某滴注式气体渗碳炉爆炸原因探讨

侯帅帅* 曾现琛 胡家琨 付春霞

（1.青岛市产品质量监督检验研究院 2.青岛市产品质量检验技术研究所）

0 前言

井式气体渗碳炉目前应用十分广泛，各种零件的渗碳工艺大多数是在井式气体渗碳炉中进行的。过去，人们对这种电阻炉的爆炸危险认识不足，设备操作规程和安全培训中也很少提及其危险性。但事实上，生产过程中经常发生这种爆炸事故，王贤敏[1]研究并分析了爆炸原因及预防措施。现结合实际工作，对某井式电阻炉发生爆炸的原因进行了分析。

1 事故情况

发生爆炸的井式电阻炉为滴注式气体渗碳炉，其工作原理是将两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生较高的气体碳势，起富化作用，另一种液体产生较低的气体碳势，起稀释作用，通过合理控制这两种液体的滴入比例并保持一定时间，使碳渗入到零件表面中，从而达到表面增碳并控制在一定范围内的要求。该电阻炉主要由炉盖、炉壳、炉衬、炉盖升降机构、炉用密封风机、马弗罐、加热元件、水冷却系统、电控系统及利用渗碳剂产生合成气氛的滴注系统等部分组成。按照实际用途来分，其主要用于钢制工件渗碳，因此可称为渗碳炉；从加热方式来分，是利用间接电阻进行加热，属于间接电阻炉；从结构来分，属于井式电阻炉；从对流方式来分，属于强迫对流式电阻炉[2]。

该电阻所用渗碳剂为煤油和酒精，温度记录纸上指针所指位置约为550 ℃；马弗罐内料筐中装有渗碳工件，罐内碳黑很少；爆炸后炉盖整体脱离炉体，斜靠在炉体旁边。用于连接炉盖和罐体的螺栓共有10套，其中9 套已发生断裂，断裂部位均位于螺栓与螺栓之间连接的焊接处，焊缝存在气孔、夹渣、焊缝不均匀等缺陷，未发生断裂的螺栓也已经产生变形。

经现场勘验、鉴定，取以下部件样本后进行检验：渗碳剂滴注器，3 套用于连接炉盖与罐体的螺栓，6 件渗碳工件（从马弗罐中料筐的上、中、下三个部位各取2 件工件，分别编号为1#～6#）。

2 检验结果

渗碳剂滴注器检验结果表明：该滴注器为针阀结构，2 个阀门均无渗漏现象。

螺栓检验结果表明：3 套螺栓断裂部位均存在气孔、夹渣、焊缝不均匀等质量缺陷。

工件检验结果表明：工件表面均有锈迹，氧化皮较少；对6 件渗碳工件进行切割后制取金相试样，用体积分数为3%硝酸酒精溶液进行腐蚀，再使用蔡司Imager.M2M 金相显微镜观察，6 件工件均没有出现渗碳层，也没有出现脱碳现象，详见图1。

3 爆炸原因分析

根据现场情况及检验结果，该电阻炉主要用于进行钢件的渗碳处理，由于无法获得当时的具体生产工艺状态及相关技术参数，按照渗碳热处理生产发生事故的可能性进行以下分析。

（1）从连接炉盖和罐体的螺栓来分析，现场9 套螺栓发生断裂，1 套螺栓未断裂但产生了变形，通过断裂和变形情况可以看出，螺栓是在瞬间受到强烈的纵向力后从焊缝处断裂，导致质量较大的炉盖从炉体上脱离掉落至井坑底部。根据现场的情况来看，炉盖上的排气管和观察孔都处于开启状态，因此罐内的气压不是慢慢累积达到物理爆炸的极限，而是瞬间急剧变大，从而发生化学爆炸。

图1 工件渗碳层

引发化学爆炸的条件为：可燃气体与空气（或氧气）必须同时存在，缺一不可；当可燃气体与空气（或氧气）在低于其自燃点的条件下，相互混合并且其比例达到一定的范围内（爆炸极限以内）；以上气体混合物在具有足够温度或能量的着火源的作用下[3]。上述三个条件同时被满足，可燃气体才会发生爆炸。在本次爆炸中着火源只涉及马弗炉内壁的炽热表面和被加热的工件。

（2）从现场取样的渗碳工件表面来看，氧化皮较少，表明工件没有经历太高温度的氧化反应。根据所取渗碳工件的金相检验结果可知，6 件渗碳工件均没有出现渗碳层，这表明事故发生时，工件还未进行到渗碳阶段，或者刚开始进入到滴注阶段。6 件渗碳工件均没有出现脱碳现象，这表明事故发生时，炉内温度应该在700 ℃以下，或者刚开始进入到滴注阶段。

按照滴注式渗碳工艺的要求，炉温低于750 ℃时，不得向炉内滴入任何有机溶液[4]。因此，以750 ℃为分界点，分别对低于750 ℃和高于750 ℃时的情况进行分析。

当炉温低于750 ℃时，正常情况下，在该温度阶段是不允许滴入渗碳剂的，炉内只有空气，因此不具备发生化学爆炸的条件。如果在该温度阶段加入了滴注剂，或者由于其他因素导致炉内存在滴注剂，在温度升高至滴注剂的自燃点之前，滴注剂已达到了沸点，因此以酒精蒸汽和煤油蒸汽的状态存在，炉内空气与滴注剂蒸汽相互混合。当炉内温度达到或超过滴注剂的自燃点，且滴注剂蒸汽的体积分数达到爆炸极限时，就会发生爆炸。渗碳剂性质和渗碳特性[5]可见表1。

表1 渗碳剂性质和渗碳特性

另外，当炉温低于750 ℃时，若炉内出现负压情况，空气则被吸入炉内，与炉内的可燃性气体混合并达到爆炸极限，从而发生爆炸。

当炉温高于750 ℃时，渗碳剂滴入后会立刻成为渗碳剂蒸汽或者是部分热裂解的产物（通常为CH4，CO，[C]，H2等）。由于760 ℃已经超过渗碳剂蒸汽和热裂解产物的自燃点，所以不具备与空气充分混合的打条件，渗碳剂滴入后便发生燃烧，直到将炉内的氧气消耗完毕。因此，炉温在高于760 ℃时发生爆炸的可能性比较小。

4 结论

根据现场情况及检验结果进行分析后可知，该电阻炉发生爆炸的原因可能为：（1）炉温低于750 ℃时，向炉内滴入渗碳剂或者由于其他因素导致炉内存在滴注剂，当炉内温度达到或超过滴注剂的自燃点，且滴注剂蒸汽的体积分数达到爆炸极限时，就会发生爆炸事故；（2）炉温低于750 ℃时，炉内出现负压的情况，空气被吸入炉内，与炉内的可燃性气体混合并达到爆炸极限，从而发生爆炸事故。

为了避免渗碳炉发生爆炸事故，应注意以下几个问题：（1）要通过正规厂家购买符合国家标准的电阻炉，随炉附件应包括铭牌、说明书、生产厂家等，确保购买到的产品设计合理、质量合格；（2）应特别注意电阻炉中安全装置的设置及有效状态，定期进行整定或更换；（3）要加强对操作、使用和维护人员的培训，确保相关人员既能懂操作，又能懂原理，关键时刻能够保护自身安全。