Взрывы в доменных и мартеновских цехах вызываются разными причинами, но все они являются результатом быстрого перехода (превращения) вещества из одного состояния в другое, более устойчивое, сопровождающееся выделением тепла, газообразных продуктов и повышением давления в месте взрыва.
Основным признаком взрыва является внезапность и резкое повышение давления в среде, окружающей место взрыва.
Внешним признаком взрыва является звук, сила которого зависит от скорости перехода вещества из одного состояния в другое. В зависимости от силы звука различаются хлопки, взрывы и детонация. Хлопки отличаются глухим звуком, большим шумом или характерным треском. Скорость превращений в объеме вещества при хлопках не превышает нескольких десятков метров в секунду.
При взрывах издается отчетливый звук; скорость распространения превращений в объеме вещества значительно выше, чем при хлопках,—несколько тысяч метров в секунду.
Наибольшая скорость перехода вещества из одного состояния в другое получается при детонации. Этот вид взрывов характеризуется одновременным воспламенением вещества во всем объеме, причем мгновенно выделяется наибольшее количество тепла и газов и совершается максимальная работа разрушения. Отличительная особенность этого вида взрывов — почти полное отсутствие периода нарастания давления в среде вследствие огромной скорости превращений, достигающей нескольких десятков тысяч метров в секунду.
Взрывы газов
Взрыв представляет собой один из видов процесса горения, при котором реакция горения протекает бурно и с большими скоростями.
Горение газов и паров горючих веществ возможно только в смеси с воздухом или кислородом; время горения складывается из двух стадий: смешения газа с воздухом или кислородом и собственно процесса горения. Если смешение газа с воздухом или кислородом происходит во время процесса горения, то скорость его небольшая и зависит от поступления кислорода и горючего газа в зону горения. Если же газ и воздух смешаны заранее, то процесс горения такой смеси протекает бурно и одновременно во всем объеме смеси.
Первый вид горения, называемый диффузионным, получил широкое распространение в заводской практике; он применяется в различных топках, печах, аппаратах, где используется тепло для нагревания материалов, металлов, полуфабрикатов или изделий.
Второй вид горения, когда смешение газа с воздухом происходит до начала горения, называется взрывчатым, а смеси взрывоопасными. Такой вид горения в заводской практике применяется редко; он возникает иногда самопроизвольно.
При спокойном горении образующиеся газообразные продукты, нагретые до высокой температуры, свободно увеличиваются в объеме и отдают свое тепло на пути от топки к дымовым устройствам.
При взрывчатом горении процесс протекает «мгновенно»; завершается в доли секунды во всем объеме смеси. Нагретые до высокой температуры продукты горения также «мгновенно» расширяются, образуют ударную волну, которая с большой скоростью распространяется во все стороны и производит механические разрушения.
Наиболее опасными являются взрывчатые смеси, возникающие неожиданно и самопроизвольно. Такие смеси образуются в пылеуловителях, газовых каналах, газопроводах, горелках и других газовых устройствах доменных, мартеновских и других цехов. Они также образуются вблизи газовых устройств в местах, где отсутствует движение воздуха, а газы через неплотности просачиваются наружу. В таких местах взрывоопасные смеси воспламеняются от постоянных или случайных источников огня и тогда неожиданно возникают взрывы, травмирующие людей и причиняющие большой ущерб производству.
Пределы взрываемости газов
Взрывы газо-воздушных смесей происходят лишь при определенных содержаниях газа в воздухе или кислороде, причем каждый газ имеет свои, присущие ему одному, пределы взрываемости — нижний и верхний. Между нижним и верхним пределами все смеси газа с воздухом или кислородом взрывоопасны.
Нижний предел взрываемости характеризуется наименьшим содержанием газа» в воздухе, при котором смесь начинает взрываться; верхний — наибольшим содержанием газа в воздухе, выше которого смесь теряет свойства взрываемости. Если содержание газа в смеси с воздухом или кислородом будет меньше нижнего предела или больше верхнего, то такие смеси не взрывоопасны.
Например, нижний предел взрываемости водорода в смеси с воздухом равен 4,1% и верхний 75% по объему. Если водорода меньше 4,1%, то смесь его с воздухом не взрывоопасна; она не взрывоопасна и в том случае, если водорода в смеси больше 75%. Все смеси водорода с воздухом становятся взрывоопасными, если содержание в них водорода находится в пределах от 4,1% до 75%.
Необходимым условием образования взрыва является также воспламенение смеси. Все горючие вещества воспламеняются лишь тогда, когда они нагреты до температуры воспламенения, которая также является очень важной характеристикой всякого горючего вещества.
Например, водород в смеси с воздухом самовоспламеняется и происходит взрыв, если температура смеси станет больше или равной 510° С. Однако не обязательно, чтобы весь объем смеси был нагрет до 510° С. Взрыв произойдет, если до температуры самовоспламенения будет нагрета хотя бы небольшая часть смеси.
Процесс самовоспламенения смеси от источника огня происходит в следующем порядке. Ввод в газо-воздушную смесь источника огня (искры, пламени горящего дерева, выброса из печи раскаленного металла или шлака и т. п.) приводит к нагреву частиц смеси, окружающих источник огня до температуры самовоспламенения. В результате в прилегающем слое смеси возникнет процесс воспламенения, произойдет нагрев и расширение слоя; тепло передается соседним частицам, они также воспламенятся и передадут свое тепло расположенным дальше частицам и т. д. При этом самовоспламенение всей смеси происходит настолько быстро, что слышится один звук хлопка или взрыва.
Непременное условие всякого горения или взрыва состоит в том, чтобы количество выделяющегося тепла было достаточно для нагрева среды до температуры самовоспламенения. Если тепла будет выделяться недостаточно, то горение и, следовательно, взрыв не произойдет.
В тепловом отношении пределы взрываемости являются границами, когда при сгорании смеси выделяется так мало тепла, что его недостаточно, чтобы нагреть среду горения до температуры самовоспламенения.
Например, при содержании водорода в смеси меньше 4,1% при горении выделяется так мало тепла, что среда не нагревается до температуры самовоспламенения 510° С. В такой смеси содержится очень мало горючего (водорода) и очень много воздуха.
То же самое происходит, если в смеси содержание водорода будет больше 75%. В такой смеси находится очень много горючего вещества (водорода), но очень мало необходимого для горения воздуха.
Если всю газо-воздушную смесь нагреть до температуры самовоспламенения, то газ воспламенится без поджигания при любых соотношениях его с воздухом.
В табл. 1 приводятся пределы взрываемости ряда газов и паров, а также их температуры самовоспламенения.
Пределы взрываемости газов в смеси с воздухом меняются в зависимости от начальной температуры смеси, ее влажности, мощности источника зажигания и др.
Таблица 1. Пределы взрываемости некоторых газов и паров при температуре 20° и давлении 760 мм ртутного столба
При повышении температуры смеси пределы взрываемости расширяются — нижний понижается, а верхний увеличивается.
Если газ состоит из нескольких горючих газов (генераторный, коксовый, смесь коксового и доменного и т. п.), то пределы взрываемости таких смесей находят расчетом, пользуясь формулой правила смешения Ле-Шателье:
где а — нижний или верхний предел взрываемости смеси газов с воздухом в объемных процентах;
k1,k2,k3,kn — содержание газов в смеси в объемных процентах;
n1,n2,n3,nn — нижний или верхний пределы взрываемости соответствующих газов в объемных процентах.
Пример. В газовой смеси содержатся: водород (Н2)— 64%, метан (СН4) — 27,2%, окись углерода (СО) —6,45% и тяжелый углеводород (пропан) —2,35%, т. е. kx = 64; k2 = 27,2; k3 = 6,45 и k4 = 2,35.
Определим нижний и верхний пределы взрываемости газовой смеси. В табл. 1 находим нижний и верхний пределы взрываемости водорода, метана, окиси углерода и пропана и их значения подставим в формулу (1).
Нижние пределы взрываемости газов:
n1 = 4,1%; n2 = 5,3%; п3= 12,5% и n4 = 2,1%.
Нижний предел aн = 4,5%
Верхние пределы взрываемости газов:
n1 = 75%; n2 = 15%; n3 = 75%; n4 = 9,5%.
Подставляя эти значения в формулу (1), находим верхний предел ав = 33%
Пределы взрываемости газов с большим содержанием инертных негорючих газов — углекислоты (С02), азота (N2) и паров воды (Н20) — удобно находить по кривым диаграммы, построенным на основании опытных данных (рис. 1).
Пример. Пользуясь диаграммой на рис. 1, найдем пределы взрываемости для генераторного газа следующего состава: водорода (Н2) 12,4%, окиси углерода (СО) 27,3%, метана (СН4) 0,7%, углекислого газа (С02) 6,2% и азота (N2) 53,4%.
Распределим инертные газы С02 и N2 между горючими; углекислый газ присоединим к водороду, тогда суммарный процент этих двух газов (Н2 + С02) будет 12,4 + 6,2=18,6%; азот присоединим к окиси углерода, суммарный процент их (СО + N2) будет 27,3 + + 53,4 = 80,7%. Метан учтем отдельно.
Определим в каждой сумме двух газов отношение инертного газа к горючему. В смеси водорода и углекислого газа отношение составит 6,2/12,4= 0,5, а в смеси окиси углерода и азота отношение 53,4/27,3= 1,96.
На горизонтальной оси диаграммы рис. 1 находим точки, соответствующие 0,5 и 1,96 и проводим вверх перпендикуляры до встречи с кривыми (Н2 + С02) и (CO + N2).
Рис. 1. Диаграмма для нахождения нижнего и верхнего пределов взрываемости горючих газов в смеси с инертными газами
Первое пересечение с кривыми произойдет в точках 1 и 2.
Проводим из этих точек горизонтальные прямые до встречи с вертикальной осью диаграммы и находим: для cмеси (Н2 + С02) нижний предел взрываемости aн = = 6%, а для смеси газов (СО + N2) ан = 39,5%.
Продолжая перпендикуляр вверх, пересекаем те же кривые в точках 3 и 4. Проводим из этих точек горизонтальные прямые до встречи с вертикальной осью диаграммы и находим верхние пределы взрываемости смесей aв, которые .соответственно равны 70,6 и 73% .
По табл. 1 находим пределы взрываемости метана ан = 5,3% и ав = 15%. Подставляя полученные верхние и нижние пределы взрываемости смесей горючего и инертного газов и метана в общую формулу Ле-Шателье, находим пределы взрываемости генераторного газа:
