鈦金屬打磨粉塵爆炸危險性檢測試驗研究

文┃楊秋文* 楊宛儒 王建雄 朱 果 鐘 炯 韓 森

鈦金屬打磨粉塵爆炸危險性檢測試驗研究

文┃楊秋文* 楊宛儒 王建雄 朱 果 鐘 炯 韓 森

2014年江蘇省蘇州昆山市中榮金屬制品有限公司“8·2”鋁合金輪轂打磨拋光粉塵爆炸事故，共造成146人死亡，114人受傷，直接經濟損失3.51億元。2016年4月29日，廣東省深圳市光明新區精藝星五金加工廠發生鋁粉塵爆炸事故，造成7人死亡、3人受傷。湖南是有色金屬之鄉，有色金屬企業數量較多，根據2016年10月各市州安監局統計上報數據，其中存在粉塵爆炸風險的企業90余家，作業場所超過10人以上的企業18家，粉塵防爆安全形勢較為嚴峻。

金屬表面處理工藝是金屬機械加工的重要工序，包括噴丸、噴砂、去毛刺、打磨、刷光和拋光等工序中的一種或幾種。相關設備包括拋丸機、噴丸機、噴砂機、角磨機、砂輪機、砂帶機、手持式砂輪、手持式砂紙打磨機、刷光機、固定式拋光輪、手持式拋光輪等。對金屬表面處理工藝產生的粉塵進行爆炸特性試驗，甄別其是否為爆炸性粉塵已是當務之急。

我國鈦資源儲量占世界的1/4。鈦及其合金已廣泛應用于航空、航天、航海、軍械、石油化工、造紙、酸堿工業、體育器械及醫療器械等領域。切削產生的鈦屑在空氣中能著火燃燒。鈦粉塵屬于ⅢC導電性粉塵，高溫表面堆積粉塵層（5mm）的引燃溫度為290℃，粉塵云的引燃溫度為375℃，無爆炸下限及粉塵平均粒徑參數。金屬粉塵能否發生著火、燃燒或爆炸, 以及其爆炸的猛烈程度會受到多方面因素的影響。

本文擬對某企業鈦金屬打磨粉塵進行爆炸性能試驗，并對粉塵粒徑、形狀、組分進行檢測，以探討其爆炸特性的關鍵影響因素，為甄別爆炸性粉塵及防護措施研究提供依據。

1、生產工藝

某企業對海綿鈦進行熔鑄、鍛造后，采用金剛玉砂輪打磨，產生鈦金屬打磨粉塵。見圖1。

▲ 圖1 鈦金屬打磨粉塵生產工藝示意圖

2、檢測試驗

2.1 樣品的選取

某企業鈦金屬錠打磨產生的粉塵經排風扇抽至巷道，細顆粒粉塵經水洗沉淀處理，大顆粒粉塵重力沉降在巷道內。本文試驗樣品為在巷道內沉積的隨機粉塵樣品。

2.2 粉塵爆炸性測試

試驗設備：Hartmann管式粉塵引燃實驗儀，20L球形爆炸參數測試系統。

測試結果見表1。

▲ 表1 粉塵的爆炸性測試結果

測試結果表明，粉塵樣品在大氣壓和正常溫度下不能與空氣形成爆炸性混合物，因此，不具有爆炸性。

2.3 粒度分析

試驗設備：WI-G-019A MS2000型激光粒度測試儀。

采用水做分散劑，對樣品進行粒度分布測試，結果見圖2。

▲ 圖2 粒度分布圖

從圖2可以看出，粉塵樣品最大粒徑達1441.79微米，90%的顆粒直徑少于576.18微米，50%的顆粒直徑少于106.12微米，10%的顆粒直徑少于33.07微米。

2.4 電鏡掃描及能譜測試

試驗設備：日立SU3500掃描電鏡及牛津X-MAX50mm能譜分析儀。

2.4.1 電鏡掃描

二次電子形貌圖像，見圖3（1）（2）（3）。

▲ 圖3 二次電子形貌像

從圖3（1）可以看出，樣品的組成顆粒大致可分為四種：一種為中央顆粒，數量極少，約占5%；一種為球粒，約占5%；一種為表面光亮棱角粒狀的顆粒，約占45%；一種為表面粗糙棱角粒狀的顆粒，約占45%。從圖3（2）（3）可以看出，中央顆粒及類似形狀物質，表面突起，毛刺、孔腔、裂隙、切削紋等豐富。

2.4.2 能譜測試

能譜測試結果，見圖4～7。

根據圖4能譜分析結果，O原子百分比為27.07%, Al原子百分比為6.23%，Ti原子百分比為66.70%。可以看出中央顆粒為鈦屑，表面有一定程度的氧化，成分主要為Ti，含少量Al，因表面氧化，還有O進入到了檢測成分中。Ti的氧化物為TiO2，Al的氧化物為Al2O3，鈦屑表層檢測結果中O的原子百分比僅為27.07%，是“虧損”的。這是鈦屑的氧化層較淺的緣故。

根據圖5能譜分析結果，O原子百分比為64.23%, Al原子百分比為1.38%，Ti原子百分比為34.39%。可以看出，球粒為熔融呈球狀的鈦屑，表面有相對較深程度的氧化，表面成分為二氧化鈦，含微量Al。

▲ 圖4 中央顆粒能譜分析

▲ 圖5 球粒能譜分析

▲ 圖6 表面光亮棱角粒狀的顆粒能譜分析

根據圖6能譜分析結果，O原子百分比為52.93%, Al原子百分比為47.07%。可以看出，表面光亮棱角粒狀的顆粒主要為剛玉，樣品未噴鍍導電薄層，常因表面荷電顯白色。

▲ 圖7 表面粗糙棱角粒狀的顆粒能譜分析

根據圖7能譜分析結果，O原子百分比為30.53%, Al原子百分比為7.24% ，Ti原子百分比為 57.88 %，V原子百分比為4.36%。可以看出，表面粗糙棱角粒狀的顆粒為鈦屑，表面成分主要為Ti，含少量Al和V，因表面氧化，還有O進入到了檢測成分中。

3、結果分析

根據粉塵爆炸性測試結果，鈦金屬錠金剛玉砂輪打磨產生的巷道沉積粉塵不具有爆炸性。分析主要原因，一是打磨粉塵顆粒較粗，中位粒徑約100微米；二是打磨粉塵混入大量惰性雜質，150目篩下顆粒主要成分為鈦金屬屑和剛玉雜屑，各占約50%；三是金屬鈦屑表面層不同程度氧化，形成一層厚度為幾十納米的致密氧化膜。

責任編輯：鐘金花 113061599@qq.com

楊秋文（1973—），男， 安全工程高級工程師，在湖南有色金屬研究院從事安全生產技術研究工作。