Взрывы во время выплавки стали и выпуска металла в разливочный ковш
В мартеновских печах выплавляются стали разных марок: углеродистые, в которых решающее влияние на их свойства оказывает содержание углерода, и легированные, в которых свойства стали определяются легирующими добавками: марганцем, кремнием, никелем, вольфрамом, ванадием, молибденом и др.
Основной металлической частью шихтовых материалов, загружаемых в мартеновские печи, служит передельный чугун, представляющий собою сплав, в котором содержатся полезные элементы: углерод, марганец и кремний, а также сера и фосфор, которые ухудшают качество металла и поэтому их должно быть по возможности меньше.
В мартеновских печах происходят процессы удаления из расплавленного металла излишнего для стали количества углерода, кремния, серы, фосфора и, наоборот, если марка выплавляемой стали содержит некоторое количество специальных легирующих элементов, то они вводятся в ванну печи или в ковш путем присадки соответствующего ферросплава. Удаление примесей из металла, находящегося в жидком виде в мартеновской печи, происходит в результате соединения их с кислородом, для чего в ванну мартеновской лечи загружается железная руда, в которой содержится много кислорода. Кроме этого, часть кислорода для окисления примесей поглощается из атмосферы печи.
По мере уменьшения содержания в металлической ванне углерода, марганца, кремния и других элементов, вследствие их окисления, температура плавления металла повышается и, чтобы поддерживать его в жидкоподвижном состоянии, требуется все время ванну нагревать теплом топлива, сжигаемого в рабочем пространстве печи.
Металл в мартеновских печах всегда покрыт слоем шлака. В процессе получения стали шлак нужного состава играет очень важную роль: через шлак передается тепло от раскаленного пламени газов, проходящих в рабочем пространстве печи; шлак передает и -кислород металлической ванне, и в то же время он вбирает в себя все неметаллические вещества, попавшие в шихту и образовавшиеся в результате выгорания примесей, связывает их и удерживает от обратного перехода в металл.
Процессы окисления примесей металла аналогичны процессам горения горючих веществ: их так же, как и процессы горения, можно ускорить или замедлить, можно довести до бурного развития в объеме металлической ванны. Последнее произойдет, если в ванну ввести большой избыток кислорода и тем нарушить ход процесса.
Если во время спокойного хода плавки в мартеновскую печь загрузить руду, резко повысится содержание окислов в ванне и возникнет бурная реакция взаимодействия закиси железа и углерода:
Реакцию эту можно ускорить и путем увеличения в металле содержания углерода, что достигается заливкой жидкого или завалкой холодного чугуна в печь. Чугун обогатит ванну углеродом, марганцем, кремнием и другими элементами, их содержание повысится, и произойдет нарушение равновесия. В результате в металлической ванне возникнут процессы окисления этих элементов.
Независимо от того, что вызвало нарушение спокойного хода физико-химических процессов, после такого нарушения выгорание примесей в металлической ванне начинает протекать бурно, металл и шлак вспениваются, смешиваются и сильно увеличиваются в объеме. В такие периоды в печи слышны хлопки и через завалочные окна выбрасываются газы на рабочую площадку и стекает металл и шлак.
Взрывающийся из металлической ванны газ — окись углерода — к рабочем пространстве печи встречается с окислительным пламенем, и при этом происходит реакция догорания окиси углерода в углекислоту
Эта реакция протекает с большим выделением тепла, в результате температура и давление газов в печи сильно увеличиваются, газы начинают выбрасываться из завалочных окон в виде длинных горячих языков пламени.
Основным возбудителем бурного поведения металла и шлака в мартеновских печах является реакция химического взаимодействия закиси железа (FeO) и углерода (С), находящихся в растворе в ванне. Нарушение равновесного состояния в металле и шлаке также вызывает окисление других примесей, содержащихся в ванне, как например, марганца и кремния (Мn и Si). Окисление происходит по реакциям
Обе реакции дают твердые продукты окисления, которые как более легкие всплывают на поверхность металла и переходят в шлак. Такие реакции не вызывают взрывов, но косвенно и эти реакции призодят к возникновению бурного выгорания углерода. Окисление Мп и Si протекает с большим выделением тепла, металл нагревается и в нем возникают процессы, идущие с поглощением тепла, т. е. процессы окисления углерода.
Взрывы при выплавках стали в мартеновских печах происходят не только во время плавки, но и во время выпуска металла в ковш для разливки по изложницам. Могут произойти взрывы и в ковше, после выпуска металла и шлака.
На одном металлургическом заводе в Западной Германии произошел подобный взрыв с тяжелыми последствиями.
На заводе была сделана попытка весь положенный по расчету для раскисления стали богатый феррооилиций заранее подогреть и загрузить на дно ковша. После выпуска плавки в ковш металл вел себя спокойно, и мастер дал уже команду передвинуть разливочную тележку на разливочную канаву и начинать разливку металла по изложницам.
Как только тележка начала перемещаться к месту разливки, весь металл с огромной силой вскипел, поднялся и был выброшен из ковша; произошел сильный взрыв. Волной его была сорвана кровля здания цеха. При этой аварии было травмировано много людей.
Касаясь этой аварии проф. М. Е. Грум-Гржимайло писал, что прибавки в ковш всегда нарушают равновесие между составными элементами ванны и не всегда могут проходить безнаказанно.
Обуглероживая металл в ковше и вводя в него значительную часть примесей Si и Мп, мы понижаем температуру плавления и тем перегреваем ванну, не повышая даже ее температуры.
Перегрев ванны дает толчок развитию эндотермических (поглощающих тепло) реакций носящий чрезвычайно часто взрывной характер.
Особенно вредна примесь в значительных количествах богатого ферросилиция, ибо он дает целый ряд реакщий восстановления металлических окислов металла и шлака, причем все эти реакции сопровождаются значительным выделением тепла и могут играть роль искры, нарушающей «ложное равновесие FeO и С».
Взрыв газов в здании над ковшом мог произойти вследствие наличия в атмосфере повышенного содержания пара и водорода, которые смешались с вырвавшимися из ковша газами и образовали центры зародыша цепных реакций.
Воспламенение смеси произошло от выброшенных искр из ковша.