Вопросы взрывобезопасности вакуумных дуговых печей

В вакуумной дуговой печи для выплавки слитков расплавленный металл отделен от системы охлаждения сравнительно тонкой стенкой кристаллизатора, воспринимающей большие тепловые и механические нагрузки. Применение воды в качестве охладителя создает потенциаль­ную опасность попадания ее в расплав при повреждении стенки и вы­хода печи из строя. При плавке химически высокоактивных металлов (например, титана) происходит реакция их с водой и образование га­зообразных продуктов, заполняющих рабочее пространство печи, вслед­ствие чего возможен взрыв. Проблема создания взрывобезопасных вакуумных дуговых печей во многом определяет принципы их конструи­рования.

Современные представления о развитии аварийной ситуации в слу­чае попадания воды в расплавленный титан сводятся к следующему. Вода вступает в химическое взаимодействие с титаном с образованием окислов и газообразного водорода. Водород выделяется в газообраз­ном виде и лишь в небольших количествах поглощается более холодной поверхностью   затвердевшего   слитка.

При попадании в печь атмосферного воздуха (например, через водяные коммуникации кристаллизатора, поврежденные в результате резкого повышения давления) образуется гремучая смесь, воспламеняю­щаяся от горячего металла.

Горение газовых смесей может происходить при различных режи­мах. При нормальном режиме с постоянной сравнительно небольшой скоростью распространения фронта пламени горение не переходит в де­тонацию и создаваемое давление невелико. При горении в режиме дето­нации образуется ударная волна, фронт которой совпадает с фронтом пламени и распространяется с постоянной скоростью, значительно пре­вышающей скорость звука. Давление на фронте при отражении от стенки достигает (0,8—1,5) ·10⁷ Па.

Взрывы печей могут происходить и в результате накопления в ра­бочем пространстве печи легковоспламеняющихся веществ — мелкодис­персной пыли титана и магния, испаряющихся во время плавки, паров вакуумного масла. Эти причины, однако, не являются специфическими для вакуумного дугового переплава и легко устраняются при правиль­ной эксплуатации печей и соблюдении требований техники безопас­ности.

Анализ аварий, имевших место на печах, показывает, что основной их причиной является проплавление стенки кристаллизатора в результа­те несоответствия тепловых нагру­зок возможностям их снятия. Стен­ка и система охлаждения должны быть рассчитаны таким образом, чтобы выдерживать постоянно дей­ствующие тепловые нагрузки в зоне межэлектродного промежутка и иметь определенный, запас устойчи­вости при перебросе дуги на стенку кристаллизатора. Так как удельные тепловые потоки в анодном пятне уменьшаются с увеличением степени разрежения, с точки зрения дости­жения большей безопасности целе­сообразно оснащать печи вакуумным оборудованием, обеспечивающим давление в рабочем пространстве не более 1,33—6,7 Па.

Важную роль в проблеме взрывобезопасности   играет стабильность дугового разряда.   Повышение ста­бильности горения дуги  достигается следующими  мероприятиями: уменьшением уровня радиальных магнитных полей до 800 А/м; уменьшением несоосности электрода и кристаллизатора и возмож­ностей перекоса электрода;

повышением стабильности тока дуги, что обеспечивает большую стабильность положения дуги в пространстве;

созданием постоянно действующего аксиального магнитного поля о возможностью его кратковременного усиления в моменты переброса дуги на стенку кристаллизатора;

созданием надежных систем автоматического регулирования меж­электродного промежутка, включающих блок индикации боковых дуг и быстродействующий привод перемещения электрода.

При попадании воды в металл рабочее пространство печи начинает быстро заполняться парами воды, а в случае химической реакции воды с металлом—водородом. Сама по себе эта ситуация не способна вы­звать взрыв при условии осуществления ряда мероприятий. К ним относятся:

- наличие высокопроизводительных откачных систем, обеспечивающих поддержание давления в рабочем пространстве меньше атмосферного, несмотря на большое газовыделение, при этом водород должен уда­ляться за пределы цеха;

- наличие предохранительного клапана, открывающегося при повы­шении давления в печи несколько более атмосферного и герметично за­крывающегося обратно;

- применение разрывных мембран недопустимо, так как через них воздух может попасть в печь;

- обеспечение механической прочности и герметичности элементов конструкции печи при повышенном давлении с целью предотвращения попадания воздуха в печь;

- особенно важно иметь прочные водоподводы к кристаллизатору, так как через них воздух может попасть внутрь водяной рубашки, а оттуда через отверстие в стенке — в рабочее про­странство.

В ряде случаев эти мероприятия обеспечили предотвращение взры­ва при попадании воды в рас­плавленный титан. Они же по су­ществу гарантируют предотвра­щение серьезной аварии и в тех случаях, когда водород не обра­зуется.

Для повышения   взрывобезопасности в конструкции печи при­меняют    различные    блокировки, отключающие цепь   при наруше­нии параметров системы водяного охлаждения (расхода и температуры) основных узлов печи, а также различные сигнальные системы, оповещающие о нарушении режима эксплуатации установки.

Практика эксплуатации печей для плавки титана, являющихся наи­более взрывоопасными, показала, что реализация всех перечисленных мероприятий   при   правильной   эксплуатации  печей почти полностью исключает вероятность взрыва. Однако, учитывая тяжелые последствия взрыва, принимают меры для его локализации. Печи для плавки хи­мически высокоактивных металлов устанавливают в защитных камеpax; они дистанционно управляются персоналом, находящимся за пределами камер. Применяют два вида камер: металлические и железо­бетонные.

Надежная заделка листов по контуру должна обеспечиваться сплошной симметричной приваркой двумя лобовыми швами. Эти швы должны воспринять растягивающие усилия в листах, равные пределу текучести.

Анализ данных горения водородно-воздушных смесей показал, что наибольшее давление отражения наблюдалось при детонации бедной смеси, содержащей 15—20 % -водорода, а не при детонации смеси стехиометрического состава (28,6% водорода). Метод расчета давления отражения и времени действия волны приведен в [65].

Оптимальной формой защитного кожуха с точки зрения противо­действия взрыву является цилиндрическая, однако кожух выполняют прямоугольным, что более удобно с точки зрения стыковки с конструк­цией 'самой печи. Защитный кожух одновременно служит и опорной металлоконструкцией. Для выката кристаллизатора и входа внутрь ко­жуха предусматривают проемы, закрываемые изнутри металлическими щитами. Расчетная толщина защитного листа составляет 20—25 мм.

Источники питания, управляющая и регулирующая аппаратура на­ходятся за пределами защитной камеры. Визуальное наблюдение за процессом плавки осуществляется через оптические приборы (типа пе­рископов) или с помощью телевизионных установок.

При переплаве стали и сплавов на основе никеля проплавление кристаллизатора происходит крайне редко, что объясняется меньшим газовыделением и значительно более стабильным горением дуги. Однако даже в случае попадания воды в расплавленный металл взрывы не происходили, очевидно, из-за отсутствия газообразного водорода. При плавке больших слитков все же нельзя полностью исключить возмож­ность интенсивного парообразования при попадании воды в расплав и печи следует оборудовать предохранительными клапанами, герметично закрывающимися после срабатывания.

Гарнисажные печи более безопасны, чем печи с кристаллизатором, так как гарнисаж защищает водоохлаждаемую стенку тигля от дей­ствия дуги. При плавке титана применяют графитовые тигли, что в значительной степени увеличивает взрывобезопасность процесса. Не­смотря на это, нельзя полностью исключить попадание возы в расплав и опасность взрыва, так как имеется потенциальная возможность ме­ханнческого повреждения системы охлаждения тигля (например, сварных швов), что особенно опасно во время слива металла. Не исключе­но также зажигание дуги между водоохлаждаемым корпусом и графитовым тиглем при нарушении электрического контакта между ними. На эти обстоятельства необходимо обращать особое внимание при конструировании печей.

Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.  Энергоатомиздат, 1985