高溫熔融金屬作業(yè)爆炸事故防控重點(diǎn)分析*

張杰 趙國程

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院 北京 100083)

0 引言

高溫熔融金屬作業(yè)爆炸事故主要是由于熔融金屬與水在非正常情況下相接觸引起爆炸。在傳熱型蒸汽爆炸中，水和高溫物體接觸引起的蒸汽爆炸非常有代表性。據(jù)資料統(tǒng)計，容易發(fā)生此類事故的行業(yè)，以鋼鐵業(yè)最多，約占全部爆炸事故起數(shù)的60%;其次，有色金屬冶煉業(yè)約占21%[1]。在冶金企業(yè)熔融金屬作業(yè)過程中，一旦發(fā)生爆炸事故，輕則造成原材料浪費(fèi)，停工停產(chǎn)；重則造成人員群死群傷，設(shè)備設(shè)施損毀；可能會引發(fā)其他一系列事故連鎖反應(yīng)。例如，2013年4月1日，某鋼鐵集團(tuán)公司2號100 t轉(zhuǎn)爐發(fā)生爆炸，共造成28人受傷，4人遇難，爆炸釋放的能量將擋火門和主控室全部損毀。

目前，雖然冶金企業(yè)已經(jīng)意識到爆炸事故的嚴(yán)重性，但在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中，由于金屬熔融作業(yè)的特殊性，使得對熔融金屬爆炸事故的認(rèn)識能力不足，難以辨識具體的爆炸危險因素并且找到防控重點(diǎn)。因此，有必要對爆炸事故進(jìn)行情景再分類，利用事故樹分析法取其基本事件結(jié)構(gòu)重要度值，獲得基本事件的重要程度并以此提出重點(diǎn)防控措施。

1 爆炸事故情景分類

因爆炸事故可能發(fā)生在不同的地點(diǎn)、設(shè)備、工藝過程中，導(dǎo)致事故發(fā)生的誘發(fā)因素也不盡相同，同時，表現(xiàn)出的危險程度也會有很大的差異。因此，有必要對高溫熔融金屬爆炸事故進(jìn)行再劃分，根據(jù)事故發(fā)生的地點(diǎn)、設(shè)備等分為不同的情景，并對每一類情景分別進(jìn)行研究分析。

通過對冶金企業(yè)爆炸事故案例的收集整理、歸納分析，對相關(guān)文獻(xiàn)的參考研究，對冶金企業(yè)相關(guān)法律法規(guī)的解讀以及對冶金企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研，本文將爆炸事故按設(shè)備設(shè)施進(jìn)行情景分類，共分為3類事故場景，6種事故情景。

1.1 高爐爆炸事故

高爐是冶金企業(yè)煉鋼廠最主要的設(shè)備設(shè)施，噸位重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動力消耗高、物料吞吐量大，冶煉過程工序多且連續(xù)進(jìn)行，冶煉周期長。一旦高爐發(fā)生生產(chǎn)安全事故，對煉鐵廠甚至整個冶金流程的影響都無疑是巨大的。

對于爆炸事故來講，高爐發(fā)生熔融金屬爆炸事故主要有以下幾種：因高爐風(fēng)口、渣口或冷卻壁破裂漏水引發(fā)的鐵水爆炸，因鐵水混入水沖渣系統(tǒng)引發(fā)的爆炸，因高爐爐內(nèi)爐況失常引起的爆炸，因鐵水外泄后遇高爐周圍積水引起的爆炸。本文選取高爐爆炸事故中最常見的渣口和沖渣溝爆炸兩種情景進(jìn)行分析，情景分析結(jié)果見表1。

表1 高爐爆炸事故情景分類

1.2 轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故

轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸主要原因是爐體上的水冷件漏水，高溫熔融物與水接觸發(fā)生爆炸，另一主要原因是投入爐中的原料含有水分。在投入轉(zhuǎn)爐、電爐的廢鋼鐵中如果含有易燃易爆物、密閉容器等，同樣也容易導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故情景分析結(jié)果見表2。

表2 轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故情景分析

1.3 罐體爆炸事故

罐體發(fā)生爆炸的原因主要是罐體內(nèi)高溫熔融物與水在非正常情況下接觸產(chǎn)生爆炸，主要包括罐內(nèi)有外來水源或在使用時未將罐體烘烤至要求溫度。冶金企業(yè)高溫熔融爆炸事故涉及到的罐體主要包括渣罐、鐵水罐、鋼水罐、中間包幾類。罐體內(nèi)含水爆炸事故情景分析結(jié)果見表3。

表3 罐體內(nèi)含水爆炸事故情景分析

2 事故樹分析

2.1 高爐爆炸事故樹分析

高爐爆炸事故的事故樹按情景分類表可分為渣口爆炸和沖渣溝爆炸兩類，渣口爆炸是由于爐缸內(nèi)鐵水面過高超過渣口，爐缸堆積使渣口附近有積鐵，以及高爐生產(chǎn)異常、渣鐵分離差、渣中帶大量鐵，如果渣口小套漏水則更易造成爆炸[2]。渣口爆炸事故事故樹、基本事件及最小割集分別如圖1、表4所示。

表4 渣口爆炸事故事故樹最小割集

圖1 渣口爆炸事故事故樹

我國煉鐵高爐爐渣，大都采用水沖渣方式處理。用水力沖渣方式進(jìn)行渣處理時，若爐渣在沖渣溝內(nèi)堵塞，則極易造成爆炸事故。水沖渣溝爆炸事故事故樹、基本事件及最小割集分別如圖2、表5所示。

表5 水沖渣爆炸事故事故樹最小割集

2.2 轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故樹分析

轉(zhuǎn)爐、電爐爆炸事故事故樹按情景分類表分為水冷件漏水爆炸、入爐物料含水爆炸以及入爐廢鋼不合格爆炸。水冷件漏水時，若在爐內(nèi)水分未完全蒸發(fā)干時便動爐作業(yè)，將極易導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，且事故后果極其嚴(yán)重。水冷件漏水爆炸事故事故樹、基本事件及最小割集分別如圖3、表6所示。

表6 水冷件漏水爆炸事故事故樹最小割集

X1—懸料、崩料次數(shù)多；X2—爐缸堆積；X3—爐溫低；X4—撇渣器損壞；X5—爐渣粘度高；X6—撇渣器過道孔徑?。籜7—高、低砂壩，小井上緣溝頭高度不合規(guī)；X8—鐵口“跑大流”； X9—熔渣粒化度低；X10—水渣溝拐點(diǎn)曲率半徑小；X11—水渣溝直線長度短；X12—粒化水溫度高；X13—水泵供應(yīng)能力不足；X14—未按計劃出渣；X15—未開啟沖渣系統(tǒng)水泵圖2 水沖渣溝爆炸事故事故樹

圖3 水冷件漏水爆炸事故事故樹

轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼時以鐵水、廢鋼和鐵合金3種金屬料為主要原材料，除此之外，還有溶劑、冷卻劑等非金屬料參與冶煉。在冶煉過程中，適時加入適量的不同物料是冶煉的關(guān)鍵。若加入到爐內(nèi)的合金、試劑等物料潮濕或其中含有大量水分，則會造成轉(zhuǎn)爐、電爐噴濺甚至是爆炸事故，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。入爐物料含水爆炸事故事故樹、基本事件及最小割集分別如圖4、表7所示。

表7 入爐物料含水爆炸事故事故樹最小割集

圖4 入爐物料含水爆炸事故事故樹

轉(zhuǎn)爐、電爐中加入的廢鋼除含有水分會引起噴濺、爆炸事故外，若廢鋼中含有易爆品及密閉容器，也會導(dǎo)致事故的發(fā)生。特別是在對工廠中的大塊廢鋼進(jìn)行爆破作業(yè)時，若有炸藥殘留在廢鋼中，則廢鋼在被投入爐內(nèi)后，直接會引起鋼水的噴濺、爆炸。入爐廢鋼不合格爆炸事故事故樹、基本事件及最小割集分別如圖5、表8所示。

表8 入爐廢鋼不合格爆炸事故最小割集

圖5 入爐廢鋼不合格爆炸事故事故樹

2.3 罐體爆炸事故樹分析

渣罐、鐵水罐、鋼水罐和中間包是冶金企業(yè)使用非常廣泛的設(shè)備[3]，主要用于儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水和鋼水。因其可存在于生產(chǎn)場所任何位置、任何時間，故罐體爆炸的影響范圍、后果嚴(yán)重程度難以估計，事故后果處理難度極大。因此，需要在源頭上采取措施，防止罐體爆炸。按主動作業(yè)對象的不同，罐體爆炸又可再分為罐體內(nèi)含水時熔融物進(jìn)入罐體內(nèi)發(fā)生爆炸和水進(jìn)入含有熔融物的罐體內(nèi)發(fā)生爆炸兩類。罐體爆炸事故事故樹、基本事件及最小割集分別如圖6、表9所示。

表9 罐體爆炸事故樹最小割集

圖6 罐體爆炸事故事故樹

3 防控重點(diǎn)

結(jié)構(gòu)重要度是從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對頂事件所產(chǎn)生的影響程度，用以反映各基本事件的重要程度。結(jié)構(gòu)重要度分析可采用兩種方法，一種是求結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，以系數(shù)大小排列各基本事件和重要順序；另一種是利用最小割集或最小徑集判斷結(jié)構(gòu)重要度，排出順序。本文只為得出結(jié)構(gòu)重要度排序，以此關(guān)聯(lián)出防控重點(diǎn)，故采用第2種方法即可。6種事故情景下各基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序見表10。

表10 結(jié)構(gòu)重要度排序

由此可以看出，針對高爐渣口爆炸，防控的重點(diǎn)一是在于防止渣口有外來水源，可采取在渣口上修筑防風(fēng)雨棚等措施；二是在于對撇渣器的維護(hù)管理，撇渣器的性能將直接影響渣鐵的分離效果，是防止渣口發(fā)生爆炸事故的關(guān)鍵要素之一。

對于水沖渣溝爆炸，除了對撇渣器進(jìn)行維護(hù)管理外，最重要的是嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程、制度進(jìn)行作業(yè)。例如實(shí)行班組長工作制，按照計劃合理組織出鐵、出渣。同時，對于水沖渣溝的設(shè)計施工也有很高要求，如渣口前的主渣溝直線長度不應(yīng)小于4 m，渣溝不宜直角轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎曲率半徑宜選2.5～3.0 m等。

轉(zhuǎn)爐、電爐水冷件漏水爆炸，防控重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)水冷件漏水事故后的處理。轉(zhuǎn)爐吹煉中遇爐口、氧槍、汽化設(shè)備等水冷元件漏水時，應(yīng)立刻提槍停氧，并切斷水源，嚴(yán)禁搖爐，等水蒸發(fā)完后再檢查確認(rèn)，確保安全后方可操作轉(zhuǎn)爐。電爐冶煉期間發(fā)生冷卻水漏入熔池時，應(yīng)斷電、升起電極，停止冶煉、爐底攪拌和吹氧，關(guān)閉燒嘴，并立即處理漏水的水冷件，不應(yīng)動爐。直至漏入爐內(nèi)的水蒸發(fā)完畢，方可恢復(fù)冶煉。

轉(zhuǎn)爐、電爐入爐物料含水爆炸，要在物料的儲運(yùn)階段做好防水、防潮措施，例如用干燥的氮?dú)獗Ｗo(hù)碳化鈣等粉劑。在物料使用時，一定要有人提前進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)潮濕物料，進(jìn)行烘干后使用或直接剔除。

對于轉(zhuǎn)爐、電爐中加入的廢鋼含水、易爆品或密閉容器引起的爆炸事故，與入爐物料含水爆炸事故類似，一是保證廢鋼來源，以使其中不得混有不合格物品；二是在使用時對廢鋼要進(jìn)行挑揀作業(yè)。

對于冶金企業(yè)常見的罐體爆炸事故，使用前，要保證罐體的干燥，若發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)有水或其他潮濕物，需要進(jìn)行烘干處理且須烘烤至合格溫度。使用時，必須有專人進(jìn)行檢查確認(rèn)。若發(fā)現(xiàn)熔融物已經(jīng)和水接觸，此時人員應(yīng)立即撤離危險區(qū)域，待熔融金屬液面上的水蒸發(fā)完畢后，方可進(jìn)行作業(yè)。

4 結(jié)論

通過本文的研究，不難發(fā)現(xiàn)，對于冶金企業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)爆炸事故來說，導(dǎo)致其發(fā)生的原因最主要的就是熔融金屬與水接觸引起爆炸。針對這一原因，具體的防控措施主要包括三個方面：一是防止二者相遇，包括修筑防風(fēng)雨棚、試用設(shè)備設(shè)施前進(jìn)行烘干操作等；二是要在設(shè)備設(shè)施使用前，加強(qiáng)檢查，從管理的角度杜絕事故的發(fā)生；三是在熔融金屬與水已經(jīng)相遇的情況下，切勿作業(yè)。除此之外，對廢鋼的挑揀、對撇渣器的維護(hù)檢查等措施也是防止爆炸事故發(fā)生的重要舉措。