使用磷石膏泡沫来防止铝熔体泄漏

高温熔铝泄漏的应急控制技术研究：基于磷石膏泡沫的新型材料开发及其性能优化。通过单因素实验确定最优水灰比为0.4，固相组成为60%磷石膏、25.8%粉煤灰、5.2%生石灰和9%钙矾土水泥。泡沫体系添加0.3% xanthan gum实现高效隔热，在720℃熔铝中表面温度降至54℃/s，阻流长度达4cm。相较于聚丙烯酰胺和硅酸钠基泡沫，该材料热稳定性提升且冷却速率快3.82倍，有效降低蒸汽爆炸风险。研究为工业固废资源化提供了创新应用方案。

　　

徐一真|卢志文|王勇|李慧

中国武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉

摘要

高温熔融铝的泄漏可能导致爆炸和火灾。然而，目前的应对措施往往存在冷却速度慢和二次爆炸风险高的问题。本研究通过开发一种磷石膏泡沫来应对高温熔融铝泄漏的挑战，系统地研究了该泡沫的最佳配比、冷却和隔热性能、阻流能力以及热重分析行为。实验结果表明，使用磷石膏泡沫可以有效地预防和控制熔融铝泄漏。通过单因素实验确定磷石膏浆体的最佳水灰比为0.4，其中固体组分的最佳质量比为：60.0%的磷石膏、25.8%的粉煤灰、5.2%的生石灰和9.0%的硫铝酸钙水泥。水性泡沫的最佳配方为0.3%的α-烯基磺酸钠、0.14%的硅聚醚乳液和0.3%的黄原胶，最终浆体中泡沫溶液的含量为20%。使用自制的熔融铝泄漏模拟器、流道装置和热重分析仪分别评估了磷石膏泡沫的冷却和隔热性能、阻流能力以及热重分析行为。实验结果表明，磷石膏泡沫具有有效的冷却、隔热和阻流效果。含有黄原胶的配方使720°C的熔融铝冷却速率为3.82°C/s，表面温度降至54°C。在流动测试中，铝在泡沫中移动了4厘米，温度在大约396秒内降至300°C。与聚丙烯酰胺或硅酸钠增稠的泡沫相比，含黄原胶的泡沫具有更高的热稳定性和更快的冷却速率。这项研究将为高温下处理熔融铝泄漏提供新的应用技术。

引言

高温熔融金属的泄漏事故通常伴随着爆炸、火灾和金属飞溅，这很容易造成人员伤亡，是冶金工业中的主要安全隐患之一[1]、[2]、[3]。目前，国内外对高温熔融金属泄漏的应急响应措施主要包括用耐火材料隔离、使用冷却剂固化以及用阻燃吸水性材料覆盖[4]、[5]。然而，这些传统控制方法在实际应用中存在显著局限性。例如，像沙子和石灰粉这样的固体阻燃剂操作不便且冷却效率低。虽然水基阻燃泡沫可以实现快速冷却，但不适当的水控制可能会引发剧烈的蒸汽爆炸，从而导致二次事故[6]、[7]。全球的研究人员一直在努力改进 containment 材料。例如，Vladut 等人[8]开发了一种基于相变材料 (PCM) 的 Bi/ZnO 复合材料，用于立即防护高温熔融金属泄漏。尽管这种复合材料可以防止熔融金属在其熔点以上的泄漏，但高温 PCM 的封装和循环稳定性仍需解决。He 等人[9]将聚二甲基硅氧烷加入水性泡沫中，开发了 PDMS 复合泡沫，旨在减少熔融金属与水的直接接触，从而降低二次爆炸的风险。然而，发现 PDMS 的氧化会导致复合泡沫局部涂层失效。因此，开发能够高效冷却和隔热、防止熔融金属泄漏流动和扩散、避免蒸汽爆炸的新 containment 材料对于确保冶金工业的安全生产、保护人员安全和支持环境保护至关重要。

另一方面，磷石膏 (PG) 是湿法磷酸生产过程中产生的大量工业固体废物。全球磷石膏的年产量很大，而其在中国的利用率仍然很低[10]、[11]、[12]。大规模储存不仅占用大量土地资源，还可能通过释放酸性物质和微量放射性元素带来环境风险，从而导致化学污染[13]、[14]、[15]、[16]。目前磷石膏的利用主要集中在建筑领域，如生产水泥缓凝剂、石膏板和磷石膏砌块[17]、[18]、[19]。然而，这些应用不可避免地需要对磷石膏进行预处理，成本较高，而且所得产品仍存在耐水性不足等局限性[20]、[21]。例如，Zheng 等人[22]专注于研究基于磷石膏的复合水泥材料，以优化其抗压强度和导热性。Liu 等人[23]提出了一种使用磷石膏和水泥作为原料、过氧化氢作为原位孔形成剂的轻质隔热泡沫混凝土 (PFC)。然而，这项研究仅限于制备建筑隔热材料，未能超越传统的建筑应用。此外，Qin 等人在关于基于磷石膏的土木工程材料前景的综述中[24]指出，现有的利用方法普遍面临预处理成本高和产品附加值低的挑战。这些研究主要关注磷石膏作为填充材料的 cementitious 特性，而忽视了其固有的吸水性。磷石膏是一种天然含水量高的物质，主要由硫酸钙二水合物 (CaSO₄·2H₂O) 组成，含有约20-25%的结晶水和游离水。这一固有特性使其能够通过蒸发吸热快速降低高温熔融金属的温度[25]、[26]。

基于此背景，本研究使用磷石膏和粉煤灰作为主要原料开发了一种磷石膏泡沫。利用磷石膏中的天然水分作为“能量储存单元”进行吸热和冷却，该泡沫系统对高温熔融金属泄漏提供了有效的应急响应。与传统的水基泡沫相比，磷石膏泡沫能够实现高效冷却，同时显著降低蒸汽爆炸的风险。此外，所开发的磷石膏泡沫不仅表现出优异的 containment 效果，还能实现大量工业固体废物的低成本、高价值利用。

本研究使用了 Vicat 仪器、泡沫分析仪和旋转粘度计来测量关键参数，包括泌水率、凝固时间、最大泡沫体积和泡沫粘度。系统地确定了所有组分的最佳配比。构建了专门的实验装置来分析磷石膏泡沫对熔融铝泄漏的冷却和隔热性能。进行了阻流实验以评估材料阻止熔融金属流动的效果。此外，还使用自制的热重分析仪研究了泡沫的热重分析行为。

实验材料

本研究使用的材料包括磷石膏（河南省巩义市）、粉煤灰（河南芜湖环保科技有限公司）、生石灰（河北省合肥市）和硫铝酸钙水泥（诸城九奇建筑材料有限公司）。主要成分详见表1。此外，还使用了α-烯基磺酸钠（河南金四海生物科技有限公司）和硅聚醚乳液（青岛友索化学科技有限公司）。

磷石膏含量的测定

磷石膏浆体由磷石膏、粉煤灰、生石灰和硫铝酸钙水泥组成。通过研究不同磷石膏添加量下的泌水性能和凝固时间，确定了磷石膏的最佳质量含量。如图4(a)所示，初始泌水时间随着磷石膏含量的增加而先增加后减少，而泌水率则呈现相反的趋势。初始泌水时间在

结论

本研究开发了一种基于工业固体废物磷石膏的新型泡沫材料，旨在安全高效地应对高温熔融铝泄漏的紧急情况。通过实验研究，得出以下结论：

(1)

确定了磷石膏泡沫的最佳配方。磷石膏浆体的最佳水灰比为0.4，其中磷石膏的质量比为60%、粉煤灰25.8%、生石灰5.2%、硫铝酸钙9%

作者贡献声明

李慧：研究、数据整理。卢志文：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。王勇：研究、数据整理。徐一真：撰写——初稿、资源获取、研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。