Предупреждение взрывов в доменных и сталеплавильных цехах
Овчаренко Н.Л.
Металлургиздат, 1963 г.
Взрывы и результате бурных химических реакций
Если в конвертер поступает вода, то при контакте ее с раскаленным шлаком происходит процесс окисления шлака по реакции
2FeO+H2O = Fe2O3+H2.
Повышение концентрации окиси железа в шлаке приведет к нарушению равновесного состояния и переходу кислорода в металл.
Таким образом, создаются благоприятные условия для постепенного насыщения металла кислородом до перенасыщения, после чего достаточно небольшого сотрясения металла, чтобы во всем его объеме возникли реакции окисления оставшихся примесей.
Сотрясение металла может произойти от приведения в действие механизма поворота конвертера. В результате в металле «возникают реакции окисления марганца, кремния и углерода:
Si+2FeO=SiO2+2Fe
Mn+FeO=MnO+Fe
C+FeO=CO+Fe
Реакции (1) и (2) образуют твердые продукты и не являются взрывоопасными, реакция (3) идет с выделением газа — окиси углерода, который, вспенивая металл и шлак, вырывается в свободный объем конвертера.
Если над металлом в конвертере вследствие поступления воды будут находиться только пар и водород, то окись углерода смешается с ними и проникнет в кессон и здесь смешается с воздухом. Но смеси СО с воздухом, в которых имеются пар и водород, очень взрывоопасна.
Из приведенного видно, что взрыв в конвертере произойти в результате повышения содержании кислорода в ванне.
Взрывы при проливах жидкого металла или шлака
В доменных, мартеновских и конвертерных цехах иногда происходят проливы жидкого металла или шлака на влажные пол, почву, материалы или мокрые конструкции. Такие проливы обычно сопровождаются взрывами или хлопками с выбросом жидкого металла или шлака. Взрывы и хлопки также происходят и при тур, близких к температурам плавления металла (или шлака).
Рассмотрим процессы, которые происходят между пролитым расплавленным металлом (или шлаком) и водой, содержащейся в смоченном песке.
Как только пролитый металл коснется 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, его коэффициент теплопроводности λ = 0,022 ккал/м час°С ниже коэффициента теплопроводности самого лучшего изоляционного материала, который применяется в технике— стеклянной ваты (λ = 0,032 ккал/м час°С).
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 же пара в прослойке, из-за отсутствия свободного для него выхода, все время будет повышаться.
Если взять точку, лежащую в центре паровой прослойки между металлом и влажным песком, то образовавшийся в этой точке пар не может уйти вниз через влажный песок и через контактную поверхность между металлом и песком. Наименьшее сопротивление для выхода пара наружу будет оказывать жидкий металл, находящийся над точкой А.
В конечном счете давление пара прослойки достигнет такой величины, что он пробьет слабую, еще не окрепшую металлическую корку и в виде отдельных пузырьков проникнет в среду жидкого металла. В среде металла пар нагревается, переходит из влажного в сухой и взаимодействует с окружающей металлической оболочкой. Расчеты показывают, что на нагрев пара в пузырьках и на химические взаимодействия его с окружающей оболочкой затрачивается много тепла, что приводит к затвердеванию окружающей металлической оболочки и размеры пузырьков 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. Но как только оно достигнет этого значения, оболочка разорвется на части и газы будут с большой силой выброшены наружу. Произойдет взрыв.
Сила звука взрыва зависит от вязкости металла и от толщины его слоя : чем больше вязкость, т. е. чем больше металл охладится и чем толщина его слоя больше, тем звук взрыва сильнее.
Опыты в лаборатории показывают, что при тонком слое пролитого металла никаких взрывов не бывает: