Воспламенение твердых веществ и материалов.
В соответствии с ГОСТ 12.1.044–89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов» твердыми называются материалы, температура плавления или разложения которых превышает 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (древесина, ткани и др.).
Твердые вещества и материалы являются наиболее распространенными в производстве и в быту. Основная масса твердых веществ и материалов относится к группе горючих. В настоящее время пожары естественных и синтетических материалов являются большой проблемой. Поэтому изучение механизмов возникновения и развития горения твердых веществ и материалов является важным условием для деятельности противопожарной службы по предотвращению и ликвидации таких пожаров.
Подавляющее большинство ТГМ горят в диффузионном режиме. Реакция горения происходит в газовой фазе, при этом скорость горения лимитируется физическим процессом смешения с окислителем газообразных продуктов термического разложения.
Если рассматривать горение только жидких и твердых веществ, то можно отметить несколько общих закономерностей: зажигание образца и распространение пламени происходит в результате образования над его поверхностью газовоздушной смеси, концентрация горючих паров в которой превышает НКПР. Распространение пламени и выгорание протекает за счет потока тепла от высокотемпературной зоны пламени. Но в горении ТГМ существует и ряд особенностей, связанных с их строением.
Классификация твердых горючих материалов (ТГМ)
ТГМ можно классифицировать по нескольким признакам:
- по химическому составу,
- по поведению при нагревании.
К углеводородам относят природные, искусственные и синтетические полимерные материалы, в состав которых входят углерод, водород, азот и кислород. По структуре углеводороды — это материалы однородного строения.
В отдельную подгруппу относят природные органические вещества, основой которых служит целлюлоза. К ним относятся полимерные материалы растительного происхождения (древесина, хлопок и др.), которые в отличие от искусственных и синтетических полимеров являются не однородными материалами, а смесью природных полимеров. Поведение в условиях пожара всех растительных материалов похоже, и по этой причине их объединяют в одну группу — целлюлозосодержащих материалов.
Элементорганические соединения — органические вещества, в состав которых входят такие элементы, как сера, фосфор, кремний, галоиды и металлы. В условиях пожара элементорганические соединения образуют особо токсичные вещества и по этой причине их выделяют в особую группу.
Неорганические твердые горючие вещества — это металлы и неметаллы. Практически все металлы при нормальных условиях окисляются на воздухе. Но к горючим относятся только те, которые могут воспламеняться на воздухе от открытого источника зажигания средней мощности и самостоятельно гореть после его удаления. К наиболее горючим относятся щелочные и щелочноземельные металлы.
К неметаллам относят фосфор, мышьяк, кремний, серу. Механизм их воспламенения во многом напоминает особенности горения металлов.
В условиях большинства пожаров горят материалы, изготовленные на основе целлюлозы, древесина, хлопок, хлопчатобумажные ткани, бумага; на основе углеводородов и их производных — резина, пластмассы, химические волокна и ткани из них; продукты питания — зерно и зернопродукты, жиры, сахар и т. д.. Целлюлозные материалы содержат кислород, который участвует в процессе горения так же, как кислород воздуха. Поэтому объем воздуха, теоретически необходимого для их горения, значительно меньше, чем для горения горючих веществ, в состав которых кислород не входит. Этим же объясняется низкая теплота сгорания целлюлозных материалов и способность их к тлению.
ТГМ классифицируют также по поведению при нагревании:
Как видно из схемы, все твердые вещества по поведению при нагревании можно разделить на два класса: безгазовые и газифицирующиеся при нагревании.
Подавляющее большинство конденсированных веществ относятся к газифицирующимся. При нагревании они газифицируются, после чего осуществляется гомогенное горение продуктов газификации. В свою очередь газифицирующиеся ТГМ делят на две большие группы по тому, каким образом они переходят в парогазовое состояние. Твердые горючие вещества, которые переходят в газообразное состояние через жидкую фазу (в условиях повышенной температуры плавятся), принято называть ТГМ первого рода, причем плавление может может протекать без разложения исходного вещества (парафин, стеарин и др.) или с разложением (каучук).
Процесс воспламенения ТГМ 1-го рода повторяет процесс подготовки и воспламенения горючих жидкостей. Их горение протекает в гомогенном режиме.
Твердые горючие материалы, которые переходят в парогазовое состояние минуя жидкую фазу за счет сублимации или термической деструкции молекул, принято называть ТГМ второго рода. Без образования нелетучего остатка (сублимация) происходит превращение уротропина, нафталина), с остатком разлагаются древесина, торф, сланцы. При горении ТГМ второго рода возможен как гомогенный, так и гетерогенный режим горения.
Таким образом, при горении твердых веществ необходимы ещё и теплозатраты на плавление и разложение.
Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:
- Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Передача тепла осуществляется за счет излучения, теплопроводности и конвекции. Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага.
- Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода — сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов.
- Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев. Выделяющиеся продукты пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетическую систему.
- При достижении концентрации горючих компонентов НКПРП смесь воспламеняется и сгорает в кинетическом режиме.
Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме этого, необходимы затраты на плавление и разложение.
Процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.
Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей НКПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии и для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала.
Рассмотрим влияние некоторых условий горения на скорость процесса.
1. С увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени снижается, а при достижении влажности 14% горение прекращается. Снижение скорости распространения пламени с увеличением содержания влаги связано с затратами на её испарение. Кроме того, пары воды, являясь флегматизаторами, снижают температуру пламени, понижая его излучательную способность.
2. Поверхность твердых материалов может находиться под различным углом к горизонту. Соответственно этому изменяется и скорость распространения пламени. При движении пламени сверху вниз (отрицательный угол наклона) скорость распространения пламени почти не изменяется, при увеличении положительного угла наклона скорость распространения пламени резко возрастает, т.к. возрастает теплоперенос от зоны горения к поверхности ТГМ за счет конвекции.
3. На скорость распространения пламени оказывает влияние также скорость и направление воздушных потоков (ветра).
4. Роль материала подложки. При наклейке различных защитных и декоративных покрытий на стены и т.п. горючий образец соприкасается с материалом, теплофизические характеристики которого могут существенно отличаться от горючего. Если подложка обладает коэффициентом теплопроводности большим, чем у горючего материала, то она интенсифицирует отток тепла вглубь твердой фазы. Чем выше теплопроводность подложки, тем сильнее теплоотвод от поверхности горючего материала.
Количественной характеристикой процесса распространения пламени по поверхности ТГМ является линейная скорость, представляющая собой путь, пройденный фронтом пламени в единицу времени.
Ещё одной характеристикой пожароопасности ТГМ является индекс распространения пламени.
Индекс распространения пламени — условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ воспламеняться, распространять пламя по поверхности и выделять тепло.
Значение индекса распространения пламени применяют для классификации материалов:
· не распространяющие пламя по поверхности—индекс распространения пламени равен 0;
· медленно распространяющие пламя по поверхности — индекс распространения пламени св. 0 до 20 включ.;
· быстро распространяющие пламя по поверхности — индекс распространения пламени св. 20.
Сущность метода определения индекса распространения пламени заключается в оценке способности материала воспламеняться, выделять тепло и распространять пламя по поверхности при воздействии внешнего теплового потока.
Установка для определения индекса распространения пламени (схема 1) включает в себя следующие элементы:
Электрическая радиационная панель (2), состоящая из керамической плиты, в пазы которой уложены спирали из проволоки марки Х20Н80-Н. Керамическая плита закреплена в теплоэлектроизолированном корпусе. Для увеличения мощности инфракрасного излучения и уменьшения влияния потоков воздуха перед керамической плитой установлена сетка из жаропрочной стали. Держатель образца (3), состоящий из подставки и рамки. Боковая поверхность рамки имеет контрольные деления через каждые (30±1) мм, пронумерованные от нулевого до девятого. Вытяжной зонт (4), установленный над держателем образца, служит для сбора и удаления продуктов горения. Запальная горелка (5), установленная перед радиационной панелью таким образом, чтобы расстояние от трубки горелки, находящейся напротив середины нулевого участка, до поверхности испытываемого оси пяти отверстий были ориентированы по нормали к поверхности образца.