Горючесть алюминиевых конструкций: миф и реальность

Алюминий и его сплавы являются наиболее распространенными среди цветных металлов материалами и находят все более широкое применение в транспорте, строительстве, упаковке, электротехнике и производстве предметов быта. Благодаря уникальному комплексу свойств они успешно выдерживают конкуренцию со стороны других конструкционных материалов, таких как сталь, бетон, дерево, пластмассы, стекло и др.

К сожалению, в России — одном из крупнейших мировых производителей первичного алюминия — использование алюминия для этих целей существенно отстает от уровня развитых стран. Из произведенного в прошлом году 3,76 млн. т алюминия только немногим более 600 тыс. т было использовано в виде изделий для внутреннего потребления в стране. Причин этому несколько. В первую очередь низкий спрос на алюминиевую продукцию в России обусловлен значительным спадом промышленного производства. Однако немаловажную роль сыграло имевшее в советское время подчинение потребления нуждам военно-промышленного комплекса и, как следствие, недостаточная до настоящего времени осведомленность производителей и потребителей гражданской промышленной продукции о свойствах алюминия, его сплавов и их преимуществах перед другими материалами. Отсюда и ошибочные представления у многих, например, о токсичности или излишне высокой стоимости алюминия, невысокой коррозионной стойкости или недостаточной механической прочности его сплавов и др. А эти стереотипы создают препятствие применению алюминия в изделиях, сооружениях и машинах.

С очередным мифом мы столкнулись, знакомясь с материалами «круглого стола» по проблеме «Вентилируемые фасады: «за» или «против» [1]. В ходе дискуссии там были высказаны опасения в части применения для этих целей алюминия: мол «…алюминиево-магниевые сплавы горят… и специалисты-материаловеды, работающие в авиации, это прекрасно знают…». Наш почти сорокалетний опыт работы в авиационной промышленности, связанный с плавлением, литьем и горячей обработкой давлением практически всех марок алюминиевых деформируемых сплавов позволяет судить об ошибочности этого утверждения. Известно, что горение — это высокотемпературное окисление, характеризующееся высокой скоростью процесса и выделением значительного количества тепла. Поэтому представления о горючести алюминия и его сплавов прежде всего связаны с большим сродством алюминия к кислороду. Из рис. 1 [2]следует, что алюминий отличается от меди и железа значительно более высокой теплотой окисления. Его окисел очень стабилен и плохо восстанавливается. Это свойство широко используется в металлургии, где алюминий применяют в качестве раскислителя.

Отметим, что разница в сродстве к кислороду предопределила хронологию применения этих металлов человечеством. В бронзовом веке сначала использовали самородную медь, а затем стали получать ее сплавы с оловом, раздувая горн легкими через трубки. Для получения железа потребовалось уже восстановление руды древесным углем в сыродутных печах. И только с появлением электричества стало возможным разорвать прочную связь кислорода и алюминия и начать производство этого легкого металла.

Известно, что при нагреве мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе

При этом выделяется 31 кДж энергии на 1 г окислившегося алюминия, это чуть меньше тепла, образуемого при сгорании 1 л природного газа. Чем дисперснее частицы алюминия, тем меньшая необходима температура нагрева. Так, алюминиевый порошок, смешанный с выделяющими кислород веществами, начинает интенсивно гореть при температуре воспламенения 250–300 0С. Это широко используется в пиротехнике и производстве ракетного топлива. Распыленный же в воздухе алюминиевый порошок с размерами частиц менее 100 мкм способен образовывать взрывчатую смесь при комнатной температуре.

При проведении алюмотермической реакции алюминиевая дробь, смешанная с окисью железа (кузнечной окалиной), для воспламенения требует доведение локальной температуры до 1 100 0С. Затем реакция Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 продолжается самопроизвольно с образованием жидкого шлака из окиси алюминия и жидкого железа. При этом температура в зоне реакции достигает 2 400 0С. Следует отметить, что в 50-х гг. прошлого столетия в горнорудной промышленности ряда стран имели место случаи возгорания и взрывов при ударе алюминия ржавым железом или сталью в присутствии горючей окружающей среды. Природа явления также связана с алюмотермической реакцией, вызванной передачей кислорода между глубоко смешанными частицами алюминия и ржавчины. В нормальных атмосферных условиях таких случаев не наблюдалось. Поэтому в присутствии горючей окружающей среды алюминиевые детали, находящиеся в прямом контакте с ржавым железом или сталью, обязательно окрашивают и поддерживают покрытие в хорошем состоянии.

Еще один пример возгорания дисперсного алюминия

горение капель алюминиевого расплава в шлаке, снятом с зеркала ванны печи. Исследования [3] показывают, что в этом случае сгорают капли размером 1 мм и менее. Их доля достигает в шлаке 20–25%. Для сокращения потерь металла используют или быстрое охлаждение шлака до температуры 450 0С в среде инертного газа или прессование горячего шлака с применением установок ALTEK PRESS (а также их аналогов) для выжимания 10–20% алюминия и коагулирования капель в более крупные образования.

Горению алюминия в дисперсной форме способствуют следующие факторы. Поверхность дисперсных частиц обладает повышенной реакционной способностью, обусловленной увеличенной долей несовершенств из-за дефектов решетки и примесей. Большое значение имеет также огромное выделение энергии вследствие большой удельной поверхности контакта металла с кислородом и невозможность ее отвода вглубь металла из-за малости размера частиц. В результате подъема температуры ослабляются защитные свойства окисной пленки.

В компактной же форме алюминий и алюминиево-магниевые сплавы ни в твердом, ни в расплавленном состояниях в атмосферных условиях не горят, не поддерживают горения и не способствуют распространению пламени. Это свойство алюминиевых сплавов позволяет успешно плавить их в пламенных отражательных печах, подвергая непосредственному окислительному воздействию пламени горелок. Алюминиевая поверхность под действием огня нагревается и при достижении температуры плавления начинает оплавляться, но не горит. Такое поведение металла при взаимодействии с кислородом обусловлено достаточно высокими защитными свойствами образующейся на поверхности окисной пленки и возможностью отвода тепла из зоны реакции вглубь металла вследствие высокой теплопроводности алюминия.

Известно, что свежевскрытая поверхность алюминия даже при комнатной температуре довольно быстро покрывается окисной пленкой, толщина которой в первые часы окисления достигает 1,7–2,1 нм. При дальнейшей выдержке на воздухе толщина оксидного слоя медленно в течение 70–80 дней увеличивается до 3 нм и затем рост пленки практически прекращается. С повышением температуры толщина окисной пленки на поверхности алюминия растет и при температурах, близких к точке плавления, достигает 100 нм. На чистом алюминии до температур 700–1 000 0Сона состоит из г-Al2O3, параметр кубической решетки которой (0,791 нм) почти точно соответствует удвоенному параметру г.ц.к. решетки алюминия (0,808 нм). Поэтому г-окись алюминия как бы является простым продолжением решетки алюминия. Это обес-печивает ее хорошую адгезию на металле, сплошность и отсутствие пор и трещин. Единственный способ проникновения кислорода к алюминию — диффузия ионов через окисную пленку — процесс достаточно медленный даже при высокой температуре нагрева. Вот почему несмотря на высокое сродство алюминия с кислородом и экзотермический характер реакции окисления процесс горения алюминия в результате этой реакции развития не получает.

В сплавах алюминия с магнием

ведущую роль в окислении играет магний, поскольку является поверхностно активным элементом и обладает большим, чем алюминий, сродством к кислороду. Поэтому в алюминиево-магниевых сплавах, содержащих до 1,0% магния, окисная пленка состоит в основном из шпинели MgAl2O4 и при более высоких содержаниях магния — только из MgO.

Защитные свойства поверхностных окисных пленок оценивают в соответствии с известным правилом Пиллинга и Бедворта [5] с помощью коэффициента изменения объема в, который представляет собой отношение объема эквивалента полученного окисла Мок/сок (Мок — масса в грамм-эквивалентах, сок — плотность) к соответствующему объему металла М/с. Если коэффициент в<1, что имеет место, например, для магния, то доля объема металла, израсходованного на образование окисла, будет частично занята порами, трещинами и др. несплошностями, допускающими проникновение кислорода к металлу и его горение. Такой окисел не является защитным, поэтому магний может возгораться при нагреве и горит в расплавленном состоянии в воздушной атмосфере. Наоборот, когда в > 1, что наблюдается для алюминия и железа, то на поверхности металла образуется плотная защитная пленка окисла. Пленка на алюминиево-магниевом сплаве из MgO хуже защищает от окисления и потерь магния, чем г-Al2O3 или б-Al2O3 на алюминии, но и она не допускает возгорания металла при нагреве в кислородосодержащей атмосфере.

Приведенные в табл. 1 [5] данные свидетельствуют о том, что сплавы на основе железа и алюминиевые сплавы в отношении горения должны быть равнозначными. Это согласуется с результатами испытаний на горючесть алюминия марки 8112 и алюминиевых сплавов систем Al-Mn (3003, 3004, 3105), Al-Mg (5005), Al-Mg-Si (6061, 6063) в вертикальной трубчатой печи, проведенных фирмой Signet Laboratories в США по заказу компании Kaiser Aluminium в период с 1968 по 1972 гг. Как отмечается в материалах [6] Американской алюминиевой ассоциации, все указанные сплавы в ходе этих испытаний вели себя одинаково и были полностью негорючими, как стальные материалы.

Алюминий и его сплавы от стальных материалов отличает более низкая температура плавления, данные по которой для сплавов, используемых в производстве строительных конструкций, приведены в таблице 2 [7]. В результате алюминиевые сплавы уступают сталям в части огнестойкости.

Большинство алюминиевых сплавов начинают заметно снижать прочность при температурах 200–250 0С и поэтому имеют более низкий максимум рабочей температуры по сравнению со сталью. В качестве примера на рисунке 2 [8] приведены данные по изменению механических свойств прутков и листов из сплава АД31, широко используемого в отечественных алюминиевых строительных конструкциях.

Эта особенность алюминиевых сплавов должна учитываться при проектировании строительных конструкций. Необходимо предусматривать защиту структурной целостности конструкций от воздействия огня в течение требуемых периодов времени с помощью техники огнестойкой отделки или вспенивающихся защитных покрытий, использовать комбинированные профили со специальными термоизолирующими элементами, позволяющими увеличить время прогрева каркаса и уменьшить температурные деформации при нагреве, применять водяные завесы, создаваемые спринклерными системами пожаротушения, а также другие известные строителям приемы.

В 1962 г. американская компания Alcoa опробовала защиту от пожара алюминиевых конструкций зданий покрытиями из легкого бетона на основе вермикулита. Было доказано, что толщина покрытия, необходимая для предотвращения увеличения температуры алюминиевых колонн сверх 190 0С и 260 0С в течение периода до 4 часов, лишь на немного больше, чем для стали. Для стальных колонн, в соответствии с требованиями Американского общества по испытанию материалов, такие покрытия требуются для предохранения от нагрева выше 540 0С. Использование легкого бетона было признано эффективным способом защиты алюминиевых строений.

Проблема огнестойкости алюминиевых конструкций особенно актуальна и для России. Это связано с большим их распространением в последнее время в виде фасадов, витражей, окон и дверей, внутренних перегородок и ограждающих конструкций, а также участившимися случаями пожаров в общественных и жилых зданиях. Традиционные светопрозрачные конструкции из алюминиевых сплавов с применением обычного листового силикатного стекла имеют, как правило, низкую огнестойкость — до 8–10 мин. по признаку потери целостности. В то время как в соответствии с требованиями СНиП 21-01-97 конструкции, ограждающие пути эвакуации (в том числе и светопрозрачные), должны иметь предел по огнестойкости не менее 45 мин. (ЕI-45, IV класс огнестойкости). При этом потеря целостности (Е) характеризуется образованием в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя, либо выпадением фрагмента конструкции. Потеря же теплоизолирующей способности I характеризуется высокой интенсивностью теплового излучения, проходящего через светопрозрачное заполнение конструкции. В этом случае плотность теплового потока принимает 3,5 кВт/кв. м на расстоянии 500 мм от необогреваемой поверхности.

Приведем несколько примеров. Немецкая компания Schьco предлагает ряд системных решений для защиты зданий от огня за счет применения огнестойких алюминиевых дверей, фасадов и стекла, а также компонентов огнестойкой конструкции (фурнитуры, уплотнителей, крепежа и пр.), которые прошли тестирование в Технологическом центре в Билефельде — одном из крупнейших в мире испытательных центров. Ею разработаны системы Firestop для дверей и перегородок с огнестойкостью 30, 60 и 90 минут [9].

Большие успехи в создании огнестойких алюминиевых конструкций достигнуты российской компанией «Завод Алюминиевые конструкции». Применяя профили с термоизолирующими элементами «АГРИСОВГАЗ» и «ТАТПРОФ», а также многослойные композиционные стекла со вспенивающимся при температурах 150–300 0Си образующим теплозащитный коксовый слой клеевым составом, она освоила серийный выпуск фасадов и перегородок с огнестойкостью EI-60 и EI-90. На сертификационных испытаниях огнестойкая конструкция из системы AGS-150 противостояла открытому пламени 120 минут, показав реальное соответствие уровню EI-120 (I класс огнестойкости).

Следует отметить, что ряд свойств алюминиевых сплавов облегчают решение задачи повышения огнестойкости конструкций

В таблице 3 приведены некоторые свойства алюминия и железа, которые, соответственно, являются основой алюминиевых сплавов и сталей, во многом определяющей уровень их свойств.

Среди этих свойств следует в первую очередь отметить более высокую теплоемкость алюминия, требующую большего (в 1,6 раза) по сравнению с железом количества тепла, необходимого для одинакового увеличения температуры при равной массе конструкции.

Большая теплопроводность алюминия при значительно меньшей плотности обес-печивает в условиях нестационарного процесса нагрева более высокую (почти в 6 раз) температуропроводность или скорость выравнивания температуры в массе конструкции, что исключает локальный перегрев, способствует рассеиванию тепла и помогает сократить количество мест, где могла бы произойти существенная потеря свойств материала.

И, наконец, отличная способность алюминия

к отражению лучистой энергии обес-печивает лучшую защиту конструкции от перегрева при пожаре. При этом, чем больше длина волны света, тем интенсивнее (особенно в инфракрасной части спектра) она отражается алюминием. В реальных условиях поверхностная окисная пленка на алюминиевых сплавах уменьшает на 10–15% отражательную способность. Однако и в этом случае она значительно превышает 5% коэффициент отражения для окрашенной стали и 25% для нержавеющей стали. Это придает алюминиевым конструкциям дополнительные преимущества.

Таким образом, алюминий и его сплавы в компактной форме в атмосферных условиях не горят и не поддерживают горения. При проектировании конструкций необходимо учитывать весь комплекс свойств этих сплавов, как способствующих повышению огнестойкости, так и ее снижающих, а также применять способы защиты структурной целостности конструкции от воздействия огня. В мире накоплен огромный опыт успешного применения алюминия и его сплавов (в том числе и алюминиево-магниевых композиций) в конструкциях, требующих высокого сопротивления возгоранию и распространению пламени, включая суда, нефтяные платформы, грузовики с жидкими огнеопасными веществами, общественные здания (типа павильонов, торговых центров, арен) и др. сооружения. Поэтому есть все основания для широкого использования алюминиевых сплавов и в российской строительной практике.

Литература

1. «Вентилируемые фасады: «за» и «против»».//«Технологии строительства», № 1 (42), 2006, с. 6–18.

2. Уикс К. Е., Блок Ф. Е. «Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов». — М.: «Металлургия», 1965.

3. Zeng D., Pankov E. The best recycling technology and equipment for today’s Russian market with case study at VMC, Russia.//Труды 3-й международной конференции «Рециклинг алюминия». Москва, 29–31 марта 2006 г.

4. Добаткин В. И., Габидуллин Р. М., Кола-чев Б. А., Макаров Г. С. «Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах». — М.: «Металлургия», 1976.

5. «Окисление металлов» (под ред. Ж. Бенара). Т. 1. — М.: «Металлургия», 1968.

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

7. «Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение)». — М.: «Металлургия», 1979.

8. Микляев П. Г. «Механические свойства легких сплавов при температурах и скоростях обработки давлением». Справочник. — М.: «Металлургия», 1994.

9. «Алюминиевые огнестойкие системы Schьco».//«Окна, двери, фасады». Выпуск 17. 2006, с. 134–137.

Вклад участника:

Участник: Фадеев Александр