鄧 軍,任旭剛,王秋紅,楊玉峰

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

鋯金屬粉塵云的爆炸特性*

鄧 軍1,2,任旭剛1,2,王秋紅1,2,楊玉峰1,2

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

采用20 L近球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鋯粉塵云的爆炸特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，分別分析了初始點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵云濃度3種因素對(duì)鋯粉塵云爆炸強(qiáng)度的影響，揭示了鋯粉塵云在密閉容器中的爆炸特性。在本實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)果表明：初始點(diǎn)火能量對(duì)鋯粉塵云最大爆炸壓力有顯著影響，鋯粉塵云最大爆炸壓力隨初始點(diǎn)火能量的增大而增大；隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小，存在最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間；隨粉塵云濃度的增大，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小，存在最佳鋯粉塵云濃度，得到鋯粉塵云的爆炸下限為18～20 g/m3。

鋯;粉塵云;爆炸壓力;初始點(diǎn)火能量;點(diǎn)火延遲時(shí)間

金屬粉塵爆炸是指懸浮狀金屬顆粒被快速氧化，瞬間釋放出大量熱量，系統(tǒng)內(nèi)溫度和壓力迅速升高的現(xiàn)象[1]，占總粉塵爆炸事故的三分之一[2]。鋯粉是一種高致熱性金屬粉，它具有較低的著火點(diǎn)低(約210 ℃)、極易被氧化、燃燒速度大和釋放熱量高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于民用、航天、新能源、軍工以及核反應(yīng)堆等領(lǐng)域。近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)鋯粉的燃燒進(jìn)行了相關(guān)研究，其中W.L.Doyle等[3]研究得到鋯金屬在壓力為1.013 MPa的氧氣中燃燒達(dá)到的最高溫度為4 930 K。K.H.Ewald等[4]研究了鋯粉在氧氣中的燃燒規(guī)律，指出當(dāng)氣體壓力升高時(shí)，鋯粉的燃燒溫度和波速隨著增大；相對(duì)濕度較小的鋯粉燃燒時(shí)，溫度在初始時(shí)就急劇上升，而相對(duì)濕度較大的鋯粉燃燒時(shí)，溫度緩慢上升。C.Badiola等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鋯顆粒的平均燃燒溫度與其自身的絕熱火焰溫度非常接近，且顆粒燃燒溫度與粒子大小無(wú)關(guān)，顆粒燃燒時(shí)間與顆粒尺寸存在函數(shù)關(guān)系。王秋紅等[6-7]利用粉塵云瞬態(tài)火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及自行設(shè)計(jì)的粉塵云連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了鋯粉塵云火焰在管道中傳播時(shí)的溫度和速度特性以及鋯粉塵云噴射火焰的火焰發(fā)射率和溫度場(chǎng)分布。丁以斌[8]利用粉塵云火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合粒子圖像測(cè)速技術(shù)、高速顯微和紋影技術(shù)，研究了鋯粉塵云火焰?zhèn)鞑ヌ匦院突鹧娴奈⒂^結(jié)構(gòu)。以上研究主要側(cè)重于鋯粉的燃燒特性和鋯粉的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕鴮?duì)鋯粉在密閉容器中的爆炸特性未見(jiàn)報(bào)道。本文中采用20 L近球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以鋯粉為研究對(duì)象，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究初始點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時(shí)間以及粉塵云濃度對(duì)爆炸壓力的影響，揭示鋯粉塵云的爆炸特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

圖1 粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system for dust explosion

采用20 L近球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由容積為20 L的近球形爆炸罐、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。近球形爆炸罐高35 cm，內(nèi)徑30 cm。噴粉系統(tǒng)由壓縮空氣氣瓶、電磁閥、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)粉罐、粉體擴(kuò)散器和托粉皿組成，用來(lái)噴起粉塵，形成粉塵云。點(diǎn)火系統(tǒng)采用化學(xué)點(diǎn)火頭作為點(diǎn)火源，采用中心點(diǎn)火方式?？刂葡到y(tǒng)控制電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間、噴粉時(shí)間以及點(diǎn)火延遲時(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、采集卡和計(jì)算機(jī)等。壓力傳感器安裝在爆炸罐內(nèi)壁，位于點(diǎn)火電極上方，與點(diǎn)火電極的垂直距離為6 cm，與爆炸罐底部的垂直距離為22 cm。當(dāng)爆炸罐內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)，由安裝在爆炸罐壁上的壓力傳感器接收爆炸壓力信號(hào)，通過(guò)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算程序，顯示出最大爆炸壓力。

最初裝粉塵的位置在儲(chǔ)粉罐，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)壓縮空氣在攜帶儲(chǔ)粉罐中的鋯粉顆粒向爆炸罐底部出口運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于鋯粉燃點(diǎn)較低，鋯粉在噴入爆炸罐前的管道內(nèi)就發(fā)生了燃燒，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。為此，針對(duì)低燃點(diǎn)粉塵云爆炸測(cè)試，設(shè)計(jì)加工了托粉皿，將承載鋯粉的托粉皿安裝在粉體擴(kuò)散器上方，壓縮空氣經(jīng)過(guò)托粉皿時(shí)直接攜帶鋯粉，從而在罐內(nèi)形成鋯粉塵云。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在原有實(shí)驗(yàn)裝置噴粉結(jié)構(gòu)上加裝托粉皿，能夠保證粉體均勻地分散在罐內(nèi)的整個(gè)空間，托粉皿對(duì)爆炸測(cè)試不產(chǎn)生影響。托粉皿由中空?qǐng)A臺(tái)、篩網(wǎng)、環(huán)形墊片和螺絲組成。安裝方式是用均勻布置的螺絲穿過(guò)環(huán)狀墊片將篩網(wǎng)緊固在圓臺(tái)內(nèi)側(cè)，粉塵鋪放于篩網(wǎng)中間位置，見(jiàn)圖2。

圖2 托粉皿Fig.2 Prop dust pan

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：(1)檢查爆炸罐氣密性；(2)檢查各儀器處于正常工作狀態(tài)；(3)稱量一定質(zhì)量的鋯粉，將鋯粉平鋪在托粉皿上；(4)將化學(xué)點(diǎn)火頭纏繞在點(diǎn)火電極兩端，并使點(diǎn)火頭處于點(diǎn)火電極中心部位，蓋好爆炸罐頂蓋，并上緊螺絲；(5)對(duì)爆炸罐抽真空；(6)在控制軟件中點(diǎn)擊聯(lián)動(dòng)測(cè)試，會(huì)完成開(kāi)啟電磁閥-點(diǎn)火-壓力曲線記錄動(dòng)作。該過(guò)程中的電磁閥開(kāi)啟會(huì)將儲(chǔ)氣罐中的1 MPa壓縮空氣噴入爆炸管內(nèi)，使托粉皿上的鋯粉分散于爆炸罐內(nèi)，且使罐內(nèi)的壓力恰好達(dá)到常壓。

控制軟件參數(shù)設(shè)置：采樣頻率為5 000 Hz，采樣時(shí)間為1 000 ms，電磁閥開(kāi)啟時(shí)間為10 ms。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

1.3.1 鋯粉顆粒的形貌分析

實(shí)驗(yàn)前，將鋯粉置于30 ℃的恒溫真空干燥箱中干燥12 h，可確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品的使用條件一致。干燥后的鋯粉是灰色的，呈粉末狀,如圖3所示。先將鋯粉分散，然后用XL30 ESEM-TMP環(huán)境掃描電鏡觀察分析,如圖4所示,鋯粉顆粒為鱗片狀結(jié)構(gòu)，顆粒間存在大量空隙。

圖3 鋯粉實(shí)物圖 Fig.3 Picture of zirconium dust

圖4 鋯粉的SEM圖Fig.4 SEM of zirconium dust

1.3.2 鋯粉顆粒的粒度分析

使用Mastersizer 2000激光粒度分析儀對(duì)鋯粉的粒度分布進(jìn)行檢測(cè)，得到鋯粉的粒度分布體積百分比，如圖5所示。

可知鋯粉的粒度分布為：d(0.1)=6.809 μm，d(0.5)=21.029 μm，d(0.9)=56.255 μm，其平均粒度為21.029 μm。

根據(jù)超細(xì)粉體的定義，可知本實(shí)驗(yàn)所使用的鋯粉屬于超細(xì)粉體中的微米級(jí)粉體。而超細(xì)粉體粒度較小，具有特殊的結(jié)構(gòu)，處于熱力學(xué)上極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

1.3.3 點(diǎn)火頭制作

實(shí)驗(yàn)中采用的點(diǎn)火源是化學(xué)點(diǎn)火頭，化學(xué)點(diǎn)火頭的制作是以鋯粉、硝酸鋇、過(guò)氧化鋇按照4∶3∶3的質(zhì)量比混合而成[9]。共制備了能量為1 ～10 kJ的共10種點(diǎn)火能量E的化學(xué)點(diǎn)火頭。各能量點(diǎn)火頭所對(duì)應(yīng)的藥粉總質(zhì)量m和在無(wú)粉塵參與條件下點(diǎn)火頭點(diǎn)燃在罐中產(chǎn)生的壓力p，如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照GB/T 16425[10]和IEC[11]標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)爆炸升壓(不包括點(diǎn)火頭影響)超過(guò)30～50 kPa時(shí)可認(rèn)為粉塵發(fā)生了爆炸，本文中采用30 kPa。

2.1 鋯粉塵云爆炸壓力隨時(shí)間變化過(guò)程

當(dāng)鋯粉濃度為20 g/m3時(shí)，分別用3、5、10 kJ的點(diǎn)火能量點(diǎn)爆罐內(nèi)可燃物，得到不同鋯粉塵云爆炸后隨時(shí)間變化的壓力曲線，如圖6所示。

圖5 鋯粉粒度分布Fig.5 Particle size distribution of zirconium powder

E/kJm/gp/kPaE/kJm/gp/kPa10.24161.443720.48971.684630.721581.925240.962192.165951.2028102.4068

圖6 壓力-時(shí)間曲線Fig.6 Pressure-time curves

從圖6可以看到，3條壓力-時(shí)間曲線均可劃分為壓力上升、壓力峰值和壓力衰減3個(gè)階段。壓力上升是由于爆炸罐內(nèi)的鋯粉顆粒被點(diǎn)燃，快速氧化不斷釋放出的能量大于向周?chē)鷵p失的能量，能量不斷蓄積，壓力不斷升高；壓力峰值的大小與鋯粉塵的反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)相關(guān)；壓力衰減是由于鋯粉顆粒氧化釋放的能量小于系統(tǒng)損失的能量，壓力開(kāi)始逐漸降低。點(diǎn)火能量不同，壓力峰值不同。

2.2 初始點(diǎn)火能量對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響

在考察初始點(diǎn)火能量對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間設(shè)為60 ms，符合GB/T 16425[10]和EN 14034[12]的要求。

在20升爆炸罐中，分別用1、2、…、10 kJ點(diǎn)火能量引爆濃度為20 g/m3的鋯粉塵云，分析初始點(diǎn)火能量對(duì)鋯粉塵云最大爆炸壓力pmax的影響。初始點(diǎn)火能量與鋯粉塵云最大爆炸壓力的關(guān)系如表2所示,tmax為pmax對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。從表2可以得到，在鋯粉塵云濃度為20 g/m3，點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms，其他條件不變，只改變初始點(diǎn)火能量的情況下:(1)點(diǎn)火能量為1和2 kJ的點(diǎn)火頭無(wú)法引燃濃度為20 g/m3的鋯粉塵云；(2)鋯粉塵云最大爆炸壓力隨初始點(diǎn)火能量的增大而增大，說(shuō)明初始點(diǎn)火能量對(duì)鋯粉塵云爆炸威力產(chǎn)生很大的影響。

表2 不同初始點(diǎn)火能量下鋯粉塵云最大爆炸壓力

2.3 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響

經(jīng)空白實(shí)驗(yàn)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)中采用的質(zhì)量為 0.72 g的以鋯粉、硝酸鋇和過(guò)氧化鋇為原料按照4∶3∶3的質(zhì)量比例混合而成的3 kJ點(diǎn)火頭,本身爆炸產(chǎn)生升壓約為15 kPa,相對(duì)較低,且每次爆炸實(shí)驗(yàn)均同等地受到相同點(diǎn)火頭的作用,因此其影響可忽略不計(jì)。

點(diǎn)火延遲時(shí)間是從電磁閥開(kāi)啟時(shí)刻到點(diǎn)火電極放電時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。電磁閥開(kāi)啟是用于將粉塵噴入爆炸罐內(nèi)，點(diǎn)火電極放電是用于將彌散在爆炸罐中的粉塵云點(diǎn)燃。如果點(diǎn)火延遲時(shí)間過(guò)短，爆炸罐內(nèi)的粉塵還未充分沉降，分散狀態(tài)不佳，此時(shí)點(diǎn)火必然造成測(cè)出的爆炸壓力較低；如果點(diǎn)火延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，爆炸罐內(nèi)的粉塵已經(jīng)沉降到爆炸罐底部，造成鋯粉損失，此時(shí)點(diǎn)火必然造成測(cè)出的爆炸壓力較低。點(diǎn)火延遲時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響裝置內(nèi)粉塵的分散狀態(tài)，從而影響鋯粉塵云的爆炸壓力。點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵云爆炸壓力測(cè)定有十分顯著的影響[13]。在20 L爆炸罐中，采用3 kJ點(diǎn)火頭對(duì)濃度為20 g/m3的鋯粉塵云在點(diǎn)火延遲時(shí)間為20、40、60、80、100 ms等5種條件下進(jìn)行引爆，點(diǎn)火延遲時(shí)間與鋯粉塵云爆炸壓力的關(guān)系見(jiàn)表3。從表3可得到，在點(diǎn)火頭能量為3kJ，鋯粉濃度為20 g/m3，其他條件不變，只改變點(diǎn)火延遲時(shí)間td的情況下：(1)隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的遞增，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減??；(2)當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為80 ms時(shí)，鋯粉塵云最大爆炸壓力達(dá)到峰值56 kPa。以上表明鋯粉塵云爆炸存在一個(gè)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，在最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間下鋯粉塵云爆炸壓力達(dá)到最大。下文實(shí)驗(yàn)均采用80 ms的點(diǎn)火延時(shí)。粒度和濃度一定的鋯粉，在其他條件保持不變的情況下，改變點(diǎn)火延遲時(shí)間，最大爆炸壓力隨之變化；存在一個(gè)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，在該點(diǎn)火延遲時(shí)間下點(diǎn)火可使最大爆炸壓力取得最大值。

表3 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下鋯粉塵云最大爆炸壓力

2.4 鋯粉塵云濃度對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響

為了考察鋯粉塵云濃度對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響，本文中采取點(diǎn)火延遲時(shí)間為80 ms，點(diǎn)火能量為3 kJ，在其他條件不變的情況下，只改變鋯粉塵云濃度，考察爆炸壓力隨粉塵云濃度如何變化。在20 L爆炸罐中研究粉塵云濃度對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件為點(diǎn)火能量3 kJ、點(diǎn)火延遲時(shí)間80 ms，對(duì)20～100 g/m3濃度之間的鋯粉塵云爆炸壓力進(jìn)行測(cè)試，其中遞增濃度為10 g/m3。鋯粉塵云最大爆炸壓力與鋯粉塵云濃度c(Zr)的關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 不同鋯粉塵云濃度下鋯粉塵云最大爆炸壓力

從表4可以得到，在點(diǎn)火頭能量為3 kJ，點(diǎn)火延遲時(shí)間為80 ms，其他條件不變，只改變鋯粉塵云濃度的情況下:(1)隨著鋯粉塵云濃度的增加，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小，存在峰值壓力；(2)鋯粉塵云濃度為80 g/m3時(shí)，鋯粉塵云最大爆炸壓力達(dá)到峰值465 kPa。以上表明鋯粉塵云爆炸存在一個(gè)最佳鋯粉塵云濃度，在最佳濃度下鋯粉塵云爆炸壓力達(dá)到最大。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得僅是3 kJ的點(diǎn)火頭點(diǎn)燃(無(wú)鋯粉塵云存在)在罐中引起的壓力為15 kPa，根據(jù)GB16425[10]和IEC[11]標(biāo)準(zhǔn)可知:對(duì)濃度為18 g/m3的鋯粉塵云用3 kJ點(diǎn)火頭引爆導(dǎo)致罐內(nèi)升壓未超過(guò)30 kPa，認(rèn)為該濃度下鋯粉塵云未發(fā)生爆炸；對(duì)濃度為20 g/m3的鋯粉塵云用3 kJ點(diǎn)火頭引爆導(dǎo)致罐內(nèi)升壓超過(guò)30 kPa，認(rèn)為該濃度下鋯粉塵云發(fā)生爆炸。由此可粗略推理知本實(shí)驗(yàn)條件下的鋯粉塵云的爆炸下限為18～20 g/m3。

3 結(jié) 論

在容積為20 L的近球形爆炸裝置中，分別研究了初始點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時(shí)間和粉塵云濃度對(duì)鋯粉塵云爆炸壓力的影響，得到結(jié)論如下：(1)在鋯粉塵云濃度為20 g/m3、點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms時(shí)，初始點(diǎn)火能量從1 kJ增加到10 kJ，鋯粉塵云最大爆炸壓力從28 kPa增大到100 kPa；鋯粉塵云爆炸壓力隨初始點(diǎn)火能量的增加而增大，表明點(diǎn)火能量越低鋯粉塵云爆炸壓力越低。因此為了預(yù)防和控制鋯粉火災(zāi)爆炸事故，在工業(yè)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸鋯粉過(guò)程中應(yīng)消除點(diǎn)火源或盡量降低點(diǎn)火能量。(2)在點(diǎn)火頭能量為3 kJ、鋯粉濃度為20 g/m3時(shí)，隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，鋯粉塵云最高爆炸壓力先升高后降低；點(diǎn)火延遲時(shí)間為80 ms時(shí)最高爆炸壓力達(dá)到峰值56 kPa；(3)在點(diǎn)火頭能量為3 kJ、點(diǎn)火延遲時(shí)間為80 ms時(shí)，隨著粉塵云濃度的增加，鋯粉塵云最大爆炸壓力先增大后減??；鋯粉塵云濃度為80 g/m3時(shí)最大爆炸壓力達(dá)到峰值465 kPa；鋯粉塵云的爆炸下限為18～20 g/m3。所以在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸使用等環(huán)節(jié)應(yīng)盡量降低鋯粉塵云濃度，可減少事故的發(fā)生。

[1] 赫茨貝格 M,凱什多勒 K L.粉塵爆炸知識(shí)介紹[J].劉小濱,譯.防爆電機(jī),1994(1):42-51.

[2] 張帆.都是粉塵惹的禍:近10年來(lái)粉塵爆炸事故特點(diǎn)分析[J].湖南安全與防災(zāi),2014(11):13-15. Zhang Fan. All is dust disaster: Nearly 10 years the characteristics analysis of dust explosion accidents[J]. Hunan Safety and Disaster Prevention, 2014(11):13-15.

[3] Doyle W L, Conway J B, Grosse A V. The combustion of zirconium in oxygen[J]. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 1958,6(2):138-142.

[4] Ewald K H, Anselmi-Tamburini U, Munir Z A. Combustion of zirconium powders in oxygen[J]. Materials Science and Engineering A, 2000,291(291):118-130.

[5] Badiola C, Dreizin E L. Combustion of micron-sized particles of titanium and zirconium[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013,34(1):2237-2243.

[6] 王秋紅,孫金華,周琪,等.鋯粉空氣預(yù)混物多管?chē)娚淙紵幕鹧鏈囟忍卣鱗J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2012,18(5):448-455. Wang Qiuhong, Sun Jinhua, Zhou Qi, et al. Flame temperature characteristics of multi-tube injection combustion of zirconium-air cloud mixtures[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2012,18(5):448-455.

[7] 王秋紅,孫金華,鄧軍.管道中鋯粉云火焰?zhèn)鞑サ臏囟扰c速度特性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(10):1378-1383. Wang Qiuhong, Sun Jinhua, Deng Jun. Flame temperature and propagation speed characteristics of zirconium dust cloud flame propagation in pipelines[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2014,36(10):1378-1383.

[8] 丁以斌.鋯粉云火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗(yàn)研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010:31-33,93. Ding Yibin. Experimental study on flame propagation characteristics of zirconium particle cloud[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2010:31-33,93.

[9] Kenneth L C. Coal dust explosibility[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 1996,9(1):65- 76.

[10] 中華人民共和國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法:GB/T 16425-1996[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996:1-3.

[11] Chawla N, Amyotte P R, Pegg M J. A comparison of experimental methods to determine the minimum explosible concentration of dusts[J]. Fuel, 1996,75(6):654-658.

[12] Determination of explosion characteristics of dust clouds: Part 3: Determination of the lower explosion limit LEL of dust clouds: EN 14034-3[S]. England: The Standards Policy and Strategy Committee, 2006:5-16.

[13] 袁旌杰,伍毅,陳瑜,等.點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵最大爆炸壓力測(cè)定影響的研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2010,20(3):65-69. Yuan Jingjie, Wu Yi, Chen Yu, et al. Effect of ignition delay time on measurement of maximum explosion pressure of dusts[J]. China Safety Science Journal, 2010,20(3): 65-69.

(責(zé)任編輯 張凌云)

Explosion characteristics of zirconium dust cloud

Deng Jun1,2, Ren Xugang1,2, Wang Qiuhong1,2, Yang Yufeng1,2

(1.SchoolofSafetyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,Shaanxi,China;2.ShaanxiKeyLaboratoryofPreventionandControlofCoalFire,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,Shaanxi,China)

A 20-liter nearly-spherical container was employed to examine the influence of initial ignition energy, ignition delay time and zirconium dust concentration on the characteristics of zirconium dust cloud explosion. The experimental results indicate that the maximum explosion pressure of zirconium dust cloud increases as the initial ignition energy increases, however, with the increase of ignition delay time, the maximum explosion pressure of the dust cloud increases at first and decreases thereafter. At the same time, there exists an optimal ignition delay time. In addition, with the increase of dust concentration, the maxmum explosion pressure of the dust cloud increases at first and decreases thereafter as well. Finally, there exists an optimal dust concentration, and the lower explosion limit of zirconium dust cloud is 18 to 20 g/m3.

zirconium; dust cloud; explosion pressure; initial ignition energy; ignition delay time

10.11883/1001-1455(2017)03-0496-06

2015-10-08；

2015-11-25

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0800102);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504190,51134019); 中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M530430)； 陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK0947); 陜西省國(guó)際科技合作與交流計(jì)劃項(xiàng)目(2016KW-070);西安科技大學(xué)博士后啟動(dòng)金項(xiàng)目(2016QDJ013)

鄧 軍(1970— )，男，博士,教授，博士生導(dǎo)師; 通信作者: 王秋紅,wangqiuhong1025@126.com。

O381;X945 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

A