底部热源触发的沉积铝镁合金粉尘热点燃机理及时空演化

《Powder Technology》：Mechanisms of thermal ignition and spatiotemporal evolution of deposited Al Mg alloy dust triggered by a bottom heat source

　　- 阐明了沉积金属粉尘在多个高度与表面点位处的三维时空演化规律。- 构建了多物理场平台以揭示隐蔽的点火动力学机制。- 揭示了空间温度梯度反转与向下热回流行为。- 可视化了由裂缝引起的氧气输运过程以及"洋葱状"火焰传播形态。- 本研究为防范隐蔽性粉尘火灾提供了热力学依据。## 引言作为工业制造中一种关键的轻质金属材料[1]，铝镁合金在机械加工、存储及除尘过程中极易生成并积累大量高活性细粉[2], [3]。由于其固有的高热导率以及多孔体特征，沉积的金属粉尘层在工业环境中常常构成隐蔽的热激励危害[4]。中国深圳璟亿兴五金厂"4.29"重大爆炸事故的官方调查报告明确指出，事故的直接原因为持续运转的电机所产生的高温引燃了底部积聚的铝镁合金粉尘，随后引发了灾难性爆炸，造成5人死亡、5人受伤[5]。这一典型事故暴露出一类破坏性极强的工程隐患：在除尘料斗或加工工作台底部，长期暴露于局部热源极易引燃沉积金属粉尘并触发隐蔽点火。因此，阐明沉积铝镁合金粉尘在底部热激励下的点火演化行为与传播机制，对于打断"阴燃—明火—爆炸"灾害链具有紧迫的现实意义。鉴于铝镁合金极高的可燃性与热反应活性[6], [7]，学者们已对其高温热氧化与燃烧特性开展了广泛研究[8], [9], [10]。现有研究已证实，粉尘的铝镁比[11]与粒度分布[12]是决定其反应动力学行为的关键参数。Aly等人[13]利用等容爆炸（CVE）实验装置发现，铝镁合金粉尘的点火温度显著低于同粒径纯铝粉尘的点火温度，且铝镁合金粉尘表现出更快的燃烧速率[14]与更优的热氧化效率[15]。Wang等人[16]进一步验证了细颗粒铝镁合金粉尘对点火源具有极高的敏感性。然而，上述结果及当前大多数研究主要集中在"粉尘云"的悬浮爆炸与点火特性上，对"粉尘层或沉积层"的研究则相对不足，尽管后者在工业现场更为普遍且隐蔽。尽管已有学者对铝[17]、镁[18]、钛[19], [20]粉尘的沉积状态进行了研究，但多数采用局部直接点火方式，例如中部电点火[21]、热杆[22]与热线[23]，且实验中的粉尘堆积厚度通常较薄（小于1 cm）。这种薄层局部点火模式无法真实反映沉积金属粉尘堆内部的深层热传导过程，也无法捕捉沉积粉尘内部的时空温度演化与温度梯度变化。尤其是对于"底部热源引发火灾"这一高危工况，现有薄层研究在本质上难以揭示底部向上热量传递与顶部向下氧气扩散之间复杂的耦合机制。因此，本研究以沉积铝镁合金粉尘为研究对象，重现了底部加热引发粉尘点火的真实工业场景。通过嵌入式多点热电偶与表面红外测温相结合，精确捕捉了粉尘堆内部不同堆积高度与横向距离处的时空热演化规律。此外，借助热分析实验评估加热过程中的质量与热效应变化，并利用全过程可视化红外视频分析，系统研究了粉尘的火焰传播行为与热扩散路径。最终，本研究阐明了热激励下沉积金属粉尘的点火特性，为铝镁合金粉尘火灾与爆炸的预防与缓解提供了重要的工程应用价值。## 分节摘要### 实验材料制备从上海随天科技有限公司采购了两种不同粒径规格的铝镁合金粉尘，分别为20 μm与60 μm。如表1所示，采用电感耦合等离子体（ICP）光谱法与元素分析仪（EA）测得的样品主要化学成分为90.03%的铝和9.94%的镁，其余为硅、锌、铁等微量杂质。粒度分布与表面形貌如图……所示。### 沉积铝镁合金粉尘的纵向热演化特性确定了在无限加热时长条件下、通过恒定底板加热触发2 cm厚粉尘层发生热失控的临界条件，旨在阐明由内部积热与粉尘自反应引发的点火演化机制。实验结果表明，与薄层加热时的瞬态点火不同，依赖长期热作用发生自燃的20 μm与60 μm沉积粉尘层的最小自燃温度分别为……### 结论针对工业现场中底部热源引发铝镁合金粉尘隐蔽热点火事故这一问题，本研究利用自主设计构建的温度—视觉多物理场耦合观测平台，系统阐明了不同粒径沉积粉尘内部的纵向温度梯度演化规律与横向火焰传播动力学。主要结论如下：(1) 沉积铝镁合金粉尘的热点火过程……### CRediT作者贡献声明李超：撰写——原稿撰写。胡惟希：数据整理。穆杰：形式分析。金隆哲：监督指导。邱宇豪：撰写——审阅与编辑。庞磊：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论设计、概念构思。### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文研究成果的已知竞争性经济利益关系或个人关系。### 致谢作者衷心感谢以下项目的资金支持：国家重点研发计划（编号：2023YFC3010601）、中国博士后科学基金资助项目（编号：2024M760210），以及浙江省劳动安全与自然灾害应急先进技术重点实验室（项目编号：202602）。李超 | 胡惟希 | 穆杰 | 金隆哲 | 邱宇豪 | 庞磊