Технологические взрывы в металлургическом производстве
Взрывы, возникающие в ходе технологического процесса производства металлов и сплавов, называются технологическими. К ним относятся взрывы при контакте расплавленного металла и шлака с водой, взрывы газо- и пыле-воздушных смесей, а также порошков металлов и сплавов. Высокая вероятность возникновения взрыва существует во всех основных металлургических цехах. Так, в доменном производстве взрывы возникают при контакте расплавленных металла и шлака с водой, при о воде доменного газа и подаче в доменную печь природного газа (взрывы газо-воздушных смесей). При применении в ряде случаев угольной пыли и вдувании ее в доменную печь возможны взрывы пылевоздушных смесей и т. п.
В сталеплавильном производстве возможны взрывы газов, порошков металлов и сплавов-раскислителей, экзотермических смесей, утепляющих засыпок; в прокатном производстве — взрывы паров смазочных материалов, газо-воздушных смесей и др. Взрывы паров смазочных материалов, строго говоря, нельзя отнести к категории технологических, однако они влияют на ход технологического процесса.
Технологический взрыв отличается рядом характерных особенностей от других видов взрывов, даже если последние вызывают аварийную остановку оборудования или технологического процесса. При возникновении технологического взрыва в нем непосредственно участвуют компоненты технологического процесса, обусловливающие обычно нормальное протекание процесса и работу оборудования. Технологический взрыв приводит к резкому изменению параметров процесса, неустойчивой работе оборудования, что вызывает необходимость его остановки. Экономические потери вследствие технологического взрыва в связи с потерями производства во много раз выше затрат на восстановление оборудования и ликвидацию последствий разрушения.
Технологические взрывы органически связаны с технологией производства и работой оборудования, поэтому их следует рассматривать как экстремальные отклонения параметров безопасности производственного процесса.
1. Взрывы при контакте расплавленных металла и шлака с водой
1.1 Механизм и кинетика взрыва
При контакте расплавленных металла и шлака .с водой происходит взрыв, что объясняется физико-химическими свойствами воды, изучение которых позволяет раскрыть сущность механизма и кинетику такого рода взрыва. Соприкосновение воды с расплавленным металлом и шлаком приводит к мгновенному испарению ее, сопровождающемуся резким увеличением объема и давления.
При атмосферном давлении вода закипает при 100° С и весь процесс парообразования идет при температуре кипения. При нагревании воды выше 100° С в замкнутом пространстве интенсивность испарения несколько снижается, что объясняется свойством воды при высоких температурах изменять режим кипения. Так, в интервале 100—300° С режим кипения имеет пузырьковый характер, т. е. на поверхности идут образование мелких пузырьков пара, их отрыв, поднятие на поверхность и переход в газовую фазу. При более высокой температуре режим кипения усиливается и переходит в пленочный; при этом паровые пузыри сливаются в сплошную паровую прослойку между поверхностью нагрева и водой, что препятствует передаче тепла другим слоям воды.
Температура кипения воды зависит от давления над ее поверхностью: с ростом давления температура кипения повышается. Так, при давлении 490 кПа вода начинает закипать при температуре 151,1° С. Если внезапно давление над поверхностью воды снизится до атмосферного, вода окажется перегретой на 51°С и мгновенно превратится в пар, объем которого примерно в 1600 раз больше объема воды. Такое превращение носит взрывообразный характер.
Энергия взрыва при контакте расплавленного металла или шлака во много раз превышает энергию рабочего пара при расширении даже при коэффициенте полезного действия, равном 100%. Это объясняется физико-химическими свойствами воды. Соотношение масс водорода и кислорода в воде составляет 11,19 и 88,81%, т. е. содержание кислорода в воде больше, чем в любом другом соединении. При нормальных условиях (атмосферном давлении и температуре 20° С) диссоциация воды не протекает. При повышении температуры до 1500° С скорость разложения воды возрастает, однако до 2000° С интенсивность разложения незначительна, так как вода является химически стойким соединением. Лишь при достижении 4000° С вода разлагается на газообразные водород и кислород, что сопровождается взрывом. В этом случае содержание водорода значительно больше, чем при диссоциации воды, в связи с тем, что взаимодействие водяного пара с железом, нагретым до высоких температур, приводит к выделению свободного водорода: Fe+H2O=FeO+H2.
Эта реакция протекает достаточно энергично уже при температуре нагрева железа 350° С, а при более высокой температуре — практически мгновенно. В производственных условиях при контакте расплавленных металла и шлака с водой одновременно протекают процессы испарения, диссоциации воды и ее взаимодействия с железом, сопровождающиеся выделением водорода, который при определенных условиях образует с кислородом взрывчатую смесь. Воспламенение этой смеси приводит ко взрыву, энергия которого изменяется в широких пределах и зависит от многих факторов. При этом взрыв происходит только при взаимодействии жидких фаз — расплавленных металла, шлака и воды. Контакт воды с металлом или шлаком в твердом состоянии при температуре, близкой к температуре солидуса, взрыва не вызывает.
При взаимодействии расплавленных металла и шлака с водой контакт может быть поверхностным и внутренним. В первом случае возможны два варианта: взаимодействие незначительных масс расплава и воды либо больших масс. В первом случае при контакте наблюдается интенсивное кипение и свободное удаление пара, а также образовавшихся в результате диссоциации воды и реакции окисления железа водорода и кислорода в окружающую среду. Такой контакт металла с водой взрыва не вызывает.
Во втором случае, когда взаимодействуют большие массы металла и воды, у поверхности контакта образуется парогазовая прослойка, содержащая пары воды, водород и кислород, выделяющиеся вследствие диссоциации воды и окисления железа. Контактирующая с водой часть расплава в твердой фазе в результате действия охлаждения при испарении воды и возникновении напряжений может растрескиваться, что приводит к контакту расплавленного металла с водой. Это явление усугубляется при наличии на поверхности металла расплавленного шлака, контакт которых с взрывоопасной газовой смесью повышает вероятность взрыва. Критическими параметрами в этом случае являются масса металла или шлака, масса воды и продолжительность контакта металла с водой.
Потери тепла металлом складываются из тепла, выделяющегося при охлаждении металла от начальной температуры до температуры плавления, и тепла, выделяющегося при затвердевании металла. Так как масса жидкого металла незначительна, процесс образования твердой фазы в пограничном слое необратим.
В данном случае массы металла и воды находятся в соотношении, обеспечивающем взаимодействие между ними без возникновения взрыва.
Внутренний контакт расплава с водой возможен в двух случаях: при поступлении жидких металла или шлака в воду и при поступлении материалов, содержащих воду, в расплав. Отметим, что капельное тонко-струйное поступление жидкого металла в воду взрыва не вызывает. Увеличение массы жидкого металла, поступающего в воду, приводит к взрыву. При контакте с водой жидкого шлака взрывоопасность значительно ниже. Вероятность взрыва при поступлении жидкого шлака в воду резко возрастает при наличии в шлаке жидкого металла. Контакт жидкого металла и шлака с водой, вызванный попаданием в расплав пористых материалов, пропитанных влагой, как правило, приводит ко взрыву.
1.2. Виды взрывов и их предотвращение
В металлургических цехах возможны случаи, когда жидкий металл или шлак попадают на влажные пол, почву, материалы или конструкции. Такие явления обычно сопровождаются взрывами с выбросом жидкого металла или шлака. Взрывы происходят также и при выпуске металла по непросушенным желобам или при сливе в ковш с плохо просушенной футеровкой. Причины этих взрывов — образование пара вследствие контакта жидких раскаленных масс с водой и взрывоопасных смесей.
Если расплавленный металл касается влажного песка, между ним и поверхностью песка образуется паровая прослойка, через которую в дальнейшем и будет происходить переход тепла от металла к влажному песку.
Пар имеет очень низкую теплопроводность. При таких условиях потери тепла металлом во влажный песок будут относительно небольшими и на поверхности металла, прилегающей к песку, корка будет образовываться очень медленно. Давление пара в прослойке из-за отсутствия свободного выхода для него все время повышается.
В любой точке, лежащей в центре паровой прослойки между металлом и влажным песком, образовавшийся пар не может уйти вниз через влажный песок и через контактную поверхность между металлом и песком. Минимальное сопротивление для выхода пара наружу будет оказывать жидкий металл. При толщине металла 30 см гидростатическое давление жидкого чугуна на песок
Ρ = 0,098*hΜ*γ = 0,098*30*7 = 2,0594 кПа,
где hΜ — высота слоя металла, см; γ — плотность чугуна, г/см2.
Давление же пара в прослойке легко может достигнуть 4900 кПа и более. В конечном счете давление пара прослойки достигает такой величины, что он пробьет слабую, еще не окрепшую металлическую корку и в виде отдельных пузырьков проникнет в толщу жидкого металла. В металле пар нагревается, переходит из влажного в сухой и взаимодействует с окружающей металлической оболочкой. На нагрев пара в пузырьках и на химическое взаимодействие его с оболочкой затрачивается много тепла, что приводит к затвердеванию окружающей металлической оболочки. Размеры пузырьков при этом становятся фиксированными.
Нагревание пара и водорода в изолированном пузырьке будет продолжаться до тех пор, пока давление их не достигнет предела прочности затвердевшей окружающей металлической оболочки. Как только оно достигнет этого значения, оболочка разорвется на части и газы будут с большой силой выброшены наружу, т. е. произойдет взрыв. Сила взрыва зависит от вязкости металла и толщины его слоя: чем больше вязкость, т. е. чем больше металл охладится и чем толщина его слоя больше, тем взрыв сильнее. В результате разрыва металлической оболочки пузырьки пара и водорода выбрасываются в окружающую атмосферу, водород смешивается с воздухом и образует смесь взрывоопасной концентрации, которая в зависимости от условий либо сгорает голубоватым пламенем, либо взрывается.
2. Взрывы в доменных цехах.
Распространенными видами взрывов в доменных цехах являются взрывы вследствие соприкосновения жидкого чугуна, шлака с водой или влажными материалами. Взрыв такого вида возникает главным образом при прогарах стенок горна или лещади, в зонах леток. Особенно опасны взрывы в фурмах, шлаковых фурмочках и шлаковых ковшах. Взрывы в фурмах весьма опасны, потому что при этом открывается горн и через фурменное отверстие выбрасываются на рабочую площадку раскаленные кокс и газы, которые в атмосфере воспламеняются и горят, образуя длинные языки пламени. Взрывы в фурмах происходят главным образом из-за повышения давления пара, образовавшегося внутри полости фурмы, и возникновения взрывоопасных газо-воздушных смесей в канале фурмы.
Взрывы, вызываемые повышением давления пара, происходят вследствие внезапного прекращения поступления воды в полость фурмы. Такие условия создаются, если водоподводящая и водоотводящая трубки фурмы или обе одновременно почему-либо забиваются и не пропускают воду. Тогда оставшаяся в полости фурмы вода испаряется, давление пара, не имеющего выхода, превышает предел прочности фурмы, и она разрушается. При таких взрывах отбрасывается часть фурменного прибора, состоящая из фурменного колена, сопла и самой фурмы.
Образование взрывоопасных газо-воздушных смесей происходит в канале фурмы при остановках доменных печей или при осадках шихтовых материалов, когда давление газов и дутья выравнивается; иногда давление газов в горне становится даже выше, чем давление горячего дутья в фурменных приборах. В такие периоды газы из горна проникают в фурменные рукава и здесь встречаются с воздухом дутья, который так же, как и газы, нагрет до высокой температуры; встреча их приводит к воспламенению и горению, которое иногда происходит со взрывом.
Особенно опасна встреча газов с воздухом дутья в присутствии воды (вследствие течи фурм). Температура газов и дутья в фурменном приборе может оказаться ниже температуры их воспламенения вследствие потери тепла на испарение воды. В результате образуются взрывоопасные газо-воздушные смеси.
В арматуре шлаковой летки фур мочка является отверстием для выпуска шлака из горна доменной печи. Отливаются фурмочки из бронзы и обрабатываются на токарных станках. Через отверстие шлаковой фурмочки выпускается только шлак. Если по каким-либо причинам вместе со шлаком из летки начинает выходить чугун, то немедленно произойдет прогар фурмочки, и охлаждающая вода начнет поступать в шлаковый канал. Обычно это заканчивается соприкосновением воды с жидким чугуном или шлаком и взрывом с выбросом фурмочки. Взрывы в шлаковых ковшах происходят сравнительно редко. Они возникают вследствие скопления воды на дне чаши. Вода на дне чаши может оказаться также под слоем остывшего, неслитого остатка шлака.
3.Взрывы в мартеновских цехах.
Взрывы, вызываемые водой или влажными материалами, загружаемыми в мартеновские печи, являются наиболее частыми. Вода попадает в печи вместе с шихтовыми материалами в виде отдельных кусков льда, снега, обледенелых руд и металлического лома и т. д.
Взрывы, вызываемые попавшей в печь водой, бывают двух видов: глухой — с выбросом через завалочные окна части полурасплавленных шихтовых материалов и длинных языков горящих газов и звонкий, при котором, кроме того, взрывной волной повреждается кладка печи— свод, стенки или головки. Глухие взрывы происходят в период прогрева и плавления шихтовых материалов твердой завалки, а звонкие — во время загрузки в печь добавочных материалов — руды, известняка, лома или холодного чугуна, когда уже все шихтовые материалы расплавлены и в печи находится жидкий металл, покрытый шлаком.
Первый вид взрыва вызывается испарением воды, скопившейся под шихтовыми материалами. Вследствие прогрева сверху заваленных на подину материалов находящаяся в них влага постепенно начинает стекать вниз, собираясь в тех местах, где шихта плохо прогрета. Испарение этой влаги происходит, когда сильно прогревается вся масса шихтовых материалов. Образующийся пар в местах скопления воды не имеет свободного выхода, вследствие чего давление его повышается и достигает такой величины, что он поднимает лежащий над ним слой шихты и с силой прорывается в рабочее пространство печи. Сила взрыва зависит от количества воды, проникшей в печь вместе с шихтовыми материалами, толщины и плотности слоя материалов, лежащих на подине печи.
Второй вид взрывов, вызываемых водой, объясняется сложными физико-химическими процессами, протекающими в мартеновской печи над ванной. В печи во время нормального процесса плавки находится расплавленный металл, покрытый сверху слоем шлака. Загрузка в такую ванну добавочных шихтовых материалов не всегда приводит к их глубокому погружению в ванну; многие из них погружаются в шлак и находятся на поверхности металла.
Причины взрывов, происходящих в печах при попадании воды па раскаленный шлак или при завалке влажных шихтовых материалов, изучены недостаточно.
Вода, попавшая на поверхность шлака в печи, нагревается и переходит в пар; одновременно происходят процессы химического взаимодействия образующего пара со шлаком по реакции: 2FeO + H2O = Fe2O3 + H2
Водород и водяной пар поднимаются с поверхности шлака, смешиваются с газовой атмосферой печи; в результате этого взрываемость окиси углерода в газовой атмосфере печи сильно повышается. Так как газы в печи нагреты до температуры, превышающей точку их самовоспламенения, и имеют избыток кислорода, то происходит взрыв смеси.