鈦粉的最小點(diǎn)火能

董海佩，程貴海，李曉泉，徐中慧

（1.廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院，廣西南寧 530004；2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽 621010）

鈦粉主要用于制取粉末冶金零件的原料，還用于電真空中固體泵源的原料、電真空吸氣劑、塑料充填劑、表面涂裝材料、飛機(jī)零部件和制取各種鈦化合物的原料[1]，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。鈦粉易發(fā)生氧化、燃燒、爆炸，屬于危險(xiǎn)品，因此研究鈦粉的最小點(diǎn)火能很有意義。點(diǎn)火能量對(duì)粉塵爆炸行為有顯著的影響[2-3]。最小點(diǎn)火能（Emin）是指能引起一定質(zhì)量濃度可燃物燃燒或爆炸所需的最低能量值[4]，也是判定粉塵對(duì)電火花敏感程度的一個(gè)重要指標(biāo)[5]，因此確定粉塵最小點(diǎn)火能是最經(jīng)濟(jì)、合理的預(yù)防粉塵爆炸的方法[6]。為了預(yù)防和減輕粉塵爆炸的危害，學(xué)者們對(duì)多種可燃粉塵的最小點(diǎn)火能進(jìn)行了研究[7-15]。2004年，Choi等[7]對(duì)聚合物涂層粉塵的最小點(diǎn)火能進(jìn)行研究。2006年，Erlend等[8]對(duì)最小點(diǎn)火能小于1 mJ的粉塵進(jìn)行了研究。2014年，苑春苗等[9]對(duì)納米鈦的最小點(diǎn)火能進(jìn)行測(cè)量，并研究氧化鈦對(duì)其惰化效果。除此之外，還有學(xué)者研究了粉塵濕度、溫度等對(duì)最小點(diǎn)火能的影響[10-11]。對(duì)粉塵最小點(diǎn)火能的研究，大多是將噴塵壓力和紊流指數(shù)取某一固定值，研究粉塵粒徑、質(zhì)量濃度對(duì)最小點(diǎn)火能的影響，然而，在不同的噴塵壓力和紊流指數(shù)下，測(cè)得的點(diǎn)火能量不同。當(dāng)自變量取某一固定值時(shí)，測(cè)得最小點(diǎn)火能最小，則稱該固定值為自變量對(duì)應(yīng)的敏感值，因此，根據(jù)最不利原則，本文選取噴塵壓力和紊流指數(shù)為敏感值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)火能量隨鈦粉粒徑和質(zhì)量濃度變化的函數(shù)進(jìn)行擬合，更具有可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為1.2 L哈特曼管式粉塵最小點(diǎn)火能測(cè)定裝置，如圖1所示。

圖1 哈特曼管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of Hartmann tube

1.2 原料

以中位粒徑分別為 18、25、38、48、74 μm 的5種球形鈦粉作為樣品。鈦粉燃燒現(xiàn)象劇烈，有黑色濃煙產(chǎn)生，發(fā)出耀眼白光，燃燒后有白色固體粉末生成。

1.3 操作規(guī)則

粉塵云最小點(diǎn)火能的測(cè)試值受諸多因素的影響[16]，可控變量為粉塵質(zhì)量（即粉塵質(zhì)量濃度）、噴塵壓力、點(diǎn)火延遲時(shí)間、電極間距。噪聲變量為實(shí)驗(yàn)室濕度、溫度、粉塵干燥程度。本文中探討的最小點(diǎn)火能的影響因素為粉塵質(zhì)量、噴塵壓力、點(diǎn)火延遲時(shí)間。為了降低其他變量的影響，僅在實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度為50%～70%、溫度為15～25℃的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，鈦粉在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)烘箱50℃干燥12 h，電極間距固定為6 mm。本實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 16428—1996進(jìn)行操作。將不滿足連續(xù)20次未燃燒的最低值視為最小點(diǎn)火能。

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下。

1）取某一粒徑的鈦粉0.6 g，即質(zhì)量濃度為500 g/m3，噴塵壓力設(shè)為150 kPa，紊流指數(shù)設(shè)為60 ms，開始實(shí)驗(yàn)。

2）以30 ms的整數(shù)倍為步長(zhǎng)調(diào)節(jié)紊流指數(shù)，直至分別找出不同紊流指數(shù)下點(diǎn)火能量（E）i的最小值。

3）以30 kPa的整數(shù)倍為步長(zhǎng)調(diào)節(jié)噴塵壓力，在每個(gè)固定的噴塵壓力下重復(fù)步驟2），直至分別找出不同噴塵壓力和紊流指數(shù)下點(diǎn)火能量的最小值，并記錄。

4）以50 g/m3的整數(shù)倍為步長(zhǎng)調(diào)節(jié)鈦粉質(zhì)量濃度，在每個(gè)固定質(zhì)量濃度下重復(fù)步驟3），直至分別找出不同質(zhì)量濃度下點(diǎn)火能量的最小值，并記錄。

5）更換另一粒徑的鈦粉，重復(fù)以上5個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至5種粒徑的鈦粉均完成實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，各粒徑的最小點(diǎn)火能，及其對(duì)應(yīng)的鈦粉質(zhì)量濃度、噴塵壓力、紊流指數(shù)取值如表1所示。

表1 不同粒徑鈦粉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of titanium powder with different particle size

2.1 鈦粉質(zhì)量濃度的影響

當(dāng)噴塵壓力和紊流指數(shù)均處于敏感值時(shí)，5種粒徑鈦粉的點(diǎn)火能量隨質(zhì)量濃度變化的規(guī)律如圖2所示。對(duì)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2所示。由圖2可知，隨著鈦粉質(zhì)量濃度的增大，點(diǎn)火能先減小后增大。這是由于鈦粉質(zhì)量濃度較低時(shí)，鈦粉顆粒間距大，顆粒間傳熱需要較高的能量。增大鈦粉質(zhì)量濃度使得單位體積內(nèi)參與反應(yīng)的鈦粉顆粒增大，顆粒間距減小，傳熱路徑縮短，導(dǎo)致反應(yīng)速率加快，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步傳遞給未著火的鈦粉顆粒，增大了火焰?zhèn)鞑サ乃俾?，因此所需點(diǎn)火能量減小。然而，當(dāng)質(zhì)量濃度大于敏感質(zhì)量濃度時(shí)，繼續(xù)增大鈦粉質(zhì)量濃度使氧氣含量相對(duì)不足，參與反應(yīng)的鈦粉顆粒反而減少。另一方面，電極周圍過多的鈦粉顆粒吸收了一部分電極能量，使得引燃鈦粉所需能量增大，導(dǎo)致點(diǎn)火能量增大。

圖2 質(zhì)量濃度對(duì)點(diǎn)火能的影響Fig.2 Effect of concentration on ignition energy

表2 猛度參數(shù)關(guān)于粉塵質(zhì)量濃度的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of ignition energy on concentration

2.2 鈦粉粒徑的影響

圖3 粒徑對(duì)敏感質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Effect of particle size on sensitivity concentration

鈦粉質(zhì)量濃度敏感值隨鈦粉粒徑的變化規(guī)律如圖3所示。由圖可知，鈦粉的敏感質(zhì)量濃度與鈦粉粒徑呈正相關(guān)。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒更易熱解為可燃?xì)怏w，粒徑偏大的粉塵顆粒如需熱解產(chǎn)生質(zhì)量濃度相當(dāng)?shù)目扇細(xì)怏w，就需要質(zhì)量濃度更高的鈦粉，因此，鈦粉的敏感質(zhì)量濃度隨中位粒徑的增大而增大。

當(dāng)鈦粉質(zhì)量濃度、噴塵壓力和紊流指數(shù)均處于敏感值時(shí)，最小點(diǎn)火能隨粒徑的變化規(guī)律如圖4所示。其擬合曲線為

圖4 粒徑對(duì)最小點(diǎn)火能的影響Fig.4 Effect of particle size on Emin

由圖4可知，最小點(diǎn)火能隨粒徑的增大以二次函數(shù)的形式增大。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒比表面積較大，和氧氣接觸面積偏大，反應(yīng)速率更快，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步傳遞給未著火的鈦粉顆粒，增大了火焰?zhèn)鞑サ乃俾?，因此最小點(diǎn)火能減小。

2.3 噴塵壓力和紊流指數(shù)的敏感值變化規(guī)律

5種粒徑的鈦粉在其敏感質(zhì)量濃度下，紊流指數(shù)敏感值隨噴塵壓力的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 噴塵壓力對(duì)紊流指數(shù)敏感值的影響Fig.5 Effect of pressure sensitive value of turbulence

由圖5可知，其一，同一粒徑時(shí)，紊流指數(shù)敏感值與噴塵壓力呈負(fù)相關(guān)。這是由于增大噴塵壓力，使鈦粉顆粒獲得更高的動(dòng)能，顆粒運(yùn)動(dòng)速度更快，到達(dá)電極附近的所需時(shí)間更短，電極附近的粉塵質(zhì)量濃度在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳，因此紊流指數(shù)敏感值減小。其二，當(dāng)噴塵壓力保持不變時(shí)，粒徑越大，紊流指數(shù)敏感值越大。這是由于鈦粉敏感質(zhì)量濃度隨粒徑的增大而增大，若噴塵壓力固定而鈦粉質(zhì)量濃度增大，每個(gè)鈦粉顆粒所獲得的動(dòng)能減少，運(yùn)動(dòng)速度減慢，電極附近達(dá)到最佳質(zhì)量濃度所需的時(shí)間增長(zhǎng)，因此紊流指數(shù)敏感值增大。反之，紊流指數(shù)不變，鈦粉粒徑越大，噴塵壓力敏感值越大。這是由于紊流指數(shù)固定而鈦粉質(zhì)量濃度敏感值隨粒徑增大，更多的鈦粉顆粒需要更大的噴塵壓力才能保證原先的運(yùn)動(dòng)速度，使電極附近的粉塵質(zhì)量濃度在相同的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳，因此噴塵壓力敏感值增大。

2.4 鈦粉粒徑和質(zhì)量濃度綜合影響

噴塵壓力、紊流指數(shù)為實(shí)驗(yàn)室自變量，二者為敏感值的情況下粉塵顆粒達(dá)到最佳紊流狀態(tài)，但在工業(yè)生產(chǎn)中并不存在。而粉塵的粒徑范圍、質(zhì)量濃度在工業(yè)生產(chǎn)中是可測(cè)、可控的，因此本文選取噴塵壓力和紊流指數(shù)處于敏感值的33組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)鈦粉粒徑和質(zhì)量濃度對(duì)爆炸猛度的影響進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合函數(shù)為

擬合函數(shù)曲線如圖6所示。

圖6 粒徑和質(zhì)量濃度對(duì)點(diǎn)火能量的影響Fig.6 Effect of particle size and concentration on ignition energy

由圖可知，點(diǎn)火能量隨鈦粉粒徑的增大增幅越來越大，隨鈦粉質(zhì)量濃度的增大先減后增，與上文中點(diǎn)火能量受鈦粉粒徑和質(zhì)量濃度單因素影響的擬合曲線相吻合。的敏感質(zhì)量濃度分別為 700、750、800、800、850 g/m3，最小點(diǎn)火能分別為 33.2、38.1、41.3、44.3、67.4 mJ。

3 結(jié)論

1）中位粒徑為 18、25、38、48、74 μm 的鈦粉對(duì)應(yīng)

2）點(diǎn)火能量隨鈦粉質(zhì)量濃度的增大以二次函數(shù)的形式先減后增，隨粒徑的增大以二次函數(shù)的形式增大。鈦粉的敏感質(zhì)量濃度與鈦粉粒徑呈正相關(guān)。

3）紊流指數(shù)敏感值與噴塵壓力呈負(fù)相關(guān)。噴塵壓力不變，粒徑越大，紊流指數(shù)敏感值越大。紊流指數(shù)不變，鈦粉粒徑越大，噴塵壓力敏感值越大。

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