专利名称：一种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抑爆材料及其应用。
背景技术：
瓦斯爆炸事故是造成煤矿企业群死群伤的首要灾害，而我国煤矿目前采用的传统阻隔爆设施，如水棚、岩粉棚等在实际使用中，不能达到预期的阻隔爆效果，大量事故分析表明这些措施在事故发生时不能有效的发挥作用。例如水槽的水分容易蒸发、缺失，需要经常冲水、换水，增加了工人的工作量。尤其是在风量大、气温高的采区，水中易混入矿尘，造成灭火水雾因水量不足而不能有效隔断爆炸火焰的传播。回采巷道水袋棚，按设计规定应该采用脱钩吊挂的方式，但实际应用中的水袋棚却多用铁丝拴在梁上，使得该隔爆设施 在动作时雾化不充分，大大降低了隔爆效果。此外，如果阻隔爆装置的动作压力过低，即灵敏度过高，则爆炸火焰到达，距离阻隔爆装置较远处，前驱压力波的较低冲击压力会使阻隔爆装置开始动作，在火焰到达前就释放出了抑制剂，这样在火焰到达阻隔爆装置位置时，由于抑制剂已被提前释放，且因重力作用大部分已沉落在巷道的底板上，只剩下悬浮在空间中浓度较低的抑制剂。虽然含有抑制剂的瓦斯气体可能超出了爆炸极限，但由于爆炸火焰具有较高的内聚力和较好的整体性，火焰仍可能在巨大的爆炸产物压力的推动下，穿过该区域并引爆前面的瓦斯混合气体而继续向前传播，阻隔爆装置起不到相应的作用。自动式抑爆技术原理是通过传感器等探测爆炸信号，通过控制单元触发抑爆剂喷洒装置动作，以高压引射或爆炸喷洒等方式喷洒抑爆剂，扑灭火焰或衰减爆炸冲激波，完成抑爆。在现阶段，即使技术上能满足要求，其抑制剂昂贵的成本也会使绝大多数使用单位望而却步，在煤矿企业现有条件下更是不可能实现。自动式抑爆技术同样存在难精确的控制火焰波和冲击波到达时间问题，阻隔爆装置起到阻隔爆作用条件有限。由此可见，现有被动式抑爆设施和自动式抑爆设施在瓦斯爆炸时均发挥了阻隔爆的作用，但由于受到井下环境的限制，也同时出现了各种未预期的问题，尤其对弱爆炸(压力低)和较强的爆炸(压力高)抑爆效果极不理想，抑制剂不能充分发挥抑制效果，影响了瓦斯爆炸控制技术的可靠性。另外，现有的被动式抑爆设施和自动式抑爆均为一次性抑爆装置，不具备重复作用性，对井下爆炸后的二次爆炸或多次爆炸事故失去抑爆作用。上述问题的产生，主要是由于目前阻隔爆装置使用的抑制剂多为粉状(如南非HS主动抑爆技术装置采用硫化铝粉)或者液态(如水)，播撒面积及时间有限，影响阻隔爆效果的发挥。鉴于此，研究一种新型固体材料阻隔煤矿瓦斯、煤尘爆炸火焰的传播及影响规律意义重大。瓦斯爆炸过程中造成严重破坏作用的是爆炸波。爆炸波的强度大小在很大程度上受火焰波和前驱波强度的制约，因此通过抑制前驱波来降低爆炸波的破坏能力是很有现实意义的。近年来，多孔材料因其质量轻，对爆炸时产生的压力波和火焰波具有较好的抑制作用而受到关注，已在军事和民用工程防护领域得到广泛的应用。目前国内外学者对金属丝网和泡沫陶瓷多孔材料抑制瓦斯爆炸效果进行了实验研究，发现金属丝网和泡沫陶瓷都对爆炸超压和火焰均有一定的衰减效果，但同时也发现衰减瓦斯爆炸冲击波和火焰波能力偏低，并且存在金属丝网抗烧结性能较差，泡沫陶瓷抗爆炸冲击波损毁性能较差等缺点，作为煤矿矿井固体阻隔爆装置材料尚不够理想。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前抑爆材料阻隔爆效果差、抗冲击性能和抗烧结性能差的问题，而提供一种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料及其应用。本发明的一种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由10% 30%的镍和70% 90%的铁组成；其中，所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为
O.3g/cm3 或 O. 8g/cm3,孔径为 IOppi 30ppi,通孔率为 80 % ~ 90 %，厚度为 3cm、6cm 或8cm。本发明包含以下有益效果
由于瓦斯爆炸传播是压力波和火焰波传播过程的耦合，互相影响，形成正反馈，互相促进，共同作用构成强烈的破坏效应，对火焰波和压力波的同时大幅度抑制是减小爆炸危害的有效方法。本发明的多孔泡沫铁镍金属能够有效衰减阻隔火焰波和压力波造成的危害，本发明的多孔泡沫铁镍金属对管道瓦斯爆炸阻隔爆实验中超压值衰减率为55. 1% 73. 8% ;对瓦斯爆炸火焰温度的衰减率为37. 6% 70. 7%。本发明采用多孔泡沫铁镍金属材料的网状、无方向性多孔结构，使其具有吸收横波和抑制驻波的双重能力，爆炸火焰通过泡沫金属材料细小的三维贯通孔隙结构时，被分化成若干细小股火焰，使得火焰锋面不能连续，并对火焰通过造成阻力，与孔壁的碰撞、摩擦导致参加燃烧反应的自由基数量急剧减少，削弱了反应强度。爆炸火焰与大量金属孔壁及毗邻结构产生的热交换效应使火焰的热量大量散失，大部分小股火焰温度迅速降低到淬熄温度以下而熄灭，从而阻止火焰的继续传播。当相对密度一定时，基体材料的本身的力学性能会对泡沫材料的性能起重要的作用，多孔泡沫铁镍金属基体材料是铁镍金属，铁镍金属基体材料的力学性质直接决定多孔泡沫铁镍金属材料的压缩变形行为和模式，决定了其具有较好的脆性和韧性性能。冲击波到达多孔泡沫铁镍金属的表面，固体表面的反射作用消耗一部分冲击波能量；在管道中多孔泡沫铁镍金属的三维贯通孔隙结构被压缩，将部分冲击能量转化为塑性能；进入到多孔泡沫铁镍金属内部的冲击波使孔壁发生弹性形变，部分冲击能量转化为弹性能。多孔泡沫铁镍金属内部具有大量的三维贯通孔隙结构，当冲击波入射至其中，以不同角度撞击到孔隙结构内壁上，产生不同角度的反射和散射作用；多孔泡沫铁镍金属内部三维贯通孔隙结构复杂，反射、散射的冲击波再次遇到孔隙内壁后将产生新一轮的反射、散射作用，在反复的反射和散射过程中部分能量抵消、消耗。经过以上作用过程，冲击波在经过多孔泡沫铁镍金属后趋于发散和不均匀的状态，导致其前进波不能产生周期性反转，也不能够和反射波互相干涉而产生驻波，从而使冲击波超压峰值大幅度衰减。冲击波在多孔泡沫铁镍金属中传播过程所产生的衰减效应，主要取决于上述各阶段作用所吸收和耗散的能量。
图I为放置在实验管道中的金属丝网体照片；图2为放置在实验管道中的Al2O3泡沫陶瓷照片；
图3为放置在实验管道中的SiC泡沫陶瓷照片；图4为放置在实验管道中的本发明的多孔泡沫铁镍金属照片；图5为实验装置照片；图6为放置多层金属丝网的管道内超压分布曲线图；其中，-■-为空管内超压分布曲线，-·-为放置30目、30层金属丝网体的管道内超压分布曲线，-▲-为放置30目、40层金属丝网体的管道内超压分布曲线，一为放置40目、20层金属丝网体的管道内超压分布曲线，- _为放置40目、30层金属丝网体的管道内超压分布曲线，一^—为放置40目、40层金属丝网体的管道内超压分布曲线；图7为放置多层金属丝网管道内火焰温度分布曲线图；其中，为空管火焰温度分布曲线，-·-为放置30目、30层金属丝网体的管道内火焰温度分布曲线，-▲-为放置30目、40层金属丝网体的管道内火焰温度分布曲线，一零一为放置40目、20层金属丝网体的管道内火焰温度分布曲线，- -为放置40目、30层金属丝网体的管道内火焰温度分布曲线，一_-为放置40目、40层金属丝网体的管道内火焰温度分布曲线；图8为放置泡沫陶瓷的管道超压分布曲线图；其中，-■-为空管的超压分布曲线，-·-为放置5cm厚的Al2O3材质的泡沫陶瓷的管道超压分布曲线，-▲-为放置5cm厚的SiC材质的泡沫陶瓷的管道超压分布曲线，~零~为放置7cm厚的Al2O3材质的泡沫陶瓷的管道超压分布曲线；图9为放置泡沫陶瓷的管道内火焰温度分布曲线图；其中，-■-为空管火焰温度分布曲线，-·_为放置5cm厚的Al2O3材质的泡沫陶瓷的管道内火焰温度分布曲线，-▲-为放置5cm厚的SiC材质的泡沫陶瓷的管道内火焰温度分布曲线，为放置7cm厚的Al2O3材质的泡沫陶瓷的管道内火焰温度分布曲线；图10为放置多孔泡沫铁镍金属的管道内超压分布优选曲线图；其中，-■-为空管的超压分布曲线，-·-为相对体积密度为O. 3g/cm3、孔径为lOppi、厚度为8cm、组分为20%镍和80%铁的多孔泡沫铁镍金属材料的管道内超压分布曲线，-A-为相对体积密度为O. 8g/cm3、孔径为30ppi、厚度为3cm、组分为10%镍和90%铁的多孔泡沫铁镍金属材料的管道内超压分布曲线，-W为相对体积密度为O. 8g/cm3、孔径为20ppi、厚度为8cm、组分为20%镍和80%铁的多孔泡沫铁镍金属材料的管道内超压分布曲线；图11为放置多孔泡沫铁镍金属的管道内火焰温度分布优选曲线图；其中，-■-为空管火焰温度分布曲线，-·-为相对体积密度为O. 3g/cm3、孔径为30ppi、厚度为8cm、组分为20%镍和80%铁的铁的多孔泡沫铁镍金属材料的管道内火焰温度分布曲线，-▲-为相对体积密度为O. 3g/cm3、孔径为30ppi、厚度为8cm、组分为30%镍和70%铁的多孔泡沫铁镍金属材料的管道内火焰温度分布曲线，为相对体积密度为O. 8g/cm3、孔径为20ppi、厚度为6cm、组分为10%镍和90%铁的多孔泡沫铁镍金属材料的管道内火焰温度分布曲线；图12为金属丝网体抗烧结情况照片；图13为SiC泡沫陶瓷损毁情况照片；图14为本发明的多孔泡沫铁镍金属抗烧结情况照片；
图15为空管出口端火焰喷出照片；图16为放置40目、40层金属丝网体后管道出口端火焰喷出照片；
图17为放置5cm的SiC泡沫陶瓷后出口端火焰喷出照片；图18为放置相对体积密度为O. 3g/cm3、孔径为lOppi、厚度为6cm、组分为10%镍和90%铁的多孔泡沫铁镍金属后出口端火焰喷出照片；图19为相对体积密度为O. 3g/cm3,组分为20%镍和80%铁，孔径为20ppi，厚度为3cm的多孔泡沫铁镍金属烧结照片；图20为相对体积密度为O. 3g/cm3,组分为10%镍和 90%铁，孔径为20ppi，厚度为6cm的多孔泡沫铁镍金属烧结照片；图21为相对体积密度为O. 3g/cm3,组分为20%镍和80%铁，孔径为30ppi，厚度为8cm的多孔泡沫铁镍金属烧结照片；图22为相对体积密度为O. 8g/cm3,组分为20%镍和80%铁，孔径为20ppi，厚度为6cm的多孔泡沫金属烧结照片。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式的一种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由10% 30%的镍和70% 90%的铁组成；其中，所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为O. 3g/cm3或O. 8g/cm3，孔径为IOppi 30ppi，通孔率为80% 90%，厚度为 3cm、6cm 或 8cm。本实施方式的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度是在常温下测量的。由于瓦斯爆炸传播是压力波和火焰波传播过程的耦合，互相影响，形成正反馈，互相促进，共同作用构成强烈的破坏效应，对火焰波和压力波的同时大幅度抑制是减小爆炸危害的有效方法。本实施方式的多孔泡沫铁镍金属能够有效减阻隔火焰波和压力波造成的危害，本实施方式的多孔泡沫铁镍金属对管道瓦斯爆炸超压值衰减率为55. 1% 73. 8% ；对瓦斯爆炸火焰温度的衰减率为37. 6% 70. 7%。本实施方式采用多孔泡沫铁镍金属材料的网状、无方向性多孔结构，使其具有吸收横波和抑制驻波的双重能力，爆炸火焰通过泡沫金属材料细小的三维贯通孔隙结构时，被分化成若干细小股火焰，使得火焰锋面不能连续，并对火焰通过造成阻力，与孔壁的碰撞、摩擦导致参加燃烧反应的自由基数量急剧减少，削弱了反应强度。爆炸火焰与大量金属孔壁及毗邻结构产生的热交换效应使火焰的热量大量散失，大部分小股火焰温度迅速降低到淬熄温度以下而熄灭，从而阻止火焰的继续传播。当相对密度一定时，基体材料的本身的力学性能会对泡沫材料的性能起重要的作用，多孔泡沫铁镍金属基体材料是铁镍金属，铁镍金属基体材料的力学性质直接决定多孔泡沫铁镍金属材料的压缩变形行为和模式，决定了其具有较好的脆性和韧性性能。冲击波到达泡沫金属材料的表面，固体表面的反射作用消耗一部分冲击波能量；在管道中泡沫金属材料的三维贯通孔隙结构被压缩，将部分冲击能量转化为塑性能；进入到泡沫金属材料内部的冲击波使孔壁发生弹性形变，部分冲击能量转化为弹性能。泡沫金属材料内部具有大量的三维贯通孔隙结构，当冲击波入射至其中，以不同角度撞击到孔隙结构内壁上，产生不同角度的反射和散射作用；泡沫金属材料内部三维贯通孔隙结构复杂，反射、散射的冲击波再次遇到孔隙内壁后将产生新一轮的反射、散射作用，在反复的反射和散射过程中部分能量抵消、消耗。经过以上作用过程，冲击波在经过泡沫金属材料后趋于发散和不均匀的状态，导致其前进波不能产生周期性反转，也不能够和反射波互相干涉而产生驻波，从而使冲击波超压峰值大幅度衰减。冲击波在泡沫金属材料中传播过程所产生的衰减效应，主要取决于上述各阶段作用所吸收和耗散的能量。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由20%的镍和80%的铁组成。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一至二不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由10%的镍和90%的铁组成。其它与
具体实施例方式
一至二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由30%的镍和70%的铁组成。其它与具体实施 方式一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的孔径为30ppi。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的通孔率为85%。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的厚度为6cm。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为8cm。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为O. 8g/cm3。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十具体实施方式
一所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的应用是多孔泡沫铁镍金属抑爆材料用于作为抑制瓦斯爆炸的抑爆材料。通过以下实验验证本发明的有益效果一、多孔泡沫铁镍金属材料、金属丝网和泡沫陶瓷的抑爆效果对比实验选取30目和40目金属丝网体、材质为Al2O3和SiC的泡沫陶瓷材料和多孔泡沫铁镍金属材料作为抑爆实验材料，进行抑爆效果对比测试。I.实验条件对照组为1)30目(2. 54cm内排列的目数)和40目不锈钢丝网，组成不同层数金属丝网体。2) Al2O3和SiC材质的泡沫陶瓷材料，泡沫陶瓷材料的通孔率为80% 90%，孔径(2. 54cm长内排列的孔数)为IOppi (大孔)，厚度分别为7cm和5cm。实验组为多孔泡沫铁镍金属材料，通孔率为80 % 90 %，相对体积密度(相对体积密度是在常温度下测量的)为O. 3g/cm3和O. 8g/cm3，组分为重量百分含量10% 30%的镍和70% 90%的铁，孔径为30ppi (小孔)、20ppi (中孔)和IOppi (大孔)三种规格，尺寸为28cmX 28cm,厚度为 3cm、6cm 和 8cm。2.实验装置采用如图5所示的实验管道进行实验，图5的实验管道为自行设计加工的断面为30cmX 30cm方形的钢板管道，总长为6. 5m，工作压力lOMPa。全管道由长度为O. 3m气室和4节长度为I. 55m管道组成，法兰连接，可分装拆卸，气室与每节管道各有4个测试孔，选用其中8个测孔，安装火焰温度和压力传感器，通过采集卡采集电压数值，转化为火焰温度和压力值。3.测试方法为选用体积浓度为7. 68%的瓦斯混合气体，对图5的实验管道抽真空后，全管充入瓦斯混合气体，管道后端用强力胶粘牛皮纸封闭，前端点火。先进行空管实验；然后在管道 中距引爆点3. 5m处，用钢管支架固定待测试的多孔泡沫铁镍金属材料、金属丝网或泡沫陶瓷试件，用泡沫和密封胶密封边缘空隙，然后进行抑爆效果实验。4实验结果I)对照组中金属丝网体抑爆效果放置多层金属丝网后管道内爆炸超压分布数据如表I所示，用表I的数据绘制的管道内爆炸超压与距引爆点距离的关系曲线如图6所示，放置多层金属丝网后管道内火焰温度分布数据如表2所示，用表2的数据绘制的管道内火焰温度与距引爆点距离的关系曲线如图7所示，由表I、表2、图6和图7可知，多层金属丝网体对管道内瓦斯爆炸超压衰减率为22. 5% 43.9%，对火焰温度的衰减率为8. 7% 26.9%。火焰温度数据表明40目金属丝网体阻火能力整体上略微优于泡沫陶瓷，多层金属丝网体孔隙之间贯通程度较低，火焰锋面在其内部不容易连续，被细分成若干小股，热量无法补充，容易失去热平衡，导致部分小火焰团熄灭。在进行热传导及热吸收性能检测时，在管道中放置金属丝网体，与空管喷出火焰相比(如图15)，爆炸火焰亮度和喷出管道出口长度减小，爆炸响声较大，说明其吸收声学驻波的能力较差。管道内回火现象使靠近出口面局部丝网有烧结现象，如图16所示，管道内回火现象使靠近出口面局部丝网有烧结现象，实验结束后，丝网体温度明显升高，金属丝网硬度较高，抗冲击波损毁能力较强，但抗烧结能力较差。多层金属丝网体层与层之间几乎没有间距，所形成的空间网状结构，孔道与孔道间连通程度较低，冲击波对其压缩耗能程度较低，金属丝较光滑，表面积较小，冲击波在其内部反射、散射作用程度较低，所消耗的能量较少。表I.放置多层金属丝网的管道内超压分布数据表
权利要求
1.ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由10% 30%的镍和70% 90%的铁组成；其中，所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为0. 3g/cm3或0. 8g/cm3，孔径为IOppi 30ppi，通孔率为80% 90%,厚度为 3cm、6cm 或 8cm。
2.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由20%的镍和80%的铁组成。
3.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由10%的镍和90%的铁组成。
4.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由30%的镍和70%的铁组成。
5.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的孔径为30ppi。
6.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的通孔率为85%。
7.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的厚度为6cm。
8.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为8cm。
9.根据权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的相对体积密度为0. 8g/cm3。
10.如权利要求I所述的ー种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料的应用，其特征在于所述的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料用于作为抑制瓦斯爆炸的抑爆材料。
全文摘要
一种多孔泡沫铁镍金属抑爆材料及其应用，它涉及一种抑爆材料及其应用。本发明要解决现有的抑爆材料阻隔爆效果差、抗冲击性能和抗烧结性能差的问题。本发明的多孔泡沫铁镍金属抑爆材料按重量百分含量是由10％～30％的镍和70％～90％的铁组成。本发明的多孔泡沫铁镍金属对管道瓦斯爆炸阻隔爆实验中超压值衰减率为55.1％～73.8％；对瓦斯爆炸火焰温度的衰减率为37.6％～70.7％。本发明应用于抑制瓦斯爆炸领域。
文档编号C22C1/08GK102796911SQ20121028474
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者孙建华, 魏春荣, 赵建华, 邢书仁, 曲征, 张俊文, 刘振文, 姜天文, 张锦鹏, 米红伟 申请人:黑龙江科技学院