紀(jì)國劍，單夢(mèng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(huì)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(cái)產(chǎn)損失。在這類沸騰液體擴(kuò)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(cè)水柱或單個(gè)水滴撞擊高溫熔融金屬液表面[3-8]、熔融金屬液柱或單個(gè)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(diǎn)錫與水的相互作用，也有以下實(shí)驗(yàn)研究。張榮金等[8]、林棟[13]在單個(gè)水滴撞擊高溫熔融錫液的實(shí)驗(yàn)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(huì)促進(jìn)局部蒸汽爆炸的發(fā)生，同時(shí)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(yuǎn)[15]通過調(diào)節(jié)爐溫、水溫和下落高度對(duì)錫液與水的相互作用機(jī)理進(jìn)行研究得到，錫液細(xì)?；潭扰c錫液溫度成正比、與水溫成反比，而下落高度的變化對(duì)金屬細(xì)?；潭扔绊懖伙@著；李天舒等[16]在熔融錫液入水碎化實(shí)驗(yàn)研究中，展示了熔融金屬熱擴(kuò)散系數(shù)對(duì)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(yùn)動(dòng)圖像和壓力波動(dòng)曲線提出，壓力大小由進(jìn)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(duì)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(diǎn)金屬錫遇水爆炸機(jī)理，采用高速攝像機(jī)觀測(cè)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(jì)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(jià)值的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)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(duì)蒸汽爆炸過程的影響；同時(shí)，使熔融錫液溫度遠(yuǎn)高于錫的熔點(diǎn)，以提高錫液的流動(dòng)性[18]，增加熔融錫液與水接觸面積，使反應(yīng)充分進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，選取中高熔點(diǎn)金屬鋁，進(jìn)行在相同條件下的蒸汽爆炸實(shí)驗(yàn)，將熔融錫液遇水爆炸實(shí)驗(yàn)與周寧等[19]熔融鋁液遇水爆炸實(shí)驗(yàn)作比較，進(jìn)一步探究低熔點(diǎn)金屬錫遇水爆炸反應(yīng)特征。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[19]主要包括高頻熔融爐、高速攝像機(jī)（I-SPEED 3）、溫度信號(hào)采集儀、高頻信號(hào)采集儀、K 型熱電偶（WRNK-010，測(cè)溫范圍為0～1 300 ℃，相對(duì)誤差為±0.75%）、壓力傳感器（KD2002-03X，測(cè)壓范圍為0～10 MPa，誤差為±0.1 MPa）、反應(yīng)槽和防護(hù)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(shí)驗(yàn)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(shí)錫的溫度為100 ℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

實(shí)驗(yàn)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(dòng)裝置可使錫受熱均勻、充分熔化。(2) 采用遙控轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)，拍攝錫液與水的接觸反應(yīng)過程，溫度測(cè)試系統(tǒng)和壓力測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集測(cè)點(diǎn)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(jìn)行金屬鋁的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 計(jì)算模型

2.1 熔融錫液內(nèi)部?jī)?chǔ)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(dòng)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(jiǎn)化為：

式中：mr為金屬錫的質(zhì)量，T0為室溫，Tn為錫的熔點(diǎn)，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(shí)，距離爆炸中心處的超壓與該處TNT 炸藥藥量對(duì)應(yīng)。

利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)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(jì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 蒸汽爆炸過程

圖2 為n=5 時(shí)（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(shí)，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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(xì)粒和小范圍的高溫高壓蒸汽團(tuán)。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(tuán)內(nèi)的壓力不斷疊加，反應(yīng)進(jìn)入膨脹階段。在0.12 s 時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生第1 次爆炸，在0.20 s 時(shí)，緊接著發(fā)生第2 次爆炸。爆炸過程中，錫液細(xì)?；F(xiàn)象明顯，飛濺加劇、范圍加大，水槽上方及附近的蒸汽團(tuán)以可見速度向周邊迅速擴(kuò)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(tuán)體積逐步減小，在1.04 s 時(shí)蒸汽團(tuán)幾乎散盡。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(cè)點(diǎn)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(tuán)向外擴(kuò)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(fù)壓區(qū)；在壓力由負(fù)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(shí)間內(nèi)壓力疊加，使第2 次爆炸后的壓力上下波動(dòng)較大。熔融金屬遇水爆炸達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，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(dá)不到1 600 ℃，便不能分解成氫氣和氧氣[23]；而實(shí)驗(yàn)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(shí)間內(nèi)再次經(jīng)歷蒸汽爆炸發(fā)展的4 個(gè)階段[24]，引發(fā)2 次爆炸；(2) 在觸發(fā)階段，產(chǎn)生了兩個(gè)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(shí)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(shí)相同條件下的熔融鋁液與水的相互作用過程。在0.14 s 時(shí)鋁液明顯碎化，在0.46 s 時(shí)觸發(fā)蒸汽爆炸，鋁液劇烈飛濺和蒸汽團(tuán)對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)比，熔融錫液遇水爆炸反應(yīng)過程更劇烈、反應(yīng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。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(xì)?；潭容^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(kuò)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(shí)間也就更長(zhǎng)。

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(shí)驗(yàn)中觀察到的強(qiáng)光為部分能量轉(zhuǎn)化為光輻射能（見圖2 中0.12～0.28 s 時(shí)）；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(dòng)能。

3.2 能量分析

3.2.1 不同質(zhì)量比時(shí)錫遇水爆炸

當(dāng)錫與水的質(zhì)量比為5、10、15 和20 時(shí)，實(shí)驗(yàn)的熔融錫液內(nèi)部?jī)?chǔ)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)沖擊波能量轉(zhuǎn)化率顯然高于其他質(zhì)量比的。對(duì)比n=15, 20 時(shí)的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率，可見：在相近錫質(zhì)量時(shí)，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?jī)?chǔ)能時(shí)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(shí)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(shí)），但兩者并非正相關(guān)的增長(zhǎng)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(shì)（見表1 中n=15, 20 時(shí)）。

表1 高溫熔融錫液遇水的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的平均沖擊波能量轉(zhuǎn)化率隨質(zhì)量比的變化曲線。在實(shí)驗(yàn)中， 在n=5 時(shí)，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(shí)間的影響，進(jìn)而受與這2 個(gè)量相關(guān)的金屬碎化程度和金屬熱擴(kuò)散率的影響。同時(shí)，在金屬碎化程度和金屬熱擴(kuò)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(shí)，錫液內(nèi)部?jī)?chǔ)能轉(zhuǎn)化為沖擊波能量的占比最大，可達(dá)10.38%，而在n≈15 時(shí)，鋁遇水爆炸的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率到達(dá)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(shì)一致，均隨質(zhì)量比增大先增后減。以兩者曲線交點(diǎn)的質(zhì)量比為界限，該點(diǎn)n≈12.69,7.69；由實(shí)驗(yàn)，在n＜12.69 時(shí)，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(shí)，錫/鋁遇水爆炸實(shí)驗(yàn)中，錫的熱擴(kuò)散率低，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)；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?jī)?chǔ)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(shí)，熔融錫/熔融鋁總熱能的沖擊波能量轉(zhuǎn)化率受金屬熱擴(kuò)散率和金屬遇水后碎化程度的影響。

(2) 在相同質(zhì)量比時(shí)，錫的質(zhì)量增加一定程度上提高了超壓峰值，但這種增長(zhǎng)趨勢(shì)不是持續(xù)的、絕對(duì)的，在 n=15, 20 時(shí)，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(shí)，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(shì)；在n=10 時(shí)，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(shì)；在n＜12.69 時(shí)，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。