某滴注式氣體滲碳爐爆炸原因探討

侯帥帥* 曾現(xiàn)琛 胡家琨 付春霞

（1.青島市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 2.青島市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)研究所）

0 前言

井式氣體滲碳爐目前應(yīng)用十分廣泛，各種零件的滲碳工藝大多數(shù)是在井式氣體滲碳爐中進(jìn)行的。過(guò)去，人們對(duì)這種電阻爐的爆炸危險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，設(shè)備操作規(guī)程和安全培訓(xùn)中也很少提及其危險(xiǎn)性。但事實(shí)上，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生這種爆炸事故，王賢敏[1]研究并分析了爆炸原因及預(yù)防措施?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)際工作，對(duì)某井式電阻爐發(fā)生爆炸的原因進(jìn)行了分析。

1 事故情況

發(fā)生爆炸的井式電阻爐為滴注式氣體滲碳爐，其工作原理是將兩種有機(jī)液體同時(shí)滴入爐內(nèi)，一種液體產(chǎn)生較高的氣體碳勢(shì)，起富化作用，另一種液體產(chǎn)生較低的氣體碳勢(shì)，起稀釋作用，通過(guò)合理控制這兩種液體的滴入比例并保持一定時(shí)間，使碳滲入到零件表面中，從而達(dá)到表面增碳并控制在一定范圍內(nèi)的要求。該電阻爐主要由爐蓋、爐殼、爐襯、爐蓋升降機(jī)構(gòu)、爐用密封風(fēng)機(jī)、馬弗罐、加熱元件、水冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及利用滲碳劑產(chǎn)生合成氣氛的滴注系統(tǒng)等部分組成。按照實(shí)際用途來(lái)分，其主要用于鋼制工件滲碳，因此可稱為滲碳爐；從加熱方式來(lái)分，是利用間接電阻進(jìn)行加熱，屬于間接電阻爐；從結(jié)構(gòu)來(lái)分，屬于井式電阻爐；從對(duì)流方式來(lái)分，屬于強(qiáng)迫對(duì)流式電阻爐[2]。

該電阻所用滲碳劑為煤油和酒精，溫度記錄紙上指針?biāo)肝恢眉s為550 ℃；馬弗罐內(nèi)料筐中裝有滲碳工件，罐內(nèi)碳黑很少；爆炸后爐蓋整體脫離爐體，斜靠在爐體旁邊。用于連接爐蓋和罐體的螺栓共有10套，其中9 套已發(fā)生斷裂，斷裂部位均位于螺栓與螺栓之間連接的焊接處，焊縫存在氣孔、夾渣、焊縫不均勻等缺陷，未發(fā)生斷裂的螺栓也已經(jīng)產(chǎn)生變形。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、鑒定，取以下部件樣本后進(jìn)行檢驗(yàn)：滲碳劑滴注器，3 套用于連接爐蓋與罐體的螺栓，6 件滲碳工件（從馬弗罐中料筐的上、中、下三個(gè)部位各取2 件工件，分別編號(hào)為1#～6#）。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

滲碳劑滴注器檢驗(yàn)結(jié)果表明：該滴注器為針閥結(jié)構(gòu)，2 個(gè)閥門均無(wú)滲漏現(xiàn)象。

螺栓檢驗(yàn)結(jié)果表明：3 套螺栓斷裂部位均存在氣孔、夾渣、焊縫不均勻等質(zhì)量缺陷。

工件檢驗(yàn)結(jié)果表明：工件表面均有銹跡，氧化皮較少；對(duì)6 件滲碳工件進(jìn)行切割后制取金相試樣，用體積分?jǐn)?shù)為3%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，再使用蔡司Imager.M2M 金相顯微鏡觀察，6 件工件均沒(méi)有出現(xiàn)滲碳層，也沒(méi)有出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，詳見圖1。

3 爆炸原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及檢驗(yàn)結(jié)果，該電阻爐主要用于進(jìn)行鋼件的滲碳處理，由于無(wú)法獲得當(dāng)時(shí)的具體生產(chǎn)工藝狀態(tài)及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，按照滲碳熱處理生產(chǎn)發(fā)生事故的可能性進(jìn)行以下分析。

（1）從連接爐蓋和罐體的螺栓來(lái)分析，現(xiàn)場(chǎng)9 套螺栓發(fā)生斷裂，1 套螺栓未斷裂但產(chǎn)生了變形，通過(guò)斷裂和變形情況可以看出，螺栓是在瞬間受到強(qiáng)烈的縱向力后從焊縫處斷裂，導(dǎo)致質(zhì)量較大的爐蓋從爐體上脫離掉落至井坑底部。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況來(lái)看，爐蓋上的排氣管和觀察孔都處于開啟狀態(tài)，因此罐內(nèi)的氣壓不是慢慢累積達(dá)到物理爆炸的極限，而是瞬間急劇變大，從而發(fā)生化學(xué)爆炸。

圖1 工件滲碳層

引發(fā)化學(xué)爆炸的條件為：可燃?xì)怏w與空氣（或氧氣）必須同時(shí)存在，缺一不可；當(dāng)可燃?xì)怏w與空氣（或氧氣）在低于其自燃點(diǎn)的條件下，相互混合并且其比例達(dá)到一定的范圍內(nèi)（爆炸極限以內(nèi)）；以上氣體混合物在具有足夠溫度或能量的著火源的作用下[3]。上述三個(gè)條件同時(shí)被滿足，可燃?xì)怏w才會(huì)發(fā)生爆炸。在本次爆炸中著火源只涉及馬弗爐內(nèi)壁的熾熱表面和被加熱的工件。

（2）從現(xiàn)場(chǎng)取樣的滲碳工件表面來(lái)看，氧化皮較少，表明工件沒(méi)有經(jīng)歷太高溫度的氧化反應(yīng)。根據(jù)所取滲碳工件的金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，6 件滲碳工件均沒(méi)有出現(xiàn)滲碳層，這表明事故發(fā)生時(shí)，工件還未進(jìn)行到滲碳階段，或者剛開始進(jìn)入到滴注階段。6 件滲碳工件均沒(méi)有出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，這表明事故發(fā)生時(shí)，爐內(nèi)溫度應(yīng)該在700 ℃以下，或者剛開始進(jìn)入到滴注階段。

按照滴注式滲碳工藝的要求，爐溫低于750 ℃時(shí)，不得向爐內(nèi)滴入任何有機(jī)溶液[4]。因此，以750 ℃為分界點(diǎn)，分別對(duì)低于750 ℃和高于750 ℃時(shí)的情況進(jìn)行分析。

當(dāng)爐溫低于750 ℃時(shí)，正常情況下，在該溫度階段是不允許滴入滲碳劑的，爐內(nèi)只有空氣，因此不具備發(fā)生化學(xué)爆炸的條件。如果在該溫度階段加入了滴注劑，或者由于其他因素導(dǎo)致爐內(nèi)存在滴注劑，在溫度升高至滴注劑的自燃點(diǎn)之前，滴注劑已達(dá)到了沸點(diǎn)，因此以酒精蒸汽和煤油蒸汽的狀態(tài)存在，爐內(nèi)空氣與滴注劑蒸汽相互混合。當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到或超過(guò)滴注劑的自燃點(diǎn)，且滴注劑蒸汽的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸。滲碳劑性質(zhì)和滲碳特性[5]可見表1。

表1 滲碳劑性質(zhì)和滲碳特性

另外，當(dāng)爐溫低于750 ℃時(shí)，若爐內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓情況，空氣則被吸入爐內(nèi)，與爐內(nèi)的可燃性氣體混合并達(dá)到爆炸極限，從而發(fā)生爆炸。

當(dāng)爐溫高于750 ℃時(shí)，滲碳劑滴入后會(huì)立刻成為滲碳劑蒸汽或者是部分熱裂解的產(chǎn)物（通常為CH4，CO，[C]，H2等）。由于760 ℃已經(jīng)超過(guò)滲碳劑蒸汽和熱裂解產(chǎn)物的自燃點(diǎn)，所以不具備與空氣充分混合的打條件，滲碳劑滴入后便發(fā)生燃燒，直到將爐內(nèi)的氧氣消耗完畢。因此，爐溫在高于760 ℃時(shí)發(fā)生爆炸的可能性比較小。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，該電阻爐發(fā)生爆炸的原因可能為：（1）爐溫低于750 ℃時(shí)，向爐內(nèi)滴入滲碳劑或者由于其他因素導(dǎo)致爐內(nèi)存在滴注劑，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到或超過(guò)滴注劑的自燃點(diǎn)，且滴注劑蒸汽的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸事故；（2）爐溫低于750 ℃時(shí)，爐內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓的情況，空氣被吸入爐內(nèi)，與爐內(nèi)的可燃性氣體混合并達(dá)到爆炸極限，從而發(fā)生爆炸事故。

為了避免滲碳爐發(fā)生爆炸事故，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）要通過(guò)正規(guī)廠家購(gòu)買符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電阻爐，隨爐附件應(yīng)包括銘牌、說(shuō)明書、生產(chǎn)廠家等，確保購(gòu)買到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理、質(zhì)量合格；（2）應(yīng)特別注意電阻爐中安全裝置的設(shè)置及有效狀態(tài)，定期進(jìn)行整定或更換；（3）要加強(qiáng)對(duì)操作、使用和維護(hù)人員的培訓(xùn)，確保相關(guān)人員既能懂操作，又能懂原理，關(guān)鍵時(shí)刻能夠保護(hù)自身安全。