冷噴涂用鋁基、鈦基、鋅基、鐵基合金粉末的粉塵爆炸特性

K.Sakata，K.Tagomori，N.Sugiyama，S.Sasaki，Y.Shinya，T.Nanbu，Y.Kawashita，I.Narita，H.Miyahara

（1.Fujikikosan Corporation, Kitakyushu, Japan；2.Nissan Motor Co., Ltd., Yokosuka, Japan；3.Kyushu University, Fukuoka, Japan）

冷噴涂技術在本世紀初被視為一種獲得高質(zhì)量涂層的新技術，且此技術近年來發(fā)展迅速。冷噴涂粉末在送粉過程中未被熔化，而且加熱溫度低，所以相比普通的熱噴涂顆粒，其氧化物夾雜的含量明顯減少；此外，低壓冷噴涂設備常用金屬粉末粒徑細?。ǎ?6μm）。據(jù)BS 2955，當顆粒尺寸小于76μm時，就被歸類為粉塵[1]。粉塵顆粒在密閉條件下懸浮于空氣中如遇火源可能會發(fā)生粉塵爆炸。粉末爆炸的危險性在熱噴涂行業(yè)中是眾所周知的，此危險在安全管理中是一個重要的監(jiān)管對象。因此，目前的文獻[2-21]主要集中在關于微小尺寸粉塵爆炸危險性的研究，但沒有形成針對冷噴涂設備所用粉末的風險管理報告。

無論對于熱噴涂還是冷噴涂，都有必要對噴涂工藝中粉塵的爆炸燃燒性給予關注。本文中，對低壓冷噴涂工業(yè)用鋁粉、鈦粉、鋅粉、羰基鐵粉、鐵基合金等粉末的粉塵爆炸特性進行了研究，檢測結(jié)果通過參考事故發(fā)生的幾率及損失大小來得出。

1.實驗材料及過程

1.1 材料

本實驗選用了以下五種市售粉末：鋁粉、鈦粉、鋅粉、羰基鐵粉、鐵基合金粉末，這些粉末粒度不盡相同，表1為粉末的主要化學成分及中值粒徑。

表1 粉末的主要化學成分及中值粒徑Table 1 The main compositions and the median diameters (D50) of powders

1.2 粉末特性

用掃描電鏡觀察粉末的形貌，XRD檢測粉末的物相，用MT3300激光粒度儀檢測粉末的粒度分布。

1.3 粉塵爆炸特性測試方法及儀器

易燃粉塵的最低極限爆炸濃度（MEC）測試：

用JIS Z 8818——《可燃粉塵的最低濃度限度測試方法》所規(guī)定的爆破式測試方法來測量粉塵的MEC，如圖1所示，測量裝置由空氣壓縮件和爆炸缸兩部分組成[22]。試樣粉末通過壓縮空氣機的下部被分散于爆炸筒中，用交流電弧放電火花作為點火源引爆粉末，通過目測在一定粉塵濃度下粉塵云的引爆獲得粉塵的MEC。首先，一定量的粉末被吹入爆炸筒中，之后火花分別放電0.1秒、0.3秒、0.5秒，通常認為火焰?zhèn)鞑?00mm或傳到放電電極上的時間為點火到爆炸的時間。在同一粉塵濃度下測試5次粉塵的MEC，取其最高值即為粉末的MEC。粉末爆炸性的分類評定如表2 所示[22]。

懸浮粉末的最小點火能量測試：

點火最小能量值稱作MIE，使用的設備如圖2所示[23]，其根據(jù)IEC61241-2-3(1994-09)第三節(jié)—《粉塵/空氣混合物的最小點火能量測定方法》測量。

圖1 MEC測試設備及原理圖Fig.1 Schematic diagram and photograph of the equipment for measuring the lower explosion limit concentration

表2 最低極限濃度與粉塵爆炸性的關系Table 2 Relationship between the minimum explosible concentration (MEC) and dust explosibility

圖2 MIE測試設備及原理圖Fig.2 Schematic diagram and photograph of the MIE measuring equipment (MIKE-3 model, A.KüHNERR)

該設備的放電輸出能量有7檔可調(diào)，通過安裝的電容性放電系統(tǒng)可釋放分別為1mJ、3mJ、10mJ、30mJ、100mJ、300mJ、1000mJ 的 能 量，可以在1.2L的爆炸筒中引爆粉末樣品。對一定量的粉末，在一定的點火能量下重復10次以便確定粉末是否能被引爆，如果能被引爆，則認為此條件為該粉末的點火能量，表3是關于點火靈敏性的一個舉例。

表3 點火能量與敏感性之間的關系Table 3 Relationship between ignition energy and sensitivity to ignition

壓力加載速度及爆炸壓力：根據(jù)JIS Z 8817—《可燃粉塵的爆炸壓力及壓力上升速率的測試方法》來測定爆炸壓力及壓力上升速率，在日本，對爆炸強度的相關評估也通過此標準測定。該測量值用來評估可燃性粉塵的爆炸強度，并用來確定爆炸開口處的爆炸彌散面積。然而，這個數(shù)值只是在此特定測量方法下所得到的，并不能完全代表該物質(zhì)的具體特性。據(jù)JIS Z 8817標準附錄2，測試設備有一個30升的爆炸筒，如圖3所示[24]。

圖3 易燃粉塵爆炸壓力及壓力上升速率測試設備Fig.3 Explosion pressure and rate of pressure rise of combustible dust

試樣粉末隨設備底部的高壓氣體被壓入壓力較低的地方，粉末彌散的分布在不銹鋼質(zhì)的爆炸缸中，試樣粉末被具有10KJ能量的化學藥劑點燃。通過裝在室壁上的壓力傳感器來測量爆炸壓力，在爆炸筒的底部放入一定量的粉末樣品，通過引燃藥劑點爆粉塵，之后，通過兩個壓力傳感器測得爆炸壓力-爆炸時間的曲線，計算其壓力平均值，數(shù)據(jù)后會被換算為爆炸筒內(nèi)每立方米的壓力當量。ASTM E 1226粉塵爆炸性根據(jù)易爆系數(shù)（KSt）可分為St0至St3三類，如表4所示。除無爆炸性這一分級外，可用其它三級對粉塵爆炸性進行評估，St3級表示粉末爆炸強度高，且若無保險措施，將可能造成二次損傷。

表4 基于粉塵爆炸壓力上升速率的粉塵危險性的分級Table 4 Dust hazards are classified based on the maximum rate of pressure rise, K St

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末特性描述

圖4為鋁粉和鈦粉的XRD分析結(jié)果，可以看到，圖譜中有Al峰和Ti峰出現(xiàn)，但沒有檢測到氧化物的存在。

圖4 Al粉和Ti粉的XRD圖譜Fig.4 XRD spectra of Al powder and Ti powder

圖5為用SEM觀察冷噴涂所用粉末的形貌，Al粉和鐵基粉末大多呈類球形或橢球狀，Zn粉和羰基鐵粉球形度較好，且粒徑小于10μm，用X射線衍射儀觀測粉末的晶體結(jié)構(gòu)。

圖5 SEM下冷噴涂所用粉末的形貌Fig.5 Morphologies of the powders for cold spray taken with SEM: (a) Al, (b) Ti, (c) Zn, (d) Carbonyl iron, and (e) Iron based alloy

2.2 粉塵爆炸危險性測試結(jié)果

表5為各個粉末爆炸危險性的測試結(jié)果，Al粉的最低極限爆炸濃度為85g/cm3、粉末易爆性能為中等（表2中所示）。對于此類粉末，需要針對不同的粉末，采用具體的防護措施。此鋁粉的點火能量最小值為10～30mJ，點火敏感性高（表3中所述），如果粉末有較高的點火敏感性，則需實施靜電放電或采用抗靜電措施來保護施工人員和場所，或者采取措施防止非易燃粉末和惰性氣體發(fā)生爆炸。Ti粉的點火能量最小值小于1mJ，火花敏感性特別強，需對此類粉末采取防范措施。

Zn粉、羰基鐵粉和鐵基合金粉末的MEC值分別為 2000g/m3、260g/m3、910g/m3，粉塵易爆程度均為“低”（表2所述）。當粉塵濃度為500 g/m3時，通過裝有引爆系統(tǒng)的設備測試時沒發(fā)生爆炸，則該粉末被認為“無爆炸性”，Zn粉和鐵基合金粉末屬于此種粉末；對于無或低爆炸行的粉末，可以進行正常的噴涂操作，但同時也需維護、檢查和清洗。Zn粉、羰基鐵粉和鐵基合金粉末的MIE值分別為420mJ、1.4mJ和84mJ，Zn粉的最小點火能量值較高，即其點火敏感性低；鐵基合金粉末的點火敏感性為“中等”；羰基鐵粉的點火敏感性高（表3所述）。

2.3 粉塵爆炸強度風險的測試結(jié)果

表6為各粉末的粉塵爆炸強度風險的測試結(jié)果和總結(jié)，對Al粉來講，爆炸壓力為8.0×102kPa，易爆系數(shù) KSt=93×102kPa·m/s，屬 St1級（具有輕微爆炸性，如表4中所述）。

Ti粉、Zn粉、羰基鐵粉和鐵基合金粉末的爆炸壓力較為接近，分別為6.2×102kPa、5.2×102kPa、4.7×102kPa、4.7×102kPa，也被歸類為St1級，因此從爆炸壓力上來看，試樣粉末的爆炸強度均為“具有輕微爆炸性”。即使如此，也需采取一定的安全措施，因為一旦發(fā)生爆炸，爐膛會被炸毀。

表5 粉塵爆炸危險性測試結(jié)果Table 5 Results of measurement on dust explosion risk

表6 粉塵的爆炸強度危險性Table 6 Dust explosion intensity risk of each powder

基于此，為防止爆炸的產(chǎn)生，應采用以下措施：防止塵霧飛散、消除火源、使用惰性材料。但在粉末的處理過程中，塵霧的產(chǎn)生是不可避免的，但我們可以在粉塵區(qū)改善施工環(huán)境和設備，以盡量減少火源，或者是修訂合理的操作章程等等。防止集塵器產(chǎn)生爆炸，可采用一下具體措施：（1）使用防靜電過濾器；（2）安裝地接線；（3）使用氣密裝置或電氣開關等；（4）注入惰性材料（如石灰?guī)r、碳酸鈣等）。

除此之外，還可采用下列措施減少事故發(fā)生：（1）安裝防爆口；（2）安裝單向閥（閉合器）等。

3 結(jié)論

從事故發(fā)生的概率和發(fā)生時損失的大小來看，對鋁粉、鈦粉、鋅粉、羰基鐵粉、鐵基合金粉末的爆炸特性進行了檢測，結(jié)論如下：

（1）Al粉、Ti粉的最低極限爆炸濃度為85g/cm3、粉末易爆性能為中等，最小點火能量值低于30mJ，因此對火花的敏感性高。鈦粉和羰基鐵粉的點火敏感性分別小于1mJ和1.4mJ，故其對火花及其敏感，因此，需在操作時對工作臺和操作者采用靜電放電或抗靜電措施，或采用不易燃粉末和惰性氣體來防止爆炸。

（2）Zn粉、羰基鐵粉和鐵基合金粉末的極限爆炸濃度被歸類為“粉塵易爆性低”，如對操作設備采用相應的維護和清理措施，此類粉末可以進行普通的操作。

（3）鋁粉、鈦粉、鋅粉、羰基鐵粉和鐵基合金粉末的易爆性被歸類為“St1”級，即爆炸強度弱。即使如此，也有必要對引爆爐膛采取一定的安全措施以防發(fā)生爆炸時被毀壞。