感應爐爆發(fā)性噴濺和爆炸機理分析及安全對策

甘 艷，蔣 敏

（云南安益安全評價有限公司，云南 昆明 650200）

近年來，純凈鋼與高溫合金在很多領域都得到了廣泛的應用，隨著生產生活領域對這類材料使用需求的逐步增加，企業(yè)在進行純凈鋼、高溫合金熔煉時，必須要加強技術改進和創(chuàng)新，通過先進技術的應用來降低熔煉過程中的安全風險。感應爐是超純凈鋼、高溫合金熔煉中的關鍵要素和配置，其在生產流程的執(zhí)行過程中，爆發(fā)式噴濺和爆炸事故較為常見，如果要有效保障生產的高效開展，就必須要在生產的過程中從噴濺和爆炸的產生原因出發(fā)，采取切實有效的控制策略。

1 感應爐構成

感應爐爐體主要由水冷感應圈、坩堝、磁軛、爐殼和爐體傾動機構所組成，除了爐體設備以外，對于成套感應爐熔煉設備而言，其中應包含電氣部分、爐體傾動機構驅動設備和冷卻水供應系統(tǒng)等[1]。綜合來看，在工業(yè)生產領域，使用頻率最多、范圍最廣的就是中頻感應爐爐體結構，如圖1所示。

圖1 工業(yè)中頻感應爐爐體結構

2 感應爐爆發(fā)性噴濺和爆炸的危害

在冶金工藝應用時，噴濺具體表現為氣體將轉爐、電爐和感應爐等各類冶金爐體中的金屬和熔渣托出爐外的現象，一般多表現為泡沫性、金屬、爆發(fā)性噴濺等幾種類型。其中，爆發(fā)性噴濺是一種危害性較大的事故，由于冶金生產的特殊性，在整個的工藝應用過程中，高溫金屬液與熔渣的性質比較特殊，遇水以后發(fā)生爆炸的概率偏高，而爆炸發(fā)生往往是由水冷感應圈所造成的，爆發(fā)性噴濺現象出現以后，噴濺出來的金屬液、熔渣覆蓋區(qū)域內如果存在積水現象，會造成更為嚴重的爆炸事故，引起人員傷亡和經濟損失。

感應爐熔煉時，爆發(fā)性噴濺、爆炸均會導致金屬液、熔渣逐步沖出爐外，最終導致熔煉的全過程難以得到有效的控制，不僅造成了金屬資源的浪費，還導致正常的生產作業(yè)難以維持，對設備與廠房造成了巨大的破壞。

3 感應熔煉爆發(fā)性噴濺的形成機理

3.1 氣體來源

3.1.1 爐料吸附氣體

正常爐料在運行的過程中，會吸附少量的水汽和空氣，空氣和水汽在高溫液態(tài)金屬中的溶解度非常小，在一定的溫度條件下，氣體的溶解度與該氣體在氣相中分壓的平方根存在正比關系，氮氣、氧氣和氫氣在純鐵液中的溶解度存在著較大的不同。根據相應的計算分析，吸附氣體在金屬液中的溶解度非常小，大部分會逐步離開金屬熔池，依據理想氣態(tài)方程，當吸附氣體溫度達到了1600℃時，氣體壓力和體積乘積會擴大很多倍，如果在感應爐熔煉時，爐料干燥且銹蝕少，爐礦相對較好，爐料吸附少量氣體時，將會造成一定的金屬噴濺，雖然其影響相對較小，同樣會造成一定的不利影響[2]。如果感應爐爐料條件較差，比如，爐料的銹蝕情況嚴重，或者存在潮濕等現象，爆發(fā)性噴濺現象的幾率相對較高，尤其是在北方冬季，附著在爐料上的水將會出現凍結情況，而這種情況不易發(fā)現，直接入爐將會導致更為嚴重的爆發(fā)性噴濺現象。

3.1.2 銹蝕反應氣體

在冶金過程中，鋼液中存在一定的碳氧反應，如果爐料中存在較為嚴重的銹蝕現象，廢鋼料銹蝕成分中的相關物質在進入金屬熔池以后會發(fā)生分解反應。伴隨著高溫分解反應的發(fā)生，會形成大量的氧氣，氧在高溫金屬液中的溶解度非常小，會迅速離開鋼液，產生的氧使得熔池內的碳氧平衡難以保持平衡，甚至高溫分解反應下形成的一氧化碳使得鋼液內部產生了不斷外涌的動力，引起了爆發(fā)性噴濺[3]。

3.2 爆發(fā)性噴濺的其他誘因

3.2.1 爐渣結殼

感應爐熔煉的過程中，爐渣覆蓋在鋼液表面，對合金元素起到了一定的保護作用，避免了這些合金元素被氧化，當然，爐渣在鋼液表面的覆蓋也對夾雜物起到了一定的脫硫、吸附處理。從爐渣構成來看，其內主要為石灰、螢石和石英砂，當然還包含了少量熔煉過程中的爐襯材料。感應爐熔煉時的爐渣為冷渣，爐渣溫度與鋼液熱量有著直接的關系，一旦熔渣散熱速度超過了鋼液的傳熱速度，就會造成熔渣表面的結殼現象。如果渣殼沒有及時熔化或者被外力打透，就會在渣殼下部空間內形成密閉性結構，熔煉過程中所產生的氣體難以得到 有效的釋放，當達到一定的壓力條件以后，就會造成噴濺現象。

3.2.2 爐料架橋

爐料架橋現象主要是由以下因素所導致的：一次加料量未得到有效控制，加料量偏多，使得上部爐料的堆放過緊，爐料卡死和架空；爐料結構的設置不合理，上下部安排不當，比如，上部料塊小、熔點高，而下部料塊大且熔點低；爐壁的平滑性難以滿足相應的標準；熔煉時飛濺的金屬液將爐料和爐壁粘結起來；爐料在熔化以后，爐料帶入的游離氣體在受熱以后會快速膨脹，引起金屬液和熔渣的飛濺，使得上部爐料粘結在一起；爐料架橋以后，與下部金屬熔池脫離，這種情況下，傳熱和熔化難以正常進行，會維持一段停留在低溫區(qū)的狀態(tài)；下部熔池溫度持續(xù)升高，導致爐內形成了高溫、高壓環(huán)境。如果生產中未及時進行吹氧助熔處理，將會引起極為嚴重的爆發(fā)性噴濺現象。

4 感應爆炸形成機理

4.1 冷卻水供應問題

在感應熔煉的過程中，感應圈是最需要進行冷卻處理的部位，在整個的生產過程中，感應圈電阻會形成很大的熱量，這一熱量占據了電爐額定功率的20%；爐料同樣會向感應圈傳遞一定的熱量。一般情況下，感應圈漏水主要是由冷卻水故障、爐襯失效所引起的，當冷卻水不足或者斷水時，感應圈溫度會急劇升高，由于感應圈材料的特殊性，當其工作溫度升高時，電阻也隨之增大，發(fā)熱量增速明顯。感應圈如果冷卻效果難以保障，將會導致線圈絕緣破損，甚至引起匝間短路問題。在受到熱應力影響時，感應圈會出現燒損、變形的現象，最終會引起漏水，當滲漏的冷卻水進入爐體以后，直接與鋼水接觸將會引起嚴重的爆炸。

4.2 冷卻水路接反

感應爐熔煉時，當存在供水與排水方向接反的情況時，極易在感應圈上部形成蒸汽袋，而當出現蒸汽袋以后，常常會存在局部冷卻效果不佳的情況，感應圈局部燒損和開裂，引起了漏水問題，當這些滲漏水進入爐體以后，造成了爆炸現象。

4.3 水垢影響

如果在整個的生產過程中，冷卻水的硬度偏高，熔煉過程中未進行相應的軟化處理，長期維持這一情況將會導致冷卻水管路難以正常使用，比如，冷卻水管路內部、感應圈內壁會形成水垢，一旦水垢累積過多，將會使得管道內的水流流速、流量大大降低，最終影響了傳熱的正常進行，也就難以達到良好的冷卻效果，冷卻強度不足同樣是造成爆炸形成的直接原因。

5 噴濺與爆炸的安全對策

5.1 熔煉前期的管理與控制

感應爐熔煉過程中，噴濺和爆炸將會給現場人員造成灼燙傷害，甚至會導致生產過程中的各種設備受到損壞，導致正常的熔煉作業(yè)難以進行，生產中斷。噴濺和爆炸事故還會引起巨大的火災隱患，使得部分生產設備和設施面臨嚴重損壞。針對這一情況，在生產過程中，企業(yè)必須要采取有效的方式來進行噴濺和爆炸的有效預防和控制。首先，在生產作業(yè)開始之前，相關人員需要對爐體爐襯加以全面檢查，使得爐襯的厚度能夠符合相應的標準，嚴禁爐襯表面存在破損和裂紋。其次，在感應爐熔煉過程中，所選擇的爐料塊度必須要符合標準，并要保障所選用的全部爐料表面清潔且干燥，不存在銹蝕與油污。然后，冶金企業(yè)要針對感應爐熔煉過程中存在的噴濺和爆炸威脅，來制定完善的裝料制度，在初次加料時，必須要結合爐體的熔煉需求，保障爐料結構的合理性，要達到這一目標，就需要使得下部爐料的料塊相對較小，且熔點較低，中部爐料需選用高熔點爐料，上部應松動，且在加料時要保障爐料大小塊的合理搭配。在熔煉的過程中，必須要結合熔煉的現實需求與標準，對每次的加料量、熔煉時的加料次數加以科學控制，在大料塊的添加過程中，需在盡量保持鋼液不溢出的情況下，傾動爐體使得料塊可以緩慢進入熔池中。

5.2 熔煉過程中的管理與控制

在熔煉過程中，如果要有效減小噴濺和爆炸威脅，需從以下方面來進行：

（1）整個的熔煉過程中，有關操作和生產人員必須要密切關注爐內情況，如果在爐體內形成了渣殼，就需要利用機械力來將渣殼穿透或者破壞；如果形成了物料架橋，可以利用氧氣助燃的方式，實現吹氧助熔，保障熔煉工作的順利進行；如果出現了噴濺情況，要適當對功率進行相應的調整，在熔池恢復正常以后，要逐步恢復原有功率，如果在此過程中降低功率沒有起到其應有的作用，就需要立即停爐，維持一頓時間的觀察，在恢復正常以后再重新啟動感應爐。

（2）供水系統(tǒng)的設計需合理，能夠提供兩路均可以滿足冷卻要求的獨立供水，并要保障切換的靈活性與自如性。在條件允許的情況下，需進行應急高位水箱的設置，使得在熔煉過程中可以滿足斷電用水的需求。熔煉過程中同樣需要對冷卻水的壓力、溫度和流量等加以實時監(jiān)測，在出現異常情況時，要立即進行相應的信號反饋，及時進行相應的處理，保障冷卻水的水質合格，使用新型阻垢器來達到水質標準。

（3）在爐襯打完以后，相關人員需對爐體進行充分烘烤，使得感應熔煉時所使用的渣料和覆蓋劑能夠干燥入爐。

5.3 日常檢查與維護

在感應爐使用的過程中，相關操作人員在日常的工作過程中，需要做好相應的檢查與維護工作。首先，要定期對感應圈加以檢查，當檢查時發(fā)現感應圈局部由于打弧造成損壞時，要及時更換新的感應圈，否則，感應圈損壞將會使得熔煉過程中感應管內冷卻水出現嚴重的滲漏問題。在感應爐的相關位置，需要進行漏鋼檢測報警裝置的安裝，使得此裝置能夠在熔煉過程中發(fā)揮其監(jiān)測報警作用。其次，在日常的工作中，必須要保障冷卻管路接入的正確性避免出現冷卻管路進出水反接的情況。最后，熔煉過程中的現場管理也極為重要，相關人員在熔煉時，需要加強現場安全管理，通過全方位的管理來消除現場的噴濺和爆炸威脅，保持熔煉作業(yè)的穩(wěn)步進行。

6 結語

近年來，隨著各個冶金行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，各個冶金企業(yè)的生產規(guī)模日益擴大，感應爐作為熔煉過程中的關鍵設備，其在使用的過程中常常會由于各種因素引起嚴重的噴濺和爆炸事故，影響了安全生產目標的實現。針對這一情況，各個企業(yè)都需要從爆發(fā)性噴濺和爆炸的形成原因出發(fā)，采取相應的安全對策，從根本上消除噴濺和爆炸威脅。