冷喷涂工艺中粉尘爆炸和燃烧特性的研究

冷喷涂工艺中粉尘爆炸和燃烧特性的研究

冷涂层技术在本世纪初被认为是一种新技术，以便获得高质量的涂层。近年来，该技术发展迅速。冷喷涂粉末在送粉过程中未被熔化,而且加热温度低,所以相比普通的热喷涂颗粒,其氧化物夹杂的含量明显减少;此外,低压冷喷涂设备常用金属粉末粒径细小(<76μm)。据BS2955,当颗粒尺寸小于76μm时,就被归类为粉尘。粉尘颗粒在密闭条件下悬浮于空气中如遇火源可能会发生粉尘爆炸。粉末爆炸的危险性在热喷涂行业中是众所周知的,此危险在安全管理中是一个重要的监管对象。因此,目前的文献[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]主要集中在关于微小尺寸粉尘爆炸危险性的研究,但没有形成针对冷喷涂设备所用粉末的风险管理报告。无论对于热喷涂还是冷喷涂,都有必要对喷涂工艺中粉尘的爆炸燃烧性给予关注。本文中,对低压冷喷涂工业用铝粉、钛粉、锌粉、羰基铁粉、铁基合金等粉末的粉尘爆炸特性进行了研究,检测结果通过参考事故发生的几率及损失大小来得出。1.材料和过程1.1粉末粒度的测定本实验选用了以下五种市售粉末:铝粉、钛粉、锌粉、羰基铁粉、铁基合金粉末,这些粉末粒度不尽相同,表1为粉末的主要化学成分及中值粒径。1.2粉末性能用扫描电镜观察粉末的形貌,XRD检测粉末的物相,用MT3300激光粒度仪检测粉末的粒度分布。1.3粉末危险性测试易燃粉尘的最低极限爆炸浓度(MEC)测试:用JISZ8818——《可燃粉尘的最低浓度限度测试方法》所规定的爆破式测试方法来测量粉尘的MEC,如图1所示,测量装置由空气压缩件和爆炸缸两部分组成。试样粉末通过压缩空气机的下部被分散于爆炸筒中,用交流电弧放电火花作为点火源引爆粉末,通过目测在一定粉尘浓度下粉尘云的引爆获得粉尘的MEC。首先,一定量的粉末被吹入爆炸筒中,之后火花分别放电0.1秒、0.3秒、0.5秒,通常认为火焰传播100mm或传到放电电极上的时间为点火到爆炸的时间。在同一粉尘浓度下测试5次粉尘的MEC,取其最高值即为粉末的MEC。粉末爆炸性的分类评定如表2所示。悬浮粉末的最小点火能量测试:点火最小能量值称作MIE,使用的设备如图2所示,其根据IEC61241-2-3(1994-09)第三节—《粉尘/空气混合物的最小点火能量测定方法》测量。该设备的放电输出能量有7档可调,通过安装的电容性放电系统可释放分别为1mJ、3mJ、10mJ、30mJ、100mJ、300mJ、1000mJ的能量,可以在1.2L的爆炸筒中引爆粉末样品。对一定量的粉末,在一定的点火能量下重复10次以便确定粉末是否能被引爆,如果能被引爆,则认为此条件为该粉末的点火能量,表3是关于点火灵敏性的一个举例。压力加载速度及爆炸压力:根据JISZ8817—《可燃粉尘的爆炸压力及压力上升速率的测试方法》来测定爆炸压力及压力上升速率,在日本,对爆炸强度的相关评估也通过此标准测定。该测量值用来评估可燃性粉尘的爆炸强度,并用来确定爆炸开口处的爆炸弥散面积。然而,这个数值只是在此特定测量方法下所得到的,并不能完全代表该物质的具体特性。据JISZ8817标准附录2,测试设备有一个30升的爆炸筒,如图3所示。试样粉末随设备底部的高压气体被压入压力较低的地方,粉末弥散的分布在不锈钢质的爆炸缸中,试样粉末被具有10KJ能量的化学药剂点燃。通过装在室壁上的压力传感器来测量爆炸压力,在爆炸筒的底部放入一定量的粉末样品,通过引燃药剂点爆粉尘,之后,通过两个压力传感器测得爆炸压力-爆炸时间的曲线,计算其压力平均值,数据后会被换算为爆炸筒内每立方米的压力当量。ASTME1226粉尘爆炸性根据易爆系数(KSt)可分为St0至St3三类,如表4所示。除无爆炸性这一分级外,可用其它三级对粉尘爆炸性进行评估,St3级表示粉末爆炸强度高,且若无保险措施,将可能造成二次损伤。2结果与讨论2.1氧化物的存图4为铝粉和钛粉的XRD分析结果,可以看到,图谱中有Al峰和Ti峰出现,但没有检测到氧化物的存在。图5为用SEM观察冷喷涂所用粉末的形貌,Al粉和铁基粉末大多呈类球形或椭球状,Zn粉和羰基铁粉球形度较好,且粒径小于10μm,用X射线衍射仪观测粉末的晶体结构。2.2粉末点火敏感性表5为各个粉末爆炸危险性的测试结果,Al粉的最低极限爆炸浓度为85g/cm3、粉末易爆性能为中等(表2中所示)。对于此类粉末,需要针对不同的粉末,采用具体的防护措施。此铝粉的点火能量最小值为10~30mJ,点火敏感性高(表3中所述),如果粉末有较高的点火敏感性,则需实施静电放电或采用抗静电措施来保护施工人员和场所,或者采取措施防止非易燃粉末和惰性气体发生爆炸。Ti粉的点火能量最小值小于1mJ,火花敏感性特别强,需对此类粉末采取防范措施。Zn粉、羰基铁粉和铁基合金粉末的MEC值分别为2000g/m3、260g/m3、910g/m3,粉尘易爆程度均为“低”(表2所述)。当粉尘浓度为500g/m3时,通过装有引爆系统的设备测试时没发生爆炸,则该粉末被认为“无爆炸性”,Zn粉和铁基合金粉末属于此种粉末;对于无或低爆炸行的粉末,可以进行正常的喷涂操作,但同时也需维护、检查和清洗。Zn粉、羰基铁粉和铁基合金粉末的MIE值分别为420mJ、1.4mJ和84mJ,Zn粉的最小点火能量值较高,即其点火敏感性低;铁基合金粉末的点火敏感性为“中等”;羰基铁粉的点火敏感性高(表3所述)。2.3铁基合金粉末的革命表6为各粉末的粉尘爆炸强度风险的测试结果和总结,对Al粉来讲,爆炸压力为8.0×102kPa,易爆系数KSt=93×102kPa•m/s,属St1级(具有轻微爆炸性,如表4中所述)。Ti粉、Zn粉、羰基铁粉和铁基合金粉末的爆炸压力较为接近,分别为6.2×102kPa、5.2×102kPa、4.7×102kPa、4.7×102kPa,也被归类为St1级,因此从爆炸压力上来看,试样粉末的爆炸强度均为“具有轻微爆炸性”。即使如此,也需采取一定的安全措施,因为一旦发生爆炸,炉膛会被炸毁。除此之外,还可采用下列措施减少事故发生:(1)安装防爆口;(2)安装单向阀(闭合器)等。3对集尘器的防护从事故发生的概率和发生时损失的大小来看,对铝粉、钛粉、锌粉、羰基铁粉、铁基合金粉末的爆炸特性进行了检测,结论如下:(1)Al粉、Ti粉的最低极限爆炸浓度为85g/cm3、粉末易爆性能为中等,最小点火能量值低于30mJ,因此对火花的敏感性高。钛粉和羰基铁粉的点火敏感性分别小于1mJ和1.4mJ,故其对火花及其敏感,因此,需在操作时对工作台和操作者采用静电放电或抗静电措施,或采用不易燃粉末和惰性气体来防止爆炸。(2)Zn粉、羰基铁粉和铁基合金粉末的极限爆炸浓度被归类为“粉尘易爆性低”,如对操作设备采用相应的维护和清理措施,此类粉末可以进行普通的操作。(3)铝粉、钛粉、锌粉、羰基铁粉和铁基合金粉末的易爆性被归类为“St1”级,即爆炸强度弱。即使如此,也有必要对引爆炉膛采取一定的安全措施以防发生爆炸时被毁坏。基于此,为防止爆炸的产生,应采用以下措施:防止尘雾飞散、消除火源、使