氫氧火焰在連鑄坯切割中的安全應(yīng)用

胡雪林

摘?要：氫氧發(fā)生器（氫氧機(jī)）是一種用于切割作業(yè)的特殊設(shè)備，它是采用電化學(xué)方法，將貯存在機(jī)內(nèi)電解槽中的水分解為氫氣和氧氣，氫氧氣體經(jīng)干燥除濕、水氣分離后、安全防回火處理后輸出至切割機(jī)械上，取代傳統(tǒng)的乙炔、丙烷等工業(yè)燃?xì)?，點(diǎn)火形成氫氧焰，氫氧焰火焰集中，溫度高達(dá)2800℃，因而能快速切割碳鋼板、連鑄坯鋼板。但氫氧氣安全性差：爆炸極限與乙炔相當(dāng)（在氧中爆炸極限為4.7%～93.9%），而氫氧燃燒速度高于乙炔，爆炸危險性更大。

關(guān)鍵詞：水電解氫氧發(fā)生器氫氧混合氣回火

中圖分類號：TG4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0077-01

連鑄坯氫氧火焰切割技術(shù)”在1999年成功的應(yīng)用于連鑄坯火焰切割后，經(jīng)過不斷發(fā)展完善，目前已有100多臺連鑄機(jī)、450多流小方坯、矩形坯、板坯采用了氫氧氣作為連鑄坯火焰切割的能源介質(zhì)，為我國鋼鐵企業(yè)的節(jié)能降耗做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

“氫氧混合氣”作為乙炔等代用氣的一種，其性能特點(diǎn)如下：（1）環(huán)保無污染：氫氧發(fā)生器生產(chǎn)過程無污染，氫氧氣燃燒后產(chǎn)物為水，無毒、無味、無煙，不會危害操作人員身體健康，是真正的綠色燃?xì)狻＃?）燃燒強(qiáng)度高：火焰溫度高達(dá)2800℃，并且火焰集中不發(fā)散，可快速切割鋼板，燃燒強(qiáng)度僅次于乙炔而高于其他燃?xì)?。?）高效節(jié)能：氫氧切割的使用費(fèi)用為乙炔的1/4，丙烷、丙烯等燃?xì)獾?/2，采用連鑄坯氫氧斷火切割技術(shù)可再降低50%以上。氫氧火焰切割更適用于水電資源廉價，適合一次性投資，長期性使用的新建工廠采用。（4）安全性差：爆炸極限與乙炔相當(dāng)（在氧中爆炸極限為4.7%～93.9%），而氫氧燃燒速度高于乙炔，爆炸危險性更大。

因此氫氧切割的安全使用，也就是如何防止氫氧氣發(fā)生回火成為使用氫氧火焰切割首要克服的難題。根據(jù)生產(chǎn)廠家試驗(yàn)和現(xiàn)場使用情況，對氫氧氣發(fā)生回火情況分析如下。

1 引起回火的原因分析

回火主要是割嘴內(nèi)混合氣燃燒速度大于混合氣的流出速度從而導(dǎo)致火焰回?zé)??；鼗鹗治ｋU，回火進(jìn)入割槍，可將割槍燒損；回火進(jìn)入氣體軟管，可導(dǎo)致軟管燒損或爆裂?；鼗鸬念悇e分為外部引爆和內(nèi)部引爆。

1.1 外部引爆

外部引爆是由于操作者不按操作規(guī)程操作或是特殊作業(yè)時不可避免而引起的。外部引爆主要是由逆火引起的。其主要表現(xiàn)的現(xiàn)象分為：（1）因切割時掛渣或是其他作業(yè)時火嘴孔被堵，因渣的高溫導(dǎo)致火焰在火嘴邊燃燒，燒紅火嘴而導(dǎo)致火嘴內(nèi)溫度過高，達(dá)到氫氧混合氣的燃點(diǎn)（500℃左右），火嘴在內(nèi)部燃燒，從而引爆供氣管道上的氫氧混合氣而回火；（2）火嘴孔設(shè)計(jì)的大?。ɑ蚴腔鹱焓褂脮r間過長導(dǎo)致火嘴變大）不能滿足氫氧混合氣的輸出壓力，即輸氣速度小于氫氧焰的燃燒速度，也就是說輸出氣體的壓力過小，部分火焰在火嘴內(nèi)燃燒而不是完全在火嘴外燃燒，導(dǎo)致火嘴溫度過高而引爆供氣管道內(nèi)的氣體（3）火嘴附近有較大的輻射熱源導(dǎo)致火嘴溫度過高。（4）火焰槍閥門漏氣或是供氣管路上存在漏氣，導(dǎo)致火嘴處的輸出氣體壓力偏低（小于0.03MPa），長期低壓供氣導(dǎo)致火嘴燒紅回火或是點(diǎn)火時直接爆燃（點(diǎn)不上火，直接引爆）。以上幾點(diǎn)的共同點(diǎn)是供氣壓力偏低或是火嘴溫度過高導(dǎo)致回火。（5） 關(guān)火方式不對。關(guān)閉火焰槍閥門時，由于閥門在關(guān)閉的過程中出氣口的壓力偏小，從而導(dǎo)致火焰逆流，即使快速關(guān)閉，也有可能逆火導(dǎo)致閥門的密封圈損壞而回火。

1.2內(nèi)部引爆

設(shè)計(jì)不良的電解槽可能導(dǎo)致電極碰撞而產(chǎn)生火花；沒有設(shè)置排污或污物沉積池的電解槽可能導(dǎo)致內(nèi)部電極短路而產(chǎn)生火花。從而引爆槽內(nèi)氫氧混合氣。

2 阻火的原理

2.1干式阻火

大多數(shù)阻火器是由能夠通過氣體的許多細(xì)小、均勻或不均勻的通道或孔隙的固體材質(zhì)所組成，對這些通道或孔隙要求盡量的小，小到只要能夠通過火焰就可以。這樣，火焰進(jìn)入阻火器后就分成許多細(xì)小的火焰流被熄滅。火焰能夠被熄滅的機(jī)理是傳熱作用和器壁效應(yīng)。

2.2 濕式阻火

濕式阻火一般也稱為水封，是利用水能阻火的原理而實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)水封中最重要的一點(diǎn)是要考慮氫氧回火事實(shí)上是不會正常燃燒，而是瞬間爆燃（不完全燃燒）。這正是大多數(shù)人忽略的一點(diǎn)，（但這也正是氫氧混合氣比其他氣體安全的一點(diǎn)（即不會形成明火）， 氫氧回火產(chǎn)生的壓力在混合氣為0.1MPa壓力下其爆炸的壓力不超過1MPa。對于壁厚1mm的不銹鋼管（罐）來說，完全能夠承受這種壓力，因而不會出現(xiàn)安全事故。但是這種壓力會將水封中的水?dāng)D向兩邊，從而有可能露出到進(jìn)氣管的位置繼續(xù)引爆而突破水封。另外，設(shè)計(jì)不好的水封可能導(dǎo)致氣泡變大連續(xù)不斷地從水封中的水底部冒出，即使水封中的水較多，也有可能導(dǎo)致自底而上的氣泡相繼引爆，從而水封失效。其實(shí)設(shè)計(jì)不良的水封，可能導(dǎo)致水封中的水變少，這是因?yàn)樗馐桥c機(jī)內(nèi)其他容器（如電解槽或是分離罐）連通的，在工作狀態(tài)下，水封的溫度低，其他容器的溫度高，在停機(jī)時，由于熱漲冷縮原理，機(jī)內(nèi)其他容器內(nèi)氣體冷卻而生產(chǎn)一個負(fù)壓，水封上部是一個正壓，從而將水封中的水壓回到機(jī)內(nèi)其他容器中而導(dǎo)致水封中的水變少。

3如何防止回火

（1）割炬尾端加裝干式防回火是必需的。一般外置水封與割嘴有一定的距離，而氫氧氣的燃燒速度達(dá)11.2m/s，為了盡快切斷回火的危險，必須在割槍尾端加裝干式回火器防止回火。目前有效的干式阻火器是用納米材料和防腐蝕材料制作的。每半年檢查更換一次，每次回火后及時更換。（2）濕式防回火也是必要的。主要考慮氣泡自水封底部上升時，氣泡不能連續(xù)而且尺寸要盡量的小，其次要考慮回火時的高壓不能將水排開。第三是水封的水不能減少并且回火時水不能濺出。也就是說要有一個合適水位高度。（3）自動泄壓自動恢復(fù)。泄壓的目的是泄掉里面的高溫并讓冷空氣進(jìn)入抵銷氫氧爆燃時產(chǎn)生的負(fù)壓，防止連鎖反應(yīng)的發(fā)生。（4）嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，及時更換因熔渣堵塞、擴(kuò)徑等火焰狀況不好的割嘴，勤檢查管道和接頭漏氣點(diǎn)，及時調(diào)整合適的割嘴高度等等。水封裝置要定期更換清水，一般一周一次。（5）使用少量燃燒速度慢的燃?xì)馊缃範(fàn)t煤氣、丙烷、天然氣等氣體作助燃劑和延緩火焰燃燒速度。開火時，先打開助燃煤氣，后依次打開氫氧氣斷火組件電磁閥、高壓氧；關(guān)火時，先依次關(guān)閉高壓氧、氫氧氣斷火組件電磁閥，后關(guān)閉助燃煤氣確保切割時不發(fā)生爆鳴現(xiàn)象。（6）氫氧氣工作壓力要低（0.03～0.09MPa），并且隨產(chǎn)隨用，不儲存。

4 結(jié)語

氫氧切割的安全使用，很大程度上取決于用戶是否嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，其次取決于氫氧機(jī)制造廠商的防回火處理技術(shù)。如氫氧切割機(jī)內(nèi)置了各種防止回火的裝置（包括兩級多重濕式阻火、多級自動泄壓）和切割設(shè)備加裝外置水封、干式回火器等措施，確保使用的安全。

參考文獻(xiàn)

[1]中冶集團(tuán)研究院.氫氧火焰切割技術(shù).

[2]黃國雄.氫氧切割的經(jīng)濟(jì)效益分析.