费式粒度对易燃金属固体包装分类研究

浦征宇 武文韬 钱玉婷

(1.上海化工研究院有限公司 上海 200062； 2.上海化工院检测有限公司 上海 200062)

0 引言

近年来，工业危化品安全事故层见迭出，其中大部分事故是由于易燃化工品的管理、运输及处置不当引起的。目前对于化工品的管理与运输已出台若干法规和标准，其中在联合国发布的《关于危险货物运输的建议书 试验和标准手册》(以下简称《试验和标准手册》)中，对易燃化工品在运输情况中的危险性进行了明确的分类说明。虽然国内外专家对易燃液体的研究较为广泛[1-2]，但对于易燃固体的研究大部分是关于外部因素对非金属易燃固体的研究[3]，对易燃固体中易燃金属的固体性质、危险性影响因素和包装等级分类却鲜有研究。由于缺乏易燃金属具体危险性参考数据，易燃金属的危险性判定只能通过《试验和标准手册》中燃烧速率试验标准方法进行测定[4]，为工业生产、管理及运输安全带来了不便，因此需要对易燃金属危险性因素进行分析研究。

2019年尹赛男等[5]利用不同粒度的腐殖质研究火垂直燃烧特征，并得出不同粒度的腐殖质与森林地下火燃烧蔓延速度的关系。虽然该研究对象是易燃非金属，但为研究易燃金属的危险性因素提供了一定的思路。

为保证试验用易燃性金属粉末具有代表性和典型性，选取市场占有率较高的易燃金属钨粉作为试验样品，通过筛选不同费式粒度的钨粉进行燃烧速率试验，建立工作曲线研究钨粉的费式粒度与燃烧速率的线性关系，并且利用建立的钨粉工作曲线有效预测不同费式粒度的钨粉的危险性程度。在此基础上，对钛粉进行燃烧速率测试，证明金属费式粒度与燃烧速率存在普遍性关系，为工业生产、管理及运输中快速鉴定分类其他易燃固体提供了思路和试验理论基础。

1 试验部分

1.1 试验材料

分别选取市场上常见的钨粉和钛粉产品作为试验样品，通过筛选不同费式粒度范围的同种金属粉末，进行燃烧速率试验。选用的金属样品具体见表1。

表1 试验用金属样品 μm

1.2 试验仪器及方法

试验仪器及方法参考《试验和标准手册》中4.1项易燃固体燃烧速率试验方法中使用的仪器及试验步骤。

1.2.1 试验仪器

试验仪器主要有：秒表；直尺：最小刻度至少为1 mm；喷枪：喷嘴直径最小为5 mm的气体点火器，最低温度为1 000 ℃；试验平板(水泥石棉板)：不渗透、不燃烧、低导热的平板；测试堆料模具：长250 mm，剖面为内高10 mm和宽20 mm的三角形，如图1所示。

图1 测试堆料模具构造示意

1.2.2 预备试验步骤

将适量样品置于试验平板上，用喷枪缓慢接触样品，观察5 min内样品是否被点燃。若被点燃，即进行下一步燃烧速率试验。

1.2.3 燃烧速率试验步骤

利用测试堆料磨具，在通风橱中将金属粉末堆积成长250 mm，剖面为内高10 mm和宽20 mm的三角形堆垛。在试验期间保持通风橱风速足以防止烟雾逸进实验室。利用喷枪点燃堆垛的一端，当堆垛已烧80 mm距离时，测定之后100 mm堆垛所需燃烧时间。本试验分别进行5次连续有效的测试，计算燃烧时间平均值。再依据《试验和标准手册》中规定的危险性包装等级分类标准进行分类。

1.3 试验标准和危险性包装等级分类评估结果

易燃固体危险程度分为两类，为Ⅱ类包装>Ⅲ类包装。除此以外，不具备易燃危险性的试样分类为非4.1项。具体分类标准如下所示：

(1)Ⅱ类包装：在不超过5 min的时间内，燃烧蔓延到样品计时段全部长度；

(2)Ⅲ类包装：在大于5 min但不大于10 min的时间内，燃烧蔓延到样品计时段全部长度；

(3)非4.1项：燃烧蔓延至样品计时段全部长度的时间均大于10 min。

2 结果与讨论

2.1 钨粉试验及包装等级分类结果

通过预备试验对4种钨粉进行易燃性判定，结果表明4种钨粉均可在5 min内被点燃。然后参照燃烧速率试验步骤对4种钨粉进行5次平行测试，计算平均燃烧时间。再将得到的平均燃烧时间按照判定标准分别进行危险性包装等级分类。钨粉的燃烧时间结果和钨粉的平均燃烧时间及包装等级分类结果见表2、表3。

表2 钨粉的燃烧时间

表3 钨粉的平均燃烧时间及包装等级分类

根据表2所示，4种钨粉的5组平行试验结果的相对标准偏差均小于10%，表明费式粒度不同的钨粉在燃烧速率试验中燃烧反应稳定，试验结果具有较好的精密度。平均燃烧时间结果表明，随着钨粉费式粒度的逐步增大，燃烧时间也随之增大，其原理分析为粉末的比表面积随着费式粒度的增加而逐步减小，从而其易燃程度逐渐降低。

根据表3所示，所使用的钨粉A(0.8～1.0 μm)的平均燃烧速率较为迅速，时间为1.90 min，判定结果为PGII。钨粉B(1.0～3.0 μm)的平均燃烧速率则在PGII边缘值附近，时间为4.83 min，判定结果为PGII。钨粉C(3.0～6.0 μm)的平均燃烧速率则相对缓慢，时间为7.80 min，判定结果为PGIII。最后，随着钨粉D(6.0～9.0 μm)的费式粒度增大，平均燃烧时间超出10 min，判定为非4.1项。通过筛选钨粉费式粒度范围，能够快速评估钨粉的包装等级。

2.2 钨粉工作曲线的拟合及讨论

根据表2平均燃烧时间的结果，以钨粉费式粒度范围的平均值为x轴，平均燃烧时间为y轴作图，通过线性拟合得到钨粉燃烧时间工作曲线，如图2所示。根据数据拟合结果得知，该研究中所使用的钨粉粒度范围处于0.8～9.0 μm之间时，工作曲线为y=1.87x+0.38，相关系数为0.98，表明钨粉的燃烧速率与费式粒度具有良好的线性关系。并且利用工作曲线对钨粉PGII，PGIII包装等级时钨粉费式粒度边缘值(5，10 min)进行计算，得出钨粉PGII，PGIII包装等级时的费式粒度值边缘值分别为2.30，5.11 μm。通过钨粉工作曲线，可以对不同费式粒度的钨粉的包装等级分类进行快速评估，为工业生产、管理及运输安全提供有效的理论手段。

图2 钨粉燃烧时间工作曲线

2.3 金属费式粒度与易燃性的关系验证

为了证明钨粉的费式粒度与易燃性之间的关系并不是单一情况，将不同费式粒度的钛粉进行预备试验和燃烧速率试验。钛粉的平均燃烧时间及包装等级分类结果见表4。

表4 钛粉的平均燃烧时间及包装等级分类结果

根据表4所示，该研究中所使用的钛粉均随着费式粒度的逐步增大，易燃性随之减小。其中钛粉C(3.0～6.0 μm)由于粒度的增大，从易燃金属粉末转变为不易燃金属粉末。通过钛粉的燃烧速率试验结果可知，金属费式粒度与易燃性存在普遍性关系，即随着费式粒度的增大，同种金属易燃性逐步降低。另一方面，本试验所使用的钛粉费式粒度分布较广，更为精细的数据需要更多试验作为依据。

3 结语

通过以不同费式粒度的钨粉为试样进行燃烧速率试验，结果表明随着钨粉费式粒度的增大，易燃危险性也随之降低，并得出钨粉的包装等级与费式粒度的关系。进一步通过线性拟合钨粉费式粒度与燃烧时间的工作曲线，为不同费式粒度的钨粉提供数据依据，能够快速有效地进行包装等级分类评估。同时，通过对钛粉进行燃烧速率试验，得出同种金属费式粒度与易燃性存在普遍性关系。

需要注意的是，由于生产工艺的不同，实际生产得到的同种金属固体的性质也会不同，费式粒度具体分布程度也会有所区别。所以以上结论仅可作为快速评估手段，具体易燃危险性需要根据实际试验结果作为判定依据。

综上所述，通过研究证明了金属费式粒度与易燃性的关系，为工业安全提供有效理论支持，为现有易燃金属固体危险性分类提供了更为细致的思路，补充了快速预估易燃金属固体危险性的手段。同时建议对易燃金属固体进行分类判定时，将金属固体的费式粒度也纳入参考范围，从而得到合理有效的判定结果。