Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимодействие металлов с водой, условия возникновения взрывов при литье и плавке металлов и сплавов (литературный обзор) 11
1.1. Обстоятельства возникновения промышленных взрывов при аварийном взаимодействии расплавов металлов с водой и кислородосодержащими материалами 11
1.2. Участки, на которых обращаются расплавы черных и цветных металлов, как опасные производственные объекты (нормативное регулирование) 26
1.3. Исследования механизма возникновения взрыва при аварийном взаимодействии расплавов металлов с водой и кислородосодержащими материалами 31
1.4. Исследования высокотемпературного окисления, горения и взрыва дисперсных металлических материалов в присутствии воды и водного пара39
1.5. Мероприятия по предотвращению взрывов при аварийном
взаимодействии расплавов металлов с водой 44
Выводы по главе 1 46
ГЛАВА 2. Разработка методик расчета энергии взрывов при взаимодействии с водой расплавов черных металлов и алюминия
2.1. Разработка методики расчета энергии взрывов при взаимодействии с водой расплавов стали и чугуна 48
2.2. Разработка методики расчета энергии взрывов при взаимодействии с водой расплавов алюминия
2.3. Основные закономерности, связывающие энергию взрывов при взаимодействии расплавов стали и чугуна с водой, с условиями возникновения аварии 62.
2.4. Основные закономерности, связывающие энергию взрывов при взаимодействии расплава алюминия с водой, с условиями возникновения аварии 67
Выводы по главе 2 73.
ГЛАВА 3. Сопоставление и уточнение методик расчета давления во фронте ударных волн и проверка адекватности результатов расчета энергии взрывов при взаимодействии расплавленных металлов с водой 74.
3.1. Сравнение результатов расчета давления во фронте ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра, выполненных с использованием известных методик 74
3.2. Разработка обобщенной методики расчета давления во фронте ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра 83
3.3. Сравнение результатов расчетов энергии взрыва при взаимодействии расплавов металлов с водой с результатами ее экспертной оценки по характеру разрушений при промышленных взрывах 96
Выводы по главе 3 101
ГЛАВА 4. Механизм возникновения и энергия взрыва при взаимодействии расплавленного алюминия с железной окалиной 103
4.1. Оценка энергии взрыва при взаимодействии расплавленного алюминия с железной окалиной и разработка модели его возникновения 103
4.2. Исследование влияния фторидов металлов на условия возникновения теплового самовоспламенения в системе алюминий железная окалина 107
Выводы по главе 4 108
ГЛАВА 5. Разработка мероприятий по ітредотвраіігению последствий взрывов при аварийном контакте расплавленных металлов с водой 114
5.1. Анализ направлений обеспечения взрывобезопасности при литье и плавке металлов 114
5.2. Разработка методики категорирования помещений участков, на которых обращается расплавленный металл, по взрывопожарной и пожарной опасности 115
5.3. Мероприятия по предотвращению последствий взрывов при аварийном контакте расплавленных металлов с водой и кислородосодержащими веществами 118 Выводы по главе 5
Общие выводы 123
Список использованной литературы
- Участки, на которых обращаются расплавы черных и цветных металлов, как опасные производственные объекты (нормативное регулирование)
- Разработка методики расчета энергии взрывов при взаимодействии с водой расплавов алюминия
- Разработка обобщенной методики расчета давления во фронте ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра
- Исследование влияния фторидов металлов на условия возникновения теплового самовоспламенения в системе алюминий железная окалина
Участки, на которых обращаются расплавы черных и цветных металлов, как опасные производственные объекты (нормативное регулирование)
В большинстве случаев такой контакт приводит к «хлопкам», сопровождающимся выбросом части металла. В этих случаях наибольшую опасность представляют ожоги персонала. Однако, возможны и сильные взрывы, сопровождающиеся иногда групповым тяжелым и смертельным травматизмом и значительными разрушениями оборудования и зданий.
Взрывы в плавильных и литейных отделениях наблюдались как в случае черных, так и цветных металлов. Однако, наибольшее число аварий произошло с расплавами алюминия и его сплавов, магниевых сплавов, стали и чугуна. Причем опасные свойства расплавов проявлялись практически во всех подотраслях металлургического производства.
В доменном производстве аварии происходили в результате прогорания кладки горна и лещади и расплавлении стенок плит водяного охлаждения. Особенно часто отмечались такие случаи в шестидесятых -семидесятых годах, пока не были разработаны способы контроля состояния огнеупорной кладки. В мартеновском производстве отмечены взрывы при разрушении части кладки и выходе жидкого металла (в одном случае он взаимодействовал с посторонними материалами, содержащими карбонаты). В конвертерном производстве наблюдались взрывообразные выбросы металла при прогорании системы водяного охлаждения кислородных фурм. В этом случае возникала дополнительная опасность взрыва водорода, образовавшегося в результате взаимодействия воды с оксидом углерода. В сталеплавильном производстве взрывы отмечались при заливке стали во влажные изложницы, а также при нарушении технологии внепечного рафинирования стали синтетическими шлаками. В ферросплавном производстве происходили взрывы при попадании в плавильные агрегаты влажной и загрязненной шихты.
В литейном производстве взрывы чаще всего происходили при аварийном выходе металла из плавильных печей, при случайном проливании чугуна из ковшей, при заливке чугуна в формы, расположенные вблизи источников поступления воды.
Наиболее часто разрушительные взрывы возникали при производстве алюминия и его сплавов. Взрывы отмечались при аварийном выходе алюминия из электролизеров, при попадании в плавильные агрегаты влажной шихты или инструмента, при аварийных проливах металла на пол. Но наиболее сильные взрывы происходили на вертикальных установках полунепрерывного литья слитков из алюминия и его сплавов. В этом случае возможно при зависании слитка или других нарушениях технологического режима проплавление затвердевшего металла и выливание жидкого металла на платформу литейной машины или в приямок, где всегда присутствует вода. Подобного же рода аварии происходили и при литье магния и его сплавов.
Известны также случаи взрывов при электровакуумной плавке титана. В этом случае возможно прогорание стенки водоохлаждаемого кристаллизатора при случайном попадании на нее электрической дуги.
Несмотря на значительное количество инцидентов сколько-нибудь полное и систематическое статистическое исследование их в нашей стране не производилось. Попытка такого исследования была предпринята впервые в США / 6 / в семидесятых годах прошлого века. На первой стадии исследований специалистами Алюминиевой ассоциации США были изучены отчеты о 70 взрывах, происшедших на предприятиях алюминиевой промышленности в 1949 - 1978 гг. Всего за это время произошло 70 аварий, в результате которых погибло 30 человек и пострадало 235 человек.
Затем в течение 5 лет взрывы не происходили, но с 1983 года вновь начались аварии. Комитет безопасности Ассоциации разработал специальную форму анкеты для регистрации аварий, причем в их изучении согласились принять участие около 100 организаций. В течение 1980 - 1986 годов были получены сообщения о 309 инцидентах. Авторы работы классифицировали их следующим образом:
«Сила 1» - взрывы не вызывают разрушения оборудования и приводят лишь к выбросу металла на небольшое расстояние;
«Сила 3» - происходит значительное разрушение оборудования, выброс металла на большие расстояния, причем в случае взрывов алюминия наблюдается заметный световой эффект; «Сила 2». - промежуточные по силе взрывы между 1 и 3 типом, при которых происходят некоторые разрушения и металл выбрасывается на средние расстояния. Из 309 изученных случаев в 202 произошли взрывы первого типа, в 88 взрывы второго типа и в 19 возникли катастрофические взрывы. В этих авариях пострадало 233 человека, из которых 20 получили смертельные травмы.
Взрывы при литье и плавке остальных металлов систематически не регистрировались. В работе / 6 / отмечается только , что за период с 1949 по 1978 годы, в течение которого были зарегистрированы 70 взрывов расплавов алюминия, отмечены были 20 взрывов других жидких металлов (больше всего чугуна и стали и небольшое число взрывов при производстве меди, цинка и магния).
К сожалению, в научной литературе практически отсутствуют сколько-нибудь подробные описания обстоятельств возникновения взрывов и их последствий. Имеющиеся в нашем распоряжении материалы расследования аварий (за небольшим исключением тех их них, по которым производилась судебная экспертиза) также в очень слабой степени могут быть использованы для решения поставленных в работе задач.
Наиболее широкое освещение в литературе нашел взрыв на заводе в Квебеке /7/, при котором в результате разлива стали из ковша в дренажную яму, наполненную водой, и их последующего взаимодействия возникла ударная волна, вызвавшая разрушение нижней части печи и участков кирпичной стены толщиной 0,4 м. Длина одного из разрушенных участков стены, расположенного напротив места взрыва, составляла около 60 м, наибольшее расстояние от эпицентра взрыва до разрушенной кладки равнялось 32 м. По мнению экспертов такие большие разрушения связаны с возможностью тройного отражения ударной волны от оборудования, пола здания и внутренних стен здания.
Разработка методики расчета энергии взрывов при взаимодействии с водой расплавов алюминия
При разработке методики расчета энергии взрыва при взаимодействии с водой расплавов алюминия учитывалось выделение энергии в результате химической реакции между ними, а также в результате сгорания образовавшегося водорода за счет кислорода воздуха. Энерговыделение за счет сгорания в воздухе диспергированного алюминия отдельно не учитывалось, т.к. оно равняется суммарному энерговыделению по указанным выше реакциям и при использовании расчете какой-то определенного значения полноты участия алюминия в реакции с водой при условии полного энерговыделения в результате взаимодействия образовавшегося водорода с кислородом воздуха не влияет на результаты расчета. Отметим, что в этом отношении безразлично образовалась ли при взрыве алюминия окись алюминия, обнаруженная в продуктах промышленных взрывов и при проведении экспериментальных исследований, в результате окисления алюминия кислородом воздуха или водой.
Кроме того, предполагалось, что горение капель алюминия в воздухе происходит в отличие от двух первых процессов в основном вне зоны высокого давления и поэтому не поддерживает распространения мощной ударной волны, образующейся на первой стадии взрыва. В известной мере это подтверждается результатами измерений давления во фронте ударной волны, образующейся при взрывах системы жидкий алюминий - вода, которые произведены в работе / 10 /. В ней показано, что первичный пик волны имеет протяженность во времени порядка 1 - 3 мс. В соответствии с данными работы / 89 / время горения частицы алюминия диаметром 80 мкм в водяном паре имеет порядок 10" с.
Так же, как и при разработке методики оценки энергии взрыва чугуна и стали при взаимодействии с водой, для алюминия на первой стадии работы была составлена программа расчета параметров взрыва по упрощенной методике, учитывающий усредненные значения теплоємкостей алюминия и водяного пара (аналогичная методика предложена в работе / 46 /).
В начале расчета производится оценка достаточности количества воды для взаимодействия с массой металла, которая в соответствии с моделью аварии и заданной полнотой участия металла во взрыве, может принимать участие в энерговыделении. Для этого рассчитывается параметр С, определяемый по формуле: С = (г, Мш у 18 )/( х АМЕ Мшо) (2.12) где г] - доля алюминия, принимающая участие в реакции в реакции, х - число атомов металла в молекуле оксида; у - число атомов кислорода в молекуле оксида; АМЕ- атомная масса металла. Для алюминия после подстановок это выражение приобретает вид: С ММЕ/МШО (2.12) Если С 1, то рассчитывается конечная температура воды по формуле: ТКН20 = (МмЕ СмЕ ТНМЕ + Мшо (QPM + СШ0 TV,)) / (МмЕ Сш + + Мн20 Сн2о) (2.13) где QpM = 17602 кДж/кг - теплота реакции взаимодействия с водой 1 кг алюминия. Затем рассчитывается тротиловый эквивалент взрыва по формуле: Сшт = (Мшо (Сто (Т шо - TV) + QP.H2o) / 4520, кг (2.14) где Qp.mo = 13434 кДж/кг - теплота образованияі кг воды. Если С = 1, то рассчитывается параметр В (смысл его объяснен выше) по формуле: В = (Мшо (Сто (647 - ТнШо) СШо) / (ММЕ ((ТНМЕ - 647) СМЕ + ЧПЛМЕ + Л QPM)) (2.15) Если В = 1, то тротиловый эквивалент взрыва рассчитывается по формуле: Стнт= (ММЕ ((ТНМЕ - 647) СМЕ + q m + Л (QPM + Qp.mo))) / 4520 , кг (2.16) Если В 1, то рассчитывается Т нго по формуле: ТКн20 = (ММЕ (СМЕ ТНМЕ + qnJ1ME + Л QPM) + Сто ТНшо Мшо) / (Мшо Сто + СМЕ ММЕ) (2.16) ЕслиТ то Тп ME, то рассчитывается уточненное значение конечной температуры водяного пара по уравнению: Т то = (ММЕ (СМЕ Т ME + Л QPM) + Сто Т то Мш0) / (МШо Сто + СМЕ ММЕ) (2.17) Если рассчитанное значение ТкШо = ТПЛМЕ, ТО принимается, чтоТкШо _ тПЛ - і ME Далее рассчитывается тротиловый эквивалент взрыва по формуле: Стнт = (Сто (Ткн20 - Тншо) МШо + Л QPH2 ММЕ)/ 4520, кг (2.18), где Qpm теплота, выделяющаяся в результате взаимодействия водорода, образующегося при реакции 1 кг металла с водой, с кислородом воздуха, к Д ж/кг. Блок-схема расчета энергии взрыва при взаимодействии расплава алюминия с водой приведена на рис. 2.1. В уточненном варианте методики расчета энергии взрыва при взаимодействии расплава алюминия с водой учитывается зависимость теплоемкости алюминия и водяного пара от температуры. Вначале рассчитывается параметр С по формуле (2.12). Если С 1, то методом последовательных приближений рассчитывается конечная температура паров воды и определяется тротиловый эквивалент по формуле: Стнт = (Мшо (Сто (ТкШо - ТнШо) + Qp.mo) / 4520, кг (2.19)
Разработка обобщенной методики расчета давления во фронте ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра
Ввиду того, что для металлургического производства наиболее важно сравнить результаты расчета по методикам для расплавов металлов и ПБ 09-170-90, следовало более точно определить границы их применимости при различных тротиловых эквивалентах. С этой целью нужно было представить расчетную формулу, приведенную в ПБ 09-170-97, в таком виде, чтобы можно было получить значения давления как функцию расстояния для разных тротиловых эквивалентов.
Большая часть известных формул имеют вид степенного полинома. Были получены зависимости давления в ударных волнах от расстояния по методике ПБ 09-170-97 при различных тротиловых эквивалентах, а затем проведена их обработка полученных результатов с помощью специально разработанной программы с целью получения коэффициентов таких полиномов. Эти коэффициенты приведены в таблицах 3.2 а и 3.2 б. Как видно из таблиц, они различны при различных тротиловых эквивалентах.
Таким образом, расчет давления по указанной методике может быть выполнен с использованием семейства полиномов, что практически крайне неудобно. Однако, это дает возможность определить точки пересечения кривых зависимости расстояний от тротиловых эквивалентов при данных давлениях в ударной волне. Разработанная для этого программа позволила получить следующие координаты точек совпадения результатов расчетов по двум методикам при давлениях во фронте волны 14, 28, 70 и 100 кПа: тротиловые эквиваленты, соответственно, 127, 558, 354, 538 кг и расстояния 48, 44, 19 и 17 м. Практическое использование таких данных для четкого определения границ применения обоих формул затруднительно. Таблица 3.2 а
Значения эмпирических коэффициентов степенного полинома в уравнении расчета давления во фронте ударной волны, полученные путем преобразования уравнения для расчета зон разрушения, приведенного в нормативе ПБ 09-170-97, при различных тротиловых эквивалентах взрыва
Тротиловыйэквивалентэнергии взрыва,кг Значения эмпирических коэффициентов в уравнении степенного полинома А В С 10 9,3 53,4 -16,8 100 22,2 240,85 -160,2 1000 47,5 1058,9 -1381,4 10000 70,15 2284,4 -4329,9 100000 71,4 2365 -4538,6 Таблица 3.2 б Значения эмпирических коэффициентов степенного полинома в уравнении расчета давления во фронте ударной волны, полученные путем преобразования уравнения для расчета зон разрушения, приведенного в нормативе Единые правила безопасности при ведении взрывных работ, при различных тротиловых эквивалентах взрыва
Тротиловыйэквивалентэнергии взрыва,кг Значения эмпирических коэффициентов в уравнении степенного полинома А В С 10 74,4 578,3 -690,1 100 107,3 146185 -2638,8 1000 158,3 3101,3 -8191,1 10000 231,2 6781,5 -26388,4 100000 339,2 14622,3 -83649,64 Во всяком случае, было целесообразно попытаться разработать обобщенный метод, позволяющий достоверно оценить давление в ударных волнах при различных значениях тротилового эквивалента и с учетом данных, которые использовались при разработке существующих в настоящее время методов. Для этого помимо формулы, объединяющей расчеты по двум указанным методикам, следовало учесть и многолетний опыт применения методики ЕПБВР, которая в ряде случаев прогнозирует более опасные последствия взрывов.
При анализе значений коэффициентов полиномов, полученных на основании обработки результатов расчетов с использованием методики ЕПБВР (по максимальным значениям границ зон разрушения) при различных тротиловых эквивалентах, было установлено, что при увеличении тротилового эквивалента на каждый порядок они увеличиваются для первого коэффициента в среднем в 1,47 раз, второго - в 1,47 раз, третьего - в 1,47" раз. Это позволило предложить формулу для непосредственного расчета давления во фронте ударной волны, основанную на использовании методики ЕПБВР, путем введения в степенной полином соответствующего коэффициента: dP = 74,4 m n+ 578,3 (m n)2 - 690,1 (m n)\ кПа (3.8), Коэффициент n определяется по формуле: n = l,470gOrar-1) (3.9) Результаты расчета верхнего значения границ зон разрушения по этой формуле приведены в таблицах 3.1 и 3.3. Они хорошо совпадают с верхними значениям границ этих зон, рассчитанных по исходной методике.
Была предложена обобщенная формула расчета давления в ударных волнах при взрывах расплавов, при разработке которой ставилась цель использовать при малых тротиловых эквивалентах известную формулы для расплавов, а при больших значениях тротиловых эквивалентов - получить значения расстояний, не меньшие, чем определенные по нормативу ПБ 09 87
Исследование влияния фторидов металлов на условия возникновения теплового самовоспламенения в системе алюминий железная окалина
Возможны три направления мероприятий по предотвращению разрушений и поражения персонала при аварийном взаимодействии расплавленных металлов с водой:
Во-первых, исключение попадания воды под расплавленный металл (предотвращение аварийного выхода расплавленного металла из агрегатов; исключение попадания воды в возможную зону аварийного выхода, в изложницы, в которые заливается металл, и в шихту, загружаемую в агрегаты, в которых находятся расплавы; предотвращение прогорания рубашек водяного охлаждения и т.п.).
Во-вторых, предотвращение возможности образования замкнутого объема при взаимодействии воды с жидким металлом, внутри которого могла бы находиться вода, что позволит исключить взрыв «паровой бомбы».
В-третьих, увеличение взрывостойкости зданий плавильных и литейных цехов и находящегося в них оборудования.
Мероприятия по первым двум направлениям разрабатываются для конкретных технологических процессов с учетом их специфики и носят частный характер. Краткий обзор таких мероприятий, разработанных ранее, содержится в первой главе работы. Рекомендации для некоторых производственных участков, причины возникновения взрывов анализировались в настоящей работе, приведены в последнем разделе настоящей главы. Эти мероприятия могут носить как технический, так и организационный характер.
В предыдущих работах практически не уделялось внимание проблеме снижения степени разрушений зданий и оборудования и сокращению травматизма персонала в аварийных ситуациях. Между тем это направление важно, т.к. анализ последствий ряда произошедших аварий показывает возможность разрушения конструкций зданий цехов, повреждения соседних зданий и поражения персонала обломками и осколками разрушаемых конструкций.
Проектные решения по повышению взрывостойкости зданий принимаются на основе категорирования помещений и зданий в соответствии с Нормами пожарной безопасности НПБ 105-95. По НПБ 105-95 помещения, в которых обращаются материалы, способные взрываться при взаимодействии с водой, в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа, относятся к наиболее опасной категории А. К помещениям и зданиям этой категории предъявляются согласно Строительным нормам и правилам /101-102/ наиболее жесткие требования в отношении обеспечения взрывостойкости и огнестойкости. Практически все помещения действующих плавильных и литейных цехов не отвечают таким требованиям или не проверялись на соответствие им, т.к. в проектных разработках их обычно относят к категории Г, не учитывая возможности взрыва при взаимодействии расплавленной стали с водой.
Нормы НПБ 105-95 не содержат методики расчета энергии взрыва при взаимодействии жидкого металла с водой и в то же время предписывают автоматическое отнесение помещений, в которых обращаются материалы, дающие взрыв при таком взаимодействии, к категории А, если расчет прироста давления при взрыве не представляется возможным.
Предлагаемая методика расчета энергии взрыва позволяет обосновать отнесение помещений и зданий, в которых обращается расплавленный металл, к той или иной категории. Расчет прироста давления при взрыве производится по методике НПБ 105-95 с учетом количества выделяющейся при взрыве энергии. В соответствии с этой методикой прирост давления в помещении рассчитывается по формуле: dP =(Ро m Z Н ) / (Т0 Ср р V), кПа (5.1) где Ро-. начальное давление в помещении. кПа; m - масса взрывоопасного вещества, находящегося в помещении, кг; Z - коэффициент участия вещества во взрыве (для веществ, способных взрываться при взаимодействии с водой Z = 1); Н - теплота горения вещества, кДж/кг; Т0 - начальная температура в помещении, К; Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/кг.К; р - плотность воздуха, кг/ м ; V - свободный объем помещения, м . При расчете прироста давления в результате взрыва жидкого металла произведение m Z Н заменяется на Стнт 4520 и формула для расчета прироста давления в помещении принимает вид: dP =(Р0 Стнт 4520 ) / (Т0 Ср р V), кПа (5.2)
Результаты расчета прироста давления в помещении при взрыве системы жидкий металл - вода приведены в таблице 5.1. Из таблицы видно, что при взаимодействии с водой в помещении объемом 3000 м" 1000 кг расплавленного металла в случае жидкой стали развивается давление, достаточное для отнесения его к взрывопожароопасным категории А, при массе воды 50 кг, а в случае алюминия - всего 10 кг.
