Взрывоопасность металлических порошков

Недин В.В., Нейков О.Д. и др.

Киев: Наукова думка, 1971 г.

ГЛАВА III

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВАЕМОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Большинство металлов в монолитном состоянии при нормальных условиях не способны воспламеняться и взрываться. При соприкосновении металла с кислородом воздуха обычно происходит экзотермический процесс окисления, однако ввиду замедленности процесса и значительного теплоотвода повышение температуры поверхности металла незначительно. При увеличении температуры окружающей среды процесс окисления происходит активнее. Особенно интенсивно тепло выделяется при размерах частиц менее 50—100 мк. Это вызвано резким увеличением удельной поверхности металла. Некоторые металлы в тонкоизмельченном состоянии способны воспламеняться и взрываться при температуре ниже 20° С. Так, не успевший окислиться тонкодисперсный железный порошок и порошки некоторых металлов способны воспламеняться даже при отрицательных температурах [181]. Взрывы и воспламенение порошков могут происходить в результате окисления и других экзотермических процессов, например при взаимодействии металлов (в частности магния} с азотом с образованием нитридов, с углекислым газом с образованием карбидов, т. е. в газовых средах, которые для большинства металлов являются инертными. Воспламенение порошков алюминия и магния в фреоне также приводит к сильным взрывам [182].

Металлические порошки взрываются, если они находятся во взвешенном состоянии. В состоянии геля металлические порошки не способны взрываться, но, будучи пожароопасными, могут стать источником возникновения взрыва в результате интенсивной реакции горения металлических частиц, взметывания порошка с образованием пылевого облака и его воспламенения.

Данными о степени пирофорности и взрывоопасности тех или иных порошков, их температурных показателях и характеристиках взрываемости необходимо располагать для создания взрывобезопасной технологии получения и применения порошков. Обычно исследуют партию порошка с химсоставом и свойствами — крупностью частиц, влажностью материала, степенью окисленности, — характерными для производственных условий. Учитывая возможность изменения физико-химических свойств порошков, характеристики пирофорности и взрываемости следует определять в первую очередь для порошков, наиболее активных в условиях получения их в рассматриваемых производствах.

При полном исследовании пирофорности и взрываемости порошков необходимо также учитывать влияние следующих факторов: массы исследуемого порошка в слое или концентрации пыли; содержания кислорода и состава газовой среды; источников воспламенения, их размещения и энергии воспламенения; начального давления газа при испытаниях.

Каждый из перечисленных факторов существенно влияет на. параметры воспламенения и взрыва и для возможности использования данных на практике должен фиксироваться, а условия проведения эксперимента должны соответствовать промышленным условиям.

В литературе данных о характеристиках пирофорности и взрываемости порошков и методах их исследования намного меньше, чем для газовых смесей. Особенно малочисленны сведения о взрываемости металлических порошков. В связи с методическими трудностями, встречающимися при изучении взрываемости порошков, о которых упоминают большинство исследователей, в данной главе основное внимание уделено методическим разработкам ИПМ АН УССР. Описаны также наиболее характерные методики исследования пирофорности и взрываемости порошков, приведены данные о характеристиках пирофорности и взрываемости металлических порошков.

Ввиду разноречивости опубликованных сведений о пирофорности и взрываемости порошков, в этой главе при изложении методов исследования будут представлены выборочные данные.

ИСТОЧНИКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

В натурных условиях существуют самые разнообразные источники воспламенения и взрыва пыли. К ним относятся следующие:

1. нагретые предметы и поверхности;
2. открытое пламя (например, газовой горелки), пламя паяльной лампы; электрическая дуга;
3. искры электрического происхождения (электростатические разряды, искры размыкания, высоковольтные разряды);
4. искры механического происхождения (искры от трения и ударов, искры при резке и сварке);
5. химические реакции, сопровождающиеся выделением тепла.

При лабораторных испытаниях пирофорности и взрываемости порошков в качестве воспламенителей следует использовать источники, наиболее характерные для  условий производства при получении или применении исследуемых порошков.

Существенную опасность в отношении воспламенения порошков помимо точечных кратковременных источников типа искр обычно представляет открытое пламя и раскаленные поверхности. Однако некоторые виды металлических порошков плохо воспламеняются от нагретых тел и довольно легко — от высоковольтных искр. Алюминиевый порошок крупностью около 40— 50 мк вследствие наличия прочной окисной пленки менее чувствителен к инициатору в виде нагретого тела и в то же время легко воспламеняется от высоковольтной искры с энергией менее 0,1 мдж.

Выбор воспламенителя зависит от цели эксперимента. При определении минимальной энергии воспламенения удобнее использовать высоковольтные разряды с регулируемой и измеряемой энергией.

Наиболее распространены воспламенители именно такого типа для исследования взрываемости порошков в лабораторных установках. В качестве источника электроэнергии в этих случаях используют индукционные разряды и разряды конденсаторов.

Широко применяются воспламенители в виде нагреваемых до определенной температуры тел или поверхностей, а также раскаленная электрическим током спираль. Реже используют дуговые воспламенители, плавкие вставки, воспламенители из термитной смеси, изготовленные в форме пилюль с плавкими вставками (пиротехнические воспламенители).

Подробнее о некоторых типах воспламенителей и их параметрах будет сказано ниже.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПИРОФОРНОСТИ ПОРОШКОВ

Порошки металлов и других материалов считаются пирофорными, если при определенных условиях они способны воспламеняться за счет внутренних экзотермических процессов, начавшихся в результате внешнего теплового импульса или происходящих в самом порошке химических процессов.

В качестве критериев пирофорности обычно принимают температурные показатели. Поэтому определение характеристик пирофорности порошков практически сводится к определению их температурных показателей и минимальной энергии воспламенения.

Прежде чем начать описание методик определения температурных показателей порошков, сформулируем понятия некоторых температурных показателей порошков.

Температура самонагревания — наименьшая температура, при которой в порошке возникает экзотермическая реакция от постороннего теплового импульса (температуры окружающей среды или нагретого тела).

Температура тления — наименьшая температура ,порошка, при которой в результате самонагревания возникает тление.

Температура самовоспламенения — наименьшая температура порошка, при которой резко увеличивается скорость экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени.

Температура воспламенения — наименьшая температура порошка, при которой от постороннего источника воспламенения в порошке происходит резкое увеличение температуры за счет экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени.

В специальной литературе до настоящего времени нет достаточно четкого определения отдельных температурных показателей, в связи с чем полученные экспериментально отдельными исследователями температурные показатели в ряде случаев именовались ошибочно.

Температурные показатели порошков в момент фиксации температуры существенно зависят помимо их физико-химических свойств от влажности и давления газа, газового состава атмосферы и других внешних условий. Поэтому найденные экспериментально значения температурных показателей нельзя считать физико-химическими константами.