Mg-Al合金爆炸特性的试验研究

李 文， 刘晓勇

(江西新余国科科技股份有限公司，江西 新余 338034)

Mg-Al合金爆炸特性的试验研究

李 文， 刘晓勇

(江西新余国科科技股份有限公司，江西 新余 338034)

Mg-Al合金是一种广泛运用于工业、国防等领域的化工材料。为研究其爆炸特性，对不同浓度、不同粒度下合金粉尘爆炸压力的变化规律进行了实验探究，并考察了惰性粉尘的加入对爆炸压力的影响。结果表明，Mg-Al合金粉末的爆炸压力随着浓度的增加均呈现先增大后减小的趋势； Mg-Al合金粉末的粒度越小，达到爆炸最大压力的时间越短，且压力值越大；碳酸钙粉末的加入，可以显著降低爆炸压力。

Mg-Al合金；爆炸压力；爆轰性能；惰性粉末

引 言

Mg-Al合金(Mg4Al3)是一种灰褐色的合金材料，熔点较低，但燃烧热值很高，燃烧过程中能产生2 000 ℃～3 000 ℃的高温。这种合金的化学性质活泼，常作为冶金业中的脱氧剂、焊丝、合金添加剂等。同时，它极易燃烧，产生高温的同时会伴随耀眼的白光。因此，在军事上被用作照明弹和燃烧弹；而在烟花行业，Mg-Al合金则是一种重要的发光剂[1-2]。

随着国民经济的发展，相关行业对Mg-Al合金的需求越来越大，吸引了更多的厂家进入[3]。但由于部分厂家技术不达标，且安全意识淡薄，导致不严格遵守Mg-Al合金的生产规范，使合金产品中的比例失衡，杂质增多，或者粒径不受控，导致该合金的性能不稳定，给相关生产和使用过程埋下了安全隐患[4]。

为了探究Mg-Al合金的燃烧爆炸特性，本文在前人研究的基础上，利用20 L球形爆炸罐，对合金粉末的各项影响因素进行了探究，并考虑了一种可行的提高安全性的工业生产方法，为这种合金的安全生产提供参考。

1 试验方法和装置介绍

1.1 试验方法

实验流程图如图1所示。

图1 试验流程图

在试验之前，检查各部件是否工作正常，并预先将实验样品置于恒温箱中烘干，使其水分低于5%。按照GB/T 16426-1996粉尘云最大爆炸压力和最大压力上升速率测定方法[5]，本文的点火源为10 kJ烟火点火具，点火源置于球形罐中心，在罐壁上设置压力传感器，传感器与记录仪连接。

将试样由粉尘仓通入球罐中，并加压至2 MPa；将数据记录装置调试为待测状态；设置点火延迟为300 ms，按下点火按钮。之后，对压力值进行记录。每次试验后，应当吹净爆炸罐。

1.2 试验装置

对Mg-Al合金进行粉尘爆炸试验时，需要用到的试验仪器主要有20 L球形爆炸罐、点火器和数据记录装置。爆炸罐采用爱迪赛恩公司的DPVTA型爆炸罐，如图2所示。该装置技术参数如下：爆炸室容积：20 L；爆炸室工作压力：2×103kPa；爆炸容器夹层温度使用冷水，控制在20 ℃左右；压力传感器：响应速率5 kHz；点火能量：10 kJ；设置2个完全独立的测试通道，并可对仪器进行自检。配套的测试系统可以完成自动进气、排气的控制过程，并在试验完成后实时记录结果。

图2 球形爆炸罐实物图

2 结果及分析

2.1 合金粉尘浓度对爆炸的影响

选取100目、200目(分别对应150 μm和75 μm，下同)的Mg-Al合金粉末进行点火实验，按照国标，以大于空白试验0.05 MPa以上的检测值作为爆炸的产生依据。在本次试验中，取0.2 MPa作为爆与未爆的分界线。Mg-Al合金质量浓度从300 g/m3递增至900 g/m3。试验结果如图3所示。

图3 不同质量浓度的Mg-Al合金对爆炸压力的影响

从图3中可以看出，不同粒径大小的合金粉末，其爆炸压力随着质量浓度的增加均呈现先增大后减小的趋势。200目(150 μm)的合金粉在约700 g/m3时率先达到最大压力，约为1.2 MPa，之后迅速减小；100目(75 μm)的合金粉在800 g/m3时达到最大值，约为1.04 MPa，之后同样减小。

质量浓度越高，单位时间、单位体积内粉末爆炸所释放的能量越多，热量的积累进一步促进了其余粉末的反应，使爆炸达到罐壁的压力越来越大。但当罐内的粉末浓度过大时，合金分子对氧气的争夺变得激烈起来，使部分粉末反应不充分，反而造成了压力的下降。Mg-Al合金的粒度越小(目数越大)，达到最大压力所需的浓度越小。这是因为，当粒度较小时，合金粉末颗粒之间的分子吸引力和静电作用力对颗粒的影响越大[6]，同时发生反应的分子比表面积增大，即增大了单位空间内的爆炸反应速度，使压力越大。因此，在生产中因尽量控制粉尘粒度，并避免出现粉尘堆积的情况。

2.2 惰性粉尘含量对爆炸的影响

Mg-Al合金的化学性质活泼。为调节其反应速率与反应热，可在粉末中添加吸热强、密度小且性质稳定的助剂。碳酸钙是一种来源广泛、造价低廉的工业原料，满足上述要求。在试验中选择100目(75 μm)、700 g/m3的合金粉末，选用粒径为5 μm的碳酸钙粉末，其余条件不变。考察不同含量的惰性粉末对Mg-Al合金爆炸最大压力值的影响。结果如图4所示。

图4 不同含量的碳酸钙粉末对Mg-Al合金爆炸压力的影响

从图4中可以看出，随着惰性粉末的加入，爆炸压力显著下降。实际上，当惰性粉尘质量分数超过70%时，合金粉末已无法被100%引爆。

惰性粉末与合金粉末混合后，吸附在金属合金分子的表面，减少了可燃物与氧气的接触面积，使镁铝合金无法充分燃烧，从而使爆炸压力下降[7]；同时，惰性粉尘还会吸收爆炸产生的热量，使热量的积累效率下降，从而降低了爆炸反应速率，降低了爆炸压力。实际生产中，可以视情况在合金粉末中添加适量的惰性粉末，以提高生产过程的安全性。

3 结论

本文通过试验测试与理论分析的方法，考察了不同情况下Mg-Al合金粉末爆炸特性的影响因素，得到如下结论：

1) Mg-Al合金粉末的爆炸压力随着浓度的增加均呈现先增大后减小的趋势；

2) Mg-Al合金粉末的粒度越小，达到爆炸最大压力的时间越短，且压力值越大；

3) 碳酸钙粉末的加入可以显著降低爆炸压力。

[1] 金韶华.炸药理论[M].西安:西北工业大学出版社,2010:237-249.

[2] 吕春绪.工业炸药理论[M].北京:兵器工业出版社,2003.[3] 刘成云.试述粉尘爆炸的特点及预防措施[J].科技创新导报,2010(23):218-219.

[4] 钟英鹏.镁粉爆炸特性实验研究及其危险性评价[D].沈阳：东北大学,2008.

[5] 煤炭工业部煤炭科学研究总院.粉尘云最大爆炸压力和最大压力上升速度测定方法:GB/T 16426-1996[S].北京：中国标准出版社，1996.

[6] Nylund A,Mizuno K,Cast magnesium alloys for elevated temperature applications [J].Journal of Materials Science,1983,29(20):5259-5271.

[7] 赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京：北京理工大学出版社,1996.

Experiment research of detonation performance of Mg-Al alloy

LI Wen, LIU Xiaoyong

(Jiangxi Xinyu Guoke Technology Co., Ltd., Xinyu Jiangxi 338034, China)

Mg-Al alloy is a chemical material widely used in industry and national defense. In order to research the explosion properties, the change discipline of blasting pressure under different concentration and practical size is explored by experiments, and so as the influence of contents of inert dust on blasting pressure. Results show that the blasting pressure of Mg-Al alloy dust increases at first then decreases with the concentration increasing. The smaller the particle size is, the earlier and larger the pressure gets to max. Inert dust can lead a significantly reduce to the max pressure.

Mg-Al alloy; blasting pressure; detonation performance; inert dust

2016-02-20

李 文，男，1975年出生，2011年毕业于江西科技师范大学，学士学位，工程师。研究方向：含能材料原理及工艺。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.02.07

TQ560

A

1004-7050(2017)02-0020-03

科研与开发