鋯金屬粉塵云的爆炸特性*

鄧 軍,任旭剛,王秋紅,楊玉峰

(1.西安科技大學安全科學與工程學院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學陜西省煤火災害防治重點實驗室,陜西 西安 710054)

鋯金屬粉塵云的爆炸特性*

鄧 軍1,2,任旭剛1,2,王秋紅1,2,楊玉峰1,2

(1.西安科技大學安全科學與工程學院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學陜西省煤火災害防治重點實驗室,陜西 西安 710054)

采用20 L近球形爆炸實驗系統對鋯粉塵云的爆炸特性開展了實驗研究，分別分析了初始點火能量、點火延遲時間、粉塵云濃度3種因素對鋯粉塵云爆炸強度的影響，揭示了鋯粉塵云在密閉容器中的爆炸特性。在本實驗條件下，結果表明：初始點火能量對鋯粉塵云最大爆炸壓力有顯著影響，鋯粉塵云最大爆炸壓力隨初始點火能量的增大而增大；隨點火延遲時間的增加，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小，存在最佳點火延遲時間；隨粉塵云濃度的增大，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小，存在最佳鋯粉塵云濃度，得到鋯粉塵云的爆炸下限為18～20 g/m3。

鋯;粉塵云;爆炸壓力;初始點火能量;點火延遲時間

金屬粉塵爆炸是指懸浮狀金屬顆粒被快速氧化，瞬間釋放出大量熱量，系統內溫度和壓力迅速升高的現象[1]，占總粉塵爆炸事故的三分之一[2]。鋯粉是一種高致熱性金屬粉，它具有較低的著火點低(約210 ℃)、極易被氧化、燃燒速度大和釋放熱量高的特點，被廣泛應用于民用、航天、新能源、軍工以及核反應堆等領域。近年來，一些學者對鋯粉的燃燒進行了相關研究，其中W.L.Doyle等[3]研究得到鋯金屬在壓力為1.013 MPa的氧氣中燃燒達到的最高溫度為4 930 K。K.H.Ewald等[4]研究了鋯粉在氧氣中的燃燒規律，指出當氣體壓力升高時，鋯粉的燃燒溫度和波速隨著增大；相對濕度較小的鋯粉燃燒時，溫度在初始時就急劇上升，而相對濕度較大的鋯粉燃燒時，溫度緩慢上升。C.Badiola等[5]研究發現，鋯顆粒的平均燃燒溫度與其自身的絕熱火焰溫度非常接近，且顆粒燃燒溫度與粒子大小無關，顆粒燃燒時間與顆粒尺寸存在函數關系。王秋紅等[6-7]利用粉塵云瞬態火焰實驗系統以及自行設計的粉塵云連續吹噴預混燃燒實驗系統，研究了鋯粉塵云火焰在管道中傳播時的溫度和速度特性以及鋯粉塵云噴射火焰的火焰發射率和溫度場分布。丁以斌[8]利用粉塵云火焰傳播實驗系統，結合粒子圖像測速技術、高速顯微和紋影技術，研究了鋯粉塵云火焰傳播特性和火焰的微觀結構。以上研究主要側重于鋯粉的燃燒特性和鋯粉的火焰傳播特性，而對鋯粉在密閉容器中的爆炸特性未見報道。本文中采用20 L近球形爆炸實驗系統，以鋯粉為研究對象，開展實驗研究初始點火能量、點火延遲時間以及粉塵云濃度對爆炸壓力的影響，揭示鋯粉塵云的爆炸特性。

1 實驗系統與實驗材料

1.1 實驗系統介紹

圖1 粉塵爆炸實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system for dust explosion

采用20 L近球形爆炸實驗系統，該系統由容積為20 L的近球形爆炸罐、噴粉系統、點火系統、控制系統和數據采集系統組成，如圖1所示。近球形爆炸罐高35 cm，內徑30 cm。噴粉系統由壓縮空氣氣瓶、電磁閥、儲氣罐、儲粉罐、粉體擴散器和托粉皿組成，用來噴起粉塵，形成粉塵云。點火系統采用化學點火頭作為點火源，采用中心點火方式。控制系統控制電磁閥的開啟時間、噴粉時間以及點火延遲時間。數據采集系統包括壓力傳感器、采集卡和計算機等。壓力傳感器安裝在爆炸罐內壁，位于點火電極上方，與點火電極的垂直距離為6 cm，與爆炸罐底部的垂直距離為22 cm。當爆炸罐內壓力發生變化時，由安裝在爆炸罐壁上的壓力傳感器接收爆炸壓力信號，通過采集卡將數據傳輸給計算機，經過計算程序，顯示出最大爆炸壓力。

最初裝粉塵的位置在儲粉罐，實驗中發現壓縮空氣在攜帶儲粉罐中的鋯粉顆粒向爆炸罐底部出口運動時，由于鋯粉燃點較低，鋯粉在噴入爆炸罐前的管道內就發生了燃燒，導致實驗無法進行。為此，針對低燃點粉塵云爆炸測試，設計加工了托粉皿，將承載鋯粉的托粉皿安裝在粉體擴散器上方，壓縮空氣經過托粉皿時直接攜帶鋯粉，從而在罐內形成鋯粉塵云。經實驗證實，在原有實驗裝置噴粉結構上加裝托粉皿，能夠保證粉體均勻地分散在罐內的整個空間，托粉皿對爆炸測試不產生影響。托粉皿由中空圓臺、篩網、環形墊片和螺絲組成。安裝方式是用均勻布置的螺絲穿過環狀墊片將篩網緊固在圓臺內側，粉塵鋪放于篩網中間位置，見圖2。

圖2 托粉皿Fig.2 Prop dust pan

1.2 實驗過程及參數設置

實驗過程：(1)檢查爆炸罐氣密性；(2)檢查各儀器處于正常工作狀態；(3)稱量一定質量的鋯粉，將鋯粉平鋪在托粉皿上；(4)將化學點火頭纏繞在點火電極兩端，并使點火頭處于點火電極中心部位，蓋好爆炸罐頂蓋，并上緊螺絲；(5)對爆炸罐抽真空；(6)在控制軟件中點擊聯動測試，會完成開啟電磁閥-點火-壓力曲線記錄動作。該過程中的電磁閥開啟會將儲氣罐中的1 MPa壓縮空氣噴入爆炸管內，使托粉皿上的鋯粉分散于爆炸罐內，且使罐內的壓力恰好達到常壓。

控制軟件參數設置：采樣頻率為5 000 Hz，采樣時間為1 000 ms，電磁閥開啟時間為10 ms。

1.3 實驗材料

1.3.1 鋯粉顆粒的形貌分析

實驗前，將鋯粉置于30 ℃的恒溫真空干燥箱中干燥12 h，可確保實驗過程中樣品的使用條件一致。干燥后的鋯粉是灰色的，呈粉末狀,如圖3所示。先將鋯粉分散，然后用XL30 ESEM-TMP環境掃描電鏡觀察分析,如圖4所示,鋯粉顆粒為鱗片狀結構，顆粒間存在大量空隙。

圖3 鋯粉實物圖 Fig.3 Picture of zirconium dust

圖4 鋯粉的SEM圖Fig.4 SEM of zirconium dust

1.3.2 鋯粉顆粒的粒度分析

使用Mastersizer 2000激光粒度分析儀對鋯粉的粒度分布進行檢測，得到鋯粉的粒度分布體積百分比，如圖5所示。

可知鋯粉的粒度分布為：d(0.1)=6.809 μm，d(0.5)=21.029 μm，d(0.9)=56.255 μm，其平均粒度為21.029 μm。

根據超細粉體的定義，可知本實驗所使用的鋯粉屬于超細粉體中的微米級粉體。而超細粉體粒度較小，具有特殊的結構，處于熱力學上極不穩定的狀態。

1.3.3 點火頭制作

實驗中采用的點火源是化學點火頭，化學點火頭的制作是以鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇按照4∶3∶3的質量比混合而成[9]。共制備了能量為1 ～10 kJ的共10種點火能量E的化學點火頭。各能量點火頭所對應的藥粉總質量m和在無粉塵參與條件下點火頭點燃在罐中產生的壓力p，如表1所示。

2 實驗結果分析

按照GB/T 16425[10]和IEC[11]標準，當爆炸升壓(不包括點火頭影響)超過30～50 kPa時可認為粉塵發生了爆炸，本文中采用30 kPa。

2.1 鋯粉塵云爆炸壓力隨時間變化過程

當鋯粉濃度為20 g/m3時，分別用3、5、10 kJ的點火能量點爆罐內可燃物，得到不同鋯粉塵云爆炸后隨時間變化的壓力曲線，如圖6所示。

圖5 鋯粉粒度分布Fig.5 Particle size distribution of zirconium powder

E/kJm/gp/kPaE/kJm/gp/kPa10.24161.443720.48971.684630.721581.925240.962192.165951.2028102.4068

圖6 壓力-時間曲線Fig.6 Pressure-time curves

從圖6可以看到，3條壓力-時間曲線均可劃分為壓力上升、壓力峰值和壓力衰減3個階段。壓力上升是由于爆炸罐內的鋯粉顆粒被點燃，快速氧化不斷釋放出的能量大于向周圍損失的能量，能量不斷蓄積，壓力不斷升高；壓力峰值的大小與鋯粉塵的反應熱力學和動力學性質相關；壓力衰減是由于鋯粉顆粒氧化釋放的能量小于系統損失的能量，壓力開始逐漸降低。點火能量不同，壓力峰值不同。

2.2 初始點火能量對鋯粉塵云爆炸壓力的影響

在考察初始點火能量對鋯粉塵云爆炸壓力的影響時，點火延遲時間設為60 ms，符合GB/T 16425[10]和EN 14034[12]的要求。

在20升爆炸罐中，分別用1、2、…、10 kJ點火能量引爆濃度為20 g/m3的鋯粉塵云，分析初始點火能量對鋯粉塵云最大爆炸壓力pmax的影響。初始點火能量與鋯粉塵云最大爆炸壓力的關系如表2所示,tmax為pmax對應的時刻。從表2可以得到，在鋯粉塵云濃度為20 g/m3，點火延遲時間為60 ms，其他條件不變，只改變初始點火能量的情況下:(1)點火能量為1和2 kJ的點火頭無法引燃濃度為20 g/m3的鋯粉塵云；(2)鋯粉塵云最大爆炸壓力隨初始點火能量的增大而增大，說明初始點火能量對鋯粉塵云爆炸威力產生很大的影響。

表2 不同初始點火能量下鋯粉塵云最大爆炸壓力

2.3 點火延遲時間對鋯粉塵云爆炸壓力的影響

經空白實驗測定，實驗中采用的質量為 0.72 g的以鋯粉、硝酸鋇和過氧化鋇為原料按照4∶3∶3的質量比例混合而成的3 kJ點火頭,本身爆炸產生升壓約為15 kPa,相對較低,且每次爆炸實驗均同等地受到相同點火頭的作用,因此其影響可忽略不計。

點火延遲時間是從電磁閥開啟時刻到點火電極放電時刻之間的時間間隔。電磁閥開啟是用于將粉塵噴入爆炸罐內，點火電極放電是用于將彌散在爆炸罐中的粉塵云點燃。如果點火延遲時間過短，爆炸罐內的粉塵還未充分沉降，分散狀態不佳，此時點火必然造成測出的爆炸壓力較低；如果點火延遲時間過長，爆炸罐內的粉塵已經沉降到爆炸罐底部，造成鋯粉損失，此時點火必然造成測出的爆炸壓力較低。點火延遲時間的長短直接影響裝置內粉塵的分散狀態，從而影響鋯粉塵云的爆炸壓力。點火延遲時間對粉塵云爆炸壓力測定有十分顯著的影響[13]。在20 L爆炸罐中，采用3 kJ點火頭對濃度為20 g/m3的鋯粉塵云在點火延遲時間為20、40、60、80、100 ms等5種條件下進行引爆，點火延遲時間與鋯粉塵云爆炸壓力的關系見表3。從表3可得到，在點火頭能量為3kJ，鋯粉濃度為20 g/m3，其他條件不變，只改變點火延遲時間td的情況下：(1)隨著點火延遲時間的遞增，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減??；(2)當點火延遲時間為80 ms時，鋯粉塵云最大爆炸壓力達到峰值56 kPa。以上表明鋯粉塵云爆炸存在一個最佳點火延遲時間，在最佳點火延遲時間下鋯粉塵云爆炸壓力達到最大。下文實驗均采用80 ms的點火延時。粒度和濃度一定的鋯粉，在其他條件保持不變的情況下，改變點火延遲時間，最大爆炸壓力隨之變化；存在一個最佳點火延遲時間，在該點火延遲時間下點火可使最大爆炸壓力取得最大值。

表3 不同點火延遲時間下鋯粉塵云最大爆炸壓力

2.4 鋯粉塵云濃度對鋯粉塵云爆炸壓力的影響

為了考察鋯粉塵云濃度對鋯粉塵云爆炸壓力的影響，本文中采取點火延遲時間為80 ms，點火能量為3 kJ，在其他條件不變的情況下，只改變鋯粉塵云濃度，考察爆炸壓力隨粉塵云濃度如何變化。在20 L爆炸罐中研究粉塵云濃度對鋯粉塵云爆炸壓力的影響。實驗設定條件為點火能量3 kJ、點火延遲時間80 ms，對20～100 g/m3濃度之間的鋯粉塵云爆炸壓力進行測試，其中遞增濃度為10 g/m3。鋯粉塵云最大爆炸壓力與鋯粉塵云濃度c(Zr)的關系見表4。

表4 不同鋯粉塵云濃度下鋯粉塵云最大爆炸壓力

從表4可以得到，在點火頭能量為3 kJ，點火延遲時間為80 ms，其他條件不變，只改變鋯粉塵云濃度的情況下:(1)隨著鋯粉塵云濃度的增加，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小，存在峰值壓力；(2)鋯粉塵云濃度為80 g/m3時，鋯粉塵云最大爆炸壓力達到峰值465 kPa。以上表明鋯粉塵云爆炸存在一個最佳鋯粉塵云濃度，在最佳濃度下鋯粉塵云爆炸壓力達到最大。

實驗測得僅是3 kJ的點火頭點燃(無鋯粉塵云存在)在罐中引起的壓力為15 kPa，根據GB16425[10]和IEC[11]標準可知:對濃度為18 g/m3的鋯粉塵云用3 kJ點火頭引爆導致罐內升壓未超過30 kPa，認為該濃度下鋯粉塵云未發生爆炸；對濃度為20 g/m3的鋯粉塵云用3 kJ點火頭引爆導致罐內升壓超過30 kPa，認為該濃度下鋯粉塵云發生爆炸。由此可粗略推理知本實驗條件下的鋯粉塵云的爆炸下限為18～20 g/m3。

3 結 論

在容積為20 L的近球形爆炸裝置中，分別研究了初始點火能量、點火延遲時間和粉塵云濃度對鋯粉塵云爆炸壓力的影響，得到結論如下：(1)在鋯粉塵云濃度為20 g/m3、點火延遲時間為60 ms時，初始點火能量從1 kJ增加到10 kJ，鋯粉塵云最大爆炸壓力從28 kPa增大到100 kPa；鋯粉塵云爆炸壓力隨初始點火能量的增加而增大，表明點火能量越低鋯粉塵云爆炸壓力越低。因此為了預防和控制鋯粉火災爆炸事故，在工業生產、儲存、運輸鋯粉過程中應消除點火源或盡量降低點火能量。(2)在點火頭能量為3 kJ、鋯粉濃度為20 g/m3時，隨著點火延遲時間的增長，鋯粉塵云最高爆炸壓力先升高后降低；點火延遲時間為80 ms時最高爆炸壓力達到峰值56 kPa；(3)在點火頭能量為3 kJ、點火延遲時間為80 ms時，隨著粉塵云濃度的增加，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小；鋯粉塵云濃度為80 g/m3時最大爆炸壓力達到峰值465 kPa；鋯粉塵云的爆炸下限為18～20 g/m3。所以在生產、儲存、運輸使用等環節應盡量降低鋯粉塵云濃度，可減少事故的發生。

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(責任編輯 張凌云)

Explosion characteristics of zirconium dust cloud

Deng Jun1,2, Ren Xugang1,2, Wang Qiuhong1,2, Yang Yufeng1,2

(1.SchoolofSafetyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,Shaanxi,China;2.ShaanxiKeyLaboratoryofPreventionandControlofCoalFire,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,Shaanxi,China)

A 20-liter nearly-spherical container was employed to examine the influence of initial ignition energy, ignition delay time and zirconium dust concentration on the characteristics of zirconium dust cloud explosion. The experimental results indicate that the maximum explosion pressure of zirconium dust cloud increases as the initial ignition energy increases, however, with the increase of ignition delay time, the maximum explosion pressure of the dust cloud increases at first and decreases thereafter. At the same time, there exists an optimal ignition delay time. In addition, with the increase of dust concentration, the maxmum explosion pressure of the dust cloud increases at first and decreases thereafter as well. Finally, there exists an optimal dust concentration, and the lower explosion limit of zirconium dust cloud is 18 to 20 g/m3.

zirconium; dust cloud; explosion pressure; initial ignition energy; ignition delay time

10.11883/1001-1455(2017)03-0496-06

2015-10-08；

2015-11-25

國家重點研發計劃項目(2016YFC0800102);國家自然科學基金項目(51504190,51134019); 中國博士后科學基金項目(2013M530430)； 陜西省教育廳專項科研計劃項目(2013JK0947); 陜西省國際科技合作與交流計劃項目(2016KW-070);西安科技大學博士后啟動金項目(2016QDJ013)

鄧 軍(1970— )，男，博士,教授，博士生導師; 通信作者: 王秋紅,wangqiuhong1025@126.com。

O381;X945 國標學科代碼： 13035

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