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 ?[О2] может служить критерием поджигающей способности фрикционных искр. Для малоуглеродистых сталей и распространенных горючих ?[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 ?[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.