鑄造工藝中蒸汽爆炸事故形成機制分析*

沈正祥, 陳 虎, 王 杜, 陳定岳, 呂中杰, 黃風雷

(1.寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048；2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

鋁材是輕量化的首選材料，交通運輸業已成為第一大用戶，應用越來越廣泛，未來將部分替代鋼鐵成為國民經濟各部門和人民生活各方面的重要基礎材料[1]。鋁合金熔煉鑄造是鋁材加工第一道生產工序，將重熔鋁錠或電解鋁液添加合金元素配制成合金，為鋁加工熱軋、擠壓、鍛造等提供坯料。熔煉鑄造工藝因其特殊性，在生產過程中常伴有高溫、有毒、有害、易燃易爆氣體的產生。目前，多為連續性的群體作業且多半為手工操作，如果某一個崗位或工作環節發生失誤，就可能導致意外傷害事故。例如河南某企業鑄造開始時，由于引錠頭底座設計不合理，泄漏的鋁液不能流入井下而滯留在潮濕的平臺上，發生爆炸事故造成2人死亡[2]；山東某企業的混合爐出鋁口存在隱患，導致鋁液跑出且處理不當，大量鋁液流入到潮濕及有水的地面產生爆炸反應，造成廠房損毀、死亡16人、59人受到不同程度傷害的嚴重后果[3]。蒸汽爆炸已成為冶金行業最嚴重災害之一，也是液化天然氣儲運、核工業輕水反應堆爆炸事故預防的重要研究課題[4-5]。

國外學者對此的研究較早，但迄今仍未形成準確完整的機理性描述[6-7]；國內則主要針對核反應堆蒸汽爆炸事故，研究小質量熔融金屬液滴(錫、鉍錫鉛合金等)與冷卻水的相互作用機制[8-9]。本文針對熔融鋁液與水作用發生爆炸反應的物理現象，自主設計并搭建了大質量熔融鋁液遇水自觸發爆炸反應實驗裝置，研究熔融鋁液遇水爆炸反應的主要影響因素，對爆炸場的溫度和沖擊波超壓進行測試，最后探討了爆炸反應的形成機制。

1 實驗系統與過程

為有效重現熔融鋁液與水接觸爆炸過程，結合實際鋁材的鑄造工藝流程，設計了1套實驗裝置，如圖1所示，主要包括錐形和柱形容器兩部分。

圖1 熔融鋁液遇水爆炸反應裝置及典型爆炸場景Fig.1 Illustration of experimentalapparatus used for molten aluminum-water explosive interaction and representative images of explosion

錐形容器內壁帶有硅酸鹽紙，用于臨時盛放高溫熔融鋁液，底塞經鋼絲繩與提升馬達相連。柱形反應器為薄壁圓筒，用于盛放冷卻水，直徑為158 mm，高度為300 mm，材質為碳鋼或不銹鋼。實驗開始時，提升馬達拉動底塞，使熔融鋁液迅速下落與混合水槽中的水混合，形成爆炸。同時啟動高速運動分析系統對爆炸局部近景進行觀測，最大分幅率可達2×105fps。利用紅外測溫儀記錄爆炸場的溫度變化，爆炸沖擊波超壓則由埋設于爆點固定位置的壓力記錄儀測定。根據圖1中典型爆炸場景，可以看到反應器噴濺的鋁液成為細小的白色顆粒，并形成強烈的沖擊波。

2 實驗結果與分析

2.1 爆炸反應的影響因素

高溫熔融金屬遇水爆炸是一個復雜的多相流過程，對其產生影響的因素很多，如熔融金屬的質量與溫度、水的質量與溫度、反應器材質與表面粗糙度、空間的封閉程度等[10-11]，其中熔融金屬與水的質量、溫度對爆炸的影響較為突出。

當鋁液溫度在1 023～1 123 K范圍內，水溫保持為290～300 K，反應器材質為碳鋼，其他條件不變，只改變鋁液與水的質量，共進行了67次的實驗，數據整理如圖2所示。其中31次發生爆炸(○表示)，36次未發生爆炸(×表示)。圖中點線和實線將整個鋁液與水作用質量配比范圍劃分成3個區域，即實線下方的非爆炸區、點線與實線之間的混合區以及點線上方的爆炸區。在非爆炸區內，當水量相對較少時，若加入的鋁液對水不能形成有效夾裹時，不會產生爆炸。只有當鋁液量達到2.91 kg才會出現比較柔和的爆炸反應，這種爆炸威力較小，只出現鋁液輕度噴濺，水槽內殘留大量鋁液。這種小水量爆炸體系由于鋁液碎化程度較低，產生水蒸氣量相對太少，缺乏足夠的能量壓縮周圍介質做功，形成的沖擊波強度也較弱。

圖2 鋁液與水相對質量對爆炸形成的影響Fig.2 Experimental results for aluminum-water system at various mass

隨著水量增加，鋁液量要達到一定值才能出現爆炸現象。這是因為水量增加會導致鋁液夾裹水滴難度加大，相反，鋁液入水后其表面迅速冷卻固化，此時若不能形成細碎化機制，增加傳熱速率則很難形成爆炸體系，從而產生注入鋁液非爆炸上極限量，由實線表示。對于非爆炸上極限曲線(實線)擬合雙對數方程[12]為：

ln(wAl/wwater)=1.49-0.71·ln(wwater)

(1)

式中：wAl為鋁液質量，kg；wwater為水的質量，kg。

在爆炸區內，鋁液與水劇烈混合，同時充分碎化供給體系大量熱能，使得短時間內水快速汽化，最終發生爆炸，程度也比較劇烈。對于爆炸下極限曲線(點線)擬合雙對數方程[12]為：

ln(wAl/wwater)=1.72-0.73·ln(wwater)

(2)

爆炸區與非爆炸區之間為混合區，該區域范圍較窄，邊界形狀不規則，爆炸的發生具有明顯的概率性，體現了鋁液-水爆炸體系的復雜性。

為研究水溫對爆炸形成的作用，保持其他實驗條件不變，只改變鋁液與水的溫度，共進行15次實驗，數據整理如圖3所示。其中7次發生爆炸(○表示)，8次未發生爆炸(×表示)?？煽闯霈F有條件下水溫對爆炸形成有重要影響，水溫越高，爆炸反應越不容易發生。這是因為水溫變高，鋁液在水中傳熱速率降低，固化層內應力減小，導致鋁液發生碎化難度變大，所以水溫升高爆炸反應很難發生。

圖3 水溫對爆炸形成的影響Fig.3 Experimental results for aluminum-water system with different temperatures of water

2.2 爆炸場的壓力變化

爆炸反應觸發后，鋁液-水體系在反應器內快速膨脹并壓縮周圍介質[13]，形成沖擊波向周圍傳播，同時產物也伴隨沖擊波高速向四周飛散，并隨飛散距離的增大而衰減。對于凝聚炸藥TNT，Brode公式[14]描述沖擊波超壓與對比距離的關系：

(3)

圖4是實驗中爆炸沖擊波超壓隨對比距離的變化關系，其中曲線表示考慮馬赫反射作用、經公式(3)計算得到的超壓變化趨勢。可以看出，鋁液-水體系產生的爆炸沖擊波超壓低于TNT爆炸沖擊波超壓計算值，同時，超壓隨對比距離的衰減速率更快[15]。這是因為熔融鋁液遇水作用的爆炸能量主要分為沖擊波能、鋁液滴飛散動能以及氣體產物內能，其中沖擊波能只占爆炸總能的小部分，而TNT炸藥的爆炸產物以氣體為主，沖擊波能可占爆炸總能90%左右；其次，TNT化學爆炸的能量釋放率要高于此類物理作用為主的蒸汽爆炸。

圖4 超壓計算結果與實驗結果對比Fig.4 Calculated shockwave overpressure compared with experimental results

2.3 爆炸場的溫度變化

爆炸反應除了沖擊波效應，同時也伴有熱效應的作用。熱效應是一個典型的物理特征，會對人員造成不同程度的損傷[15]。實驗首次運用紅外測溫儀記錄了爆炸場附近的溫度變化，鏡頭捕捉范圍為反應容器及其以上空間。圖5和圖6為典型的爆炸云團分布和溫度場。

圖5 爆炸云團分布Fig.5 Graph of explosion region by infrared thermal imaging

圖6 爆炸場的溫度變化Fig.6 Temperature of explosion region

由于爆炸產生的高溫區域較大，紅外熱成像只捕捉到了爆炸云團的局部，爆炸云團發生在反應容器上方約1 m處，且分布范圍較大。圖5中弧線表示的云團半徑約為0.498 m，相應球形體積約0.517 m3，直接測得最高溫度約為520 K。爆炸場周圍溫度有明顯的突變現象，這是由于較短的時間尺度內爆炸產物與周圍空氣進行了快速熱交換，使爆炸區域溫度迅速升高所致。整體來看，爆炸場的最高溫度既低于鋁水發生化學反應所需的溫度1 473 K，也低于水的過熱極限溫度543 K，由此可推斷熔融鋁液遇水爆炸中化學反應的可能性非常低。

2.4 爆炸產物分析

根據實驗觀察，熔融鋁液遇水爆炸反應按劇烈程度可分為3種模式[16]：柔和爆炸、劇烈爆炸和猛烈爆炸。當水量相對鋁液較少時，主要發生柔和爆炸，鋁液部分碎化，噴濺距離一般在5 m以內，產物多為片狀產物；當水量較多時，鋁液碎化程度較高，劇烈和劇烈爆炸發生的概率較高，形成強烈的沖擊波，反應器嚴重破壞，鋁液基本全部被噴射出反應容器，產物多為中、小粒徑白色顆粒。

圖7為回收的爆炸產物，由于爆炸沖擊波的能量轉化效率不同，產物的粒徑分布也不同[16]。根據外形和尺寸，產物分為片狀產物、中粒徑產物和小粒徑產物。既包括混合階段中水力和熱力碎化形成的細碎顆粒，也包括膨脹做功階段壓力波作用的碎化顆粒。

圖7 典型的爆炸產物Fig.7 Resulting fragments of molten aluminum after explosion

利用ICP光譜分析技術對產物顆粒做成分分析，結果如圖8所示?？梢钥闯?，產物成分以鋁元素為主，鐵、鈣、鎂等元素含量較少。產物的粒徑越小，鐵、鈣、鎂等元素含量越多，表明金屬元素對鋁液-水體系爆炸形成和反應劇烈度有明顯影響[12]。

圖8 產物的元素含量分析Fig.8 Chemical composition of fragments

2.5 爆炸機制的探討

最初觀點認為，熔融鋁液遇水發生爆炸的主要原因是水在鋁元素的作用下進行分解產生了氫氣，并與氧氣反應而引起爆炸。但在一般條件下，鋁作為一種活潑金屬，其表面在大氣環境中很容易形成一種氧化膜。由于氧化膜的阻礙，在溫度低于1 200℃的條件下，水分解不足以產生爆炸所需的氫氣量。同時，現已知有不產生氫氣的熔融鹽與水體系同樣會發生爆炸。因此，可以斷定通常條件下這些現象并不是水分解產生氫氣所引發的爆炸。

相反，當水和高溫熔融物接觸，由于快速的熱運動，其溫度迅速達到沸點以上并達到一種過熱狀態。對于水來說，根據實驗觀察其過熱溫度的極限大約為270 ℃。這種過熱狀態是極不穩定的，在達到其過熱溫度之前，往往由于汽化而放熱。這種過熱液體的汽化速度是非?？斓?，會使壓力急劇地上升，形成一定幅值的壓力波。由于壓力波對熔融物的碎化作用，增加了傳熱面積和速率，這樣會增大傳熱量，進一步加速進行汽化，導致更激烈的沸騰性物理爆炸。在這種蒸汽爆炸中，高溫熔融物的細碎化程度直接決定2種流體的接觸傳熱面積及熱傳導量，根據經典的傳熱速率方程[17]：

Q=h·A·ΔT

(4)

式中：Q為單位時間熱傳導量，W；h為膜態傳熱系數，W/(m2·K)；A為接觸面積，m2；ΔT為界面的溫度差，K。

為促進爆炸反應形成或提高爆炸反應的劇烈程度，必須提高熔融物與水之間的熱傳導量，即增加方程(4)右側所示的各種因數。如果接觸面積A不變，假設h為沸騰時最大值，或者增加ΔT，同樣會達到膜態沸騰，此時反而減小了h值，在這兩種情況下都不會發生爆炸[18]。由此可見，熔融物的碎化率增加，提高接觸面積A是爆炸形成必不可少的條件。事實上，根據回收的爆炸產物粒徑分布，結合觀察的爆炸劇烈度，也間接證實了這一觀點。

3 結論

1)熔融鋁液遇水爆炸是鑄造工藝中典型的蒸汽爆炸，本質源于熔融金屬與水的非正常接觸。鋁液與水的質量、水溫等因素對爆炸形成的影響較大。當鋁水相對質量變化，基于不同的觸發機制，鋁水混合體系均可能發生爆炸。爆炸反應越劇烈，產物粒徑越小。水溫變高，鋁液碎化的難度變大，爆炸反應很難發生。

2)根據爆炸場溫度和沖擊波衰減速率，可認為化學反應在鋁水爆炸體系不占主要地位，熔融物的碎化放熱或夾裹形成過熱亞穩態水，是目前條件下爆炸發生的根本原因。

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