 |
8.2. Взрываемость металличес:ких порошков
|
|
|
|
8. 2. Взрываемость металличес: ких порошков
Воспламенение газовзвесей металлических порошков при определенных условиях приводит к взрыву, который представляет собой почти мгновенное выделение энергии, сопровождаемое образованием ираспространением взрывной волны. Последнее, в свою очередь, происходит благодаря сверхвысоким скоростям химического взаимодействия порошков с кислородом [2].
Металлические порошки в слое, т. е. аэрогели, не способны взрываться, но, будучи пожароопасными, могут стать источником взрыва в результате выброса пылевого облака, его воспламенения и интенсивного горения металлических частиц [3, 6, 19, 32].
Поэтому во всех случаях, когда говорится о взрываемости: порошков, речь, в сущности, идет о взрываемости аэрозолей, т. е. газодисперсных систем, в которых металлический порошок является дисперсной фазой, а газ представляет собой дисперсионную среду [7, 33].
Одной из основных численных характеристик взрываемости порошков является температура воспламенения аэрозолей, при
которой происходит возникновение пламени во всем объеме аэрозоля. Эта температура в отличие от температуры воспламенения аэрогеля того же металлического порошка имеет меньшие значения, так как в обычной практике аэрозоли не могут существовать достаточно долго, чтобы осуществлялся постепенный нагрев. вблизи точки термодинамического равновесия с окружающей средой [1].
При вынужденном воспламенении аэрозолей от нагретой поверхности твердого тела характеристикой воспламеняемости служит минимальная температура этого тела; при зажигании электрическим искровым разрядом - минимальная энергия разряда. Нижний концентрационный предел (НКП) - важнейшая характеристика взрываемости аэрозолей. НКП представляет собой максимальную концентрацию порошка в газе, при которой в случае начального воспламенения группы частиц процесс горения
|
|
|
еще не распространяется в аэрозоле самостоятельно [2].
НКП следует измерять при насыщающей мощности зажигающего импульса. Однако воспламеняющее действие разных источников зажигания различно даже по достижении каждым из: них своей насыщающей мощности. Наиболее слабым является электроискровой разряд. Затем идут (в порядке возрастания мощности)
нагретая поверхность и газовое пламя, причем с увеличением ихразмеров. увеличивается их воспламеняющее действие [1]. Характеристикой взрываемости является и верхний конценрационный предел (ВКП). Он представляет собой минимальную из высоких концентрацию порошка в газовзвеси, при которой в случае воспламенения группы частиц взрыв во всем объеме уже не произойдет. Эта характеристика взрываемости очень нестабильна и меняется в широких пределах при повторении опыта в неизменных условия. Высококонцентрированные аэрозоли металлов могут появляться внутри технологического оборудования, особенно в момент пуска и остановки [34].
Важными характеристиками взрываемости, определяющими тяжесть последствий взрыва аэрозоля, являются конечное давление взрыва и скорость его нарастания, хотя, строго говоря, давление взрыва и скорость нарастания его относятся скорее к параметрам собственно взрыва, чем к взрывным свойствам самого порошка.
При изучении опасных свойств металлического порошка достаточно ограничиться установлением самого факта взрываемости определение минимальной температуры воспламенения и нижнего концентрационного предела.
Большинство существующих экспериментальных установок позволяют определить лишь отдедьные характеристики взрываемости аэрозолей [1, 2, 9]. Основные из них: НКП, ВКП, давление взрыва и скорость нарастания давления - определяются в специальных взрывных камерах, представляющих собой прочные сосуды цилиндрической, сферической или сложной конической формы. Формы камер приближают к форме струи аэрозоля с целью
|
|
|
создания равномерной его концентрации в объеме.
В системах распыления для создания более однородного по
концентрацпи аэрозоля используется непрерывный восходящий поток газа, уносящий с собой порошок, или механическое перемешивание, препятствующие осаждению порошковых частиц. Короткоживущие аэрозоли можно создавать распылением навески порошка импульсом воздушной струи [1].
В системах воспламенения в качестве источника вынужденного воспламенения аэрозолей используются нагретая поверхность твердого тела, которой может служить внутренняя поверхность самой взрывной камеры [35], газовое пламя, расплавленная электрическим током проволока, Электрический искровой разряд [36].
Кроме систем распыления и воспламенения, некоторые установки для исследования взрываемости снабжаются устройствами для измерения температуры пламени, давления взрыва и скоростн его нарастания. При применении непрозрачных камер, снабженных окнами, визуальное наблюдение за процессами взрыва может вестись с одновременным его фотографирование [37, 38].
Установка МИСиС [1] для определения нижнего концентрационного предела воспламеняемости аэрозолей (рис. 8. 4) снабжена
взрывной камерой 1 в виде стеклянной сферической колбы. Камера свободно установлена на конической пробке, через которую вводятся в камеру электроды 5 и изогнутая трубка 6 для подачи распыляющего воздуха. Навеска порошка помещается в чашечку 4 в центре камеры. Пневматическое импульсное распыление порошка при открывании электромагнитного клапана 7 создает
-облако аэрозоля в форме резко очерченного сферического конуса
с равномерной концентрацией порошка.
Облако занимает 1/8 часть сферы, остальная часть служит буферным объемом, предохраняющим взрывную камеру от разрушения. Боковые пробки 2 предназначены для предохранения камеры от разрушения в случае чрезмерного давления взрыва. Через одну из них вводится датчик давления 3. Зажигание производится индукцпонным электроискровым разрядом.
|
|
|
Стеклянная взрывная камера позволяет вести наблюдения за характером распыления и горения и применять киносъемку. Установка МИСиС позволяет проводить эксперименты как в среде воздуха, так и в любой газовой среде. Для этого камеру после ее установки на место продувают через боковые отверстия газовой смесью из отдельной емкости. Этой же смесью производится распыление. Для измерения при повышенных температурах смесь подогревают.
При определении нижнего концентрационного предела на установке МИСпС воспламенением считается распространение горения на весь объем аэрозоля, а невоспламенением - горение отдельных частиц металла в виде искр вблизи источника зажигания, без распространения пламени на весь аэрозоль. Эксперименты проводят, начиная с концентрации, заведомо превышающей нижний предел, с последовательным снижением через 8 г/м3, а при концентрации ниже 40 г/м 3 - через 4 г/м3, ниже 20 г/м3 - через 2 г/м3 •
Концентрация аэрозоля определяется с точностью до 0, 4 г/м3 •
НКП рассчитывается как отношение массы навески к объему
камеры.
В Институте проблем материаловедения (ИПМ) АН УССР применяют установки для исследования взрываемости порошков с взрывными камерами различных размеров [34]. Установки снабжены современной аппаратурой для подготовки, проведения взрыва и регистрации результатов испытаний. Они позволяют определять: давление взрыва и скорость его нарастания в зависимости от концентрации порошка; нижний и верхний концентрационные пределы; максимальное (конечное) давление взрыва; скорость распространения пламени; ориентировочно температуру иэнергию воспламенения распыленных порошков. Установки снабжены устройствами для испытаний взрываемости порошков в средах с различным газовым составом и разного рода воспламенителями.
Система распыления порошков на установках ИПМ АН УССР обеспечивает получение заданной, достаточно равномерной концентрации
|
|
|
частиц в аэрозоле и качественную диспергацию порошка. Контроль концентрации осуществляется путем практически мгновенного отбора проб в камере [2].
Взрывная камера этих установок выполнена в виде толстостенного цилиндра из нержавеющей стали с двумя крышками. Через одну из крышек в камеру подается сжатый воздух, ко второй прикрепляется воспламенитель. Для подогрева или охлаждения цилиндра имеется водяная рубашка. Предусмотрена возможность распыления порошка распылителями различных конструкций. К стенкам корпуса взрывной камеры приварены два патрубка, продольные оси которых совпадают. В одном· из них установлен датчик давления, в другой вставлено бронестекло для визуального наблюдения за процессом взрыва. Управление производством взрыва полуавтоматическое в функции времени. Быстропротекающий взрывной процесс можно изучать, применяя скоростную киносъемку.
Часть характеристик, например температуру воспламенения аэрозолей металлов, можно измерять и не во взрывных камерах. Для этого может быть использована установка (рис. 8. 5), состоящая из трубчатой печи 1, распылительного устройства 2 и измерительного блока [1]. Температура внутренней стенки печи измеряется термопарой 3 с гальванометром 4. Распылительное устройство имеет головку с коническим отверстием в центре для разщепления пробы порошка. В цилиндрическом основании распылительного устройства помещается электромагнитный клапан 5, через который подводится сжатый воздух 6 для импульсного распыления
порошка. По краю головки имеется канавка, в которую ставится предварительно нагретая печь. При срабатывании электромагнитного клапана воздушный импульс вносит порошок в печь. Воспламенение фиксируется визуально и с помощью зеркал, расположенных на удобном для наблюдения уровне. Температура воспламенения эамеряется термопарой как температура в печи.
Установка ИПМ АН УССР отличается от в вышеприведенной применением распылителя конструкции ИПМ с вихревой камерой и распределительной решеткой, обеспечивающими хорошее диспергирование навески порошка, его выдувание и равномерное распределение в реакционной трубке печи [34, 35].
Разработан оригинальный расчетный метод определения НКП взрываемости порошков по их физико-химическим свойствам, позволяющий ориентировочно определить область НКП, что дает возможность сузить область экспериментальных исследований и тем самым уменьшить расход материалов и объем экспериментальных работ [39].
Характеристики взрываемости в значительной степени эависят от дисперсности металлических порошков, степени их окисленности, а также от содержания кислорода в гаэовой фаэе. Поэтому в равных исследованиях получают отличающиеся значения характеристик взрываемости для порошков одного и того же металла. Одним из важнейших показатетей, влияющих на взрывоопасность порошков, является их дисперсионный состав.
|
|
|
Обычно воспламеняются и взрываются во взвешенном состоянии порошки крупностью не более 150-200 мкм. Изменение крупности частиц воспламеняющихся порошков влияет на большинство характеристик взрываемости. Газодисперсные системы, содержащие более мелкие частицы, имеют меньшие величины минимальной температуры воспламенения, НКП взрываемости и минимальной энергии воспламенения и большие скорость нарастания давления и величину максимального давления при взрыве. Это связано с тем, что с увеличением дисперсности возрастает удельная поверхность, а следовательно, и активность порошка [40].
Изучение влияния крупности порошков алюминия, магния и их сплавов на характеристики взрываемости [8, 40, 41] показало, что с увеличением размера частиц температура воспламенения аэрозоля алюминия резко возрастает: при изменении среднего диаметра частиц ds от 8 до 36 мкм температура воспламепепия меняется от 630 до 1000° С. Для порошков магния с ds = 13 мкм и d s = 215 мкм температура воспламенения составляет 640 и
900° С соответственно.
Температура воспламенения сплавов алюминия с магнием ниже, чем для исходных металлов. Величина НКП воэрастает прямо пропорционально крупности частиц в интервале 20-200 мкмсоставляет 55 и 90 г/м3 для аэровзвесей алюминия с диаметром частиц 8 и 85 мкм соответственно. У магниевых порошков величина
НКП для частиц с ds = 25-80 мкм находится на уровне
40-50 г/м3, а для частиц с d8 = 85-215 мкм увеличивается до
120 г/м3 • С увеличением крупности частиц наблюдается также уменьшение давления взрыва при одной и той же концентрации порошка в аэровзвеси [42].
Исследование критических условий воспламенения аэровзвесей сферических частиц алюминия разной дисперсности (с диаметром частиц 2, 1; 4, 6 и 10, 8 мкм) подтвердило, что с увеличением диаметра частиц при одной и той же массовой концентрации порошка температура воспламенения увеличивается, что можно объяснить уменьшением реакционной поверхности порошка [43]. Фракционный состав порошка существенно влияет на параметры варыва. Часто в литературе фракционный состав порошков приводится только по данным ситового аналиаа и не указывается содержание наиболее варывоопасных фракций (мельче 50 мкм), в то время как характеристики: взрываемости газовзвеси определяются долей легковоспламеняющихся частиц наименьших размеров [15]. При изучении зависимости температуры воспламенения от фракционного состава порошков было установлено, чтодобавки мелких частиц ккрупнодисперсному порошку существенно снижают температуру его воспламенения [15, 44-46]. Изучение влияния дисперсности желенного порошка рааличных марок на характеристики взрываемости [2, 42] показало, ЧТо максимальное давление, развиваемое при взрыве порошков одинаковой концентрации, выше в опытах с мелкими порошками ипылью. Наиболее активны фракции железного порошка ПЖМс размерами: частиц меньше 50 мкм и пыль па аспирационной системы. Более крупные порошки ПЖМ и фракции порошка ПЖС меньше 50 мкм развивают при взрыве значительно меньшие давления, а еще более крупный порошок ПЖС не взрываетсявообще.
Скорость нарастания давления при взрыве резко уменьшается с увеличением доли крупных частиц и для частиц желеаного порошка раамерами 70-100 мкм составляет около О, 1 кгс/см2, что свидетельствует о том, что железные порошки с диаметром частиц более 70 мкм практически не взрывоопасны. Эти данные справедливы для окисленных порошков.
Степень окисленности порошков сильно влияет на их взрывоопасность, особо активны иопасны свежеприготовленные порошки. Влияние окисленности порошков на НКП аэрозолей изучалось путем сравнения свежеприготовленных порошков и выдержанных длительный срок на воздухе в комнатных условиях [47]. Сравнивались порошки чистых циркония, титана и кремния. Сразу же после приготовления НКП составлял 56, 48 и 120 г/м3 соответственно; после четырехмесячной выдержки НКП циркония возрос до 64 г/м3, титана - до 80 г/м3, а кремний не воспламенился вообще. Таким образом, у менее химически активных металлов пассивирующее действие выдержки на воздухе проявляется сильнее.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Активность железного порошка с повышением степени окисленности быстро понижается [2]. При увеличении содержания кислорода в одном из наиболее активных железных порошков (фракция меньше 50 мкм, порошка ПЖЗМ) от 1, 5 до 3, 0% максимальный прирост давления при взрыве падает почти в три раза - с 0, 6 до 0, 2 кгм/см2, а при содержании кислорода 5% порошок вообще не взрывается.
Влияние на характеристики взрываемости оказывает не только наличие окисной пленки, но и ее фазовый состав, который зависит от способа получения порошка, условий его хранения и качества поверхности частиц [13]. Порошки алюминия четырех типов [25], на которых пленка одной и той же толщины была аморфной. состояла из гидроокиси Al(OH)3, у- или а-фазы, имели температуру воспламенения от 560 до 590° С и НКП от 50 до 55 г/м3 •
Изменение модификации кристаллической решетки на поверхности частиц порошка титана при растворении в нем водорода приводило к повышению температуры воспламенения аэрозоля титана. При увеличении содержания водорода в титане от 0, 32 ДО 2, 6% температура воспламенения возрастала от 680 ДО 890°С [48]. Влажность порошка, образующего аэровзвесь, так же как и способ получения, влияет на скорость горения [11, 26]. Так, при увлажнении слоя пыли алюминиевого сплава ПАМ-4 с размерами частиц меньше 50 мкм существенно снижается температура продуктов взрыва аэрозоля над ней [49].
Содержание кислорода в газовой среде существенно влияет на характер протекания процесса взрыва аэрозолей металлов, поскольку тепловой взрыв происходит в основном за счет интенсивной экзотермической реакции окисления вещества. Концентрация кислорода в атмосфере, используемой при производстве металлических порошков и состоящей из кислорода иазота, должна быть строго определенной. Кислород необходим для образования защитной окисной пленки на частицах порошка, без которой порошок воспламеняется в контакте с воздухом при выгрузке из технологического оборудования.
Однако чрезмерно высокое содержание кислорода создает опасность взрыва в агрегате.
Уменьшение содержания кислорода понижает взрывную активность аэрозолей металлов [ 41, 50, 51]. Влияние содержания кислорода в газовой среде на НКП аэрозолей изучалось для ряда промышленных алюминиевых сплавов [1]. Образцы маркиПАМ взрываются при содержании кислорода 5, 5 % в смеси с азотом и концентрации аэрозоля 48-100 г/м3• При уменьшении содержания кислорода до 3, 4-4 % концентрация, при которой происходит взрыв, повышается до 800 г/м3•
Не все аэрозоли металлов при уменьшенном содержании кислорода теряют взрывную активность. Аэрозоли некоторых металлов могут воспламеняться и при отсутствии кислорода в среде, с которой металл может реагировать с выделением тепла. Такой средой могут быть азот, углекислый газ, аргон [41, 51, 52]. Поэтому
выбор инертной среды при изучении взрываемости порошков имеет большое значение.
В табл. 12 приведены данные (2) по воспламеняемости и взрываемости металлических порошков.
|
|
|
