鈦粉塵云的爆炸特性

董海佩，程貴海，李曉泉，徐中慧

（1.廣西大學資源與冶金學院，廣西南寧 530004；2.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川綿陽 621010）

鈦粉應用十分廣泛，主要用于制取粉末冶金零件的原料，或真空吸氣劑、表面涂裝材料、鋁合金細化劑、煙花爆燃劑等[1]。鈦粉易發(fā)生氧化、燃燒、爆炸，屬于危險品，粉塵爆炸對人身安全、財產、環(huán)境帶來重大威脅[2]，因此，研究鈦粉的爆炸特性很有意義。

為了預防和減輕其危害，近30 a來學者對多種可燃粉塵的爆炸特性進行了研究[3-16]。Cashdollar等[3]提出，粉塵的粒徑和形狀決定了粉塵顆粒的比表面積，從而影響其與氧氣的反應速率，因此對粉塵的爆炸參數(shù)影響顯著。Callé等[4]用木屑粉塵在20 L球中進行實驗，發(fā)現(xiàn)粉塵粒徑越小，爆炸壓力越大。Li等[12]用鋁粉在20 L球中進行實驗，發(fā)現(xiàn)隨著粉塵粒徑的減小，最大爆炸壓力以二次方形式增加，最大爆炸指數(shù)以指數(shù)的形式增加。Min等[17]通過對木屑粉塵的研究發(fā)現(xiàn)，最大爆炸壓力的敏感質量濃度隨著粉塵粒徑的減小而降低。

學者對粉塵爆炸特性的研究，大多是將噴塵壓力和紊流指數(shù)取某一固定值，研究粉塵粒徑、濃度對爆炸參數(shù)的影響，然而，在不同的噴塵壓力和紊流指數(shù)下，會得出不同的敏感質量濃度及爆炸參數(shù)。本文中選取噴塵壓力和紊流指數(shù)為敏感值的實驗數(shù)據(jù)，對最大爆炸壓力、最大爆炸指數(shù)、爆炸濃度下限隨鈦粉粒徑和濃度變化的函數(shù)進行擬合，更具有可靠性。

1 實驗

1.1 裝置與環(huán)境

裝置為國標標準推薦采用的20 L球形密閉爆炸裝置，其俯視圖如圖1所示。根據(jù)GB/T 16426—1996《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》，采用的點火方式為化學點火，點火頭由鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇按照質量比4∶4∶3的比例混合制成。

圖1 20 L球結構示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of 20 L spherical vessel

實驗在相對濕度為40%～60%、溫度為25～30℃的環(huán)境下進行的。

1.2 原料

以平均粒徑分別為 18、25、38、48、74 μm 的球形鈦粉作為實驗樣品。為防止鈦粉氧化、受潮，實驗開始前將鈦粉進行真空包裝保存。

1.3 操作步驟

1）取某一粒徑的鈦粉5 g，相當于質量濃度為250 g/m3，噴塵壓力設為1.5 MPa，紊流指數(shù)設為60 ms，開始實驗并記錄最大爆炸壓力Pmax和最大壓力上升速率（dP/dt）max。重復3次，取用平均值。

2）以30 ms的整數(shù)倍為步長調節(jié)紊流指數(shù)，直至分別找出不同紊流指數(shù)下Pmax和（dP/dt）max的最大值。

3）以0.3 MPa的整數(shù)倍為步長調節(jié)噴塵壓力（不得超過2 MPa），在每個固定的噴塵壓力下重復步驟2，直至分別找出不同噴塵壓力和紊流指數(shù)下Pmax和（dP/dt）max的最大值。

4）以50 g/m3為步長調節(jié)鈦粉質量濃度，在每個固定質量濃度下重復步驟3，直至找出不同噴塵壓力和紊流指數(shù)下爆炸濃度下限ρlim的最小值，并記錄。

5）以50 g/m3的整數(shù)倍為步長調節(jié)鈦粉質量濃度，在每個固定質量濃度下重復步驟3），直至分別找出不同質量濃度Pmax和（dP/dt）max的最大值，計算最大爆炸指數(shù)Kmax，并記錄。

6）更換另一種粒徑的鈦粉，重復以上5個步驟進行實驗，直至5種粒徑的鈦粉均完成實驗。

2 結果與分析

當Pmax＜0.15 MPa時，判定鈦粉未發(fā)生爆炸，實驗后容器內有少量灰色固體粉末溢出，容器壁附著灰色粉末。當Pmax≥0.15 MPa時，判定鈦粉未發(fā)生爆炸，實驗后容器內冒出大量濃煙，容器壁附著白色粉末。

ρlim為某一粒徑的鈦粉塵發(fā)生爆炸的最低濃度，若將此質量濃度繼續(xù)下調50 g/m3，無論如何調節(jié)噴塵壓力和紊流指數(shù)，均不會發(fā)生爆炸。

當自變量（d，c，p，tv）取某一固定值時，因變量（Pmax、Kmax）取值最大，則認為該固定值為自變量相對于因變量的敏感值。

最大爆炸指數(shù)根據(jù)公式 Kmax和（dP/dt）max×V1/3進行計算，其中球體容積V=0.02 m3。

實驗結果如表1所示。由表可知，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)不一定同時出現(xiàn)，即最大爆炸指數(shù)的敏感質量濃度大于或等于最大爆炸壓力的敏感質量濃度，最大爆炸指數(shù)的紊流指數(shù)敏感值通常大于最大爆炸壓力的紊流指數(shù)敏感值，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)的噴塵壓力敏感值基本一致。

表1 不同粒徑鈦粉的爆炸參數(shù)Tab.1 Explosion parameters of titanium powder with different particle size

2.1 鈦粉濃度的影響

當噴塵壓力和紊流指數(shù)均處于敏感值時，5種粒徑鈦粉的猛度參數(shù)隨濃度變化的規(guī)律如圖2所示。

對圖2的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結果如表2所示。

圖2 濃度對猛度參數(shù)的影響Fig.2 Effect of concentration on Pmaxand Kmax

表2 猛度參數(shù)關于粉塵濃度的擬合結果Tab.2 Fitting results of Pmaxand Kmaxon concentration

由圖2可知，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)隨鈦粉濃度的增大先增大后減小。這是由于當鈦粉濃度偏低時，鈦粉顆粒較少，隨著濃度的增加，參與反應的鈦粉顆粒增加，反應更加劇烈，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)隨之增加。當濃度超過敏感質量濃度后，繼續(xù)增加鈦粉濃度導致鈦粉顆粒過多，容器內氧氣相對不足，參與反應的鈦粉顆粒反而減少，因此最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)隨之減小。由表2可知，隨著鈦粉濃度的增加，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)以二次函數(shù)的形式先增加后減小。

2.2 鈦粉粒徑的影響

最大爆炸壓力對應的濃度敏感值cp、最大爆炸指數(shù)對應的濃度敏感值ck和爆炸濃度下限隨鈦粉粒徑的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，最大爆炸壓力的敏感質量濃度和最大爆炸指數(shù)的敏感質量濃度、爆炸濃度下限與鈦粉粒徑呈正相關。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒更易熱解為可燃氣體，粒徑偏大的粉塵顆粒如需熱解產生濃度相當?shù)目扇細怏w，就需要濃度更高的鈦粉顆粒，因此，cp、ck、ρlim也隨鈦粉粒徑的增大而增大。由表3可知，隨著粒徑的增大，cp、ck、ρlim以線性函數(shù)的形式增大。

當鈦粉質量濃度、噴塵壓力和紊流指數(shù)均處于敏感值時，猛度參數(shù)隨粒徑的變化規(guī)律如圖4所示。

對圖4的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結果如表3所示。

圖3 粒徑對 cp、ck、ρlim的影響Fig.3 Effect of particle size on cp，ckand ρlim

圖4 粒徑對猛度參數(shù)的影響Fig.4 Effect of particle size on Pmaxand Kmax

表3 猛度參數(shù)關于粒徑的擬合結果Tab.3 Fitting results of Pmaxand Kmaxon particle size

由圖4可知，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)與鈦粉粒徑呈負相關。這是由于粉塵粒徑減小導致比表面積增大，更容易與氧氣反應[3]，因此，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)鈦粉粒徑減小而增大。由表4可知，隨著粒徑的增加，最大爆炸壓力以二次函數(shù)的形式減小，而最大爆炸指數(shù)以指數(shù)函數(shù)的形式減小。

2.3 鈦粉粒徑和濃度綜合影響

噴塵壓力、紊流指數(shù)為實驗室自變量，兩者為敏感值的情況下粉塵顆粒達到最佳紊流狀態(tài)，但在工業(yè)生產中并不存在。而粉塵的粒徑范圍、濃度在工業(yè)生產中是可測、可控的，因此，根據(jù)最不利原則，本文中選取噴塵壓力和紊流指數(shù)處于敏感值的44組實驗數(shù)據(jù)，對鈦粉粒徑和濃度對爆炸猛度的影響進行函數(shù)擬合，使擬合公式可實際運用在工業(yè)生產中對粉塵爆炸危險程度的預測和控制。如表4所示。擬合函數(shù)曲線如圖5所示。

表4 猛度參數(shù)關于粒徑和質量濃度的擬合結果Tab.4 Fitting results of Pmaxand Kmaxon particle size and concentration

實驗數(shù)據(jù)的散點分布和擬合函數(shù)曲線如圖5所示。由圖可知，最大爆炸壓力隨粒徑的增大下降趨勢越來越陡，隨濃度的增加先增后減；最大爆炸指數(shù)隨粒徑的增大下降趨勢越來越緩，隨濃度的增加先增后減。與上文猛度參數(shù)受單因粒徑素影響的擬合曲線相吻合。

圖5 鈦粉粒徑、質量濃度對猛度參數(shù)的影響Fig.5 Effect of particle size and concentration on Pmaxand Kmax

3 結論

1） 平均粒徑為 18、25、38、48、74 μm 的球形鈦粉對應的最大爆炸壓力分別為 0.662、0.619、0.574、0.497、0.263 MPa，敏感質量濃度分別為 800、900、950、1 000、1 100 g/m3；對應的最大爆炸指數(shù)分別為22.35、14.76、11.72、9.7、7.41 MPa·m/s，敏感質量濃度分別為 800、950、950、1 000、1 200 g/m3。

2）最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)不一定同時出現(xiàn)。最大爆炸指數(shù)的敏感質量濃度大于或等于最大爆炸壓力的敏感質量濃度，最大爆炸指數(shù)的紊流指數(shù)敏感值通常大于最大爆炸壓力的紊流指數(shù)敏感值，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)的噴塵壓力敏感值基本一致。

3）隨著粒徑的增加，最大爆炸壓力以二次函數(shù)的形式減小，而最大爆炸指數(shù)以指數(shù)函數(shù)的形式減小，兩者對應的敏感質量濃度、爆炸下限濃度以線性函數(shù)的形式增加。

4）隨著鈦粉濃度的增加，最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)以二次函數(shù)的形式先增大后減小。