鋁金屬粉塵爆炸危險性檢測試驗研究

楊宛儒+楊秋文+王建雄+朱果

【摘 要】本文對某企業鋁金屬拉絲打磨產生的粉塵分別進行了爆炸危險特性參數測試、粒度分布檢測、電鏡掃描及能譜微區成分分析。通過檢測試驗發現采用鋁金屬拉絲打磨產生的粉塵具有爆炸危險性，并結合鋁金屬拉絲打磨粉塵的粒度分布、電鏡圖像及微區成分分析，對粉塵爆炸關鍵影響因素進行了探討。

【關鍵詞】鋁金屬；粉塵；爆炸；檢測試驗

本文擬對某企業鋁金屬拉絲打磨產生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 工藝概況

金屬表面預處理是指表面加工前對材料及其制品進行的機械、化學或電化學處理，使表面呈凈化、粗化或鈍化狀，以便進行后續表面處理的過程。金屬表面預處理包括：表面整平、浸蝕、表面除油；表面整平主要包括：機械磨光、拋光（機械拋光、化學拋光、電解拋光）、滾光、刷光、噴砂處理等。根據零件表面狀況及對零件的具體技術要求，企業采用不同的表面處理工藝。

本文研究對象采用的打磨設備及主要參數為：三角拉絲機，主軸轉速1080-1900 r/min，膠輪直徑250mm、寬100mm，150#砂帶長4000mm、寬100mm。采用拉絲機打磨，產生鋁金屬打磨粉塵。

2 檢測試驗

2.1 粉塵爆炸特性參數測試

2.1.1 測試方法

2.1.1.1 爆炸下限

試驗設備：20L球形爆炸裝置。

在實驗測試時，先將足量粉樣放入儲粉罐內，加壓到2.0MPa，容器內抽真空到0.04MPa。如果點火后容器內所測壓力不小于0.15MPa，則認為粉塵云發生了爆炸。逐漸減少粉塵濃度，重復上述過程，直至找到最低可爆濃度。

2.1.1.2 最小點火能

試驗設備：Hatmann管。

在實驗測試之前，先設定一個放電火花能量值，調整電壓值和電極間距，直到出現要求能量的放電火花，然后，將被測粉塵用壓縮空氣噴入爆炸容器內，并用電火花點燃粉塵云，觀察容器內粉塵云是否發生著火，著火判斷標準為：Hatmann管內，火焰傳播6cm以上。

2.1.1.3 粉塵云最低著火溫度

試驗設備：Godbert Greenwald 爐。

實驗測試時，先將爐溫控制在某一恒定溫度，將待測粉塵噴入爐膛，與內壁接觸的粉塵首先著火。從G-G爐爐管敞開口觀察，如有火焰噴出，說明爐內發生了粉塵著火；如果有零星火花從下口噴出，說明未著火。假設粉塵云發生著火的管內壁最低溫度為Tmin，則粉塵云最低著火溫度按下式計算：

若>300℃ MITC=Tmin-20℃

若<300℃ MITC=Tmin-10℃

2.1.1.4 粉塵層最低著火溫度

實驗測試時，先將粉塵層置于熱板上一定高度的盛粉環內，通過溫控儀控制熱板溫度，由溫度記錄儀記錄下熱板及粉塵層溫度，并根據下述判斷標準測出粉塵層的最低著火溫度：

（1）觀察到有火焰和發光等燃燒現象；

（2）粉塵層升溫超過熱表面溫度，然后又降至比熱表面溫度稍低之穩定值。如果溫度超過熱表面溫度20K，也視為著火。

2.1.1.5 最大爆炸壓力

試驗設備： 20L球形爆炸裝置。

采用化學點火頭點火，化學點火頭主要成分及配比為40%鋯粉、30%硝酸鋇和30%過氧化鋇，容器內爆炸超壓由壁面壓力傳感器測得。

2.1.2 測試結果

爆炸下限：75-100g/m3，最小點火能300-350mJ，粉塵云最低著火溫度630℃，粉塵層最低著火溫度>450℃，最大爆炸壓力0.7MPa。

2.2 粒度分析

2.2.1 測試方法

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。

2.2.2 測試結果

體積平均粒徑為159微米，其中90%的粒徑小于381微米，50%的粒徑小于107微米，10%的粒徑小于31微米。

2.3 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。

2.3.1 電鏡掃描

樣品的組成顆粒大致可分為三種：

第一種為較粗的鋸齒狀、柏葉狀碎屑。葉片寬度0.1-0.6mm不等，長度2-25mm不等。

第二種為細絲狀、窄細帶狀、毛發狀的碎屑。卷曲松散堆積，絲體拉伸長度0.2-20mm不等，寬度5-100um不等，多在50um以下。細絲兩側常見具不同的形貌：一側為徑向豎條紋，一側為橫向蛭狀皺紋、褶曲或裂紋。徑向豎條紋背面的橫向蛭狀皺紋、褶曲或裂紋，紋理層的厚度0.1-3um不等，一般在1-2um之間。

第三種為不規則粒狀、短而微彎曲的柱粒狀或帶狀、蜷縮粒狀、扁粒狀、細小片狀等形態的碎屑。碎屑直徑或寬度0.1-100um不等，一般在50um以下，多在10-30um之間。

2.3.2 能譜測試

針對第三種碎屑進行能譜測試，發現柱粒狀細小片狀碎屑微區能譜檢測（EDS）成分為Al原子百分比為100%。說明即使鋁屑存在局部氧化，氧化膜厚度極微，AutoID自動元素識別和EDS檢測成分中沒有O元素。

蜷縮粒狀碎屑微區能譜檢測（EDS）成分為Al原子百分比為94.3%，O原子百分比為5.7%。說明鋁屑表層有輕度氧化，其成分中含有微量O元素。

細小片狀碎屑微區能譜檢測（EDS）成分為Al原子百分比為80.7%，O原子百分比為18.67%，Ca原子百分比為1.16%。主要是碎屑中粘附了極微的肥皂屑的緣故。

3 分析和討論

3.1 與GB50058-2014可燃性粉塵特性結果對比分析

根據粉塵爆炸性測試結果，鋁金屬拉絲打磨產生的粉塵爆炸下限較小，容易形成爆炸性粉塵環境；最小點火能較大，不易被靜電引燃；粉塵云和粉塵層最低著火溫度較高，對熱表面引燃不敏感；最大爆炸壓力較大，為0.70MPa，后果較嚴重。GB50058-2014未能提供粉塵爆炸猛烈程度數據。從對比分析可以看出，隨著粒徑增大，爆炸下限增大；粉塵云、粉塵層最低著火溫度升高。

3.2 與鈦金屬打磨粉塵檢測試驗對比分析

根據掃描電鏡及能譜分析結果，鋁金屬拉絲打磨產生的粉塵，碎屑呈不規則粒狀、短而微彎曲的柱粒狀或帶狀、蜷縮粒狀、扁粒狀、細小片狀等形態，粒徑多在10-30um之間，鋁屑表層有輕度氧化。與鈦金屬打磨粉塵檢測試驗[1]對比分析可以看出，金屬屑表面層是否氧化，以及混入的惰化介質含量對粉塵爆炸特性有較大影響。

4 結果

根據粉塵爆炸性測試結果，鋁金屬拉絲打磨產生的粉塵具有爆炸性，最大爆炸壓力為0.70MPa，一旦發生粉塵爆炸，后果較嚴重。主要原因分析，一是拉絲打磨產生的碎屑顆粒較細，中位粒徑約30微米；二是金屬屑表面層氧化程度很低，氧化膜很薄。

【參考文獻】

[1]楊秋文，楊宛儒，等.鈦金屬打磨粉塵爆炸危險性檢測試驗研究，湖南安全與防災，2016.12：54-55.

[責任編輯：張濤]endprint