在礦熱爐冶煉作業(yè)過程中發(fā)生過塌料爆炸事故，炸裂電極大小水套，造成礦熱爐檢修時間延長。個別企業(yè)甚至出現(xiàn)過熾熱熔體噴出爐外，致使?fàn)t前操作工人受傷、致殘。類似事故在南非等國外廠家亦曾發(fā)生。據(jù)報導(dǎo)，爐內(nèi)爆炸事故竟導(dǎo)致多人傷亡。因此，認(rèn)真分析礦熱爐發(fā)生噴料、爆炸事故的起因，并提出相應(yīng)的防范措施，對保證鐵合金企業(yè)安全生產(chǎn)十分重要。

1、礦熱爐冶煉模式的分類

據(jù)鐵合金生產(chǎn)企業(yè)的統(tǒng)計分析，發(fā)生礦熱爐噴料、爆炸事故多出現(xiàn)在錳硅合金冶煉和高碳鉻鐵冶煉過程中，高碳錳鐵冶煉一般發(fā)生翻渣現(xiàn)象，但很少見到硅鐵或硅系鐵合金生產(chǎn)中發(fā)生爐膛內(nèi)塌料、爆炸事故的報導(dǎo)。這說明礦熱爐的冶煉模式對生產(chǎn)過程發(fā)生噴料、爆炸事故有直接關(guān)系。按照碳熱還原反應(yīng)的冶金特點，一般可將鐵合金生產(chǎn)工藝分為有渣法冶煉和無渣法冶煉兩大類。這種分類方法并非指鐵合金生產(chǎn)過程是否有爐渣形成為標(biāo)準(zhǔn)的，而是指冶金過程，爐內(nèi)碳熱還原反應(yīng)機(jī)理和發(fā)生主要區(qū)域的區(qū)別。式(l)和式(2)是硅鐵和錳硅鐵合金生產(chǎn)的總反應(yīng)式:

硅鐵合金(無渣法)

SiO2+2C=Si(Fe)+2CO↑

錳硅合金(有渣法)

MnO2+SiO2+6C=MnSi+6CO↑

錳硅合金生產(chǎn)中，使用的錳礦中含有脈石，同時添加部分含CaO、MgO的熔劑，因此，還原劑焦炭是從含Mn、Si元素的熔體中反應(yīng)生成Mnsi鐵合金產(chǎn)品。由于碳熱還原過程的反應(yīng)方式隨產(chǎn)品不同而不同，使得硅系鐵合金和錳系鐵合金兩種礦熱爐的爐膛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯差異。

有渣法礦熱爐的爐膛結(jié)構(gòu)是由生料層、軟熔層、熔渣層、金屬熔池等幾部分構(gòu)成(見圖2)。焦炭層是有渣法埋弧電爐最重要的特征，它是輸人爐內(nèi)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎吞紵徇€原反應(yīng)的主要場所。因此，有渣法冶煉時，發(fā)生翻渣、噴料甚至爆炸等生產(chǎn)事故，應(yīng)與礦熱爐爐膛結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。爐膛焦炭層結(jié)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性是電爐正常運(yùn)行的重要保證。

2、爐內(nèi)翻渣或噴料—“液泛”的表現(xiàn)形式

有渣法礦熱爐內(nèi)形成的焦炭層始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)一個冶煉周期結(jié)束(出鐵后)，隨著混合爐料的熔化和還原反應(yīng)的進(jìn)行，爐膛內(nèi)焦炭層是通過軟熔層中焦炭的消耗和積聚逐步形成。焦炭與熔渣相互不浸潤，但與大部分金屬碳化物和鐵合金相浸潤，因而，爐膛中存在的焦炭層也起著渣鐵熔體的“過濾”和分離的作用。當(dāng)液態(tài)產(chǎn)物(初渣或鐵合金)穿過焦炭層的孔隙下降時，會形成滯留。渣、鐵的滯留量是高爐冶煉過程的一個重要參數(shù)。高爐生產(chǎn)中存在氣、液逆流的條件，滯留量一般指焦炭層中氣、液兩相流形成載點到泛點之間的液體高度，與上升氣流速度、渣鐵物理性質(zhì)和焦炭層結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。當(dāng)?shù)竭_(dá)“泛點”時，焦炭層中渣鐵會被氣流“托起”，出現(xiàn)所謂“液泛”現(xiàn)象，這是高爐發(fā)生懸料的主要原因之一。對照高爐冶煉的工況條件，礦熱爐的焦炭層不僅也會形成渣鐵滯留帶，而且由于發(fā)生碳與初渣的反應(yīng)，其生成的CO氣體上升氣流恰好與下降的渣鐵形成逆流條件。因此，發(fā)生翻渣現(xiàn)象實際上是“液泛”的一種表現(xiàn)形式，在礦熱爐料面透氣性差，焦炭層中孔隙小的情況下，容易在電極根部最先引起翻渣。尤其當(dāng)爐膛內(nèi)壓力過大或電極埋深過淺時，在每相電極根部先會發(fā)生噴料或噴焦粒現(xiàn)象，而后發(fā)生大翻渣。因此，爐膛內(nèi)焦炭過厚造成電極不能深插，或者選擇焦炭粒度太小、焦炭強(qiáng)度不夠，在爐膛內(nèi)不能形成“活動”焦炭層區(qū)，都有可能造成大翻渣操作事故。出鐵過程排一定數(shù)量的焦炭，以調(diào)節(jié)爐內(nèi)焦炭層的厚度與透氣性，將有利于穩(wěn)定電極埋深位置和防止翻渣。

3、爐內(nèi)塌料爆炸的成因

爐內(nèi)發(fā)生塌料、爆炸屬惡性事故，應(yīng)將其歸因于可燃?xì)怏w的一種帶有壓力波的燃燒—爆燃或爆轟‘。礦熱爐作為還原性氣氛冶煉設(shè)備，其爐氣均屬于可燃性氣體。

氣體爆炸必須具備3個基本條件:

(1)有合適濃度的可燃?xì)怏w。

(2)有合適濃度的氧氣。

(3)有足夠能量的點火源。

可燃?xì)怏w與空氣混合達(dá)到某一比例濃度范圍，一遇明火，即引起爆炸。這個比例濃度范圍，就叫做爆炸范圍。如圖4所示。爆炸范圍是由發(fā)生速度和傳熱速度相互決定的。由于在低濃度區(qū)域內(nèi)的可燃性氣體量不足，而在高濃度區(qū)域空氣量又不足，所以在這兩個區(qū)域內(nèi)不發(fā)生爆炸。

礦熱爐正常作業(yè)時，爐膛內(nèi)因碳熱反應(yīng)生成的CO、H2等可燃性氣體一般通過爐料層升至料面上方，再經(jīng)煙道排放。對密閉爐而言，因爐內(nèi)空氣量不足，可燃性氣體濃度高，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的不完全，反應(yīng)放出的熱量小于損耗的熱量，因而阻礙火焰蔓延。燃?xì)鈨H能在料面上形成正常的小火苗燃燒反應(yīng)。對于半封閉、矮煙罩爐，爐內(nèi)過量的空氣作為惰性介質(zhì)參與燃燒反應(yīng)，消耗一部分反應(yīng)燃燒熱，起到冷卻作用，阻礙了火焰自行傳播。使得燃?xì)庠诹厦嫔闲纬烧Ｈ紵拇蠡鹧?，同時也增加了煙氣量的和煙氣溫度(400一500℃)，上述兩種情況均不會造成爐內(nèi)可燃?xì)怏w的爆炸。但是，對于有渣法冶煉的礦熱爐爐膛結(jié)構(gòu)，如果因作業(yè)過程使得爐內(nèi)局部區(qū)域的可燃?xì)怏w與空氣混合比例處于爆炸范圍，即可能發(fā)生爆炸事故。

據(jù)生產(chǎn)實際統(tǒng)計，發(fā)生塌料、爆炸事故是有一定規(guī)律的:

(1)最可能發(fā)生爆炸的位置是靠近出鐵口的電極區(qū)域，其次是中心料管與相間料管之間布料薄弱的區(qū)域。

(2)事故大多發(fā)生在出鐵中后期。

(3)不合理的升降電極(一般夜班作業(yè)易發(fā)生)。

上述工況條件造成可燃?xì)怏w爆炸的原因，可用圖5說明。當(dāng)開眼出鐵時，爐膛內(nèi)渣鐵的排出使焦炭層下降，靠近出鐵口相電極下的焦炭層上表面開始會更低一些，若該相電極料層開始不下沉的話，則會在焦炭層和料層之間形成空穴，爐內(nèi)可燃?xì)怏w容易在空穴內(nèi)積聚，局部濃度升高。當(dāng)?shù)匠鲨F中后期，空穴壓力增大，或電極周圍懸空料層面積增大到一定程度時，即會發(fā)生塌料，此時若塌料導(dǎo)人空穴中的空氣與可燃性氣體比例達(dá)到爆炸范圍，或因塌料，從空穴中排出的可燃?xì)怏w與料面處的空氣比例達(dá)到爆炸范圍時，則就會引起爆炸事故。

4、預(yù)防事故發(fā)生的技術(shù)措施

根據(jù)上述對渣法冶煉礦熱爐易發(fā)生塌料、爆炸事故的起因分析，提出以下供參考的技術(shù)措施:

(1)改善入爐的原料條件，提高爐料的透氣性。

(2)合理配置下料管位置和角度，達(dá)到布料均勻的目的。

(3)加強(qiáng)料面爐料的操作管理，發(fā)生翻渣爐況應(yīng)及時處理，使之不影響料層的透氣性。

(4)保證電極工作端長度和爐料內(nèi)的插入深度。

(5)三相電極電流不平衡需要調(diào)整時，應(yīng)在活動電極前先蓋料，警示爐前操作工人遠(yuǎn)離電爐后，加大電極活動量從而促進(jìn)爐料下沉，三相電極電流平衡后，再打開料管布料。

(6)選擇合適的焦炭粒度和控制出鐵時的爐內(nèi)排炭量，使?fàn)t膛內(nèi)逐步形成合理的焦炭層厚度和結(jié)構(gòu)，避免翻渣、噴料。