Поджигание фрикционными искрами

Общеизвестно явление новообразования при ударе по металлам и их истирании: при заточке стального инструмента, при буксовании колес локомотива и пр. Такие искры мы будем называть фрикционными. Древнейшее приспособление для добывания огня – огниво – состоит из стального брусочка и кремня, дающих при соударении поджигающие искры. Казалось бы, фрикционные искры сейчас потеряли для человечества всякий интерес, но он снова возродился в связи с задачами обеспечения взрывобезопасности: фрикционные искры могут служить импульсом поджигания в непредусмотренных регламентом ситуациях.

Фрикционные искры – кусочки металлов, в основном размером 0,1-0,5 мм, оторванные и нагретые при механическом воздействии, частично окисленные. Температура Тг искр, образующихся при истирании стального стержня вращающимся карборундовым диском, была измерена методом цветового пирометра – по сопоставлению интенсивностей двух линий видимого спектра. Для нелегированных малоуглеродистых сталей (0,1-0,6% С) Тгs= 1910÷1930 К, она мало зависит от условий истирания и незначительно возрастает с увеличением содержания углерода. Легирующие добавки, особенно вольфрам, заметно снижают Тr. Так, Тr = 1490 К при 18,9% W. Поскольку Тr> Ts даже для поджигания в быстром потоке, фрикционные искры являются потенциальным инициатором горения. Многие регламентирующие документы объявляют их опасными в отношении любых горючих воздушных смесей. Однако опыт этого не подтверждает. Способность искр к инициированию горения ограничена и может быть количественно определена. Легко показать, что высокая температура фрикционных искр обусловлена в первую очередь тепловыделением при их окислении кислородом воздуха, хотя первичный разогрев, инициирующий эту реакцию, создается механическим воздействием. При истирании металла в восстановительной или инертной атмосфере свечение его частиц прекращается. Если воздух, в котором происходит фрикционное искрообразование, обогатить кислородом, то Тr возрастает. Добавка 10% O2 повышает ее на 200°, а замена всего воздуха чистым кислородом – па 500°. Способность железа гореть в кислороде – его известная специфическая особенность. Сплавы меди и алюминия этим не отличаются, поэтому частицы, образуемые при их истирании, значительно не разогреваются.

Установлено, что из распространенных в технике горючих газов и паров только пять образуют с воздухом смеси, поджигаемые фрикционными искрами: Н2, С2Н2, С2Н4, CS2, СО; смеси предельных и ароматических углеводородов, пропилена, спиртов, альдегидов, кетонов, эфиров искробезопасны. Минимальная для фрикционного поджигания концентрация указанных пяти горючих примерно совпадает с pmin, верхняя граница значительно ниже pmax. Так, для смесей С2Н2 и Н2 эта граница составляет соответственно 32 и 42%, тогда как pmах равны (для С2Н2 – условно) 80 и 76%. Для С2Н2 и СО максимальная концентрация в смесях, еще поджигаемых фрикционными искрами, меньше стехиометрической, т.е. эти искры не поджигают наиболее опасные смеси, для которых Emin минимальна. Закономерности поджигания определяются одновременным протеканием двух конкурирующих по расходу кислорода реакций окисления: горючего компонента взрывчатой среды и стальной частицы. В более богатых смесях ниже содержание кислорода, а расходуется в предвзрывном периоде он интенсивнее. В результате Тr ниже, чем для бедных смесей; этот фактор оказывается решающим.

Чтобы количественно охарактеризовать способность фрикционных искр к поджиганию, был применен метод небольших добавок кислорода и исследуемым смесям. Очевидно, что на скорость реакции в пламени бедных смесей такие добавки не влияют, но они повышают Тr. Это делает возможным поджигание. Предельная концентрация добавочного кислорода Δ[О2] может служить критерием поджигающей способности фрикционных искр. Для малоуглеродистых сталей и распространенных горючих Δ[O2] обычно невелика: для метана – 4-5%, для бензола, ацетона, этилового эфира – 2-3%, для метанола – 1%. Результаты измерений хорошо воспроизводятся. В свете изложенного о характере зависимости Tr(O2) температура искр лишь незначительно ниже минимально необходимой для поджигания.

В ряде работ зафиксировано, что изменение механических факторов слабо влияет на поджигающую способность фрикционных искр. Так, сила прижатия истираемого образца к вращающемуся диску заметно изменяла внешний вид пучка искр, но не влияла па Δ[O2]. Пределы поджигания горючих воздушных смесей при его инициировании косыми ударами пуль о стальную пластину были такими же, как и при истирании. Пистолетные пули поджигали только смеси ацетилена, смеси бензина поджигались с малой вероятностью винтовочными пулями, энергия удара которых была в 18 раз больше. Удары пуль по латуни вообще не приводили к поджиганию. При ударе падающего стального груза по стальной или каменной плите поджигались только смеси водорода, но не алканов. Точно так же новообразование при ударе стальных пуль по стальной пластине приводило к поджиганию смесей водорода, но не метана. Однако известны и другие высказывания о возможности фрикционного поджигания воздушных смесей. Представлялось вероятным, что оно происходит при ударах большой мощности. При косом ударе стального блока, падающего на стальную плиту с энергией > 0,60 кДж, поджигались с известной вероятностью метано-воздушные смеси. Эксцентрические соударения выступа на колесе из твердой стали и стальной пластины приводили к поджиганию метано-воздушных смесей с вероятностью 100%. Истирание стали карборундовым диском приводило к поджиганию воздушных смесей ацетона, метанола, бензола и метана, но почему-то не давало поджигания смесей этилового эфира. Возможность поджигания воздушных смесей принципиально нельзя исключать. Малость необходимой для поджигания концентрации добавочного кислорода делает возможным получение недостающей энергии за счет механического воздействия.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >