Фазлутдинов К.К.

29.12.2021 (обновленно 29.12.2021)

3694 просмотров

Искрообразование и искровзрывозащитный инструмент

Содержание: 

1. Как образуется искра?

2. Искрозащитный инструмент.

3. Электрический разряд.

4. Как образуется молния? 

1. Как образуется искра?

В природе существуют так называемые «пирофоры» - элементы, способные самопроизвольно воспламеняться при температуре ниже комнатной 21° C (70° F).  К таким элементам относится железо. Многие люди не знают, что в чистом виде железо существует только там, где нет кислорода (например, внутри горных пород). А то железо, которое мы видим в нашей повседневной жизни, на самом деле является сталью (сплав железа и углерода).

Чистое железо воспламеняется из-за его реакции с кислородом:

Fe₂ + O₂ = Fe₂O₃ + тепло

Fe₂O₃ — Оксид, это своего рода тонкая защитная корочка на поверхности любого стального инструмента. Кстати, со временем эта пленка становится толще и приобретает характерный коричневый цвет, мы ее привыкли называть «ржавчиной».

Причем же тут искра?

Когда мы бьем по стальному (железному) предмету, мелкие железные частички откалываются, чистое железо оголяется и тут же вступает в реакцию, описанную выше.

Тепло, выделяющиеся в результате реакции нагревает эти частички, они раскаляются и начинают светиться.

Еще одним важным фактором является энергия. При ударе механическая энергия преобразуется в тепловую. Это тепло так же помогает нагреть отделяющиеся частички.

Раскаленные мелкие железные частички – и есть искры.

Чем больше площадь оголенного при ударе железного участка – тем больше тепла выделится в результате реакции, тем больше будет искр.

2. Искрозащитный инструмент.

Для работы на взрывоопасных объектах (шахты, нефтедобывающие станции, автозаправки, заводы по изготовлению взрывчатых веществ и т.п.) использовать стандартный стальной инструмент недопустимо. Образующиеся от железного инструмента искры могут привести к взрыву.

Для изготовления этих инструментов практически всегда используют сплавы меди, иногда алюминия.  Вот несколько основных причин:

1. Медь не является пирофором. В отличие от Fe, Co, Ni, Mn, V, U и множества других металлов.
2. Сплавы меди относительно пластичны, меньше вероятность скола при ударе.
3. Высокая теплопроводность. Большая часть тепла, выделяющегося при ударе, поглощается. 

Для описания искробезопасных инструментов часто употребляют термин «неискрящие», что не совсем верно, потому что эти инструменты способны производить искру, корректней использовать термин «инструменты с уменьшенным искрообразованием».

Генерируемые этими инструментами искры называются «холодными искрами». Холодные искры имеют низкий уровень нагрева и не воспламеняют сероуглерод (сульфид углерода (IV) или СS₂ — дисульфид углерода), который имеет самую низкую точку воспламенения среди всех веществ, известных человеку. Поэтому, хотя «неискрящие» инструменты могут снизить риск возникновения искры, они не исключают возможность её возникновения полностью. 

Для искрозащиты используют:

1. Покрытие медью (около 40мкм) железного инструмента гальваническим способом. Самый простой вариант защиты, пригоден для малоопасных работ. Но со временем медное покрытие изнашивается и инструмент теряет защитные свойства
2. Литейная латунь (сплав ВБ-3). Из-за небольшой твердости сплава (до 20 HRC) ассортимент инструментов крайне мал.
3. Сплав Д16Т. Разработка на основе сплава Д16 с добавлением меди, марганца и магния. Большими преимуществами являются легкий вес металла (почти в 3 раза легче медных сплавов) и доступная цена. 
4. Сплав AlCu. Популярный сплав. Отличные показатели искробезопасности и коррозионной устойчивости в сочетании с приемлемой ценой.
5. Сплав BeCu. Максимально искровзрывобезопасный инструмент. Лучшее, что существует на сегодняшний день. Высокая твердость (30-40 HRC) и коррозионная устойчивость обеспечивают долговечность инструмента. Высокая цена. 

Из-за отсутствия в этих сплавах железа инструмент обладает немагнитными свойствами и используется в местах с вихревыми токами и магнитными полями, которые могут помешать сложной технической аппаратуре.

Такой инструмент практически не подвергается глубокой коррозии даже в агрессивных средах (морская вода и т.п.).

Инструмент из бронзовых сплавов на производствах запрещено использовать в контакте с ацетиленом, так как они элементы могут образовывать взрывоопасные ацетиленидные газы. 

3. Электрический разряд.

Искрение от стального инструмента не следует путать с электрическим разрядом (или молнией), оно не имеет с таковым ничего общего. 

Электрический разряд – процесс протекания электрического тока при значительном увеличении электропроводности среды относительно ее нормального состояния.

Одним из видов разряда является электрическая дуга, она же «Молния». Отдельно хотелось бы рассказать, как она образуется. 

4. Как образуется молния?

Грозовые облака состоят из пара, который в верхних слоях тучи из-за низкой температуры конденсирован в виде кристалликов льда. Для того чтобы туча стала грозовой, ледяные кристаллы внутри нее должны начать активно двигаться. Этому способствуют потоки теплого воздуха, поднимающиеся с нагретой поверхности. Теплые массы воздуха влекут за собой вверх более мелкие кристаллики льда, которые наталкиваются на более крупные. В результате этого процесса маленькие кристаллы оказываются положительно заряженными, крупные — отрицательно заряженными.

При этом маленькие кристаллики льда концентрируются в верхней части тучи, которая становится положительно заряженной, а большие — в нижней, отрицательно заряженной. Напряженность электрического поля в таком облаке достигает огромных значений: 1 миллион вольт на 1 метр.

При соприкосновении противоположно заряженных слоев в местах столкновения ионы и электроны образуют канал, все заряженные частицы устремляются по нему вниз, и образуется мощный электрический разряд — молния.

Противоположно заряженные слои могут образовать канал в результате столкновения двух грозовых туч или между тучей и наземным объектом.

Диаметр главного канала молнии от 10 до 25 сантиметров. По нему протекает ток огромной силы, раскаляет воздух и заставляет его светиться. От сильного нагревания (до 30000 градусов Цельсия)  воздух вокруг канала мгновенно расширяется, выпуская ударную волну во все стороны.

После того как канал образован, грозовая туча начинает разряжаться: за первым ударом молнии образуются последующие разряды (два и более)