铝金属粉尘爆炸危险性检测试验研究

杨宛儒+杨秋文+王建雄+朱果

【摘 要】本文对某企业铝金属拉丝打磨产生的粉尘分别进行了爆炸危险特性参数测试、粒度分布检测、电镜扫描及能谱微区成分分析。通过检测试验发现采用铝金属拉丝打磨产生的粉尘具有爆炸危险性，并结合铝金属拉丝打磨粉尘的粒度分布、电镜图像及微区成分分析，对粉尘爆炸关键影响因素进行了探讨。

【关键词】铝金属；粉尘；爆炸；检测试验

本文拟对某企业铝金属拉丝打磨产生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 工艺概况

金属表面预处理是指表面加工前对材料及其制品进行的机械、化学或电化学处理，使表面呈净化、粗化或钝化状，以便进行后续表面处理的过程。金属表面预处理包括：表面整平、浸蚀、表面除油；表面整平主要包括：机械磨光、抛光（机械抛光、化学抛光、电解抛光）、滚光、刷光、喷砂处理等。根据零件表面状况及对零件的具体技术要求，企业采用不同的表面处理工艺。

本文研究对象采用的打磨设备及主要参数为：三角拉丝机，主轴转速1080-1900 r/min，胶轮直径250mm、宽100mm，150#砂带长4000mm、宽100mm。采用拉丝机打磨，产生铝金属打磨粉尘。

2 检测试验

2.1 粉尘爆炸特性参数测试

2.1.1 测试方法

2.1.1.1 爆炸下限

试验设备：20L球形爆炸装置。

在实验测试时，先将足量粉样放入储粉罐内，加压到2.0MPa，容器内抽真空到0.04MPa。如果点火后容器内所测压力不小于0.15MPa，则认为粉尘云发生了爆炸。逐渐减少粉尘浓度，重复上述过程，直至找到最低可爆浓度。

2.1.1.2 最小点火能

试验设备：Hatmann管。

在实验测试之前，先设定一个放电火花能量值，调整电压值和电极间距，直到出现要求能量的放电火花，然后，将被测粉尘用压缩空气喷入爆炸容器内，并用电火花点燃粉尘云，观察容器内粉尘云是否发生着火，着火判断标准为：Hatmann管内，火焰传播6cm以上。

2.1.1.3 粉尘云最低着火温度

试验设备：Godbert Greenwald 炉。

实验测试时，先将炉温控制在某一恒定温度，将待测粉尘喷入炉膛，与内壁接触的粉尘首先着火。从G-G炉炉管敞开口观察，如有火焰喷出，说明炉内发生了粉尘着火；如果有零星火花从下口喷出，说明未着火。假设粉尘云发生着火的管内壁最低温度为Tmin，则粉尘云最低着火温度按下式计算：

若>300℃ MITC=Tmin-20℃

若<300℃ MITC=Tmin-10℃

2.1.1.4 粉尘层最低着火温度

实验测试时，先将粉尘层置于热板上一定高度的盛粉环内，通过温控仪控制热板温度，由温度记录仪记录下热板及粉尘层温度，并根据下述判断标准测出粉尘层的最低着火温度：

（1）观察到有火焰和发光等燃烧现象；

（2）粉尘层升温超过热表面温度，然后又降至比热表面温度稍低之稳定值。如果温度超过热表面温度20K，也视为着火。

2.1.1.5 最大爆炸压力

试验设备： 20L球形爆炸装置。

采用化学点火头点火，化学点火头主要成分及配比为40%锆粉、30%硝酸钡和30%过氧化钡，容器内爆炸超压由壁面压力传感器测得。

2.1.2 测试结果

爆炸下限：75-100g/m3，最小点火能300-350mJ，粉尘云最低着火温度630℃，粉尘层最低着火温度>450℃，最大爆炸压力0.7MPa。

2.2 粒度分析

2.2.1 测试方法

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。

2.2.2 测试结果

体积平均粒径为159微米，其中90%的粒径小于381微米，50%的粒径小于107微米，10%的粒径小于31微米。

2.3 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。

2.3.1 电镜扫描

样品的组成颗粒大致可分为三种：

第一种为较粗的锯齿状、柏叶状碎屑。叶片宽度0.1-0.6mm不等，长度2-25mm不等。

第二种为细丝状、窄细带状、毛发状的碎屑。卷曲松散堆积，丝体拉伸长度0.2-20mm不等，宽度5-100um不等，多在50um以下。细丝两侧常见具不同的形貌：一侧为径向竖条纹，一侧为横向蛭状皱纹、褶曲或裂纹。径向竖条纹背面的横向蛭状皱纹、褶曲或裂纹，纹理层的厚度0.1-3um不等，一般在1-2um之间。

第三种为不规则粒状、短而微弯曲的柱粒状或带状、蜷缩粒状、扁粒状、细小片状等形态的碎屑。碎屑直徑或宽度0.1-100um不等，一般在50um以下，多在10-30um之间。

2.3.2 能谱测试

针对第三种碎屑进行能谱测试，发现柱粒状细小片状碎屑微区能谱检测（EDS）成分为Al原子百分比为100%。说明即使铝屑存在局部氧化，氧化膜厚度极微，AutoID自动元素识别和EDS检测成分中没有O元素。

蜷缩粒状碎屑微区能谱检测（EDS）成分为Al原子百分比为94.3%，O原子百分比为5.7%。说明铝屑表层有轻度氧化，其成分中含有微量O元素。

细小片状碎屑微区能谱检测（EDS）成分为Al原子百分比为80.7%，O原子百分比为18.67%，Ca原子百分比为1.16%。主要是碎屑中粘附了极微的肥皂屑的缘故。

3 分析和讨论

3.1 与GB50058-2014可燃性粉尘特性结果对比分析

根据粉尘爆炸性测试结果，铝金属拉丝打磨产生的粉尘爆炸下限较小，容易形成爆炸性粉尘环境；最小点火能较大，不易被静电引燃；粉尘云和粉尘层最低着火温度较高，对热表面引燃不敏感；最大爆炸压力较大，为0.70MPa，后果较严重。GB50058-2014未能提供粉尘爆炸猛烈程度数据。从对比分析可以看出，随着粒径增大，爆炸下限增大；粉尘云、粉尘层最低着火温度升高。

3.2 与钛金属打磨粉尘检测试验对比分析

根据扫描电镜及能谱分析结果，铝金属拉丝打磨产生的粉尘，碎屑呈不规则粒状、短而微弯曲的柱粒状或带状、蜷缩粒状、扁粒状、细小片状等形态，粒径多在10-30um之间，铝屑表层有轻度氧化。与钛金属打磨粉尘检测试验[1]对比分析可以看出，金属屑表面层是否氧化，以及混入的惰化介质含量对粉尘爆炸特性有较大影响。

4 结果

根据粉尘爆炸性测试结果，铝金属拉丝打磨产生的粉尘具有爆炸性，最大爆炸压力为0.70MPa，一旦发生粉尘爆炸，后果较严重。主要原因分析，一是拉丝打磨产生的碎屑颗粒较细，中位粒径约30微米；二是金属屑表面层氧化程度很低，氧化膜很薄。

【参考文献】

[1]杨秋文，杨宛儒，等.钛金属打磨粉尘爆炸危险性检测试验研究，湖南安全与防灾，2016.12：54-55.

[责任编辑：张涛]endprint