ЧС в металлургии

Вопрос о возможности  возникновения чрезвычайной ситуации на данном предприятии может быть рассмотрен в двух аспектах. Во-первых, каждое предприятие (и его персонал) может быть объектом воздействия внешних факторов, возникших в результате стихийных бедствий, катастроф на соседних предприятиях или по другим причинам. Последствия поражения в этом случае возрастают при наличии на объекте пожаро-взрывоопасных, токсичных, радиоактивных материалов, аппаратов и емкостей со сжиженным или сжатым газом и другого опасного оборудования (в том числе агрегатов с расплавленным металлом). Во-вторых, предприятие само может быть источником и местом возникновения опасной ситуации. В этом случае важно решить вопрос о возможности последствий аварии или катастроф на предприятии для соседних промышленных объектов и жилых районов.

В металлургии последствия, которые можно охарактеризовать как чрезвычайную ситуацию, имел взрыв  на Ульбинском металлургическом заводе (г. Усть-Каменогорск). В результате существенных недостатков при проектировании общеобменной и местной вытяжной вентиляции в цехе приготовления порошков бериллия в горизонтальном воздуховоде под зданием цеха скопилось большое количество бериллия (по оценке, проведенной после очистки воздухопровода после взрыва, — до 6 т). Часть порошка была увлажнена. При проведении сварочных работ в цехе загорелся влажный порошок и при израсходовании кислорода воздуха в объеме воздухопровода горел с образованием водорода, причем горячая водородоазотная смесь из зоны горения поступала по вертикальным воздуховодам в помещения, расположенные на четырех этажах здания, с последующим воспламенением и взрывом при смещении с воздухом в объеме отдельных помещений, имеющих вентиляцию. Жертв при аварии и ее ликвидации не было, но поступление высокотоксичных продуктов горения в окружающую среду вызвало превышение ПДК на территории завода и в жилых районах в 60—890 раз. По расчетам в горении и взрыве участвовало менее 250 кг бериллия, таким образом, при вовлечении в процесс остальной части имевшегося в воздухопроводе материала масштабы экологической катастрофы могли быть значительно больше.

Большинство опасных событий  на металлургических предприятиях, связанных со взрывами, пожарами или выбросами в атмосферу токсичных веществ, по существующей терминологии следовало бы оценивать как аварии или катастрофы. Под аварией понимают внезапную остановку работы или нарушение процесса производства на промышленном предприятии, приводящее к повреждению или уничтожению материальных ценностей, а под катастрофой — событие, сопровождающееся разрушением зданий и сооружений и гибелью людей.

Однако, учитывая возможность  возникновения всех этих опасных  событий под воздействием внешних  факторов, возможность существенного расширения зон поражения при вовлечении в процесс, возникающий на самом объекте, большого количества материала, а также опасные последствия аварий и катастроф для персонала и жителей близлежащих районов, мероприятия по обеспечению пожаровзрывобезопасности производства, предотвращению или сокращению выбросов опасных веществ могут рассматриваться как меры подготовки к возникновению чрезвычайных ситуаций и к ограничению и ликвидации их последствий.

Рассмотрим причины и  условия возникновения и опасные  факторы катастроф техногенного происхождения.

Источники возникновения взрывов на металлургических предприятиях

При оценке потенциальной  взрывоопасности металлургического производства следует учитывать специфических особенностей: использование большого количества газообразного жидкого и твердого дисперсного топлива, широкое распространение высокотемпературных технологических процессов, наличие значительного количества расплавленного металла, образование взрывоопасных газов в ходе металлургических процессов, широкое использование разных взрывоопасных материалов, приготовляемых иногда (как, например, порошки металлов и сплавов) на этих предприятиях. Расширение использования взрывоопасных материалов, повышение их химической активности, внедрение ряда новых технологий, связанных с их применением, увеличивает вероятность возникновения и масштабы возможных последствий взрыва. Например, использование вместо ферросилиция для внепечной обработки стали и в литейном производстве комплексных раскислителей и модификаторов, содержащих активные компоненты (щелочноземельные и редкоземельные металлы, титан, алюминий, цирконий, марганец и др.), значительно повышает взрывоопасность приготовления и применения их порошков.

Теория горения и взрыва основывается на ряде фундаментальных разработок: теории теплового самовоспламенения, теории горения, теории детонации, теории ударных волн, теории возникновения взрыва при механических воздействиях и др. В их развитие существенный вклад внесли выдающиеся ученые: Н.Н.Семенов, Я.Б.Зельдович, Ю.Б. Харитон, Д.А. Франк-Каменецкий, К.К. Андреев, А.Ф. Беляев и многие другие. Одной из основных задач является использование теоретических разработок для прогнозирования и предотвращения взрывов на производстве.

В наиболее общем и простом  для понимания виде понятие о  взрыве формулируется следующим  образом: взрывом называется физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся мгновенным переходом его внутренней энергии в энергию сжатия и движения исходного вещества, продуктов его превращения и окружающей среды. Это определение указывает на основное условие возникновения взрыва — наличие потенциальной энергии в системе, а также выделяет две основные стадии взрыва: превращение потенциальной энергии в энергию сжатия с соответствующим повышением давления и расширение сжатого вещества, при котором оно и среда приходят в движение с последующим разрушением.

Принципиально ко взрыву может привести такое превращение любого вида энергии. Известны взрывы с участием электрической энергии (“взрывающиеся проволочки” или искровой разряд под водой), атомной, кинетической (взрыв метеорита при ударе о землю), тепловой (паровые котлы, сосуды, работающие под давлением), химической (взрывчатые материалы), энергии упругого сжатия (затвердевание воды в замкнутом объеме).

Однако в металлургическом производстве в подавляющем большинстве случаев ко взрыву приводят превращения химической и тепловой энергий. Взрывы с участием тепловой энергии сжатых газов или паров возникают при неправильной эксплуатации компрессоров, автоклавов, трубопроводов, баллонов и других видов оборудования, работающего под давлением. Проблема выявления потенциальной взрывоопасности такого оборудования и оценка условий ее проявления в этом случае не представляет особенной трудности, а вопросы обеспечения безопасности разработаны в достаточной степени.

Значительно сложнее выявить  все системы, потенциально взрывоопасные  при превращении внутренней химической энергии, определить свойства этих систем и критические условия, при которых  начинается и развивается их превращение.

Обращающиеся в металлургическом производстве пожаровзрывоопасные материалы можно условно разделить на четыре группы: 1) смеси горючих газов с кислородом, воздухом или другими окислителями; 2) смеси паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ПЖ) с воздухом или другими газообразными окислителями; 3) аэровзвеси или взвеси в какой-либо окислительной среде дисперсных горючих материалов; 4) конденсированные (целиком жидкие или твердые) взрывчатые системы.

Из взрывоопасных газов  в металлургическом производстве чаще всего встречается водород, метан, оксид углерода, пропан, ацетилен. Водород применяется в качестве восстановителя в процессах порошковой металлургии и полупроводниковой технологии, при получении гидридов металлов; возможно также его образование при взаимодействии активных металлов с водой. Метан используется в качестве топлива, а в ряде технологических процессов — в качестве восстановительной среды. В ряде металлургических процессов взрывоопасными являются отходящие газы, которые иногда сами используются в качестве топлива (коксовый, доменный или ферросплавный). Относительная взрывоопасность этих газов определяется содержанием в них водорода и оксида углерода, а также метана. В значительных количествах оксид углерода и водород содержатся в конвертерных газах в системах с частичным дожиганием отходящих газов или без дожигания. Например, при внедрении на КарМК системы с частичным дожиганием отходящих газов наблюдались несколько десятков взрывов в газоходах пылеулавливающей системы или в свече-горелке, причем вероятность взрыва увеличивалась при повышении содержания водорода в результате попадания воды в конвертер.

В полупроводниковом производстве применяются силаны, способные в определенных условиях к самовоспламенению при контакте с кислородом воздуха, возможно образование силанов, а также ацетилена при взаимодействии с водой порошков ферросплавов, содержащих щелочноземельные металлы. При хранении и транспортировке порошков некоторых ферросплавов, при увлажнении шлаков алюминиевого производства, а также в раде технологических операций полупроводникового производства образуется взрывоопасный и высокотоксичный мышьяковистый водород. Взрывоопасны сероводород и аммиак, образующиеся при получении цветных металлов. Число этих примеров может быть значительно расширено.

Взрывоопасные смеси паров  ЛВЖ и ГЖ с воздухом образуются при использовании, хранении и транспортировке жидких топлив, при использовании горючих растворителей в разных технологических операциях или при окрасочных работах. В ряде случаев (например, в прокатном производстве) отмечается улетучивание из горючих смазочных материалов наиболее опасной легкокипящей фракции с последующей конденсацией и накоплением в вентиляционных системах. Однако наибольшую опасность в отношении возникновения взрывоопасных систем такого типа представляют цехи улавливания химических продуктов коксохимическою производства, в которых в больших количествах обращаются бензол, толуол, ксилол и их смеси. Например, в цехах улавливания Нижне-Тагильского металлургического комбината произошли два взрыва смеси паров бензола и толуола с воздухом. В первом случае были разрушены две емкости, произошло значительное разрушение здания цеха и погибли два человека. Во втором взрыв возник в емкости, находящейся на открытом участке, и сопровождался ее разрывом и гибелью трех человек. Причиной воспламенения парогазовой смеси в обоих случаях было проведение электросварочных работ на оборудовании, не освобожденном полностью от горючих жидкостей.

Способностью образовывать взрывоопасные аэровзвеси при относительно невысоких концентрациях обладают порошки активных металлов: алюминия, магния, циркония, титана, бора, марганца, кремния и др., а также комплексные сплавы, содержащие эти металлы и щелочноземельные компоненты. При приготовлении и применении порошковых материалов наибольшее количество пожаров и взрывов происходит в установках дробления, измельчения, рассева, а также в пневмотранспортных и пылеулавливающих устройствах. В ряде случаев взрывы возникают в вентиляторах. Как правило, наблюдается распространение взрыва по технологической цепочке, связывающей отдельные аппараты, или по воздуховодам вентиляционных систем. Взрывы порошковых материалов зачастую выходят за пределы технологического оборудования, вовлекая во взрывной процесс осевшую на его поверхности и строительных конструкциях пыль. Взрывоопасными свойствами обладают порошки конденсатов легколетучих металлов, образующиеся при вакуумном переплаве. Отмечены также взрывы неметаллических горючих материалов, применяющихся в металлургии: порошков угля, сланцев, древесной муки и др. (например, взрывы на установке приготовления пылеугольного топлива Донецкого металлургического комбината).

В группу конденсированных взрывчатых систем попадают материалы  самых разных составов. Ограничимся  лишь некоторыми примерами. Эго промышленные взрывчатые вещества, используемые при обработке металлов давлением, разделке негабаритов и разрушении кладки металлургических печей. В сталеплавильном и литейном производстве используют шлакообразующие и утепляющие экзотермические смеси, включающие порошки металлов и твердый окислитель (чаще всего нитрат натрия), которые по некоторым свойствам (например, по способности давать локальные взрывы при ударе и трении) напоминают взрывчатые вещества. Подобные смеси горючего с окислителем применяются в качестве запальных смесей или шихт в металлотермическом производстве, а также в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Отметим, что все эти смеси, впрочем так же, как и взрывчатые вещества и влажные активные металлы, способны гореть без доступа кислорода воздуха. Принципиальная возможность образования жидких взрывчатых систем имеется при смешении горючих жидкостей с сильными окислителями (например, с концентрированной азотной кислотой). В ряде технологических процессов образуются побочные продукты, обладающее свойствами взрывчатых веществ. Например, пероксиды полихлорсиланов, образующиеся в процессе получения поликристаллического кремния, взрываются от удара и трения.

Специфическим для металлургического производства источником возникновения взрывов является взаимодействие расплавленного металла или шлака с водой, возникающее при аварийных выходах расплавов из металлургических агрегатов или при попадании в них воды (например, с влажной шихтой). Подобного рода взрывы характерны как для черной, так и для цветной металлургии. Разрушительные взрывы отмечались в доменном производстве при прогорании кладки горна и лещади и расплавлении охлаждающих чугунных плит; в конвертерном производстве (при попадании в конвертер влажной шихты), при аварийном выходе стали из печи в мартеновском и литейном производствах; при прогорании водоохлаждаемых кристаллизаторов в процессе электровакуумного получения титановых сплавов; при прогорании водоохлаждающих рубашек индукторов вакуумно-индукционных печей; при полунепрерывном и непрерывном литье алюминиевых и магниевых сплавов в результате попадания расплавленного металла в литейную яму, в которой находилась вода, и т.п. Анализ подобного рода взрывов показывает, что в большинстве случаев во взрывном процессе участвует тепловая энергия металла, использованная на испарение и нагрев пара: при попадании воды под горячий металл в замкнутом объеме происходит значительное повышение парового давления. В случае активных металлов (например, алюминия и его сплавов) происходит химическое взаимодействие металла с водой, образующегося при этом водорода и диспергированного на первой стадии взрыва жидкого металла с воздухом, чем существенно увеличивается энергия взрыва. Таким образом, во взрывном процессе участвуют два вида энергии (физическая и химическая). Несколько особняком стоят взрывы при взаимодействии расплавленного магния и магний-литиевых сплавов с водой, в которых основным, а иногда и единственным, источником является энергия взрыва водородовоздушных смесей, так как при взаимодействии этих расплавов с водой, как правило, не образуются замкнутые объемы (магний не приваривается к стальным конструкциям, кроме того, при выливании его в воду зачастую образуются пористые слитки, горящие на поверхности воды).