Al/Fe2O3铝热剂粉尘着火敏感性

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.03.014

摘要/Abstract

摘要：

为明确铝热剂反应的着火特性，利用最低着火温度（minimum ignition temperature，MIT）和最小点火能（minimum ignition energy，MIE）测试装置，结合TG-DSC方法对4种Al粉与Fe₂O₃质量比为1∶4，1∶3，1∶2，1∶1的层状和云状Al/Fe₂O₃铝热剂进行了着火敏感性研究.结果表明，4种配比试样的粉尘层、粉尘云MIT均超出相关标准常规测试范围，在空气中质量比为1∶3铝热剂的反应触发温度为888 ℃，活化能为248.49 kJ/mol，说明铝热反应不容易触发；相同质量比的Al/Fe₂O₃粉尘云的MIE远高于粉尘层，层状MIE最低值为0.7 J，着火敏感性较强，这是因为Fe₂O₃在粉尘云状态的反应中充当惰化剂，而在粉尘层状态反应中为反应提供了活性氧自由基.

关键词: Al/Fe₂O₃铝热剂, 铝热反应, 粉尘层, 粉尘云, 着火敏感性

Abstract:

In order to determine the ignition characteristics of thermite， the ignition sensitivity of four layered and cloud Al/Fe₂O₃ thermite with mass ratio of Al and Fe₂O₃（1∶4，1∶3，1∶2，1∶1） was studied by using the minimum ignition temperature （MIT） and minimum ignition energy（MIE） test device combined with TG?DSC method. The results show that the MIT of dust layer and dust cloud for 4 kinds of matching samples exceed the conventional test range specified in relevant standards， the triggering temperature of thermite with the mass ratio of 1∶3 in the air is 888 ℃ and the activation energy is 248.49 kJ/mol， indicating that thermite reaction is not easy to trigger. The MIE of Al/Fe₂O₃ dust cloud with the same mass ratio is much higher than that of the dust layer， and the minimum MIE of the laminar is 0.7 J， indicating a higher ignition sensitivity. This is because Fe₂O₃ acts as an inerting agent in the reaction within the dust cloud state， and provides active oxygen species for the reaction within the dust layer state.

Key words: Al/Fe₂O₃ thermite, thermite reaction, dust layer, dust cloud, ignition sensitivity

中图分类号:

X 932

李刚, 马艳英, 刘宗阳, 南相莉. Al/Fe₂O₃铝热剂粉尘着火敏感性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(3): 415-421.

Gang LI, Yan-ying MA, Zong-yang LIU, Xiang-li NAN. Ignition Sensitivity of Al/Fe₂O₃ Thermite Dust[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(3): 415-421.

图/表 12

表 1 Al粉和Fe2O3粒径分布 (μm)

Table 1 Particle size distribution of Al and Fe2O3 powder

粉末	D₃	D₁₀	D₅₀	D₉₀	D₉₇	D_avg
Al	5.78	9.72	17.79	27.47	32.27	18.19
Fe₂O₃	0.75	1.36	4.93	23.88	44.27	9.50

图1 铝粉和氧化铁粒径分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curves of aluminum

图2 粉尘云最小点火能测试装置

Fig.2 Test device of dust cloud minimum ignition energy

图3 粉尘层最小点火能测试装置

Fig.3 Test device of dust layer minimum ignition energy

图4 Al粉与Fe2O3质量比1∶1粉尘云最小点火能实验现象

Fig.4 Experimental phenomenon of minimum ignition energy of dust cloud with a mass ratio of Al powder

图5 Al和Al/Fe2O3粉尘云爆炸压力曲线

Fig.5 Al and Al/Fe2O3 dust cloud explosion pressure curves

图6 Al/Fe2O3粉尘层最小点火能实验结果

Fig.6 Experimental results of minimum ignition energy of Al/Fe2O3 dust layer

图7 Al/Fe2O3粉尘层着火后产物照片

Fig.7 Photo of product after fire of Al/Fe2O3 dust layer

图8 空气氛围下热重分析曲线

Fig.8 Thermogravimetric analysis curves in air atmosphere

图9 氮气氛围下热重分析曲线

Fig.9 Thermogravimetric analysis curve in nitrogen atmosphere

图10 氩气氛围下热重分析曲线

Fig.10 Thermogravimetric analysis curves in argon atmosphere

图11 Al/Fe2O3铝热反应机理图

Fig.11 Mechanism diagram of Al/Fe2O3 thermite reaction

参考文献 20

1	Li Y X， Chen C， Yi R X，et al.The brazing of Al₂O₃ ceramic and other materials［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，120（1/2）：59-84.
2	Yuan Y， Fan J Y， Li J S，et al.Oscillatory pressure sintering of Al₂O₃ ceramics［J］.Ceramics International，2020，46（10）：15670-15673.
3	Huang J S， Liao Q L， Wang F，et al.Synthesis of Fe‐doped alumina transparent ceramics by co‐precipitation and vacuum sintering［J］.Ceramics International，2018，44（1）：799-804.
4	安全执法和工贸监管局.关于宁夏银川大多天盛金属陶瓷技术有限公司“6·28”较大爆炸事故情况的通报［R］.衢州：衢州市应急管理局，2021.
	Security Law Enforcement and Industry and Trade Supervision Bureau.Announcement on the “6·28” large explosion accident of Ningxia Yinchuan Most Tiansheng Metal Ceramics Technology Co.，Ltd.［R］.Quzhou：Quzhou Emergency Management Bureau，2021.
5	Wang Y.Preparation of the high temperature resisting material with Al‐CrO₃ system by SHS［J］.Advanced Materials Research，2013，690/691/692/693：334-337.
6	Chen C G， Shi T， Wang W W，et al.Characterization and integrated fabrication of Al components with thick TiC_p/Al composite coatings via self‐propagating reaction［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2019，28：4485-4495.
7	Hou X H， Yu J K.Phase and structure formation mechanisms of SHS synthesized composite coatings［J］.Ceramics International，2018，44（7）：8012-8017.
8	Averill A F， Ingram J M， Battersby P，et al.Ignition of flammable hydrogen/air mixtures by mechanical stimuli. part 2：ignition under conditions of rust and surface pyrophoric material contamination［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2015，40（12）：4392-4400.
9	Seyed E S， Ramin R， Jalil V K，et al.A self‐propagating high‐temperature synthesis process for the fabrication of Fe（Cr）‐Al₂O₃ nanocomposite［J］.International Journal of Minerals Metallurgy and Materials，2019，26（6）：775-786.
10	Park Y J， Seo S H， Jang S W，et al.Investigation of shear‐induced exothermic thermite reaction in Al‐Fe₂O₃ epoxy cast composites［J］.Combustion Science and Technology，2016，188（6）：895-909.
11	Yang H F， Xu C H， Man S S，et al.Effects of hollow carbon nanospheres on combustion performance of Al/Fe₂O₃‐based nanothermite sticks［J］.Journal of Alloys and Compounds，2022，918：165684.
12	贾栓柱，甄建伟，杜仕国，等.多种铝热剂复配设计及其热性能［J］.装甲兵工程学院学报，2018，32（1）：66-71.
	Jia Shuan‐zhu， Zhen Jian‐wei， Du Shi‐guo，et al.Compound design and its thermal property of multiple tHermite［J］.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2018，32（1）：66-71.
13	Azimi‐Roeen G， Kashani‐Bozorg S F， Nosko M，et al.Reactive mechanism and mechanical properties of in situ hybrid nano‐composites fabricated from an Al‐Fe₂O₃ system by friction stir processing［J］.Materials Characterization，2017，127：279-287.
14	Kesiany M， Marcelo J S.Detailed numerical modeling and simulation of Fe₂O₃‐Al thermite reaction［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2021，46（5）：806-824.
15	Lin L Z， Cheng X L， Ma B.Reaction characteristics and iron aluminides products analysis of planar interfacial Al/α‐Fe₂O₃ nanolaminate［J］. Computational Materials Science，2017，127：29-41.
16	叶大伦，胡建华.实用无机物热力学数据手册［M］.2版.北京：冶金工业出版社，2002.
	Ye Da‐lun， Hu Jian‐hua.Handbook of practical inorganic thermodynamic data［M］.2nd ed.Beijing：Metallurgical Industry Press，2002.
17	Valeeva A K， Imayev M F.Evaluation of the thermodynamic possibility of in situ composites fabrication in aluminum‐metal and aluminum‐metal oxide systems through friction stir processing［J］.Letters on Materials，2021，11（4）：544-547.
18	刘金香，郑全勤，高秀英.由热重数据计算动力学参数［J］.化学学报，1983，41（2）：169-175.
	Liu Jin‐xiang， Zheng Quan‐qin， Gao Xiu‐ying.Calculation of kinetic parameters from thermogravimetric data［J］.Acta Chimica Sinica，1983，41（2）：169-175.
19	Song J X， Guo T， Yao M，et al.A comparative study of thermal kinetics and combustion performance of Al/CuO，Al/Fe₂O₃ and Al/MnO₂ nanothermites［J］.Vacuum，2020，176：109339.
20	Zhou L， Piekiel N， Chowdhury S，et al.Time‐resolved mass spectrometry of the exothermic reaction between nanoaluminum and metal oxides：the role of oxygen release［J］.The Journal of Physical Chemistry C，2010，114（33）：14269-14275.

[1]	陈洋洋，孟凡一，蔡景治，苑春苗. 金属氧化物对镁粉尘层火蔓延的增强机制[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(12): 1778-1784.
[2]	杨红霞，李刚，苑春苗，于立富. 油页岩粉尘层着火的理论模型与实验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(12): 1768-1771.
[3]	李新光，钟圣俊，李伟晔，魏玉龙. 火花放电能量精确控制系统研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2015, 36(2): 162-165.
[4]	苑春苗;李畅;李刚;. 恒温热板加热条件下镁粉尘层的着火规律[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2011, 32(10): 1503-1506.
[5]	任纯力;李新光;王福利;S.RADANDT;. 粉尘云最小点火能数学模型[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(12): 1702-1705.
[6]	李刚;钟英鹏;苑春苗;陈宝智;. 基于着火敏感性的镁粉防爆方法研究[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2007, 28(12): 1775-1778.
[7]	李刚;刘晓燕;钟圣俊;党君祥. 粮食伴生粉尘最低着火温度的实验研究[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2005, 26(2): 145-147.
[8]	张廷安;豆志河;徐淑香;杨欢. 铝热自蔓延制备CuCr合金渣系粘度测量及模型建立(Ⅱ)[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2004, 25(2): 142-145.
[9]	张廷安;豆志河;徐淑香;杨欢. 铝热自蔓延制备CuCr合金渣系的粘度测量及模型建立(Ⅰ)[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2004, 25(1): 58-61.
[10]	赵志斌;张国权. 非稳态静电收集理论[J]. 东北大学学报:自然科学版, 1992, 13(4): 325-330.
[11]	黄畅之;费文伯;田秀荣;邓熙帆. 用脉冲激光法引爆并测定粉尘云最小点火能量[J]. 东北大学学报:自然科学版, 1990, 11(2): 150-153.

Al/Fe₂O₃铝热剂粉尘着火敏感性

Ignition Sensitivity of Al/Fe₂O₃ Thermite Dust

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 20

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价