費式粒度對易燃金屬固體包裝分類研究

浦征宇 武文韜 錢玉婷

(1.上海化工研究院有限公司 上海 200062； 2.上?；ぴ簷z測有限公司 上海 200062)

0 引言

近年來，工業(yè)?；钒踩鹿蕦右姷觯渲写蟛糠质鹿适怯捎谝兹蓟て返墓芾?、運輸及處置不當(dāng)引起的。目前對于化工品的管理與運輸已出臺若干法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，其中在聯(lián)合國發(fā)布的《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書 試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊》(以下簡稱《試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊》)中，對易燃化工品在運輸情況中的危險性進行了明確的分類說明。雖然國內(nèi)外專家對易燃液體的研究較為廣泛[1-2]，但對于易燃固體的研究大部分是關(guān)于外部因素對非金屬易燃固體的研究[3]，對易燃固體中易燃金屬的固體性質(zhì)、危險性影響因素和包裝等級分類卻鮮有研究。由于缺乏易燃金屬具體危險性參考數(shù)據(jù)，易燃金屬的危險性判定只能通過《試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊》中燃燒速率試驗標(biāo)準(zhǔn)方法進行測定[4]，為工業(yè)生產(chǎn)、管理及運輸安全帶來了不便，因此需要對易燃金屬危險性因素進行分析研究。

2019年尹賽男等[5]利用不同粒度的腐殖質(zhì)研究火垂直燃燒特征，并得出不同粒度的腐殖質(zhì)與森林地下火燃燒蔓延速度的關(guān)系。雖然該研究對象是易燃非金屬，但為研究易燃金屬的危險性因素提供了一定的思路。

為保證試驗用易燃性金屬粉末具有代表性和典型性，選取市場占有率較高的易燃金屬鎢粉作為試驗樣品，通過篩選不同費式粒度的鎢粉進行燃燒速率試驗，建立工作曲線研究鎢粉的費式粒度與燃燒速率的線性關(guān)系，并且利用建立的鎢粉工作曲線有效預(yù)測不同費式粒度的鎢粉的危險性程度。在此基礎(chǔ)上，對鈦粉進行燃燒速率測試，證明金屬費式粒度與燃燒速率存在普遍性關(guān)系，為工業(yè)生產(chǎn)、管理及運輸中快速鑒定分類其他易燃固體提供了思路和試驗理論基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

分別選取市場上常見的鎢粉和鈦粉產(chǎn)品作為試驗樣品，通過篩選不同費式粒度范圍的同種金屬粉末，進行燃燒速率試驗。選用的金屬樣品具體見表1。

表1 試驗用金屬樣品 μm

1.2 試驗儀器及方法

試驗儀器及方法參考《試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊》中4.1項易燃固體燃燒速率試驗方法中使用的儀器及試驗步驟。

1.2.1 試驗儀器

試驗儀器主要有：秒表；直尺：最小刻度至少為1 mm；噴槍：噴嘴直徑最小為5 mm的氣體點火器，最低溫度為1 000 ℃；試驗平板(水泥石棉板)：不滲透、不燃燒、低導(dǎo)熱的平板；測試堆料模具：長250 mm，剖面為內(nèi)高10 mm和寬20 mm的三角形，如圖1所示。

圖1 測試堆料模具構(gòu)造示意

1.2.2 預(yù)備試驗步驟

將適量樣品置于試驗平板上，用噴槍緩慢接觸樣品，觀察5 min內(nèi)樣品是否被點燃。若被點燃，即進行下一步燃燒速率試驗。

1.2.3 燃燒速率試驗步驟

利用測試堆料磨具，在通風(fēng)櫥中將金屬粉末堆積成長250 mm，剖面為內(nèi)高10 mm和寬20 mm的三角形堆垛。在試驗期間保持通風(fēng)櫥風(fēng)速足以防止煙霧逸進實驗室。利用噴槍點燃堆垛的一端，當(dāng)堆垛已燒80 mm距離時，測定之后100 mm堆垛所需燃燒時間。本試驗分別進行5次連續(xù)有效的測試，計算燃燒時間平均值。再依據(jù)《試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊》中規(guī)定的危險性包裝等級分類標(biāo)準(zhǔn)進行分類。

1.3 試驗標(biāo)準(zhǔn)和危險性包裝等級分類評估結(jié)果

易燃固體危險程度分為兩類，為Ⅱ類包裝>Ⅲ類包裝。除此以外，不具備易燃危險性的試樣分類為非4.1項。具體分類標(biāo)準(zhǔn)如下所示：

(1)Ⅱ類包裝：在不超過5 min的時間內(nèi)，燃燒蔓延到樣品計時段全部長度；

(2)Ⅲ類包裝：在大于5 min但不大于10 min的時間內(nèi)，燃燒蔓延到樣品計時段全部長度；

(3)非4.1項：燃燒蔓延至樣品計時段全部長度的時間均大于10 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢粉試驗及包裝等級分類結(jié)果

通過預(yù)備試驗對4種鎢粉進行易燃性判定，結(jié)果表明4種鎢粉均可在5 min內(nèi)被點燃。然后參照燃燒速率試驗步驟對4種鎢粉進行5次平行測試，計算平均燃燒時間。再將得到的平均燃燒時間按照判定標(biāo)準(zhǔn)分別進行危險性包裝等級分類。鎢粉的燃燒時間結(jié)果和鎢粉的平均燃燒時間及包裝等級分類結(jié)果見表2、表3。

表2 鎢粉的燃燒時間

表3 鎢粉的平均燃燒時間及包裝等級分類

根據(jù)表2所示，4種鎢粉的5組平行試驗結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%，表明費式粒度不同的鎢粉在燃燒速率試驗中燃燒反應(yīng)穩(wěn)定，試驗結(jié)果具有較好的精密度。平均燃燒時間結(jié)果表明，隨著鎢粉費式粒度的逐步增大，燃燒時間也隨之增大，其原理分析為粉末的比表面積隨著費式粒度的增加而逐步減小，從而其易燃程度逐漸降低。

根據(jù)表3所示，所使用的鎢粉A(0.8～1.0 μm)的平均燃燒速率較為迅速，時間為1.90 min，判定結(jié)果為PGII。鎢粉B(1.0～3.0 μm)的平均燃燒速率則在PGII邊緣值附近，時間為4.83 min，判定結(jié)果為PGII。鎢粉C(3.0～6.0 μm)的平均燃燒速率則相對緩慢，時間為7.80 min，判定結(jié)果為PGIII。最后，隨著鎢粉D(6.0～9.0 μm)的費式粒度增大，平均燃燒時間超出10 min，判定為非4.1項。通過篩選鎢粉費式粒度范圍，能夠快速評估鎢粉的包裝等級。

2.2 鎢粉工作曲線的擬合及討論

根據(jù)表2平均燃燒時間的結(jié)果，以鎢粉費式粒度范圍的平均值為x軸，平均燃燒時間為y軸作圖，通過線性擬合得到鎢粉燃燒時間工作曲線，如圖2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果得知，該研究中所使用的鎢粉粒度范圍處于0.8～9.0 μm之間時，工作曲線為y=1.87x+0.38，相關(guān)系數(shù)為0.98，表明鎢粉的燃燒速率與費式粒度具有良好的線性關(guān)系。并且利用工作曲線對鎢粉PGII，PGIII包裝等級時鎢粉費式粒度邊緣值(5，10 min)進行計算，得出鎢粉PGII，PGIII包裝等級時的費式粒度值邊緣值分別為2.30，5.11 μm。通過鎢粉工作曲線，可以對不同費式粒度的鎢粉的包裝等級分類進行快速評估，為工業(yè)生產(chǎn)、管理及運輸安全提供有效的理論手段。

圖2 鎢粉燃燒時間工作曲線

2.3 金屬費式粒度與易燃性的關(guān)系驗證

為了證明鎢粉的費式粒度與易燃性之間的關(guān)系并不是單一情況，將不同費式粒度的鈦粉進行預(yù)備試驗和燃燒速率試驗。鈦粉的平均燃燒時間及包裝等級分類結(jié)果見表4。

表4 鈦粉的平均燃燒時間及包裝等級分類結(jié)果

根據(jù)表4所示，該研究中所使用的鈦粉均隨著費式粒度的逐步增大，易燃性隨之減小。其中鈦粉C(3.0～6.0 μm)由于粒度的增大，從易燃金屬粉末轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰兹冀饘俜勰?。通過鈦粉的燃燒速率試驗結(jié)果可知，金屬費式粒度與易燃性存在普遍性關(guān)系，即隨著費式粒度的增大，同種金屬易燃性逐步降低。另一方面，本試驗所使用的鈦粉費式粒度分布較廣，更為精細的數(shù)據(jù)需要更多試驗作為依據(jù)。

3 結(jié)語

通過以不同費式粒度的鎢粉為試樣進行燃燒速率試驗，結(jié)果表明隨著鎢粉費式粒度的增大，易燃危險性也隨之降低，并得出鎢粉的包裝等級與費式粒度的關(guān)系。進一步通過線性擬合鎢粉費式粒度與燃燒時間的工作曲線，為不同費式粒度的鎢粉提供數(shù)據(jù)依據(jù)，能夠快速有效地進行包裝等級分類評估。同時，通過對鈦粉進行燃燒速率試驗，得出同種金屬費式粒度與易燃性存在普遍性關(guān)系。

需要注意的是，由于生產(chǎn)工藝的不同，實際生產(chǎn)得到的同種金屬固體的性質(zhì)也會不同，費式粒度具體分布程度也會有所區(qū)別。所以以上結(jié)論僅可作為快速評估手段，具體易燃危險性需要根據(jù)實際試驗結(jié)果作為判定依據(jù)。

綜上所述，通過研究證明了金屬費式粒度與易燃性的關(guān)系，為工業(yè)安全提供有效理論支持，為現(xiàn)有易燃金屬固體危險性分類提供了更為細致的思路，補充了快速預(yù)估易燃金屬固體危險性的手段。同時建議對易燃金屬固體進行分類判定時，將金屬固體的費式粒度也納入?yún)⒖挤秶?，從而得到合理有效的判定結(jié)果。