拋光工藝中鎂鋁合金粉燃爆參數分析

王秋紅，閔銳，孫藝林，代愛萍

(1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安，710054；2.西安科技大學化學與化工學院，陜西西安，710054)

鎂鋁合金在冶金、化工、建筑、軍事等方面有著廣泛應用[1]。鎂鋁合金原材料熔融后經印模機壓制形成成品，再經數控技術加工、下游廠商協助拋光、表面處理等環節后進行銷售，其中在鎂鋁合金產品加工制造中，拋光工藝是不可或缺的環節。然而，拋光打磨時極易形成懸浮的金屬粉塵云，遇火源后易發生爆炸，故鎂鋁合金拋光工藝現場產生的金屬粉塵燃爆安全防護是企業關注重點。國內外學者對鎂、鋁以及鎂鋁合金金屬粉塵的燃爆危險性進行了大量研究。其中，KWON等[2]采用掃描電鏡探究了空氣中微細鋁粉的燃燒過程和反應機理。KHAIKIN等[3]利用金屬氧化動力學規律，分析了鋁粒子和鎂粒子的點火過程。DREIZIN[4]提出的兩相機制認為鋁粉顆粒的燃燒是由于外層氧化鋁薄膜破裂，使內部鋁核與氧氣直接接觸而發生氧化燃燒。AMYOTTE等[5]采用哈特曼管分析了粉塵云紊流度對鋁粉塵爆炸特性的影響。VIGNES等[6]運用20 L球形爆炸實驗系統探究了納米級鋁粉的點火敏感性及爆炸強度的影響因素。WU等[7]采用1.2 L哈特曼管測試了3種不同粒徑鋁粉的爆炸特性。丁大玉等[8]數值模擬了鋁粉在20 L球形爆炸實驗系統中的爆炸過程。李延鴻[9]發現粉塵爆炸的實質是固相粉塵顆粒轉化為氣相狀態再發生爆炸的過程。趙江平等[10]研究了均溫系統中粉塵熱爆炸理論。李慶釗等[11]分析了微米級鋁粉的爆炸反應過程微觀特征，得出粉塵粒徑對鋁粉爆炸特性的影響及爆炸控制機理。石天璐[12]測試了20 L球形爆炸實驗系統密閉和泄壓2種狀態下的鋁粉爆炸壓力及其壓力上升速率。任瑞娥等[13]分析了水平管道和垂直哈特曼管中微米級鋁粉的爆炸特性。李文霞等[14]測試了3種不同粒徑的納米級鋁粉在20 L球形爆炸實驗系統中的爆炸特性。沈世磊等[15]數值模擬了20 L球形爆炸實驗系統中鋁粉的擴散、燃爆過程。譚汝媚等[16-17]運用5 L圓柱形爆炸裝置研究了鋁粉爆炸特性受環境濕度變化的影響情況。鐘英鵬[18]分別采用了20 L球形爆炸實驗系統和Godbert-Greenwald爐探究了鎂粉的爆炸特性參數及其影響因素。李雨成等[19]研究了點火延遲時間、粉塵濃度和粉塵粒徑等因素對鎂粉爆炸壓力的影響。張小濤[20]采用20 L球形爆炸實驗系統測試了鎂鋁合金粉的爆炸下限和惰性粉塵對其爆炸壓力的影響。田甜[21]利用哈特曼管探究了鋁粉、鎂粉的燃爆特性，得出它們之間的差異和爆炸參數的變化規律。張小良等[22]利用20 L球形爆炸實驗系統探究了鋁合金粉的爆炸特性參數。章君等[23]利用哈特曼管研究了鎂鋁合金粉的粒徑和質量濃度對其最小點火能的影響規律。劉志敏[24]利用了Godbert-Greenwald恒溫爐和哈特曼管研究了不同配比鎂鋁粉塵的爆炸規律。王以革[25]探討了鋁粉爆炸的特征及演化機理，提出了鋁粉爆炸的事故預防措施。袁然[26]研究了20 L球形爆炸實驗系統中鎂鋁合金粉最大爆炸壓力的影響因素和變化規律。王林元等[27]利用20 L球形爆炸實驗系統探討了幾種不同粒徑鎂鋁合金粉的爆炸下限及不同惰化物對其抑爆效果。目前國內外學者對于鎂、鋁粉燃爆特性及機理進行了大量研究，但是針對鎂鋁合金拋光現場粉末的爆炸還有待進一步研究。本文作者采用最低著火溫度測試裝置以及20 L球形爆炸實驗系統，通過改變分散壓力、粉塵質量濃度、粉塵粒徑分析鎂鋁合金粉在不同狀態下的最低著火溫度和爆炸壓力參數，從而揭示鎂鋁合金粉拋光工藝所產生的粉塵的燃爆特性，以期為鎂鋁合金拋光工藝提供燃爆數據。

1 實驗系統

1.1 粉塵云最低著火溫度測試裝置

本文采用吉林宏源科學儀器有限公司生產的HY16429型粉塵云最低著火溫度測試裝置，測試在懸浮狀態下鎂鋁合金粉塵云的最低著火溫度，考察鎂鋁合金粉燃燒體系的危險性。此系統主要由控制箱、Godbert-Greenwald加熱爐、觀察室和樣品罐組成，其中加熱爐內核體積為220m L[28]，具體結構如圖1所示。

圖1 粉塵云最低著火溫度測試裝置Fig.1 Testing device of minimum ignition temperature of dustcloud

實驗前處理步驟：將待測樣品需靜置于50°C干燥箱12 h，干燥后稱量實驗所需待測粉體，設置空壓機噴塵壓力，裝置恒溫時間10 s。判斷爐內粉塵云是否引燃而著火的方法是：采用漸近法，從兩頭向中間尋找最低著火溫度。若加熱爐下方玻璃窗內有可見的火焰，則一律視為著火，反之，則視為未著火。在同一條件下，只要其中任意一組發生燃燒則判定該溫度下鋯粉云可以燃燒；10次實驗都未發生燃燒，則判定此溫度下鎂鋁合金粉塵云不可燃[29]。最后最低著火溫度tmin測采用式(1)和(2)來確定：

當tmin測>300℃時，

當tmin測≤300℃時，

實驗步驟：開啟穩壓電源，設置爐體溫度、噴塵壓力以及點火延遲時間60ms，啟動“開始”測試鍵，電磁閥自動開啟將粉塵噴入爐體，通過視覺觀察是否形成鎂鋁合金粉塵云的燃燒火焰。單組實驗結束后空噴2次以確保爐管內的粉樣完全清掃干凈。

1.2 20 L球形爆炸測試實驗系統

該系統主要由5部分組成，包括爆炸球裝置、控制系統、噴粉系統、點火系統以及數采系統，其具體結構如圖2所示。系統的進配氣、噴粉、點火、數據采集等動作都由控制系統統一控制完成。數據采集系統實時記錄實驗過程中壓力隨時間變化曲線。

圖2 20 L球形爆炸實驗系統Fig.2 20 L sphericalexplosion experimentalsystem

2 微米級鎂鋁合金粉燃爆特性

實驗原材料為金屬加工現場拋光機產生的鎂鋁合金粉，去除碎屑，進行干燥處理，然后采用美國瓦里安公司生產的電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES 710ES)測試合金粉中的元素質量分數，結果顯示：鎂鋁合金粉中含有91.42%Mg元素，5.97%Al元素以及2.61%其他元素。

2.1 微米級鎂鋁合金粉粉塵云最低著火溫度分析

鎂鋁合金粉最低著火溫度實驗樣品制備：采集鎂鋁合金拋光機附近的粉塵原料，實驗前去除碎屑，經篩網疊層過篩后，得到平均粒徑分別為180，150和125μm的實驗樣品。稱取樣品質量分別為0.40，0.70，1.00和1.30 g，允許偏差范圍為±5%。樣品質量以0.3 g逐一遞增，在0.40～1.30 g范圍內，對應爐內形成粉塵云質量濃度范圍為1 816～5 902 g/m3。

2.1.1 分散壓力對鎂鋁合金粉粉塵云最低著火溫度影響

不同粉塵質量濃度、不同粒徑下鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度隨分散壓力的變化，如圖3所示。

由圖3可以看出：鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度會隨著分散壓力的增大呈現先減小后增加的趨勢；對于較大粒徑的粉塵(150～180μm)來說，粒徑越大，最低著火溫度與分散壓力所對應各階段的斜率越大，即對分散壓力的變化越敏感；而對于較小粒徑(125μm)來說，最低著火溫度降低、升高隨著分散壓力的變化不是特別敏感。

分析產生上述現象的原因：1)可燃粉塵的沉降速度會隨著分散壓力的增大而增大，從而使爐體中粉塵顆粒懸浮時間減少，使得體系內粉塵質量濃度減小，表現為著火溫度升高；2)分散壓力越大，粉塵粒子分散效果也就越好，粒子與氧氣接觸面積也就越大，導致燃燒更完全，著火溫度降低；3)粉塵壓力較低時，噴粉效果不明顯，仍有部分粉塵凝聚成團，并使得進入爐體的空氣減少，導致粉塵粒子與空氣中的氧氣接觸不充分，使火焰在粉塵粒子間的傳播受阻，降低了反應粒子間碰撞幾率，使得燃燒反應速率降低。

2.1.2 粉塵云粒徑對鎂鋁合金粉粉塵云最低著火溫度的影響

不同分散壓力、不同粉塵質量濃度下鎂鋁合金粉粉塵云最低著火溫度隨粉塵粒徑的變化如圖4所示。

由圖4可以看出：1)隨著粒徑的增大，鎂鋁合金粉最低著火溫度增大，其對應的火災危險性越小；2)鎂鋁合金粉塵在粒徑范圍為125～150μm內時，鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度隨著粒徑的增大顯著增大，則認為在鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度在此粒徑范圍內最為敏感，對應的危險性越高。

分析產生上述現象的原因：1)粉塵粒子間的相互作用及影響對粉塵粒子的燃燒過程有很大影響；2)粉塵粒子存在非單一性，每個粒子的形狀、粒徑等都存在一定差異，使得單一粒子的燃燒不盡相同；3)不同粒子與氧氣接觸狀況也存在差異。總的來說，粉塵云點火及火焰傳播過程中占據主導地位是粒徑較小的粉塵粒子。當粉塵粒徑越大時，比表面積越小，單個大粒徑粉塵粒子接觸的氧氣較少，使得燃燒不充分，則需要更多的熱量保證持續燃燒，表現為著火溫度的升高。

2.1.3 粉塵云質量濃度對鎂鋁合金粉粉塵云最低著火溫度的影響

不同分散壓力、不同粉塵粒徑下最低著火溫度隨粉塵質量濃度的變化如圖5所示。

由圖5可以看出：1)存在1個臨界質量濃度，當鎂鋁合金粉質量濃度低于臨界質量濃度時，可燃粉塵最低著火溫度受粉塵質量濃度的影響較大；當粉塵質量濃度大于臨界質量濃度時，其最低著火溫度受粉塵質量濃度的影響較小。鎂鋁合金粉臨界質量濃度為4 540 g/m3；2)鎂鋁合金粉塵質量濃度在3 178～4 540 g/m3范圍時，隨著粉塵質量濃度的增大，粉塵云最低著火溫度下降速率也越大，但是當工況點為小粒徑(125μm)時著火溫度下降速率出現偏差，其原因是粒徑對最低著火溫度起主導作用而使最低著火溫度出現偏差。可見，粉塵云最低著火溫度對質量濃度在3 178～4 540 g/m3范圍內變化最敏感，對應的危險性大大增加。

圖3 分散壓力對鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度的影響Fig.3 Effect of dispersion pressureonminimum ignition temperature of magnesium-aluminum alloy dustcloud

圖4 粉塵粒徑對鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度的影響Fig.4 Effect of dustparticle sizeonminimum ignition temperature of magnesium-aluminum alloy dustcloud

圖5 粉塵質量濃度對鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度的影響Fig.5 Effect of dustmass concentration onminimum ignition temperature of magnesium-aluminum alloy dustcloud

分析產生上述現象的原因：1)當粉塵質量濃度較小時，可燃粉塵燃燒反應釋放的熱量少，不足以使火焰在粉塵云粒子間傳遞，則需要從爐體中吸收更多的熱量，表現為可燃粉塵著火溫度升高；2)隨著粉塵質量濃度的不斷增大，粉塵粒子燃燒能釋放更多的熱量輻射給周圍的粒子，使得更多粒子能參與反應，需從爐體中吸收的熱量減少，表現為著火溫度降低。但當粉塵質量濃度大于臨界質量濃度后，粉塵粒子件的熱能輻射基本保持不變，使得粉塵粒子間的碰撞、運輸過程對火焰傳播起主導作用，從而表現為隨著質量濃度增加的繼續增大，粉塵云最低著火溫度基本保持穩定。

利用燃燒動力學分析實驗現象[30]，鎂鋁合金粉/空氣混合物的無因次折算發熱量v為

式中：R為摩爾氣體常數，kJ/(mol·K)；q為混合物發熱量；w0為混合物初始質量分數，即為鎂鋁合金粉與空氣的質量比；E為活化能，kJ/mol；cp為空氣的摩爾定壓熱容，kJ/(mol·K)。

式(3)中，著重研究活化能及混合物初始質量分數對于發熱量的影響，由于活化能是與物質相關的常數，則式(3)可化為

而有學者在研究后得出：

式中：t為著火溫度，由式(4)與式(5)可得：

由式(6)可知：當混合物初始質量分數上升時，著火溫度反而降低，混合物初始質量分數與著火溫度呈反比。該理論與實驗測試結果相一致。

2.1.4 微米級鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度參數

微米級鎂鋁級合金粉塵云的最低著火溫度見表1。

2.2 微米級鎂鋁合金粉粉塵云爆炸特性參數分析

鎂鋁合金粉燃爆特性參數實驗樣品制備：原料采集于距離鎂鋁合金拋光機3種不同位置的粉塵原料，實驗前去除碎屑，分別經孔徑為500，300和56μm篩網篩選，篩后樣品采用Laser particle sizerAnalysette22型粒徑分析儀進行粒徑分析，結果如表2所示。

由表2可知：樣品1的累計粒徑分率50%時的粒徑D50為502.2μm；樣品2的D50為293.6μm；樣品3的D50為59.8μm。

2.2.1 鎂鋁合金粉爆炸特性分析

鎂鋁合金粉爆炸特性分析樣品制備：稱取粒徑D50為502.2，293.6和59.8μm的3種樣品質量分別為0.6，1.2，2.5，5.0，10.0，15.0，25.0，35.0，40.0和50.0 g，允許偏差范圍為±5%。所需質量濃度由下式換算：

表1 微米級鎂鋁合金粉粉塵云最低著火溫度Table1 Minimumignition temperature of micron magnesium-aluminum alloy powder dustcloud

表2 鎂鋁合金粉粒徑分布Table2 Particle size distribution ofmagnesiumaluminum alloy powder

式中：ρ為粉塵質量濃度，g/m3；m為粉塵質量，g；V為受限空間體積，此處為20 L。

3種粒徑的鎂鋁合金粉在不同粉塵質量濃度下爆炸壓力pm的變化，如表3和圖6所示。

圖6 不同粒徑和質量濃度下鎂鋁合金粉的爆炸壓力對比Fig.6 Explosion pressure comparison ofmagnesiumaluminum alloy powderwith varioussizesandmass concentrations

表3 不同粒徑和質量濃度下的鎂鋁合金粉的爆炸壓力Table3 Explosion pressure of magnesium-aluminum alloy powder with varioussizes and mass concentrations

由圖6可以看出：1)在常溫常壓條件下，鎂鋁合金在不同粒徑分布情況下其最大爆炸壓力會隨顆粒粒徑減小而增大。當粒徑越小時，單位面積接觸的氧氣也就越多，越有利于粉塵充分燃燒并爆炸；2)在同一粒徑下爆炸壓力隨著質量濃度的增加先增大后減小，存在一個爆炸質量濃度使得爆炸壓力達到最大值，在1 750 g/m3質量濃度下3種不同粒徑分布的鎂鋁合金粉均達到最大的爆炸壓力；3)當粉塵質量濃度大于最大爆炸壓力對應的質量濃度時，粉塵顆粒表面接觸的氧氣減少，導致粉塵爆炸強度減小。

2.2.2 鎂鋁合金粉極限氧體積分數分析

對于極限氧體積分數測試，通常先找出物質爆炸質量濃度界限。測試前，以表3來預估爆炸上下限，常溫常壓環境下測粒徑D50為502.2，293.6和59.8μm的粉體，由于隨著粉樣顆粒越小，爆炸下限拓寬，同時，爆炸下限的前一個質量濃度點有著足夠的爆炸壓力，不會因氧氣體積分數減少，就促使爆炸壓力歸零，故為確保測出的限氧值更準確，取502.2μm鎂鋁合金粉下限值前一個質量濃度點500 g/m3來作為極限氧體積分數的實驗質量濃度。在標準環境條件下，粉塵質量濃度為500 g/m3時不同粒徑粉樣在不同氧體積分數下最大爆炸壓力(pmax)變化如圖7所示。

由圖7可知：在標準大氣壓條件下，粉塵質量濃度為500 g/m3時，粒徑D50為502.2μm和293.6μm的鎂鋁合金粉必須控制氧體積分數小于15%和13%才能防止爆炸發生，但粒徑D50為59.8μm鎂鋁合金粉相較于另外2個粒徑需要抑制氧氣體積分數至4%才能有效抑制爆炸，其原因是：粒徑D50為59.8μm的鎂鋁合金粒徑的比表面積相對較大，粉體表面相對更容易與氧氣接觸，使得爆炸反應更容易發生。

2.2.3 微米級“鎂鋁合金粉”粉塵云燃爆特性參數

微米級鎂鋁級合金粉塵云的燃爆特性參數見表4。

圖7 氧氣體積分數與鎂鋁合金粉的最大爆炸壓力的關系Fig.7 Relationship between oxygen volume fraction and maximum explosion pressure of magnesium-aluminum alloy powder

表4 微米級鎂鋁合金粉粉塵云燃爆特性參數Table4 Characteristic parametersof burning explosion of micron magnesium-aluminum alloy powder dustcloud

3 結論

1)鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度會隨分散壓力的增大呈現先減少后增加的趨勢。分散壓力及質量濃度一定時，粒徑越小，對應的著火溫度越低，相應的危險性就越高；當粒徑越大時，鎂鋁合金粉塵云最低著火溫度受分散壓力的影響就越明顯。存在1個臨界質量濃度，當鎂鋁合金粉塵質量濃度低于臨界質量濃度時，其最低著火溫度受粉塵質量濃度的影響較大；當粉塵質量濃度大于臨界質量濃度時，其最低著火溫度受粉塵質量濃度影響較小，鎂鋁合金粉臨界質量濃度為4 540 g/m3。

2)鎂鋁合金在不同粒徑分布情況下其最大爆炸壓力會隨粒徑減小而變大，并在同一粒徑下，爆炸壓力隨著質量濃度的增加先增大后減小，存在1個最大爆炸質量濃度使得爆炸壓力達到最大值，在1 750 g/m3質量濃度下，3種不同粒徑分布的鎂鋁合金粉均達到最大的爆炸壓力。

3)在標準大氣壓條件下，當粉塵質量濃度為500 g/m3時，粒徑D50為502.2，293.6和59.8μm的鎂鋁合金粉極限氧體積分數分別為15%，13%和4%。