Пожаровзрывобезопасность азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Учебное пособие

от вида добавки: оксида, фторида, хлорида, сульфата, карбоната, фосфата и т.д.

Скорость горение может увеличиваться, уменьшатся при увели- чении массовой доли добавки. С одной стороны, более или менее ин- дифферентные добавки снижают скорость горения за счёт разбавле- ния горючего и потерь температуры на нагрев добавок. С другой сто- роны, возможность при высоких температурах реагирования между твёрдыми компонентами смеси приводит к увеличению скорости го- рения. Конкуренция между этими двумя процессами обуславливает появление сложных зависимостей горения.

Тушение смесей, способных гореть без участия воздуха, не мо- жет быть достигнуто засыпанием инертными порошками. В этом случае необходимо использовать эффект интенсивного охлаждения.

Применение для охлаждения воды возможно лишь для некото- рых смесей, в большинстве же случаев вода оказывается непримени- мой, т.к. усиливает горение. Для тушения таких смесей необходимо разрабатывать новые средства пожаротушения. По-видимому, это должны быть негорючие (или трудногорючие) жидкости или легко- плавкие твёрдые вещества с высокой теплоёмкостью.

6.1. Пожаро- и взрывобезопасность металлических порошков

Металлические порошки находят широкое применение в раз- личных технологических процессах, сопровождающихся горением (экзотермические процессы в металлургии, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, пиротехника). Используемые при этом исходные материалы, а иногда и конечные продукты реакций в ряде случаев являются пожароопасными, что предъявляет особые требо- вания к технологии для обеспечения безопасности процесса.

Основным условием, необходимым для обеспечения пожаров- зрывобезопасного производства, является знание основных характе- ристик воспламеняемости и взрываемости образующихся веществ в

31

зависимости от физико-химических свойств самих порошков и усло- вий окружающей среды.

Оценку пожаро- и взрывобезопасности наиболее активных тон- кодисперсных порошков металлов можно провести по данным табл. 2.

Наиболее активные порошки имеют величину нижнего концен- трационного предела воспламенения 15-20 г/м3. Недоокислённые в процессе получения порошки, а также порошки циркония, дикарбида церия СеС2, дикарбида лантана LаС2 способны самовоспламеняться при комнатной температуре.

Воспламеняются не только исходные порошки, но и конечные продукты синтеза (сформировавшиеся химические соединения), правда значительно труднее. Характеристики воспламенения продук- тов синтеза представлены в табл. 3.

32

На воспламеняемость порошков существенное влияние оказыва- ет технология их получения, косвенно определяющая форму и круп- ность частиц, степень их окисленности, температура, при которой происходит процесс, влажность порошка.

Так недоокисленные порошки большинства металлов является более активными по сравнению с порошками, полученными распы- лением, т.к. имеют более развитую поверхность при одинаковой крупности частиц. Порошки некоторых тугоплавких соединений одинаковой крупности, например, TiN, полученные плазмохимиче- ским синтезом, имеют температуру воспламенения 350ºC, получен- ные методом СВС – не воспламеняются при температуре до 1000ºC. Наиболее активны фракции порошков мельче 50 мкм. Применение на практике более грубодисперсных порошков позволяет обеспечить взрывобезопасность производства.

Широко распространённые в металлургической практике экзо- термические составы содержат взрывоопасный полидисперсный по- рошок вторичного алюминия, который может быть заменён взрыво- безопасным порошком АПВ с размером более 100 мкм.

33

Большинство металлических порошков с размером частиц более 200 мкм (включая также активные, как титан) являются взрывоопас- ными, хотя в ряде случаев способны гореть в слое.

Увеличение влажности порошков в большинстве случаев сни- жает их взрывчатую активность, однако некоторые порошки, напри- мер, магний, при наличии определённого количества влаги склонны к самовозгоранию.

Уменьшение содержание кислорода в окружающей порошок га- зовой среде (полые плотно закрытые банки с металлическими порош- ками) приводит к снижению активности порошка и являются основ- ным взрывозащитным мероприятием при производстве и применении порошков [3].

6.2. Пожаро- и взрывобезопасность технологических процессов и оборудования

Пожаровзрывобезопасность технологических процессов и обо- рудования, в которых присутствуют горючие пыли, должна соответ- ствовать требованием систем стандартов Б.Труд. ГОСТ 12.1.041-83 «Показатели пожаровзрывоопасности горючих пылей», ГОСТ 12.1.004-76, «Взрывобезопасность», ГОСТ 12.1.010-76, нормам и правилам безопасности.

Пожарная безопасность и взрывобезопасность технологических процессов и оборудования при наличие в них горючих пылей дости- гается:

–исключением образования внутри аппаратов и оборудования горючей среды;

–исполнением, применением и режимам эксплуатации аппара- тов и оборудования;

–обеспечением не более допустимых величин (температурой и количеством горючей пыли, концентрацией кислорода или другого окислителя в пылегазовой смеси);

34

–применение устройств аварийного сброса давления; примене- нием оборудования, рассчитанного на давления взрыва;

–применением средств пожаротушения и взрывоподавления. Снижение опасных концентраций горючей пыли должно дости-

гаться устройством отсосов из мест её образования и скопления. Ис- ключение образования внутри аппаратов и оборудование горючей среды достигается применением твёрдых или газообразных флегма- тизаторов горения. В качестве твёрдых флегматизирующих веществ должны применяться не горючие порошки, добавление которых к го- рючей пыли делает общую смесь негорючей, в качестве газообразных флегматизаторов используют азот, инертные газы. Допустимая безо- пасная температура нагрева поверхности аппаратов и оборудования составляет 80% от температуры самонагревания горючих пылей, склонных к самовозгоранию и 80% от температуры самовоспламене- ния пылей, не склонных к самовозгоранию.

Расчёт аппаратов и оборудования на взрывоустойчивость следу- ет проводить при максимальных давлениях взрыва горючих пылей.

Контрольные вопросы

1.На какие классы с точки зрения пожарной опасности делятся материалы?

2.Особенности металлов как горючих веществ.

3.Основной принцип тушения металла.

4.Достоинства и недостатки газовых средств тушения металлов.

5.Что такое «самотушение»?

6.Достоинства и недостатки жидкостных средств тушения ме-

таллов.

7.Какие жидкостные составы предназначены для тушения маг- ния, алюминия и титана?

8.Достоинства и недостатки порошковых средств тушения ме-

таллов.

35

9.Какие порошки способны самовоспламеняться при комнатной температуре?

10.Какой нижний концентрационный предел воспламенения имеют наиболее активные порошки?

11.Что влияет на воспламеняемость порошков?

12.Как увеличение влажности порошков влияет на самовозго-

рание?

13.Как уменьшение содержания кислорода в окружающей по- рошок среде влияет на самовозгорание?

14.Какими действиями достигается пожаро- и взрывобезопас- ность технологических процессов и оборудования при наличии в них горючих пылей?

15.Как рассчитывается безопасная температура нагрева поверх- ности оборудования?

7.ПОЖАРО- И ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ

ВСВС ПРОИЗВОДСТВЕ

Использование порошков металлов в качестве исходных компо- нентов осложняет соблюдение требований по технике безопасности технологии СВС. К пожаро- и взрывоопасным порошкам относятся (по степени уменьшения взрывоопасности): Zr, Ti, Mg, Al, Fe (карбо- нильное, Si, B, Cr, Ta и др.). Степень взрывоопасности и пирофорно- сти реакционных смесей аналогична приведённой схеме из перечис- ленных индивидуальных порошков.

Наиболее опасными являются реакционные смеси для синтеза карбидов и боридов, так как для их приготовления используются наиболее мелкие порошки. Например, с уменьшением крупности по- рошка титана и увеличением его удельной поверхности уменьшается температура самовоспламенения, НКПВ и увеличивается давление взрыва [4].

36

7.1. Требования охраны труда перед началом работы

Перед началом любых видов работ необходимо убедиться в со- ответствии рабочих мест санитарно-техническим нормам, правилам ОТ и ЭБ (инструкции по про водимой работе, исправной вентиляции и наличия воды в водопроводе, чистоте рабочих мест, наличие ис- правных, необходимых инструментов, приспособлений, материалов, средств индивидуальной защиты, средств пожаротушения, аптечки и т.д.).

В целях проветривания химических лаборатория необходимо включить вытяжную вентиляцию за 15 минут до начала рабочего дня.

Перед началом работы визуально проверяется исправность за- земления, оборудования, инструментов, ограждений, сигнализации, блокировочных устройств, освещения.

Прежде чем приступить к работе, необходимо на холостом ходу проверить работоспособность оборудования и контрольно-измери- тельных приборов.

7.2.Требования охраны труда во время работы

7.2.1.Сушка компонентов исходных шихт

Сушка пиротехнических составов, если они были приготовлены в спиртовой среде, проводиться в отдельном пожаробезопасном по- мещении в вытяжном шкафу методом провяливания. При этом норма загрузки рабочего места данным составом должна быть оговорена со- ответствующей инструкцией.

Сушка порошков осуществляется в отдельном специально обо- рудованном помещении и в хорошо отрегулированных термостатах. При этом не должны превышаться нормы загрузки термостатов и со- ответствующие температуры. В одном термостате нельзя сушить раз- личные компоненты.

Устанавливать лотки, поддоны с высушиваемыми горючими ма- териалами, пиротехническими СВС-составами на стеллажи, полки

37

сушильных установок нужно осторожно, без ударов, трения и воло- чения лотков, не просыпая при этом состав. За чистотой лотков, под- донов, полов и стеллажей сушильных установок должен быть обеспе- чен постоянный контроль. В помещении для сушки не должно быть более двух человек одновременно. Во время процесса сушки до исте- чения времени сушки в помещении не должны находиться люди.

Запрещается производить сушку опытных составов с неизучен- ными и малоизученными физико-химическими свойствами одновре- менно с другими составами.

Во избежание слеживания и перегрева составов и порошковых компонентов СВС-шихт в массе, они должны быть насыпаны на лот- ки тонким слоем согласно инструкции.

Рыхлить и разминать комки СВС-шихт и порошковых компо- нентов в помещениях сушки запрещается. Указанные операции могут проводиться в отдельных помещениях, из-за щита и только с одним лотком конкретного состава или компонента. Рыхлить и разминать комки СВС-составов и их компонентов с низкой чувствительностью к механическим воздействиям разрешается непосредственно в помеще- нии сушки.

Сушильные установки очищают внутри и снаружи регулярно перед каждой новой загрузкой.

Случайно просыпанный СВС-состав или его компонент должен быть немедленно убран тряпкой, смоченной водой, а место на полу должно быть тщательно вытерто влажной тряпкой. При просыпке азида натрия или СВС-шихт его содержащих, работа по удалению должна вестись в резиновых перчатках и респираторе.

Стены лаборатории сушки не реже одного раза в месяц проти- рают от пыли продуктов влажной тряпкой (при отсутствии СВС- составов в помещении).

Сушка производится только в тех сушильных аппаратах, кото- рые сохраняют постоянство температуры. По окончании рабочего дня сушильные аппараты выключаются.

38

Сушка порошка титана, циркония и гафния. Порошки этих ме-

таллов обычно хранятся в заводской таре во влажном состоянии. Для процесса сушки, совком из цветного металла отбирают в меньшую тару не более 2 кг металла. При этом проверяют маркировку отби- раемого порошка. В случае замерзания влажного металла запрещает- ся его отбор с помощью металлических режущих предметов или ме- тодом откалывания. В данном случае замерзший порошок отогрева- ется с помощью «водяной грелки» или горячей водой.

Отобранный металл накладывается тонким слоем 2-3 см в лотки или поддоны в количестве не более 2 кг, направляется на сушку. Сушка указанных порошков металлов может производиться как в ва- куум-сушильных шкафах, так и методом провяливания. Норма за- грузки вакуум-сушильного шкафа (например, ОПТ-200), не более 4 кг. Температура сушки порошков металлов не более 100 °С, при этом в термошкафу не должно быть каких-либо других высушенных материалов. Окончание сушки определяется по изменению массы. Высушенный порошок металла охлаждают до комнатной температу- ры, после чего он может идти на следующие операции или хранение. Охлаждение можно проводить как в вакуум-сушильном шкафу, так и вне его, например, в вытяжных шкафах.

Процесс провяливания металлических порошков проводят толь- ко в вытяжных шкафах с аналогичной нормой загрузки.

Сушка порошка алюминия. Процесс сушки порошка алюминия аналогичен процессу сушки порошков переходных металлов. Особые меры предосторожности следует соблюдать со свежим порошком алюминия, так как частицы этого порошка могут быть покрыты очень тонким слоем оксидной пленки и будет повышена вероятность само- возгорания порошка вследствие его дополнительного окисления. Норма загрузки вакуум-сушильных шкафов в данном случае снижа- ется до 1 кг.

Сушка порошков бора, кремния, сажи. Процесс сушки указан-

ных элементов аналогичен процессу сушки порошков металлов. Вследствие инертности порошков бора, кремния и сажи температура сушки может составлять 120-150 °С.

39

Сушка галоидных солей. Процесс сушки галоидных солей не представляет собой опасности возникновения пожара, но имеет место возгонка этих продуктов. Поэтому сушка галоидных солей проводит- ся в термошкафах, помещенных в вытяжные шкафы. Вследствие низ- ких температур разложения и сублимации, температура сушки гало- идных солей не должна превышать 80 °С. Разрешается сушка одно- временно различных галоидных солей в одном термошкафу на раз- ных поддонах. Норма загрузки термошкафа не более 3 кг. Разрешает- ся сушка галоидных солей методом провяливания в вытяжных шка- фах.

Сушка порошка азида натрия. Процесс сyшки азида натрия,

вследствие его высокой токсичности, производится только в термо- статах, помещенных в вытяжном шкафу. Норма загрузки термостата не более 5 кг. Температура сушки не более 80°С. Разрешается провя- ливать азид натрия в количестве 1 кг в вытяжных шкафах. Все опера- ции с азидом натрия проводятся в вытяжном шкафу с использовани- ем очков, респиратора и резиновых перчаток.

Сушка нитридов, карбидов, карбонитридов элементов. Сушку конечных продуктов синтеза разрешается проводить в термостатах, вытяжных шкафах, на столах без вытяжной вентиляции, но при этом должно исключаться пыление продукта. Нормы загрузки 10 кг. В случае если целевой продукт синтеза промывался этиловым спиртом, то сушка производится в вытяжном шкафу, и норма загрузки вытяж- ного шкафа при этом составляет не более 3 кг.

Количество этилового спирта для промывки целевых продуктов после соответствующей водной промывки приведено в таблице 4.

Нитрид алюминия подвергается только спиртовой промывке вследствие того, · что данное химическое соединение интенсивно реа- гирует с водой при использовании водной промывки. Остальные ту- гоплавкие соединения при необходимости получения их высокой степени чистоты, промываются от остатков щелочи и хлоридов азо- тируемых элементов, образующихся при синтезе. Количество этило- вого спирта, необходимого для промывки тугоплавких соединений,

40