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铝镁合金粉尘安全特性实验研究

2017-07-31 10:40:21 admin 230

  随着铝镁合金制品的不断普及和推广,抛光打磨工艺也随之增多。其工艺过程中由于种种原因导致在打磨台周围和除尘管道中会存在大量铝镁合金粉尘,带来安全隐患,导致爆炸事故频发。相关企业往往是劳动力密集型的企业,一旦发生粉尘爆炸事故往往伤亡很大。多数铝镁合金抛光打磨企业低估了铝镁粉尘爆炸的危险性,近年来铝镁合金粉尘爆炸事故频发。

  结合相关案例和研究可知,抛光打磨?#23548;?#20197;及通风除尘管道?#20302;?#21457;生粉尘爆炸的?#24503;式?#39640;。铝镁合金粉尘爆炸事故并非铝镁混合粉尘的爆炸事故,关于铝镁合金粉尘在除尘过程中物理特性和相关燃烧、爆炸特性的研究相对较少,而?#19994;?#20174;理论层面研究粉尘特性的?#35759;?#27604;较大,需要对粉尘的特性参数进行测试研究。

  1.汽车打磨工艺分析

  实验测试样粉采集于某汽车车身打磨?#23548;洹3导?#20869;采用机械自动化抛光打磨的生产工艺,产生铝镁合金粉尘。机械抛光打磨过程中产生的铝镁合金粉尘比较容易飞溅和飘散,经常伴随火花的出现。抛光打磨台以及吸尘罩口附近安装大功率易发热的照明灯。?#23548;?#36890;风除尘?#20302;?#38500;尘效果不理想,铝镁合金粉尘云和粉尘层状态一直在工艺过程中出现。对打磨?#23548;?#29616;场的主要敏感点进行粉尘浓度测试,如表1所示。

铝镁合金粉尘安全特性实验研究

  上述的高能量点火源、粉尘和空气已经满足了粉尘 爆炸的三大基本条件,一旦达到触发的最小点燃能量和 粉尘浓度,极有可能引发一系列的大规模粉尘爆炸。

  2.主要实验设备

  (1)BT-1000型粉体综合特性测试仪。BT-1000 型粉体综合特性测试仪主要包括分散度入口、定时器、分 散筒、分散度料盘、分散度投料控制器、安息角组件等,可 测试休止角、平板角、松装密度、振实密度、分散度等。

  (2)200L球爆炸测试装置。20L球爆炸测试装置主 要包括20L不锈钢球体、压力传感器、点火和控制记录 ?#20302;车燃?#37096;分。

  (3)最小点火能测试装置。粉尘云最小点火能量(MIE)装置采用高压击穿、低压续弧的原理设计,主要包 括喷粉装置、放电电极和放电控制装置等。

  3.实验样品粉尘的综合物理特性

  3.1 铝镁合金主要成分

  铝镁合金的主要成分,如表2所示。

铝镁合金粉尘安全特性实验研究

  3.2 铝镁合金粉尘粒径分布与测试结果分析

  通过BT-9300Z型激光粒度分布仪测量铝镁合金轮毂抛光打磨?#23548;?#38109;镁合金粉尘的粒径,未过筛和过筛粉尘的粒径分布累积百?#33268;剩?#22914;表3、表4所示。

铝镁合金粉尘安全特性实验研究

铝镁合金粉尘安全特性实验研究

  未过筛样品粉体颗粒的中位径为5.45μm,过筛样品粉体颗粒的中位径为4.81μm;未过筛样粉的D60为6.66μm,D10为1.22μm(均齐?#29123;?#31639;与D60、D10有关)。未过筛铝镁合金粉尘粒径近80%为0.10~10.00μm。

  通过上述未过筛粉尘粒径测试,在该汽车车身打磨工艺过程中产生的粒径小于10.00μm的粉尘可以达到 近80% 。铝镁合金长期飘浮在空气中,可到达人体气管 深处,对工作人员的健康是极大的威胁;由于可燃性粉尘?#36739;感。?#29190;炸危险性越高,当满足粉尘爆炸条件时,铝合金粉尘潜在的爆炸危险性极大,可能给企业和工作人员 造成不可预计的损害。

  3.3 铝镁合金粉尘流动性与喷流性测试结果分析

  测试条件:环境温度22℃ ,环境湿度38% ,样品湿度5% 。粉体的流动性与喷流性对粉尘的除尘效率和除尘?#20302;?#30340;设计具有重要意义。笔者利用BT-1000型粉体 综合特性测试仪对抛光打磨?#23548;?#26410;过筛的铝镁合金样品 粉尘进行测量分析,其测量数据如表5所示。

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  样品粉尘的休止角、平板角、压缩度、均齐度等参数为粉尘流动性指数重要影响因素。通过计算转换得出汽车抛光打磨?#23548;?#37319;集样品粉尘的流动性指数为46,流动性?#20848;?#20026;不太好,铝镁合金粉尘自然状态下易发生堆积。

  喷流性指数与流动性指数、?#35272;?#35282;、分散度相关。通过计算转换得出样品粉尘的喷流性指数为55,喷流性程?#20219;?#26377;倾向,通风除尘过程中粉体被气体流态化的程度比较一般。

  3.4 现场结果分析及防护对策

  该汽车车身抛光打磨?#23548;?#36890;风除尘管道?#20302;?#31649;路中存在多处三通、弯头等?#26041;凇?#30001;于铝镁合金流动性和喷流性不好,气流经过这些?#26041;?#26102;速度会改变,甚至产生气流漩涡,更容易导致通风管道内部粉尘的沉积、阻塞?#20219;?#39064;的出现。风管阻塞?#20219;?#39064;将加剧气流的改变,导致沉积于管道内部的铝镁合金粉尘再次被卷扬,甚?#21015;?#25104;达到爆炸极限浓度的粉尘云。

  根据上述分析,针对在通风除尘管道?#20302;?#20013;的问题,可采取一些改进措施:管路布置重新进行优化设计,过程中应尽量减少弯头、三通;若采取圆形通风除尘管道,则弯头的曲率半径应大于1~2倍风管管径;若采?#38209;?#24418;通 风管道,则管道的长宽比越大,其局部阻力越小。

  4.粉尘燃烧特性研究

  4.1 粉尘云最小点火能测试(MIE)

  测试条件:样品粉尘以200?#21487;?#23376;过筛,105℃ 烘箱 干燥2h,样粉湿?#20219;?%,环境温度22℃ ,环境湿度 42%,样粉测试质量和电极距离采用装置说明书最佳推 荐数值(样粉测试质量为0.5g ,电极距离为5mm),测试 结果如表6所示。表中:1表示着火,0表示不着火。

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  由表6得出样品粉尘的最小点火能为740mJ。由于装置自身能量转化过程中的损失,实际放电火花的能量比仪器显示值小,所以通过仪器显示值与实?#23454;?#25928;能量值转化表得出样品粉尘云的最小点火能为304.5mJ。

  4.2 粉尘层最低着火温度测试(MITL)

  测试条件:样粉湿?#20219;?% ,环境温度23℃ ,环境湿度45% ,实验初始测试装置加热板温度320℃,粉尘层厚 度采用测试装置要求标准厚度(12mm),如表7所示。

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  依据IEC 61241-2-1:1994《可燃性粉尘环境用电气设备第2部分:试验方法第1节:确定粉尘最低点燃温度的方法》和GB/T 16430-1996《粉尘云层最低着火温度测定》的标?#32423;?#26679;品粉尘进行粉尘层最低着火温度 的测试。着火判断标准:有火星或明火出现,测试粉尘层温度高出热板20℃ ;未着火判断标准:30min或更长时间未出现着火判断标准的现象出现。由表7得出测试样 品粉尘层的最低着火温?#20219;?70℃ 。

  4.3 结果分析及防护对策

  在该汽车车身抛光打磨?#23548;?#20013;,抛光打磨台和除尘管道中铝镁合金粉尘都会出?#21046;?#25955;的粉尘云状态和积聚堆积的粉尘层状态,铝镁合金粉尘云的最小点火能为304.5mJ,粉尘层的最低着火温?#20219;?70℃ ;在抛光打磨工艺过程中经常会出现打磨火花、机?#30340;?#25830;过热、机械碰 ?#19981;?#20914;击产生的火花等高能量点火源,在通风除尘管道 中由于铝镁合金颗粒物之间或颗粒物与管壁之间会摩?#37327;?#33021;导致静电放电火花等高能量点火源,甚至较大粒径的颗粒物可能会通过除尘装置与风机摩擦、碰撞产生高 能量火花等,这些潜在的威胁是极大的安全隐患。

  根据上述分析,一些点火源无法避免,但是可采取一定工艺改善措施尽量减少点火源出现的次数或限制高于最小点火能的点火源和高于最低着火温度的高温区域出现。另外,从控制粉尘源角度出发,企业应尽可能防止铝镁合金粉尘云或粉尘层的不断出现,改善除尘措施。铝镁合金粉尘属于ⅠⅠⅠC导电性粉尘,危险程度较高,企业可针对比较危险的场所,参照国家标准GB 50058-2014《爆炸危险环?#36710;?#21147;装置设计规范》,选用符合标准的电气装置设备。

  5.20L球爆炸性测试

  为了给企业提供爆炸泄压、抑制及隔离的参考依据,减小粉尘爆炸带来的危害,采用20L球爆炸测试装置对抛光打磨产生的铝镁合金粉尘的爆炸特性进行测试。

  测试条件:样品粉尘以200?#21487;?#36807;筛,样粉湿?#20219;?4%,环境温度22℃ ,环境湿度42%,105℃条件下干燥2h ,测试点火头为10kJ化学火头。

  5.1 粉尘最大爆炸压力

  空点火产生的压力为约0.084MPa,升压超过0.05MPa可认为发生爆炸;铝镁合金粉尘爆炸压力与铝镁合金粉尘浓度关系,如图1所示。在不同粉尘质量浓度的条件下测定3个Pmax 数据。实验发现,在200~1000g/m3质量浓度范围内,Pmax随着质量浓度的增加而不断上 升,最大爆炸压力为0.50MPa,之后随着粉尘质量浓度 的进一步增加,Pmax反而逐渐降低。

  由以上测试分析可知,当低于最佳爆炸质量浓度500g/m3时,装置内的氧化反应随着浓度的增加而增大。反之,在高于此浓度时,装置内氧气不足,剩余未反应的粉尘颗粒也随之增加,并且会吸收部分冲击波和热量,使粉尘的Pmax下降。

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  5.2 粉尘爆炸指数

  爆炸指数Kst与铝镁合金粉尘质量浓度的关系,如图2所示。在不同粉尘质量浓度的条件下,根据测定的3个Kst数据绘制了曲线图。实验发现,在200~1000g/m3质量浓度范围内,Kst随着铝镁合金粉尘浓度的增加而不断上升,最大值为2.28MPa·m/s;随着铝镁合金浓度的 继续增加,Kst反而逐渐降低。

  爆炸指数与铝镁合金粉尘的爆炸压力密切相关。粉尘爆炸烈度等级根据ISO 6184分级标准进行划分,如表8所示。所用铝镁合金样粉粉尘的爆炸烈?#20219;猄t1级。

  6.结论

  未过筛的铝镁合金样粉的粒径近80%分布在0.10~10.00μm;铝镁合金样粉的流动性指数为46,流动性?#20848;?#20026;不太好,自然状态下易发生堆积;样粉的喷流性指数为55,喷流性程?#20219;?#26377;倾向,通风除尘过程中粉体被气体流态化的程度比较一般。

  样粉的粉尘云的最小点火能为304.5mJ;最大爆炸压力为0.50MPa,最大爆炸指数为2.28MPa·m/s,爆炸烈?#20219;猄t1级。

铝镁合金粉尘安全特性实验研究

  企业在实?#23454;?#29983;产过程中,总体可采用控制粉尘浓度的方法或控制高能量源的出现来防止爆炸发生,但是局部区域可能会因一些外来因素干扰,粉尘浓度超过爆炸下限或粉尘云的最小点火能降低,甚至由于铝本身可以氧化放热导致粉尘层在较低的温度下燃烧。即使实?#26159;?#20917;在测试结果的安全范围内,同样存在较大的安全隐患。另外,粉尘的物理、燃烧、爆炸特性参数与环境因素关系密切,不同环境下同一种粉尘的特性不尽相同,在进行相关粉尘的危险性评估时,测试数据只能作为参考的一部分,要根据具体环境进行具体的测试和分析。

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