氢氧火焰在连铸坯切割中的安全应用

胡雪林

摘?要：氢氧发生器（氢氧机）是一种用于切割作业的特殊设备，它是采用电化学方法，将贮存在机内电解槽中的水分解为氢气和氧气，氢氧气体经干燥除湿、水气分离后、安全防回火处理后输出至切割机械上，取代传统的乙炔、丙烷等工业燃气，点火形成氢氧焰，氢氧焰火焰集中，温度高达2800℃，因而能快速切割碳钢板、连铸坯钢板。但氢氧气安全性差：爆炸极限与乙炔相当（在氧中爆炸极限为4.7%～93.9%），而氢氧燃烧速度高于乙炔，爆炸危险性更大。

关键词：水电解氢氧发生器氢氧混合气回火

中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0077-01

连铸坯氢氧火焰切割技术”在1999年成功的应用于连铸坯火焰切割后，经过不断发展完善，目前已有100多台连铸机、450多流小方坯、矩形坯、板坯采用了氢氧气作为连铸坯火焰切割的能源介质，为我国钢铁企业的节能降耗做出了开创性的贡献。

“氢氧混合气”作为乙炔等代用气的一种，其性能特点如下：（1）环保无污染：氢氧发生器生产过程无污染，氢氧气燃烧后产物为水，无毒、无味、无烟，不会危害操作人员身体健康，是真正的绿色燃气。（2）燃烧强度高：火焰温度高达2800℃，并且火焰集中不发散，可快速切割钢板，燃烧强度仅次于乙炔而高于其他燃气。（3）高效节能：氢氧切割的使用费用为乙炔的1/4，丙烷、丙烯等燃气的1/2，采用连铸坯氢氧断火切割技术可再降低50%以上。氢氧火焰切割更适用于水电资源廉价，适合一次性投资，长期性使用的新建工厂采用。（4）安全性差：爆炸极限与乙炔相当（在氧中爆炸极限为4.7%～93.9%），而氢氧燃烧速度高于乙炔，爆炸危险性更大。

因此氢氧切割的安全使用，也就是如何防止氢氧气发生回火成为使用氢氧火焰切割首要克服的难题。根据生产厂家试验和现场使用情况，对氢氧气发生回火情况分析如下。

1 引起回火的原因分析

回火主要是割嘴内混合气燃烧速度大于混合气的流出速度从而导致火焰回烧。回火十分危险，回火进入割枪，可将割枪烧损；回火进入气体软管，可导致软管烧损或爆裂。回火的类别分为外部引爆和内部引爆。

1.1 外部引爆

外部引爆是由于操作者不按操作规程操作或是特殊作业时不可避免而引起的。外部引爆主要是由逆火引起的。其主要表现的现象分为：（1）因切割时挂渣或是其他作业时火嘴孔被堵，因渣的高温导致火焰在火嘴边燃烧，烧红火嘴而导致火嘴内温度过高，达到氢氧混合气的燃点（500℃左右），火嘴在内部燃烧，从而引爆供气管道上的氢氧混合气而回火；（2）火嘴孔设计的大小（或是火嘴使用时间过长导致火嘴变大）不能满足氢氧混合气的输出压力，即输气速度小于氢氧焰的燃烧速度，也就是说输出气体的压力过小，部分火焰在火嘴内燃烧而不是完全在火嘴外燃烧，导致火嘴温度过高而引爆供气管道内的气体（3）火嘴附近有较大的辐射热源导致火嘴温度过高。（4）火焰枪阀门漏气或是供气管路上存在漏气，导致火嘴处的输出气体压力偏低（小于0.03MPa），长期低压供气导致火嘴烧红回火或是点火时直接爆燃（点不上火，直接引爆）。以上几点的共同点是供气压力偏低或是火嘴温度过高导致回火。（5） 关火方式不对。关闭火焰枪阀门时，由于阀门在关闭的过程中出气口的压力偏小，从而导致火焰逆流，即使快速关闭，也有可能逆火导致阀门的密封圈损坏而回火。

1.2内部引爆

设计不良的电解槽可能导致电极碰撞而产生火花；没有设置排污或污物沉积池的电解槽可能导致内部电极短路而产生火花。从而引爆槽内氢氧混合气。

2 阻火的原理

2.1干式阻火

大多数阻火器是由能够通过气体的许多细小、均匀或不均匀的通道或孔隙的固体材质所组成，对这些通道或孔隙要求尽量的小，小到只要能够通过火焰就可以。这样，火焰进入阻火器后就分成许多细小的火焰流被熄灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效应。

2.2 湿式阻火

湿式阻火一般也称为水封，是利用水能阻火的原理而实现的。在设计水封中最重要的一点是要考虑氢氧回火事实上是不会正常燃烧，而是瞬间爆燃（不完全燃烧）。这正是大多数人忽略的一点，（但这也正是氢氧混合气比其他气体安全的一点（即不会形成明火）， 氢氧回火产生的压力在混合气为0.1MPa压力下其爆炸的压力不超过1MPa。对于壁厚1mm的不锈钢管（罐）来说，完全能够承受这种压力，因而不会出现安全事故。但是这种压力会将水封中的水挤向两边，从而有可能露出到进气管的位置继续引爆而突破水封。另外，设计不好的水封可能导致气泡变大连续不断地从水封中的水底部冒出，即使水封中的水较多，也有可能导致自底而上的气泡相继引爆，从而水封失效。其实设计不良的水封，可能导致水封中的水变少，这是因为水封是与机内其他容器（如电解槽或是分离罐）连通的，在工作状态下，水封的温度低，其他容器的温度高，在停机时，由于热涨冷缩原理，机内其他容器内气体冷却而生产一个负压，水封上部是一个正压，从而将水封中的水压回到机内其他容器中而导致水封中的水变少。

3如何防止回火

（1）割炬尾端加装干式防回火是必需的。一般外置水封与割嘴有一定的距离，而氢氧气的燃烧速度达11.2m/s，为了尽快切断回火的危险，必须在割枪尾端加装干式回火器防止回火。目前有效的干式阻火器是用纳米材料和防腐蚀材料制作的。每半年检查更换一次，每次回火后及时更换。（2）湿式防回火也是必要的。主要考虑气泡自水封底部上升时，气泡不能连续而且尺寸要尽量的小，其次要考虑回火时的高压不能将水排开。第三是水封的水不能减少并且回火时水不能溅出。也就是说要有一个合适水位高度。（3）自动泄压自动恢复。泄压的目的是泄掉里面的高温并让冷空气进入抵销氢氧爆燃时产生的负压，防止连锁反应的发生。（4）严格按照操作规程进行操作，及时更换因熔渣堵塞、扩径等火焰状况不好的割嘴，勤检查管道和接头漏气点，及时调整合适的割嘴高度等等。水封装置要定期更换清水，一般一周一次。（5）使用少量燃烧速度慢的燃气如焦炉煤气、丙烷、天然气等气体作助燃剂和延缓火焰燃烧速度。开火时，先打开助燃煤气，后依次打开氢氧气断火组件电磁阀、高压氧；关火时，先依次关闭高压氧、氢氧气断火组件电磁阀，后关闭助燃煤气确保切割时不发生爆鸣现象。（6）氢氧气工作压力要低（0.03～0.09MPa），并且随产随用，不储存。

4 结语

氢氧切割的安全使用，很大程度上取决于用户是否严格按照操作规程进行操作，其次取决于氢氧机制造厂商的防回火处理技术。如氢氧切割机内置了各种防止回火的装置（包括两级多重湿式阻火、多级自动泄压）和切割设备加装外置水封、干式回火器等措施，确保使用的安全。

参考文献

[1]中冶集团研究院.氢氧火焰切割技术.

[2]黄国雄.氢氧切割的经济效益分析.