镁铝合金粉与镁铝混合粉粉尘爆炸特性的实验研究

镁铝合金粉与镁铝混合粉粉尘爆炸特性的实验研究

喻健良，田甜

大连理工大学化工学院(116011)

E-mail:az99432@

摘 要：本文对镁铝合金粉尘以及混合粉尘的爆炸特性进行了实验研究。发现镁铝合金粉反应迅速，爆炸猛烈，其爆炸反应能力要远强于镁铝混合粉；点火延迟时间对其最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响十分明显；存在一个最佳粉尘浓度，使得最大爆炸压力和最大压力上升速率达到最大值；合金粉中镁含量越多，性质越不稳定；混合粉中随着镁含量的增加，性质更加接近纯镁粉。

关键词：粉尘爆炸 最大爆炸压力 最大压力上升速率

1．引言

镁铝合金粉是烟花爆竹原材料中重要的还原剂，有时也用作白光发光剂或照明剂。合金粉燃烧产生的高温使不同的金属离子产生各种美丽的颜色和花样效果。它不仅用途广，而且在每个配方中起着关键作用，在氧化还原反应中产生大量的热量主要来自镁铝合金粉等金属粉剂，合金粉的质量不仅影响产品质量而且还影响到其安全性能[1]。镁铝混合粉虽然是二者的物理混合，但在一定条件下，也具有爆炸危险性。

2．镁铝合金粉爆炸特性的实验研究

2.1点火延迟时间对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响

点火延迟时间对镁铝合金粉尘的最大爆炸压力和最大压力上升速率d t max P ()max dt dP 的影响规律如图1和图2所示。图中合金粉粒径为80μm ，合金粉尘浓度400g/m 3，合金粉尘中Mg 的质量百分含量分别为50%和53%。

从实验结果可以看出：随着点火延迟时间的变化，最大爆炸压力和最大压力上升速率随之变化，存在一个使最大爆炸压力和最大压力上升速率达到最大的延迟时间。对于镁占50%的，约为55ms 左右；对于镁占53%的，约为45ms 左右。可见，随着镁含量的增加，延迟时间大大缩短了。

当延迟时间较小时，气流来不及把管底的粉尘全部吹起，从而减小了管中心粉尘云的浓度，使最大爆炸压力和最大压力上升速率减小；当延迟时间逐渐增大时，粉尘颗粒在自身重力的作用下将渐渐向管底沉积，管中心粉尘云的浓度变小，使得最大爆炸压力和最大压力上升速率有所减小。

图1 点火延迟时间对的影响

max P Fig.1 Influences of ignition delay on

max P

图2 点火延迟时间对()max dt dP 的影响 Fig.2 Influences of ignition delay on ()max dt dP

2.2浓度对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响

粒径80μm 的镁铝合金粉在哈特曼管中爆炸的实验结果如图3和图4所示。从图中可以看出，最大爆炸压力起初随着粉尘浓度的增加有较明显的上升；当粉尘浓度为600g/m 3

时，最大爆炸压力的值逐渐趋于最大；当粉尘浓度超过600g/m 3以后，最大爆炸压力的值随着粉尘浓度的增加开始逐渐减小。最大升压速率随粉尘浓度的变化与最大爆炸压力随粉尘浓度的变化规律相似。当浓度接近600 g/m 3 时，最大升压速率达到最大值，随后，随着浓度的减小最大升压速率将逐渐减小。

由图还可以看出，随着镁的含量的增加，使得最大爆炸压力和最大压力上升速率也相应的增加。因而，镁铝合金粉中，镁的含量越多，合金性质越不稳定。

图3 粉尘浓度对的影响

max P Fig.3 Influences of dust concentration on max P

图4 粉尘浓度对()max dt dP 的影响 Fig.4 Influences of dust concentration on ()max dt dP

3．镁铝混合粉爆炸特性的实验研究

3.1 点火延迟时间对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响

点火延迟时间对镁铝混合粉尘的最大爆炸压力和最大压力上升速率d t max P ()max dt dP 的影响规律如图5和图6所示。图中镁粉粒度为80μm,铝粉粒度也为80μm ，混合粉尘浓度为400g/m 3，混合粉尘中Mg 的质量百分含量为30%。

从实验结果可以看出：随着点火延迟时间的变化，最大爆炸压力和最大压力上升速率也随之变化。存在一个使最大爆炸压力和最大压力上升速率最大的延迟时间，这个延迟时间大约为90ms 左右。

当延迟时间较小时，气流来不及把管底的粉尘全部吹起，从而减小了管中心粉尘云的浓度，使最大爆炸压力和最大压力上升速率减小；当延迟时间逐渐增大时，粉尘颗粒在自身重力的作用下将渐渐向管底沉积，管中心粉尘云的浓度变小，使得最大爆炸压力和最大压力上升速率有所减小。

图5 点火延迟时间对的影响

max P Fig.5 Influences of ignition delay on

max P

图6 点火延迟时间对()max dt dP 的影响 Fig.6 Influences of ignition delay on ()max dt dP

3.2 质量百分含量对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响

粒径80μm ，浓度为400 g/m 3的镁铝混合粉在哈特曼管中爆炸的实验结果如图7和图8所示。从图中可以看出，，随着镁的含量的增加，使得最大爆炸压力和最大压力上升速率也相应的增加。当镁粉的质量百分含量较高时，其混合粉尘的性质更接近于镁粉的爆炸性质；当镁粉的质量百分含量较低时，其混合粉尘的性质接近于铝粉的爆炸性质。因而，镁铝混合粉中，镁的含量越多，性质越不稳定。

图7 质量百分含量对的影响

max P Fig.7 Influences of mass percent on max P

图8 质量百分含量对()max dt dP 的影响 Fig.8 Influences of mass percent on ()max dt dP 4．总结

下表对粒度为80μm，浓度为400 g/m 3的镁铝合金粉与镁铝混合粉爆炸结果进行了比较。

表1 合金粉尘与混合粉尘爆炸结果的比较

Tab.1 Compare between alloy dusts and mixed dusts explosion results

粉尘种类

max P （MPa ） ()max dt dP （MPa /s ） 镁铝合金粉

0.81 282.7 镁铝混合粉

0.51 111.4

可见，镁铝合金粉反应迅速，爆炸猛烈，其爆炸反应能力远强于镁铝混合粉。因为对于镁铝混合粉而言，尽管镁的燃烧对铝的燃烧有所促进，但毕竟是二者的物理混合。与镁铝合金粉这种固溶液相比，镁原子与铝原子的距离要大许多，它们是分散燃烧，而镁铝合金是一种整体燃烧[2]。

参考文献

[1] 李增义，赵旭超．镁铝合金粉尘成分差异的安全探讨．花炮科技与市场．2003，（36）2：38-39．

[2] 肖秀友，吴护林，王玉玲，王英红．镁铝合金的特性及在富燃料固体推进剂中的应用．中国宇航学会

固体火箭推进第22届年会．2005：169-172．