钛金属打磨粉尘爆炸危险性检测试验研究

文┃杨秋文* 杨宛儒 王建雄 朱 果 钟 炯 韩 森

钛金属打磨粉尘爆炸危险性检测试验研究

文┃杨秋文* 杨宛儒 王建雄 朱 果 钟 炯 韩 森

2014年江苏省苏州昆山市中荣金属制品有限公司“8·2”铝合金轮毂打磨抛光粉尘爆炸事故，共造成146人死亡，114人受伤，直接经济损失3.51亿元。2016年4月29日，广东省深圳市光明新区精艺星五金加工厂发生铝粉尘爆炸事故，造成7人死亡、3人受伤。湖南是有色金属之乡，有色金属企业数量较多，根据2016年10月各市州安监局统计上报数据，其中存在粉尘爆炸风险的企业90余家，作业场所超过10人以上的企业18家，粉尘防爆安全形势较为严峻。

金属表面处理工艺是金属机械加工的重要工序，包括喷丸、喷砂、去毛刺、打磨、刷光和抛光等工序中的一种或几种。相关设备包括抛丸机、喷丸机、喷砂机、角磨机、砂轮机、砂带机、手持式砂轮、手持式砂纸打磨机、刷光机、固定式抛光轮、手持式抛光轮等。对金属表面处理工艺产生的粉尘进行爆炸特性试验，甄别其是否为爆炸性粉尘已是当务之急。

我国钛资源储量占世界的1/4。钛及其合金已广泛应用于航空、航天、航海、军械、石油化工、造纸、酸碱工业、体育器械及医疗器械等领域。切削产生的钛屑在空气中能着火燃烧。钛粉尘属于ⅢC导电性粉尘，高温表面堆积粉尘层（5mm）的引燃温度为290℃，粉尘云的引燃温度为375℃，无爆炸下限及粉尘平均粒径参数。金属粉尘能否发生着火、燃烧或爆炸, 以及其爆炸的猛烈程度会受到多方面因素的影响。

本文拟对某企业钛金属打磨粉尘进行爆炸性能试验，并对粉尘粒径、形状、组分进行检测，以探讨其爆炸特性的关键影响因素，为甄别爆炸性粉尘及防护措施研究提供依据。

1、生产工艺

某企业对海绵钛进行熔铸、锻造后，采用金刚玉砂轮打磨，产生钛金属打磨粉尘。见图1。

▲ 图1 钛金属打磨粉尘生产工艺示意图

2、检测试验

2.1 样品的选取

某企业钛金属锭打磨产生的粉尘经排风扇抽至巷道，细颗粒粉尘经水洗沉淀处理，大颗粒粉尘重力沉降在巷道内。本文试验样品为在巷道内沉积的随机粉尘样品。

2.2 粉尘爆炸性测试

试验设备：Hartmann管式粉尘引燃实验仪，20L球形爆炸参数测试系统。

测试结果见表1。

▲ 表1 粉尘的爆炸性测试结果

测试结果表明，粉尘样品在大气压和正常温度下不能与空气形成爆炸性混合物，因此，不具有爆炸性。

2.3 粒度分析

试验设备：WI-G-019A MS2000型激光粒度测试仪。

采用水做分散剂，对样品进行粒度分布测试，结果见图2。

▲ 图2 粒度分布图

从图2可以看出，粉尘样品最大粒径达1441.79微米，90%的颗粒直径少于576.18微米，50%的颗粒直径少于106.12微米，10%的颗粒直径少于33.07微米。

2.4 电镜扫描及能谱测试

试验设备：日立SU3500扫描电镜及牛津X-MAX50mm能谱分析仪。

2.4.1 电镜扫描

二次电子形貌图像，见图3（1）（2）（3）。

▲ 图3 二次电子形貌像

从图3（1）可以看出，样品的组成颗粒大致可分为四种：一种为中央颗粒，数量极少，约占5%；一种为球粒，约占5%；一种为表面光亮棱角粒状的颗粒，约占45%；一种为表面粗糙棱角粒状的颗粒，约占45%。从图3（2）（3）可以看出，中央颗粒及类似形状物质，表面突起，毛刺、孔腔、裂隙、切削纹等丰富。

2.4.2 能谱测试

能谱测试结果，见图4～7。

根据图4能谱分析结果，O原子百分比为27.07%, Al原子百分比为6.23%，Ti原子百分比为66.70%。可以看出中央颗粒为钛屑，表面有一定程度的氧化，成分主要为Ti，含少量Al，因表面氧化，还有O进入到了检测成分中。Ti的氧化物为TiO2，Al的氧化物为Al2O3，钛屑表层检测结果中O的原子百分比仅为27.07%，是“亏损”的。这是钛屑的氧化层较浅的缘故。

根据图5能谱分析结果，O原子百分比为64.23%, Al原子百分比为1.38%，Ti原子百分比为34.39%。可以看出，球粒为熔融呈球状的钛屑，表面有相对较深程度的氧化，表面成分为二氧化钛，含微量Al。

▲ 图4 中央颗粒能谱分析

▲ 图5 球粒能谱分析

▲ 图6 表面光亮棱角粒状的颗粒能谱分析

根据图6能谱分析结果，O原子百分比为52.93%, Al原子百分比为47.07%。可以看出，表面光亮棱角粒状的颗粒主要为刚玉，样品未喷镀导电薄层，常因表面荷电显白色。

▲ 图7 表面粗糙棱角粒状的颗粒能谱分析

根据图7能谱分析结果，O原子百分比为30.53%, Al原子百分比为7.24% ，Ti原子百分比为 57.88 %，V原子百分比为4.36%。可以看出，表面粗糙棱角粒状的颗粒为钛屑，表面成分主要为Ti，含少量Al和V，因表面氧化，还有O进入到了检测成分中。

3、结果分析

根据粉尘爆炸性测试结果，钛金属锭金刚玉砂轮打磨产生的巷道沉积粉尘不具有爆炸性。分析主要原因，一是打磨粉尘颗粒较粗，中位粒径约100微米；二是打磨粉尘混入大量惰性杂质，150目筛下颗粒主要成分为钛金属屑和刚玉杂屑，各占约50%；三是金属钛屑表面层不同程度氧化，形成一层厚度为几十纳米的致密氧化膜。

责任编辑：钟金花 113061599@qq.com

杨秋文（1973—），男， 安全工程高级工程师，在湖南有色金属研究院从事安全生产技术研究工作。