鋁金屬粉塵爆炸危險(xiǎn)性檢測(cè)試驗(yàn)研究

楊宛儒+楊秋文+王建雄+朱果

【摘 要】本文對(duì)某企業(yè)鋁金屬拉絲打磨產(chǎn)生的粉塵分別進(jìn)行了爆炸危險(xiǎn)特性參數(shù)測(cè)試、粒度分布檢測(cè)、電鏡掃描及能譜微區(qū)成分分析。通過檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用鋁金屬拉絲打磨產(chǎn)生的粉塵具有爆炸危險(xiǎn)性，并結(jié)合鋁金屬拉絲打磨粉塵的粒度分布、電鏡圖像及微區(qū)成分分析，對(duì)粉塵爆炸關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】鋁金屬；粉塵；爆炸；檢測(cè)試驗(yàn)

本文擬對(duì)某企業(yè)鋁金屬拉絲打磨產(chǎn)生粉塵進(jìn)行爆炸性能試驗(yàn)，并對(duì)粉塵粒徑、形狀、組分進(jìn)行檢測(cè)，以探討其爆炸特性的關(guān)鍵影響因素，為甄別爆炸性粉塵及防護(hù)措施研究提供依據(jù)。

1 工藝概況

金屬表面預(yù)處理是指表面加工前對(duì)材料及其制品進(jìn)行的機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)處理，使表面呈凈化、粗化或鈍化狀，以便進(jìn)行后續(xù)表面處理的過程。金屬表面預(yù)處理包括：表面整平、浸蝕、表面除油；表面整平主要包括：機(jī)械磨光、拋光（機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光）、滾光、刷光、噴砂處理等。根據(jù)零件表面狀況及對(duì)零件的具體技術(shù)要求，企業(yè)采用不同的表面處理工藝。

本文研究對(duì)象采用的打磨設(shè)備及主要參數(shù)為：三角拉絲機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速1080-1900 r/min，膠輪直徑250mm、寬100mm，150#砂帶長(zhǎng)4000mm、寬100mm。采用拉絲機(jī)打磨，產(chǎn)生鋁金屬打磨粉塵。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 粉塵爆炸特性參數(shù)測(cè)試

2.1.1 測(cè)試方法

2.1.1.1 爆炸下限

試驗(yàn)設(shè)備：20L球形爆炸裝置。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，先將足量粉樣放入儲(chǔ)粉罐內(nèi)，加壓到2.0MPa，容器內(nèi)抽真空到0.04MPa。如果點(diǎn)火后容器內(nèi)所測(cè)壓力不小于0.15MPa，則認(rèn)為粉塵云發(fā)生了爆炸。逐漸減少粉塵濃度，重復(fù)上述過程，直至找到最低可爆濃度。

2.1.1.2 最小點(diǎn)火能

試驗(yàn)設(shè)備：Hatmann管。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，先設(shè)定一個(gè)放電火花能量值，調(diào)整電壓值和電極間距，直到出現(xiàn)要求能量的放電火花，然后，將被測(cè)粉塵用壓縮空氣噴入爆炸容器內(nèi)，并用電火花點(diǎn)燃粉塵云，觀察容器內(nèi)粉塵云是否發(fā)生著火，著火判斷標(biāo)準(zhǔn)為：Hatmann管內(nèi)，火焰?zhèn)鞑?cm以上。

2.1.1.3 粉塵云最低著火溫度

試驗(yàn)設(shè)備：Godbert Greenwald 爐。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，先將爐溫控制在某一恒定溫度，將待測(cè)粉塵噴入爐膛，與內(nèi)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(nèi)發(fā)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(shè)粉塵云發(fā)生著火的管內(nèi)壁最低溫度為Tmin，則粉塵云最低著火溫度按下式計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，先將粉塵層置于熱板上一定高度的盛粉環(huán)內(nèi)，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(jù)下述判斷標(biāo)準(zhǔn)測(cè)出粉塵層的最低著火溫度：

（1）觀察到有火焰和發(fā)光等燃燒現(xiàn)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(wěn)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(yàn)設(shè)備： 20L球形爆炸裝置。

采用化學(xué)點(diǎn)火頭點(diǎn)火，化學(xué)點(diǎn)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(nèi)爆炸超壓由壁面壓力傳感器測(cè)得。

2.1.2 測(cè)試結(jié)果

爆炸下限：75-100g/m3，最小點(diǎn)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(cè)試方法

試驗(yàn)設(shè)備：WI-G-019A MS2000型激光粒度測(cè)試儀。

采用水做分散劑，對(duì)樣品進(jìn)行粒度分布測(cè)試。

2.2.2 測(cè)試結(jié)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(cè)試

試驗(yàn)設(shè)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(zhǎng)度2-25mm不等。

第二種為細(xì)絲狀、窄細(xì)帶狀、毛發(fā)狀的碎屑。卷曲松散堆積，絲體拉伸長(zhǎng)度0.2-20mm不等，寬度5-100um不等，多在50um以下。細(xì)絲兩側(cè)常見具不同的形貌：一側(cè)為徑向豎條紋，一側(cè)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(guī)則粒狀、短而微彎曲的柱粒狀或帶狀、蜷縮粒狀、扁粒狀、細(xì)小片狀等形態(tài)的碎屑。碎屑直徑或?qū)挾?.1-100um不等，一般在50um以下，多在10-30um之間。

2.3.2 能譜測(cè)試

針對(duì)第三種碎屑進(jìn)行能譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)柱粒狀細(xì)小片狀碎屑微區(qū)能譜檢測(cè)（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(dòng)元素識(shí)別和EDS檢測(cè)成分中沒有O元素。

蜷縮粒狀碎屑微區(qū)能譜檢測(cè)（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(xì)小片狀碎屑微區(qū)能譜檢測(cè)（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(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)粉塵爆炸性測(cè)試結(jié)果，鋁金屬拉絲打磨產(chǎn)生的粉塵爆炸下限較小，容易形成爆炸性粉塵環(huán)境；最小點(diǎn)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(duì)熱表面引燃不敏感；最大爆炸壓力較大，為0.70MPa，后果較嚴(yán)重。GB50058-2014未能提供粉塵爆炸猛烈程度數(shù)據(jù)。從對(duì)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(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析

根據(jù)掃描電鏡及能譜分析結(jié)果，鋁金屬拉絲打磨產(chǎn)生的粉塵，碎屑呈不規(guī)則粒狀、短而微彎曲的柱粒狀或帶狀、蜷縮粒狀、扁粒狀、細(xì)小片狀等形態(tài)，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(cè)試驗(yàn)[1]對(duì)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(zhì)含量對(duì)粉塵爆炸特性有較大影響。

4 結(jié)果

根據(jù)粉塵爆炸性測(cè)試結(jié)果，鋁金屬拉絲打磨產(chǎn)生的粉塵具有爆炸性，最大爆炸壓力為0.70MPa，一旦發(fā)生粉塵爆炸，后果較嚴(yán)重。主要原因分析，一是拉絲打磨產(chǎn)生的碎屑顆粒較細(xì)，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(xiàn)】

[1]楊秋文，楊宛儒，等.鈦金屬打磨粉塵爆炸危險(xiǎn)性檢測(cè)試驗(yàn)研究，湖南安全與防災(zāi)，2016.12：54-55.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint