砂型铸造爆炸风险分析及其控制措施探讨

王振全 黄家敏

(1．华晨宝马汽车有限公司; 2．河南省冶金研究所有限责任公司)

0 前言

我国虽是铸造大国，但远不是铸造强国。铸造行业的安全事故也不断发生［1－2］，2004年7月30日，江阴市某钢厂电炉钢水在熔炼工段意外碰到冷却水发生爆炸;2006年8月15日，贵阳某炼钢厂铸造车间喷水降温造成地面积水，1500 ℃的高温钢水流向地面发生爆炸;2007年8月19日，山东省滨州市某铸造分厂在熔炼工段发生铝液外溢爆炸重大事故，造成16 人死亡、59 人受伤(其中13 人重伤);2011年11月16日，萍乡某钢铁厂一座高炉熔炼工段铁水泄漏，遇水发生爆炸;2012年2月20 号鞍山某铸钢厂铸造车间浇注工段发生喷爆事故，造成13人死亡，17 人受伤。多起铸造爆炸事故使得砂型铸造的安全性被越来越多的人所关注。

1 砂型铸造工艺流程

砂型铸造主要工艺流程如图1 所示［1］。

图1 砂型铸造主要工艺流程

2 砂型铸造爆炸风险分析

砂型铸造中产生的爆炸主要为呛火和爆炸两类，二者常合称为呛爆［3］。在地坑造型铸造中发生爆炸事故最常见的是由于地坑渗水导致地坑积水形成的蒸汽爆炸事故。因此，以下从呛爆形成流程和因地坑积水导致爆炸两方面对砂型铸造爆炸风险进行重点分析。

2．1 呛爆形成流程

呛爆形成流程如图2 所示。

图2 呛爆形成流程分析图

2．1．1 气化

砂型(芯)包含原砂、水、粘结剂等。浇注前期产气主要来源于:高温金属液体使型腔壁中的粘结剂和含碳物质氧化燃烧产生气体。浇注后期产气主要来源于:型、芯砂层随着受热作用越来越强烈，其温度迅速提高，并将热传到砂层深处，使水分蒸发和含碳物质热分解。

2．1．2 增压

气化产生的气体一开始停留在砂粒间隙中，但随着热作用时间的延长、温度的升高，产生的气体越来越多，砂粒间隙中的气体向四周扩散。当气体扩散到型腔壁时，受到金属液体压力和界面气压阻挡，使其扩散流向改变。除少部分气体通过砂粒间隙排出，大部分气体向预设排气道聚集、排出。若排气道某段发生堵塞，极易使其内部压力迅速增大，形成高气压。

2．1．3 侵入

金属液体流入气路系统或气体未按预定路线外排而进入金属液，均为异常侵入。金属液侵入排气道或气体侵入金属液，均可能导致浇注时金属液从浇冒口喷出。由于气体流动性好等特性，多数呛火的发生根源于气体侵入金属液［4］。

2．1．4 喷出

随着侵入金属液体的气体增多，压力增大，气体运动将挤压金属液体，导致金属液体沸腾翻滚，气体夹带金属液体从冒口喷出，发生呛火。严重时能听到响声，即H2和CO 的爆炸声，即发生呛爆。

2．2 地坑积水爆炸事故风险分析

由于地坑积水，使底部砂床含水量过高，浇注时积水急剧汽化，在内芯底部产生大量高压蒸汽，蒸汽上浮过程逐渐聚集，形成气泡，当气泡浮力超过内芯及熔融液体重力时，内芯及熔融液体被向上抛起，导致金属液大量迅速喷出，造成爆炸事故［5］。地坑积水是地坑砂型铸造爆炸的最主要原因，因此为了防止该类事故的发生，必须明确地坑积水的原因，从根本上杜绝因地坑积水而引发爆炸。

以下采用事故树分析法，对砂型铸造中因地坑积水爆炸事故进行分析，详见图3。

图3 地坑积水爆炸事故树

由图3 可以得出，其最小径集有两个，分别为:

G1={X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17};

G2={X1，X2，X3，X4，X5}。

采用一次近似法计算各基本事件的结构重要度，见表1。

表1 各基本事件结构重要度

通过最小径集及结构重要度计算可知:地坑积水爆炸与否，很大程度上取决于监测装置是否可用以及监测装置的设计是否科学。

因此，在地坑积水量监测系统的设计中，要重点对警戒值的确定、探测器数量以及探测器可靠性保障等采取相关防范和冗余措施。

3 砂型铸造爆炸预防与控制措施

3．1 地坑造型安全

1)地坑造型位置的选择。不能在地下坑道、电缆、供、排水管的上面进行地坑造型。同时要求地坑离电器控制箱、水池、库房、变压器、易燃易爆物质尽量远些，坑与坑之间距离应大于2 m。

2)地坑造型，一般要求地坑底部高于地下水位1．5 m 以上。

3)如果地下水位高或地坑潮湿，应采用隔离法防水，即做成不渗水的水泥地坑，或围成防水墙(如钢板、砖墙等)。

4)造型时，地坑排气管露出地面的一端要塞好，以防型砂进入而堵塞。造型结束，烘干前将盖打开，以利烘干时排出水蒸气。

5)铺设排气通道前，要清除地坑内多余废砂，将地坑底部用重物夯实。

6)地坑周围应设置安全防护盖板，以防不慎落人坑内造成人身事故。

7)大型、深型铸件，需挖坑的形状应底小口大，以防塌方。

3．2 砂型铸造过程防爆

控制和预防砂型铸造爆炸的途径主要是减少水分，强化排气。具体措施为:

1)铸造过程中，使用到的机器设备，对于规定不允许用水洗的，要严格控制。

2)地坑造型要求铸型烘干深度＞150 mm。烘干后在48 h 以内浇注，否则浇注前仍需重新烘干。

3)坑底设排气孔道。大中型铸件的地坑造型，无论什么情况均要考虑安排坑底的排气道，使浇注后，坑底砂层中产生的气体通过该排气道引出型外，并且排气道的数量和大小要足够。出气材料用焦炭或炉渣，且焦炭中摆放铁管或钢管，将坑内气体通过管子引出，安放位置应不影响铸造全过程。

4)浇注时及时引气，以减轻坑底的气体压力。

5)浇注时或浇注刚结束，禁止对准地坑排气管的轴线方向看排气管，从而避免中毒及金属液喷出伤人。

3．3 设计地坑积水量监测系统

目前，对于地坑含水量的测量的测量方法很多，有时域反射法、光学测量法、驻波比法、γ －射线法、中子法、电阻法、张力计法、称重法等［6－10］。

笔者在此设计选择时域反射法(FDR)进行测量，选择的传感器为LC －TS2 型特制水分传感器。该地坑积水量监测系统主要由三部分组成:信息收集装置、信息传输设备、信息处理终端。北方寒冷地区需要附带增加一个非结冰环境保障系统(可采用蒸汽或热水管线)。

根据各坑体、内部墙体、外部墙体实际情况，传感器间隔距离取2000 mm ～3000 mm。另外，地坑底部传感器需要贴近整体防水箱内部安装，但由于防水箱内部接近地坑底部的部分为混泥土，而传感器探测含水量只能在细沙、细土才能起到最好效果，因此先在混泥土上面铺150 mm ～200 mm 厚的易吸水的土壤或细沙等物质。传感器的信息传输设备采用的是耐高温电缆，穿钢管敷设。

当达到积水量警戒值时，在信息处理终端设有自动警报功能。其警戒值依据型砂含水量确定。

4 结论

铸造爆炸事故往往会造成重大人员伤亡和财产损失。基于砂型铸造主要工艺，以系统安全的危险源理论为基础，首先主要分析了砂型铸造过程中的呛爆风险因素。通过分析可知，在地坑造型铸造中发生爆炸事故最常见的是由于地坑渗水导致地坑积水形成的蒸汽爆炸事故。从气化、增压、侵入、喷出四个环节分析了呛爆的形成过程及其危险以及地坑积水爆炸的形成过程;为了明确地坑积水原因，从根本上杜绝因地坑积水引发爆炸，利用事故树分析法，对砂型铸造中因地坑积水爆炸事故进行分析。

根据风险分析结果，从地坑造型安全、砂型铸造过程防爆、设计地坑积水量监测系统等三个方面提出了砂型铸造爆炸预防与控制技术措施。

笔者所探讨的砂型铸造风险分析方法和控制技术对策具有现实意义和普遍适用性。

［1］范金辉，华勤． 铸造工程基础［M］． 北京:北京大学出版社，2009:2 －25．

［2］吴穹，许开立．安全管理学［M］． 煤炭工业出版社，2002:112－180．

［3］张维业． 砂型铸造的呛火与爆炸［J］． 工业安全与防尘，1995(10):13 －15．

［4］赵华．“8．19”铝液外溢爆炸重大事故原因分析［J］． 现代职业安全，2008(12):22 －24．

［5］张维业． 地坑造型事故及预防措施［J］． 工业安全与防尘，1994(2):15 －17．

［6］石德泉，高桂丽，李大勇，等． 湿型砂组分和性能参数检测技术评述［J］． 哈尔滨理工大学学报，2011，16(6):77 －81．

［7］张永林，郑长征，胡志刚． 型砂水分测量若干关键技术研究［J］． 铸造技术，2006，27(10):1137 －1140．

［8］肖慧荣． 一种型砂含水率的快速检测方法［J］． 传感器技术，2003，22(5):52 －54．

［9］刘为民． 频域反射法式水分测定仪的设计［J］． 现代电子技术，2009，26(12):42 －45．

［10］胡雪婷． 基于图像识别的有效膨润土含量自动测定方法及仪器［D］． 武汉:华中科技大学，2011:22 －24．