張杰 趙國(guó)程

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院 北京 100083)

0 引言

高溫熔融金屬作業(yè)爆炸事故主要是由于熔融金屬與水在非正常情況下相接觸引起爆炸。在傳熱型蒸汽爆炸中，水和高溫物體接觸引起的蒸汽爆炸非常有代表性。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，容易發(fā)生此類事故的行業(yè)，以鋼鐵業(yè)最多，約占全部爆炸事故起數(shù)的60%;其次，有色金屬冶煉業(yè)約占21%[1]。在冶金企業(yè)熔融金屬作業(yè)過(guò)程中，一旦發(fā)生爆炸事故，輕則造成原材料浪費(fèi)，停工停產(chǎn)；重則造成人員群死群傷，設(shè)備設(shè)施損毀；可能會(huì)引發(fā)其他一系列事故連鎖反應(yīng)。例如，2013年4月1日，某鋼鐵集團(tuán)公司2號(hào)100 t轉(zhuǎn)爐發(fā)生爆炸，共造成28人受傷，4人遇難，爆炸釋放的能量將擋火門和主控室全部損毀。

目前，雖然冶金企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到爆炸事故的嚴(yán)重性，但在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，由于金屬熔融作業(yè)的特殊性，使得對(duì)熔融金屬爆炸事故的認(rèn)識(shí)能力不足，難以辨識(shí)具體的爆炸危險(xiǎn)因素并且找到防控重點(diǎn)。因此，有必要對(duì)爆炸事故進(jìn)行情景再分類，利用事故樹(shù)分析法取其基本事件結(jié)構(gòu)重要度值，獲得基本事件的重要程度并以此提出重點(diǎn)防控措施。

1 爆炸事故情景分類

因爆炸事故可能發(fā)生在不同的地點(diǎn)、設(shè)備、工藝過(guò)程中，導(dǎo)致事故發(fā)生的誘發(fā)因素也不盡相同，同時(shí)，表現(xiàn)出的危險(xiǎn)程度也會(huì)有很大的差異。因此，有必要對(duì)高溫熔融金屬爆炸事故進(jìn)行再劃分，根據(jù)事故發(fā)生的地點(diǎn)、設(shè)備等分為不同的情景，并對(duì)每一類情景分別進(jìn)行研究分析。

通過(guò)對(duì)冶金企業(yè)爆炸事故案例的收集整理、歸納分析，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的參考研究，對(duì)冶金企業(yè)相關(guān)法律法規(guī)的解讀以及對(duì)冶金企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，本文將爆炸事故按設(shè)備設(shè)施進(jìn)行情景分類，共分為3類事故場(chǎng)景，6種事故情景。

1.1 高爐爆炸事故

高爐是冶金企業(yè)煉鋼廠最主要的設(shè)備設(shè)施，噸位重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)力消耗高、物料吞吐量大，冶煉過(guò)程工序多且連續(xù)進(jìn)行，冶煉周期長(zhǎng)。一旦高爐發(fā)生生產(chǎn)安全事故，對(duì)煉鐵廠甚至整個(gè)冶金流程的影響都無(wú)疑是巨大的。

對(duì)于爆炸事故來(lái)講，高爐發(fā)生熔融金屬爆炸事故主要有以下幾種：因高爐風(fēng)口、渣口或冷卻壁破裂漏水引發(fā)的鐵水爆炸，因鐵水混入水沖渣系統(tǒng)引發(fā)的爆炸，因高爐爐內(nèi)爐況失常引起的爆炸，因鐵水外泄后遇高爐周圍積水引起的爆炸。本文選取高爐爆炸事故中最常見(jiàn)的渣口和沖渣溝爆炸兩種情景進(jìn)行分析，情景分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高爐爆炸事故情景分類

1.2 轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故

轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸主要原因是爐體上的水冷件漏水，高溫熔融物與水接觸發(fā)生爆炸，另一主要原因是投入爐中的原料含有水分。在投入轉(zhuǎn)爐、電爐的廢鋼鐵中如果含有易燃易爆物、密閉容器等，同樣也容易導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故情景分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故情景分析

1.3 罐體爆炸事故

罐體發(fā)生爆炸的原因主要是罐體內(nèi)高溫熔融物與水在非正常情況下接觸產(chǎn)生爆炸，主要包括罐內(nèi)有外來(lái)水源或在使用時(shí)未將罐體烘烤至要求溫度。冶金企業(yè)高溫熔融爆炸事故涉及到的罐體主要包括渣罐、鐵水罐、鋼水罐、中間包幾類。罐體內(nèi)含水爆炸事故情景分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 罐體內(nèi)含水爆炸事故情景分析

2 事故樹(shù)分析

2.1 高爐爆炸事故樹(shù)分析

高爐爆炸事故的事故樹(shù)按情景分類表可分為渣口爆炸和沖渣溝爆炸兩類，渣口爆炸是由于爐缸內(nèi)鐵水面過(guò)高超過(guò)渣口，爐缸堆積使渣口附近有積鐵，以及高爐生產(chǎn)異常、渣鐵分離差、渣中帶大量鐵，如果渣口小套漏水則更易造成爆炸[2]。渣口爆炸事故事故樹(shù)、基本事件及最小割集分別如圖1、表4所示。

表4 渣口爆炸事故事故樹(shù)最小割集

圖1 渣口爆炸事故事故樹(shù)

我國(guó)煉鐵高爐爐渣，大都采用水沖渣方式處理。用水力沖渣方式進(jìn)行渣處理時(shí)，若爐渣在沖渣溝內(nèi)堵塞，則極易造成爆炸事故。水沖渣溝爆炸事故事故樹(shù)、基本事件及最小割集分別如圖2、表5所示。

表5 水沖渣爆炸事故事故樹(shù)最小割集

2.2 轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故樹(shù)分析

轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故事故樹(shù)按情景分類表分為水冷件漏水爆炸、入爐物料含水爆炸以及入爐廢鋼不合格爆炸。水冷件漏水時(shí)，若在爐內(nèi)水分未完全蒸發(fā)干時(shí)便動(dòng)爐作業(yè)，將極易導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，且事故后果極其嚴(yán)重。水冷件漏水爆炸事故事故樹(shù)、基本事件及最小割集分別如圖3、表6所示。

表6 水冷件漏水爆炸事故事故樹(shù)最小割集

X1—懸料、崩料次數(shù)多；X2—爐缸堆積；X3—爐溫低；X4—撇渣器損壞；X5—爐渣粘度高；X6—撇渣器過(guò)道孔徑?。籜7—高、低砂壩，小井上緣溝頭高度不合規(guī)；X8—鐵口“跑大流”； X9—熔渣?；鹊?；X10—水渣溝拐點(diǎn)曲率半徑??；X11—水渣溝直線長(zhǎng)度短；X12—?；疁囟雀?；X13—水泵供應(yīng)能力不足；X14—未按計(jì)劃出渣；X15—未開(kāi)啟沖渣系統(tǒng)水泵圖2 水沖渣溝爆炸事故事故樹(shù)

圖3 水冷件漏水爆炸事故事故樹(shù)

轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼時(shí)以鐵水、廢鋼和鐵合金3種金屬料為主要原材料，除此之外，還有溶劑、冷卻劑等非金屬料參與冶煉。在冶煉過(guò)程中，適時(shí)加入適量的不同物料是冶煉的關(guān)鍵。若加入到爐內(nèi)的合金、試劑等物料潮濕或其中含有大量水分，則會(huì)造成轉(zhuǎn)爐、電爐噴濺甚至是爆炸事故，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。入爐物料含水爆炸事故事故樹(shù)、基本事件及最小割集分別如圖4、表7所示。

表7 入爐物料含水爆炸事故事故樹(shù)最小割集

圖4 入爐物料含水爆炸事故事故樹(shù)

轉(zhuǎn)爐、電爐中加入的廢鋼除含有水分會(huì)引起噴濺、爆炸事故外，若廢鋼中含有易爆品及密閉容器，也會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生。特別是在對(duì)工廠中的大塊廢鋼進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，若有炸藥殘留在廢鋼中，則廢鋼在被投入爐內(nèi)后，直接會(huì)引起鋼水的噴濺、爆炸。入爐廢鋼不合格爆炸事故事故樹(shù)、基本事件及最小割集分別如圖5、表8所示。

表8 入爐廢鋼不合格爆炸事故最小割集

圖5 入爐廢鋼不合格爆炸事故事故樹(shù)

2.3 罐體爆炸事故樹(shù)分析

渣罐、鐵水罐、鋼水罐和中間包是冶金企業(yè)使用非常廣泛的設(shè)備[3]，主要用于儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水和鋼水。因其可存在于生產(chǎn)場(chǎng)所任何位置、任何時(shí)間，故罐體爆炸的影響范圍、后果嚴(yán)重程度難以估計(jì)，事故后果處理難度極大。因此，需要在源頭上采取措施，防止罐體爆炸。按主動(dòng)作業(yè)對(duì)象的不同，罐體爆炸又可再分為罐體內(nèi)含水時(shí)熔融物進(jìn)入罐體內(nèi)發(fā)生爆炸和水進(jìn)入含有熔融物的罐體內(nèi)發(fā)生爆炸兩類。罐體爆炸事故事故樹(shù)、基本事件及最小割集分別如圖6、表9所示。

表9 罐體爆炸事故樹(shù)最小割集

圖6 罐體爆炸事故事故樹(shù)

3 防控重點(diǎn)

結(jié)構(gòu)重要度是從事故樹(shù)結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂事件所產(chǎn)生的影響程度，用以反映各基本事件的重要程度。結(jié)構(gòu)重要度分析可采用兩種方法，一種是求結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，以系數(shù)大小排列各基本事件和重要順序；另一種是利用最小割集或最小徑集判斷結(jié)構(gòu)重要度，排出順序。本文只為得出結(jié)構(gòu)重要度排序，以此關(guān)聯(lián)出防控重點(diǎn)，故采用第2種方法即可。6種事故情景下各基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序見(jiàn)表10。

表10 結(jié)構(gòu)重要度排序

由此可以看出，針對(duì)高爐渣口爆炸，防控的重點(diǎn)一是在于防止渣口有外來(lái)水源，可采取在渣口上修筑防風(fēng)雨棚等措施；二是在于對(duì)撇渣器的維護(hù)管理，撇渣器的性能將直接影響渣鐵的分離效果，是防止渣口發(fā)生爆炸事故的關(guān)鍵要素之一。

對(duì)于水沖渣溝爆炸，除了對(duì)撇渣器進(jìn)行維護(hù)管理外，最重要的是嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程、制度進(jìn)行作業(yè)。例如實(shí)行班組長(zhǎng)工作制，按照計(jì)劃合理組織出鐵、出渣。同時(shí)，對(duì)于水沖渣溝的設(shè)計(jì)施工也有很高要求，如渣口前的主渣溝直線長(zhǎng)度不應(yīng)小于4 m，渣溝不宜直角轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎曲率半徑宜選2.5～3.0 m等。

轉(zhuǎn)爐、電爐水冷件漏水爆炸，防控重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)水冷件漏水事故后的處理。轉(zhuǎn)爐吹煉中遇爐口、氧槍、汽化設(shè)備等水冷元件漏水時(shí)，應(yīng)立刻提槍停氧，并切斷水源，嚴(yán)禁搖爐，等水蒸發(fā)完后再檢查確認(rèn)，確保安全后方可操作轉(zhuǎn)爐。電爐冶煉期間發(fā)生冷卻水漏入熔池時(shí)，應(yīng)斷電、升起電極，停止冶煉、爐底攪拌和吹氧，關(guān)閉燒嘴，并立即處理漏水的水冷件，不應(yīng)動(dòng)爐。直至漏入爐內(nèi)的水蒸發(fā)完畢，方可恢復(fù)冶煉。

轉(zhuǎn)爐、電爐入爐物料含水爆炸，要在物料的儲(chǔ)運(yùn)階段做好防水、防潮措施，例如用干燥的氮?dú)獗Ｗo(hù)碳化鈣等粉劑。在物料使用時(shí)，一定要有人提前進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)潮濕物料，進(jìn)行烘干后使用或直接剔除。

對(duì)于轉(zhuǎn)爐、電爐中加入的廢鋼含水、易爆品或密閉容器引起的爆炸事故，與入爐物料含水爆炸事故類似，一是保證廢鋼來(lái)源，以使其中不得混有不合格物品；二是在使用時(shí)對(duì)廢鋼要進(jìn)行挑揀作業(yè)。

對(duì)于冶金企業(yè)常見(jiàn)的罐體爆炸事故，使用前，要保證罐體的干燥，若發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)有水或其他潮濕物，需要進(jìn)行烘干處理且須烘烤至合格溫度。使用時(shí)，必須有專人進(jìn)行檢查確認(rèn)。若發(fā)現(xiàn)熔融物已經(jīng)和水接觸，此時(shí)人員應(yīng)立即撤離危險(xiǎn)區(qū)域，待熔融金屬液面上的水蒸發(fā)完畢后，方可進(jìn)行作業(yè)。

4 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于冶金企業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)爆炸事故來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致其發(fā)生的原因最主要的就是熔融金屬與水接觸引起爆炸。針對(duì)這一原因，具體的防控措施主要包括三個(gè)方面：一是防止二者相遇，包括修筑防風(fēng)雨棚、試用設(shè)備設(shè)施前進(jìn)行烘干操作等；二是要在設(shè)備設(shè)施使用前，加強(qiáng)檢查，從管理的角度杜絕事故的發(fā)生；三是在熔融金屬與水已經(jīng)相遇的情況下，切勿作業(yè)。除此之外，對(duì)廢鋼的挑揀、對(duì)撇渣器的維護(hù)檢查等措施也是防止爆炸事故發(fā)生的重要舉措。