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摘 要： 摘要:從高爐冶煉的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)入手，結(jié)合近年來發(fā)生的高爐火災(zāi)事故案例，分析總結(jié)了高爐的主要火災(zāi)危險性及火災(zāi)特點(diǎn)，提出了針對金屬冶煉企業(yè)高爐火災(zāi)的撲救對策，為處置此類火災(zāi)提供參考。 關(guān)鍵詞:冶金企業(yè),高爐火災(zāi),處置對策 金屬冶煉主要包括
摘要:從高爐冶煉的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)入手，結(jié)合近年來發(fā)生的高爐火災(zāi)事故案例，分析總結(jié)了高爐的主要火災(zāi)危險性及火災(zāi)特點(diǎn)，提出了針對金屬冶煉企業(yè)高爐火災(zāi)的撲救對策，為處置此類火災(zāi)提供參考。
關(guān)鍵詞:冶金企業(yè),高爐火災(zāi),處置對策
金屬冶煉主要包括鐵礦燒結(jié)、煤炭焦化、煉鐵、加碳煉鋼、精細(xì)加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。近年來，冶金企業(yè)火災(zāi)呈現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢，火災(zāi)造成嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。在整個金屬冶煉生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，高爐冶煉占據(jù)十分重要的地位，而與高爐有關(guān)的生產(chǎn)安全、火災(zāi)事故危害更大。例如，2011年10月5日，南鋼煉鐵廠5號高爐在停爐預(yù)休風(fēng)期間由于爐壁突然破裂發(fā)生鐵水外溢，造成了12人死亡、1人受傷[1]。可見，全面認(rèn)識高爐冶煉的火災(zāi)危險性，掌握此類火災(zāi)的撲救對策，對冶金企業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。
1高爐冶煉原理和火災(zāi)危險性
1.1高爐冶煉原理
高爐是鋼鐵冶煉的主要設(shè)備，高爐中的主要爐料是燒結(jié)礦(球團(tuán)礦)、焦炭以及石灰石等其他固體物質(zhì)。爐料從高爐的頂部加入到高爐中，焦炭和風(fēng)機(jī)吹入的氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生以CO和H2為主要成分的高爐煤氣，燒結(jié)礦與高爐煤氣發(fā)生如下的氧化還原反應(yīng)生成高溫液態(tài)的生鐵水。鐵水定期從鐵口放出，爐渣從渣口排出，部分新建的高爐不設(shè)出渣口，爐渣也從出鐵口定期排出。常見的煉鐵高爐自下而上可分成5個部分:爐缸區(qū)、風(fēng)口回旋區(qū)、滴落帶、軟熔帶以及塊狀帶[2]，如圖1所示。
(1)當(dāng)溫度<800℃時，與CO的反應(yīng):3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO=Fe+CO2(2)當(dāng)溫度>800℃且<1100℃時，與H2的反應(yīng):3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O
1.2火災(zāi)危險性
高爐冶煉是一個獨(dú)立完整的生產(chǎn)體系，除了上述部位和分區(qū)外，還要有供料、裝料、送風(fēng)、噴吹、除塵等系統(tǒng)。高爐冶煉的過程中，高爐內(nèi)部壓力溫度都很高，且高爐上部會排出未完全反應(yīng)的高爐煤氣，下部會分別排出高溫爐渣和溫度約為1600℃的鐵水[3]。
高爐在作業(yè)過程中采用機(jī)械控制，其供電線路、控制線路排布復(fù)雜，這些都為高爐火災(zāi)事故的發(fā)生埋下了隱患，可能引發(fā)火災(zāi)事故的主要危險源有以下幾方面:
1.2.1高溫鐵水、爐渣
(1)高爐冶煉的產(chǎn)物包括含碳量較低的高溫鐵水，高爐下部排出的鐵水的溫度約為1600℃。正常工況下，高爐中產(chǎn)生的鐵水會由魚雷運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行進(jìn)一步作業(yè)。在高爐生產(chǎn)、車輛運(yùn)輸?shù)倪^程中，鐵水若不慎泄漏，高溫的鐵水將會引燃其所流經(jīng)路線上大部分的可燃物，造成火勢的迅速擴(kuò)大。若鐵水流經(jīng)其他可燃?xì)怏w管線、電纜井等部位，將造成更大的損失。
(2)高爐作業(yè)還會排出部分爐渣，其主要成分是礦石中的雜質(zhì)、焦炭殘余物等，部分爐渣在排出時為熔融狀態(tài)，具有一定的流動性。爐渣排出后存于爐渣坑內(nèi)，在其排出的30min內(nèi)溫度都處于較高水平[4]。爐渣不具有快速流淌性，但若有可燃物落入爐渣坑，也會引起燃燒。例如，2001年5月6日，某鋼鐵廠工人在進(jìn)行清渣作業(yè)時不慎落入沖渣溝，當(dāng)場死亡。
(3)高溫鐵水和爐渣還有一個潛在的危險性，即可能引起蒸汽爆炸。當(dāng)水或含水量較多的物質(zhì)接觸到高溫鐵水和爐渣時，液態(tài)形式的水會迅速汽化，在極短的時間內(nèi)體積將膨脹40萬倍，這個過程雖然是物理變化，其膨脹過程所形成的破壞力堪比較大化學(xué)爆炸。另一方面，高溫會使鐵水和爐渣附近汽化的水蒸氣分解成為H2和O2(水蒸氣分解臨界溫度為1000℃)，從而引發(fā)化學(xué)爆炸。例如，1982年8月16日，武鋼煉鋼廠1名工人將裝有70余噸物料的重罐誤當(dāng)成空罐吊起，由于負(fù)載過大，造成整個罐體墜落，高溫鐵水四處流散，遇水后立即爆炸，造成14人死亡的嚴(yán)重后果[5]。
1.2.2高爐煤氣、粉塵
高爐煤氣是指在高爐內(nèi)部形成的以CO2和H2為主要成分的氣體，是與鐵礦石反應(yīng)的主要還原劑。由于生產(chǎn)工藝的限制，高爐中所產(chǎn)生的高爐煤氣不可能完全反應(yīng)，因此部分高爐煤氣通過管道排出。高爐煤氣濕度大、溫度高且高爐生產(chǎn)過程中還伴隨吹入氧氣，客觀上具有很大的火災(zāi)危險性。在高爐冶煉的噴吹過程中，噴吹的煤粉也有可能發(fā)生粉塵爆炸，其威力十分巨大。生產(chǎn)中常見的由高爐煤氣、粉塵引發(fā)的火災(zāi)事故主要分以下2種:
(1)在生產(chǎn)過程中，由于操作不當(dāng)或冷卻不及時導(dǎo)致高爐超壓爆炸。例如，2006年3月30日，河北省唐山市某鋼鐵有限公司煉鋼廠高爐在計(jì)劃檢修前最后一次作業(yè)時，由于長時間懸料導(dǎo)致爐內(nèi)超壓，高壓引起了爐內(nèi)塌料，在塌料的瞬間，爐頂出現(xiàn)強(qiáng)大負(fù)壓，空氣和尚未汽化的水被吸入高爐，與高爐煤氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而引起爆炸，共造成6人死亡、6人受傷。
(2)在高爐煤氣轉(zhuǎn)輸?shù)倪^程中，由于管道超溫超壓、機(jī)械撞擊等原因造成破裂泄漏。高爐煤氣泄漏除了可能引發(fā)燃燒爆炸外，還可能造成作業(yè)人員中毒，甚至死亡。數(shù)據(jù)表明，此類事故的發(fā)生概率要遠(yuǎn)大于火災(zāi)爆炸發(fā)生的概率[6]。
1.2.3電氣控制系統(tǒng)
高爐生產(chǎn)屬于半自動化生產(chǎn)，主要通過工人利用電氣控制系統(tǒng)對高爐生產(chǎn)過程進(jìn)行控制作業(yè)，高爐內(nèi)部壓力、溫度等參數(shù)要時刻處于受控狀態(tài)，因此在高爐生產(chǎn)部位附近有大量電氣控制線路。一般情況下，與高爐有關(guān)的設(shè)備、設(shè)施、管道、線路主要位于高爐爐前出鐵場，是高爐生產(chǎn)的控制中心。
電氣控制系統(tǒng)若發(fā)生故障或在火災(zāi)事故中被燒毀破壞，不僅會導(dǎo)致無法利用工藝手段控制高爐火災(zāi)，更有可能造成更多的可燃物參與燃燒，造成更大規(guī)模的事故。生產(chǎn)過程中，曾發(fā)生過由于噴吹罐稱重傳感器故障、煤氣及氧氣含量檢測系統(tǒng)故障、員工強(qiáng)行誤操作引起的重大火災(zāi)事故。同時，由于電氣控制線路多采用埋地電纜井、高空架起等敷設(shè)方式，在電氣控制線路發(fā)生火災(zāi)或故障時火災(zāi)蔓延速度快、滅火劑要求苛刻、撲救困難。
2高爐火災(zāi)撲救對策
2.1工藝處置措施
高爐作為一種高危險性的生產(chǎn)部位，為防止和減輕火災(zāi)的危害設(shè)計(jì)了大量的工藝緊急處置措施，及時從生產(chǎn)工藝角度對高爐火災(zāi)進(jìn)行限制和撲救，能夠最大程度地減少火災(zāi)損失。
(1)對于高爐煤氣泄漏事故。①要時刻關(guān)注可燃?xì)怏w報(bào)警裝置的報(bào)警信息，掌握環(huán)境空間內(nèi)高爐煤氣的濃度。利用壓力傳感器查找泄漏部位，在確保安全的基礎(chǔ)上盡快對泄漏部位進(jìn)行堵漏，切斷危險源;②及時開啟固定消防設(shè)施，對環(huán)境空間內(nèi)的高爐煤氣進(jìn)行稀釋。
(2)鐵水泄漏多發(fā)生在爐體破裂時，此時已不具備繼續(xù)生產(chǎn)的條件，因此在條件允許的情況下，要對高爐進(jìn)行緊急停車操作，立即關(guān)閉氧氣吹入系統(tǒng)和高爐填料設(shè)備，開啟高爐下部鐵水放出口，引導(dǎo)高溫物質(zhì)在安全區(qū)域內(nèi)流動，防止高爐內(nèi)更多的危險物質(zhì)泄漏[7]。
(3)火災(zāi)發(fā)生初期要重點(diǎn)保護(hù)電氣控制線路，防止其受到灼燒。若高爐本體的控制線路已經(jīng)損壞，要立即通知焦化和燒結(jié)生產(chǎn)部位停止供料，通知氧氣供給車間停止供氧，并發(fā)出火災(zāi)警報(bào)防止火災(zāi)事故進(jìn)一步擴(kuò)大。
2.2沙土石子堵截
在高爐火災(zāi)事故中，危害最大的是高溫鐵水泄漏。由于熔融鐵水具有較好的流動性，且溫度為1400～1600℃，當(dāng)其發(fā)生泄漏事故時，能夠輕易引燃大部分可燃物，遇水或含水量較高的物質(zhì)時還可能發(fā)生劇烈爆炸，因此在發(fā)生鐵水泄漏流散時，首先應(yīng)當(dāng)將高溫鐵水控制在一定范圍內(nèi)。在進(jìn)行堵截時，應(yīng)當(dāng)選用沙土、石子等不燃材料[8]，并應(yīng)注意以下2點(diǎn):
(1)重點(diǎn)區(qū)域設(shè)防。在高爐生產(chǎn)車間內(nèi)，貼近地面的燃?xì)夤艿馈㈦娎|管道(井)、人員辦公操作區(qū)域、可燃物集中堆放區(qū)域是應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域，高溫鐵水或爐渣一旦接觸這些部位，將造成事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，因此要利用提高砂石堆高度的方法，重點(diǎn)對上述區(qū)域做好防護(hù)。
(2)及時排除積水。高爐鐵水泄漏有時是在前期事故處置不當(dāng)時發(fā)生的，若前期已有固定滅火設(shè)施或企業(yè)員工對生產(chǎn)部位進(jìn)行了射水稀釋或冷卻，要在第一時間將低洼處的積水排除，全力避免蒸汽爆炸事故。實(shí)際操作中可以利用砂石將低洼處填實(shí)，將積水引流至安全區(qū)域。若已經(jīng)發(fā)生了鐵水泄漏事故，也要主動堵截引流，防止鐵水與水的直接接觸。
2.3主動冷卻滅火
常見高爐煤氣的爆炸極限為35.8%～71.9%，因此對于高爐煤氣、粉塵泄漏事故，要主動噴水降溫、稀釋可燃?xì)怏w濃度防止爆炸。研究表明，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對于高爐煤氣和粉塵稀釋效果極佳，且具有用水量小、機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，在防治高爐煤氣和粉塵爆炸的戰(zhàn)斗中要廣泛應(yīng)用。對于鐵水泄漏的事故，嚴(yán)禁用直流水對鐵水或周邊設(shè)備進(jìn)行噴射冷卻[9]。
一方面，大量的水會引發(fā)嚴(yán)重的蒸汽爆炸。另一方面，直流水的強(qiáng)沖擊作用會使液態(tài)的鐵水四處噴濺，有可能對人員和設(shè)備造成更大傷害，可以采用噴霧或開花水槍噴射冷卻。對于電氣控制線路或設(shè)備火災(zāi)，要在確保電源已經(jīng)切斷的情況下滅火，可以采用開花或噴霧水槍或干粉滅火器進(jìn)行滅火。
2.4注意事項(xiàng)
由于此類火災(zāi)危害性大，事故極易在短時間內(nèi)迅速擴(kuò)張，因此在進(jìn)行滅火救援時應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn):①設(shè)立安全員。安全員要熟悉高爐火災(zāi)的特征，對火場進(jìn)行全面的觀察和把控，若現(xiàn)場有爆炸或泄漏等危險，要及時發(fā)出警報(bào)并引導(dǎo)戰(zhàn)斗人員撤離。②合理選擇陣地。由于滅火過程中采用開花噴霧水槍或細(xì)水霧滅火設(shè)施，戰(zhàn)斗人員要盡量靠近危險源射水，因此，要合理選擇陣地。可以選取較高地點(diǎn)，避免選擇在壓力容器或可燃物質(zhì)較多的地方設(shè)置水槍陣地。③注意個人防護(hù)，防止?fàn)C傷或中毒。
3結(jié)束語
在研究高爐冶煉基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來發(fā)生的高爐火災(zāi)案例對高爐主要的火災(zāi)危險源和危險部位進(jìn)行了分析，得出高爐存在的主要危險源有:高溫鐵水、爐渣、高爐煤氣、粉塵、電氣控制線路等。結(jié)合滅火戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，針對高爐火災(zāi)提出了有針對性的處置措施，即:工藝措施處置、沙土石子堵截、主動冷卻滅火的處置措施，并對處置過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)說明。為企業(yè)員工和消防人員處置高爐火災(zāi)事故提供了參考，促進(jìn)冶金企業(yè)高爐冶煉的生產(chǎn)安全。
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