关于抑制高风险烟火制品燃烧和爆炸的实验及机理研究

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关于抑制高风险烟火制品燃烧和爆炸的实验及机理研究

时间：2026年2月3日

来源：Journal of Loss Prevention in the Process Industries

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Zr/Pb3O4烟火材料通过实验验证了四种抑制剂的阻燃效果，Mg(OH)2在相同条件下抑制效果最佳，其机理包括物理吸热和MgO形成的隔热层，有效降低燃烧温度并阻断火焰传播。

韩志月|穆宇|余宇|杨龙龙|刘云金

北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京，100081，中国

摘要

基于锆的烟火材料Zr/Pb₃O₄在军事和民用领域得到广泛应用。然而，由于其高机械敏感性，在生产过程中容易发生意外点火和爆炸。本研究利用封闭式爆炸装置，研究了四种抑制剂（NaHCO₃、NH₄H₂PO₄、Mg(OH)₂和Al(OH)₃）对Zr/Pb₃O₄点火和爆轰的抑制效果。通过比较关键参数——最大压力（ΔP_max）和最大压力上升率（ΔS_{max），发现Mg(OH)₂的抑制效果最佳。随后，利用带有Mg(OH)₂抑制剂的可视化粉尘爆炸传播小规模试验装置和快速火焰抑制实验装置，对Zr/Pb₃O₄燃烧过程中的火焰传播进行了实验研究。实验结果表明，在相同剂量条件下，向Zr/Pb₃O₄中添加Mg(OH)₂可将燃烧时间减少约52.7%，当烟火材料扩散直径为9厘米且抑制剂释放时间为15毫秒时，能有效阻止火焰传播。主要的抑制机制包括物理吸热冷却，以及Mg(OH)₂分解产物MgO形成的耐高温保护层对火焰传播的阻挡作用。本研究为Zr/Pb₃O₄的安全生产提供了技术支持和理论指导。}

引言

烟火材料有着悠久的历史。这种材料因其能量特性和较低的爆炸性，在实际应用中能够产生光、声、烟雾和气体效果。它广泛应用于军事和民用领域（Gnanaprakash等人，2021年）。烟火的燃烧是一个自供给的氧化还原反应，无需外部氧气即可快速进行（Pouretedal和Roudashti，2024年）。近年来，烟火材料固有的爆炸性在生产和使用过程中带来了显著的安全风险，导致此类材料引发的意外点火和爆炸事件频发（Lin等人，2019年；Wu等人，2023年；Zhao等人，2021年）。例如，2020年7月3日，土耳其Hendek的一家工厂非法生产烟花，在高温下发生自燃，引发连环爆炸，造成7人死亡、127人受伤；2025年3月15日，墨西哥Tlalpujava的烟火市场因火药与金属粉末混合不当，发生爆炸，造成13人死亡、40多人受伤。Zr/Pb₃O₄被广泛用作延迟剂和点火剂，其优点是可以产生大量热量、高温气体和热残留物。然而，Zr/Pb₃O₄的燃烧速率不稳定，且由于机械敏感性高，在受到摩擦或冲击时容易点燃或爆轰，这严重影响了其安全性并增加了意外爆炸的风险。因此，有效控制其意外爆炸已成为亟待解决的挑战。

烟火材料的爆炸抑制剂在防止意外爆炸过程中起着关键作用，可以减缓化学反应速度并有效控制火焰向周围区域的传播。常见的抑制剂包括NaHCO₃、NH₄H₂PO₄、Mg(OH)₂和Al(OH)₃等（Cheng等人，2024a；Li和Du，2024；Ren等人，2022；Wang等人，2020；Zhang等人，2025）。作为粉末抑制剂，NaHCO₃在多种系统中表现出良好的爆炸抑制效果（Cui等人，2020；Zhao等人，2024；Zheng等人，2019），通过分解时吸热降低温度，从而减缓化学反应速率并减弱火焰前沿。在高温条件下，NH₄H₂PO₄分解产生NH₃、H₂O和无水磷酸盐，从而降低火焰周围的氧气浓度和温度（Jiang等人，2020；Q. Wang等人，2020），这减缓了燃烧反应速率并有效抑制了火焰传播。Mg(OH)₂在高温下分解为MgO和水蒸气，吸收大量热量（Huang等人，2019；Wang等人，2020；Wang等人，2021），有效降低可燃物质的燃烧温度，并稀释可燃气体和氧气的浓度，从而抑制火焰传播。Al(OH)₃虽然有时作为燃料添加剂使用，但其主要功能是降低火焰温度。Al(OH)₃在高温下分解为Al₂O₃和水蒸气，吸收大量热量（Sheng等人，2025；Wang等人，2021），稀释燃烧环境中的可燃气体和氧气浓度，减缓燃烧过程。然而，关于这些常见抑制剂对Zr/Pb₃O₄意外爆炸抑制效果的研究还不够深入。

本研究模拟了Zr/Pb₃O₄的意外爆炸事故，以优化NaHCO₃、NH₄H₂PO₄、Mg(OH)₂和Al(OH)₃等抑制剂的抑制效果。本研究调查了Mg(OH)₂对Zr/Pb₃O₄爆炸的抑制效率和机制，为Zr/Pb₃O₄的安全生产提供了保障。

材料

Zr/Pb₃O₄由锆粉（Zr, ZrO₂）作为燃料，Pb₃O₄作为氧化剂，以及氟弹性体作为粘合剂组成。其中，锆粉（Zr, ZrO₂）是一种高自燃性的金属粉末，具有低燃点（210°C）、极高的氧化敏感性、快速燃烧速率和高热量释放率（Antsiferov等人，2011）。Zr/Pb₃O₄由辽宁北华丰特种化工有限公司提供。图1展示了成品锆基烟火材料Zr/Pb₃O₄。

四种常见的...