轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”原因分析及預(yù)防對策

吳湧濤 黃志強 熊永平 尹振江

(方大特鋼科技股份有限公司)

0 前言

轉(zhuǎn)爐是煉鋼的容器和冶煉發(fā)生器皿，鐵水、廢鋼、生鐵、造渣材料、護爐材料、含鐵物質(zhì)、氧氣等在轉(zhuǎn)爐內(nèi)激烈反應(yīng)進行冶煉，控制不當時爐內(nèi)反應(yīng)的激烈程度大于轉(zhuǎn)爐容器“容忍”的空間，即刻發(fā)生“噴爆”，爐內(nèi)材料高溫熔融物、氣體從爐口，或炸開爐體薄弱部位“飛”出，巨大的“氣浪”沖擊和高溫熔融物的傷害，造成設(shè)備損壞和人員傷亡，形成事故。因此，對“噴爆”事故進行分析，查找事故原因，制定防范措施具有極其重要的意義。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝流程

轉(zhuǎn)爐冶煉分為五步：①通過行車將鐵水、廢鋼、生鐵等原料加入轉(zhuǎn)爐;②轉(zhuǎn)爐降氧槍供氧吹煉，期間通過爐頂料倉加入造渣等材料;③倒爐倒渣、取樣、測溫等;④轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧合金化處理;⑤濺渣護爐。轉(zhuǎn)爐冶煉工藝流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝流程

1.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼流程構(gòu)成要素

構(gòu)成轉(zhuǎn)爐冶煉的要素有：轉(zhuǎn)爐爐體，轉(zhuǎn)動爐子的傳動機構(gòu)，鐵水、生鐵、造渣料等原材料，加入原材料的行車，倒渣的爐口、密封爐口的煙罩、煙道、承重轉(zhuǎn)爐的托圈、下料管等水冷件及其水冷系統(tǒng)，氧槍及供氧系統(tǒng)。這些要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐煉鋼構(gòu)成要素關(guān)聯(lián)示意圖

2 轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”事故機理

轉(zhuǎn)爐煉鋼是一個高溫的物理化學反應(yīng)過程，整個工藝過程都在高溫狀態(tài)下進行。

轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”主要是氣體瞬間膨脹或大量氣體產(chǎn)生，爐內(nèi)沒有空間或及時“泄壓”，氣體從爐口或薄弱部位，附帶爐渣、金屬等高溫熔融物沖出爐體，形成事故。一般氣體有兩類，一類是CO，一類是蒸汽。

轉(zhuǎn)爐內(nèi)，由于氧氣流股對容池的沖擊，以及脫碳反應(yīng)產(chǎn)生大量CO氣體逸出，造成爐渣及金屬液的飛濺是不可避免的，正常情況下，這種飛濺的高度不會超出爐口，當脫碳速度達到0.4%/min ～0.6%/min時(正常情況是0.20%/min ～0.25%/min)，短時內(nèi)產(chǎn)生大量的CO，每秒鐘向爐口排出其體積為鋼液體積3～4倍的CO氣體，氣體具有較大的動能，可將爐渣及金屬液噴出爐外［1］。

轉(zhuǎn)爐內(nèi)，原材料水份含量高、封閉器皿帶水、水冷設(shè)備漏水等原因造成水入高溫轉(zhuǎn)爐內(nèi)，水瞬間加熱成蒸汽，體積隨溫度迅速膨脹，經(jīng)計算：僅500 g水被加熱到1600℃時，水蒸氣壓力會突然升高到853.8 MPa［2］，巨大的蒸汽壓力變?yōu)閯幽?，將覆蓋蒸汽的和周圍的爐渣、金屬向低壓方向“泄壓”，形成爆炸。

3 轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”事故分類及原因分析

根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”機理可知，形成事故的動能有CO和水蒸氣兩種介質(zhì)，但產(chǎn)生這兩種介質(zhì)的要因有以下五個方面，這五個方面也是轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”事故的五個分類。

3.1 原材料不合格引起“噴爆”

原材料潮濕和原材料中有密封器皿是原材料引起“噴爆”的主要原因，當潮濕原材料和密封器皿加入轉(zhuǎn)爐時，原材料水分、密封器皿內(nèi)水份或氣體，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)經(jīng)高溫瞬間變成氣體，迅速膨脹并帶動爐內(nèi)材料涌出爐體引起“噴爆”事故。

原材料不合格主要有兩種，一種含水量高不合格，一種C含量超過要求不合格。生鐵潮濕，廢鋼密封器皿(主要內(nèi)含水)潮濕，造渣材料、護爐材料、冷卻劑等水分高加入轉(zhuǎn)爐，不可避免地高溫氣化膨脹，嚴重引起“噴爆”事故，此為前一種材料水分不合格引起事故;有的原材料有C要求，若超標入爐，一方面碳與氧快速形成C、O反應(yīng)生成CO氣體，或碳與爐渣中高FeO激烈反應(yīng)生成CO氣體，熔池內(nèi)脫碳反應(yīng)的不均勻性而突發(fā)性脫碳，可能引發(fā)“噴爆”事故。另一方面原材料C高還可能引發(fā)其它設(shè)備事故，如：加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)的冷卻劑污泥球碳含量過高，碳氧化產(chǎn)生的CO濃度積達到一定時，風機與污泥球粉末摩擦產(chǎn)生火花，造成風機內(nèi)CO與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)，導致風機爆炸事故［3］，此為后一種材料C含量不合格引起事故。

3.2 操作不當引起“噴爆”

操作不當引起的“噴爆”分兩種，一種是轉(zhuǎn)爐冶煉(供氧)過程發(fā)生的“噴爆”，另一種是非冶煉過程發(fā)生的“噴爆”。

冶煉過程發(fā)生的“噴爆”常指嚴重的“噴濺”。“噴濺”是頂吹轉(zhuǎn)爐操作過程中經(jīng)常見到的一種現(xiàn)象，分爆發(fā)性噴濺、泡沫性噴濺和金屬噴濺［4］。噴濺產(chǎn)生初始，只有少量的爐渣、金屬、氣體“逸出”，一時得不到控制，噴濺加劇，瞬間大量的爐渣與金屬熔融物、氣體“爆出”爐外，甚至將爐帽、煙罩等炸開，形成“噴爆”事故。操作不當引起的“噴爆”，不僅飛濺的爐渣、金屬產(chǎn)生傷害事故，還會損傷爐帽、煙罩、水冷爐口等設(shè)備，使冷卻水進入爐內(nèi)，引起“噴爆”。

非冶煉過程發(fā)生的“噴爆”常發(fā)生在留渣操作或倒渣不凈時，高氧化性爐渣遇兌入的鐵水，渣中高“FeO”與鐵水中“C”激烈反應(yīng)，瞬間生成大量的“CO”引發(fā)“噴濺”;另外，雙渣法煉鋼，高FeO含量的爐渣進入脫碳期，劇烈的C、O反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體在倒爐時“涌”出爐口，會產(chǎn)生“噴爆”事故;轉(zhuǎn)爐更換新爐襯砌筑時磚膨脹縫未掌握好，或開新爐生產(chǎn)前新爐襯烘烤不夠，倒爐時爐襯坍塌，或潮濕爐襯水分氣化膨脹，也會形成“噴爆”事故。

操作不當主要是對規(guī)程、規(guī)章、制度不熟悉執(zhí)行不到位或違章作業(yè)引起。

3.3 設(shè)備漏水引起“噴爆”

轉(zhuǎn)爐煉鋼離不開水，很多設(shè)備需要水來冷卻，但又懼怕水，而怕就是怕設(shè)備漏水。設(shè)備漏水有兩方面因素，一是設(shè)備質(zhì)量問題或壽命超期引起的漏水，二是操作不當造成的設(shè)備漏水。

氧槍、氧槍孔、下料管、煙罩、罩裙、煙道、水冷爐口、托圈等水冷設(shè)備因為存在質(zhì)量問題或者延期壽命使用，均可能發(fā)生設(shè)備漏水，而水進入轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)，經(jīng)高溫瞬間蒸發(fā)成氣體，得不到及時排出，迅速膨脹涌出爐體引起“噴爆”事故;還有這些水冷設(shè)備，由于操作失誤，燒蝕、急冷急熱、冷卻不足、不均，機械擠壓等傷害設(shè)備致其漏水，水質(zhì)不當最終也會傷害水冷設(shè)備造成設(shè)備漏水，漏水進入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，均可能會引起“噴爆”事故。

設(shè)備漏水是設(shè)備事故，而漏水進入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，才可能引發(fā)“噴爆”，形成安全事故。

3.4 工藝不完善引起“噴爆”

制定的轉(zhuǎn)爐原材料標準、生產(chǎn)方法、操作規(guī)程、設(shè)備規(guī)程不合理(或不完善)等引起的“噴爆”，統(tǒng)稱為工藝(不合理、不完善)引起“噴爆”。工藝不合理、不完善主要是指規(guī)程、規(guī)章、制度、規(guī)范、要求的缺失和不合理、不完善，在原材料、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)操作、設(shè)備操作、新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、新材料等方面，由于認識不夠、時間的變化、環(huán)境的改變、人員的變換、方法的不同等都可能使得規(guī)程、規(guī)章、制度、規(guī)范、方法等在制定時缺失內(nèi)容，或因時、因地、因人、因物、因法而失效，或系統(tǒng)不完整不合理，這些(方面)的不足，不能及時發(fā)現(xiàn)、改進，就可能釀成事故。

工藝不完善表象是文件不完善，根子是制定文件的人，沒有動態(tài)的管理文件，確保文件有效。

3.5 綜合因素引起“噴爆”

上述兩種或兩種以上因素引起的“噴爆”，稱為綜合因素引起“噴爆”，是一種或兩種因素不當延伸或誘發(fā)另一因素問題或事故，甚至傳遞到第三因素問題或事故，再引發(fā)“噴爆”事故。

隨著安全工作的進步，職工安全意識的提高，單個因素引起的“噴爆”事故減少，但事故危害輕的操作抱著僥幸心理還存在，如此使得危害在下個因素疊加或引發(fā)事故。

4 “噴爆”事故預(yù)防措施

安全貫穿于生產(chǎn)的全過程，是針對生產(chǎn)中的一切人、物(材料、設(shè)備)、環(huán)境、方法、計量等的狀態(tài)進行管理與控制，是一種動態(tài)管理。結(jié)合“噴爆”事故機理及事故原因分析，制定“噴爆”事故的預(yù)防措施，要從以下五個方面入手，完善文件、動態(tài)管理，形成有效的安全管理機制。

4.1 建立完善的原材料標準與檢驗、判定、信息傳遞、入爐工藝等預(yù)防制度

在原材料方面，廢鋼、生鐵要避雨堆放，避免潮濕入爐，特殊情況使用，采取轉(zhuǎn)爐先加廢鋼再兌鐵水工藝及其在安全預(yù)警制度下實施;廢鋼含密閉器皿必須挑除，不準入爐;造渣材料、護爐材料、冷卻劑等原材料必須制定水分等要求，特殊情況要使用，嚴禁多個超標材料同時使用，并要求必須有預(yù)案指導操作(規(guī)定材料使用時間、地點、數(shù)量、方法、監(jiān)督等);建立完善的原材料檢驗、判定、結(jié)果傳遞、入場、入爐工藝等規(guī)范。

4.2 嚴格操作制度

在操作方面，主要控制的就是違章操作。這方面依靠的是健全的規(guī)程、規(guī)章、制度、規(guī)范、要求，班組、車間、廠級、部門等定期和不定期的安全檢查，及時、有效涵蓋規(guī)程、規(guī)章、制度、法律法規(guī)、安全意識等的培訓，獎懲嚴厲的激勵機制等基礎(chǔ)管理來保證。

根據(jù)常見的“噴爆”事故，應(yīng)嚴格：轉(zhuǎn)爐砌爐制度、新爐烘烤制度、裝料制度、冶煉操作供氧和加料制度、終點控制(終渣和留渣)制度、濺渣制度等制度的執(zhí)行;重點控制砌爐的膨脹縫，新爐烘烤時間、方法，鐵水與廢鋼生鐵的不同工藝的加入順序，冶煉渣中FeO控制，氧槍槍位高低，終點溫度和爐渣氧性，爐襯侵蝕等關(guān)鍵控制要素。

在操作上還需采取一些監(jiān)控手段，爐殼關(guān)鍵部位測溫監(jiān)控、氧槍防墜落裝置、氧槍槍位班班測量、爐底測量等，有條件的可以上爐襯測厚儀、轉(zhuǎn)爐冶煉音頻化渣儀等監(jiān)測設(shè)備。

4.3 設(shè)備計量監(jiān)督、連鎖控制，制定嚴格的設(shè)備三大規(guī)程和可控的設(shè)備壽命管理

在設(shè)備方面，主要指水冷件設(shè)備防止“漏水”和“被漏水”。首先對氧槍、氧槍孔、下料管、煙罩、罩裙、煙道、水冷爐口、托圈等水冷設(shè)備實施水溫、水壓、水量差計量監(jiān)控，實現(xiàn)與煉鋼連鎖控制，異常參數(shù)拒絕煉鋼;主要水冷件不允許封“點”煉鋼，個別水冷件不封“點”生產(chǎn)要有規(guī)范;制定全面的氧槍、氧槍孔、下料管、煙罩、罩裙、煙道、水冷爐口、托圈等水冷設(shè)備的操作、維護(點檢)、檢修三大規(guī)程;加強設(shè)備壽命管理和檢修質(zhì)量管理，防止無序延長壽命和不合格的檢修、維修質(zhì)量發(fā)生;建立設(shè)備壽命末期的操作制度，動態(tài)跟蹤、操作、控制壽命末期的設(shè)備;對設(shè)備冷卻水質(zhì)量(成分指標、流量、壓力要求)要動態(tài)跟蹤、控制;特別重要的是對上述的水冷設(shè)備要制定事故預(yù)案和進行預(yù)案預(yù)演。

目前，鋼廠較為突出的難點是設(shè)備壽命管理。設(shè)備壽命不能單純看設(shè)備在線運行時間，是設(shè)備在設(shè)計、制作質(zhì)量、進廠驗收、安裝質(zhì)量、過程監(jiān)控、小修、維修質(zhì)量、操作規(guī)范、管理等多方面的綜合體現(xiàn)，建立設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)，對設(shè)備的全過程狀態(tài)進行監(jiān)控，是目前較為推行的方法。

4.4 規(guī)范“四新”工藝技術(shù)，實效評價、修改文件

在工藝方面，推行“四新”技術(shù)時，應(yīng)組織專業(yè)技術(shù)人員對規(guī)程、規(guī)定、制度等文件評價，避免在制定安全防護措施前論證不全面、細致，安全操作規(guī)程、技術(shù)操作規(guī)程、設(shè)備操作規(guī)程、作業(yè)指導書等操規(guī)制定有缺失;其次，要定期或不定期重新評價、審定規(guī)程、規(guī)定、規(guī)章、制度等文件，評定時，要避免組織人員不全，沒有收集各部門、多操作工的意見，文件修改“走形式”。工藝方面要避開這兩項做法。

4.5 加強現(xiàn)場信息溝通

現(xiàn)場瞬息萬變，信息量很大。現(xiàn)場是根據(jù)信息作業(yè)，缺乏信息，必會造成盲目作業(yè)，違章生產(chǎn)，因此要加強現(xiàn)場的信息溝通，特別是異常信息的傳遞。要充分發(fā)揮班前、班后會的信息傳遞作用，借助對講機、電話、計算機、大屏顯示等信息傳遞手段共享信息，依靠現(xiàn)場語言、肢體溝通，及互相監(jiān)督，實現(xiàn)信息正常、有效傳遞。

5 結(jié)束語

轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)“噴爆”是由CO、水蒸氣兩種介質(zhì)的高動能“做功”產(chǎn)生，可分為原材料不合格引起“噴爆”、操作不當引起“噴爆”、設(shè)備漏水引起“噴爆”、工藝不完善引起“噴爆”、綜合因素引起“噴爆”五類。根據(jù)各類事故的機理深入分析了事故的原因，制定了“建立完善的原材料標準與檢驗、判定、信息傳遞、入爐工藝等預(yù)防制度;嚴格操作制度執(zhí)行;實施設(shè)備計量監(jiān)督、連鎖控制，制定嚴格的設(shè)備三大規(guī)程和可控的設(shè)備壽命管理;規(guī)范“四新”工藝技術(shù)，實效評價、修改文件;加強現(xiàn)場信息溝通”五項防范措施，具有一定的借鑒意義。

［1］ 吳勉華.轉(zhuǎn)爐煉鋼500問.北京：中國計量出版社，1992：152-154

［2］ 王雅貞，李承祚，等.轉(zhuǎn)爐煉鋼問答.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：347-348

［3］ 李新林，申斌，王三忠.轉(zhuǎn)爐一次除塵風機爆炸原因分析與對策.河南冶金，2013，21(4)：38-40.

［4］ 王雅貞，張巖，張洪文，等.氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝與設(shè)備.北京：冶金工業(yè)出版社，1983：124-125.