鑄造工藝中蒸汽爆炸事故形成機(jī)制分析*

沈正祥, 陳 虎, 王 杜, 陳定岳, 呂中杰, 黃風(fēng)雷

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315048；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

鋁材是輕量化的首選材料，交通運(yùn)輸業(yè)已成為第一大用戶，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，未來(lái)將部分替代鋼鐵成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和人民生活各方面的重要基礎(chǔ)材料[1]。鋁合金熔煉鑄造是鋁材加工第一道生產(chǎn)工序，將重熔鋁錠或電解鋁液添加合金元素配制成合金，為鋁加工熱軋、擠壓、鍛造等提供坯料。熔煉鑄造工藝因其特殊性，在生產(chǎn)過(guò)程中常伴有高溫、有毒、有害、易燃易爆氣體的產(chǎn)生。目前，多為連續(xù)性的群體作業(yè)且多半為手工操作，如果某一個(gè)崗位或工作環(huán)節(jié)發(fā)生失誤，就可能導(dǎo)致意外傷害事故。例如河南某企業(yè)鑄造開(kāi)始時(shí)，由于引錠頭底座設(shè)計(jì)不合理，泄漏的鋁液不能流入井下而滯留在潮濕的平臺(tái)上，發(fā)生爆炸事故造成2人死亡[2]；山東某企業(yè)的混合爐出鋁口存在隱患，導(dǎo)致鋁液跑出且處理不當(dāng)，大量鋁液流入到潮濕及有水的地面產(chǎn)生爆炸反應(yīng)，造成廠房損毀、死亡16人、59人受到不同程度傷害的嚴(yán)重后果[3]。蒸汽爆炸已成為冶金行業(yè)最嚴(yán)重災(zāi)害之一，也是液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)、核工業(yè)輕水反應(yīng)堆爆炸事故預(yù)防的重要研究課題[4-5]。

國(guó)外學(xué)者對(duì)此的研究較早，但迄今仍未形成準(zhǔn)確完整的機(jī)理性描述[6-7]；國(guó)內(nèi)則主要針對(duì)核反應(yīng)堆蒸汽爆炸事故，研究小質(zhì)量熔融金屬液滴(錫、鉍錫鉛合金等)與冷卻水的相互作用機(jī)制[8-9]。本文針對(duì)熔融鋁液與水作用發(fā)生爆炸反應(yīng)的物理現(xiàn)象，自主設(shè)計(jì)并搭建了大質(zhì)量熔融鋁液遇水自觸發(fā)爆炸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，研究熔融鋁液遇水爆炸反應(yīng)的主要影響因素，對(duì)爆炸場(chǎng)的溫度和沖擊波超壓進(jìn)行測(cè)試，最后探討了爆炸反應(yīng)的形成機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與過(guò)程

為有效重現(xiàn)熔融鋁液與水接觸爆炸過(guò)程，結(jié)合實(shí)際鋁材的鑄造工藝流程，設(shè)計(jì)了1套實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示，主要包括錐形和柱形容器兩部分。

圖1 熔融鋁液遇水爆炸反應(yīng)裝置及典型爆炸場(chǎng)景Fig.1 Illustration of experimentalapparatus used for molten aluminum-water explosive interaction and representative images of explosion

錐形容器內(nèi)壁帶有硅酸鹽紙，用于臨時(shí)盛放高溫熔融鋁液，底塞經(jīng)鋼絲繩與提升馬達(dá)相連。柱形反應(yīng)器為薄壁圓筒，用于盛放冷卻水，直徑為158 mm，高度為300 mm，材質(zhì)為碳鋼或不銹鋼。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，提升馬達(dá)拉動(dòng)底塞，使熔融鋁液迅速下落與混合水槽中的水混合，形成爆炸。同時(shí)啟動(dòng)高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)爆炸局部近景進(jìn)行觀測(cè)，最大分幅率可達(dá)2×105fps。利用紅外測(cè)溫儀記錄爆炸場(chǎng)的溫度變化，爆炸沖擊波超壓則由埋設(shè)于爆點(diǎn)固定位置的壓力記錄儀測(cè)定。根據(jù)圖1中典型爆炸場(chǎng)景，可以看到反應(yīng)器噴濺的鋁液成為細(xì)小的白色顆粒，并形成強(qiáng)烈的沖擊波。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爆炸反應(yīng)的影響因素

高溫熔融金屬遇水爆炸是一個(gè)復(fù)雜的多相流過(guò)程，對(duì)其產(chǎn)生影響的因素很多，如熔融金屬的質(zhì)量與溫度、水的質(zhì)量與溫度、反應(yīng)器材質(zhì)與表面粗糙度、空間的封閉程度等[10-11]，其中熔融金屬與水的質(zhì)量、溫度對(duì)爆炸的影響較為突出。

當(dāng)鋁液溫度在1 023～1 123 K范圍內(nèi)，水溫保持為290～300 K，反應(yīng)器材質(zhì)為碳鋼，其他條件不變，只改變鋁液與水的質(zhì)量，共進(jìn)行了67次的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)整理如圖2所示。其中31次發(fā)生爆炸(○表示)，36次未發(fā)生爆炸(×表示)。圖中點(diǎn)線和實(shí)線將整個(gè)鋁液與水作用質(zhì)量配比范圍劃分成3個(gè)區(qū)域，即實(shí)線下方的非爆炸區(qū)、點(diǎn)線與實(shí)線之間的混合區(qū)以及點(diǎn)線上方的爆炸區(qū)。在非爆炸區(qū)內(nèi)，當(dāng)水量相對(duì)較少時(shí)，若加入的鋁液對(duì)水不能形成有效夾裹時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生爆炸。只有當(dāng)鋁液量達(dá)到2.91 kg才會(huì)出現(xiàn)比較柔和的爆炸反應(yīng)，這種爆炸威力較小，只出現(xiàn)鋁液輕度噴濺，水槽內(nèi)殘留大量鋁液。這種小水量爆炸體系由于鋁液碎化程度較低，產(chǎn)生水蒸氣量相對(duì)太少，缺乏足夠的能量壓縮周?chē)橘|(zhì)做功，形成的沖擊波強(qiáng)度也較弱。

圖2 鋁液與水相對(duì)質(zhì)量對(duì)爆炸形成的影響Fig.2 Experimental results for aluminum-water system at various mass

隨著水量增加，鋁液量要達(dá)到一定值才能出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。這是因?yàn)樗吭黾訒?huì)導(dǎo)致鋁液夾裹水滴難度加大，相反，鋁液入水后其表面迅速冷卻固化，此時(shí)若不能形成細(xì)碎化機(jī)制，增加傳熱速率則很難形成爆炸體系，從而產(chǎn)生注入鋁液非爆炸上極限量，由實(shí)線表示。對(duì)于非爆炸上極限曲線(實(shí)線)擬合雙對(duì)數(shù)方程[12]為：

ln(wAl/wwater)=1.49-0.71·ln(wwater)

(1)

式中：wAl為鋁液質(zhì)量，kg；wwater為水的質(zhì)量，kg。

在爆炸區(qū)內(nèi)，鋁液與水劇烈混合，同時(shí)充分碎化供給體系大量熱能，使得短時(shí)間內(nèi)水快速汽化，最終發(fā)生爆炸，程度也比較劇烈。對(duì)于爆炸下極限曲線(點(diǎn)線)擬合雙對(duì)數(shù)方程[12]為：

ln(wAl/wwater)=1.72-0.73·ln(wwater)

(2)

爆炸區(qū)與非爆炸區(qū)之間為混合區(qū)，該區(qū)域范圍較窄，邊界形狀不規(guī)則，爆炸的發(fā)生具有明顯的概率性，體現(xiàn)了鋁液-水爆炸體系的復(fù)雜性。

為研究水溫對(duì)爆炸形成的作用，保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變，只改變鋁液與水的溫度，共進(jìn)行15次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)整理如圖3所示。其中7次發(fā)生爆炸(○表示)，8次未發(fā)生爆炸(×表示)?？煽闯霈F(xiàn)有條件下水溫對(duì)爆炸形成有重要影響，水溫越高，爆炸反應(yīng)越不容易發(fā)生。這是因?yàn)樗疁刈兏?，鋁液在水中傳熱速率降低，固化層內(nèi)應(yīng)力減小，導(dǎo)致鋁液發(fā)生碎化難度變大，所以水溫升高爆炸反應(yīng)很難發(fā)生。

圖3 水溫對(duì)爆炸形成的影響Fig.3 Experimental results for aluminum-water system with different temperatures of water

2.2 爆炸場(chǎng)的壓力變化

爆炸反應(yīng)觸發(fā)后，鋁液-水體系在反應(yīng)器內(nèi)快速膨脹并壓縮周?chē)橘|(zhì)[13]，形成沖擊波向周?chē)鷤鞑?，同時(shí)產(chǎn)物也伴隨沖擊波高速向四周飛散，并隨飛散距離的增大而衰減。對(duì)于凝聚炸藥TNT，Brode公式[14]描述沖擊波超壓與對(duì)比距離的關(guān)系：

(3)

圖4是實(shí)驗(yàn)中爆炸沖擊波超壓隨對(duì)比距離的變化關(guān)系，其中曲線表示考慮馬赫反射作用、經(jīng)公式(3)計(jì)算得到的超壓變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯X液-水體系產(chǎn)生的爆炸沖擊波超壓低于TNT爆炸沖擊波超壓計(jì)算值，同時(shí)，超壓隨對(duì)比距離的衰減速率更快[15]。這是因?yàn)槿廴阡X液遇水作用的爆炸能量主要分為沖擊波能、鋁液滴飛散動(dòng)能以及氣體產(chǎn)物內(nèi)能，其中沖擊波能只占爆炸總能的小部分，而TNT炸藥的爆炸產(chǎn)物以氣體為主，沖擊波能可占爆炸總能90%左右；其次，TNT化學(xué)爆炸的能量釋放率要高于此類(lèi)物理作用為主的蒸汽爆炸。

圖4 超壓計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Calculated shockwave overpressure compared with experimental results

2.3 爆炸場(chǎng)的溫度變化

爆炸反應(yīng)除了沖擊波效應(yīng)，同時(shí)也伴有熱效應(yīng)的作用。熱效應(yīng)是一個(gè)典型的物理特征，會(huì)對(duì)人員造成不同程度的損傷[15]。實(shí)驗(yàn)首次運(yùn)用紅外測(cè)溫儀記錄了爆炸場(chǎng)附近的溫度變化，鏡頭捕捉范圍為反應(yīng)容器及其以上空間。圖5和圖6為典型的爆炸云團(tuán)分布和溫度場(chǎng)。

圖5 爆炸云團(tuán)分布Fig.5 Graph of explosion region by infrared thermal imaging

圖6 爆炸場(chǎng)的溫度變化Fig.6 Temperature of explosion region

由于爆炸產(chǎn)生的高溫區(qū)域較大，紅外熱成像只捕捉到了爆炸云團(tuán)的局部，爆炸云團(tuán)發(fā)生在反應(yīng)容器上方約1 m處，且分布范圍較大。圖5中弧線表示的云團(tuán)半徑約為0.498 m，相應(yīng)球形體積約0.517 m3，直接測(cè)得最高溫度約為520 K。爆炸場(chǎng)周?chē)鷾囟扔忻黠@的突變現(xiàn)象，這是由于較短的時(shí)間尺度內(nèi)爆炸產(chǎn)物與周?chē)諝膺M(jìn)行了快速熱交換，使爆炸區(qū)域溫度迅速升高所致。整體來(lái)看，爆炸場(chǎng)的最高溫度既低于鋁水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的溫度1 473 K，也低于水的過(guò)熱極限溫度543 K，由此可推斷熔融鋁液遇水爆炸中化學(xué)反應(yīng)的可能性非常低。

2.4 爆炸產(chǎn)物分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，熔融鋁液遇水爆炸反應(yīng)按劇烈程度可分為3種模式[16]：柔和爆炸、劇烈爆炸和猛烈爆炸。當(dāng)水量相對(duì)鋁液較少時(shí)，主要發(fā)生柔和爆炸，鋁液部分碎化，噴濺距離一般在5 m以內(nèi)，產(chǎn)物多為片狀產(chǎn)物；當(dāng)水量較多時(shí)，鋁液碎化程度較高，劇烈和劇烈爆炸發(fā)生的概率較高，形成強(qiáng)烈的沖擊波，反應(yīng)器嚴(yán)重破壞，鋁液基本全部被噴射出反應(yīng)容器，產(chǎn)物多為中、小粒徑白色顆粒。

圖7為回收的爆炸產(chǎn)物，由于爆炸沖擊波的能量轉(zhuǎn)化效率不同，產(chǎn)物的粒徑分布也不同[16]。根據(jù)外形和尺寸，產(chǎn)物分為片狀產(chǎn)物、中粒徑產(chǎn)物和小粒徑產(chǎn)物。既包括混合階段中水力和熱力碎化形成的細(xì)碎顆粒，也包括膨脹做功階段壓力波作用的碎化顆粒。

圖7 典型的爆炸產(chǎn)物Fig.7 Resulting fragments of molten aluminum after explosion

利用ICP光譜分析技術(shù)對(duì)產(chǎn)物顆粒做成分分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，產(chǎn)物成分以鋁元素為主，鐵、鈣、鎂等元素含量較少。產(chǎn)物的粒徑越小，鐵、鈣、鎂等元素含量越多，表明金屬元素對(duì)鋁液-水體系爆炸形成和反應(yīng)劇烈度有明顯影響[12]。

圖8 產(chǎn)物的元素含量分析Fig.8 Chemical composition of fragments

2.5 爆炸機(jī)制的探討

最初觀點(diǎn)認(rèn)為，熔融鋁液遇水發(fā)生爆炸的主要原因是水在鋁元素的作用下進(jìn)行分解產(chǎn)生了氫氣，并與氧氣反應(yīng)而引起爆炸。但在一般條件下，鋁作為一種活潑金屬，其表面在大氣環(huán)境中很容易形成一種氧化膜。由于氧化膜的阻礙，在溫度低于1 200℃的條件下，水分解不足以產(chǎn)生爆炸所需的氫氣量。同時(shí)，現(xiàn)已知有不產(chǎn)生氫氣的熔融鹽與水體系同樣會(huì)發(fā)生爆炸。因此，可以斷定通常條件下這些現(xiàn)象并不是水分解產(chǎn)生氫氣所引發(fā)的爆炸。

相反，當(dāng)水和高溫熔融物接觸，由于快速的熱運(yùn)動(dòng)，其溫度迅速達(dá)到沸點(diǎn)以上并達(dá)到一種過(guò)熱狀態(tài)。對(duì)于水來(lái)說(shuō)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察其過(guò)熱溫度的極限大約為270 ℃。這種過(guò)熱狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，在達(dá)到其過(guò)熱溫度之前，往往由于汽化而放熱。這種過(guò)熱液體的汽化速度是非?？斓?，會(huì)使壓力急劇地上升，形成一定幅值的壓力波。由于壓力波對(duì)熔融物的碎化作用，增加了傳熱面積和速率，這樣會(huì)增大傳熱量，進(jìn)一步加速進(jìn)行汽化，導(dǎo)致更激烈的沸騰性物理爆炸。在這種蒸汽爆炸中，高溫熔融物的細(xì)碎化程度直接決定2種流體的接觸傳熱面積及熱傳導(dǎo)量，根據(jù)經(jīng)典的傳熱速率方程[17]：

Q=h·A·ΔT

(4)

式中：Q為單位時(shí)間熱傳導(dǎo)量，W；h為膜態(tài)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為接觸面積，m2；ΔT為界面的溫度差，K。

為促進(jìn)爆炸反應(yīng)形成或提高爆炸反應(yīng)的劇烈程度，必須提高熔融物與水之間的熱傳導(dǎo)量，即增加方程(4)右側(cè)所示的各種因數(shù)。如果接觸面積A不變，假設(shè)h為沸騰時(shí)最大值，或者增加ΔT，同樣會(huì)達(dá)到膜態(tài)沸騰，此時(shí)反而減小了h值，在這兩種情況下都不會(huì)發(fā)生爆炸[18]。由此可見(jiàn)，熔融物的碎化率增加，提高接觸面積A是爆炸形成必不可少的條件。事實(shí)上，根據(jù)回收的爆炸產(chǎn)物粒徑分布，結(jié)合觀察的爆炸劇烈度，也間接證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

3 結(jié)論

1)熔融鋁液遇水爆炸是鑄造工藝中典型的蒸汽爆炸，本質(zhì)源于熔融金屬與水的非正常接觸。鋁液與水的質(zhì)量、水溫等因素對(duì)爆炸形成的影響較大。當(dāng)鋁水相對(duì)質(zhì)量變化，基于不同的觸發(fā)機(jī)制，鋁水混合體系均可能發(fā)生爆炸。爆炸反應(yīng)越劇烈，產(chǎn)物粒徑越小。水溫變高，鋁液碎化的難度變大，爆炸反應(yīng)很難發(fā)生。

2)根據(jù)爆炸場(chǎng)溫度和沖擊波衰減速率，可認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)在鋁水爆炸體系不占主要地位，熔融物的碎化放熱或夾裹形成過(guò)熱亞穩(wěn)態(tài)水，是目前條件下爆炸發(fā)生的根本原因。

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