1、DOI：10.11883/bzycj-2021-0496高温熔融锡液遇水爆炸机理的实验研究*纪国剑1,2，单梦琪1，周宁1，王政伟1（1.常州大学能源学院，江苏常州213164；2.常州大学江苏省绿色过程装备重点实验室，江苏常州213164）摘要：为研究低熔点金属锡遇水爆炸机理及能量转化过程，搭建了一套由高频熔融炉、高速摄像机和信号采集仪等组成的可视化实验平台，监测锡与水的质量比为 5、10、15 和 20 时熔融锡液与水接触反应过程，并选取中高熔点金属铝进行相同条件下的对比实验。同时，结合能量守恒定律、爆炸冲击理论建立数学计算模型，用于定量分析爆炸冲击波能量。结果表明：质量比为 5 时，熔融
2、锡液与水反应触发 2 次蒸汽爆炸；由相同条件下熔融铝液遇水爆炸实验，反应剧烈程度和持续时间与金属碎化程度和金属热扩散率有关。此外，高温熔融锡液遇水爆炸过程中，0.45%10.91%热能转化为冲击波能量。随着质量比的增加，冲击波能量转化率呈现先增后减趋势；当质量比为 10 时，冲击波能量转化率最大。由锡/铝遇水爆炸实验的冲击波压力曲线可知，当质量比小于 12.69 时，锡液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率高于铝液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率。关键词：爆炸机理；能量转化率；高温熔融锡液；蒸汽爆炸；冲击波中图分类号：O389;X938国标学科代码：1303520文献标志码：AAn experimen
3、tal study on the explosion process of high-temperaturemolten tin liquid contacted with waterJIGuojian1,2,SHANMengqi1,ZHOUNing1,WANGZhengwei1(1.College of Energy,Changzhou University,Changzhou 213164,Jiangsu,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment,Changzhou University,Changzhou 2131
4、64,Jiangsu,China)Abstract:Tostudytheexplosionmechanismandtheenergyconversionprocessoftheinteractionbetweenlowmeltingpointmetaltinandwater,avisualexperimentplatformisbuilttomonitorthecontactreactionprocessesatdifferentmassratiosoftintowater,e.g.,5,10,15and20.Theplatformconsistsofahigh-frequencymeltin
5、gfurnace,ahigh-speedcamera,signalcollectorsandotherequipment.Meanwhile,highmeltingpointmetalaluminumisselectedforcomparativeexperimentsunderthesameexperimentalconditionstoexplorethedifferencesinreactioncharacteristicsbetweenlowmeltingpointmetaltinandhighmeltingpointmetalaluminumduringthesteamexplosi
6、on.Somemathematicalcalculationmodelsareestablishedtoquantitativelyanalyzetheshockwaveenergyinlinewiththelawofconservationandexplosiveshocktheory.Theresultsshowthattwosteamexplosionsaretriggeredwhenmoltentinreactedwithwateratamassratio5;andinthecomparativeexplosionexperimentsofmoltentinwithwaterandmo
7、ltenaluminumwithwaterunderthesameexperimentalconditions,thereactionintensity and the duration during the explosion of molten metal with water are respectively related to the degree offragmentationandthermaldiffusivity.Inaddition,thecalculationindicatesthatabout0.45%to10.91%oftheheatenergystoredinthe
8、moltentinisconvertedintotheexplosionshockwaveenergythroughoutthesteamexplosions.Moreover,theshockwaveenergyconversionratioisaffectedbythemassratio;andthiseffectisreflectedinthattheenergyconversionratio*收稿日期：2021-11-30；修回日期：2022-06-22 基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0805101）；2022 年江苏省研究生实践创新计划（SJCX22_1434）；江苏省绿
9、色过程装备重点实验室开放课题（GPE201901）第一作者：纪国剑（1980），男，博士，副教授，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023012102-1oftheshockwavefirstincreasesandthendecreaseswiththeincreaseinmassratio;whenthemassratiois10,theenergyconversionratioisthelargest.Itisalsofoundincomparisonexperimentsthattheshockwavee
10、nergyconversionratiosintheexplosionexperimentsoftinreactingwithwaterarehigherthantheshockwaveenergyconversionratiosintheexplosionexperimentsofaluminumreactingwithwaterwhenthemassratioislessthan12.69.Keywords:explosionmechanism;energyconversionratio;high-temperaturemoltentinliquid;steamexplosion;shoc
11、kwave金属在众多领域中的应用越来越广泛，其生产加工过程中的安全隐患日益突出。在冶金行业，铁水、钢水等金属液体在加工过程中，极易发生喷溅、泄露等事故1-2。这些高温熔融金属一旦与低温冷却剂相接触就会发生剧烈混合，引发蒸汽爆炸，造成不同程度的人员伤亡和财产损失。在这类沸腾液体扩展蒸汽爆炸的研究中，人们采用高速摄像系统、红外摄像仪等，观测水柱或单个水滴撞击高温熔融金属液表面3-8、熔融金属液柱或单个金属液滴落入冷却水中9-13的熔融物与冷却剂相互作用（fuel-coolantinteraction,FCI）的过程。其中，关于低熔点锡与水的相互作用，也有以下实验研究。张荣金等8、林栋13在单个水滴
12、撞击高温熔融锡液的实验中获知，锡液与水的反应剧烈程度随韦伯数的增大和熔融锡液温度的升高而增加；王骞14基于熔融锡液柱和冷却水接触反应现象获知，在液柱下落过程中，升高锡液温度和增大液柱直径会促进局部蒸汽爆炸的发生，同时通入一定惰性气体可减弱锡液表面的氧化程度，从而提升蒸汽爆炸威力；沈致远15通过调节炉温、水温和下落高度对锡液与水的相互作用机理进行研究得到，锡液细粒化程度与锡液温度成正比、与水温成反比，而下落高度的变化对金属细粒化程度影响不显著；李天舒等16在熔融锡液入水碎化实验研究中，展示了熔融金属热扩散系数对蒸汽爆炸的影响。此外，胡逊祥等17通过分析熔融金属锡与水作用过程中的运动图像和压力波动
13、曲线提出，压力大小由进入锡液内部的液态冷却剂的质量和内部液态冷却剂所受加热膨胀程度决定。这些对于熔融锡液与水接触反应过程中的影响因素的探讨，为后续研究提供了一定理论指导，而在蒸汽爆炸过程中冲击波能量的定量分析尚有不足。本文中，为了研究低熔点金属锡遇水爆炸机理，采用高速摄像机观测熔融锡液柱落入反应槽中并与槽内冷却水接触反应的过程；着重计算蒸汽爆炸过程中冲击波能量转换率，以期获得具有理论参考价值的结论。实验中，设计不同熔融锡液与水的质量比，以确保蒸汽爆炸，并了解金属与水的质量比对蒸汽爆炸过程的影响；同时，使熔融锡液温度远高于锡的熔点，以提高锡液的流动性18，增加熔融锡液与水接触面积，使反应充分进行
14、。在此基础上，选取中高熔点金属铝，进行在相同条件下的蒸汽爆炸实验，将熔融锡液遇水爆炸实验与周宁等19熔融铝液遇水爆炸实验作比较，进一步探究低熔点金属锡遇水爆炸反应特征。1 实验实验系统19主要包括高频熔融炉、高速摄像机（I-SPEED3）、温度信号采集仪、高频信号采集仪、K 型热电偶（WRNK-010，测温范围为 01300，相对误差为0.75%）、压力传感器（KD2002-03X，测压范围为 010MPa，误差为0.1MPa）、反应槽和防护装置等，其中压力传感器呈 90安置在距离反应槽顶部边沿 0.3m 处，热电偶放置于高频熔融炉腔内，如图 1 所示。实验环境温度为 27，锡与水的质量比为
15、5、10、15 和 20，其中锡的熔融态温度为 1050，反应结束时锡的温度为 100。实验过程如下。(1)将一定量的干燥锡块放入高频熔融炉中，加热熔化至 1050。用调功器调整熔融炉的频率，控制炉内锡的熔融态温度；利用熔融炉中的转动装置可使锡受热均匀、充分熔化。(2)采用遥控转动装置，将高频熔融炉平稳翻转一定角度，让熔融锡液以较均匀速度经导流管下落至反应槽中。(3)采用高速摄像机，拍摄锡液与水的接触反应过程，温度测试系统和压力测试系统实时采集测点处的数据，获取的图像和数据传输并保存与电脑，用于后续分析。(4)按步骤(1)(3)，在相同条件下，进行金属铝的对比实验。第43卷纪国剑，等：高温熔融
16、锡液遇水爆炸机理的实验研究第1期012102-22 计算模型2.1 熔融锡液内部储能熔融锡液与水之间的快速热交换是蒸汽爆炸产生的动力，高温熔融锡液的总热量为：Qr=mr(TnT0cdT+TTncprdT+r)(1)因金属锡的固态热容和液态热容随温度的变化不大20，可将式(1)简化为：Qr=mrc(TnT0)+mrcpr(T Tn)+mrr(2)式中：mr为金属锡的质量，T0为室温，Tn为锡的熔点，T 为锡的熔融态温度，c 为锡的固态比热容，cpr为锡的液态比热容，r为锡的熔化热。2.2 冲击波能量爆炸冲击波在空气中传播时，距离爆炸中心处的超压与该处 TNT 炸药药量对应。利用压力传感器监测的距爆炸中心不同位置的冲击波压力，并基于不同爆炸环境下的 Brode 公式21-22，可计算熔融锡液与水接触爆炸冲击波的 TNT 炸药药量：p=0.096 r+0.143 r2+0.573 r30.001 90.009 8 MPap0.98 MPa(3)r=3wR(4)r式中：p 为空气冲击波超压，R 为距离爆炸中心的距离，为比例距离，w 为 TNT 炸药药量。获得 TNT 炸药药量后，可转化为爆炸冲
