1.10.1 Горение металлов

Почти все металлы, металлоиды и их соединения при нагревании плавятся и образуют над поверхностью слой паров. Горение металлов во многом зависит от их темпера­туры плавления и кипения, а также температуры плавле­ния и кипения их окислов. По характеру горения метал­лы делятся на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы и их свойства приведены в таблице 1.10.

Все эти металлы имеют низкую температуру плавле­ния и при горении находятся в жидком состоянии. Тем­пература их кипения (кроме калия) ниже температуры плавления окислов, поэтому на жидком металле могут находиться твердые окислы.

При контакте металлов с источником воспламенения, например, пламенем, они нагреваются и окисляются. Окислы всех металлов, приведенных в таблице 1.10, пористые и не способны изолировать поверхность металла от даль­нейшего окисления, а, следовательно, и нагревания. Через некоторое время металл расплавляется и начинает испа­ряться. Пары его диффундируют сквозь пористый твер­дый окисел в воздух. Когда концентрация паров в возду­хе достигнет нижнего предела воспламенения, возникает горение. Зона диффузионного горения устанавливается вблизи поверхности окисла и большая часть теплоты ре­акции передается металлу, в результате чего он нагре­вается до температуры кипения. Кипение металла вызы­вает разрыв корки окисла и более интенсивное горение.

Таблица 1.10 - Свойства летучих металлов и их окислов

Металлы	Температура, °С		Окислы металлов	Температура плавления, °С
	плавления	кипения
Li	179	1370	Li2O	1570
Na	98	883	Na2O	920
K	64	760	K2O	разлагается при 300-400
Mg	651	1107	MgO	2800
Ca	851	1482	CaO	2585

Так как температура горения летучих металлов пре­вышает температуру кипения их окислов, последние на­ходятся в зоне горения в газообразном состоянии. Из зоны горения пары окислов диффундируют как в твердую корку окислов, так и в воздух, где они, охлаждаясь, конденсируются и превращаются затем в мельчайшие твердые частицы окисла - дым. Образование белого плотного дыма является одним из признаков горения ле­тучих металлов.

Нелетучие металлы имеют свои особенности горения (таблица 1.11).

Таблица 1.11 - Свойства нелетучих металлов и их окислов

Металлы	Температура, °С		Окислы металлов	Температура, °С
	Плавления	кипения		плавления	кипения
Al	659	2406	Al2O3	2145	3527
Be	1283	2477	BeO	2550	3850
Тi	1677	3277	TiO2	1855	3827

Из данных таблицы 1.11 видно, что окислы часто имеют температуру плавления ниже температуры кипения ме­таллов, поэтому они могут находиться на поверхности металла в жидком состоянии. В связи с этим окислы в значительной степени замедляют окисление металлов. Горение этих металлов происходит энергичнее в состоя­нии порошков, аэрозолей и стружки без образования дыма.

Титан способен образовывать твердый раствор окис­ла в металле, поэтому у него отсутствует отчетливая поверхность раздела между окислом и металлом. Кисло­род воздуха имеет возможность диффундировать через окисел, в результате чего горение может продолжаться, если титан покрыт слоем твердой окиси. Температура горения титана около 3000 °С, т. е. ниже, чем темпера­тура кипения его окисла. В связи с этим в зоне горения окись титана находится в жидком состоянии, поэтому при горении титана плотного белого дыма также не об­разуется.

Многие металлы и сплавы способны загораться. Отдельные металлы, ко­торые обычно считаются негорючими, воспламеняются и горят в мелко раз­дробленном состоянии. Аэрогели и аэрозоли многих металлов пожаро- и взрывоопасны, известны разрушительные промышленные взрывы металли­ческой пыли.

В связи с применением металлов в высокотемпературных и коррозион­ных средах, в реактивных двигателях, в качестве ракетного топлива потребо­вались более глубокие исследования горения металлов. Особый интерес представляют исследования металлов как горючего в связи с проблемой за­воевания межпланетных пространств (Цандер Ф.А. «Проблема полета при помощи реактивных аппаратов», 1932 г.; Кондратюк Ю.В. «Завоевание межпланетных про­странств», 1929 г.). Активное развитие эти исследования получили в последние 60 лет.

Горение металла - это экзотермический гетерогенный процесс, при котором одно из реагирующих веществ - металл (сплав) - находится в твёрдой фазе, а другое - окислитель - в окружающей среде. Продукты реакции могут нахо­диться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии.

Скорость гетерогенного химического процесса не может возрастать не­ограниченно, она определяется как истинной скоростью протекания химиче­ской реакции на поверхности металла, так и скоростью подвода реагирую­щих веществ к этой поверхности благодаря диффузии. При низких темпера­турах, когда скорость реакции мала по сравнению со скоростью диффузии (кинетическая область), суммарная скорость процесса определяется истиной кинетикой на поверхности металла и экспоненциально возрастает с повыше­нием температуры (согласно закону Аррениуса) до тех пор, пока скорость химической реакции не станет сравнимой со скоростью диффузии. После этого процесс переходит в диффузионную область, и скорость его определя­ется скоростью диффузии, весьма слабо возрастая с повышением температуры.

Кривая 1 (рисунок 1.9) показывает изменение скорости реакции или пропорциональ­но ей скорости теплоприхода (т. е. количества тепла, выделяющегося на единице поверхности за единицу времени). Нижняя часть этой кривой соот­ветствует кинетической области, в которой скорость реакции экспонециально возрастает с повышением температуры и не зависит от скорости газового по­тока.

Верхняя часть кривой соответствует диффузионной области, в которой скорость реакции слабо возрастает с повышением температуры, но значи­тельно зависит от скорости газового потока. Пунктирные кривые соответст­вуют скоростям реакции при разных скоростях газового потока (чем больше скорость, тем выше положение кривой).

Кривые 2 (2', 2'', 2''') соответствуют разным скоростям теплоотвода с поверхности металла. Так как даже теплоотдача лучеиспусканием гораздо меньше зависит от температуры, чем скорость химической реакции, то в незначительных ин­тервалах температур кривые 2', 2'', 2''' можно считать прямолинейными.

Рисунок 1.9 - Стационарные термические режимы поверхности