甘 艷，蔣 敏

（云南安益安全評(píng)價(jià)有限公司，云南 昆明 650200）

近年來(lái)，純凈鋼與高溫合金在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，隨著生產(chǎn)生活領(lǐng)域?qū)@類材料使用需求的逐步增加，企業(yè)在進(jìn)行純凈鋼、高溫合金熔煉時(shí)，必須要加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，通過(guò)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用來(lái)降低熔煉過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。感應(yīng)爐是超純凈鋼、高溫合金熔煉中的關(guān)鍵要素和配置，其在生產(chǎn)流程的執(zhí)行過(guò)程中，爆發(fā)式噴濺和爆炸事故較為常見(jiàn)，如果要有效保障生產(chǎn)的高效開(kāi)展，就必須要在生產(chǎn)的過(guò)程中從噴濺和爆炸的產(chǎn)生原因出發(fā)，采取切實(shí)有效的控制策略。

1 感應(yīng)爐構(gòu)成

感應(yīng)爐爐體主要由水冷感應(yīng)圈、坩堝、磁軛、爐殼和爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)所組成，除了爐體設(shè)備以外，對(duì)于成套感應(yīng)爐熔煉設(shè)備而言，其中應(yīng)包含電氣部分、爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)等[1]。綜合來(lái)看，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，使用頻率最多、范圍最廣的就是中頻感應(yīng)爐爐體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 工業(yè)中頻感應(yīng)爐爐體結(jié)構(gòu)

2 感應(yīng)爐爆發(fā)性噴濺和爆炸的危害

在冶金工藝應(yīng)用時(shí)，噴濺具體表現(xiàn)為氣體將轉(zhuǎn)爐、電爐和感應(yīng)爐等各類冶金爐體中的金屬和熔渣托出爐外的現(xiàn)象，一般多表現(xiàn)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(chǎn)的特殊性，在整個(gè)的工藝應(yīng)用過(guò)程中，高溫金屬液與熔渣的性質(zhì)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(yīng)圈所造成的，爆發(fā)性噴濺現(xiàn)象出現(xiàn)以后，噴濺出來(lái)的金屬液、熔渣覆蓋區(qū)域內(nèi)如果存在積水現(xiàn)象，會(huì)造成更為嚴(yán)重的爆炸事故，引起人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

感應(yīng)爐熔煉時(shí)，爆發(fā)性噴濺、爆炸均會(huì)導(dǎo)致金屬液、熔渣逐步?jīng)_出爐外，最終導(dǎo)致熔煉的全過(guò)程難以得到有效的控制，不僅造成了金屬資源的浪費(fèi)，還導(dǎo)致正常的生產(chǎn)作業(yè)難以維持，對(duì)設(shè)備與廠房造成了巨大的破壞。

3 感應(yīng)熔煉爆發(fā)性噴濺的形成機(jī)理

3.1 氣體來(lái)源

3.1.1 爐料吸附氣體

正常爐料在運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)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(guān)系，氮?dú)?、氧氣和氫氣在純鐵液中的溶解度存在著較大的不同。根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算分析，吸附氣體在金屬液中的溶解度非常小，大部分會(huì)逐步離開(kāi)金屬熔池，依據(jù)理想氣態(tài)方程，當(dāng)吸附氣體溫度達(dá)到了1600℃時(shí)，氣體壓力和體積乘積會(huì)擴(kuò)大很多倍，如果在感應(yīng)爐熔煉時(shí)，爐料干燥且銹蝕少，爐礦相對(duì)較好，爐料吸附少量氣體時(shí)，將會(huì)造成一定的金屬噴濺，雖然其影響相對(duì)較小，同樣會(huì)造成一定的不利影響[2]。如果感應(yīng)爐爐料條件較差，比如，爐料的銹蝕情況嚴(yán)重，或者存在潮濕等現(xiàn)象，爆發(fā)性噴濺現(xiàn)象的幾率相對(duì)較高，尤其是在北方冬季，附著在爐料上的水將會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)情況，而這種情況不易發(fā)現(xiàn)，直接入爐將會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的爆發(fā)性噴濺現(xiàn)象。

3.1.2 銹蝕反應(yīng)氣體

在冶金過(guò)程中，鋼液中存在一定的碳氧反應(yīng)，如果爐料中存在較為嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，廢鋼料銹蝕成分中的相關(guān)物質(zhì)在進(jìn)入金屬熔池以后會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)。伴隨著高溫分解反應(yīng)的發(fā)生，會(huì)形成大量的氧氣，氧在高溫金屬液中的溶解度非常小，會(huì)迅速離開(kāi)鋼液，產(chǎn)生的氧使得熔池內(nèi)的碳氧平衡難以保持平衡，甚至高溫分解反應(yīng)下形成的一氧化碳使得鋼液內(nèi)部產(chǎn)生了不斷外涌的動(dòng)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(jié)殼

感應(yīng)爐熔煉的過(guò)程中，爐渣覆蓋在鋼液表面，對(duì)合金元素起到了一定的保護(hù)作用，避免了這些合金元素被氧化，當(dāng)然，爐渣在鋼液表面的覆蓋也對(duì)夾雜物起到了一定的脫硫、吸附處理。從爐渣構(gòu)成來(lái)看，其內(nèi)主要為石灰、螢石和石英砂，當(dāng)然還包含了少量熔煉過(guò)程中的爐襯材料。感應(yīng)爐熔煉時(shí)的爐渣為冷渣，爐渣溫度與鋼液熱量有著直接的關(guān)系，一旦熔渣散熱速度超過(guò)了鋼液的傳熱速度，就會(huì)造成熔渣表面的結(jié)殼現(xiàn)象。如果渣殼沒(méi)有及時(shí)熔化或者被外力打透，就會(huì)在渣殼下部空間內(nèi)形成密閉性結(jié)構(gòu)，熔煉過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體難以得到 有效的釋放，當(dāng)達(dá)到一定的壓力條件以后，就會(huì)造成噴濺現(xiàn)象。

3.2.2 爐料架橋

爐料架橋現(xiàn)象主要是由以下因素所導(dǎo)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(guò)緊，爐料卡死和架空；爐料結(jié)構(gòu)的設(shè)置不合理，上下部安排不當(dāng)，比如，上部料塊小、熔點(diǎn)高，而下部料塊大且熔點(diǎn)低；爐壁的平滑性難以滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；熔煉時(shí)飛濺的金屬液將爐料和爐壁粘結(jié)起來(lái)；爐料在熔化以后，爐料帶入的游離氣體在受熱以后會(huì)快速膨脹，引起金屬液和熔渣的飛濺，使得上部爐料粘結(jié)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(jìn)行，會(huì)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(dǎo)致?tīng)t內(nèi)形成了高溫、高壓環(huán)境。如果生產(chǎn)中未及時(shí)進(jìn)行吹氧助熔處理，將會(huì)引起極為嚴(yán)重的爆發(fā)性噴濺現(xiàn)象。

4 感應(yīng)爆炸形成機(jī)理

4.1 冷卻水供應(yīng)問(wèn)題

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

4.2 冷卻水路接反

感應(yīng)爐熔煉時(shí)，當(dāng)存在供水與排水方向接反的情況時(shí)，極易在感應(yīng)圈上部形成蒸汽袋，而當(dāng)出現(xiàn)蒸汽袋以后，常常會(huì)存在局部冷卻效果不佳的情況，感應(yīng)圈局部燒損和開(kāi)裂，引起了漏水問(wèn)題，當(dāng)這些滲漏水進(jìn)入爐體以后，造成了爆炸現(xiàn)象。

4.3 水垢影響

如果在整個(gè)的生產(chǎn)過(guò)程中，冷卻水的硬度偏高，熔煉過(guò)程中未進(jìn)行相應(yīng)的軟化處理，長(zhǎng)期維持這一情況將會(huì)導(dǎo)致冷卻水管路難以正常使用，比如，冷卻水管路內(nèi)部、感應(yīng)圈內(nèi)壁會(huì)形成水垢，一旦水垢累積過(guò)多，將會(huì)使得管道內(nèi)的水流流速、流量大大降低，最終影響了傳熱的正常進(jìn)行，也就難以達(dá)到良好的冷卻效果，冷卻強(qiáng)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(duì)策

5.1 熔煉前期的管理與控制

感應(yīng)爐熔煉過(guò)程中，噴濺和爆炸將會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)人員造成灼燙傷害，甚至?xí)?dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中的各種設(shè)備受到損壞，導(dǎo)致正常的熔煉作業(yè)難以進(jìn)行，生產(chǎn)中斷。噴濺和爆炸事故還會(huì)引起巨大的火災(zāi)隱患，使得部分生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)施面臨嚴(yán)重?fù)p壞。針對(duì)這一情況，在生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)必須要采取有效的方式來(lái)進(jìn)行噴濺和爆炸的有效預(yù)防和控制。首先，在生產(chǎn)作業(yè)開(kāi)始之前，相關(guān)人員需要對(duì)爐體爐襯加以全面檢查，使得爐襯的厚度能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)禁爐襯表面存在破損和裂紋。其次，在感應(yīng)爐熔煉過(guò)程中，所選擇的爐料塊度必須要符合標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)感應(yīng)爐熔煉過(guò)程中存在的噴濺和爆炸威脅，來(lái)制定完善的裝料制度，在初次加料時(shí)，必須要結(jié)合爐體的熔煉需求，保障爐料結(jié)構(gòu)的合理性，要達(dá)到這一目標(biāo)，就需要使得下部爐料的料塊相對(duì)較小，且熔點(diǎn)較低，中部爐料需選用高熔點(diǎn)爐料，上部應(yīng)松動(dòng)，且在加料時(shí)要保障爐料大小塊的合理搭配。在熔煉的過(guò)程中，必須要結(jié)合熔煉的現(xiàn)實(shí)需求與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每次的加料量、熔煉時(shí)的加料次數(shù)加以科學(xué)控制，在大料塊的添加過(guò)程中，需在盡量保持鋼液不溢出的情況下，傾動(dòng)爐體使得料塊可以緩慢進(jìn)入熔池中。

5.2 熔煉過(guò)程中的管理與控制

在熔煉過(guò)程中，如果要有效減小噴濺和爆炸威脅，需從以下方面來(lái)進(jìn)行：

（1）整個(gè)的熔煉過(guò)程中，有關(guān)操作和生產(chǎn)人員必須要密切關(guān)注爐內(nèi)情況，如果在爐體內(nèi)形成了渣殼，就需要利用機(jī)械力來(lái)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(shí)現(xiàn)吹氧助熔，保障熔煉工作的順利進(jìn)行；如果出現(xiàn)了噴濺情況，要適當(dāng)對(duì)功率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，在熔池恢復(fù)正常以后，要逐步恢復(fù)原有功率，如果在此過(guò)程中降低功率沒(méi)有起到其應(yīng)有的作用，就需要立即停爐，維持一頓時(shí)間的觀察，在恢復(fù)正常以后再重新啟動(dòng)感應(yīng)爐。

（2）供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需合理，能夠提供兩路均可以滿足冷卻要求的獨(dú)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(jìn)行應(yīng)急高位水箱的設(shè)置，使得在熔煉過(guò)程中可以滿足斷電用水的需求。熔煉過(guò)程中同樣需要對(duì)冷卻水的壓力、溫度和流量等加以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在出現(xiàn)異常情況時(shí)，要立即進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)反饋，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理，保障冷卻水的水質(zhì)合格，使用新型阻垢器來(lái)達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在爐襯打完以后，相關(guān)人員需對(duì)爐體進(jìn)行充分烘烤，使得感應(yīng)熔煉時(shí)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(hù)

在感應(yīng)爐使用的過(guò)程中，相關(guān)操作人員在日常的工作過(guò)程中，需要做好相應(yīng)的檢查與維護(hù)工作。首先，要定期對(duì)感應(yīng)圈加以檢查，當(dāng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)感應(yīng)圈局部由于打弧造成損壞時(shí)，要及時(shí)更換新的感應(yīng)圈，否則，感應(yīng)圈損壞將會(huì)使得熔煉過(guò)程中感應(yīng)管內(nèi)冷卻水出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題。在感應(yīng)爐的相關(guān)位置，需要進(jìn)行漏鋼檢測(cè)報(bào)警裝置的安裝，使得此裝置能夠在熔煉過(guò)程中發(fā)揮其監(jiān)測(cè)報(bào)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(xiàn)冷卻管路進(jìn)出水反接的情況。最后，熔煉過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)管理也極為重要，相關(guān)人員在熔煉時(shí)，需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理，通過(guò)全方位的管理來(lái)消除現(xiàn)場(chǎng)的噴濺和爆炸威脅，保持熔煉作業(yè)的穩(wěn)步進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著各個(gè)冶金行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，各個(gè)冶金企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，感應(yīng)爐作為熔煉過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，其在使用的過(guò)程中常常會(huì)由于各種因素引起嚴(yán)重的噴濺和爆炸事故，影響了安全生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一情況，各個(gè)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(yīng)的安全對(duì)策，從根本上消除噴濺和爆炸威脅。