автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методов прогнозирования и предотвращения последствий взрывов при аварийном взаимодействии расплавленного металла с водой и кислородосодержащими материалами

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ, УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЗРЫВОВ ПРИ ЛИТЬЕ И ПЛАВКЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (литературный обзор).

1.1. Обстоятельства возникновения промышленных взрывов при аварийном взаимодействии расплавов металлов с водой и кислородосодержащими материалами.

1.2. Участки, на которых обращаются расплавы черных и цветных металлов, как опасные производственные объекты (нормативное регулирование). .V.

1.3. Исследования механизма возникновения взрыва при аварийном взаимодействии расплавов металлов с водой и кислородосодержащими материалами.

1.4. Исследования высокотемпературного окисления, горения и взрыва дисперсных металлических материалов в присутствии воды и водного пара

1.5. Мероприятия по предотвращению взрывов при аварийном взаимодействии расплавов металлов с водой.

Выводы по главе 1.

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.

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.

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.

3.2. Разработка обобщенной методики расчета давления во фронте ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра.

3.3. Сравнение результатов расчетов энергии взрыва при взаимодействии расплавов металлов с водой с результатами ее экспертной оценки по характеру разрушений при промышленных взрывах.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ЭНЕРГИЯ ВЗРЫВА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАСПЛАВЛЕННОГО АЛЮМИНИЯ С ЖЕЛЕЗНОЙ ОКАЛИНОЙ.

4.1. Оценка энергии взрыва при взаимодействии расплавленного алюминия с железной окалиной и разработка модели его возникновения

4.2. Исследование влияния фторидов металлов на условия возникновения теплового самовоспламенения в системе алюминий -железная окалина.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВОВ ПРИ АВАРИЙНОМ КОНТАКТЕ РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ.

5.1. Анализ направлений обеспечения взрывобезопасности при литье и плавке металлов.

5.2. Разработка методики категорирования помещений участков, на которых обращается расплавленный металл, по взрывопожарной и пожарной опасности.

5.3. Мероприятия по предотвращению последствий взрывов при аварийном контакте расплавленных металлов с водой и кислородосодержащими веществами.

Аварийный выход расплавленного металла из металлургических агрегатов является довольно распространённым опасным производственным фактором на предприятиях чёрной и цветной металлургии. Именно поэтому производства, на которых обращается расплавленный металл, выделены специальной строкой в перечне опасных производственных объектов, содержащемся в Законе о промышленной безопасности. Чаще всего утечка расплава связана с нарушением технологического режима работы агрегатов, разрушением тепловой изоляции или корпуса оборудования, ошибками персонала при выполнении операций.

Последствия такого рода аварий определяются количеством вышедшего металла, свойствами расплава, а также производственной обстановкой (расположением рабочих мест, видом находящихся рядом коммуникаций и оборудования, возможностью взаимодействия расплава с водой или другими кислородосодержащими или газообразующими веществами).

Взрывы при аварийном выходе расплавленного металла имели место в доменном производстве (при прогорании кладки и размывании чугуном плит водяного охлаждения), в мартеновских цехах (при частичном разрушении кладки), при вакуумно-индукционной плавке стали (при прогорании теплозащиты и кожуха системы охлаждения индуктора). Особенно многочисленны случаи взрывов в сталеплавильных и литейных цехах при взаимодействии расплавленной стали с водой. Крупные взрывы наблюдались при плавке и литье алюминия, а также алюминиевых и магниевых сплавов, особую опасность представляет процесс непрерывного или полунепрерывного литья, при котором жидкий металл попадает в приямок с водой при зависании и разрушении слитка. Известны случаи взрыва при электровакуумном переплаве титана при прогорании системы водяного охлаждения кристаллизатора. Случаи взрыва отмечены также при взаимодействии с водой расплавленного кремния и некоторых цветных металлов.

Взрывы с участием расплавленного металла происходят не только при аварийном выходе его из агрегатов, но и при случайном попадании воды под расплавленный металл внутри агрегата (например, при загрузке влажной шихты или при прогорании системы водяного охлаждения).

Энергия взрыва и характер взрывного процесса в значительной мере определяется свойствами металла и того вещества, с которым он вступает во взаимодействие. Наиболее часты случаи взрывов при взаимодействии расплавленного металла с водой. Анализ результатов экспертных исследований обстоятельств промышленных аварий и выводов ряда экспериментальных исследований механизма таких взрывов для различных металлов показывает, что он имеет ряд общих черт, что делает возможным разработку обобщенной методики оценки последствий аварийного взаимодействия расплавов металлов с водой (за исключением взрывов, возникающих при взаимодействии с водой расплавов щелочных и щелочноземельных металлов). Разработка такой методики и проведение расчётов энергетических параметров взрыва и разрушительного действия ударной волны послужит не только стимулом для разработки системы мер взрывопредупреждения, но и позволит уточнить размеры опасной зоны для персонала, а также определить возможность и масштабы разрушения здания и обосновать проектные решения по обеспечению его взрывостойкости. Результаты расчётов необходимы также для обеспечения безопасности при проведении операций по ликвидации последствий аварийного разлива.

Целью настоящей работы является разработка методик расчета параметров взрыва при взаимодействии расплавленных металлов с водой и кпслородосодержащнми материалами и экспертной оценки энергии взрыва по характеру разрушений, проверка соответствия результатов расчета характеру последствий аварий на различных производственных объектах и разработка мероприятий по предотвращению последствий взрывов.

Основные задачи, которые решались в настоящей работе в соответствии с ее целью перечислены ниже:

- анализ результатов экспертных исследований причин и последствий взрывов при аварийном взаимодействии расплавленных металлов с водой и другими кислоро до содержащими материалами и разработка физической модели взрыва;

- разработка методики расчета энергии взрывов при взаимодействии расплавленного металла с водой, учитывающей участие во взрыве как тепловой энергии металла, так и энергии, выделяющейся при химическом взаимодействии активных металлов с водой и кислородом воздуха;

- анализ и корректировка методов расчета давления во фронте воздушной ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра и границ зон разрушений определенного уровня;

- проверка адекватности результатов расчета энергии взрыва с использованием экспертной оценки ее величины, основанной на анализе характера разрушений при производственных авариях;

- разработка модели и оценка энергии взрыва при взаимодействии расплавленного алюминия с железной окалиной;

- разработка мероприятий организационного и технического характера по уменьшению и локализации последствий взрывов при взаимодействии расплавленного металла с водой и кислородосодержащими веществами .

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

1. Разработаны модель и программы расчета энергии взрыва, возникающего в результате взаимодействия расплавленных металлов с водой, при различных соотношениях масс металла и воды, учитывающие в случае активных металлов выделение энергии вследствие взаимодействия металла с водой и кислородом воздуха, а также взрыва образующейся водородовоздушной смеси.

2. Выявлены закономерности, связывающие энергию взрыва с массой металла и воды, а также с полнотой протекания реакций взаимодействия активного металла с водой и кислородом воздуха. Обосновано значение полноты реакции, выбранное для оценки энергии взрыва при взаимодействии расплавленного алюминия с водой.

3. Разработана обобщенная формула, связывающая давление во фронте ударной волны с тротиловым эквивалентом взрыва и расстоянием от его эпицентра, которая позволяет учесть результаты расчетов по нормированным методикам расчета и тем самым устранить имеющиеся между ними противоречия.

4. Показана возможность самопроизвольного инициирования термитной реакции между расплавом алюминия и железной окалиной при наличии в системе каталитических добавок уже при температуре плавления алюминия. Предложен механизм и проведена оценка энергии взрыва при взаимодействии расплава алюминия с окалиной.

Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные методики расчета энергии взрывов при аварийном взаимодействии расплавленных металлов с водой могут быть использованы для прогнозирования последствий взрывов и выбора мероприятий по взрывопредупреждению и взрывозащите. Прежде всего, это относится к определению границ опасных зон и обоснованию проектных решений по обеспечению взрывостойкости зданий. Этой же цели служит и предложенная методика категорирования помещений, в которых возможны взрывы такого рода, по взрывопожарной и пожарной опасности. Разработаны также рекомендации по обеспечению взрывобезопасности конкретных технологических процессов.

Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на У1 Международной научно-практической конференции

10

Пожаровзрывобезопасность и системы управления промышленной безопасностью и охраной труда в металлургии» (Череповец, 2001 г.) и Международной конференции - диспута «Металлургия и металлурги XXI века» (Москва, 2001 г.). Основные результаты работы опубликованы в 5 статьях / 1 - 5 /.

Выводы по главе 3:

1. Сопоставлены результаты расчетов давления в ударных волнах в зависимости от тротилового эквивалента взрыва и расстояния от эпицентра взрыва, проведенных по известным методикам. Показано существенное расхождение получаемых результатов.

2. Показано, что методика расчета давления в ударных волнах, использованная ранее для расчета параметров системы жидкий - металл вода, при малых тротиловых эквивалентах дает значения, близкие к результатам расчета по большинству других методик (в том числе и по наиболее апробированной методике ЕПБВР). При тротиловых эквивалентах, превышающих 30 - 50 кг, она дает заниженные значения давлений.

3. Путем математической обработки результатов расчета безопасных расстояний по методике ЕПБВР разработана формула, позволяющая рассчитать зависимость давления в ударной волне от тротилового эквивалента взрыва и расстояния от его эпицентра.

102

4. Разработана обобщенная формула расчета давления в ударных волнах, позволяющая учесть результаты расчетов по всем известным (и прежде всего нормативным) методикам.

5. На основе анализа последствий производственных аварий возникших в результате взаимодействия расплавов стали и алюминия с водой, показано, что расчетные значения энергии взрывов, полученные с помощью разработанной методики, соответствуют результатам экспертной оценки, проведенной с использованием значений границ зон разрушения при промышленных взрывах, соответствующих определенному давлению в ударной волне.

ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ЭНЕРГИЯ ВЗРЫВА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАСПЛАВЛЕННОГО АЛЮМИНИЯ С ЖЕЛЕЗНОЙ ОКАЛИНОЙ

4Л. Оценка энергии взрыва при взаимодействии расплавленного алюминия с железной окалиной и разработка модели его возникновения

Причиной разрушительных взрывов может быть не только попадание под слой расплавленного алюминия воды, но и твердых кислородосодержащих материалов (например, оксидов, карбонатов, сульфатов металлов), способных вступать с ним в экзотермическое взаимодействие, приводящее к выделению огромного количества энергии, резкому повышению давления в эпицентре взрыва и образованию ударных волн.

Возможность и условия возникновения подобного взаимодействия не учтена в нормативных документах, регламентирующих требования промышленной безопасности при производстве алюминия и его сплавов. Между тем последствия его могут быть катастрофическими. Поэтому был проведен анализ обстоятельств и последствий такого взрыва, произошедшего на Днепровском алюминиевом заводе при аварийном выходе алюминия из электролизера. Обстоятельства возникновения этого взрыва описаны в первой главе работы. Через некоторое время такой же взрыв произошел при аварийном выходе расплава алюминия из другого электролизера.

Технической комиссией, расследовавшей первый случай взрыва, было сделано предположение, что его причиной являлось скопление под днищем электролизера анодной массы, разлагающейся при термическом воздействии вышедшего из аппарата расплава с образованием горючих газов, которые образовали взрывоопасную смесь с воздухом. Сразу же отметим, что возможность взрыва по такому механизму вряд ли реальна, так как температура самовоспламенения возможных продуктов разложения ниже температуры плавления алюминия, и они, следовательно, должны были загореться и сгореть без взрыва до образования сколько-нибудь значительных объемов взрывоопасной смеси. Но даже, если допустить такой механизм взрыва, его энергия явно недостаточна, чтобы вызвать столь значительные разрушения оборудования и выброс металла.

Оценка тротилового эквивалента взрыва была произведена по методике, описанной в главе 3. При этом использованы два показателя: разрушение переплетов окон на расстоянии 12 - 13 м от эпицентра взрыва (давление в ударной волне 14 кПа) и граница зоны смертельного поражения -2,5 - 2,7 м (давление во фронте ударной волны 100 кПа). Расчет по обоим показателям позволяет оценить значение тротилового эквивалента взрыва в 2,1 кг ТНТ, что соответствует энерговыделению в 9,5 МДж.

Были проанализировано энерговыделение при различных источниках энергии, которые могли реализоваться при данной аварии. Электролизер был установлен на 11 швеллерах длиной 4 м, расстояние между крайними швеллерами составляло 5 м, высота швеллера 0,12 м. Результаты расчета, выполненного в предположении, что взрывоопасная смесь занимает объем между двумя швеллерами, приведены в таблице 4.1. Были выбраны различные варианты энерговыделения, которое могло сопровождаться повышением давления под днищем электролизера: взрыв горючих газов -водорода или метана (как это предполагала техническая комиссия); полное взаимодействие паров воды, которые могли скопиться между швеллерами, (присутствие там жидкой воды по причине высокой температуры невозможно) с алюминием; нагревание воздуха в замкнутом пространстве.

Расчет показывает, что даже, если весь объем под днищем электролизера был бы заполнен наиболее взрывоопасной газовоздушной

1. Водородо воздушная смесь 0,34 0,075

2. Метано воздушная смесь 0,57 0,126

3. Взаимодействие паров воды с алюминием 2,5 0,55

4. Нагревание воздуха в замкнутом пространстве 0,22 0,05

5. Термитная реакция между алюминием и железной окалиной 98,4 21,8

6. Экспертная оценка тротилового эквивалента взрыва по характеруразрушений: 2, 1 кг ТИТ

7. Исследование влияния фторидов металлов на условия возникновения теплового самовоспламенения в системе алюминий -железная окалина

8. Исследовались смеси, в которых алюминий и оксиды железа входили в равных соотношениях при содержании катализирующей добавки -электролита 5 % и 20 %, и смесь стехиометрического состава. Некоторые из полученных дериватограмм приведены на рис. 4.1 4.4.

9. Дериватограмма смеси: А1(ПА-0) фр. менее 200 мкм 40%вес., БЕгОз фр. менее 80 мкм - 40%, оборотный электролит фр. менее 80 мкм -20%.1. Температура смеси;2. Кривая ДТА;3. Кривая ДТГ.о чО1. Рис.4.1->5 минт, мин1. Дериватограмма смеси:

10. А1(ПА-0) фр. менее 200 мкм 47,5%вес.,

11. РЕ203 фр. менее 80 мкм 47,5%,оборотный электролит фр. менее 80 мкм 5%.1. Температура смеси;2. Кривая ДТА;3. Кривая ТГА.4.21. Дериватограмма смеси:

12. А1 (ПА-0) фр. менее 200 мкм 62,5% вес.,

13. Ре203 фр. менее 80 мкм 30,9%,

14. Оборотный электролит фр. менее 80 мкм- 6,6%.1. Температура смеси;2. Кривая ДТА;3. Кривая ДТГ.1. Рис.4.3т/с900bw800700600

15. Анализ направлений обеспечения взрывобезопасности при литье и плавке металлов

16. Возможны три направления мероприятий по предотвращению разрушений и поражения персонала при аварийном взаимодействии расплавленных металлов с водой:

17. 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».

18. В-третьих, увеличение взрывостойкости зданий плавильных и литейных цехов и находящегося в них оборудования.

19. Разработка методики категорирования помещений участков, на которых обращается расплавленный металл, по взрывопожарной и пожарной опасности

20. Р =(Р0 * т * Ъ *Н ) / (Т0 * Ср * р * V), кПа (5.1)где Ро-. начальное давление в помещении. кПа;т масса взрывоопасного вещества, находящегося в помещении,кг;

21. Ъ коэффициент участия вещества во взрыве (для веществ, способных взрываться при взаимодействии с водой 2=1);

22. Н теплота горения вещества, кДж/кг;

23. Т0 начальная температура в помещении, К;

24. Ср теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/кг.К;р плотность воздуха, кг/ м ;

25. V свободный объем помещения, м3. При расчете прироста давления в результате взрыва жидкого металла произведение т * Ъ * Н заменяется на

26. ТНТ ^ О и формула для расчета прироста давления в помещении принимает вид:

27. Р =(Р0 * Стнт * 4520 ) / (Т0 * Ср * р * V), кПа (5.2)