點火延遲時間對鋁粉爆炸影響的研究

趙子超 王浩 董呈杰

摘 要：點火延遲時間對鋁粉爆炸有較大的影響。本文利用20L球型爆炸測試裝置，研究鋁粉300g/m3，400 g/m3和500 g/m3濃度下改變點火延遲時間對鋁粉最大爆壓的影響規(guī)律。結(jié)果表明：鋁粉的最佳點火延遲時間與其濃度有關(guān)，對于不同濃度的鋁粉存在對應(yīng)的最佳點火延遲時間使其爆炸壓力最大。經(jīng)試驗分析鋁粉在300 g/m3，400 g/m3和500 g/m3濃度下的最佳點火延遲時間分別為：60ms，80ms，80ms。

關(guān)鍵詞：鋁粉爆炸;點火延遲時間;爆炸壓力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.221

鋁粉是一種極其重要的工業(yè)原材料，由于其優(yōu)秀的理化特性，其被廣泛應(yīng)用于冶金，制造，航天等行業(yè)。但是，在鋁粉被廣泛應(yīng)用的同時，使用者應(yīng)注意鋁粉對點火源極其敏感，使得鋁粉爆炸事故頻發(fā)。如2014年8月2日，江蘇省蘇州昆山市中榮金屬制品有限公司發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故，事故共造成97人死亡、163人受傷，直接經(jīng)濟損失3.51億元[1]。鑒于鋁粉爆炸事故后果的嚴重性，國內(nèi)外學者對于鋁粉爆炸特性開展了一系列研究。陳曉坤等[2]利用近球型爆炸裝置進行實驗，指出點火延遲時間、粉塵濃度和粉塵粒徑等因素對鋁粉爆炸有影響，而點火延遲時間有鋁粉爆炸較大影響。陳春燕等[3]在研究中指出點火延遲時間是指揚塵電磁閥開啟到點火時間的間隔。國際上一般利用氣相湍流度來確定特定實驗設(shè)備點火延遲時間。袁旌杰等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)點火延遲時不僅與氣相湍流有關(guān)，還與粉塵云的分散和沉降有關(guān)。因此，密閉容器在不同的粉塵狀態(tài)下，應(yīng)存在不同的最佳點火延遲時間。

本文旨在通過20L球型爆炸裝置研究鋁粉在不同粉塵濃度條件下的最佳點火延遲時間，分析點火延遲時間對鋁粉爆炸規(guī)律的影響。

1 實驗裝置與實驗方法

鋁粉爆炸試驗采用標準的20L球形爆炸裝置，如圖1所示，實驗裝置包括20L球形密閉容器、精密配氣系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。測試數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式與計算機連接，實驗時，采用自動控制手段進行容器的抽真空、充氣噴粉及引燃過程，封閉容器粉塵爆炸壓力保存在計算機中，從而實現(xiàn)實驗過程的安全操作。實驗方法參考采用國家標準《粉塵云最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)測定方法》和《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》。實驗采用化學點火源。點火能量約為5kJ。

本次實驗鋁粉粒徑的D50徑為23.35μm。為除去粉塵中水分的影響，鋁粉在進行試驗前全部在50攝氏度的真空環(huán)境中烘干24h。粉塵濃度是粉塵質(zhì)量與容器體積之商，粉塵濃度分別為：300g/m3，400g/m3，500g/m3。為考察點火延遲對粉塵爆炸的影響，實驗過程中，在一定粉塵濃度條件下，點火延遲時間依次取50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms進行粉塵爆炸，測定爆炸過程的壓力歷程。

2 點火延遲時間對鋁粉爆炸的影響

圖2給出了粉塵濃度300g/m3條件下，點火延遲時間分別為50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms時的最大爆炸壓力。鋁粉最大爆炸壓力隨著點火延遲時間延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。因此存在一個最佳點火延遲時間使得爆炸壓力最大。通過函數(shù)計算出鋁粉的最佳點火時間和在該時間下的最大爆炸壓力。對于數(shù)據(jù)進行一元二次多項式擬合，300g/m3鋁粉的點火延遲時間與最大爆炸壓力符合二次函數(shù)關(guān)系。本實驗中，鋁粉在300g/m3時最佳點火延遲時間為60ms，最大爆炸壓力為0.69121MPa。

圖3與圖4分別為400g/m3鋁粉和500g/m3鋁粉點火延遲時間與最大爆炸壓力關(guān)系圖。隨著鋁粉濃度變大，鋁粉最大爆炸壓力也逐漸變大。但點火延遲時間與最大爆炸壓力之間的關(guān)系仍然符合二次函數(shù)關(guān)系。本實驗中，鋁粉在400g/m3時最佳點火延遲時間為80ms，最大爆炸壓力為0.7152MPa;在400g/m3時最佳點火延遲時間為80ms，最大爆炸壓力為0.7152MPa;在500g/m3時最佳點火延遲時間為80ms，最大爆炸壓力為0.72167MPa。

鋁粉濃度為300g/m3時標準點火延遲時間（國際規(guī)定60ms[3]）和最佳點火延遲時間下的最大爆炸壓力相差不大。這是由于最佳點火延遲時間與標準點火延遲時間相近的原因。當粉塵濃度逐漸增大到400g/m3和500g/m3時，最大爆炸壓力大于點火延遲時間為60ms時的爆炸壓力。

整體上，鋁粉爆炸的猛烈程度隨點火延遲時間增大先上升后下降。這是由于點火延遲時間的長短會影響粉塵在容器內(nèi)的散布狀況。點火延遲時間較短時，鋁粉粒子與空氣中的粒子并不能得到充分的混合，這樣會使爆炸不完全，所得到的爆炸壓力偏小。隨著點火延遲時間的延長，鋁粉粒子會與空氣充分混合，使爆炸壓力達到峰值。但是，當點火延遲時間大于最佳點火時間時，粉塵粒子會因為自身的質(zhì)量而產(chǎn)生沉降作用，漂浮的粉塵云濃度會下降，導(dǎo)致爆炸猛度降低。

實驗結(jié)果表明：較低濃度的鋁粉，受氣相湍流影響較為顯著。鋁粉可以快速均勻的散布在容器內(nèi)部，且受到沉降作用影響較小。因此，鋁粉濃度為300g/m3時最佳點火延遲時間為62ms，在點火延遲時間下所得爆炸壓力略大于60ms所得爆炸壓力。然而，當鋁粉達到一定濃度后，由于鋁粉顆粒自身質(zhì)量導(dǎo)致的沉降作用對于容器內(nèi)鋁粉顆粒的影響，需要更長得的時間使鋁粉充分散布于整個密閉空間。隨著粉塵濃度繼續(xù)增加，氣象湍流以及沉降作用對于鋁粉的作用逐漸減小。因此，對于高濃度鋁粉而言點火延遲時間趨于穩(wěn)定。而實驗結(jié)果400g/m3鋁粉和500g/m3鋁粉最佳點火延遲時間分別為85ms和83ms也證明了這一點。當鋁粉達到一定濃度后，其最佳點火延遲時間可以固定為80ms。

3 結(jié)論

（1）鋁粉在300g/m3，400g/m3和500g/m3濃度下的最佳點火延遲時間分別為：60ms，80ms，80ms，最大爆炸壓力分別為：0.69121MPa，0.7152MPa，0.72167MPa。

（2）點火延遲時間對鋁粉爆炸規(guī)律的研究有明顯的影響，不同濃度的鋁粉存在相對應(yīng)的最佳點火延遲時間。在最佳點火延遲時間下，該濃度的鋁粉的爆炸壓力值最大。

（3）在一定濃度范圍內(nèi)，最佳點火時間隨鋁粉濃度上升而增大。

參考文獻：

[1]國家安全監(jiān)管總局.江蘇省蘇州昆山市中榮金屬制品有限公司“8.2”特別重大爆炸事故調(diào)查報告[R].2015.

[2]陳曉坤，張自軍，王秋紅，鄧軍，李海濤，徐青峰.20L近球形容器中微米級鋁粉的爆炸特性[J].爆炸與沖擊，2018，38（05）：1130-1136.

[3]陳春燕，龍思華，肖國清，王林元.點火延遲時間對甘薯粉塵爆炸的影響研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2016，12（12）：171-175.

[4]袁旌杰，伍毅，陳瑜，吉華，黃衛(wèi)星.點火延遲時間對粉塵最大爆炸壓力測定影響的研究[J].中國安全科學學報，2010，20（03）：65-69.

[5]中國煤炭工業(yè)協(xié)會.粉塵云最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)測定方法：

GB/T16426-1996[S].北京：中國標準出版社，1997.

[6]中國煤炭工業(yè)協(xié)會.粉塵云爆炸下限濃度測定方法：GB/T16425-1996[S].北京：國標準出版社，1997.