冶金系统氧气球罐物理爆炸波及范围浅析及防护措施

摘要：冶金企业钢铁冶炼大量使用氧气，氧气储存设备氧气球罐为压力容器，存在物理爆炸的危险性。氧气球罐由于材质问题、超压、高温等因素，造成氧气球罐物理爆炸。通过模拟计算，得出氧气球罐物理爆炸波及范围，提出安全防护措施。

关键词：球罐；爆炸；范围；安全措施

中图分类号：O383+.2 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）04-（页码）-页数

1.引言

随着冶金钢铁行业的迅速发展，工业用氧量不断增大，为了保证连续供氧，作为调节单位时间内空分装置制氧与用氧量不平衡、调剂生产工艺供氧系统中的高峰、低谷负荷波动，氧气球罐广泛用于钢铁企业。根据钢铁企业的特点，氧气球罐的安全可靠运行与否，将直接关系到冶金工艺系统的正常生产。氧气球罐为压力容器，若储存、使用不当，易引发爆炸事故，因此，研究氧气球罐的爆炸危险及安全措施，对实现冶金企业安全生产具有重要意义。

2.氧在冶金系统中的应用

冶金生产过程中大量使用氧气。随着吹氧炼钢、高炉富氧鼓风等强化冶炼的措施和钢坯自动火焰清理新技术的采用，钢铁企业的用氧发展很快，已成为国民经济中最大的用氧部门。在炼钢过程中吹以高纯度氧气，氧便和碳、磷、硫及硅等起氧化反应，这不但降低了钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质，而且氧化过程中产生的热量足以维持炼钢过程所需的温度。吹氧炼钢不但缩短了冶炼时间，同时提高了钢的质量。高炉炼铁时，提高鼓风中的氧浓度可以降焦比，提高产量。

3.氧的制取方法及球罐的应用

现代冶金工业采用空气深冷分离空分装置制取氧气，利用液态空气中所含的各种液态气体的沸点不同，使液态空气不同气体组分分馏，经过反复精馏、提纯，就能得到高纯度的氧气。为了调节单位时间内空分装置制氧与用氧量不平衡、调剂用氧周期变化所出现的高峰、低谷负荷波动及保证连续供氧，氧气球罐广泛地应用于钢铁企业，空分装置制取的氧气经氧气透平压缩机加压送至球罐进行储存。在冶金行业，目前基本上采用球罐储存氧气。

4.氧气及球罐的爆炸危险性

氧气助燃，几乎与一切可燃物都可进行燃烧，其主要危险是易燃烧和易爆炸。氧气燃烧时通常温度很高，火势很猛，灾害严重。氧气爆炸时通常强度很大、很猛烈，冲击性、破坏性和毁灭性极强。冶金生产过程中导致氧气事故发生的原因主要是氧气燃烧或助燃造成的火灾、烧伤事故和氧气球罐爆炸形成的爆炸事故，其伤害和破坏程度都很严重。分析统计表明，冶金生产中引发氧气事故的主要原因是：人为的违章操作或误操作、设备设施装置的缺陷、缺乏安全技术知识或操作不熟练等，其中氧气球罐设备缺陷所引发的物理爆炸事故也是主要原因，氧气球罐本身是压力容器，它的突然破裂能释放出巨大的能量，产生冲击波并飞溅出容器碎片。

5.爆炸的基本特性

爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。它通常借助于气体的膨胀来实现。从物质运动的表现形式来看，爆炸就是物质剧烈运动的一种表现。物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间内释放出大量的能。一般说来，爆炸现象具有的特征：（1）爆炸过程进行得很快；（2）爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波； （3）发出或大或小的响声；（4）周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。

一般将爆炸过程分为两个阶段：第一阶段是物质的能量以一定的形式（定容、绝热）转变为强压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。

按爆炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸。物理爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。物理爆炸的特点是：在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。例如压力容器、锅炉、气体球罐及钢瓶的超压爆炸。化学爆炸就是物质由一种化学结构迅速转变为另一种化学结构，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。例如可燃气体、蒸气或粉尘与空气混合形成爆炸性混合物的爆炸。化学爆炸的特点是：爆炸发生过程中介质的化学性质发生了变化，形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。

物理爆炸与化学爆炸的区别在于造成爆炸介质的化学性质是否发生变化。化学爆炸释放出化学能，物理爆炸释放出机械能。

6.氧气球罐物理爆炸的能量

物理爆炸如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量（即爆破能量）不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态有关。有的介质以气态存在，有的介质以液态存在。容积与压力相同而相态不同的介质，在容器破裂时产生的爆破能量也不同，爆炸过程也不完全相同，其能量计算公式也不同。

当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：