1、76高硅铝合金粉尘云燃爆特性研究*马万太1蒋云泽2史志翔1冷晟1（1.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；2.江苏豪然喷射成形合金有限公司，江苏 镇江 212200）摘要通过开展硅质量分数 25%高硅铝合金粉尘燃爆特性研究，揭示了硅质量分数 25%高硅铝合金粉尘的最小点火能、最低着火温度、爆炸下限和最大爆炸压力。研究结果表明，在实际生产中要防止高硅铝合金粉尘云与雷电、静电、生产中摩擦或碰撞所产生的火花等能量源接触，避免达到高硅铝合金粉尘云的最小点火能 0.1 0.2 mJ 而引发爆炸事故；要防止出现明火与发热设备热表面温度达到高硅铝合金粉尘云最低着火温度 960；对高硅铝合金生产场所、
2、工艺设备等进行抗爆设计时，约束爆炸压力措施承受最大爆炸压力的冲击至少要在 0.525 MPa 或以上。关键词金属粉尘粉尘爆炸最小点火能（MIE）最低着火温度（MIT）爆炸压力Studyon the dust clouds ignition and explosioncharacteristicsof aluminum alloy withhigher silicon contentsMA Wantai1JIANG Yunze2SHI Zhixiang1LENG Sheng1（1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing
3、 Jiangsu 210016，China）AbstractBy the research on the ignition and explosion characteristics of aluminum alloy dust with 25%silicon con-tent was carried out.The minimum ignition energy，minimum ignition temperature，lower explosion limit，and maxi-mum explosion pressure of aluminum alloy dust with 25%si
4、licon content were revealed.The following results wereachieved：in actual production，it is necessary to prevent the aluminum alloy dust with higher silicon contents fromcontacting with energy sources such as lightning，static electricity，sparks generated by friction or collision in produc-tion and avo
5、id reaching the minimumignition energy of 0.1-0.2 mJ of aluminumalloy dust with higher silicon contentsand causing explosion accidents.To prevent the occurrence of open flame and the hot surface temperature of heatingequipment reaches the minimum ignition temperature of 960 of aluminum alloy dust wi
6、th higher silicon contents.When carrying out an anti-explosion design for production sites and process equipment of aluminum alloy dust withhigher silicon contents，therestraintexplosion pressure measuresmust withstand theimpact of the maximumexplosionpressure at least 0.525 MPa or more.Key wordsmeta
7、l dustdust explosionminimum ignition energyminimum ignition temperatureexplosionpressure0引言硅质量分数大于 17%的铝硅合金被称为高硅铝合金，其具有密度小、热膨胀系数低、热稳定性能好、耐磨性高、比刚度和比强度高、耐腐蚀等优点，作为结构件、精密构件和电子封装元件，在航空航天产业和汽车配件行业中被广泛应用1。高硅铝合金一般采用粉末冶金或喷射工艺制备，在安全生产、储存、运输和应用铝硅合金粉的过程中必定会产生大量的粉尘，如果管理或者操作稍不得当，遇到一定大小的能量，铝硅合金粉就有可能发生粉尘燃烧、爆炸事故。此外，
8、同其他可燃粉尘爆炸一样，铝硅合金粉初始爆炸产生的冲击波会卷起沉积粉尘，产生二次爆炸，造成更加严重的后果，所以对其爆炸特性的研究就显得尤为重要。国内外学者对铝粉及铝合金粉尘的最低着火温度、爆炸特性参数以及爆炸机理开展了大量的研究。VIGNES A 等2第一次报道了纳米级铝粉的最小点火能和最低着火温度低于微米级铝粉的研究发现。WANGQH等3利用 20L球形爆炸装置和粉尘云点火温度试验装置，研究了微米级铝粉和铝硅合金粉末的粒径和粉尘浓度对最小点火温度和爆炸特性的影响，以及点火能量对爆炸特性的影响。石天璐等4研究发现铝粉尘云最小点火能与最低着火温度随氧化率的增大而升高，最大爆炸压力随氧化率的增大而降
9、低。胡海燕等5采用 Godbert-Greenwald 恒温炉设备研究了吹粉压力对铝镁混合粉尘云最低点燃温2023 年第 49 卷第 3 期March 2023*基金项目：江苏省重点研发计划（BE2019726）。77度的影响，发现存在最佳吹粉压力最有利于铝镁混合粉燃烧，且高浓度铝镁混合粉的最佳吹粉压力比低浓度的大。王秋红等6对镁铝合金粉爆燃参数的研究表明镁铝合金粉尘云最低着火温度随分散压力的增大呈现先减少后增加的趋势，存在临界粉尘云浓度。王霞飞7拟合得到浓度和粒径对镁铝合金粉尘最低着火温度和最小点火能影响规律的非线性预测。LIU XL 等8发现了随着湍流强度的增加，最大爆炸压力呈线性增加，并
10、且纳米级铝粉体的最大爆炸压力与湍流强度的斜率大于微米级。文虎等9采用方形管道研究了点火延迟时间、粉尘粒度和粉尘浓度三种因素对铝粉尘爆炸过程压力特性参数的影响。梅晓凝10发现了微米级铝粉最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率随粒径增大呈指数衰减变化。张小良等11利用球形装置得到铝合金粉尘最大爆炸压力与粉尘浓度之间的关系。张自军12最先报道了初始点火能、粉尘粒径和浓度对铝硅合金粉尘爆炸特性的影响。张小涛13研究发现镁铝合金粉尘粒径越小，爆炸下限越低，对应最大爆炸压力峰值的浓度越小，在同等粒径下，点火能越大，达到峰值的浓度也越小。刘志敏14揭示提升镁铝混合粉尘中铝粉含量，会导致混合粉尘爆炸下限与最大爆炸
11、压力均增大。李延鸿15通过对粉尘爆炸过程进行分析，提出粉尘爆炸是由于粒子受热分解变为气体，与空气混合燃烧，燃烧产生的热量被周围粒子吸收后，加速粉尘分解，继而发生爆炸的过程。王秋红等16采用瞬时火焰传播实验系统研究了磷酸二氢铵粉、三聚氰胺氰尿酸盐粉和三聚氰胺焦磷酸盐粉对铝粉尘云爆炸的抑制效能。以上研究主要集中于对铝粉和铝镁合金粉尘的燃烧、爆炸特性及爆炸机理研究，对于硅质量分数在 20%以上的高硅铝合金粉尘燃烧、爆炸特性研究还较少。本文研究硅质量分数 25%的高硅铝合金粉尘燃爆特性，揭示高硅铝合金粉尘的最小点火能、最低着火温度与爆炸特性参数，深入了解和掌握高硅铝合金粉尘的燃爆特性，为高硅铝合金涉粉
12、行业的安全生产与防爆技术发展提供一定的理论依据，对于预防高硅铝合金粉尘爆炸事故、降低其爆炸危害具有重要价值和实践意义。1实验系统及实验方法采用HY16428C型粉尘云最小点火能测试仪测试高硅铝合金粉尘云的最小点火能量，装置由 1.2 L标准石英哈特曼管、扩散器、高压气泵与点火源等组成。通过调节粉尘云质量来改变高硅铝合金粉尘样品在 1.2L哈特曼管中的悬浮粉尘云浓度，直到样品托盘容积不能容纳更多质量的高硅铝合金粉尘样品。粉末称量质量与理论悬浮粉尘云浓度对应关系详见表 1。表 1粉末质量与理论悬浮粉尘云浓度对应粉体质量/g理论悬浮粉尘云质量浓度/(gm-3)0.726001.201 0001.44
13、1 2001.681 4002.161 8002.642 2003.122 600参照粉尘云最小着火能量测定方法（GB/T164281996）对高硅铝合金粉尘云的最小点火能量进行测定。分别测定 6002 600 g/m3高硅铝合金粉尘在 1.2L哈特曼管中的最小点火能量，且改变能量大小的精度为 0.1 mJ，每组实验工况重复 20 次。采用 HY16429 型粉尘云最低着火温度测试仪测试高硅铝合金粉尘云的最低着火温度，该装置主要包括G-G加热炉、压力喷尘系统、温度调控和记录系统、观察室等。测试温度为 0 1 000、喷粉压力为 0 0.1 MPa、加热炉体积为 3.267 510-4m3。实验
14、时，通过改变粉尘质量与喷尘压力，测定高硅铝合金粉尘云在不同状态下的最低着火温度。实验参照粉尘云最低着火温度测定方法（GB/T164291996），对高硅铝合金粉尘云的最低着火温度进行测定。测得粉尘云发生着火时炉内预设温度最低温度为Tmin，则高硅铝合金粉尘云的最低着火温度 MIT 按公式（1）计算。MITC=TTTTminminminmin-20300-10300（1）采用 20L球形爆炸实验系统对高硅铝合金粉尘云的爆炸特性参数进行测试。该系统主要由爆炸反应罐、控制系统、数采系统等组成，额定承压能力为2.0MPa，爆炸罐壁上设有多个接口，用以连接点火装置、配气阀门和压力传感器等元件。实验采用
15、2.0kJ化学点火具。电磁阀的开启时间设置为 10ms，点火延迟时间设置为 345 ms，利用真空泵使爆炸反应罐内的真空度达到20kPa，当压力稳定后，喷入高硅铝合金粉尘，容器内压力达到大气压后，引燃点火头，同时通过数据采集系统记录数据。按照粉尘云爆炸下限浓度测定方法（GB/T164251996）17和IEC标准18，当爆炸升压（不包括点火头影响）超过 30 50 kPa 时78可认为粉尘发生了爆炸，本文中采用 30 kPa。实测中使用的 2.0kJ 点火具的空点压力为 0.094MPa，当最大爆炸压力超过0.124MPa时即认为发生了爆炸。爆炸下限浓度Cmin在连续 10 次试验压力峰值均小
16、于0.124MPa最高粉尘浓度和连续 10 次试验压力峰值均等于或大于 0.124 MPa 最低粉尘浓度之间。2结果及分析实验中所用的高硅铝合金粉中含有 Al 元素（70%）、Si 元素（25%）、Cu 元素（4%）以及 Mg 元素（1%）。样品粒径分布，如图 1 所示。实验样品使用前在常压、30 的真空干燥箱中干燥 24 h。图 1粒径分布从图 1 知，所用高硅铝合金粉尘样品的平均粒径 d0.5为 27.689 m。2.1粉尘云浓度对高硅铝合金粉尘云最小点火能的影响实验尝试在高喷尘压力和低喷尘压力下，都很难提供高硅铝合金粉尘样品的引燃现象，通过逐渐尝试，发现在喷尘压力为 150 kPa 条件下，多种质量的高硅铝合金粉尘样品可以被引燃，测试条件稳定且可靠，故确定使用喷尘压力 150 kPa。以 600 g/m3（对应 0.72 g）高硅铝合金粉尘云测试结果为例进行说明，当点火能0.3 mJ 时，高硅铝合金粉尘云不能被点燃；当点火能0.4 mJ 时，高硅铝合金粉尘云能被点燃，说明 600 g/m3高硅铝合金粉尘云的最小点火能量 Emin介于 0.3mJ 和 0.4mJ 之间。不同粉尘云浓
