鈦粉塵云的爆炸特性

董海佩，程貴海，李曉泉，徐中慧

（1.廣西大學資源與冶金學院，廣西南寧 530004；2.西南科技大學 環境與資源學院，四川綿陽 621010）

鈦粉應用十分廣泛，主要用于制取粉末冶金零件的原料，或真空吸氣劑、表面涂裝材料、鋁合金細化劑、煙花爆燃劑等[1]。鈦粉易發生氧化、燃燒、爆炸，屬于危險品，粉塵爆炸對人身安全、財產、環境帶來重大威脅[2]，因此，研究鈦粉的爆炸特性很有意義。

為了預防和減輕其危害，近30 a來學者對多種可燃粉塵的爆炸特性進行了研究[3-16]。Cashdollar等[3]提出，粉塵的粒徑和形狀決定了粉塵顆粒的比表面積，從而影響其與氧氣的反應速率，因此對粉塵的爆炸參數影響顯著。Callé等[4]用木屑粉塵在20 L球中進行實驗，發現粉塵粒徑越小，爆炸壓力越大。Li等[12]用鋁粉在20 L球中進行實驗，發現隨著粉塵粒徑的減小，最大爆炸壓力以二次方形式增加，最大爆炸指數以指數的形式增加。Min等[17]通過對木屑粉塵的研究發現，最大爆炸壓力的敏感質量濃度隨著粉塵粒徑的減小而降低。

學者對粉塵爆炸特性的研究，大多是將噴塵壓力和紊流指數取某一固定值，研究粉塵粒徑、濃度對爆炸參數的影響，然而，在不同的噴塵壓力和紊流指數下，會得出不同的敏感質量濃度及爆炸參數。本文中選取噴塵壓力和紊流指數為敏感值的實驗數據，對最大爆炸壓力、最大爆炸指數、爆炸濃度下限隨鈦粉粒徑和濃度變化的函數進行擬合，更具有可靠性。

1 實驗

1.1 裝置與環境

裝置為國標標準推薦采用的20 L球形密閉爆炸裝置，其俯視圖如圖1所示。根據GB/T 16426—1996《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》，采用的點火方式為化學點火，點火頭由鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇按照質量比4∶4∶3的比例混合制成。

圖1 20 L球結構示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of 20 L spherical vessel

實驗在相對濕度為40%～60%、溫度為25～30℃的環境下進行的。

1.2 原料

以平均粒徑分別為 18、25、38、48、74 μm 的球形鈦粉作為實驗樣品。為防止鈦粉氧化、受潮，實驗開始前將鈦粉進行真空包裝保存。

1.3 操作步驟

1）取某一粒徑的鈦粉5 g，相當于質量濃度為250 g/m3，噴塵壓力設為1.5 MPa，紊流指數設為60 ms，開始實驗并記錄最大爆炸壓力Pmax和最大壓力上升速率（dP/dt）max。重復3次，取用平均值。

2）以30 ms的整數倍為步長調節紊流指數，直至分別找出不同紊流指數下Pmax和（dP/dt）max的最大值。

3）以0.3 MPa的整數倍為步長調節噴塵壓力（不得超過2 MPa），在每個固定的噴塵壓力下重復步驟2，直至分別找出不同噴塵壓力和紊流指數下Pmax和（dP/dt）max的最大值。

4）以50 g/m3為步長調節鈦粉質量濃度，在每個固定質量濃度下重復步驟3，直至找出不同噴塵壓力和紊流指數下爆炸濃度下限ρlim的最小值，并記錄。

5）以50 g/m3的整數倍為步長調節鈦粉質量濃度，在每個固定質量濃度下重復步驟3），直至分別找出不同質量濃度Pmax和（dP/dt）max的最大值，計算最大爆炸指數Kmax，并記錄。

6）更換另一種粒徑的鈦粉，重復以上5個步驟進行實驗，直至5種粒徑的鈦粉均完成實驗。

2 結果與分析

當Pmax＜0.15 MPa時，判定鈦粉未發生爆炸，實驗后容器內有少量灰色固體粉末溢出，容器壁附著灰色粉末。當Pmax≥0.15 MPa時，判定鈦粉未發生爆炸，實驗后容器內冒出大量濃煙，容器壁附著白色粉末。

ρlim為某一粒徑的鈦粉塵發生爆炸的最低濃度，若將此質量濃度繼續下調50 g/m3，無論如何調節噴塵壓力和紊流指數，均不會發生爆炸。

當自變量（d，c，p，tv）取某一固定值時，因變量（Pmax、Kmax）取值最大，則認為該固定值為自變量相對于因變量的敏感值。

最大爆炸指數根據公式 Kmax和（dP/dt）max×V1/3進行計算，其中球體容積V=0.02 m3。

實驗結果如表1所示。由表可知，最大爆炸壓力和最大爆炸指數不一定同時出現，即最大爆炸指數的敏感質量濃度大于或等于最大爆炸壓力的敏感質量濃度，最大爆炸指數的紊流指數敏感值通常大于最大爆炸壓力的紊流指數敏感值，最大爆炸壓力和最大爆炸指數的噴塵壓力敏感值基本一致。

表1 不同粒徑鈦粉的爆炸參數Tab.1 Explosion parameters of titanium powder with different particle size

2.1 鈦粉濃度的影響

當噴塵壓力和紊流指數均處于敏感值時，5種粒徑鈦粉的猛度參數隨濃度變化的規律如圖2所示。

對圖2的數據進行擬合，擬合結果如表2所示。

圖2 濃度對猛度參數的影響Fig.2 Effect of concentration on Pmaxand Kmax

表2 猛度參數關于粉塵濃度的擬合結果Tab.2 Fitting results of Pmaxand Kmaxon concentration

由圖2可知，最大爆炸壓力和最大爆炸指數隨鈦粉濃度的增大先增大后減小。這是由于當鈦粉濃度偏低時，鈦粉顆粒較少，隨著濃度的增加，參與反應的鈦粉顆粒增加，反應更加劇烈，最大爆炸壓力和最大爆炸指數隨之增加。當濃度超過敏感質量濃度后，繼續增加鈦粉濃度導致鈦粉顆粒過多，容器內氧氣相對不足，參與反應的鈦粉顆粒反而減少，因此最大爆炸壓力和最大爆炸指數隨之減小。由表2可知，隨著鈦粉濃度的增加，最大爆炸壓力和最大爆炸指數以二次函數的形式先增加后減小。

2.2 鈦粉粒徑的影響

最大爆炸壓力對應的濃度敏感值cp、最大爆炸指數對應的濃度敏感值ck和爆炸濃度下限隨鈦粉粒徑的變化規律如圖3所示。

由圖3可知，最大爆炸壓力的敏感質量濃度和最大爆炸指數的敏感質量濃度、爆炸濃度下限與鈦粉粒徑呈正相關。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒更易熱解為可燃氣體，粒徑偏大的粉塵顆粒如需熱解產生濃度相當的可燃氣體，就需要濃度更高的鈦粉顆粒，因此，cp、ck、ρlim也隨鈦粉粒徑的增大而增大。由表3可知，隨著粒徑的增大，cp、ck、ρlim以線性函數的形式增大。

當鈦粉質量濃度、噴塵壓力和紊流指數均處于敏感值時，猛度參數隨粒徑的變化規律如圖4所示。

對圖4的數據進行擬合，擬合結果如表3所示。

圖3 粒徑對 cp、ck、ρlim的影響Fig.3 Effect of particle size on cp，ckand ρlim

圖4 粒徑對猛度參數的影響Fig.4 Effect of particle size on Pmaxand Kmax

表3 猛度參數關于粒徑的擬合結果Tab.3 Fitting results of Pmaxand Kmaxon particle size

由圖4可知，最大爆炸壓力和最大爆炸指數與鈦粉粒徑呈負相關。這是由于粉塵粒徑減小導致比表面積增大，更容易與氧氣反應[3]，因此，最大爆炸壓力和最大爆炸指數鈦粉粒徑減小而增大。由表4可知，隨著粒徑的增加，最大爆炸壓力以二次函數的形式減小，而最大爆炸指數以指數函數的形式減小。

2.3 鈦粉粒徑和濃度綜合影響

噴塵壓力、紊流指數為實驗室自變量，兩者為敏感值的情況下粉塵顆粒達到最佳紊流狀態，但在工業生產中并不存在。而粉塵的粒徑范圍、濃度在工業生產中是可測、可控的，因此，根據最不利原則，本文中選取噴塵壓力和紊流指數處于敏感值的44組實驗數據，對鈦粉粒徑和濃度對爆炸猛度的影響進行函數擬合，使擬合公式可實際運用在工業生產中對粉塵爆炸危險程度的預測和控制。如表4所示。擬合函數曲線如圖5所示。

表4 猛度參數關于粒徑和質量濃度的擬合結果Tab.4 Fitting results of Pmaxand Kmaxon particle size and concentration

實驗數據的散點分布和擬合函數曲線如圖5所示。由圖可知，最大爆炸壓力隨粒徑的增大下降趨勢越來越陡，隨濃度的增加先增后減；最大爆炸指數隨粒徑的增大下降趨勢越來越緩，隨濃度的增加先增后減。與上文猛度參數受單因粒徑素影響的擬合曲線相吻合。

圖5 鈦粉粒徑、質量濃度對猛度參數的影響Fig.5 Effect of particle size and concentration on Pmaxand Kmax

3 結論

1） 平均粒徑為 18、25、38、48、74 μm 的球形鈦粉對應的最大爆炸壓力分別為 0.662、0.619、0.574、0.497、0.263 MPa，敏感質量濃度分別為 800、900、950、1 000、1 100 g/m3；對應的最大爆炸指數分別為22.35、14.76、11.72、9.7、7.41 MPa·m/s，敏感質量濃度分別為 800、950、950、1 000、1 200 g/m3。

2）最大爆炸壓力和最大爆炸指數不一定同時出現。最大爆炸指數的敏感質量濃度大于或等于最大爆炸壓力的敏感質量濃度，最大爆炸指數的紊流指數敏感值通常大于最大爆炸壓力的紊流指數敏感值，最大爆炸壓力和最大爆炸指數的噴塵壓力敏感值基本一致。

3）隨著粒徑的增加，最大爆炸壓力以二次函數的形式減小，而最大爆炸指數以指數函數的形式減小，兩者對應的敏感質量濃度、爆炸下限濃度以線性函數的形式增加。

4）隨著鈦粉濃度的增加，最大爆炸壓力和最大爆炸指數以二次函數的形式先增大后減小。