鋁鎂合金粉塵安全特性實驗研究

　　隨著鋁鎂合金制品的不斷普及和推廣，拋光打磨工藝也隨之增多。其工藝過程中由于種種原因?qū)е略诖蚰ヅ_周圍和除塵管道中會存在大量鋁鎂合金粉塵，帶來安全隱患，導(dǎo)致爆炸事故頻發(fā)。相關(guān)企業(yè)往往是勞動力密集型的企業(yè)，一旦發(fā)生粉塵爆炸事故往往傷亡很大。多數(shù)鋁鎂合金拋光打磨企業(yè)低估了鋁鎂粉塵爆炸的危險性，近年來鋁鎂合金粉塵爆炸事故頻發(fā)。

　　結(jié)合相關(guān)案例和研究可知，拋光打磨車間以及通風(fēng)除塵管道系統(tǒng)發(fā)生粉塵爆炸的頻率較高。鋁鎂合金粉塵爆炸事故并非鋁鎂混合粉塵的爆炸事故，關(guān)于鋁鎂合金粉塵在除塵過程中物理特性和相關(guān)燃燒、爆炸特性的研究相對較少，而且單從理論層面研究粉塵特性的難度比較大，需要對粉塵的特性參數(shù)進行測試研究。

　　1.汽車打磨工藝分析

　　實驗測試樣粉采集于某汽車車身打磨車間。車間內(nèi)采用機械自動化拋光打磨的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)生鋁鎂合金粉塵。機械拋光打磨過程中產(chǎn)生的鋁鎂合金粉塵比較容易飛濺和飄散，經(jīng)常伴隨火花的出現(xiàn)。拋光打磨臺以及吸塵罩口附近安裝大功率易發(fā)熱的照明燈。車間通風(fēng)除塵系統(tǒng)除塵效果不理想，鋁鎂合金粉塵云和粉塵層狀態(tài)一直在工藝過程中出現(xiàn)。對打磨車間現(xiàn)場的主要敏感點進行粉塵濃度測試，如表1所示。

　　上述的高能量點火源、粉塵和空氣已經(jīng)滿足了粉塵 爆炸的三大基本條件，一旦達到觸發(fā)的最小點燃能量和 粉塵濃度，極有可能引發(fā)一系列的大規(guī)模粉塵爆炸。

　　2.主要實驗設(shè)備

　?。?）BT-1000型粉體綜合特性測試儀。BT-1000 型粉體綜合特性測試儀主要包括分散度入口、定時器、分 散筒、分散度料盤、分散度投料控制器、安息角組件等，可 測試休止角、平板角、松裝密度、振實密度、分散度等。

　?。?）200L球爆炸測試裝置。20L球爆炸測試裝置主 要包括20L不銹鋼球體、壓力傳感器、點火和控制記錄 系統(tǒng)等幾部分。

　　（3）最小點火能測試裝置。粉塵云最小點火能量（MIE）裝置采用高壓擊穿、低壓續(xù)弧的原理設(shè)計，主要包 括噴粉裝置、放電電極和放電控制裝置等。

　　3.實驗樣品粉塵的綜合物理特性

　　3.1 鋁鎂合金主要成分

　　鋁鎂合金的主要成分，如表2所示。

　　3.2 鋁鎂合金粉塵粒徑分布與測試結(jié)果分析

　　通過BT-9300Z型激光粒度分布儀測量鋁鎂合金輪轂拋光打磨車間鋁鎂合金粉塵的粒徑，未過篩和過篩粉塵的粒徑分布累積百分率，如表3、表4所示。

　　未過篩樣品粉體顆粒的中位徑為5.45μm，過篩樣品粉體顆粒的中位徑為4.81μm；未過篩樣粉的D60為6.66μm，D10為1.22μm（均齊度計算與D60、D10有關(guān)）。未過篩鋁鎂合金粉塵粒徑近80％為0.10~10.00μm。

　　通過上述未過篩粉塵粒徑測試，在該汽車車身打磨工藝過程中產(chǎn)生的粒徑小于10.00μm的粉塵可以達到 近80％ 。鋁鎂合金長期飄浮在空氣中，可到達人體氣管 深處，對工作人員的健康是極大的威脅；由于可燃性粉塵越細(xì)小，爆炸危險性越高，當(dāng)滿足粉塵爆炸條件時，鋁合金粉塵潛在的爆炸危險性極大，可能給企業(yè)和工作人員 造成不可預(yù)計的損害。

　　3.3 鋁鎂合金粉塵流動性與噴流性測試結(jié)果分析

　　測試條件：環(huán)境溫度22℃ ，環(huán)境濕度38％ ，樣品濕度5％ 。粉體的流動性與噴流性對粉塵的除塵效率和除塵系統(tǒng)的設(shè)計具有重要意義。筆者利用BT-1000型粉體 綜合特性測試儀對拋光打磨車間未過篩的鋁鎂合金樣品 粉塵進行測量分析，其測量數(shù)據(jù)如表5所示。

　　樣品粉塵的休止角、平板角、壓縮度、均齊度等參數(shù)為粉塵流動性指數(shù)重要影響因素。通過計算轉(zhuǎn)換得出汽車拋光打磨車間采集樣品粉塵的流動性指數(shù)為46，流動性評價為不太好，鋁鎂合金粉塵自然狀態(tài)下易發(fā)生堆積。

　　噴流性指數(shù)與流動性指數(shù)、崩潰角、分散度相關(guān)。通過計算轉(zhuǎn)換得出樣品粉塵的噴流性指數(shù)為55，噴流性程度為有傾向，通風(fēng)除塵過程中粉體被氣體流態(tài)化的程度比較一般。

　　3.4 現(xiàn)場結(jié)果分析及防護對策

　　該汽車車身拋光打磨車間通風(fēng)除塵管道系統(tǒng)管路中存在多處三通、彎頭等環(huán)節(jié)。由于鋁鎂合金流動性和噴流性不好，氣流經(jīng)過這些環(huán)節(jié)時速度會改變，甚至產(chǎn)生氣流漩渦，更容易導(dǎo)致通風(fēng)管道內(nèi)部粉塵的沉積、阻塞等問題的出現(xiàn)。風(fēng)管阻塞等問題將加劇氣流的改變，導(dǎo)致沉積于管道內(nèi)部的鋁鎂合金粉塵再次被卷揚，甚至形成達到爆炸極限濃度的粉塵云。

　　根據(jù)上述分析，針對在通風(fēng)除塵管道系統(tǒng)中的問題，可采取一些改進措施：管路布置重新進行優(yōu)化設(shè)計，過程中應(yīng)盡量減少彎頭、三通；若采取圓形通風(fēng)除塵管道，則彎頭的曲率半徑應(yīng)大于1~2倍風(fēng)管管徑；若采用矩形通 風(fēng)管道，則管道的長寬比越大，其局部阻力越小。

　　4.粉塵燃燒特性研究

　　4.1 粉塵云最小點火能測試（MIE）

　　測試條件：樣品粉塵以200目篩子過篩，105℃ 烘箱 干燥2h，樣粉濕度為4％，環(huán)境溫度22℃ ，環(huán)境濕度 42％，樣粉測試質(zhì)量和電極距離采用裝置說明書最佳推 薦數(shù)值（樣粉測試質(zhì)量為0.5ｇ ，電極距離為5mm），測試 結(jié)果如表6所示。表中：1表示著火，0表示不著火。

　　由表6得出樣品粉塵的最小點火能為740mJ。由于裝置自身能量轉(zhuǎn)化過程中的損失，實際放電火花的能量比儀器顯示值小，所以通過儀器顯示值與實際等效能量值轉(zhuǎn)化表得出樣品粉塵云的最小點火能為304.5mJ。

　　4.2 粉塵層最低著火溫度測試（MITL）

　　測試條件：樣粉濕度為8％ ，環(huán)境溫度23℃ ，環(huán)境濕度45％ ，實驗初始測試裝置加熱板溫度320℃，粉塵層厚 度采用測試裝置要求標(biāo)準(zhǔn)厚度（12mm），如表7所示。

　　依據(jù)IEC 61241-2-1:1994《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分：試驗方法第１節(jié)：確定粉塵最低點燃溫度的方法》和GB/T 16430-1996《粉塵云層最低著火溫度測定》的標(biāo)準(zhǔn)對樣品粉塵進行粉塵層最低著火溫度 的測試。著火判斷標(biāo)準(zhǔn)：有火星或明火出現(xiàn)，測試粉塵層溫度高出熱板20℃ ；未著火判斷標(biāo)準(zhǔn)：30min或更長時間未出現(xiàn)著火判斷標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象出現(xiàn)。由表7得出測試樣 品粉塵層的最低著火溫度為270℃ 。

　　4.3 結(jié)果分析及防護對策

　　在該汽車車身拋光打磨車間中，拋光打磨臺和除塵管道中鋁鎂合金粉塵都會出現(xiàn)飄散的粉塵云狀態(tài)和積聚堆積的粉塵層狀態(tài)，鋁鎂合金粉塵云的最小點火能為304.5mJ，粉塵層的最低著火溫度為270℃ ；在拋光打磨工藝過程中經(jīng)常會出現(xiàn)打磨火花、機械摩擦過熱、機械碰 撞或沖擊產(chǎn)生的火花等高能量點火源，在通風(fēng)除塵管道 中由于鋁鎂合金顆粒物之間或顆粒物與管壁之間會摩擦可能導(dǎo)致靜電放電火花等高能量點火源，甚至較大粒徑的顆粒物可能會通過除塵裝置與風(fēng)機摩擦、碰撞產(chǎn)生高 能量火花等，這些潛在的威脅是極大的安全隱患。

　　根據(jù)上述分析，一些點火源無法避免，但是可采取一定工藝改善措施盡量減少點火源出現(xiàn)的次數(shù)或限制高于最小點火能的點火源和高于最低著火溫度的高溫區(qū)域出現(xiàn)。另外，從控制粉塵源角度出發(fā)，企業(yè)應(yīng)盡可能防止鋁鎂合金粉塵云或粉塵層的不斷出現(xiàn)，改善除塵措施。鋁鎂合金粉塵屬于ⅠⅠⅠC導(dǎo)電性粉塵，危險程度較高，企業(yè)可針對比較危險的場所，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》，選用符合標(biāo)準(zhǔn)的電氣裝置設(shè)備。

　　5.20L球爆炸性測試

　　為了給企業(yè)提供爆炸泄壓、抑制及隔離的參考依據(jù)，減小粉塵爆炸帶來的危害，采用20L球爆炸測試裝置對拋光打磨產(chǎn)生的鋁鎂合金粉塵的爆炸特性進行測試。

　　測試條件：樣品粉塵以200目篩過篩，樣粉濕度為 4％，環(huán)境溫度22℃ ，環(huán)境濕度42％，105℃條件下干燥2h ，測試點火頭為10kJ化學(xué)火頭。

　　5.1 粉塵最大爆炸壓力

　　空點火產(chǎn)生的壓力為約0.084MPa，升壓超過0.05MPa可認(rèn)為發(fā)生爆炸；鋁鎂合金粉塵爆炸壓力與鋁鎂合金粉塵濃度關(guān)系，如圖1所示。在不同粉塵質(zhì)量濃度的條件下測定3個Pmax 數(shù)據(jù)。實驗發(fā)現(xiàn)，在200~1000g/m3質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，Pmax隨著質(zhì)量濃度的增加而不斷上 升，最大爆炸壓力為0.50MPa，之后隨著粉塵質(zhì)量濃度 的進一步增加，Pmax反而逐漸降低。

　　由以上測試分析可知，當(dāng)?shù)陀谧罴驯ㄙ|(zhì)量濃度500g/m3時，裝置內(nèi)的氧化反應(yīng)隨著濃度的增加而增大。反之，在高于此濃度時，裝置內(nèi)氧氣不足，剩余未反應(yīng)的粉塵顆粒也隨之增加，并且會吸收部分沖擊波和熱量，使粉塵的Pmax下降。

　　5.2 粉塵爆炸指數(shù)

　　爆炸指數(shù)Kst與鋁鎂合金粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系，如圖2所示。在不同粉塵質(zhì)量濃度的條件下，根據(jù)測定的3個Kst數(shù)據(jù)繪制了曲線圖。實驗發(fā)現(xiàn)，在200~1000g/m3質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，Kst隨著鋁鎂合金粉塵濃度的增加而不斷上升，最大值為2.28MPa·m/s；隨著鋁鎂合金濃度的 繼續(xù)增加，Kst反而逐漸降低。

　　爆炸指數(shù)與鋁鎂合金粉塵的爆炸壓力密切相關(guān)。粉塵爆炸烈度等級根據(jù)ISO 6184分級標(biāo)準(zhǔn)進行劃分，如表8所示。所用鋁鎂合金樣粉粉塵的爆炸烈度為St1級。

　　6.結(jié)論

　　未過篩的鋁鎂合金樣粉的粒徑近80％分布在0.10~10.00μm；鋁鎂合金樣粉的流動性指數(shù)為46，流動性評價為不太好，自然狀態(tài)下易發(fā)生堆積；樣粉的噴流性指數(shù)為55，噴流性程度為有傾向，通風(fēng)除塵過程中粉體被氣體流態(tài)化的程度比較一般。

　　樣粉的粉塵云的最小點火能為304.5mJ；最大爆炸壓力為0.50MPa，最大爆炸指數(shù)為2.28MPa·m/s，爆炸烈度為St1級。

　　企業(yè)在實際的生產(chǎn)過程中，總體可采用控制粉塵濃度的方法或控制高能量源的出現(xiàn)來防止爆炸發(fā)生，但是局部區(qū)域可能會因一些外來因素干擾，粉塵濃度超過爆炸下限或粉塵云的最小點火能降低，甚至由于鋁本身可以氧化放熱導(dǎo)致粉塵層在較低的溫度下燃燒。即使實際情況在測試結(jié)果的安全范圍內(nèi)，同樣存在較大的安全隱患。另外，粉塵的物理、燃燒、爆炸特性參數(shù)與環(huán)境因素關(guān)系密切，不同環(huán)境下同一種粉塵的特性不盡相同，在進行相關(guān)粉塵的危險性評估時，測試數(shù)據(jù)只能作為參考的一部分，要根據(jù)具體環(huán)境進行具體的測試和分析。