刚玉冶炼安全风险分析与管控措施研究

祁炜峰 李吉锋 吴丽 王玉玲

（河南天泰工程技术有限公司，河南 郑州 450046）

0 引言

刚玉，主要成分Al2O3，硬度仅次于金刚石，主要用于高级研磨材料，手表和精密机械的轴承材料。目前，国家层面尚无刚玉冶炼生产安全技术标准或规程，且多数刚玉冶炼生产企业规模较小，安全生产管理基本参照了耐火材料行业的安全生产管理模式，但刚玉冶炼生产过程中存在电弧炉高温熔炼、非金属熔融液体转运、非金属熔融液体快速冷却成型等高危险作业活动[1]，耐火材料行业并不存在类似生产工艺，造成了刚玉冶炼生产企业的安全风险管控能力不强。因此，刚玉冶炼生产的安全风险管控研究具有非常重要的现实意义。

1 刚玉冶炼生产主要安全风险分析

本次研究中，笔者先后前往了贵州中国七砂、圣戈班（陶瓷）、三门峡电熔刚玉、伊川高新材料等国内外知名刚玉冶炼生产企业进行了现场考察，同时前往河南省登封市和贵州省清镇市对小微刚玉冶炼生产企业进行调研，结合刚玉冶炼生产工艺特点，对刚玉冶炼生产过程中的主要风险因素进行了分析。

1.1 刚玉冶炼生产工艺特点

刚玉冶炼是以工业氧化铝、高铝矾土、氧化锆、氧化镁、氧化铬、氧化钙等为原料，外加添加剂，在电弧炉中熔融、冶炼并经冷却结晶生成刚玉类产品的过程。电弧炉是利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。

刚玉冶炼过程中，主要原辅材料在电弧炉中熔融形成高温熔融液体，冶炼结束电炉出料至接包（盛装熔融液体的容器）内，接包按照工艺要求在静置区进行静置，之后转运至冷却区进行冷却，待接包内熔融刚玉完全结晶后进行破碎筛分。

1.2 刚玉冶炼生产的主要风险因素

刚玉冶炼生产过程中可能存在的主要危险有害因素有：火灾、爆炸、灼烫、压力容器（管道）爆炸、起重伤害、机械伤害、车辆伤害、触电、高处坠落与物体打击、淹溺、中毒窒息、辐射、坍塌、粉尘、振动与噪声、不良作业条件等。

通过刚玉冶炼生产工艺的特点可以看出，刚玉冶炼生产过程中的主要危险物质为高温熔融液体，高温熔融液体泄漏风险是刚玉冶炼生产过程中的主要风险因素，高温熔融液体在电弧炉冶炼、转运及冷却过程中，如意外泄漏遇水会瞬间产生大量水蒸气，造成气体冲击波爆炸。然而刚玉冶炼生产采用的主要设备电弧炉一般采用循环水冷却方式，部分接包也采取循环水进行冷却，另外刚玉成品破碎筛分中也可能进行洒水冷却，由此可见，工艺水系统及管道在刚玉冶炼生产设备及场所内普遍存在，如遇到高温熔融液体泄漏，可能引发爆炸等事故。

通过调研发现，发生高温熔融液体泄漏事故的主要风险如下：

1）高温熔融物料中含有硅铁，而硅铁的熔点（1 500 ℃～1 800 ℃）低于刚玉的熔点（2 000 ℃以上），电弧炉出料倒入接包后，由于冷却时间不够，此时高温熔融物料中的硅铁尚未凝固，当冷却场地有积水时，翻包后硅铁溶液从刚玉成品缝隙中流出，硅铁溶液遇水在水上形成硅铁盖，由于水遇到高温会快速汽化（水变成水蒸气体积会膨胀1 244 倍），水由液体变成汽体的速度非常快，其体积剧烈膨胀，威力巨大。

2）刚玉接包反应引起的爆炸一般是由于高温熔融物料中硅铁过多或接包内高温熔融物料尚未凝固移动时引起晃动导致硅铁溶液接触碳化硅壁砖引起反应，反应会产生大量气体引起高温熔融物料翻动，严重时会引起漏包，即高温熔融物料由因反应造成的孔洞中漏出，若遇到水就会引起剧烈爆炸。

3）刚玉冶炼电弧炉在运行过程烧穿，高温熔融物料从炉缸底部或边部漏出，炉底如有潮湿或积水现象，高温熔融物料一旦遇水就会产生爆炸事故。高温熔融物料泄漏后，也可能烧穿电弧炉附近布置的冷却水系统管道，发生爆炸事故。

4）刚玉冶炼生产过程中违反操作规程，造成高温熔融液体泄漏发生事故的情况主要有以下4 种：

①未定期对电弧炉内金属物料进行检查和清理，导致炉底烧穿，造成高温熔融液体泄漏而引发事故；

②电弧炉出料后，高温熔融物料未完全冷却凝固即进行转运或破碎作业，在作业过程中，部分未完全凝固的高温熔融液体泄漏发生事故；

③接包内高温熔融物料盛装过满，转运过程中喷溅或溢出，可能引发事故；

④刚玉冶炼生产的出料区、静置区和冷却区等未采取措施，保持地面干燥，一旦发生高温熔融液体泄漏，易引发爆炸事故。

通过对刚玉冶炼生产工艺特点和主要风险因素分析，不难看出，刚玉冶炼生产过程主要风险因素均与高温熔融液体相关，高温熔融液体一旦发生泄漏，轻则引起灼烫、设备损坏等事故，重则可能导致人员伤亡甚至群死群伤事故发生。因此，刚玉冶炼生产过程中的高温熔融液体风险管控是本次研究的重点，有针对性地提出管控措施，可以有效避免高温熔融液体泄漏事故的发生。

2 刚玉冶炼生产的主要安全管控措施

刚玉冶炼生产过程采用主要设备为电弧炉，与冶金行业电炉类似，冶炼工艺与炼钢工艺有很大程度的相似性，熔融刚玉液体遇水发生爆炸的原理和钢水遇水发生爆炸的原理基本相同，本次研究充分参考钢铁生产企业对高温熔融金属的安全管控措施[2]，结合对刚玉冶炼生产企业的实地调研结果，从安全管理[3]、厂房及其内部建（构）筑物、生产过程控制、动力供应与管线等方面提出安全管控措施。

2.1 安全管理

1）刚玉冶炼生产企业新建、改建、扩建工程项目的安全设施，应与主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用。贯彻预防为主的方针，在设计和施工阶段把隐患消除在萌芽状态，提升本质化安全水平。

2）刚玉冶炼生产企业应制订安全生产规章制度，完善的安全生产规章制度是企业有效防范生产、经营过程安全生产风险，保障从业人员安全和健康，加强安全生产管理的重要措施。只有通过安全规章制度的约束，才能防止企业安全管理的随意性，从根本上提高企业安全管理水平。

3）刚玉冶炼生产企业应对生产工艺过程、机械设备、人员操作进行系统分析、评价，制定出一系列的操作规程和安全控制措施，以保障生产、经营工作合法、有序、安全地运行，将安全风险降到最低。

4）刚玉冶炼生产企业应加强安全教育培训，使员工实习安全生产规章制度和安全操作规程，具备相关的安全生产知识，掌握本岗位的安全操作技能，增强预防事故、控制职业危害和应急处理的能力。

5）刚玉冶炼生产企业应编制生产安全事故应急预案，建立与本企业安全生产特点相适应的专（兼）职应急救援队伍，配备必要的救援器材与设施，定期检查、维护和保养，并组织应急演练，增强事故应急处置能力。

6）对于高温熔融液体作业活动，企业应优先采取机械化、自动化措施，最大程度降低作业人员在危险环境的暴露频率。

2.2 厂房及其内部建（构）筑物安全管理

1）刚玉冶炼生产企业存在大量高温熔融液体，考虑暴雨洪水等极端天气，避免厂房大量进水遇到熔融液体发生爆炸事故，建议厂址地坪应高于最高洪水水位0.5 m 以上或采取其他防水措施。

2）为避免刚玉冶炼生产厂房进水遇到高温熔融液体发生爆炸事故，建议生产厂房地坪高于厂房外地坪0.3 m 以上，并采取防止屋面漏水、天窗飘雨和地面积水的措施。

3）刚玉冶炼生产厂房内电弧炉、熔融液体储运等热源点温度较高，可能发生高温熔融液体喷溅事故，会对周边建（构）筑物造成热辐射或损坏，要求周边建（构）筑物采取隔热防护措施。

4）为防止电弧炉漏炉后发生熔融液体爆炸事故，电弧炉的炉下区域，应采取防止积水的措施，炉下事故坑应按防水要求设计施工，其内表面应砌相应防护材料保护，且干燥后方可使用；出料区，周围应设隔热防护结构，其地坪应防止积水，并保持干燥。

5）刚玉冶炼企业内高温熔融液体可设专线（或专用通道）运输，以减少其他物流干扰。

6）根据企业现场调研结果，刚玉冶炼生产过程中，一般不需要吊运高温熔融液体，个别生产企业如因工艺需要必须吊运高温熔融液体的，借鉴刚玉冶炼行业和炼钢行业既往发生事故教训，应参照高温熔融金属吊运相关标准规范的规定进行管理。

2.3 生产过程安全控制

1）为防止电炉倾动过量造成熔融液体泄漏，电炉倾动机械应设零位锁定、限位装置，自动倾炉机械应设置紧急停车装置；为防止断电后电炉内物料无法及时出料造成严重结壳，电炉液压站应在断电事故情况下能完成一次出料动作。

2）为保证电弧炉和水冷接包冷却水系统有效运行，冷却水应设置进出水流量差检测、报警装置，发现异常后，应能自动断电，及时停止冶炼。

3）为了能够提前了解炉体烧损情况，应在电弧炉炉衬不同厚度的耐火材料中设置温度测量元件，当某特定测量点温度超过规定值时，应立即停止冶炼，进行修理，防止炉体烧穿引发火灾或爆炸事故。

4）发生冷却水漏入熔池时，为防止发生熔融液体遇水爆炸，应立即停止冶炼，处理漏水点，同时待漏入炉内的水蒸发完，再恢复运行。

5）刚玉冶炼工艺流程主要为冶炼→出料→静置→冷却→碎选，为防止交叉作业，要求各功能区分开布置；其中出料区、静置区和冷却区存在高温熔融液体，为防止高温熔融液体意外泄漏发生遇水爆炸事故，要求上述区域地面保持干燥。

6）炉内金属物料未清理，可能烧穿炉底，应定期清理。

7）刚玉冶炼企业接包比炼铁企业铁罐体积普遍要小，为防止熔融液体外溢，结合现场调研结果，提出熔融液体液面距包口200 mm 的安全高度。

2.4 动力供应与管线控制

1）为保证电弧炉、水冷接包冷却水系统正常供水，要求供水系统设置备用电源和备用水源，供水泵应有备用水泵，水源应有水位显示和报警装置，并防止结垢。

2）为防止电弧炉漏炉后发生熔融液体爆炸事故，电弧炉附近区域除设备设施冷却用水管除外不应设置水管、电缆等管线，如管线须从该区域经过，应采取可靠的保护措施。

3 结论

综上所述，刚玉冶炼生产企业存在高温熔融液体泄漏引发事故的较大风险，且目前国内暂无相关的风险管控措施研究，同时刚玉冶炼行业也尚未出台相关的安全生产标准规范，一旦发生事故，不仅会造成人员伤亡和经济损失，同时也会造成恶劣的社会影响，不利于刚玉冶炼行业的可持续性发展。

本次研究进行了大量的现场调研，充分采纳了国内外知名刚玉生产企业的意见，吸取以往的事故教训，同时借鉴了冶金行业的相关经验，提出了刚玉冶炼生产的安全风险管控措施。该研究成果在河南省申报了《刚玉冶炼生产安全规程》地方标准，河南省作为全国刚玉生产大省，随着地标标准的发布实施，为刚玉冶炼生产企业提供了可以执行的行业安全生产标准，可降低事故风险，促进刚玉冶炼全行业安全生产工作持续向好发展。