某滴注式氣體滲碳爐爆炸原因探討

侯帥帥* 曾現琛 胡家琨 付春霞

（1.青島市產品質量監督檢驗研究院 2.青島市產品質量檢驗技術研究所）

0 前言

井式氣體滲碳爐目前應用十分廣泛，各種零件的滲碳工藝大多數是在井式氣體滲碳爐中進行的。過去，人們對這種電阻爐的爆炸危險認識不足，設備操作規程和安全培訓中也很少提及其危險性。但事實上，生產過程中經常發生這種爆炸事故，王賢敏[1]研究并分析了爆炸原因及預防措施。現結合實際工作，對某井式電阻爐發生爆炸的原因進行了分析。

1 事故情況

發生爆炸的井式電阻爐為滴注式氣體滲碳爐，其工作原理是將兩種有機液體同時滴入爐內，一種液體產生較高的氣體碳勢，起富化作用，另一種液體產生較低的氣體碳勢，起稀釋作用，通過合理控制這兩種液體的滴入比例并保持一定時間，使碳滲入到零件表面中，從而達到表面增碳并控制在一定范圍內的要求。該電阻爐主要由爐蓋、爐殼、爐襯、爐蓋升降機構、爐用密封風機、馬弗罐、加熱元件、水冷卻系統、電控系統及利用滲碳劑產生合成氣氛的滴注系統等部分組成。按照實際用途來分，其主要用于鋼制工件滲碳，因此可稱為滲碳爐；從加熱方式來分，是利用間接電阻進行加熱，屬于間接電阻爐；從結構來分，屬于井式電阻爐；從對流方式來分，屬于強迫對流式電阻爐[2]。

該電阻所用滲碳劑為煤油和酒精，溫度記錄紙上指針所指位置約為550 ℃；馬弗罐內料筐中裝有滲碳工件，罐內碳黑很少；爆炸后爐蓋整體脫離爐體，斜靠在爐體旁邊。用于連接爐蓋和罐體的螺栓共有10套，其中9 套已發生斷裂，斷裂部位均位于螺栓與螺栓之間連接的焊接處，焊縫存在氣孔、夾渣、焊縫不均勻等缺陷，未發生斷裂的螺栓也已經產生變形。

經現場勘驗、鑒定，取以下部件樣本后進行檢驗：滲碳劑滴注器，3 套用于連接爐蓋與罐體的螺栓，6 件滲碳工件（從馬弗罐中料筐的上、中、下三個部位各取2 件工件，分別編號為1#～6#）。

2 檢驗結果

滲碳劑滴注器檢驗結果表明：該滴注器為針閥結構，2 個閥門均無滲漏現象。

螺栓檢驗結果表明：3 套螺栓斷裂部位均存在氣孔、夾渣、焊縫不均勻等質量缺陷。

工件檢驗結果表明：工件表面均有銹跡，氧化皮較少；對6 件滲碳工件進行切割后制取金相試樣，用體積分數為3%硝酸酒精溶液進行腐蝕，再使用蔡司Imager.M2M 金相顯微鏡觀察，6 件工件均沒有出現滲碳層，也沒有出現脫碳現象，詳見圖1。

3 爆炸原因分析

根據現場情況及檢驗結果，該電阻爐主要用于進行鋼件的滲碳處理，由于無法獲得當時的具體生產工藝狀態及相關技術參數，按照滲碳熱處理生產發生事故的可能性進行以下分析。

（1）從連接爐蓋和罐體的螺栓來分析，現場9 套螺栓發生斷裂，1 套螺栓未斷裂但產生了變形，通過斷裂和變形情況可以看出，螺栓是在瞬間受到強烈的縱向力后從焊縫處斷裂，導致質量較大的爐蓋從爐體上脫離掉落至井坑底部。根據現場的情況來看，爐蓋上的排氣管和觀察孔都處于開啟狀態，因此罐內的氣壓不是慢慢累積達到物理爆炸的極限，而是瞬間急劇變大，從而發生化學爆炸。

圖1 工件滲碳層

引發化學爆炸的條件為：可燃氣體與空氣（或氧氣）必須同時存在，缺一不可；當可燃氣體與空氣（或氧氣）在低于其自燃點的條件下，相互混合并且其比例達到一定的范圍內（爆炸極限以內）；以上氣體混合物在具有足夠溫度或能量的著火源的作用下[3]。上述三個條件同時被滿足，可燃氣體才會發生爆炸。在本次爆炸中著火源只涉及馬弗爐內壁的熾熱表面和被加熱的工件。

（2）從現場取樣的滲碳工件表面來看，氧化皮較少，表明工件沒有經歷太高溫度的氧化反應。根據所取滲碳工件的金相檢驗結果可知，6 件滲碳工件均沒有出現滲碳層，這表明事故發生時，工件還未進行到滲碳階段，或者剛開始進入到滴注階段。6 件滲碳工件均沒有出現脫碳現象，這表明事故發生時，爐內溫度應該在700 ℃以下，或者剛開始進入到滴注階段。

按照滴注式滲碳工藝的要求，爐溫低于750 ℃時，不得向爐內滴入任何有機溶液[4]。因此，以750 ℃為分界點，分別對低于750 ℃和高于750 ℃時的情況進行分析。

當爐溫低于750 ℃時，正常情況下，在該溫度階段是不允許滴入滲碳劑的，爐內只有空氣，因此不具備發生化學爆炸的條件。如果在該溫度階段加入了滴注劑，或者由于其他因素導致爐內存在滴注劑，在溫度升高至滴注劑的自燃點之前，滴注劑已達到了沸點，因此以酒精蒸汽和煤油蒸汽的狀態存在，爐內空氣與滴注劑蒸汽相互混合。當爐內溫度達到或超過滴注劑的自燃點，且滴注劑蒸汽的體積分數達到爆炸極限時，就會發生爆炸。滲碳劑性質和滲碳特性[5]可見表1。

表1 滲碳劑性質和滲碳特性

另外，當爐溫低于750 ℃時，若爐內出現負壓情況，空氣則被吸入爐內，與爐內的可燃性氣體混合并達到爆炸極限，從而發生爆炸。

當爐溫高于750 ℃時，滲碳劑滴入后會立刻成為滲碳劑蒸汽或者是部分熱裂解的產物（通常為CH4，CO，[C]，H2等）。由于760 ℃已經超過滲碳劑蒸汽和熱裂解產物的自燃點，所以不具備與空氣充分混合的打條件，滲碳劑滴入后便發生燃燒，直到將爐內的氧氣消耗完畢。因此，爐溫在高于760 ℃時發生爆炸的可能性比較小。

4 結論

根據現場情況及檢驗結果進行分析后可知，該電阻爐發生爆炸的原因可能為：（1）爐溫低于750 ℃時，向爐內滴入滲碳劑或者由于其他因素導致爐內存在滴注劑，當爐內溫度達到或超過滴注劑的自燃點，且滴注劑蒸汽的體積分數達到爆炸極限時，就會發生爆炸事故；（2）爐溫低于750 ℃時，爐內出現負壓的情況，空氣被吸入爐內，與爐內的可燃性氣體混合并達到爆炸極限，從而發生爆炸事故。

為了避免滲碳爐發生爆炸事故，應注意以下幾個問題：（1）要通過正規廠家購買符合國家標準的電阻爐，隨爐附件應包括銘牌、說明書、生產廠家等，確保購買到的產品設計合理、質量合格；（2）應特別注意電阻爐中安全裝置的設置及有效狀態，定期進行整定或更換；（3）要加強對操作、使用和維護人員的培訓，確保相關人員既能懂操作，又能懂原理，關鍵時刻能夠保護自身安全。