剛玉冶煉安全風(fēng)險分析與管控措施研究

祁煒峰 李吉鋒 吳麗 王玉玲

（河南天泰工程技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

剛玉，主要成分Al2O3，硬度僅次于金剛石，主要用于高級研磨材料，手表和精密機(jī)械的軸承材料。目前，國家層面尚無剛玉冶煉生產(chǎn)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，且多數(shù)剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模較小，安全生產(chǎn)管理基本參照了耐火材料行業(yè)的安全生產(chǎn)管理模式，但剛玉冶煉生產(chǎn)過程中存在電弧爐高溫熔煉、非金屬熔融液體轉(zhuǎn)運(yùn)、非金屬熔融液體快速冷卻成型等高危險作業(yè)活動[1]，耐火材料行業(yè)并不存在類似生產(chǎn)工藝，造成了剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)的安全風(fēng)險管控能力不強(qiáng)。因此，剛玉冶煉生產(chǎn)的安全風(fēng)險管控研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 剛玉冶煉生產(chǎn)主要安全風(fēng)險分析

本次研究中，筆者先后前往了貴州中國七砂、圣戈班（陶瓷）、三門峽電熔剛玉、伊川高新材料等國內(nèi)外知名剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了現(xiàn)場考察，同時前往河南省登封市和貴州省清鎮(zhèn)市對小微剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合剛玉冶煉生產(chǎn)工藝特點，對剛玉冶煉生產(chǎn)過程中的主要風(fēng)險因素進(jìn)行了分析。

1.1 剛玉冶煉生產(chǎn)工藝特點

剛玉冶煉是以工業(yè)氧化鋁、高鋁礬土、氧化鋯、氧化鎂、氧化鉻、氧化鈣等為原料，外加添加劑，在電弧爐中熔融、冶煉并經(jīng)冷卻結(jié)晶生成剛玉類產(chǎn)品的過程。電弧爐是利用電極電弧產(chǎn)生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐。

剛玉冶煉過程中，主要原輔材料在電弧爐中熔融形成高溫熔融液體，冶煉結(jié)束電爐出料至接包（盛裝熔融液體的容器）內(nèi)，接包按照工藝要求在靜置區(qū)進(jìn)行靜置，之后轉(zhuǎn)運(yùn)至冷卻區(qū)進(jìn)行冷卻，待接包內(nèi)熔融剛玉完全結(jié)晶后進(jìn)行破碎篩分。

1.2 剛玉冶煉生產(chǎn)的主要風(fēng)險因素

剛玉冶煉生產(chǎn)過程中可能存在的主要危險有害因素有：火災(zāi)、爆炸、灼燙、壓力容器（管道）爆炸、起重傷害、機(jī)械傷害、車輛傷害、觸電、高處墜落與物體打擊、淹溺、中毒窒息、輻射、坍塌、粉塵、振動與噪聲、不良作業(yè)條件等。

通過剛玉冶煉生產(chǎn)工藝的特點可以看出，剛玉冶煉生產(chǎn)過程中的主要危險物質(zhì)為高溫熔融液體，高溫熔融液體泄漏風(fēng)險是剛玉冶煉生產(chǎn)過程中的主要風(fēng)險因素，高溫熔融液體在電弧爐冶煉、轉(zhuǎn)運(yùn)及冷卻過程中，如意外泄漏遇水會瞬間產(chǎn)生大量水蒸氣，造成氣體沖擊波爆炸。然而剛玉冶煉生產(chǎn)采用的主要設(shè)備電弧爐一般采用循環(huán)水冷卻方式，部分接包也采取循環(huán)水進(jìn)行冷卻，另外剛玉成品破碎篩分中也可能進(jìn)行灑水冷卻，由此可見，工藝水系統(tǒng)及管道在剛玉冶煉生產(chǎn)設(shè)備及場所內(nèi)普遍存在，如遇到高溫熔融液體泄漏，可能引發(fā)爆炸等事故。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，發(fā)生高溫熔融液體泄漏事故的主要風(fēng)險如下：

1）高溫熔融物料中含有硅鐵，而硅鐵的熔點（1 500 ℃～1 800 ℃）低于剛玉的熔點（2 000 ℃以上），電弧爐出料倒入接包后，由于冷卻時間不夠，此時高溫熔融物料中的硅鐵尚未凝固，當(dāng)冷卻場地有積水時，翻包后硅鐵溶液從剛玉成品縫隙中流出，硅鐵溶液遇水在水上形成硅鐵蓋，由于水遇到高溫會快速汽化（水變成水蒸氣體積會膨脹1 244 倍），水由液體變成汽體的速度非?？?，其體積劇烈膨脹，威力巨大。

2）剛玉接包反應(yīng)引起的爆炸一般是由于高溫熔融物料中硅鐵過多或接包內(nèi)高溫熔融物料尚未凝固移動時引起晃動導(dǎo)致硅鐵溶液接觸碳化硅壁磚引起反應(yīng)，反應(yīng)會產(chǎn)生大量氣體引起高溫熔融物料翻動，嚴(yán)重時會引起漏包，即高溫熔融物料由因反應(yīng)造成的孔洞中漏出，若遇到水就會引起劇烈爆炸。

3）剛玉冶煉電弧爐在運(yùn)行過程燒穿，高溫熔融物料從爐缸底部或邊部漏出，爐底如有潮濕或積水現(xiàn)象，高溫熔融物料一旦遇水就會產(chǎn)生爆炸事故。高溫熔融物料泄漏后，也可能燒穿電弧爐附近布置的冷卻水系統(tǒng)管道，發(fā)生爆炸事故。

4）剛玉冶煉生產(chǎn)過程中違反操作規(guī)程，造成高溫熔融液體泄漏發(fā)生事故的情況主要有以下4 種：

①未定期對電弧爐內(nèi)金屬物料進(jìn)行檢查和清理，導(dǎo)致爐底燒穿，造成高溫熔融液體泄漏而引發(fā)事故；

②電弧爐出料后，高溫熔融物料未完全冷卻凝固即進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)或破碎作業(yè)，在作業(yè)過程中，部分未完全凝固的高溫熔融液體泄漏發(fā)生事故；

③接包內(nèi)高溫熔融物料盛裝過滿，轉(zhuǎn)運(yùn)過程中噴濺或溢出，可能引發(fā)事故；

④剛玉冶煉生產(chǎn)的出料區(qū)、靜置區(qū)和冷卻區(qū)等未采取措施，保持地面干燥，一旦發(fā)生高溫熔融液體泄漏，易引發(fā)爆炸事故。

通過對剛玉冶煉生產(chǎn)工藝特點和主要風(fēng)險因素分析，不難看出，剛玉冶煉生產(chǎn)過程主要風(fēng)險因素均與高溫熔融液體相關(guān)，高溫熔融液體一旦發(fā)生泄漏，輕則引起灼燙、設(shè)備損壞等事故，重則可能導(dǎo)致人員傷亡甚至群死群傷事故發(fā)生。因此，剛玉冶煉生產(chǎn)過程中的高溫熔融液體風(fēng)險管控是本次研究的重點，有針對性地提出管控措施，可以有效避免高溫熔融液體泄漏事故的發(fā)生。

2 剛玉冶煉生產(chǎn)的主要安全管控措施

剛玉冶煉生產(chǎn)過程采用主要設(shè)備為電弧爐，與冶金行業(yè)電爐類似，冶煉工藝與煉鋼工藝有很大程度的相似性，熔融剛玉液體遇水發(fā)生爆炸的原理和鋼水遇水發(fā)生爆炸的原理基本相同，本次研究充分參考鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對高溫熔融金屬的安全管控措施[2]，結(jié)合對剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)的實地調(diào)研結(jié)果，從安全管理[3]、廠房及其內(nèi)部建（構(gòu)）筑物、生產(chǎn)過程控制、動力供應(yīng)與管線等方面提出安全管控措施。

2.1 安全管理

1）剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)新建、改建、擴(kuò)建工程項目的安全設(shè)施，應(yīng)與主體工程同時設(shè)計、同時施工、同時投入生產(chǎn)和使用。貫徹預(yù)防為主的方針，在設(shè)計和施工階段把隱患消除在萌芽狀態(tài)，提升本質(zhì)化安全水平。

2）剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)制訂安全生產(chǎn)規(guī)章制度，完善的安全生產(chǎn)規(guī)章制度是企業(yè)有效防范生產(chǎn)、經(jīng)營過程安全生產(chǎn)風(fēng)險，保障從業(yè)人員安全和健康，加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理的重要措施。只有通過安全規(guī)章制度的約束，才能防止企業(yè)安全管理的隨意性，從根本上提高企業(yè)安全管理水平。

3）剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對生產(chǎn)工藝過程、機(jī)械設(shè)備、人員操作進(jìn)行系統(tǒng)分析、評價，制定出一系列的操作規(guī)程和安全控制措施，以保障生產(chǎn)、經(jīng)營工作合法、有序、安全地運(yùn)行，將安全風(fēng)險降到最低。

4）剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)，使員工實習(xí)安全生產(chǎn)規(guī)章制度和安全操作規(guī)程，具備相關(guān)的安全生產(chǎn)知識，掌握本崗位的安全操作技能，增強(qiáng)預(yù)防事故、控制職業(yè)危害和應(yīng)急處理的能力。

5）剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)編制生產(chǎn)安全事故應(yīng)急預(yù)案，建立與本企業(yè)安全生產(chǎn)特點相適應(yīng)的專（兼）職應(yīng)急救援隊伍，配備必要的救援器材與設(shè)施，定期檢查、維護(hù)和保養(yǎng)，并組織應(yīng)急演練，增強(qiáng)事故應(yīng)急處置能力。

6）對于高溫熔融液體作業(yè)活動，企業(yè)應(yīng)優(yōu)先采取機(jī)械化、自動化措施，最大程度降低作業(yè)人員在危險環(huán)境的暴露頻率。

2.2 廠房及其內(nèi)部建（構(gòu)）筑物安全管理

1）剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)存在大量高溫熔融液體，考慮暴雨洪水等極端天氣，避免廠房大量進(jìn)水遇到熔融液體發(fā)生爆炸事故，建議廠址地坪應(yīng)高于最高洪水水位0.5 m 以上或采取其他防水措施。

2）為避免剛玉冶煉生產(chǎn)廠房進(jìn)水遇到高溫熔融液體發(fā)生爆炸事故，建議生產(chǎn)廠房地坪高于廠房外地坪0.3 m 以上，并采取防止屋面漏水、天窗飄雨和地面積水的措施。

3）剛玉冶煉生產(chǎn)廠房內(nèi)電弧爐、熔融液體儲運(yùn)等熱源點溫度較高，可能發(fā)生高溫熔融液體噴濺事故，會對周邊建（構(gòu)）筑物造成熱輻射或損壞，要求周邊建（構(gòu)）筑物采取隔熱防護(hù)措施。

4）為防止電弧爐漏爐后發(fā)生熔融液體爆炸事故，電弧爐的爐下區(qū)域，應(yīng)采取防止積水的措施，爐下事故坑應(yīng)按防水要求設(shè)計施工，其內(nèi)表面應(yīng)砌相應(yīng)防護(hù)材料保護(hù)，且干燥后方可使用；出料區(qū)，周圍應(yīng)設(shè)隔熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，其地坪應(yīng)防止積水，并保持干燥。

5）剛玉冶煉企業(yè)內(nèi)高溫熔融液體可設(shè)專線（或?qū)Ｓ猛ǖ溃┻\(yùn)輸，以減少其他物流干擾。

6）根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，剛玉冶煉生產(chǎn)過程中，一般不需要吊運(yùn)高溫熔融液體，個別生產(chǎn)企業(yè)如因工藝需要必須吊運(yùn)高溫熔融液體的，借鑒剛玉冶煉行業(yè)和煉鋼行業(yè)既往發(fā)生事故教訓(xùn)，應(yīng)參照高溫熔融金屬吊運(yùn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行管理。

2.3 生產(chǎn)過程安全控制

1）為防止電爐傾動過量造成熔融液體泄漏，電爐傾動機(jī)械應(yīng)設(shè)零位鎖定、限位裝置，自動傾爐機(jī)械應(yīng)設(shè)置緊急停車裝置；為防止斷電后電爐內(nèi)物料無法及時出料造成嚴(yán)重結(jié)殼，電爐液壓站應(yīng)在斷電事故情況下能完成一次出料動作。

2）為保證電弧爐和水冷接包冷卻水系統(tǒng)有效運(yùn)行，冷卻水應(yīng)設(shè)置進(jìn)出水流量差檢測、報警裝置，發(fā)現(xiàn)異常后，應(yīng)能自動斷電，及時停止冶煉。

3）為了能夠提前了解爐體燒損情況，應(yīng)在電弧爐爐襯不同厚度的耐火材料中設(shè)置溫度測量元件，當(dāng)某特定測量點溫度超過規(guī)定值時，應(yīng)立即停止冶煉，進(jìn)行修理，防止?fàn)t體燒穿引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。

4）發(fā)生冷卻水漏入熔池時，為防止發(fā)生熔融液體遇水爆炸，應(yīng)立即停止冶煉，處理漏水點，同時待漏入爐內(nèi)的水蒸發(fā)完，再恢復(fù)運(yùn)行。

5）剛玉冶煉工藝流程主要為冶煉→出料→靜置→冷卻→碎選，為防止交叉作業(yè)，要求各功能區(qū)分開布置；其中出料區(qū)、靜置區(qū)和冷卻區(qū)存在高溫熔融液體，為防止高溫熔融液體意外泄漏發(fā)生遇水爆炸事故，要求上述區(qū)域地面保持干燥。

6）爐內(nèi)金屬物料未清理，可能燒穿爐底，應(yīng)定期清理。

7）剛玉冶煉企業(yè)接包比煉鐵企業(yè)鐵罐體積普遍要小，為防止熔融液體外溢，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，提出熔融液體液面距包口200 mm 的安全高度。

2.4 動力供應(yīng)與管線控制

1）為保證電弧爐、水冷接包冷卻水系統(tǒng)正常供水，要求供水系統(tǒng)設(shè)置備用電源和備用水源，供水泵應(yīng)有備用水泵，水源應(yīng)有水位顯示和報警裝置，并防止結(jié)垢。

2）為防止電弧爐漏爐后發(fā)生熔融液體爆炸事故，電弧爐附近區(qū)域除設(shè)備設(shè)施冷卻用水管除外不應(yīng)設(shè)置水管、電纜等管線，如管線須從該區(qū)域經(jīng)過，應(yīng)采取可靠的保護(hù)措施。

3 結(jié)論

綜上所述，剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)存在高溫熔融液體泄漏引發(fā)事故的較大風(fēng)險，且目前國內(nèi)暫無相關(guān)的風(fēng)險管控措施研究，同時剛玉冶煉行業(yè)也尚未出臺相關(guān)的安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，一旦發(fā)生事故，不僅會造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，同時也會造成惡劣的社會影響，不利于剛玉冶煉行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

本次研究進(jìn)行了大量的現(xiàn)場調(diào)研，充分采納了國內(nèi)外知名剛玉生產(chǎn)企業(yè)的意見，吸取以往的事故教訓(xùn)，同時借鑒了冶金行業(yè)的相關(guān)經(jīng)驗，提出了剛玉冶煉生產(chǎn)的安全風(fēng)險管控措施。該研究成果在河南省申報了《剛玉冶煉生產(chǎn)安全規(guī)程》地方標(biāo)準(zhǔn)，河南省作為全國剛玉生產(chǎn)大省，隨著地標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實施，為剛玉冶煉生產(chǎn)企業(yè)提供了可以執(zhí)行的行業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，可降低事故風(fēng)險，促進(jìn)剛玉冶煉全行業(yè)安全生產(chǎn)工作持續(xù)向好發(fā)展。