高溫熔融錫液遇水爆炸機理的實驗研究*

紀(jì)國劍，單夢琪，周 寧，王政偉

（1.常州大學(xué)能源學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué)江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇 常州 213164）

金屬在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其生產(chǎn)加工過程中的安全隱患日益突出。在冶金行業(yè)，鐵水、鋼水等金屬液體在加工過程中，極易發(fā)生噴濺、泄露等事故[1-2]。這些高溫熔融金屬一旦與低溫冷卻劑相接觸就會發(fā)生劇烈混合，引發(fā)蒸汽爆炸，造成不同程度的人員傷亡和財產(chǎn)損失。在這類沸騰液體擴展蒸汽爆炸的研究中，人們采用高速攝像系統(tǒng)、紅外攝像儀等，觀測水柱或單個水滴撞擊高溫熔融金屬液表面[3-8]、熔融金屬液柱或單個金屬液滴落入冷卻水中[9-13]的熔融物與冷卻劑相互作用（fuel-coolant interaction, FCI）的過程。其中，關(guān)于低熔點錫與水的相互作用，也有以下實驗研究。張榮金等[8]、林棟[13]在單個水滴撞擊高溫熔融錫液的實驗中獲知，錫液與水的反應(yīng)劇烈程度隨韋伯?dāng)?shù)的增大和熔融錫液溫度的升高而增加；王騫[14]基于熔融錫液柱和冷卻水接觸反應(yīng)現(xiàn)象獲知，在液柱下落過程中，升高錫液溫度和增大液柱直徑會促進局部蒸汽爆炸的發(fā)生，同時通入一定惰性氣體可減弱錫液表面的氧化程度，從而提升蒸汽爆炸威力；沈致遠[15]通過調(diào)節(jié)爐溫、水溫和下落高度對錫液與水的相互作用機理進行研究得到，錫液細粒化程度與錫液溫度成正比、與水溫成反比，而下落高度的變化對金屬細粒化程度影響不顯著；李天舒等[16]在熔融錫液入水碎化實驗研究中，展示了熔融金屬熱擴散系數(shù)對蒸汽爆炸的影響。此外，胡遜祥等[17]通過分析熔融金屬錫與水作用過程中的運動圖像和壓力波動曲線提出，壓力大小由進入錫液內(nèi)部的液態(tài)冷卻劑的質(zhì)量和內(nèi)部液態(tài)冷卻劑所受加熱膨脹程度決定。這些對于熔融錫液與水接觸反應(yīng)過程中的影響因素的探討，為后續(xù)研究提供了一定理論指導(dǎo)，而在蒸汽爆炸過程中沖擊波能量的定量分析尚有不足。

本文中，為了研究低熔點金屬錫遇水爆炸機理，采用高速攝像機觀測熔融錫液柱落入反應(yīng)槽中并與槽內(nèi)冷卻水接觸反應(yīng)的過程；著重計算蒸汽爆炸過程中沖擊波能量轉(zhuǎn)換率，以期獲得具有理論參考價值的結(jié)論。實驗中，設(shè)計不同熔融錫液與水的質(zhì)量比，以確保蒸汽爆炸，并了解金屬與水的質(zhì)量比對蒸汽爆炸過程的影響；同時，使熔融錫液溫度遠高于錫的熔點，以提高錫液的流動性[18]，增加熔融錫液與水接觸面積，使反應(yīng)充分進行。在此基礎(chǔ)上，選取中高熔點金屬鋁，進行在相同條件下的蒸汽爆炸實驗，將熔融錫液遇水爆炸實驗與周寧等[19]熔融鋁液遇水爆炸實驗作比較，進一步探究低熔點金屬錫遇水爆炸反應(yīng)特征。

1 實 驗

實驗系統(tǒng)[19]主要包括高頻熔融爐、高速攝像機（I-SPEED 3）、溫度信號采集儀、高頻信號采集儀、K 型熱電偶（WRNK-010，測溫范圍為0～1 300 ℃，相對誤差為±0.75%）、壓力傳感器（KD2002-03X，測壓范圍為0～10 MPa，誤差為±0.1 MPa）、反應(yīng)槽和防護裝置等，其中壓力傳感器呈90°安置在距離反應(yīng)槽頂部邊沿0.3 m 處，熱電偶放置于高頻熔融爐腔內(nèi)，如圖1 所示。實驗環(huán)境溫度為27 ℃，錫與水的質(zhì)量比為5、10、15 和20，其中錫的熔融態(tài)溫度為1 050 ℃，反應(yīng)結(jié)束時錫的溫度為100 ℃。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

實驗過程如下。(1) 將一定量的干燥錫塊放入高頻熔融爐中，加熱熔化至1 050 ℃。用調(diào)功器調(diào)整熔融爐的頻率，控制爐內(nèi)錫的熔融態(tài)溫度；利用熔融爐中的轉(zhuǎn)動裝置可使錫受熱均勻、充分熔化。(2) 采用遙控轉(zhuǎn)動裝置，將高頻熔融爐平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)一定角度，讓熔融錫液以較均勻速度經(jīng)導(dǎo)流管下落至反應(yīng)槽中。(3) 采用高速攝像機，拍攝錫液與水的接觸反應(yīng)過程，溫度測試系統(tǒng)和壓力測試系統(tǒng)實時采集測點處的數(shù)據(jù)，獲取的圖像和數(shù)據(jù)傳輸并保存與電腦，用于后續(xù)分析。(4) 按步驟(1)～(3)，在相同條件下，進行金屬鋁的對比實驗。

2 計算模型

2.1 熔融錫液內(nèi)部儲能

熔融錫液與水之間的快速熱交換是蒸汽爆炸產(chǎn)生的動力，高溫熔融錫液的總熱量為：

因金屬錫的固態(tài)熱容和液態(tài)熱容隨溫度的變化不大[20]，可將式(1)簡化為：

式中：mr為金屬錫的質(zhì)量，T0為室溫，Tn為錫的熔點，T 為錫的熔融態(tài)溫度，c 為錫的固態(tài)比熱容，cpr為錫的液態(tài)比熱容，γr為錫的熔化熱。

2.2 沖擊波能量

爆炸沖擊波在空氣中傳播時，距離爆炸中心處的超壓與該處TNT 炸藥藥量對應(yīng)。

利用壓力傳感器監(jiān)測的距爆炸中心不同位置的沖擊波壓力，并基于不同爆炸環(huán)境下的Brode 公式[21-22]，可計算熔融錫液與水接觸爆炸沖擊波的TNT 炸藥藥量：

式中：Δp 為空氣沖擊波超壓，R 為距離爆炸中心的距離，為比例距離，w 為TNT 炸藥藥量。獲得TNT 炸藥藥量后，可轉(zhuǎn)化為爆炸沖擊波的能量為：

式中：Qrb為高溫熔融錫液熱量轉(zhuǎn)化為爆炸能量的部分，QTNT=4 184 kJ/kg 為TNT 炸藥爆炸的質(zhì)量熱量。

2.3 沖擊波能量轉(zhuǎn)化率

熔融錫液與水發(fā)生蒸汽爆炸時，沖擊波能量的轉(zhuǎn)化率為：

式中：η 為熔融錫液熱能轉(zhuǎn)化為爆炸沖擊波能量的轉(zhuǎn)化率。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 蒸汽爆炸過程

圖2 為n=5 時（n 為金屬與水的質(zhì)量比）高溫熔融錫液與水的接觸反應(yīng)過程。高溫熔融物與冷卻劑的相互作用過程如下。 熔融錫液與水接觸反應(yīng)，在0～0.04 s 時，為熔融錫液與水的粗混合階段：錫液液柱受水力作用初步破碎成錫液液滴，并在水中分散開來；同時，低溫水吸收熔融錫液的熱量，開始升溫、沸騰；系統(tǒng)內(nèi)的熔融錫液與水逐步進入亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，該階段無明顯反應(yīng)特征。從0.06 s 始，因錫液表面蒸汽膜塌陷，反應(yīng)進入觸發(fā)階段，熔融錫液與水的直接接觸使水槽上方及周邊出現(xiàn)了大量錫液細粒和小范圍的高溫高壓蒸汽團。隨著高溫熔融錫液持續(xù)不斷地滴落至水槽，傳熱過程快速傳播，高壓蒸汽團內(nèi)的壓力不斷疊加，反應(yīng)進入膨脹階段。在0.12 s 時，系統(tǒng)發(fā)生第1 次爆炸，在0.20 s 時，緊接著發(fā)生第2 次爆炸。爆炸過程中，錫液細粒化現(xiàn)象明顯，飛濺加劇、范圍加大，水槽上方及附近的蒸汽團以可見速度向周邊迅速擴散，并伴有巨大響聲和刺眼火光。2 次爆炸結(jié)束后，水槽周邊的錫液飛濺逐漸減弱，蒸汽團體積逐步減小，在1.04 s 時蒸汽團幾乎散盡。實驗結(jié)束后，測得水槽內(nèi)剩余錫塊的質(zhì)量，獲得熔融錫液質(zhì)量噴濺率高達33%。

圖2 高溫熔融錫液遇水的反應(yīng)過程Fig.2 Reaction process of high-temperature molten tin liquid contacted with water

圖3 為實驗的沖擊波壓力曲線。隨著高溫熔融錫液與水的反應(yīng)深入，測點壓力在約0.12 s 出現(xiàn)第1 次突躍變化，反應(yīng)槽上方高壓蒸汽團向外擴散、錫液滴不斷飛濺，沖擊波能量迅速消耗，波陣面后壓力急劇下降，在0.13～0.16 s 出現(xiàn)負壓區(qū)；在壓力由負逐步回升至正并趨于平衡的過程中，在約0.2 s 出現(xiàn)第2 次壓力突躍變化，極短時間內(nèi)壓力疊加，使第2 次爆炸后的壓力上下波動較大。熔融金屬遇水爆炸達到一定規(guī)模時，往往伴隨著水分解產(chǎn)生的氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)發(fā)生的化學(xué)爆炸，但水的熱分解需在高溫下觸發(fā)，如溫度達不到1 600 ℃，便不能分解成氫氣和氧氣[23]；而實驗中錫液加熱的最高溫度為1 050 ℃，無法使水受熱分解，因此這2 次爆炸均為物理爆炸。2 次蒸汽爆炸產(chǎn)生原因，可能為：(1) 在第1 次蒸汽爆炸發(fā)生后，隨著熔融錫液持續(xù)落入水槽中與剩余的水反應(yīng)，短時間內(nèi)再次經(jīng)歷蒸汽爆炸發(fā)展的4 個階段[24]，引發(fā)2 次爆炸；(2) 在觸發(fā)階段，產(chǎn)生了兩個尺寸不同的局部高壓區(qū)，以致經(jīng)后期傳播、膨脹階段后，在不同時間上發(fā)生了2 次爆炸。

圖3 高溫熔融錫液遇水的壓力曲線Fig.3 Pressure curve of high-temperature molten tin liquid contacted with water

圖4 為n=5 時相同條件下的熔融鋁液與水的相互作用過程。在0.14 s 時鋁液明顯碎化，在0.46 s 時觸發(fā)蒸汽爆炸，鋁液劇烈飛濺和蒸汽團對外膨脹的過程持續(xù)了約0.32 s，鋁液飛濺量為鋁總質(zhì)量的約15%。

圖4 高溫熔融鋁液遇水的反應(yīng)過程Fig.4 Reaction process of high-temperature molten aluminum liquid contacted with water

與熔融鋁液實驗對比，熔融錫液遇水爆炸反應(yīng)過程更劇烈、反應(yīng)持續(xù)時間更長。究其原因，蒸汽爆炸反應(yīng)的劇烈程度受金屬碎化程度的影響，兩者間呈正相關(guān)[12,24]，因此細粒化程度較高的錫液反應(yīng)更劇烈。在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，錫的固體比熱容和液體比熱容均大于鋁的，錫的導(dǎo)熱系數(shù)低于鋁的；由比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)構(gòu)成的熱擴散率可知，錫內(nèi)部溫度趨于一致的能力弱，表現(xiàn)為熔融錫液內(nèi)部的熱量向金屬錫液表面?zhèn)鬟f的速度小，包裹金屬表面的蒸汽膜更穩(wěn)定，反應(yīng)持續(xù)時間也就更長。

此外，由能量轉(zhuǎn)換可知，熔融錫液遇水爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量來源于錫液內(nèi)部熱量，但這只是總熱量的一部分。除仍以熱的形式傳遞給周圍環(huán)境或殘留在錫液內(nèi)部的能量，實驗中觀察到的強光為部分能量轉(zhuǎn)化為光輻射能（見圖2 中0.12～0.28 s 時）；爆炸產(chǎn)生的巨大響聲為部分能量轉(zhuǎn)化為聲能，而爆炸產(chǎn)物飛散為錫液內(nèi)部熱能轉(zhuǎn)化為動能。

3.2 能量分析

3.2.1 不同質(zhì)量比時錫遇水爆炸

當(dāng)錫與水的質(zhì)量比為5、10、15 和20 時，實驗的熔融錫液內(nèi)部儲能、超壓峰值、沖擊波能量的轉(zhuǎn)化率等，見表1。表中，mw為水的質(zhì)量。沖擊波能量轉(zhuǎn)化率曲線如圖5 所示。

由實驗數(shù)據(jù)，高溫熔融錫液遇水爆炸過程中，0.45%～10.91%的熱量轉(zhuǎn)化為爆炸沖擊波能量，質(zhì)量比對爆炸過程中沖擊波能量轉(zhuǎn)化率影響較大。由圖5 可見，在n=10 時沖擊波能量轉(zhuǎn)化率顯然高于其他質(zhì)量比的。對比n=15, 20 時的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率，可見：在相近錫質(zhì)量時，因n=20 的冷卻水的質(zhì)量占比少，反應(yīng)槽中冷卻水量在還未完全吸收熔融錫液內(nèi)部儲能時就已耗盡，所以熔融錫液與水之間的熱傳遞總量減少，無法形成更大的蒸汽高壓區(qū)，因此n=20 的爆炸沖擊波能量轉(zhuǎn)化率較低。

圖5 不同質(zhì)量比時高溫熔融錫液遇水的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率Fig.5 Shock wave energy conversion ratios of high-temperature molten tin liquid contacted with water at different mass ratios

此外，在相同質(zhì)量比中，錫質(zhì)量的增加一定程度上提高了超壓（見表1 中n=5, 10 時），但兩者并非正相關(guān)的增長關(guān)系，隨著錫質(zhì)量的持續(xù)增加，超壓在一定質(zhì)量范圍內(nèi)出現(xiàn)先增后減的趨勢（見表1 中n=15, 20 時）。

表1 高溫熔融錫液遇水的實驗數(shù)據(jù)Table1 Experimental data of high-temperature molten tin liquid contacted with water

3.2.2 錫/鋁遇水爆炸

圖6 為熔融錫/熔融鋁遇水爆炸實驗的平均沖擊波能量轉(zhuǎn)化率隨質(zhì)量比的變化曲線。在實驗中， 在n=5 時，錫遇水爆炸的平均能量轉(zhuǎn)化率較大；由FCI 過程可見，沖擊波能量轉(zhuǎn)化率受反應(yīng)劇烈程度和持續(xù)時間的影響，進而受與這2 個量相關(guān)的金屬碎化程度和金屬熱擴散率的影響。同時，在金屬碎化程度和金屬熱擴散率的影響下，相比鋁遇水爆炸，錫遇水爆炸的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率峰值的位置，向質(zhì)量比變小的方向偏移；在n≈10 時，錫液內(nèi)部儲能轉(zhuǎn)化為沖擊波能量的占比最大，可達10.38%，而在n≈15 時，鋁遇水爆炸的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率到達最大值8.43%。

圖6 高溫熔融錫/鋁液遇水的平均沖擊波能量轉(zhuǎn)化率Fig.6 Mean shock wave energy conversion ratios of high-temperature molten tin/aluminum liquid contacted with water

2 種金屬遇水爆炸的平均沖擊波能量轉(zhuǎn)化率整體變化趨勢一致，均隨質(zhì)量比增大先增后減。以兩者曲線交點的質(zhì)量比為界限，該點n≈12.69,7.69；由實驗，在n＜12.69 時，錫液遇水爆炸的平均沖擊波能量轉(zhuǎn)化率高于鋁液遇水爆炸的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率。

4 結(jié) 論

(1) 在n=5 時，錫/鋁遇水爆炸實驗中，錫的熱擴散率低，反應(yīng)持續(xù)時間更長；熔融錫液的碎化程度高，錫液與水接觸反應(yīng)過程更劇烈。就能量轉(zhuǎn)化而言，熔融錫液內(nèi)部儲能存在多種形式的耗散，有熱能、光輻射能、聲能、沖擊波等；同時，熔融錫/熔融鋁總熱能的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率受金屬熱擴散率和金屬遇水后碎化程度的影響。

(2) 在相同質(zhì)量比時，錫的質(zhì)量增加一定程度上提高了超壓峰值，但這種增長趨勢不是持續(xù)的、絕對的，在 n=15, 20 時，在一定質(zhì)量范圍超壓出現(xiàn)了先增后減的變化。

(3) 在不同質(zhì)量比時，熔融錫液遇水爆炸過程中0.45%～10.91%熱能轉(zhuǎn)化為沖擊波能量；隨著質(zhì)量比的增加，沖擊波能量轉(zhuǎn)化率呈先增后減的趨勢；在n=10 時，沖擊波能量轉(zhuǎn)化率最大。

(4) 熔融錫/熔融鋁遇水爆炸過程的平均能量轉(zhuǎn)化率隨著質(zhì)量比的增大都呈先增后減的趨勢；在n＜12.69 時，錫液遇水爆炸的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率高于鋁液遇水爆炸的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率。