Page 177 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 赵江平，等： 增材制造用铝及铝硅合金粉尘的爆炸特性 第 5 期

对上述结果的分析认为：粒径小的粒子具有更大的比表面积，使得更多颗粒能够与氧气接触，从而
促进燃烧反应进行；燃烧反应速率加快，释放的热量相对更多，粒子能够更有效地参与反应，提高可燃混
合物的温度，有助于引发并维持燃烧反应；此外，小的粒子更易在空气中扩散，使得颗粒分布更均匀，形
成更易燃的混合物。因此，爆炸下限随粒径的变小而降低。
根据热爆炸理论对粉尘爆炸机理的分析 [25] ，高温会使得反应速率常数 k（ k = Ae −E/RT a ，其中 A 为频率
e −E/RT a 为指数因子，E 为反应的活化能，R a e −E/RT a 变大，
因子， 为气体常数，T 为环境温度）增大，指数因子
热反应速率提高，则达到热爆炸状态所需的最小反应物浓度即爆炸下限会降低。热爆炸判据表示为：
3
πAC d d QC g E exp(−E/RT a )
= e −1 (1)
D p ρ s XS RT a
式中：C 为粉尘爆炸下限，d 为以点火源为中心的均温系统半径，Q 为消耗每摩尔物质产生的热量，C 为
g
d
p
氧气的质量浓度，D 为颗粒粒径，ρ 为粉尘密度，X 为传热系数，S 为反应器与周围环境相接触的表面积。
s
根据式 (1) 可知，当环境温度升高时，爆炸下限会降低。该理论假设的环境与实验环境基本一致，可
为分析本实验结果提供依据。

2.1.2 粉尘浓度对最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响
利用 5 kJ 能量点火头 [26] ，分别选取粉尘云质量浓度为 150、300、450、600、750、900 和 1 050 g/m 对
3
3 种样品的爆炸特性进行研究。粉尘云质量浓度对 3 种样品爆炸特性的影响如图 5～6 所示。

0.8 Al 40 Al
Al-12Si Al-12Si
0.7 Al-20Si 30 Al-20Si

p max /MPa 0.6 (dp/dt) max /(MPa·s −1 ) 20
0.5
0.4
0.3 10
0.2
0 200 400 600 800 1 000 1 200 0 200 400 600 800 1 000 1 200
ρ/(g·m ) ρ/(g·m )
−3
−3
图 5 最大爆炸压力随粉尘浓度的变化 图 6 最大爆炸压力上升速率随粉尘浓度的变化
Fig. 5 Maximum explosion pressure Fig. 6 Maximum explosion pressure rise rate
versus dust concentration versus dust concentration

从图 5～6 可以看出，随着质量浓度的增加， 0.8 p max =0.758 MPa
3 种样品的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升
0.6 p max =0.478 MPa
速率均呈现先增大后减小的趋势；Al、Al-12Si p max =0.502 MPa
和 Al-20Si 达到最大爆炸压力峰值时的质量浓度 0.4
分别为 300、750 和 900 g/m ，对应的最大爆炸压 p max /MPa Al
3
力分别为 0.758、0.678 和 0.644 MPa；Al 的最大 0.2 Ignition 372 ms 469 ms Al-12Si
Al-20Si
171 ms ρ=300 g/m 3
爆炸压力上升速率变化最大，且远大于铝硅合 D 50 =30 μm
0
3
金。图 7 显示了 3 种样品在 ρ=300 g/m 、粒径为 126 ms
30 μm 时的压力-时间变化曲线。其中 Al 的最大 0 200 400 600 800 1 000
爆炸压力最大，随着硅含量的增加，合金粉尘达 t/ms
到最大爆炸压力所需的时间变长，最大爆炸压力 图 7 3 种样品的爆炸压力曲线
上升速率随之变小。 Fig. 7 Explosive pressure curves for three samples
对上述观察的分析如下：当粉尘云质量浓度低于最大爆炸压力峰值对应的质量浓度时，处于富氧环境；

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