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(guò)程中由于種種原因?qū)е略诖蚰ヅ_(tái)周圍和除塵管道中會(huì)存在大量鋁鎂合金粉塵，帶來(lái)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(dòng)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(xiǎn)性，近年來(lái)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(guò)程中物理特性和相關(guān)燃燒、爆炸特性的研究相對(duì)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(duì)粉塵的特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試研究。
1.汽車打磨工藝分析
實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣粉采集于某汽車車身打磨車間。車間內(nèi)采用機(jī)械自動(dòng)化拋光打磨的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)生鋁鎂合金粉塵。機(jī)械拋光打磨過(guò)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(tái)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(guò)程中出現(xiàn)。對(duì)打磨車間現(xiàn)場(chǎng)的主要敏感點(diǎn)進(jìn)行粉塵濃度測(cè)試，如表1所示。
上述的高能量點(diǎn)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(dá)到觸發(fā)的最小點(diǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備
?。?）BT-1000型粉體綜合特性測(cè)試儀。BT-1000 型粉體綜合特性測(cè)試儀主要包括分散度入口、定時(shí)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(cè)試休止角、平板角、松裝密度、振實(shí)密度、分散度等。
?。?）200L球爆炸測(cè)試裝置。20L球爆炸測(cè)試裝置主 要包括20L不銹鋼球體、壓力傳感器、點(diǎn)火和控制記錄 系統(tǒng)等幾部分。
?。?）最小點(diǎn)火能測(cè)試裝置。粉塵云最小點(diǎn)火能量（MIE）裝置采用高壓擊穿、低壓續(xù)弧的原理設(shè)計(jì)，主要包 括噴粉裝置、放電電極和放電控制裝置等。
3.實(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果分析
通過(guò)BT-9300Z型激光粒度分布儀測(cè)量鋁鎂合金輪轂拋光打磨車間鋁鎂合金粉塵的粒徑，未過(guò)篩和過(guò)篩粉塵的粒徑分布累積百分率，如表3、表4所示。
未過(guò)篩樣品粉體顆粒的中位徑為5.45μm，過(guò)篩樣品粉體顆粒的中位徑為4.81μm；未過(guò)篩樣粉的D60為6.66μm，D10為1.22μm（均齊度計(jì)算與D60、D10有關(guān)）。未過(guò)篩鋁鎂合金粉塵粒徑近80％為0.10~10.00μm。
通過(guò)上述未過(guò)篩粉塵粒徑測(cè)試，在該汽車車身打磨工藝過(guò)程中產(chǎn)生的粒徑小于10.00μm的粉塵可以達(dá)到 近80％ 。鋁鎂合金長(zhǎng)期飄浮在空氣中，可到達(dá)人體氣管 深處，對(duì)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(xiǎn)性越高，當(dāng)滿足粉塵爆炸條件時(shí)，鋁合金粉塵潛在的爆炸危險(xiǎn)性極大，可能給企業(yè)和工作人員 造成不可預(yù)計(jì)的損害。
3.3 鋁鎂合金粉塵流動(dòng)性與噴流性測(cè)試結(jié)果分析
測(cè)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(dòng)性與噴流性對(duì)粉塵的除塵效率和除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。筆者利用BT-1000型粉體 綜合特性測(cè)試儀對(duì)拋光打磨車間未過(guò)篩的鋁鎂合金樣品 粉塵進(jìn)行測(cè)量分析，其測(cè)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(dòng)性指數(shù)重要影響因素。通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換得出汽車拋光打磨車間采集樣品粉塵的流動(dòng)性指數(shù)為46，流動(dòng)性評(píng)價(jià)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(dòng)性指數(shù)、崩潰角、分散度相關(guān)。通過(guò)計(jì)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(guò)程中粉體被氣體流態(tài)化的程度比較一般。
3.4 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果分析及防護(hù)對(duì)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(dòng)性和噴流性不好，氣流經(jīng)過(guò)這些環(huán)節(jié)時(shí)速度會(huì)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(wèn)題的出現(xiàn)。風(fēng)管阻塞等問(wèn)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?yè)P(yáng)，甚至形成達(dá)到爆炸極限濃度的粉塵云。
根據(jù)上述分析，針對(duì)在通風(fēng)除塵管道系統(tǒng)中的問(wèn)題，可采取一些改進(jìn)措施：管路布置重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，過(guò)程中應(yīng)盡量減少?gòu)濐^、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(zhǎng)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(diǎn)火能測(cè)試（MIE）
測(cè)試條件：樣品粉塵以200目篩子過(guò)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(cè)試質(zhì)量和電極距離采用裝置說(shuō)明書最佳推 薦數(shù)值（樣粉測(cè)試質(zhì)量為0.5ｇ ，電極距離為5mm），測(cè)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(diǎn)火能為740mJ。由于裝置自身能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損失，實(shí)際放電火花的能量比儀器顯示值小，所以通過(guò)儀器顯示值與實(shí)際等效能量值轉(zhuǎn)化表得出樣品粉塵云的最小點(diǎn)火能為304.5mJ。
4.2 粉塵層最低著火溫度測(cè)試（MITL）
測(cè)試條件：樣粉濕度為8％ ，環(huán)境溫度23℃ ，環(huán)境濕度45％ ，實(shí)驗(yàn)初始測(cè)試裝置加熱板溫度320℃，粉塵層厚 度采用測(cè)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(yàn)方法第１節(jié)：確定粉塵最低點(diǎn)燃溫度的方法》和GB/T 16430-1996《粉塵云層最低著火溫度測(cè)定》的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品粉塵進(jìn)行粉塵層最低著火溫度 的測(cè)試。著火判斷標(biāo)準(zhǔn)：有火星或明火出現(xiàn)，測(cè)試粉塵層溫度高出熱板20℃ ；未著火判斷標(biāo)準(zhǔn)：30min或更長(zhǎng)時(shí)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(cè)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(hù)對(duì)策
在該汽車車身拋光打磨車間中，拋光打磨臺(tái)和除塵管道中鋁鎂合金粉塵都會(huì)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(diǎn)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(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)打磨火花、機(jī)械摩擦過(guò)熱、機(jī)械碰 撞或沖擊產(chǎn)生的火花等高能量點(diǎn)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(huì)摩擦可能導(dǎo)致靜電放電火花等高能量點(diǎn)火源，甚至較大粒徑的顆粒物可能會(huì)通過(guò)除塵裝置與風(fēng)機(jī)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(diǎn)火源無(wú)法避免，但是可采取一定工藝改善措施盡量減少點(diǎn)火源出現(xiàn)的次數(shù)或限制高于最小點(diǎn)火能的點(diǎn)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(xiǎn)程度較高，企業(yè)可針對(duì)比較危險(xiǎn)的場(chǎng)所，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50058-2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)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(cè)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(lái)的危害，采用20L球爆炸測(cè)試裝置對(duì)拋光打磨產(chǎn)生的鋁鎂合金粉塵的爆炸特性進(jìn)行測(cè)試。
測(cè)試條件：樣品粉塵以200目篩過(guò)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(cè)試點(diǎn)火頭為10kJ化學(xué)火頭。
5.1 粉塵最大爆炸壓力
空點(diǎn)火產(chǎn)生的壓力為約0.084MPa，升壓超過(guò)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(cè)定3個(gè)Pmax 數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步增加，Pmax反而逐漸降低。
由以上測(cè)試分析可知，當(dāng)?shù)陀谧罴驯ㄙ|(zhì)量濃度500g/m3時(shí)，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(shí)，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(huì)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(cè)定的3個(gè)Kst數(shù)據(jù)繪制了曲線圖。實(shí)驗(yàn)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(jí)根據(jù)ISO 6184分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jí)。
6.結(jié)論
未過(guò)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(dòng)性指數(shù)為46，流動(dòng)性評(píng)價(jià)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(guò)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(diǎn)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(jí)。
企業(yè)在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)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(lái)防止爆炸發(fā)生，但是局部區(qū)域可能會(huì)因一些外來(lái)因素干擾，粉塵濃度超過(guò)爆炸下限或粉塵云的最小點(diǎn)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(shí)際情況在測(cè)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(jìn)行相關(guān)粉塵的危險(xiǎn)性評(píng)估時(shí)，測(cè)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(jìn)行具體的測(cè)試和分析。
