鈦金屬打磨粉塵爆炸危險(xiǎn)性檢測(cè)試驗(yàn)研究

文┃楊秋文* 楊宛儒 王建雄 朱 果 鐘 炯 韓 森

鈦金屬打磨粉塵爆炸危險(xiǎn)性檢測(cè)試驗(yàn)研究

文┃楊秋文* 楊宛儒 王建雄 朱 果 鐘 炯 韓 森

2014年江蘇省蘇州昆山市中榮金屬制品有限公司“8·2”鋁合金輪轂打磨拋光粉塵爆炸事故，共造成146人死亡，114人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失3.51億元。2016年4月29日，廣東省深圳市光明新區(qū)精藝星五金加工廠發(fā)生鋁粉塵爆炸事故，造成7人死亡、3人受傷。湖南是有色金屬之鄉(xiāng)，有色金屬企業(yè)數(shù)量較多，根據(jù)2016年10月各市州安監(jiān)局統(tǒng)計(jì)上報(bào)數(shù)據(jù)，其中存在粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)的企業(yè)90余家，作業(yè)場(chǎng)所超過(guò)10人以上的企業(yè)18家，粉塵防爆安全形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

金屬表面處理工藝是金屬機(jī)械加工的重要工序，包括噴丸、噴砂、去毛刺、打磨、刷光和拋光等工序中的一種或幾種。相關(guān)設(shè)備包括拋丸機(jī)、噴丸機(jī)、噴砂機(jī)、角磨機(jī)、砂輪機(jī)、砂帶機(jī)、手持式砂輪、手持式砂紙打磨機(jī)、刷光機(jī)、固定式拋光輪、手持式拋光輪等。對(duì)金屬表面處理工藝產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行爆炸特性試驗(yàn)，甄別其是否為爆炸性粉塵已是當(dāng)務(wù)之急。

我國(guó)鈦資源儲(chǔ)量占世界的1/4。鈦及其合金已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、軍械、石油化工、造紙、酸堿工業(yè)、體育器械及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。切削產(chǎn)生的鈦屑在空氣中能著火燃燒。鈦粉塵屬于ⅢC導(dǎo)電性粉塵，高溫表面堆積粉塵層（5mm）的引燃溫度為290℃，粉塵云的引燃溫度為375℃，無(wú)爆炸下限及粉塵平均粒徑參數(shù)。金屬粉塵能否發(fā)生著火、燃燒或爆炸, 以及其爆炸的猛烈程度會(huì)受到多方面因素的影響。

本文擬對(duì)某企業(yè)鈦金屬打磨粉塵進(jìn)行爆炸性能試驗(yàn)，并對(duì)粉塵粒徑、形狀、組分進(jìn)行檢測(cè)，以探討其爆炸特性的關(guān)鍵影響因素，為甄別爆炸性粉塵及防護(hù)措施研究提供依據(jù)。

1、生產(chǎn)工藝

某企業(yè)對(duì)海綿鈦進(jìn)行熔鑄、鍛造后，采用金剛玉砂輪打磨，產(chǎn)生鈦金屬打磨粉塵。見圖1。

▲ 圖1 鈦金屬打磨粉塵生產(chǎn)工藝示意圖

2、檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 樣品的選取

某企業(yè)鈦金屬錠打磨產(chǎn)生的粉塵經(jīng)排風(fēng)扇抽至巷道，細(xì)顆粒粉塵經(jīng)水洗沉淀處理，大顆粒粉塵重力沉降在巷道內(nèi)。本文試驗(yàn)樣品為在巷道內(nèi)沉積的隨機(jī)粉塵樣品。

2.2 粉塵爆炸性測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備：Hartmann管式粉塵引燃實(shí)驗(yàn)儀，20L球形爆炸參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

測(cè)試結(jié)果見表1。

▲ 表1 粉塵的爆炸性測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，粉塵樣品在大氣壓和正常溫度下不能與空氣形成爆炸性混合物，因此，不具有爆炸性。

2.3 粒度分析

試驗(yàn)設(shè)備：WI-G-019A MS2000型激光粒度測(cè)試儀。

采用水做分散劑，對(duì)樣品進(jìn)行粒度分布測(cè)試，結(jié)果見圖2。

▲ 圖2 粒度分布圖

從圖2可以看出，粉塵樣品最大粒徑達(dá)1441.79微米，90%的顆粒直徑少于576.18微米，50%的顆粒直徑少于106.12微米，10%的顆粒直徑少于33.07微米。

2.4 電鏡掃描及能譜測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備：日立SU3500掃描電鏡及牛津X-MAX50mm能譜分析儀。

2.4.1 電鏡掃描

二次電子形貌圖像，見圖3（1）（2）（3）。

▲ 圖3 二次電子形貌像

從圖3（1）可以看出，樣品的組成顆粒大致可分為四種：一種為中央顆粒，數(shù)量極少，約占5%；一種為球粒，約占5%；一種為表面光亮棱角粒狀的顆粒，約占45%；一種為表面粗糙棱角粒狀的顆粒，約占45%。從圖3（2）（3）可以看出，中央顆粒及類似形狀物質(zhì)，表面突起，毛刺、孔腔、裂隙、切削紋等豐富。

2.4.2 能譜測(cè)試

能譜測(cè)試結(jié)果，見圖4～7。

根據(jù)圖4能譜分析結(jié)果，O原子百分比為27.07%, Al原子百分比為6.23%，Ti原子百分比為66.70%?？梢钥闯鲋醒腩w粒為鈦屑，表面有一定程度的氧化，成分主要為Ti，含少量Al，因表面氧化，還有O進(jìn)入到了檢測(cè)成分中。Ti的氧化物為TiO2，Al的氧化物為Al2O3，鈦屑表層檢測(cè)結(jié)果中O的原子百分比僅為27.07%，是“虧損”的。這是鈦屑的氧化層較淺的緣故。

根據(jù)圖5能譜分析結(jié)果，O原子百分比為64.23%, Al原子百分比為1.38%，Ti原子百分比為34.39%。可以看出，球粒為熔融呈球狀的鈦屑，表面有相對(duì)較深程度的氧化，表面成分為二氧化鈦，含微量Al。

▲ 圖4 中央顆粒能譜分析

▲ 圖5 球粒能譜分析

▲ 圖6 表面光亮棱角粒狀的顆粒能譜分析

根據(jù)圖6能譜分析結(jié)果，O原子百分比為52.93%, Al原子百分比為47.07%。可以看出，表面光亮棱角粒狀的顆粒主要為剛玉，樣品未噴鍍導(dǎo)電薄層，常因表面荷電顯白色。

▲ 圖7 表面粗糙棱角粒狀的顆粒能譜分析

根據(jù)圖7能譜分析結(jié)果，O原子百分比為30.53%, Al原子百分比為7.24% ，Ti原子百分比為 57.88 %，V原子百分比為4.36%。可以看出，表面粗糙棱角粒狀的顆粒為鈦屑，表面成分主要為Ti，含少量Al和V，因表面氧化，還有O進(jìn)入到了檢測(cè)成分中。

3、結(jié)果分析

根據(jù)粉塵爆炸性測(cè)試結(jié)果，鈦金屬錠金剛玉砂輪打磨產(chǎn)生的巷道沉積粉塵不具有爆炸性。分析主要原因，一是打磨粉塵顆粒較粗，中位粒徑約100微米；二是打磨粉塵混入大量惰性雜質(zhì)，150目篩下顆粒主要成分為鈦金屬屑和剛玉雜屑，各占約50%；三是金屬鈦屑表面層不同程度氧化，形成一層厚度為幾十納米的致密氧化膜。

責(zé)任編輯：鐘金花 113061599@qq.com

楊秋文（1973—），男， 安全工程高級(jí)工程師，在湖南有色金屬研究院從事安全生產(chǎn)技術(shù)研究工作。