砂型鑄造爆炸風險分析及其控制措施探討

王振全 黃家敏

(1．華晨寶馬汽車有限公司; 2．河南省冶金研究所有限責任公司)

0 前言

我國雖是鑄造大國，但遠不是鑄造強國。鑄造行業的安全事故也不斷發生［1－2］，2004年7月30日，江陰市某鋼廠電爐鋼水在熔煉工段意外碰到冷卻水發生爆炸;2006年8月15日，貴陽某煉鋼廠鑄造車間噴水降溫造成地面積水，1500 ℃的高溫鋼水流向地面發生爆炸;2007年8月19日，山東省濱州市某鑄造分廠在熔煉工段發生鋁液外溢爆炸重大事故，造成16 人死亡、59 人受傷(其中13 人重傷);2011年11月16日，萍鄉某鋼鐵廠一座高爐熔煉工段鐵水泄漏，遇水發生爆炸;2012年2月20 號鞍山某鑄鋼廠鑄造車間澆注工段發生噴爆事故，造成13人死亡，17 人受傷。多起鑄造爆炸事故使得砂型鑄造的安全性被越來越多的人所關注。

1 砂型鑄造工藝流程

砂型鑄造主要工藝流程如圖1 所示［1］。

圖1 砂型鑄造主要工藝流程

2 砂型鑄造爆炸風險分析

砂型鑄造中產生的爆炸主要為嗆火和爆炸兩類，二者常合稱為嗆爆［3］。在地坑造型鑄造中發生爆炸事故最常見的是由于地坑滲水導致地坑積水形成的蒸汽爆炸事故。因此，以下從嗆爆形成流程和因地坑積水導致爆炸兩方面對砂型鑄造爆炸風險進行重點分析。

2．1 嗆爆形成流程

嗆爆形成流程如圖2 所示。

圖2 嗆爆形成流程分析圖

2．1．1 氣化

砂型(芯)包含原砂、水、粘結劑等。澆注前期產氣主要來源于:高溫金屬液體使型腔壁中的粘結劑和含碳物質氧化燃燒產生氣體。澆注后期產氣主要來源于:型、芯砂層隨著受熱作用越來越強烈，其溫度迅速提高，并將熱傳到砂層深處，使水分蒸發和含碳物質熱分解。

2．1．2 增壓

氣化產生的氣體一開始停留在砂粒間隙中，但隨著熱作用時間的延長、溫度的升高，產生的氣體越來越多，砂粒間隙中的氣體向四周擴散。當氣體擴散到型腔壁時，受到金屬液體壓力和界面氣壓阻擋，使其擴散流向改變。除少部分氣體通過砂粒間隙排出，大部分氣體向預設排氣道聚集、排出。若排氣道某段發生堵塞，極易使其內部壓力迅速增大，形成高氣壓。

2．1．3 侵入

金屬液體流入氣路系統或氣體未按預定路線外排而進入金屬液，均為異常侵入。金屬液侵入排氣道或氣體侵入金屬液，均可能導致澆注時金屬液從澆冒口噴出。由于氣體流動性好等特性，多數嗆火的發生根源于氣體侵入金屬液［4］。

2．1．4 噴出

隨著侵入金屬液體的氣體增多，壓力增大，氣體運動將擠壓金屬液體，導致金屬液體沸騰翻滾，氣體夾帶金屬液體從冒口噴出，發生嗆火。嚴重時能聽到響聲，即H2和CO 的爆炸聲，即發生嗆爆。

2．2 地坑積水爆炸事故風險分析

由于地坑積水，使底部砂床含水量過高，澆注時積水急劇汽化，在內芯底部產生大量高壓蒸汽，蒸汽上浮過程逐漸聚集，形成氣泡，當氣泡浮力超過內芯及熔融液體重力時，內芯及熔融液體被向上拋起，導致金屬液大量迅速噴出，造成爆炸事故［5］。地坑積水是地坑砂型鑄造爆炸的最主要原因，因此為了防止該類事故的發生，必須明確地坑積水的原因，從根本上杜絕因地坑積水而引發爆炸。

以下采用事故樹分析法，對砂型鑄造中因地坑積水爆炸事故進行分析，詳見圖3。

圖3 地坑積水爆炸事故樹

由圖3 可以得出，其最小徑集有兩個，分別為:

G1={X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17};

G2={X1，X2，X3，X4，X5}。

采用一次近似法計算各基本事件的結構重要度，見表1。

表1 各基本事件結構重要度

通過最小徑集及結構重要度計算可知:地坑積水爆炸與否，很大程度上取決于監測裝置是否可用以及監測裝置的設計是否科學。

因此，在地坑積水量監測系統的設計中，要重點對警戒值的確定、探測器數量以及探測器可靠性保障等采取相關防范和冗余措施。

3 砂型鑄造爆炸預防與控制措施

3．1 地坑造型安全

1)地坑造型位置的選擇。不能在地下坑道、電纜、供、排水管的上面進行地坑造型。同時要求地坑離電器控制箱、水池、庫房、變壓器、易燃易爆物質盡量遠些，坑與坑之間距離應大于2 m。

2)地坑造型，一般要求地坑底部高于地下水位1．5 m 以上。

3)如果地下水位高或地坑潮濕，應采用隔離法防水，即做成不滲水的水泥地坑，或圍成防水墻(如鋼板、磚墻等)。

4)造型時，地坑排氣管露出地面的一端要塞好，以防型砂進入而堵塞。造型結束，烘干前將蓋打開，以利烘干時排出水蒸氣。

5)鋪設排氣通道前，要清除地坑內多余廢砂，將地坑底部用重物夯實。

6)地坑周圍應設置安全防護蓋板，以防不慎落人坑內造成人身事故。

7)大型、深型鑄件，需挖坑的形狀應底小口大，以防塌方。

3．2 砂型鑄造過程防爆

控制和預防砂型鑄造爆炸的途徑主要是減少水分，強化排氣。具體措施為:

1)鑄造過程中，使用到的機器設備，對于規定不允許用水洗的，要嚴格控制。

2)地坑造型要求鑄型烘干深度＞150 mm。烘干后在48 h 以內澆注，否則澆注前仍需重新烘干。

3)坑底設排氣孔道。大中型鑄件的地坑造型，無論什么情況均要考慮安排坑底的排氣道，使澆注后，坑底砂層中產生的氣體通過該排氣道引出型外，并且排氣道的數量和大小要足夠。出氣材料用焦炭或爐渣，且焦炭中擺放鐵管或鋼管，將坑內氣體通過管子引出，安放位置應不影響鑄造全過程。

4)澆注時及時引氣，以減輕坑底的氣體壓力。

5)澆注時或澆注剛結束，禁止對準地坑排氣管的軸線方向看排氣管，從而避免中毒及金屬液噴出傷人。

3．3 設計地坑積水量監測系統

目前，對于地坑含水量的測量的測量方法很多，有時域反射法、光學測量法、駐波比法、γ －射線法、中子法、電阻法、張力計法、稱重法等［6－10］。

筆者在此設計選擇時域反射法(FDR)進行測量，選擇的傳感器為LC －TS2 型特制水分傳感器。該地坑積水量監測系統主要由三部分組成:信息收集裝置、信息傳輸設備、信息處理終端。北方寒冷地區需要附帶增加一個非結冰環境保障系統(可采用蒸汽或熱水管線)。

根據各坑體、內部墻體、外部墻體實際情況，傳感器間隔距離取2000 mm ～3000 mm。另外，地坑底部傳感器需要貼近整體防水箱內部安裝，但由于防水箱內部接近地坑底部的部分為混泥土，而傳感器探測含水量只能在細沙、細土才能起到最好效果，因此先在混泥土上面鋪150 mm ～200 mm 厚的易吸水的土壤或細沙等物質。傳感器的信息傳輸設備采用的是耐高溫電纜，穿鋼管敷設。

當達到積水量警戒值時，在信息處理終端設有自動警報功能。其警戒值依據型砂含水量確定。

4 結論

鑄造爆炸事故往往會造成重大人員傷亡和財產損失。基于砂型鑄造主要工藝，以系統安全的危險源理論為基礎，首先主要分析了砂型鑄造過程中的嗆爆風險因素。通過分析可知，在地坑造型鑄造中發生爆炸事故最常見的是由于地坑滲水導致地坑積水形成的蒸汽爆炸事故。從氣化、增壓、侵入、噴出四個環節分析了嗆爆的形成過程及其危險以及地坑積水爆炸的形成過程;為了明確地坑積水原因，從根本上杜絕因地坑積水引發爆炸，利用事故樹分析法，對砂型鑄造中因地坑積水爆炸事故進行分析。

根據風險分析結果，從地坑造型安全、砂型鑄造過程防爆、設計地坑積水量監測系統等三個方面提出了砂型鑄造爆炸預防與控制技術措施。

筆者所探討的砂型鑄造風險分析方法和控制技術對策具有現實意義和普遍適用性。

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