氫氧火焰在連鑄坯切割中的安全應用

胡雪林

摘?要：氫氧發生器（氫氧機）是一種用于切割作業的特殊設備，它是采用電化學方法，將貯存在機內電解槽中的水分解為氫氣和氧氣，氫氧氣體經干燥除濕、水氣分離后、安全防回火處理后輸出至切割機械上，取代傳統的乙炔、丙烷等工業燃氣，點火形成氫氧焰，氫氧焰火焰集中，溫度高達2800℃，因而能快速切割碳鋼板、連鑄坯鋼板。但氫氧氣安全性差：爆炸極限與乙炔相當（在氧中爆炸極限為4.7%～93.9%），而氫氧燃燒速度高于乙炔，爆炸危險性更大。

關鍵詞：水電解氫氧發生器氫氧混合氣回火

中圖分類號：TG4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0077-01

連鑄坯氫氧火焰切割技術”在1999年成功的應用于連鑄坯火焰切割后，經過不斷發展完善，目前已有100多臺連鑄機、450多流小方坯、矩形坯、板坯采用了氫氧氣作為連鑄坯火焰切割的能源介質，為我國鋼鐵企業的節能降耗做出了開創性的貢獻。

“氫氧混合氣”作為乙炔等代用氣的一種，其性能特點如下：（1）環保無污染：氫氧發生器生產過程無污染，氫氧氣燃燒后產物為水，無毒、無味、無煙，不會危害操作人員身體健康，是真正的綠色燃氣。（2）燃燒強度高：火焰溫度高達2800℃，并且火焰集中不發散，可快速切割鋼板，燃燒強度僅次于乙炔而高于其他燃氣。（3）高效節能：氫氧切割的使用費用為乙炔的1/4，丙烷、丙烯等燃氣的1/2，采用連鑄坯氫氧斷火切割技術可再降低50%以上。氫氧火焰切割更適用于水電資源廉價，適合一次性投資，長期性使用的新建工廠采用。（4）安全性差：爆炸極限與乙炔相當（在氧中爆炸極限為4.7%～93.9%），而氫氧燃燒速度高于乙炔，爆炸危險性更大。

因此氫氧切割的安全使用，也就是如何防止氫氧氣發生回火成為使用氫氧火焰切割首要克服的難題。根據生產廠家試驗和現場使用情況，對氫氧氣發生回火情況分析如下。

1 引起回火的原因分析

回火主要是割嘴內混合氣燃燒速度大于混合氣的流出速度從而導致火焰回燒。回火十分危險，回火進入割槍，可將割槍燒損；回火進入氣體軟管，可導致軟管燒損或爆裂。回火的類別分為外部引爆和內部引爆。

1.1 外部引爆

外部引爆是由于操作者不按操作規程操作或是特殊作業時不可避免而引起的。外部引爆主要是由逆火引起的。其主要表現的現象分為：（1）因切割時掛渣或是其他作業時火嘴孔被堵，因渣的高溫導致火焰在火嘴邊燃燒，燒紅火嘴而導致火嘴內溫度過高，達到氫氧混合氣的燃點（500℃左右），火嘴在內部燃燒，從而引爆供氣管道上的氫氧混合氣而回火；（2）火嘴孔設計的大小（或是火嘴使用時間過長導致火嘴變大）不能滿足氫氧混合氣的輸出壓力，即輸氣速度小于氫氧焰的燃燒速度，也就是說輸出氣體的壓力過小，部分火焰在火嘴內燃燒而不是完全在火嘴外燃燒，導致火嘴溫度過高而引爆供氣管道內的氣體（3）火嘴附近有較大的輻射熱源導致火嘴溫度過高。（4）火焰槍閥門漏氣或是供氣管路上存在漏氣，導致火嘴處的輸出氣體壓力偏低（小于0.03MPa），長期低壓供氣導致火嘴燒紅回火或是點火時直接爆燃（點不上火，直接引爆）。以上幾點的共同點是供氣壓力偏低或是火嘴溫度過高導致回火。（5） 關火方式不對。關閉火焰槍閥門時，由于閥門在關閉的過程中出氣口的壓力偏小，從而導致火焰逆流，即使快速關閉，也有可能逆火導致閥門的密封圈損壞而回火。

1.2內部引爆

設計不良的電解槽可能導致電極碰撞而產生火花；沒有設置排污或污物沉積池的電解槽可能導致內部電極短路而產生火花。從而引爆槽內氫氧混合氣。

2 阻火的原理

2.1干式阻火

大多數阻火器是由能夠通過氣體的許多細小、均勻或不均勻的通道或孔隙的固體材質所組成，對這些通道或孔隙要求盡量的小，小到只要能夠通過火焰就可以。這樣，火焰進入阻火器后就分成許多細小的火焰流被熄滅。火焰能夠被熄滅的機理是傳熱作用和器壁效應。

2.2 濕式阻火

濕式阻火一般也稱為水封，是利用水能阻火的原理而實現的。在設計水封中最重要的一點是要考慮氫氧回火事實上是不會正常燃燒，而是瞬間爆燃（不完全燃燒）。這正是大多數人忽略的一點，（但這也正是氫氧混合氣比其他氣體安全的一點（即不會形成明火）， 氫氧回火產生的壓力在混合氣為0.1MPa壓力下其爆炸的壓力不超過1MPa。對于壁厚1mm的不銹鋼管（罐）來說，完全能夠承受這種壓力，因而不會出現安全事故。但是這種壓力會將水封中的水擠向兩邊，從而有可能露出到進氣管的位置繼續引爆而突破水封。另外，設計不好的水封可能導致氣泡變大連續不斷地從水封中的水底部冒出，即使水封中的水較多，也有可能導致自底而上的氣泡相繼引爆，從而水封失效。其實設計不良的水封，可能導致水封中的水變少，這是因為水封是與機內其他容器（如電解槽或是分離罐）連通的，在工作狀態下，水封的溫度低，其他容器的溫度高，在停機時，由于熱漲冷縮原理，機內其他容器內氣體冷卻而生產一個負壓，水封上部是一個正壓，從而將水封中的水壓回到機內其他容器中而導致水封中的水變少。

3如何防止回火

（1）割炬尾端加裝干式防回火是必需的。一般外置水封與割嘴有一定的距離，而氫氧氣的燃燒速度達11.2m/s，為了盡快切斷回火的危險，必須在割槍尾端加裝干式回火器防止回火。目前有效的干式阻火器是用納米材料和防腐蝕材料制作的。每半年檢查更換一次，每次回火后及時更換。（2）濕式防回火也是必要的。主要考慮氣泡自水封底部上升時，氣泡不能連續而且尺寸要盡量的小，其次要考慮回火時的高壓不能將水排開。第三是水封的水不能減少并且回火時水不能濺出。也就是說要有一個合適水位高度。（3）自動泄壓自動恢復。泄壓的目的是泄掉里面的高溫并讓冷空氣進入抵銷氫氧爆燃時產生的負壓，防止連鎖反應的發生。（4）嚴格按照操作規程進行操作，及時更換因熔渣堵塞、擴徑等火焰狀況不好的割嘴，勤檢查管道和接頭漏氣點，及時調整合適的割嘴高度等等。水封裝置要定期更換清水，一般一周一次。（5）使用少量燃燒速度慢的燃氣如焦爐煤氣、丙烷、天然氣等氣體作助燃劑和延緩火焰燃燒速度。開火時，先打開助燃煤氣，后依次打開氫氧氣斷火組件電磁閥、高壓氧；關火時，先依次關閉高壓氧、氫氧氣斷火組件電磁閥，后關閉助燃煤氣確保切割時不發生爆鳴現象。（6）氫氧氣工作壓力要低（0.03～0.09MPa），并且隨產隨用，不儲存。

4 結語

氫氧切割的安全使用，很大程度上取決于用戶是否嚴格按照操作規程進行操作，其次取決于氫氧機制造廠商的防回火處理技術。如氫氧切割機內置了各種防止回火的裝置（包括兩級多重濕式阻火、多級自動泄壓）和切割設備加裝外置水封、干式回火器等措施，確保使用的安全。

參考文獻

[1]中冶集團研究院.氫氧火焰切割技術.

[2]黃國雄.氫氧切割的經濟效益分析.