1. Відомо, що при нагріванні дрібно роздробленого алюмінія він енергійно згорає на повітрі
2. Ще один приклад загоряння дисперсного алюмінію
3. У сплавах алюмінію з магнієм
4. Слід зазначити, що ряд властивостей алюмінієвих сплавів полегшують рішення задачі підвищення вогнестійкості...
5. І, нарешті, відмінна здатність алюмінію
6. література
7. Внесок учасника:

Алюміній і його сплави є найбільш поширеними серед кольорових металів матеріалами і знаходять все більш широке застосування в транспорті, будівництві, упаковці, електротехніці і виробництві предметів побуту. Завдяки унікальному комплексу властивостей вони успішно витримують конкуренцію з боку інших конструкційних матеріалів, таких як сталь, бетон, дерево, пластмаси, скло та ін.

На жаль, в Росії - одному з найбільших світових виробників первинного алюмінію - використання алюмінію для цих цілей істотно відстає від рівня розвинених країн. З виробленого в минулому році 3,76 млн. Т алюмінію лише трохи більше 600 тис. Т було використано у вигляді виробів для внутрішнього споживання в країні. Причин цього кілька. В першу чергу низький попит на алюмінієву продукцію в Росії обумовлений значним спадом промислового виробництва. Проте важливу роль зіграло мало за радянських часів підпорядкування споживання потреб військово-промислового комплексу і, як наслідок, недостатня до теперішнього часу обізнаність виробників і споживачів громадянської промислової продукції про властивості алюмінію, його сплавів і їх переваги перед іншими матеріалами. Звідси і хибні уявлення у багатьох, наприклад, про токсичність або надмірно високу вартість алюмінію, невисокою корозійної стійкості або недостатньої механічної міцності його сплавів і ін. А ці стереотипи створюють перешкоду застосування алюмінію в виробах, спорудах і машинах.

З черговим міфом ми зіткнулися, знайомлячись з матеріалами «круглого столу» з проблеми «Вентильовані фасади:« за »або« проти »[1]. В ході дискусії там були висловлені побоювання в частині застосування для цих цілей алюмінію: мовляв «... алюмінієво-магнієві сплави горять ... і фахівці-матеріалознавці, що працюють в авіації, це прекрасно знають ...». Наш майже сорокарічний досвід роботи в авіаційній промисловості, пов'язаний з плавленням, литтям і гарячої обробкою тиском практично всіх марок алюмінієвих сплавів, що деформуються дозволяє судити про помилковість цього твердження. Відомо, що горіння - це високотемпературне окислення, що характеризується високою швидкістю процесу та виділенням значної кількості тепла. Тому уявлення про горючості алюмінію і його сплавів перш за все пов'язані з великим спорідненістю алюмінію до кисню. З рис. 1 [2] слід, що алюміній відрізняється від міді і заліза значно вищою теплотою окислення. Його оксид дуже стабільний і погано відновлюється. Це властивість широко використовується в металургії, де алюміній застосовують як раскислителя.

Відзначимо, що різниця в спорідненості до кисню визначила хронологію застосування цих металів людством. У бронзовому столітті спочатку використовували самородную мідь, а потім стали отримувати її сплави з оловом, роздуваючи горн легкими через трубки. Для отримання заліза потрібно вже відновлення руди деревним вугіллям в сиродутних печах. І тільки з появою електрики стало можливим розірвати міцний зв'язок кисню і алюмінію і почати виробництво цього легкого металу.

Відомо, що при нагріванні дрібно роздробленого алюмінія він енергійно згорає на повітрі

При цьому виділяється 31 кДж енергії на 1 г окислившегося алюмінію, це трохи менше тепла, утвореного при згорянні 1 л природного газу. Чим дисперсних частинок алюмінію, тим менша необхідна температура нагріву. Так, алюмінієвий порошок, змішаний з виділяють кисень речовинами, починає інтенсивно горіти при температурі займання 250-300 0С. Це широко використовується в піротехніці і виробництві ракетного палива. Розпилений же в повітрі алюмінієвий порошок з розмірами частинок менше 100 мкм здатний утворювати вибухову суміш при кімнатній температурі.

При проведенні алюмотерміческого реакції алюмінієва дріб, змішана з окисом заліза (ковальської окалиною), для займання вимагає доведення локальної температури до 1 100 0С. Потім реакція Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 триває мимовільно з утворенням рідкого шлаку з окису алюмінію і рідкого заліза. При цьому температура в зоні реакції досягає 2 400 0С. Слід зазначити, що в 50-х рр. минулого століття в гірничорудній промисловості ряду країн мали місце випадки загоряння і вибухів при ударі алюмінію іржавим залізом або сталлю в присутності горючої навколишнього середовища. Природа явища також пов'язана з алюмотерміческого реакцією, викликаної передачею кисню між глибоко змішаними частками алюмінію і іржі. У нормальних атмосферних умовах таких випадків не спостерігалося. Тому в присутності горючої навколишнього середовища алюмінієві деталі, що знаходяться в прямому контакті з іржавим залізом або сталлю, обов'язково фарбують і підтримують покриття в хорошому стані.

Ще один приклад загоряння дисперсного алюмінію

горіння крапель алюмінієвого розплаву в шлаку, знятому з дзеркала ванни печі. Дослідження [3] показують, що в цьому випадку згоряють краплі розміром 1 мм і менше. Їх частка досягає в шлаку 20-25%. Для скорочення втрат металу використовують або швидке охолодження шлаку до температури 450 0С в середовищі інертного газу або пресування гарячого шлаку із застосуванням установок ALTEK PRESS (а також їх аналогів) для вичавлювання 10-20% алюмінію і коагулирования крапель в більші утворення.

Горіння алюмінію в дисперсної формі сприяють такі чинники. Поверхня дисперсних частинок має підвищену реакційною здатністю, зумовленої збільшеною часткою недосконалостей через дефекти решітки і домішок. Велике значення має також величезне виділення енергії внаслідок великої питомої поверхні контакту металу з киснем і неможливість її відведення вглиб металу через малість розміру часток. В результаті підйому температури послаблюються захисні властивості окисної плівки.

У компактній же формі алюміній і алюмінієво-магнієві сплави ні в твердому, ні в розплавленому станах в атмосферних умовах не горять, не підтримують горіння і не сприяють поширенню полум'я. Це властивість алюмінієвих сплавів дозволяє успішно плавити їх в полум'яних відбивних печах, піддаючи безпосередньому окислювальному впливу полум'я пальників. Алюмінієва поверхня під дією вогню нагрівається і при досягненні температури плавлення починає оплавлятися, але не горить. Така поведінка металу при взаємодії з киснем обумовлено досить високими захисними властивостями утворюється на поверхні окисної плівки і можливістю відводу тепла з зони реакції вглиб металу внаслідок високої теплопровідності алюмінію.

Відомо, що свежевскритая поверхню алюмінію навіть при кімнатній температурі досить швидко покривається окисной плівкою, товщина якої в перші години окислення досягає 1,7-2,1 нм. При подальшій витримці на повітрі товщина оксидного шару повільно протягом 70-80 днів збільшується до 3 нм і потім зростання плівки практично припиняється. З підвищенням температури товщина окисної плівки на поверхні алюмінію зростає і при температурах, близьких до точки плавлення, досягає 100 нм. На чистому алюмінії до температур 700-1 000 0Сона складається з г-Al2O3, параметр кубічної решітки якої (0,791 нм) майже точно відповідає подвоєному параметру г.ц.к. решітки алюмінію (0,808 нм). Тому пана окис алюмінію як би є простим продовженням решітки алюмінію. Це забезпе-безпечує її гарну адгезію на металі, суцільність і відсутність пор і тріщин. Єдиний спосіб проникнення кисню до алюмінію - дифузія іонів через окисну плівку - процес досить повільний навіть при високій температурі нагріву. Ось чому не дивлячись на високу спорідненість алюмінію з киснем і екзотермічний характер реакції окислення процес горіння алюмінію в результаті цієї реакції розвитку не отримує.

У сплавах алюмінію з магнієм

провідну роль в окисленні відіграє магній, оскільки є поверхнево активним елементом і має великий, ніж алюміній, спорідненістю до кисню. Тому в алюмінієво-магнієвих сплавах, що містять до 1,0% магнію, окісна плівка складається в основному з шпінелі MgAl2O4 і при більш високих змістах магнію - тільки з MgO.

Захисні властивості поверхневих окисних плівок оцінюють відповідно до відомим правилом піллінгу і Бедворті [5] за допомогою коефіцієнта зміни обсягу в, який являє собою відношення обсягу еквівалента отриманого оксиду Мок / сік (Мок - маса в грам-еквівалентах, сік - щільність) до відповідного об'єму металу М / с. Якщо коефіцієнт в <1, що має місце, наприклад, для магнію, то частка обсягу металу, витраченого на освіту оксиду, буде частково зайнята порами, тріщинами і ін. Несплошном, допускають проникнення кисню до металу і його горіння. Такий оксид не є захисним, тому магній може загорятися при нагріванні і горить в розплавленому стані в повітряній атмосфері. Навпаки, коли в> 1, що спостерігається для алюмінію і заліза, то на поверхні металу утворюється щільна захисна плівка оксиду. Плівка на алюмінієво-магнієвому сплаві з MgO гірше захищає від окислення і втрат магнію, ніж г-Al2O3 або б-Al2O3 на алюмінії, але і вона не допускає загоряння металу при нагріванні в кислородосодержащей атмосфері.

Наведені в табл. 1 [5] дані свідчать про те, що сплави на основі заліза і алюмінієві сплави щодо горіння повинні бути рівнозначними. Це узгоджується з результатами випробувань на горючість алюмінію марки 8112 і алюмінієвих сплавів систем Al-Mn (3003, 3004, 3105), Al-Mg (5005), Al-Mg-Si (6061, що 6063) у вертикальній трубчастої печі, проведених фірмою Signet Laboratories в США за замовленням компанії Kaiser Aluminium в період з 1968 по 1972 рр. Як наголошується в матеріалах [6] Американської алюмінієвої асоціації, всі зазначені сплави в ході цих випробувань вели себе однаково і були повністю негорючими, як сталеві матеріали.

Алюміній і його сплави від сталевих матеріалів відрізняє більш низька температура плавлення, дані по якій для сплавів, використовуваних у виробництві будівельних конструкцій, наведені в таблиці 2 [7]. В результаті алюмінієві сплави поступаються сталям в частині вогнестійкості.

Більшість алюмінієвих сплавів починають помітно знижувати міцність при температурах 200-250 0С і тому мають більш низький максимум робочої температури в порівнянні зі сталлю. Як приклад на малюнку 2 [8] наведені дані щодо зміни механічних властивостей прутків і листів зі сплаву АД31, широко використовуваного в вітчизняних алюмінієвих будівельних конструкціях.

Ця особливість алюмінієвих сплавів повинна враховуватися при проектуванні будівельних конструкцій. Необхідно передбачати захист структурної цілісності конструкцій від дії вогню протягом необхідних періодів часу за допомогою техніки вогнестійкою обробки або спінюючих захисних покриттів, використовувати комбіновані профілі зі спеціальними термоизолирующими елементами, що дозволяють збільшити час прогріву каркаса і зменшити температурні деформації при нагріванні, застосовувати водяні завіси, створювані спринклерними системами пожежогасіння, а також інші відомі будівельникам прийоми.

У 1962 р американська компанія Alcoa випробувала захист від пожежі алюмінієвих конструкцій будівель покриттями з легкого бетону на основі вермикуліту. Було доведено, що товщина покриття, необхідна для запобігання збільшенню температури алюмінієвих колон понад 190 0С і 260 0С протягом періоду до 4 годин, лише на трохи більше, ніж для сталі. Для сталевих колон, відповідно до вимог Американського товариства по випробуванню матеріалів, такі покриття потрібні для запобігання від нагрівання вище 540 0С. Використання легкого бетону було визнано ефективним способом захисту алюмінієвих будівель.

Проблема вогнестійкості алюмінієвих конструкцій особливо актуальна і для Росії. Це пов'язано з великим їх поширенням останнім часом у вигляді фасадів, вітражів, вікон і дверей, внутрішніх перегородок і огороджувальних конструкцій, а також випадками пожеж в громадських і житлових будівлях. Традиційні світлопрозорі конструкції з алюмінієвих сплавів із застосуванням звичайної листового силікатного скла мають, як правило, низьку вогнестійкість - до 8-10 хв. за ознакою втрати цілісності. У той час як відповідно до вимог СНиП 21-01-97 конструкції, огороджувальні шляхи евакуації (в тому числі і світлопрозорі), повинні мати межу по вогнестійкості не менше 45 хв. (ЕI-45, IV клас вогнестійкості). При цьому втрата цілісності (Е) характеризується утворенням в конструкції наскрізних тріщин або отворів, через які проникають продукти горіння або полум'я, або випаданням фрагмента конструкції. Втрата ж теплоізолювальної здатності I характеризується високою інтенсивністю теплового випромінювання, що проходить через світлопрозоре заповнення конструкції. У цьому випадку щільність теплового потоку приймає 3,5 кВт / кв. м на відстані 500 мм від не обігрівається поверхности.

Наведемо кілька прикладів. Німецька компанія Schьco пропонує ряд системних рішень для захисту будівель від вогню за рахунок застосування вогнестійких алюмінієвих дверей, фасадів і скла, а також компонентів вогнестійкою конструкції (фурнітури, ущільнювачів, кріплення і ін.), Які пройшли тестування в Технологічному центрі в Білефельді - одному з найбільших в світі випробувальних центрів. Нею розроблені системи Firestop для дверей і перегородок з вогнестійкістю 30, 60 і 90 хвилин [9].

Великих успіхів у створенні вогнестійких алюмінієвих конструкцій досягнуті російською компанією «Завод Алюмінієві конструкції». Застосовуючи профілі з термоизолирующими елементами «АГРИСОВГАЗ» і «Татпроф», а також багатошарові композиційні скла зі спінюється при температурах 150-300 0Сі утворюючим теплозахисний коксовий шар клейовим складом, вона освоїла серійний випуск фасадів і перегородок з вогнестійкістю EI-60 і EI-90. На сертифікаційних випробуваннях вогнестійка конструкція з системи AGS-150 протистояла відкритого полум'я 120 хвилин, показавши реальне відповідність рівню EI-120 (I клас вогнестійкості).

Слід зазначити, що ряд властивостей алюмінієвих сплавів полегшують рішення задачі підвищення вогнестійкості конструкцій

У таблиці 3 наведені деякі властивості алюмінію і заліза, які, відповідно, є основою алюмінієвих сплавів і сталей, багато в чому визначає рівень їх властивостей.

Серед цих властивостей слід в першу чергу відзначити більш високу теплоємність алюмінію, що вимагає більшого (в 1,6 рази) в порівнянні з залізом кількості тепла, необхідного для однакового збільшення температури при рівній масі конструкції.

Велика теплопровідність алюмінію при значно меншій щільності забезпе-безпечує в умовах нестаціонарного процесу нагріву вищу (майже в 6 разів) температуропровідність або швидкість вирівнювання температури в масі конструкції, що виключає локальний перегрів, сприяє розсіюванню тепла і допомагає скоротити кількість місць, де могла б відбутися істотна втрата властивостей матеріалу.

І, нарешті, відмінна здатність алюмінію

до відбиття променевої енергії забезпе-безпечує кращий захист конструкції від перегріву під час пожежі. При цьому, чим більше довжина хвилі світла, тим інтенсивніше (особливо в інфрачервоній частині спектра) вона відбивається алюмінієм. В реальних умовах поверхнева окісна плівка на алюмінієвих сплавах зменшує на 10-15% відбивну здатність. Однак і в цьому випадку вона значно перевищує 5% коефіцієнт відображення для пофарбованої сталі і 25% для нержавіючої сталі. Це надає алюмінієвим конструкціям додаткові переваги.

Таким чином, алюміній і його сплави в компактній формі в атмосферних умовах не горять і не підтримують горіння. При проектуванні конструкцій необхідно враховувати весь комплекс властивостей цих сплавів, як сприяють підвищенню вогнестійкості, так і її знижують, а також застосовувати способи захисту структурної цілісності конструкції від дії вогню. У світі накопичено величезний досвід успішного застосування алюмінію і його сплавів (в тому числі і алюмінієво-магнієвих композицій) в конструкціях, що вимагають високого опору спалаху і розповсюдженню полум'я, включаючи судна, нафтові платформи, вантажівки з рідкими вогненебезпечними речовинами, громадські будівлі (типу павільйонів, торгових центрів, арен) і ін. споруди. Тому є всі підстави для широкого використання алюмінієвих сплавів і в російській будівельній практиці.

література

1. «Вентильовані фасади:« за »і« проти »» .// «Технології будівництва», № 1 (42), 2006, с. 6-18.

2. Уикс К. Е., Блок Ф. Е. «Термодинамічні властивості 65 елементів, їх оксидів, галогенідів, карбідів і нітридів». - М .: «Металургія», 1965.

3. Zeng D., Pankov E. The best recycling technology and equipment for today's Russian market with case study at VMC, Russia.//Труди 3-й міжнародній конференції «Рециклінг алюмінію». Москва, 29-31 березня 2006 р

4. Добаткін В. І., Габідуллін Р. М., Кола-чев Б. А., Макаров Г. С. «Гази і оксиди в алюмінієвих деформівних сплавах». - М .: «Металургія», 1976.

5. «Окислення металів» (під ред. Ж. Бенара). Т. 1. - М .: «Металургія», 1968.

6. Fire Resistance and Flame Spread Performance of Aluminum and Aluminum Alloys. Second Edition. The Aluminum Association, Inc. July 2002. P. 21.

7. «Алюмінієві сплави (властивості, обробка, застосування)». - М .: «Металургія», 1979.

8. Микляев П. Г. «Механічні властивості легких сплавів при температурах і швидкостях обробки тиском». Довідник. - М .: «Металургія», 1994.

9. «Алюмінієві вогнестійкі системи Schьco» .// «Вікна, двері, фасади». Випуск 17. 2006, с. 134-137.

Внесок учасника:

Учасник: Фадєєв Олександр