不同粒徑鎂鋁合金粉塵爆炸與抑爆特性研究*

王林元，呂瑞琪，鄧洪波

(西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500)

數字出版日期： 2017-01-13

0　引言

世界上首個關于粉塵爆炸內容是對小麥粉塵的可燃性質研究，內容還包括粉塵形成、粉塵的起燃、火焰傳播和爆轟波傳遞方向4個主要方面。歐洲和北美國家在氣體和粉塵爆炸的實驗研究起步較早。Hartman[1]和Ishihama[2]在密閉的容器中對可燃性粉塵進行了若干項的研究；Bidabadi等[3-4]利用鋁粉不同燃燒時間模型進行比較研究，用鋁粉在具有空間離散源的介質進行了燃燒特性分析；R. M. Freehill[5]針對不同容積容器、管道內Kst(粉塵爆炸指數)和抑爆效果之間的關系展開了研究，并提出了抑爆系統設計及應用的基本實驗準則。

我國諸多學者也在粉塵爆炸現象的不斷研究中取得了一些成績，范寶春[6]等人在燃燒管內進行了碳酸鈣顆粒對氫氣氧氣混合爆炸過程的抑制作用進行了研究；游天龍[7]研究了鈦元素金屬粉塵的最小點火能、爆炸下限和最低著火溫度的變化規律；鐘英鵬[8]對鎂粉爆炸的特性進行試驗研究，建立爆炸危險性評價，建立鎂粉爆炸參數數據庫，為后面的實驗提供了良好的數據指導；李亞男[9]利用磷酸二氫銨分別對鎂粉、鋁粉、鈦粉進行了爆炸抑制作用的研究。

國內外科研人員利用球形密閉實驗裝置，對可燃性粉塵進行的大量實驗研究證實：隨著實驗裝置容積的增大，可燃性粉塵的爆炸特性值Kst與大容積實驗裝置中測得的數值越發接近[10]，國內外大量實驗研究表明，20 L與1 m3實驗裝置所測得的實驗結果基本一致[11]。國際上普遍采用20 L來測定。鎂和鋁都是輕型金屬材料，具有較高的強度和導熱導電性能、靜電屏蔽能力好、環境相容度高等特點，被廣泛應用于工業生產中，因此研究其粉塵爆炸與抑爆特性能為預防和控制爆炸事故提供指導。

1　實驗方案

1.1　實驗樣品

在錦州市金屬材料研究所購買供實驗使用的3種規格鎂鋁合金粉：60目(250 μm)、120目(120 μm)與180目(80 μm)，均為真空包裝。鎂鋁合金粉中鎂含量約49.85%，鋁含量約49.90%，鎂和鋁的含量約占合金總體的50%，另有少量的鎳、硅及鈷等雜質成分，具體組成見表1。實驗前將鎂鋁合金粉在恒溫45℃的烘箱中烘干，烘干時間大于10 h，以除去鎂鋁合金粉中的水分，提高實驗結果的準確度。

表1　鎂鋁合金粉成分分析

1.2　實驗儀器

選取由東北工業大學研制的20 L球形爆炸實驗系統進行本次實驗，裝置如圖1所示。爆炸測試系統由爆炸容器、ETC-20L-DS控制和數據采集系統3部分構成。控制箱由可編程控制器、點火信號發生器與觸控屏等組成。裝置內壓力改變經壓力傳感器與變送器轉變成電信號，系統對壓力時間曲線進行分析后自動獲得該次實驗的最大爆炸壓力，關鍵參數見表2。

圖1　20L爆炸測試容器ETD-20L DGFig.1　20Lexplosion experimental apparatus ETD-20L DG

動態量程(0～5V輸出)/MPa可用量程(0～10V輸出)/MPa分辨率/kPa諧振頻率/kHz非線性度/%ICP恒流電源輸出/V1．3792．7580．021>500<10～5

2　實驗結果及討論

2.1　爆炸下限測定及分析

參照GB/T16425-1996粉塵爆炸下限濃度的測定方法，鎂鋁合金粉起始濃度均采用70 g/m3，按10 g/m3的梯度逐級遞增或遞減[12]，點火延時60 ms，噴粉時間50 ms，進氣壓力1.81 MPa，采用2個5 kJ的化學點火頭，結果如圖2，其中橫坐標代表實驗次數，縱坐標代表發生爆炸時的濃度。

圖2　3種粒徑下的鎂鋁合金粉塵的爆炸下限Fig.2　Lower explosive limit of magnesium-aluminum alloy dust under three particle sizes

利用分組數據計算方法[13]，如式(1)所示。

(1)

式中：X為數據平均值；Xc為各組分區間的組中值；fi為各組數據的實驗次數；m為實驗次數；n為數據的總實驗次數。將圖表中的數據帶入處理， 180目、120 目和60 目的爆炸下限平均濃度分別為45 g/cm3，55 g/cm3和95 g/cm3。

2.2　粉塵粒徑與爆炸壓力的關系

在點火延時60 ms、噴粉時間50 ms、進氣壓力1.81 MPa及2個5 kJ的化學點火頭的條件下，如圖3，以最大爆炸壓力為縱坐標，粒徑為橫坐標，在500 g/cm3和200 g/cm3條件下，爆炸壓力隨其粒徑的增大而減小。由此推測，在相同濃度的條件下，粒徑較小的粉塵，可能會引發威力更大的爆炸事故。

圖3　相同濃度下的鎂鋁合金粉粒徑對最大爆炸壓力的影響Fig.3　Effect of particle size for Mg-Al alloy powder on maximum explosion pressure under the same concentration

這主要受到兩方面因素的影響，一是隨著溫度上升，鎂鋁合金粉粒徑減小，粒子的比表面積增大，球形裝置內氧氣的接觸面積增大，造成粒子表面燃燒反應的放熱速率減慢[14]；二是鎂鋁合金粉粒徑的減小使其粒子和球形裝置內氣體的對流換熱速率加快，造成粒子的點火馳豫時間減小[15]。

2.3　碳化硅與石墨對爆炸壓力的影響

碳化硅粉和石墨粉從安陽市恒興冶金材料研究所購買，組成成分見表3。本次實驗測試了碳化硅和石墨對鎂鋁合金粉最大爆炸壓力的影響情況。

表3　碳化硅粉和石墨粉成分分析

試驗采用的鎂鋁合金粉濃度均為700 g/m3，其粉塵粒徑分別為180目、120目及60目，選用碳化硅作為惰性粉塵。鎂鋁合金粉與碳化硅和石墨按相同比例組成混合粉塵。碳化硅與石墨含量均以10%的質量濃度梯度遞增，點火能量選用2個5kJ的化學點火頭，點火延時設置為60 ms，噴粉時間設置為50 ms，進氣壓力設置為1.81 MPa。

通過分析圖4和圖5可以發現，鎂鋁合金粉的最大爆炸壓力隨著惰性粉塵碳化硅和石墨濃度的增大而減小。當惰性粉塵碳化硅濃度增加到50%時，粒徑為60目的鎂鋁合金粉此時的最大爆炸壓力約0.14 MPa，此時的鎂鋁合金粉未發生爆炸，而此時石墨的濃度只增加到30%；同時，120目和180目的鎂鋁合金粉的爆炸壓力均發生了非常明顯的下降；當惰性粉塵碳化硅濃度增加到70%時，120目的鎂鋁合金粉最大爆炸壓力約0.13 MPa，此時石墨的濃度達到50%；當惰性粉塵碳化硅濃度增加到80%且石墨濃度在60%時，180目的鎂鋁合金粉最大爆炸壓力分別為0.13 MPa和0.14 MPa，180目和120目的鎂鋁合金粉最大爆炸壓力均小于0.15 MPa，此時鎂鋁合金粉未發生爆炸。在鎂鋁合金粉中加入惰性粉塵碳化硅和石墨后，減小了事故后果的嚴重程度。

圖4　碳化硅含量對不同粒徑700 g/m3鎂鋁合金粉最大爆炸壓力的影響Fig.4　Effect of silicon carbide content in 700 g/m3Mg-Al alloy powder with different particle on maximum explosion pressure

圖5　石墨含量對不同粒徑700 g/m3鎂鋁合金粉最大爆炸壓力的影響Fig.5　Effect of Graphite content in 700 g/m3Mg-Al alloy powder with different particle on maximum explosion pressure

2.3.1石墨與金剛石抑爆特性的比較

圖6、圖7和圖8為3種不同目數鎂鋁合金粉中加入石墨與碳化硅粉塵后最大爆炸壓力影響的差別。

圖6　石墨與碳化硅含量對60目700 g/m3鎂鋁合金粉最大爆炸壓力的影響Fig.6　Effect of graphite and silicon carbide content in 250 μm Mg-Al alloy powder with 700 g/m3 concentration on maximal explosive pressure

圖7　石墨與碳化硅含量對120目700 g/m3鎂鋁合金粉最大爆炸力的影響Fig.7　Effect of graphite and silicon carbide content in 120 μm Mg-Al alloy powder with 700 g/m3 concentration on maximal explosive pressure

圖8　石墨與碳化硅含量對180目700 g/m3鎂鋁合金粉最大爆炸壓力的影響Fig.8　Effect of graphite and silicon carbide content in 80 μm Mg-Al alloy powder with 700 g/m3 concentration on maximal explosive pressure

通過對比圖6、圖7和圖8可以發現，加入石墨后的最大爆炸壓力曲線下降速度更快，石墨對鎂鋁合金粉的最大爆炸壓力抑制作用優于碳化硅。主要是石墨密度相比碳化硅密度更小，相同質量的石墨和碳化硅，石墨比表面積比碳化硅大，使石墨與鎂鋁合金粉接觸面積更大，造成鎂鋁合金粉不能完全燃燒[17]，爆炸壓力降低。同時，石墨的粒徑也比碳化硅小，使得石墨更加容易吸附在鎂鋁粒子的表面上，阻擋鎂鋁粒子與空氣的接觸，使其不能完全燃燒，造成鎂鋁合金粉最大爆壓降低。這與南京理工大學的謝波[18]等人探索出的可燃性氣體的惰化抑爆規律類似。

2.3.2惰性粉塵抑爆機理分析

根據粉塵爆炸相關機理，對惰性粉塵的抑爆機理分析如下：

1)從粉塵爆炸的三個條件分析，一定濃度可燃性粉塵懸浮在空氣中、足夠的空氣與氧化劑、火源或劇烈振動與摩擦[19]。粒徑較小的惰性粉塵顆粒大量懸浮在空氣中，容易吸附在可燃性粉塵顆粒的表面上，阻擋可燃性粉塵顆粒與空氣的接觸，使其不能完全燃燒，降低其最大爆炸壓力，從而抑爆，減小了可燃粉塵爆炸的風險[20]。

2)在可燃性粉塵的燃燒爆炸過程中，顆粒與顆粒之間主要通過熱傳導和火焰輻射來傳遞熱量。趙衡陽[21]的研究發現，物體絕對溫度的4次方與其通過輻射釋放出的熱量成比例。減小顆粒之間的熱傳導和火焰輻射可對粉塵爆炸起到抑制作用。懸浮在空中的惰性粉塵粒子，會吸收爆炸反應放出的大量熱量[22]，減小了粉塵粒子之間的熱傳導與火焰輻射，中斷了后續粉塵的燃燒，減小最大爆炸壓力。懸浮在容器中的惰性粉塵，能吸收因爆炸放出的沖擊波能量，減小了粉塵的最大爆炸壓力。

3)在粉塵粒子的表面吸附著惰性粉塵粒子，使得燃燒的粉塵粒子放出的熱量受到了影響，阻礙未引燃的粉塵粒子，減小了火焰傳播速度，導致壓力上升速率變慢，減小了粉塵的最大爆炸壓力。

3　結論

1)由分析測試結果可知，180目(80 μm)，120目(125 μm)和60目(250 μm)鎂鋁合金粉對應的爆炸下限分別為45 g/m3，55 g/m3和95 g/m3，表明鎂鋁合金粉粒徑越小，鎂鋁合金粉的表面積越大，與氧氣的接觸更加充分，爆炸下限越低，爆炸可能性越大，危險性越高。

2)相同濃度條件下，鎂鋁合金粉的最大爆炸壓力隨著粒徑增加而減小，200 g/m3的鎂鋁合金粉其粉塵粒徑在180目處出現爆炸壓力極大值，500 g/m3的鎂鋁合金粉其粉塵粒徑在180目處出現爆炸壓力極大值。因此，在生產及會產生鎂鋁合金粉的工藝過程中，可通過消除或減少粒徑較小的粉塵來提高安全系數。

3)碳化硅和石墨濃度對鎂鋁合金粉最大爆炸壓力影響的研究中，碳化硅和石墨以10%的質量濃度梯度分別加入鎂鋁合金粉，當60目，120目和180目鎂鋁合金粉分別加入碳化硅中，濃度至50%，70%和80%，石墨中濃度至30%，50%和60%時，鎂鋁合金粉不會發生爆炸。說明碳化硅及石墨等惰性粉塵都能對粉塵爆炸起到抑制作用，減小粉塵爆炸的威力并降低危險性，其中石墨對鎂鋁合金粉的抑爆作用明顯優于碳化硅。鎂鋁合金粉的最大爆炸壓力隨著惰性粉塵含量的增大而減小。

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