окислиться ( сгореть) внутри оболочки оборудования, пролетают сквозь фланцевые зазоры наружу. Соединяясь с кислородом воздуха вне оболочки, распыленные частицы раскаленного алюминия сгорают при весьма высокой температуре ( около 2000 С) и могут вызвать воспламенение окружающей взрывоопасной среды. [34]

Температура кипения алюминия монотонно растет с увеличением давления, а температура горения с увеличением давления обычно быстро достигает своего максимального значения, определяемого тепловыми потерями и диссоциацией окислов. По данным работы [10], максимальное значение температуры горения алюминия равно 3533 К. Близкая к этой величине температура горения алюминия приводится в работах [ И, с. Отсюда ясно, что при давлениях, больших 32 2 кгс / см2, алюминий при горении не может кипеть. Связанное с этим уменьшение парциального давления паров алюминия и массовой скорости испарения может привести к преобладающей роли гетерогенных реакций на поверхности расплава и подавлению парофазного горения. [35]

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. [36]

В годы войны Зенгер существенно улучшил свою конструкцию и построил весьма эффективный двигатель с тягой – – в-4 – Л Эймс, двигательL был испытан на новом ракетном топливе, состоявшем из порошкообразного алюминия, взвешенного в жидком топливе. Такое сочетание было впервые предложено В. Циммерманом в 1937 г. ( Американское Ракетное общество), причем идея этой топливной смеси сводится к увеличению скорости реактивной струи путем использования интенсивного тепловыделения при горении алюминия . [38]

Температура кипения алюминия монотонно растет с увеличением давления, а температура горения с увеличением давления обычно быстро достигает своего максимального значения, определяемого тепловыми потерями и диссоциацией окислов. По данным работы [10], максимальное значение температуры горения алюминия равно 3533 К. Близкая к этой величине температура горения алюминия приводится в работах [ И, с. Отсюда ясно, что при давлениях, больших 32 2 кгс / см2, алюминий при горении не может кипеть. Связанное с этим уменьшение парциального давления паров алюминия и массовой скорости испарения может привести к преобладающей роли гетерогенных реакций на поверхности расплава и подавлению парофазного горения. [39]

На второй стадии горения частицу окружает однородная, более яркая зона свечения, которая уменьшается по мере выгорания металла. Однородность и сферичность зоны пламени показывают, что окисная пленка на поверхности частицы расплавлена. Диффузия металла через пленку обеспечивается низким диффузионным сопротивлением жидкого окисла. Размер зоны пламени значительно превышает размер частицы, что говорит о горении металла в паровой фазе. Сравнение характера второй стадии горения с известной картиной горения алюминия [6, 14, 36] указывает на большое сходство, вероятно, на этой стадии процесса горит алюминий. По мере его выгорания происходит уменьшение размеров пламени, а следовательно, и горящей капли. Сгоревшая частица длительное время светится. [41]

В раобте и ], при увеличении содержания ing; сверх 70 % начинается значительное повышение температуры ( температурного интервала) плавления сплава. В результате более позднего плавления частицы, а также продолжающегося снижения теплоты сгорания, воспламенение и горение частиц с очень высоким содержанием магния несколько замедляются. Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов протекает в две стадии, на первой из которых выгорает в основном магний, а на второй – алюминий. При содержании в сплаве магния не менее 30 % процесс горений не прерывается, а при меньшем – возн-икает разрыв между стадиями. Горение магния и алюминия происходит в основном в паровой фазе. При горении магния твердая окисная оболочка на частице является неплотной, и магний диффундирует через нее, что приводит к об разованию неоднородного пламени, состоящего из отдельных факелов; размер светящейся зоны в течение этой стадии не изменяется. При горении алюминия пленка окисла находится в жидком состоянии и пламя является сферическим и однородным; размер зоны горения уменьшается по мере выгорания частицы. При повышении содержания магния в сплаве увеличивается размер зоны горения и продолжительность первой стадии процесса горения. При повышении-температуры окружающей среды горение частиц всех алюминиево-магниевых сплавов при атмосферном давлении сопровождается дроблением частиц. При повышенных давлениях наиболее интенсивно горят сплавы, содержащие 30 – 45 % алюминия и 55 – 70 % магния. [42]

Пожар класса «D» – горение металлов

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.

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.

Металл считается потушенным после охлаждения всех поверхностей.

Температура горения алюминия

1.5. Основные условия кислородной резки

Подогревающее пламя нагревает металл до температуры горения и очищает поверхность от ржавчины, окалины и д.р. Продольная струя кислорода сжигает металл. Благодаря перемещению резака образуется щель реза. Жидкотекучие щлаки выдуваются из щели реза.

Рис. 8. Начало резки и движение

Для процесса кислородной резки необходимо выполнение следующих условий:

1. Температура горения металла в кислороде должна быть ниже температуры плавления.

Металл будет переходить в жидкое состояние до начала процесса окисления. То есть металл горит в твердом состоянии, рез получается ровным по ширине, поверхность его гладкая, продукты горения легко удаляются кислородной струей. Металл, не отвечающий этому требованию, будет плавиться, а не сгорать.

Наибольшее влияние на температуру горения оказывает содержание углерода. Чем больше углерода в металле, тем выше температура горения и ниже температура плавления. При содержании углерода более 1% процесс резки резко ухудшается. Стали, содержащие более 1,6% углерода, расплавляются до начала горения. Поэтому кислородная резка инструментальных сталей и чугуна, содержащих более 2% углерода невозможна.

• Низкоуглеродистая сталь имеет температуру плавления около 1500ºС, а воспламеняется (горит) в кислороде при температуре 1300 – 1350ºС;

• Температура горения Al 900°С, а температура плавления Al 660° С. Алюминий и его сплавы не поддаются газовой резке. Алюминий может гореть только в жидком состоянии, поэтому получить ровную форму реза не удается

2. Температура плавления образующихся при резке окислов должна быть ниже температуры горения металла.

Тогда они при резке жидкотекучие и легко удаляются из реза.

При окислении хромистых и хромоникелевых сталей образуются окислы хрома, температура плавления которых значительно выше температуры горения стали. При окислении алюминиевых сплавов также образуется окислы алюминия с температурой плавления 2050°С. Указанные тугоплавкие окислы, покрывая поверхность реза, препятствуют дальнейшему окислению металла.
Поэтому стали с содержанием хрома более 5% и алюминиевые сплавы обычному процессу газовой резки не поддаются.

• при резке хромистых сталей образуются окислы хрома с температурой плавления 2000°С;
• при резке алюминия образуются окислы с температурой плавления около 2050°С

3. Возникающие при резке окислы не должны быть слишком вязкими.

Большое количество хрома и кремния сильно повышают вязкость окислов. Поэтому при резке сталей с большим содержанием хрома и чугуна, содержащего большое количество кремния, образующийся шлак плохо выдувается струей кислорода, затрудняя процесс резки.

В металлах, обладающих высокой теплопроводностью, поступающее тепло интенсивно отводится от места резки и процесс резки или не начнется или будет прерываться. Медь, алюминий и их сплавы обладают высокой теплопроводностью.

Всем перечисленным условиям полностью отвечают нелегированные и низколегированные конструкционные стали.

Металлы, которые неудовлетворяют условиям газовой резки:

Алюминий – 1,2,3,4 условиям;
Высоколегированные стали (нержавеющая сталь) – 2 условию;
Медь – 3 условию;
Серый чугун – 1 условию.

Основные условия газовой резки:

1. Температура горения металла в кислороде должна быть ниже температуры плавления.

2. Температура плавления образующихся при резке окислов должна быть ниже температуры горения металла.

3. Возникающие при резке окислы не должны быть слишком вязкими.

4. Разрезаемый металл не должен обладать слишком высокой теплопроводностью.

Нелегированные и низколегированные стали хорошо поддаются газовой резке, так как выполняются все 4 условия.