趙子超 王浩 董呈杰

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

關(guān)鍵詞：鋁粉爆炸;點(diǎn)火延遲時(shí)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(shí)，使用者應(yīng)注意鋁粉對(duì)點(diǎn)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(jì)損失3.51億元[1]。鑒于鋁粉爆炸事故后果的嚴(yán)重性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋁粉爆炸特性開(kāi)展了一系列研究。陳曉坤等[2]利用近球型爆炸裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，指出點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵濃度和粉塵粒徑等因素對(duì)鋁粉爆炸有影響，而點(diǎn)火延遲時(shí)間有鋁粉爆炸較大影響。陳春燕等[3]在研究中指出點(diǎn)火延遲時(shí)間是指揚(yáng)塵電磁閥開(kāi)啟到點(diǎn)火時(shí)間的間隔。國(guó)際上一般利用氣相湍流度來(lái)確定特定實(shí)驗(yàn)設(shè)備點(diǎn)火延遲時(shí)間。袁旌杰等[4]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火延遲時(shí)間。

本文旨在通過(guò)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(diǎn)火延遲時(shí)間，分析點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸規(guī)律的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

鋁粉爆炸試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的20L球形爆炸裝置，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括20L球形密閉容器、精密配氣系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用自動(dòng)控制手段進(jìn)行容器的抽真空、充氣噴粉及引燃過(guò)程，封閉容器粉塵爆炸壓力保存在計(jì)算機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全操作。實(shí)驗(yàn)方法參考采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《粉塵云最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)測(cè)定方法》和《粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法》。實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)點(diǎn)火源。點(diǎn)火能量約為5kJ。

本次實(shí)驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)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(diǎn)火延遲對(duì)粉塵爆炸的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在一定粉塵濃度條件下，點(diǎn)火延遲時(shí)間依次取50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms進(jìn)行粉塵爆炸，測(cè)定爆炸過(guò)程的壓力歷程。

2 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸的影響

圖2給出了粉塵濃度300g/m3條件下，點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms時(shí)的最大爆炸壓力。鋁粉最大爆炸壓力隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。因此存在一個(gè)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間使得爆炸壓力最大。通過(guò)函數(shù)計(jì)算出鋁粉的最佳點(diǎn)火時(shí)間和在該時(shí)間下的最大爆炸壓力。對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行一元二次多項(xiàng)式擬合，300g/m3鋁粉的點(diǎn)火延遲時(shí)間與最大爆炸壓力符合二次函數(shù)關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中，鋁粉在300g/m3時(shí)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火延遲時(shí)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(shí)驗(yàn)中，鋁粉在400g/m3時(shí)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間為80ms，最大爆炸壓力為0.7152MPa;在400g/m3時(shí)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間為80ms，最大爆炸壓力為0.7152MPa;在500g/m3時(shí)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間為80ms，最大爆炸壓力為0.72167MPa。

鋁粉濃度為300g/m3時(shí)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火延遲時(shí)間（國(guó)際規(guī)定60ms[3]）和最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間下的最大爆炸壓力相差不大。這是由于最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火延遲時(shí)間相近的原因。當(dāng)粉塵濃度逐漸增大到400g/m3和500g/m3時(shí)，最大爆炸壓力大于點(diǎn)火延遲時(shí)間為60ms時(shí)的爆炸壓力。

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

實(shí)驗(yàn)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(shí)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間為62ms，在點(diǎn)火延遲時(shí)間下所得爆炸壓力略大于60ms所得爆炸壓力。然而，當(dāng)鋁粉達(dá)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(duì)于容器內(nèi)鋁粉顆粒的影響，需要更長(zhǎng)得的時(shí)間使鋁粉充分散布于整個(gè)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(duì)于鋁粉的作用逐漸減小。因此，對(duì)于高濃度鋁粉而言點(diǎn)火延遲時(shí)間趨于穩(wěn)定。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果400g/m3鋁粉和500g/m3鋁粉最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為85ms和83ms也證明了這一點(diǎn)。當(dāng)鋁粉達(dá)到一定濃度后，其最佳點(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火延遲時(shí)間分別為：60ms，80ms，80ms，最大爆炸壓力分別為：0.69121MPa，0.7152MPa，0.72167MPa。

（2）點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)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(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間。在最佳點(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火時(shí)間隨鋁粉濃度上升而增大。

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