автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Оценка и снижение взрывоопасности порошков ферросплавов и термитных связей, используемых в сварочном производстве

На правах рукописи

ДЕРЖАВЕЦ Александр Аврамович

ОЦЕНКА И СНИЖЕНИЕ ВЗРЬВООПАСНОСТИ ПОРОШКОВ ФЕРРОСПЛАВОВ И ТЕРМИТНЫХ СМЕСЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность: 05.28.04 "Промыоленная безопасность"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре "Безопасность жизнедеятельности" Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор И.В.ВАВАЙЦЕВ

кандидат технических наук, доцент . А.К.ТОЛНЮВ

Официальные .оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кондриков Борис Николаевич

кандидат технических наук Куцук Владииир Андреевич

Ведущее предприятие:

ОАО "Орловский сталепрокатный завод"

Зашита диссертации состоится <Х Ш^Ь г.

в часов на заседании специализированного Совета » К-053.08.07 в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу: 117936. ГСП-1. Москва. Ленинский просп., д.4.

•

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мэсковского государственного института стали и сплавов (технологического университета) .

Автореферат разослан " '¡Я. " 199 г.

Справки по телефонам: 237-21-36. 230-46-94

Ученый секретарь специализированного Совета д.т.н>, профессор

А.Н.Варенков

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. При производстве порошков ферросплавов и их использовании в различных отраслях металлургии неоднократно имели место аварии, связанные с образованием и взрывом их аэровзвесей, а также загоранием порошков или смесей на их основе в виде слоя. Значительное число взрывов отмечено при подготовке и смешении >сомпонен-тов покрытий сварочных электродов, в состав которых входят порошки ферромарганца, ферросилиция и ферротитана. При исследовании характеристик пожаровзрывоопасности этих материалов была установлена их зависимость не только от состава и дисперсности сплава, но и от способа измельчения.

В настоящее время разрабатываются для использования в. составе покрытий новые комплексные лигатуры, характеристики пожаровзрызо-опасности которых неизвестны, что исключает разработку надежных мероприятий по предотвращению загораний и взрывов. Разрабатывается технология измельчения ферросплавов, содержащих до 75 X титана, которые могут быть использованы при сварке высоколегированных титано-содержалщх сталей. Внедряются новые, более производительные, методы измельчения сплавов. Все это требует проведения исследований пожаро-взрывоопасности новых порошковых материалов.

Следует отметить, что методики определения ряда характеристик пожаровзрывоопасности дисперсных горючих материалов Св том числе определения одного из основных показателей - группы горючести), приведенные в ГОСТ 12.1.044-89, непригодны для порошков металлов. Методы расчета избыточного давления взрыва аэровзвесей в помещении, используемые при определении категории помещений и зданий по взрывопожаро-опасности в соответствии с Нормами пожарной безопасности (НПБ 10595), разработаны без учета специфичесютх условий их горения. Следовательно, необходима соответствующая корректировка экспериментальных и расчетных методов оценки пожаровзрывоопасности.

- г -

Высокой взрывоопасностью отличаются также термитные составы, применяемые в сварочном производстве, и порошки металлов, входящие в их состав, что делает актуальным разработку экзотермических сварочных составов, обеспечивающих снижение параметров, от которых зависит возможность возникновения и последствия взрывов, при одновременном сохранении необходимых технологических характеристик продуктов горения (прежде всего, состава, температуры плавления, вязкости металлической и шлаковой фаз).

Цель работы: исследование характеристик пожаровзрывоопасности новых порошковых материалов, предполагаемых для внедрения в сварочное производство, совершенствование методов оценки этих характеристик и разработка экзотермических сварочных составов с пониженной взрывоопасностью.

В соответствии с поставленной целью при проведении исследований предусматривалось:

- определение характеристик пожаровзрывоопасности комплексных лигатур, содержащих марганец, титан, кремний и железо, и сплава железа с титаном, содержащего 65-75 X титана;

- определение характеристик пожаровзрывоопасности порошков фер-ротитана, ферросилиция и ферромарганца, приготовленных с использованием метода струйного измельчения, и сравнение этих характеристик с соответствующими данными для порошков, приготовленных другими способами;

- исследование возможности и скорости горения порошков ферросплавов в слое в зависимости от дисперсности, наличия примесей и внешних условий;

- оценка степени участия крупной невзрывоопасной фракции металлического порошка во взрыве полидисперсных аэровзвесей;

- корректировка методов расчета избыточного давления взрыва аэровзвесей в помещении с учетом особенностей горения металлов;

- разработка комплексного метода оценки характеристик пожаро-вэрывоопасности, состава и свойств продуктов горения сварочных составов термитного типа;

- разработка экзотермических сварочных составов, обеспечивающих снижение взрывоопасное™ при сохранении необходимых технологических характеристик. .

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- определены характеристики новых составов ферросплавов, используемых в.сварочном производстве;

- определены параметры горения порошков ферросплавов в слое и влияние на них дисперсности, добавок и внешних условий;

- разработаны экспериментальный и расчетный способ определения участия крупных невзрывоопасных фракций во взрыве полидисперсного порошка при концентрации, соответствующей нижнему концентрационному пределу распространения пламени;

- разработана комплексная методика и программа расчета характеристик экзотермических составов термитного типа, определяющих их технологическую эффективность и пожаровзрывоопасностъ;

- разработаны методы регулирования температуры плавления металлической и шлаковой фаз продуктов горения термитных смесей и метод расчета рабочего давления и температуры горения, исключающих кипение продуктов горения.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что они использованы при разработке безопасных режимов измельчения комплексных лигатур и порошка ферротитана, предназначенных для приготовления покрытий сварочных электродов, а также при разработке мер по-жаровзрывобезопасности при измельчении ферросплавов струйным методом. Отработанная на примере ферросплавов методика определения скорости горения порошков металлов в слое мажет быть использована в ка-

честве отраслевой методики определения группы их горючести, а результаты оценки степени участия порошков крупных фракций во взрыве и расчетов давления взрыва аэровзвесей должны Сыть учтены при разработке проекта отраслевых норм технологического проектирования по ка-тегорированмо помещений по пожаровзрывоопасности. Предложены сварочные составы с пониженной пожаровзрывоопасностью.

Апробация работы. Результаты работы доложены на V Международной конференции "Псвкаровзрывобеэопасность производственных процессов в металлургии" в 1096 г.. на научно-технических советах Нижегородского НИИ машиностроительных материалов "Прометей", ВНИПИвзрывгеофизики и научных семинарах кафедры безопасности жизнедеятельности МГИСиС. Основное содержание работы опубликовано в 4 статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений, изложена на 258 стр. машинописного текста, содержит 37 таблиц и 24 рисунка, включает библиографию из 331 наименования.

МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВООПАСНОГО!

И ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВ ФЕРРОСПЛАВОВ И ТЕРМИТНЫХ СОСТАВОВ

Для оценки пожаровзрывоопасности новых порошковых материалов и материалов, полученных новыми способами измельчения, использовались следующие характеристики: низший концентрационный предел распространения пламени в аэровзвеси (НКПР), температура начала экзотермического эффекта в слое порошка (ТНэ). температура самовоспламенения слоя порошка (ТСв). скорость окисления порошка в слое при различных-температурах. Исследования проводились для разных фракций порошков ферросплавов и лигатур заводского изготовления. Кроме того, в ряде опытов исследуемые сплавы подвергались дополнительной активации на лабораторном стержневом виброистиратеде. Результаты испытаний сравнивались с соответствующими данными для известных порошков близкого

состава и для порошков, приготовленных традиционными способами измельчения.

■ НКПР аэровзвесей порошков определялся по стандартной методике (ГОСТ 12.1.044-89) во взрывной камере объемом 3,7 л, имеющей взрыво-защитную мембрану, систему распыления и систему воспламенения. Характеристики окисления и самовоспламенения порошков ферросплавов в слое определялись с помоги дериватографа системы Паулик, Паулик, Эрдей в диапазоне температур 20-1000*С при скорости нагрева 10 К/мин. Путем обработки кривой термогравиметрического анализа определялись значения энергии активации реакций окисления ферросплавов.

Способность к горению и скорость распространения горения в слое для порошков ферросплавов определялись следующим образом. Испытуемый порошок засыпался в длинную стальную лодочку треугольного сечения в виде слоя высотой около 12 мм, вплотную к торцу образца помещался в качестве воспламенителя порошок ПАМ-4 с размером частиц менее 50 мкм. Поджигание осуществлялось нихромовой спиралью. Если порошок оказывался способным к самостоятельному горению, измерялось время сгорания каждых 10 мм слоя испытуемого порошка и определялись скорости горения на каждом участке, а также средняя скорость горения

(Чср).

Эксперименты по оценке участия крупной (невзрывоопасной) фракции металлического порошка во взрыве азровзвеси проводились на установке по определению НКПР. Сначала проводили рассев порошка на фракции и определение НКПР для кавдой из них. Для опытов отбирали саму» взрывоопасную мелкую (0-50 мкм) и невзрывоопасную крупную фракции. В первой серии опытов определяли значения НКПР (<р) смесей мелкой и крупной фракций, увеличивая массовое содержание крупной фракции до тех пор, пока смесь не становилась взрывобезопасной (т.е. пока НКПР не становился выше 1000 т/и3). Во второй серии проводились аналогичные опыты, но в смесях с мелкой фракцией вместо крупной фракции ме-

талла использовали инертный материал - песок. После этого определяли значения НКПР в пересчете на чистую мелкую фракцию . Сравнивая значения НКПР для чистой мелкой фракции (фо). для смесей с крупной фракцией и смесей с инертной добавкой, а также величины ч> и ч»м. делали вывод о возможности участия крупной фракции исследуемого порошка во взрыве.

Экспериментальные исследования термитных составов проводились с целью определения основных параметров воспламенения, горения, характеристик взрывоопасности. Исследовались двойные смеси с различным соотношением горючего и окислителя.

Характеристики самовоспламенения термитных составов определялись по дериватографической методике. Опыты проводились при тех же условиях нагрева, как и с пороиками ферросплавов, использовались порошки с размером частиц менее 50 мкм. Определялись температура самовоспламенения состава в слое (7Св) и максимальный прирост температуры образца (йТщах) в момент самовоспламенения.

Из характеристик горения экспериментальным путем определялась .скорость горения составов. Исследуемый состав помещался в кварцевую трубку диаметром 35-45 мм (высота слоя состава составляла 60-110 мм). Сверху засыпался слой промежуточного воспламенителя (стехиомет-рическая смесь алюминий/железная окалина), а на него - слой воспла-менительного состава (смесь ПАМ-4/окалина 50/60), который поджигался от нихромовой спирали. С помощью секундомера измерялось время т прохождения фронта горения на участке 1=5-10 см. Скорость горения рас-' считывалась как и = 1 / т.

Из характеристик взрывоопасности определялись чувствительность к механическому воздействию (удару) и. способность к переходу горения во взрыв. Испытания на чувствительность проводились на копре с вертикально падающим грузом К-44-П, соответствующего требованиям ГОСТ 4645-80, с роликовым приборчиком И 4 по К.К.Андрееву, конструкция

которого облегчает условия течения для тугоплавких и труднотекучих компонентов термитов. Испытания термитов на способность к переходу горения во взрыв проводились в толстостенных замкнутых оболочках -трубках Андреева с использованием в качестве воспламенителя шашки пиросостава Мг/КШз/идитол с запрессованной внутри нее нихромовой проволочкой, а в качестве переходного состава - смеси ПАМ-4/МаМОэ 60/50.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЖАРОВЗРУВООПАСНОСТИ НОВЫХ ПОРОШКООБРАЗНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ

С целью уменьшения количества взрывоопасных операций с компонентами сварочных электродов (измельчение ферротитана, ферромарганца и ферросилиция по отдельности), в ННИИШ "Прометей" были разработаны новые комплексные лигатуры, содержащие кремний, титан, марганец и железо в различных соотношениях, которые изготавливаются сплавлением отходов титана (лом, стружка) с ферромарганцем (или марганцем), ферросилицием и железом с последующей разливкой в кокели и крупным дроблением. Полученный кусковой материал после дробления измельчается в шаровой мельнице (в воздушной среде). В зависимости от назначения сварочных электродов, были разработаны три лигатуры: № 1 - для низколегированных электродов, Н 2 - для высоколегированных аустенит-ных электродов, (I 3 - для электродов общего назначения.

Исследования характеристик лигатур проводились для порошков заводского изготовления и для свежеизмельченных из кускового материала в сравнении с образцами ферромарганца 4Мн1,0 и ферротитана марки ФТиЗОА, полученными аналогичными способами. Было показано, что пожа-ровзрывоопасность лигатур незначительно увеличивается с ростом содержания титана, наиболее опасной является лигатура № 2, содержащая 27-33 X титана (для мелкой фракции НКПР равен 190 г/м3. Тяа-190вС, Тсв=455° С), наименее - № 3 (8-11 X Т1 - аэровзвесь не воспламеняется

в лабораторных условиях). Порошки, полученные в заводских условиях на шаровой мельнице, менее взрывоопасны, чем измельченные на лабораторном виброистирателе (для лигатуры № 2 ТСв=410°С, лигатура № 3 имеет значение НКПР, равное 460 г/м3).

По температурам самовоспламенения порошки лигатур являются менее опасными, чем ферромарганец (440°С для порошка после шаровой мельницы и 310°С для порошка, полученного виброразмолом) и ферроти-таи (320-350°С). Значения НКПР для лигатур более высокие, чем для ферротитана (116-135 г/мэ), и близки к значениям для ферромарганца. По параметрам окисления (температура начала экзоэффекта, скорости окисления, энергия активации) лигатуры менее активны, чем ферромарганец, и находятся примерно на уровне ферротитана.

Таким образом,.данные лигатуры имеют характеристики пожаровзры-воопасности, позволяющие рекомендовать их к использованию в электродном производстве, что позволит повысить его безопасность.

Для сварки изделий из высоколегированных сталей с повышенным содержанием титана требуются соответствующие электроды. В состав покрытий таких электродов обычно вводятся ферротитан марки ФТиЗО и металлический титан, технологические операции с которым представляют повышенную опасность из-за его высокой воспламеняемости. Поэтому было предложено использовать ферротитан марки ФТи70, содержащий 65-75 X титана и применяющийся в сталеплавильном производстве. Это позволило бы существенно уменьшить взрывоопасность производства, поскольку из технологического процесса исключаются операции измельчения,' просеивания и транспортировки металлического титана. В АО "Северсталь" предполагается использовать для измельчения ФТи?0 размольное оборудование, предназначенное для снликокальция марки СКЗО (измельчение в шаровой мельнице в среде азота).

В данной работе были проведены исследования ферротитана марки ФТи70, полученного из кускового материала дроблением и измельчением

на лабораторном виброистирателе. Для сравнения исследовались порошки ферротитана ФТиЗОА и силикокальция СКЗО.

Исследования показали, что мелкодисперсный порошок ферротитана ФТи70, полученный на лабораторном виброистирателе, по всем параметрам воспламенения и окисления является более опасным, чем ферротитан ФТиЗОА. НКПР мелкого истертого порошка ФТи70 составил 54 г/м3, температура начала экзоэффекта - 100*С, температура самовоспламенения -240*С. Фракция 50-80 мкм по НКПР не менее опасна, чем фракция 0-50 мкм (60 г/м3). Активность порошка, полученного ручным дроблением, существенно чиже. Сравнение параметров взрывоопасности порошка ФТи70 с соответствующими параметрами порошка силикокальция СКЭО, известными из литературы и определенными в настоящей работе, показывает, что их взрывоопасность находится примерно на одинаковом уровне.

Отсюда можно сделать вывод, что ферротитан марки ФТи70 может измельчаться на оборудовании, предназначенном для силикокальция, что позволит использовать его в производстве электродов. Применение ФТи70 взамен металлического титана, НКПР которого составляет всего 25 г/м3, является весьма предпочтительным.

С целью снижения пожаровзрывоопасности производства порошков горючих материалов, вводимых в покрытия сварочных электродов, в НПЦ "Техносиликат" был разработан - новый способ измельчения - струйное (пневмоимпульсное) измельчение, который впервые был применен на ПО "йжсталь". Принцип действия струйной мельницы (импульсного пневмоиз-мельчителя) основан на периодическом режиме разгона под действием кратковременно подаваемых импульсов сжатого газа и ударе об отбойную поверхность кусков измельчаемого материала. Использование импульсных пневмоизмельчителей позволяет сократить производственные площади за счет снижения габаритов, уменьшить затраты электроэнергии и эксплуатационные расходы, снизить потери сырья.

Особенностями данного метода применительно к ферросплавам, делающие его более безопасным, чем большинство других методов измельчения являются: возможность измельчения в инертной среде с отсутствием подсоса воздуха извне (из-за высокого давления в системе), отсутствие переизмельчения при своевременном уносе мелких частиц. Но сами порошки, полученные измельчением в инертной среде, могут иметь повышенную вэрывоопасность, вызванную малой толщиной окисной пленки на частицах. Поэтому в настоящей работе были исследованы характеристики пожаровзрывоопасности трех порошков, полученных струйным измельчением: ферротитана марок ФТи?0 и ФТиЗО, ферромарганца марки ФМн1.0 и ферросилиция марки ФС45. Измельчение проводилось в среде азота (давление - 0,6-0,8 Ша). Готовые порошки ферротитана и ферромарганца выгружались в контейнер, заполненный азотом. Затем порошки пассивировались выдержкой в открытом контейнере в течение 24 часов. Также исследовались порошки, дополнительно активированные на лабораторном виброисгирателе. С целью сравнения были испытаны порошки ферротитана ФТи70, ФТиЗО и ФТиЗОА, ферромарганца СШ1.0 и 5Мн1,Б, .ферросилиция ФС45, полученные разными способами измельчения.

Результаты показали, что практически все порошки, полученные на струйной мельнице, обладают пониженной взрывоопасностью. Наиболее опасный из порошков, ферротитан ФТи70, имеет НКПР, равный 110 г/мэ для фракции 0-50 мкм и 130 г/м3 для 50-80 мкм. что выше, чем НКПР образцов,.полученных другими способами, а его температура самовоспламенения (390*С) сравнима с ТСв образца, дробленного вручную. Скорости окисления порошка, измельченного на струйной мельнице, ниже, чем всех остальных, НКПР и скорости окисления мелкого порошка ФТи70 сравнимы с соответствующими величинами для порошков ФТиЗОА, полученных на конусно-инерционной дробилке и лабораторном виброистирателе, а его температура самовоспламенения даже выше, чем для указанных порошков и равна Тсв порошка ФТиЗО, полученного мокрым помолом. Поро-

шок ферротитана марки ФТиЗО, полученный пневмоимпульснш измельчением, является немного более опасным (по значениям НКПР и Тсв). чем аналогичные порошки после сухого помола в шаровых мельницах, но значительно менее активным (по тем же параметрам), чем порошки, приготовленные на конусно-инерционной дробилке, виброистирателе и путем мокрого помола в шаровой мельнице. Аэровзвеси порошков ферромарганца и ферросилиция, измельченные на струйной мельнице, являются невзрывоопасными. ВиОроактивация порошков ведет к снижению НКПР и к повышению скоростей окисления. Порошок ферромарганца струйного измельчения имеет самые высокие значения Тсв (530°С) и Тнэ (330*С) и самые низкие скорости окисления из всех образцов марок 5Мн1,0 и <ХМн1,5. Ферросилиций имеет ТСв=850°С, что выше, чем значения ТСв всех других образцов ФС45, кроме порошка, полученного мокрым помолом; по ТКэ (540°С), скоростям окисления и энергии активации он немного менее активен, чем продукты после других способов размола, и значительно более безопасен, чем материал, приготовленный с помощью вибромельницы "Палла" (Тнв*270° С).

Полученные благоприятные результаты можно объяснить тем, что при струйном измельчении доминирующим фактором является осуществление своевременного удаления из системы мелких частиц, что предотвращает образование опасной ультрадисперсной фракции (в отличие от большей части других способов измельчения).

ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЮЧЕСТИ ПОРОШКОВ ФЕРРОСПЛАВОВ И ПОЛНОТЫ УЧАСТИЯ ИХ ВО ВЗРЫВЕ

Для исследования горения в слое использовались порошки ферросплавов фракции 0-50 мкм. В большинстве опытов применяли порошки, измельченные на виброистирателе, а также порошки заводского изготовления. Если порошки этой дисперсности горели, то испытывали также более крупные фракции.

Проводили опыты по зажиганию сдоя порошка как в условиях естественной конвекции, так и в принудительном потоке воздуха с направлением, попутным фронту; в этом случае для распространения горения создаются более благоприятные условия (скорость потока поддерживалась равной 1-1,2 м/с). Для некоторых порошков определялись скорости горения слоя, расположенного на наклонной поверхности, при поджигании сверху и снизу. Для отдельных порошков определяли скорости горения при повышенных температурах.

Проведенные исследования горения порошков ферросплавов различных марок, полученных разными способами, показали, что практически любые ферросплавы, содержащие какой-либо активный металл (титан, кальций, магний, марганец), при определенных условиях способны к самостоятельному горению в сдое; наиболее активны из изученных образцов порошки ферротитана и силикокальция. Пожарная опасность порошков повышается при увеличении содержания активного металла, росте удельной поверхности, при наличии потока воздуха, при повышении начальной температуры и (для ряда порошков) при увеличении влагосодержания до •определенного предела. В неподвижном воздухе горят наиболее активные порошки: ферротитан ФТи70 горит со средней скоростью 1,0 мм/с, силикокальций. всех марок (0,4-1,3 мм/с), ферросиликомагний ФСМге (0,3 мм/с). Наличие потока воздуха ускоряет горение этих порошков (ФТи70 горит с 11ср-3,3 мм/с, силикокальций - 1,6-3,2 мм/с, ФСМгЭ -1,1 мм/с),, делая возможным горение многих порошков, которые не зажигаются при отсутствии потока (например, ФТиЗО горит со скоростью 0.9 мм/с, «Мн1,5 - 1,1 мм/с).

Так как многие ферросплавы способны реагировать с водой с выделением тепла й горючих газов, были проведены исследования горения порошков с различным массовым содержанием влаги (ХВл). Сначала испытывали смеси с 2.6 и 5 X. влаги, при наличии горения измеряли его скорость. Затем, если смесь с Б X была горючей, проводили дальнейшие

опыты, увеличивая влагосодержание с интервалом 2,5 X, пока не фиксировался отказ. Наибольшее значение ХВл. при котором еще фиксировалось горение, принимали за предельное влагосодержание. Если зависимость Цср(Хвл) имела максимум, то значение Хм. соответствующее максимальной Цср. принималось за наиболее опасное содержание влаги в данном порошке.

При горении сухих порошков во всех случаях наблюдается распространение светящегося фронта по поверхности и отсутствие пламени, причем сгорает лишь верхний слой порошка. Для влажных порошков характерно наличие пламени или искр, а также выгорание на большую глубину. Наиболее опасное влагосодержание у большинства образцов составляет 2,6 X (иногда до 5 X), а у силикокальция оно достигает 10 X Максимум средней скорости горения составил для влажного ФТИ70 1.5 мм/с в неподвижном воздухе и 4.7 мм/с в принудительном потоке, для влажного СКЗО - до 3,8 и до 4,6 мм/с соответственно. Предельные вла-госодержания для большинства влажных порошков не превышают 10 X, для ФТи70 они составляют 12,5- 17,6 X. для СКЗО - 17,5-20 X (наличие потока воздуха повышает предел). При содержаниях влаги, близких к предельному. горение часто носит пульсирующий характер. Некоторые порошки способны к горению только во влажном виде (например, лигатуры к» 1 и 2). .

Горючесть порошков в слое коррелирует с параметрами их окисления и самовоспламенения. Так, наиболее взрывоопасный порошок СКЗО, полученный размолом в шаровой мельнице в инертной среде, горит с максимальной скоростью, а наименее активный, который получен избирательным измельчением, горит только при обдувании; образец, приготовленный истиранием порошка, горит медленнее, чем приготовленный истиранием кускового материала. Определенно, большую роль при горении, как и при медленном окислении, играет окисная пленка на частицах. Для возбуждения процесса горения.частицы необходимо, чтобы целост-

ность ее оксидного покрытия нарушилась. Если теплота, выделяющаяся во фронте горения, окажется достаточной для прогрева соседних частиц до температуры, при которой пленка начинает разрушаться, то фронт будет распространяться по веществу.

Взаимодействие металла с воздухом протекает на поверхности частиц, поэтому скорость горения существенно зависит от размеров частиц (практически у всех образцов горит только фракция 0-50 мкм). Лимитирующей стадией горения является диффузия окислителя к поверхности частиц, что характерно для высокотемпературных процессов. Поджигание горящими частицами, соседних негорящих осуществляется, в-основной, за счет теплопроводности и передачи тепла жидкими шлаками, это подтверждается тем, что скорость горения на наклонном участке сухого ФТиТО при поджигании сверху больше, чем скорость горения при поджигании снизу.

У влажных порошков, кроме гетерогенного, имеет место также газофазное (пламенное) горение, вызванное поджиганием выделяющегося водорода. Его влияние проявляется, например, в том, что горение влажного СКЗО под наклоном распространяется быстрее в направлении вверх, чем в направлении вниз. Ускорение процесса при увеличении влагоса-держания вызвано дополнительным тепловыделением за счет реакции активного металла (титана, кальция, магния) с водой. Эта реакция начинается при разогреве влажного порошка теплом реакции металла с воздухом. С дальнейшим ростом ХВл увеличиваются потери на нагрев и испарение влаги, и она становится флегматизатором, что характерно для порошков с невысоким тепловыделением. Что касается порошков ФТи70 и СКЗО. то. ввиду наличия высоких теплот сгорания, негорючими являются лишь смеси с водой, которые имеют консистенцию, близкую к пастообразной, когда резко уменьшается поверхность контакта частиц с воздухом.

Исследовали также смеси сухих порошков ферросплавов с порошками

шла сообразующих материалов - фторида и карбоната натрия - с целью оценки их влияния на способность ферросплавов к распространению горения. Содержания каждой добавки были 10 %(мас.); размер частиц всех компонентов - менее 50 мкм. Показано, что с добавкой карбоната натрия ускоряется горение практически всех порошков, причем становятся способными к горению большинство из порошков, которые не горят без добавок (ферросилиций 5С45, ФС65, ФС75, силикомарганец СМнЮ, СМн20). Такое действие карбоната натрия можно объяснить образованием легкоплавких эвтектик с оксидами металлов, разрывом пленки оксидов на поверхности слоя порошка выделяющимся углекислым газом и взаимодействием металла с карбонатом, являющимся окислителем. Добавка фторида натрия ускоряет горение металлов, содержащих большое количество кремния (в противном случае горение замедляется). Это связано с тем, что легкоплавкий фторид натрия растворяет окисную пленку БЮг с образованием летучего облегчая доступ кислорода к металлу.

Исследование возможности участия частиц крупных фракций, не способных образовывать в условиях испытаний взрывоопасные смеси с воздухом, во взрыве аэровзвесей полидисперсных порошков проводились с наиболее активными из исследовавшихся в настоящей работе ферросплавов: ферротитаном марки ФТи?0 и силикокальцием марки СКЭО, измельченными на лабораторном виброистирателе. Для обоих порошков невзрывоопасной является Фракция 80-125 мкм, В качестве инертной добавки использовался песок (фракция 80-125 мкм).

Результаты опытов показали, что при добавлении к мелкому порошку крупной фракции значения НКПР увеличиваются в значительно меньшей степени, чем при добавлении песка. У ферротитана, чистая мелкая фракция которого имела НКПР <?о-115 т/и3, взрывоопасное» сохраняется при добавлении до 70 X крупного порошка и до 30 X песка. Однако, при любых содержаниях крупной фракции (Хко) значения превышают фо-

Таким образом, нельзя сделать однозначный вывод о возможности участия крупной фракции во взрыве.

У силикокальция (фо=150 г/м3) смеси с крупной фракцией взрываются вплоть до.Хцр=90 X, а с песком - до 50 X добавки, что связано, очевидно, с большим тепловыделением при горении аэровзвесей СКЗО. Принципиальным отличием СКЗО от ФТи70 является то. что при увеличении Хкр НКПР в пересчете на мелкую фракцию понижается и остается ниже величины при содержании крупной фракции до 80 X включительно (минимальное значение - 94 г/м3 при Хкр=60 X). На основании этих результатов можно сделать вывод, что невзрывоопасная фракция порошка СКЗО способна принимать участие во взрыве аэровзвеси (совместно с мелкой фракцией) при ее содержании от О до 80-90 X.

С целью количественной оценки полноты участия порошков металлов во взрыве была разработана схема расчета, которая может быть применима для любых металлических порошков, крупная фракция которых вместе с мелкой участвует во взрыве аэровзвеси, т.е. при соблюдении условия Фм(Хкр) < Фо. Этот расчет реализован на ЭВМ.

Расчеты проводятся как для смесей мелкой и крупной фракций, так и для смесей мелкой фракции с инертной добавкой. В качестве отправной точки берется наименьшее из возможных (по литературным источникам) значений НКПР для мелкой фракции исследуемой марки сплава и принимается, что порошок при такой концентрации аэровзвеси сгорает полностью (т.е. коэффициент его участия во взрыве 2о=1). Расчеты для всех образцов выполняются при допущении, что температуры горения их аэровзвесей при концентрациях, соответствующих НКПР, одинаковы и равны температуре горения аэровзвеси порошка с минимальным НКПР. Значения средней полноты сгорания (2ср) для этих порошков вычисляются как отношения теплот взрыва их аэровзвесей, необходимых для достижения этой температуры, к теплоте горения при минимальном значении НКПР. Полнота участия крупной фракции во взрыве (2КР) определи-

ется при допущении, что полнота сгорания мелкой фракции (йм) для всех смесей с крупной фракцией постоянна и равна расчетной полноте участия во взрыве одного мелкого порошка (при концентрации, равной <Ро). Полнота сгорания мелкой фракции определяется и для смесей с инертной добавкой - с учетом расхода тепла на полный прогрев добавки.

Был проведен расчет коэффициентов полноты участия во взрыве для порошка СКЗО. Принималось, что сплав имеет состав Са51г + 1,33 Б1. В качестве минимального было принято значение НКПР, равное 40 г/и3. Расчетная температура горения аэровзвеси при этой концентрации и полном сгорании составила 1340 К (при составе продуктов горения СаБЮз + 2,33 БЮг), т.е. она немного превышает температуру плавления эвтектики Са51г/51 (1253 К); полученное значение температуры использовалось для дальнейших расчетов. Полнота участия мелкой фракции во взрыве в условиях нашего эксперимента оказалась равной 0,32. На основании полученных результатов можно сказать, что полнота участия крупной фракции во взрыве для смесей с ее содержанием до 40 X примерно постоянна и лишь немного ниже полноты участия мелкой фракции. При дальнейшем росте содержания крупной фракции величина 2кР падает. В смесях с песком полнота"участия мелкой фракции во взрыве с ростом содержания добавки падает сначала слабо (до 20 X песка), затем - более резко.

При расчете величины избыточного давления взрыва по НПБ 105-95 не учитывается поглощение тепла конденсированными продуктами, образующимися при сгорании металлов, и поглощение кислорода при их образовании, что приводит к получению завышенного значения давления взрыва. Поэтому был предложен другой способ расчета избыточного давления взрыва (ДР). согласно которому принимается, что находящийся в помещении металлический порошок образует азровзвесь с концентрацией <р2, горящую в постоянном объеме и при максимально возможной для заданной полноты сгорания (2) температуре (Т). Количество сгоревшего

\

порошка в такой аэровзвеси соответствует стехиометрической концентрации смеси металла с воздухом (фСт). поэтому <р2 = <рСт/ 2- Давление, создающееся в этой смеси при взрыве, распределяется по всему свободному объему помещения в соответствии с зак£)нами для идеального газа. Предлагаемая расчетная формула имеет вид:

п ■ Т-То в 1-Хо 1000 ЛР = Ро—=----=--р- ММ

10 9т. «ев Лн >

где В - масса взвешенной в объеме помещения пыли СкгЗ;

Уев - свободный объем помещения См3];

Т - расчетная температура горения аэровзвеси СМ с концентрацией <рг Сг/м3] при постоянном объеме;

То - начальная температура Ш;

Ро - начальное давление СкПаЗ;

Хо=0,2095 - объемная доля кислорода в воздухе;

Кн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и не-адиабатичность процесса горения.

Были проведены расчеты избыточных давлений взрыва для помещений, в которых производятся порошки различных ферросплавов, этим методом и проведено сравнение с результатами, полученными с использованием нормативной методики (при одинаковых величинах В, УСв» То. Ро, Кн)- Значения избыточного давления взрыва, рассчитанные новым способом, оказались меньшими в 2-3 раза, чем при расчете по методике.' приведенной в НПБ 105-95.

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ И БЕЗОПАСНЫХ СОСТАВОВ ТЕРМИТНОГО ТИПА

В настоящей работе была разработана программа расчета состава и технологических параметров термитных систем, реализованная на ЭВМ.

Для расчета вводятся следующие данные: 1) формулы реагентов (окислитель и горючее), продуктов (металлическая и шлаковая фазы) и инертного разбавителя; 2) справочные величины (молекулярные массы.

физические и термодинамические параметры) для реагентов, продуктов и разбавителя; 3) температура окружающей среды; 4) рабочее давление.

Сначала рассчитываются состав исходной смеси и продуктов сгорания, коэффициенты в уравнении реакции, по закону Гесса вычисляется значение теплоты горения термита (0). Затем из условия равенства теплоты реакции суммарной энтальпии продуктов методом последовательных приближений определяется значение температуры горения (Т).

С целью оценки технологической эффективности термитной системы введены величины, характеризующие время, в течение которого металлическая или шлаковая фаза после сгорания смеси сохраняет свои литьевые свойства, т.е. находится в жидком состоянии. Это допустимые теплопотери (Од) и допустимая интенсивность теплопотерь (1Л). Величина 0ц показывает количество тепла, которое нужно отвести от 1 кг жидких продуктов сгорания для их охлаждения до температуры затвердевания одной из фаз. Величина 1д представляет собой отношение Од к разности средней температуры жидких продуктов и температуры окружающей среды. Чем больше значения Од и 1я, тем выше эффективность использования термита.

Расчетная температура горения многих термитных смесей, вычисленная без учета испарения продуктов, превышает температуры их кипения. В этом случав истинная температура горения не равна расчетной, а ограничена температурой кипения одного из продуктов вследствие больших потерь тепла на испарение. Это существенно снижает эффективность применения данной смеси • и повышает взрывоопасностъ. При повышении внешнего давления до величины минимального допустимого давления (Ршп) смесь становится работоспособной и безопасной. Эти величины рассчитывались из значений Т по уравнению Клапейрона-Клаузиуса. Результаты могут быть использованы для составов, применяемых в средах с повышенным давлением (например, при различных видах работ с применением термитов в скважинах).

Были проведены расчеты параметров горения для двойных систем с различными окислителями и горючими при температуре окружающей среды 20°с. Как исходные были взяты наиболее широко распространенные в промышленности железо-алюминиевые термиты, содержащие в качестве окислителя оксид железа (III) или железную окалину и алюминий в качестве горючего; эти термиты при сгорании образуют железо (металлическая фаза) и оксид алюминия (шлаковая фаза). Их недостатками являются: повышенная взрывоопасность вследствие высоких теплоты и температуры горения (возможно испарение продуктов) и недостаточная технологическая эффективность в условиях интенсивного теплоотвода из-за высоких температур плавления шлаковой (2327 К) и металлической (1809 К) фаз. Поэтому рассчитывались параметры горения составов, в которых алюминий заменялся на кремний или силикокальций марки СКЗО с целью снижения температуры плавления (Тол) шлаковой фазы (соответственно, до 1996 и 1953 К) и в которых, с целью снижения ТПл металлической фазы, оксид железа заменялся на оксид другого металла, способного растворять железо или растворяться в нем, чтобы обеспечивать сварку стальных изделий: марганца (Тпл*=1517 К). меди (1358 К) или олова (505 К).

Показано, что замена алюминия на кремний или силикокальций вызывает заметное снижение теплоты и температуры горения, что уменьшает потенциальную взрывоопасность, но из-за уменьшения величин Оц и 1Д делает составы несколько менее эффективными. Замена оксида железа на оксвд марганца, меди или олова существенно увеличивает показатели эффективности (за счет повышения Q и Т), но такие смеси горят с температурой, заметно превышающей ТКИп металлической фазы, поэтому при работе с ними в атмосферных условиях повышаются взрывоопасность и загрязнение окружающей среды.

Результаты расчета минимального давления свидетельствуют о том, что при атмосферном давлении можно эффективно и безопасно применять

лишь смеси железной окалины с кремнием и силикокалышем. Составы на основе оксидов марганца и, особенно, меди, горящие с очень высокими температурами, работоспособны только при повышенных давлениях (особенно смеси с алюминием). Благодаря высоким значениям допустимых теплопотерь и их интенсивности эти смеси, а та)оке смеси с оксидом олова, могли бы применяться при условии Р > Ртщ с наибольшей эффективностью.

С целью повышения эффективности применения термитов осуществлен выбор многокомпонентных систем, имеющих пониженную температуру плавления шлаковой фазы, металлической фазы и обеих фаз. Разработана схема расчета состава смесей, при сгорании которых образуются сплавы металлов и/или оксидов заданного состава. Проведен расчет технологических параметров для систем на основе смесевого окислителя (СиО/ МпОг) и смесевого горючего (Si/Al и СК30/А1), образующих при сгорании легкоплавкие эвтектические сплавы.

Введение инертной добавки (разбавителя) снижает температуру горения термитной смеси. Поэтому, если при заданном внешнем давлении (Р) температура горения термита превышает температуры кипения продуктов, то, вводя некоторое (оптимальное) количество разбавителя, можно сделать данную смесь работоспособной. Была разработана схема расчета оптимального количества разбавителя и технологических параметров оптимизированных составов. Были проведены расчеты для термитных смесей, разбавленных добавками, состав которых соответствует металлической или шлаковой фазе продуктов сгорания. Оптимальные составы с разбавителем - шлаковой фазой по показателям эффективности превосходят смеси с разбавителем-металлом, но являются менее выгодными для сварочных работ из-за меньшего количества металла в продуктах.

Разработана схема оценки скорости фазоразделения продуктов сгорания, которая может играть значительную роль при сварочных работах. Предусматривается возможность регулировки фазоразделения путем (изме-

нения вязкости шлаковой фазы. Рассматривается способ снижения скорости разделения фаз, если она оказалась выше допустимой, путем добавления в смесь высоковязкого диоксида кремния.

Из всех исследованных составов выбраны смеси, не уступающие по эффективности железо-алюминиевому термиту (по величинам допустимой интенсивности теплопотерь для шлаковой и металлической фаз соответственно), но обладающие меньшей пожаровзрывоопасностью (по величинам теплоты и температуры горения) при их использовании для работ при атмосферном давлении (всего 11 составов). Из них наиболее безопасными являются термиты на основе смесевого окислителя СДО/МпОг (ТПл металлической фазы - 1143 К), разбавленные до температуры горения, равной температуре кипения марганца (2332 К). Самым эффективным из является состав с этим окислителем и смесевым горючим СК30/А1 (ТПл шлаковой фазы - 1673 К), который, будучи разбавленным шлаковой фазой в количестве 61 X (сверх 100 X), превосходит железо-алюминиевые термиты по величинам 1Д для обеих фаз.

Экспериментальные исследования, проведенные с двойными термитными смесями, показали, что составы самовоспламеняются в сдое при температурах не ниже 800"С, не способны в условиях испытаний к переходу горения во взрыв и нечувствительны к удару. Наибольшие скорости горения имели смеси А1/Си0 (свыше 2 см/с), более медленно горели составы А1/окалина, СКЗО/окалина, А1/Мп0г.

ВЫВОДЫ

1. Определены характеристики пожаровзрывоопасности порошков комплексных лигатур, содержащих марганец, титан, кремний и железо, разработанных для использования в составе покрытий сварочных электродов взамен ферромарганца, ферросилиция и ферротитана. Исследованные лигатуры при одинаковой дисперсности менее взрывоопасны, чем порошки ферромарганца и не превышают взрывоопасность порошков ферроти-

тана, обеспечивая в то хе время существенное сокращение числа взрывоопасных операций, что позволяет рекомендовать внедрение их в производство.

2. Определены характеристики пожаровзрывоопасности порошков ферротитана марки ФТи70. Показано, что взрывоопасность производства электродов для сварки высоколегированных сталей с повышенным содержанием титана при использовании этого сплава вместо титана снижается, и его возможно использовать в сварочном производстве при соблюдении таких же мер пожаровзрывобезопасности, как и в случае силико-кальция марки СКЗО, обладающего близкими характеристиками воспламеняемости.

3. Изучены характеристики пожаровзрывоопасности и параметры окисления порошков ферротитана, ферромарганца и ферросилиция, изготовленных с использованием нового способа измельчения - струйного. Показано, что воспламеняемость этих материалов находится на уровне порошков, полученных наиболее безопасными из исследованных ранее методов измельчения.

4. Изучена способность и скорость горения порошков некоторых ферросплавов в виде слоя в зависимости от состава сплава, дисперсности, влажности, внешних условий и наличия добавок. Полученные сведения могут быть использованы для обеспечения пожаровзрывобезопасности сварочного производства, а методику исследования горения в слое целесообразно применять при оценке горючести порошков металлов в связи с отсутствием стандартных методов определения этой характеристики.

Б. На примере порошка силикокальция СКЗО показано, что крупная фракция, не способная к образованию взрывоопасной взвеси, принимает участие во взрыве аэровзвеси полидисперсного материала. Таким образом, ее вклад нельзя не учитывать при определении избыточного йавле-

ния взрыва в помещении, а соответствующее положение Норм пожарной безопасности (НПБ 105-95) нуждается в корректировке.

6. Разработана программа расчета избыточного давления взрыва аэровзвеси порошков металлов в помещении, позволяющая, в отличие от методики, рекомендованной в НПБ 105-95, учесть образование конденсированных продуктов горения и поглощение при их образовании кислорода воздуха. Роль этих факторов зависит от концентрации аэровзвеси, при концентрациях, близких к стехиометрическим, их неучет может привести к завышению расчетного значения давления более, чем в два раза.

7. Разработан комплексный метод оценки потенциальной пожаро-взрывоопасности и технологической эффективности экзотермических сварочных составов термитного типа и программа расчета необходимых для этого параметров их горения, состава и свойств шлака. Предложены способы снижения температуры плавления металлической и шлаковой фазы продуктов горения термитных смесей, рассчитаны составы и характеристики горения смесей с пониженными температурами плавления одной и двух фаз.

8. Разработана программа расчета давления, при котором исключается кипение продуктов горения термитных смесей, а также методика и программа расчета содержания инертных добавок, снижающих с той же целью температуру горения при атмосферном давлении. Для сохранения свойств и регулирования соотношения количества металлической и шлаковой фаз предложено разбавление термитных составов продуктами их горения в соответствующем соотношении.

9. Выбраны составы термитных смесей, обеспечивающие получение необходимых технологических характеристик при снижении значений параметров, определяющих потенциальную пожаровзрывоопасность составов и их горючих компонентов.

. Основное содержание диссертации опубликовано в работах;

1. Вабайцев И.В.. Державец A.A. Толешов А.К. Взрьшоопасность комплексных ферросплавных лигатур.// Изв. ВУЗов. Черная металлургия.-1994.- N 11.- с.68-69.

2. Вабайцев И.В., Толешов А.К., Державец A.A. Оценка горючести порошков металлов и сплавов.// Металлург.- 1995.- Н 9.- с.26-27.

3. Вабайцев И.В., Державец A.A. Попов М.С. Снижение взрывоопас-ности влакообразугацих составов термитного типа.// Изв. ВУЗов. Черная металлургия.- 1994.- N 4.- с.45.

4. Участие крупных частиц во взрыве аэровзвесей порошков металлов./ И.В.Вабайцев. А.К.Толешов. А.А.Державец, И.С.Таубкин, М.А.Ур-ианский.// Безопасность труда в промышленности.- 1997,- № 4.- с.19.

Подписано в печать Объем п. л.

Заказ № Цена "С" Тираж -/00

Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет),

Ленинский проспект, 4 Типография МИСиС, Орджоникидзе, 8/9