砂型鑄造爆炸風(fēng)險分析及其控制措施探討

王振全 黃家敏

(1．華晨寶馬汽車有限公司; 2．河南省冶金研究所有限責(zé)任公司)

0 前言

我國雖是鑄造大國，但遠(yuǎn)不是鑄造強國。鑄造行業(yè)的安全事故也不斷發(fā)生［1－2］，2004年7月30日，江陰市某鋼廠電爐鋼水在熔煉工段意外碰到冷卻水發(fā)生爆炸;2006年8月15日，貴陽某煉鋼廠鑄造車間噴水降溫造成地面積水，1500 ℃的高溫鋼水流向地面發(fā)生爆炸;2007年8月19日，山東省濱州市某鑄造分廠在熔煉工段發(fā)生鋁液外溢爆炸重大事故，造成16 人死亡、59 人受傷(其中13 人重傷);2011年11月16日，萍鄉(xiāng)某鋼鐵廠一座高爐熔煉工段鐵水泄漏，遇水發(fā)生爆炸;2012年2月20 號鞍山某鑄鋼廠鑄造車間澆注工段發(fā)生噴爆事故，造成13人死亡，17 人受傷。多起鑄造爆炸事故使得砂型鑄造的安全性被越來越多的人所關(guān)注。

1 砂型鑄造工藝流程

砂型鑄造主要工藝流程如圖1 所示［1］。

圖1 砂型鑄造主要工藝流程

2 砂型鑄造爆炸風(fēng)險分析

砂型鑄造中產(chǎn)生的爆炸主要為嗆火和爆炸兩類，二者常合稱為嗆爆［3］。在地坑造型鑄造中發(fā)生爆炸事故最常見的是由于地坑滲水導(dǎo)致地坑積水形成的蒸汽爆炸事故。因此，以下從嗆爆形成流程和因地坑積水導(dǎo)致爆炸兩方面對砂型鑄造爆炸風(fēng)險進(jìn)行重點分析。

2．1 嗆爆形成流程

嗆爆形成流程如圖2 所示。

圖2 嗆爆形成流程分析圖

2．1．1 氣化

砂型(芯)包含原砂、水、粘結(jié)劑等。澆注前期產(chǎn)氣主要來源于:高溫金屬液體使型腔壁中的粘結(jié)劑和含碳物質(zhì)氧化燃燒產(chǎn)生氣體。澆注后期產(chǎn)氣主要來源于:型、芯砂層隨著受熱作用越來越強烈，其溫度迅速提高，并將熱傳到砂層深處，使水分蒸發(fā)和含碳物質(zhì)熱分解。

2．1．2 增壓

氣化產(chǎn)生的氣體一開始停留在砂粒間隙中，但隨著熱作用時間的延長、溫度的升高，產(chǎn)生的氣體越來越多，砂粒間隙中的氣體向四周擴散。當(dāng)氣體擴散到型腔壁時，受到金屬液體壓力和界面氣壓阻擋，使其擴散流向改變。除少部分氣體通過砂粒間隙排出，大部分氣體向預(yù)設(shè)排氣道聚集、排出。若排氣道某段發(fā)生堵塞，極易使其內(nèi)部壓力迅速增大，形成高氣壓。

2．1．3 侵入

金屬液體流入氣路系統(tǒng)或氣體未按預(yù)定路線外排而進(jìn)入金屬液，均為異常侵入。金屬液侵入排氣道或氣體侵入金屬液，均可能導(dǎo)致澆注時金屬液從澆冒口噴出。由于氣體流動性好等特性，多數(shù)嗆火的發(fā)生根源于氣體侵入金屬液［4］。

2．1．4 噴出

隨著侵入金屬液體的氣體增多，壓力增大，氣體運動將擠壓金屬液體，導(dǎo)致金屬液體沸騰翻滾，氣體夾帶金屬液體從冒口噴出，發(fā)生嗆火。嚴(yán)重時能聽到響聲，即H2和CO 的爆炸聲，即發(fā)生嗆爆。

2．2 地坑積水爆炸事故風(fēng)險分析

由于地坑積水，使底部砂床含水量過高，澆注時積水急劇汽化，在內(nèi)芯底部產(chǎn)生大量高壓蒸汽，蒸汽上浮過程逐漸聚集，形成氣泡，當(dāng)氣泡浮力超過內(nèi)芯及熔融液體重力時，內(nèi)芯及熔融液體被向上拋起，導(dǎo)致金屬液大量迅速噴出，造成爆炸事故［5］。地坑積水是地坑砂型鑄造爆炸的最主要原因，因此為了防止該類事故的發(fā)生，必須明確地坑積水的原因，從根本上杜絕因地坑積水而引發(fā)爆炸。

以下采用事故樹分析法，對砂型鑄造中因地坑積水爆炸事故進(jìn)行分析，詳見圖3。

圖3 地坑積水爆炸事故樹

由圖3 可以得出，其最小徑集有兩個，分別為:

G1={X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17};

G2={X1，X2，X3，X4，X5}。

采用一次近似法計算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，見表1。

表1 各基本事件結(jié)構(gòu)重要度

通過最小徑集及結(jié)構(gòu)重要度計算可知:地坑積水爆炸與否，很大程度上取決于監(jiān)測裝置是否可用以及監(jiān)測裝置的設(shè)計是否科學(xué)。

因此，在地坑積水量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，要重點對警戒值的確定、探測器數(shù)量以及探測器可靠性保障等采取相關(guān)防范和冗余措施。

3 砂型鑄造爆炸預(yù)防與控制措施

3．1 地坑造型安全

1)地坑造型位置的選擇。不能在地下坑道、電纜、供、排水管的上面進(jìn)行地坑造型。同時要求地坑離電器控制箱、水池、庫房、變壓器、易燃易爆物質(zhì)盡量遠(yuǎn)些，坑與坑之間距離應(yīng)大于2 m。

2)地坑造型，一般要求地坑底部高于地下水位1．5 m 以上。

3)如果地下水位高或地坑潮濕，應(yīng)采用隔離法防水，即做成不滲水的水泥地坑，或圍成防水墻(如鋼板、磚墻等)。

4)造型時，地坑排氣管露出地面的一端要塞好，以防型砂進(jìn)入而堵塞。造型結(jié)束，烘干前將蓋打開，以利烘干時排出水蒸氣。

5)鋪設(shè)排氣通道前，要清除地坑內(nèi)多余廢砂，將地坑底部用重物夯實。

6)地坑周圍應(yīng)設(shè)置安全防護(hù)蓋板，以防不慎落人坑內(nèi)造成人身事故。

7)大型、深型鑄件，需挖坑的形狀應(yīng)底小口大，以防塌方。

3．2 砂型鑄造過程防爆

控制和預(yù)防砂型鑄造爆炸的途徑主要是減少水分，強化排氣。具體措施為:

1)鑄造過程中，使用到的機器設(shè)備，對于規(guī)定不允許用水洗的，要嚴(yán)格控制。

2)地坑造型要求鑄型烘干深度＞150 mm。烘干后在48 h 以內(nèi)澆注，否則澆注前仍需重新烘干。

3)坑底設(shè)排氣孔道。大中型鑄件的地坑造型，無論什么情況均要考慮安排坑底的排氣道，使?jié)沧⒑?，坑底砂層中產(chǎn)生的氣體通過該排氣道引出型外，并且排氣道的數(shù)量和大小要足夠。出氣材料用焦炭或爐渣，且焦炭中擺放鐵管或鋼管，將坑內(nèi)氣體通過管子引出，安放位置應(yīng)不影響鑄造全過程。

4)澆注時及時引氣，以減輕坑底的氣體壓力。

5)澆注時或澆注剛結(jié)束，禁止對準(zhǔn)地坑排氣管的軸線方向看排氣管，從而避免中毒及金屬液噴出傷人。

3．3 設(shè)計地坑積水量監(jiān)測系統(tǒng)

目前，對于地坑含水量的測量的測量方法很多，有時域反射法、光學(xué)測量法、駐波比法、γ －射線法、中子法、電阻法、張力計法、稱重法等［6－10］。

筆者在此設(shè)計選擇時域反射法(FDR)進(jìn)行測量，選擇的傳感器為LC －TS2 型特制水分傳感器。該地坑積水量監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成:信息收集裝置、信息傳輸設(shè)備、信息處理終端。北方寒冷地區(qū)需要附帶增加一個非結(jié)冰環(huán)境保障系統(tǒng)(可采用蒸汽或熱水管線)。

根據(jù)各坑體、內(nèi)部墻體、外部墻體實際情況，傳感器間隔距離取2000 mm ～3000 mm。另外，地坑底部傳感器需要貼近整體防水箱內(nèi)部安裝，但由于防水箱內(nèi)部接近地坑底部的部分為混泥土，而傳感器探測含水量只能在細(xì)沙、細(xì)土才能起到最好效果，因此先在混泥土上面鋪150 mm ～200 mm 厚的易吸水的土壤或細(xì)沙等物質(zhì)。傳感器的信息傳輸設(shè)備采用的是耐高溫電纜，穿鋼管敷設(shè)。

當(dāng)達(dá)到積水量警戒值時，在信息處理終端設(shè)有自動警報功能。其警戒值依據(jù)型砂含水量確定。

4 結(jié)論

鑄造爆炸事故往往會造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失?；谏靶丸T造主要工藝，以系統(tǒng)安全的危險源理論為基礎(chǔ)，首先主要分析了砂型鑄造過程中的嗆爆風(fēng)險因素。通過分析可知，在地坑造型鑄造中發(fā)生爆炸事故最常見的是由于地坑滲水導(dǎo)致地坑積水形成的蒸汽爆炸事故。從氣化、增壓、侵入、噴出四個環(huán)節(jié)分析了嗆爆的形成過程及其危險以及地坑積水爆炸的形成過程;為了明確地坑積水原因，從根本上杜絕因地坑積水引發(fā)爆炸，利用事故樹分析法，對砂型鑄造中因地坑積水爆炸事故進(jìn)行分析。

根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果，從地坑造型安全、砂型鑄造過程防爆、設(shè)計地坑積水量監(jiān)測系統(tǒng)等三個方面提出了砂型鑄造爆炸預(yù)防與控制技術(shù)措施。

筆者所探討的砂型鑄造風(fēng)險分析方法和控制技術(shù)對策具有現(xiàn)實意義和普遍適用性。

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