密闭空间镁粉爆炸压力特性研究.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 019 密闭空间镁粉爆炸压力特性研究* 李雨成 a，b， 富健涛a，b， 奇佳民a，b， 王大勇a，b， 田 宏 a，b （ 辽宁工程技术大学a.安全科学与工程学院；b.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室， 阜新123000） 摘 要 为研究镁粉粉尘爆炸最大压力与最大压力上升速率特性参数变化规律， 使用标准20 L球形爆炸 装置进行爆炸试验分析。通过对试验数据进行理论分析， 探讨了点火延迟时间td、 粉尘浓度c和粉尘粒径d 等因素对镁粉爆炸压力特性的变化规律及产生原因。最后通过对金属镁粉爆炸试验数据进行回归分析， 得 到合适的回归模型。回归模型的R2值均在0. 9以上， 该回归模型的预测具有一定的合理性和准确性， 为镁 粉抑爆研究提供理论基础。 关键词 金属粉尘；爆炸特性；最大压力；最大压力上升速率；回归分析 中图分类号 X936 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0114 -06 Pressure Characteristics of Magnesium Powder Explosion in Confined Space LI Yu-chenga， b， FU Jian-taoa， b， JI Jia-mina， b， WANG Da-yonga， b， TIAN Honga， b （a. College of Safety Science and Engineering；b. Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disasters and Control of Ministry of Education，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China） Abstract In order to study the variation law of the maximum pressure and the maximum pressure rise rate of magnesium powder explosion，a 20 L spherical dust explosion test device was used for the experimental analysis. Through the experimental results and theoretical analysis，the change regulation and reason of magnesium powder ex- plosion in the ignition delay time of td，c dust concentration and dust particle size d was discussed and analyzed. Fi- nally，the suitable regression model was established by analyzing experimental datum. The R2value of this regression model was more than 0. 9，and the prediction showed certain rationality and accuracy. Key words metal dust；explosion characteristics；maximum pressure；maximum pressure rise rate；regression analysis 收稿日期2018 -04 -04 作者简介李雨成（1978 -） ， 男， 汉族， 博士、 教授、 博士生导师， 主要 从事矿井通风与粉尘防治理论及技术研究， （E-mail）ly- clntu＠163. com。 基金项目国家自然科学基金资助项目（51204089） ； 国家自然科学 基金资助项目（51774168） ；辽宁省教育厅科研项目 （L2014131） ； 辽宁省自然科学基金资助项目（201602355） 目前， 金属镁被广泛应用到制造业、 建筑业等重 工业生产中， 但金属镁的化学性质极其活泼， 容易与 氧化剂发生剧烈的氧化还原反应。金属镁以粉尘形 态悬浮在生产加工车间内， 当浓度达到一定阈值， 遇 到火源就会爆炸[ 1]。爆炸产生的危害十分巨大， 往 往给生产活动带来巨大财产的损失和人员伤亡[ 2-9]。 由于金属镁粉爆炸事故频发， 国内外学者做了大量 关于金属镁爆炸特性方面的研究。马士治、 谷明朝、 朱晋宇等通过研究镁粉爆炸压力特性得出金属镁运 输过程中相对安全的保存状态[ 10]。王林元研究了 不同粒径镁铝合金粉尘爆炸下限浓度及起变化规 律， 并提出石墨对爆炸起到明显的抑制作用[ 11]。丁 莉英、 刘志敏分别研究镁铝混合粉粉尘最低着火温 度及粉尘爆炸压力特性[ 12，13]。综上可知， 目前在金 万方数据 属镁粉爆炸特性研究方面已取得一定成果， 而定量 分析镁粉爆炸压力特性及其影响因素的研究相对 较少。 采用20 L球实验装置， 总结前人爆炸实验、 数 据分析的经验和结果， 进行了镁粉爆炸实验并对实 验数据进行采集， 运用多元线性回归方法对爆炸压 力数据进行分析， 并用SPSS软件进行统计和绘图， 研究了点火延迟时间、 粉尘浓度和粉尘粒径对镁粉 最大的爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响关 系并绘制出相关曲线， 通过曲线可以直观地进行 预测。 1 实验样品及装置 本实验的样本是提取于某工厂的镁粉粉尘， 经 过制样、研磨、筛选得到粒径为6 μm、47 μm、 75 μm、104 μm、173 μm的镁粉粉尘样本。在标准 20 L球形爆炸装置上进行实验， 该系统主要包括爆 炸球装置本体、 点火系统和数据采集系统三大部分， 其基本构造如图1所示。 1、2、4、6、7电磁阀；3、5压力变送器；8、9、10球阀 图1 标准20 L球爆炸装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of standard 20 L ball explosive device 其中爆炸球装置本体主要由带水冷夹套的双层 不锈钢球体、0. 6 L粉尘仓以及配气系统构成， 其中 配气系统包括了真空泵、 空压机、 电磁阀、 球阀以及 高精度真空压力表等； 点火系统主要由点火电极和 高能量电火花发生器构成， 其中点火花发生器充电， 通过电极释放能量； 数据采集系统主要由压电式压 力传感器、 采集仪器和计算机组成。 2 实验过程 本实验测定过程严格依照GB／ T 164261996 粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率测定方 法 [14]， 把镁粉粉尘试样放入粉尘仓中， 用压缩空气 加压到2 MPa， 将爆炸室抽成一定真空状态下以确 保爆炸室在点燃时处于大气压状态下， 启动压力记 录仪， 打开粉尘仓阀门， 使得镁粉粉尘喷入球体内， 滞后点燃电火花点火器， 通过球体上的玻璃观察窗 观察是否存在爆炸火焰， 从而判断镁粉是否爆炸。 压电式压力传感器可以直接测得镁粉的最大爆炸压 力， 再通过数据采集器， 经过计算机软件处理， 获得 主要参数包括最大爆炸压力Pm和最大爆炸压力上 升速率（dp／ dt） m， 对进行记录， 实验三次测得三组数 据算出平均值， 每次试验后， 要用空气吹净爆炸室。 3 基于20 L球形装置的镁粉爆炸特 性实验研究 3. 1 点火延迟时间对镁粉最大压力和最大压力上 升速率的影响 为研究点火延迟时间td的变化对镁粉粉尘爆 炸最大压力Pm和最大压力上升速率（dp／ dt） m的影 响作用， 本文选取粒径d为6 μm，粉尘浓度c为 250 g／ m3的镁粉做为研究对象， 将测得的试验数据 绘制成折线图2、 图3。 图2 点火延迟时间对Pm的影响 Fig. 2 Influences of ignition delay on Pm 由图2可以看出，Pm对于td的变化曲线呈现出 先增大后减小的趋势， 并在某一时刻达到极大值点。 511第35卷 第3期 李雨成， 富健涛， 奇佳民， 等 密闭空间镁粉爆炸压力特性研究 万方数据 随着td从15 ms增大到25 ms，Pm从0. 84 MPa增加 到1. 08 MPa，td增大了0. 67倍， 而Pm增大了29％。 由图3可以看出， （dp／ dt） m对于td的变化曲线也呈 现出先增大后减小的趋势， 并在某一时刻达到极大 值点。随着td从25 ms增大到35 ms， （dp／ dt） m从 352. 9 MPas -1增加到 401. 1 MPas -1， td增大了 0. 4倍， 而（dp／ dt） m增大了14％， 这是由于最初将 镁粉装入20 L球时， 镁粉没有充满整个球体， 混合 不均匀， 爆炸强度较弱， 所以td较小时，Pm随着td 的增大而增大。 图3 点火延迟时间对（dp／ dt） m的影响 Fig. 3 Influences of ignition delay on（dp／ dt） m 随着td从45 ms增大到60 ms，Pm从1. 06 MPa 减小到0. 75 MPa，td增大了0. 33倍， 而Pm减小了 29％， 随着td从35 ms增大到45 ms， （dp／ dt） m从 401. 1 MPas -1减小到 347. 8 MPas -1， td增大了 0.29倍， 而（dp／ dt） m减小了13％， 这是由于当td较 大时， 粉尘会沉积在球体底部， 爆炸强度也较弱， 所 以td较大时，Pm随着td的增大而减小。所以， 对应 于图2和图3的极大值点， 选择恰当的td， 使得粉尘 充满球体且还没有开始沉积， 爆炸强度最大。 根据测得的数据绘制的图像可以看出，td对Pm 和（dp／ dt） m的影响大概呈二次型曲线关系， 根据测 得的数据， 运用SPSS软件进行SPSS软件进行二次 拟合， 可以测得td对镁粉的Pm与（dp／ dt） m的影响 规律的公式为 Pm＝ - 0. 000768t2 d ＋ 0. 0552td＋ 0. 191（1） （dPm／ dt） m ＝ - 0. 2t2 d ＋ 14. 977td＋ 102. 329（ 2） 将实测值与预测值进行比较， 求出回归模型的 预测精度。见表1。 表1 不同点火延迟时间镁粉的Pm与（dp／ dt） m实测值与预测值 Table 1 The predictive and measured Pmand（dp／ dt） mvalue of Mg with different ignition delay time 点火延迟 时间td／ ms Pm／ MPa 实测值 预测值 相对 误差／ ％ 平均相对 误差／ ％ R2值 （dp／ dt） m／（MPas -1） 实测值预测值 相对 误差／ ％ 平均相对 误差／ ％ R2值 150. 840. 84620. 74277. 6281. 9841. 58 251. 081. 09101. 02352. 9351. 7540. 32 351. 241. 18224. 662. 7260. 954401. 1381. 5244. 883. 0880. 906 451. 061. 11985. 64347. 8371. 2946. 76 600. 750. 73821. 57286. 4280. 9491. 90 由表1可以看出， 当td为35 ms时，Pm的实则 值为1. 24 MPa， 预测值为1. 1822 MPa， 相对误差为 4. 66％；当td为25 ms时，（dp／ dt） m的实则值为 352. 9 MPas -1， 预测值为 351. 754 MPas -1， 相对 误差为0. 32％。表格中的R2值为统计学的决定系 数， 反应因变量的全部变异能通过回归关系被自变 量解释的比例。所以，R2值越接近于1， 表示回归拟 合的精度越高， 本文的R2值均在0. 9以上， 平均相 对误差也较为合理， 拟合精度很高。 3. 2 粉尘浓度对镁粉最大压力和最大压力上升速 率的影响 为研究粉尘浓度c的变化对镁粉粉尘爆炸最大 压力Pm和最大压力上升速率（dp／ dt） m的影响作 用， 本文选取粒径d均为46 μm的镁粉作为研究对 象， 点火延迟时间td为50 ms， 将测得的试验数据绘 制成折线图4、 图5。 图4 粉尘浓度c对Pm影响 Fig. 4 Influences of dust concentration on Pm 由图4可以看出，Pm对于c的变化曲线呈现出 增大的趋势。随着c从150gm -3 增大到 350 gm -3， Pm从0. 44 MPa增大到0. 76 MPa，c增 大了1. 33倍，Pm增大了73％，其中当c由 200 gm -3增大到 250 gm -3时， Pm的增幅最大， 由0. 48 MPa增加到0. 62 MPa， 增大了29％。由图 611爆 破 2018年9月 万方数据 5可以看出， （dp／ dt） m对于c的变化曲线也呈现出 增大的趋势。随着c从150 gm -3 增大到 350 gm -3， （ dp／ dt）m从119. 21 MPas -1增大到 312. 76 MPas -1， c增大了1. 33倍， （dp／ dt） m增大 了162％，其中当c由250gm -3 增大到 300 gm -3 时，（dp／ dt） m 的 增 幅 最 大，由 157. 69 MPas -1增加到 249. 23 MPas -1， 增大了 58％。这是因为c是单位体积空气中含有粉尘的质 量或颗粒数， 对于46 μm的镁粉爆炸， 存在一个最 大爆炸浓度， 镁粉爆炸强度最大。当镁粉浓度小于 最大爆炸浓度时， 爆炸强度随着粉尘浓度的增大而 增大； 当镁粉浓度大于最大爆炸浓度时， 爆炸强度随 着粉尘浓度的增大而减小。这是因为粉尘的量越 大， 爆炸强度就越大， 但当粉尘浓度过大时（大于最 大爆炸浓度） ， 没有足够的氧气与粉尘表面接触， 爆 炸强度就会减弱， 当粉尘浓度增大到一定值（即爆 炸浓度上限） ， 粉尘就会失去爆炸性。所以随着c的 增大， 爆炸强度呈现先增大后减小的趋势。通过对 文献[15]数据整理， 可以得出46 μm的镁粉最大 爆炸浓度大概为727. 49 gm -3，爆炸浓度上限大 概为1306. 85 gm -3。由于本实验选取的镁粉浓 度没有达到727. 49 gm -3（ 最大爆炸浓度） ， 所以 c 越大， 爆炸强度越大。 图5 粉尘浓度c对（dp／ dt） m的影响 Fig. 5 Influences of dust concentration on（dp／ dt） m c对Pm和（dp／ dt） m的影响大概呈线性关系， 根 据测得的数据， 运用SPSS软件进行线性拟合， 可以测 得c对镁粉的Pm与（dp／ dt） m的影响规律的公式为 Pm＝ 0. 176 ＋ 0. 0017c（3） （dPm／ dt） m ＝ 0. 9958c - 53. 472（4） 将实测值与预测值进行比较， 求出回归模型的 预测精度。见表2。 表2 不同粉尘浓度镁粉的Pm与（dp／ dt） m实测值与预测值 Table 2 The predictive and measured Pmand（dp／ dt） mvalue of Mg with different dust 粉尘浓度 c／（gm -3） Pm／ MPa 实测值 预测值 相对 误差／ ％ 平均相对 误差／ ％ R方值 （dp／ dt） m／（MPas -1） 实测值预测值 相对 误差／ ％ 平均相对 误差／ ％ R方值 1500. 440. 4312. 05119. 2195. 89819. 56 2000. 480. 5166. 98138. 45145. 6884. 97 2500. 620. 6013. 062. 880. 976157. 69195. 47819. 3310. 220. 913 3000. 680. 6860. 87249. 23245. 2681. 59 3500. 760. 7711. 43312. 76295. 0585. 66 由表2可以看出， 当c为300 gm -3时， Pm的实 则值为0.68 MPa， 预测值为0. 686 MPa， 相对误差为 0.87％； 当c为150 gm -3时， （ dp／ dt） m的实则值为 119.21 MPas -1， 预测值为 95. 898 MPas -1， 相对 误差为19. 56％， 相对误差较大， 这是由于回归曲线 只能大体地描绘实测散点的走向趋势， 由图5可以 观测出有些实测点偏离了回归曲线。 3. 3 粉尘粒径对镁粉最大压力和最大压力上升速 率的影响 为研究粉尘粒径大小d条件的变化对镁粉粉尘 爆炸最大压力Pm和最大压力上升速率（dp／ dt） m的 影响作用， 本文选取不同粒径镁粉做为研究对象， 其 粉尘浓度均为250 g／ m3， 点火延迟时间为45 ms， 将 测得的试验数据绘制成折线图6、 图7。 由图6可以看出，Pm对于d的变化曲线呈现出 减小的趋势。随着d从6 μm增大到173 μm，Pm从 1 MPa减小到0. 46 MPa，d增大了27. 83倍，Pm减 小了54％。由图7可以看出， （dp／ dt） m对于d的变 化曲线也呈现出减小的趋势。随着d从6 μm增大 到173 μm， （dp／ dt） m从425. 17 MPas -1减小到 6. 12 MPas -1， d增大了27. 83倍， （dp／ dt） m减小 了99％， 相比之下， 镁粉（dp／ dt） m的减小趋势要强 于Pm的减小趋势。d即粉尘的大小， 在相同粉尘浓 度下，d越小， 粉尘与空气接触的表面积就越大， 就 越有利于燃烧爆炸， 所以d越小， 爆炸强度越大， 反 之，d越大， 爆炸强度越小。 我们可以根据图6和图7的曲线走势预测出， 随着d的继续增大，Pm与（dp／ dt） m都会平稳下降 并且趋向于0， 这就意味着当d达到某一数值， 镁粉 粉尘将失去爆炸性。根据测得的数据， 运用SPSS软 711第35卷 第3期 李雨成， 富健涛， 奇佳民， 等 密闭空间镁粉爆炸压力特性研究 万方数据 件进行拟合， 可以测得d对镁粉Pm与（dp／ dt） m的 影响规律的公式为 Pm＝ 0. 9776 - 0. 0031d（5） （dPm／ dt） m ＝ - 0. 00027d3＋ 0. 103d2＋ 497. 947 （6） 图6 粒径大小对金属粉尘Pm的影响 Fig. 6 Influences of particle size on Pm 图7 粒径大小对金属粉尘（dp／ dt） m的影响 Fig. 7 Influences of particle size on（dp／ dt） m 将实测值与预测值进行比较， 求出回归模型的 预测精度。见表3。 由表3可以看出， 当d为47 μm时，Pm的实则 值为0. 79 MPa， 预测值为0. 8319 MPa， 相对误差为 5. 04％； 当d为75 μm时，（dp／ dt） m的实则值为 11.54 MPas -1， 预测值为 25. 8408 MPas -1， 相对 误差为55.34％； 当d为173 μm时， （dp／ dt） m的实则 值为6.12 MPas -1， 预测值为19.9774 MPas-1， 相 对误差为69.37％。实测值与预测值的平均相对误差 较高， 这是由于高次拟合曲线的振荡幅度较大， 可能 造成拟合曲线偏离实测点较多， 并且当粒径较大时， 爆炸强度较弱， 最大爆炸压力上升速率数值较小， 从 而计算相对误差时产生一定影响。但该拟合曲线 R2值达到0. 998， 说明该拟合曲线是可行的。 4 结论 （1） 采用标准20 L球形爆炸装置进行爆炸试 验， 分析点火延迟时间td、 粉尘浓度c和粉尘粒径d 对镁粉粉尘爆炸压力特性的影响， 进而得出金属镁 粉爆炸压力规律。 （2） 通过对金属镁粉爆炸试验数据进行回归分 析， 得到合适的回归模型， 回归模型的R2值均在0. 9 以上， 相对误差也较为合理。该模型为研究镁粉爆 炸特性研究提供了理论基础。 表3 不同粉尘粒径镁粉的Pm与（dp／ dt） m实测值与预测值 Table 3 The predictive and measured Pmand（dp／ dt） mvalue of Mg with different dust size 粉尘粒 d／ μm Pm／ MPa 实测值 预测值 相对 误差／ ％ 平均相对 误差／ ％ R方值 （dp／ dt） m／（MPas -1） 实测值预测值 相对 误差／ ％ 平均相对 误差／ ％ R方值 61. 000. 95904. 10425. 17426. 59070. 33 470. 790. 83195. 04116. 86109. 89485. 96 750. 740. 74510. 683. 550. 97211. 5425. 840855. 3428. 580. 998 1040. 630. 65523. 85 9. 28 8. 177711. 88 1730. 460. 44134. 07 6. 1219. 977469. 37 参考文献（References） [1] 金龙哲.矿井粉尘防治理论[M].北京 科学出版社， 2010. 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