Термитная смесь в бункере ФВУ: частный случай смены стали на алюминий

Короткий ответ

В рассматриваемом случае термитная смесь состоит из оксидов железа и металлического алюминия. Она не образуется при обычной резке стали или алюминия по отдельности. Для образования смеси необходимы оба компонента, а для начала реакции — источник энергии инициации (например, искра или окалина).

Практический сценарий — последовательная резка углеродистой стали с использованием кислорода, а затем алюминия с использованием воздуха или азота. Продукты резки стали содержат оксиды железа, а алюминиевые частицы — металлический алюминий. При их смешении в бункере образуется термитная смесь, реакция которой возможна при наличии источника энергии инициации. Поэтому перед переходом на алюминий бункер очищается от пыли прежнего металла.

1. Что такое термитная смесь и как она может образоваться в ФВУ

Термитная смесь содержит окислитель и восстановитель. В описанном случае окислителем служит оксид железа, восстановителем — металлический алюминий. Реакция между ними называется алюмотермической и сопровождается большим выделением тепла.

Для возникновения термитной реакции необходимы три условия:

• оксиды железа;
• металлические частицы алюминия;
• источник энергии инициации; открытое пламя не обязательно.

В термитной смеси оксид алюминия не заменяет металлический алюминий. Поэтому наличие только оксидов алюминия и железа не доказывает образование термитной смеси.

Обычный дым от резки углеродистой стали не является термитом. Для образования термитной смеси необходим второй компонент — металлический алюминий, который попадает в систему при обработке алюминия или алюминиевых сплавов.

2. Как смесь образуется при смене материала

Частный случай формирования термитной смеси включает следующие этапы:

1. Выполняется резка углеродистой стали с использованием кислорода. В бункере и воздуховодах накапливаются продукты резки, включая оксиды железа.
2. Затем начинается резка алюминия с использованием воздуха или азота. На фильтры и в бункер попадают металлические частицы алюминия.
3. Если прежняя пыль не удалена, оба компонента смешиваются в ограниченном объёме. При наличии источника энергии инициации возможна термитная реакция.

Смешение может происходить не только в бункере. Пыль прежнего металла остаётся в воздуховодах, на стенках установки и в труднодоступных участках. Поэтому перед сменой материала оценивается состояние всей системы, а не только содержимое бункера.

Обратная последовательность — сначала алюминий, затем углеродистая сталь — требует отдельной оценки: состав и состояние остаточной пыли могут отличаться от описанного случая.

3. Что подтверждают инциденты

В отчёте DOE описан инцидент, в котором алюминиевая пыль смешалась с продуктами обработки стали, что привело к вспышке. По описанию инцидента, мелкодисперсный алюминий вступил в контакт с мелкодисперсным оксидом железа, образовавшимся при обработке стали. Перед последующей обработкой железа или стали рекомендуется тщательно очистить оборудование от алюминиевой пыли. ^[3]

В публикации AirBench описан случай задымления и возгорания в бункере при отключённом питании и отсутствии горячих работ. Причиной стало смешение алюминиевой и стальной пыли. Авторы рекомендуют разделять процессы, чтобы исключить случайное смешение материалов. ^[4]

Эти примеры показывают опасность смешения конкретных компонентов, но не позволяют распространять вывод на любой дым или любую пыль. Они не доказывают неизбежность возгорания в каждом циклоне или бункере. Оценка выполняется по составу пыли и условиям процесса.

4. Чем термитная реакция отличается от обычного горения пыли

Термитная реакция отличается от горения пыли в воздухе: оксид железа служит окислителем, а металлический алюминий — восстановителем. Реакция протекает между компонентами смеси; поэтому её не следует описывать как обычное тление или повторное возгорание пыли.

Пожарную опасность нельзя оценивать только по названию химического соединения. Учитываются состав, дисперсность, влажность и температура частиц, а также возможные источники энергии инициации. ^[1]

5. Проверка и очистка перед переходом на алюминий

Перед сменой обрабатываемого материала проверяются не только сама установка, но и все участки, по которым проходит пыль:

• какой материал обрабатывался ранее и какая пыль могла остаться в системе;
• есть ли в бункере и воздуховодах оксиды железа;
• предусмотрено ли удаление прежней пыли из бункера и доступных участков;
• работает ли искроотбойник на входе;
• исправны ли патронные фильтры, уплотнения и заземление;
• определён ли регламент безопасной остановки и реагирования на задымление или возгорание.

До начала резки алюминия бункер очищается от прежней пыли. Это устраняет один из компонентов термитной смеси. Если полная очистка невозможна, требуется отдельная оценка остаточного состава пыли и условий процесса.

При задымлении или возгорании процесс останавливается и применяется аварийный регламент объекта. Самостоятельные эксперименты со смесью не проводятся.

6. Границы описанного случая

Из описанного случая не следует, что:

• дым лазерной или плазменной резки по умолчанию является термитом;
• оксид алюминия и металлический алюминий — одно и то же;
• смесь любых металлических пылей автоматически образует термит;
• для реакции обязательно нужно открытое пламя;
• можно назначить одну универсальную температуру или срок, при которых возгорание неизбежно;
• очистка только рабочего стола устраняет риск, если пыль осталась в бункере и воздуховодах.

Смеси продуктов резки других материалов требуют отдельной оценки до начала работ. Это относится к изменению порядка обработки, смене вспомогательного газа и появлению нового покрытия на листе.

7. Итоговый вывод

Термитная смесь в описанном случае образуется при смешении оксидов железа, оставшихся после резки углеродистой стали с использованием кислорода, и металлического алюминия, попадающего в систему при последующей резке алюминия с воздухом или азотом. Для начала реакции необходим источник энергии инициации.

Перед переходом на алюминий бункер и доступные участки системы очищаются от прежней пыли. Для других материалов и последовательностей работ требуется отдельная оценка состава пыли и состояния системы.

Источники

[1] OSHA. Combustible Dusts, Technical Manual, Section IV, Chapter 6. Состав пыли, размер частиц, влажность, источники зажигания и условия возникновения пожара и взрыва. https:/​/​www.osha.gov/​sites/​default/​files/​otm_secIV_chap6.pdf

[2] OSHA. Hazards Associated with Aluminum Grinding, 2009. Алюминиевая пыль, искры, алюмотермические реакции и пожарная опасность. https:/​/​www.osha.gov/​laws-regs/​standardinterpretations/​2009-10-08

[3] DOE Lessons Learned. Fireball from Aluminum Grinding Dust, 2001-RL-HNF-0036. Пример смешения мелкодисперсного алюминия с мелкодисперсным оксидом железа и рекомендация очистить оборудование от алюминиевой пыли перед обработкой железа или стали. https:/​/​ncsp.tamu.edu/​reports/​DOE2/​doe2_0017.htm

[4] AirBench. The Risks of Mixing Aluminium and Steel Dusts. Пример возгорания бункера при смешении алюминиевой и стальной пыли и рекомендация разделять процессы. https:/​/​www.airbench.com/​latest/​the-risks-of-mixing-aluminium-and-steel-dusts/​