цветные металлы
УДК 621.745:669.295:669.014.85
РАСЧЕТ ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА ВОДОРОДнО-ВОЗДУШнОЙ СМЕСИ
на защитные устройства вакуумно-дуговой печи плавления титана
© Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, проф.; Янковский Иван Григорьевич, канд. техн. наук; Козлов Александр Андреевич, канд. техн. наук; Украинцева Татьяна Васильевна, канд. техн. наук Санкт Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Россия, Санкт-Петербург. E-mail: t.ukraintseva@mail.ru
Статья поступила 09.06.2010 г.
Проведен анализ опасностей, сопутствующих процессу плавки титана в вакуумно-дуговых печах. Показана возможность интенсивного выделения водорода, возникающего при разгерметизации стенки кристаллизатора и поступлении воды в расплав титана. Выявлены параметры взрыва водородно-воздушной смеси, предложена методика расчета конструктивных параметров защитных устройств вакуумно-дуговой печи плавления титана.
Ключевые слова: взрыв; смесь водорода с воздухом; плавление титана; авария; защитные устройства.
Промышленное производство титана начато на Урале более 50 лет назад. В настоящее время Российская Федерация занимает одно из ведущих мест в мире по объему его производства. В России и за ее пределами титан выплавляют в вакуумно-дуговых (ВДП), электрошлаковых и гарнисажных печах плаз-менно-дуговым или электронно-лучевым способом. Наибольшее распространение получила технология производства слитков титана в ВДП, включающая в себя приготовление шихты, прессование расходного электрода, первую вакуумно-дуговую плавку в водо-охлаждаемом кристаллизаторе, вторую вакуумно-ду-говую плавку в водоохлаждаемом кристаллизаторе большего диаметра, механическую обработку слитков, контроль химического состава, механических свойств и наличия внутренних дефектов.
Рис. 1 Общий вид вакуумно-дуговой печи:
1 - защитное устройство; 2 - привод; 3 - приямок; 4 - кристаллизатор
Выплавку слитков первого и второго переплавов производят в однотипных печах (рис. 1).
Применение вакуума и высоких температур требует строгого соблюдения правил безопасности при ведении технологического процесса. Это связано с тем, что при возможном прожоге стенок водоохлаждаемого кристаллизатора и попадании воды в его рабочее пространство расплавленный титан реагирует с ней с выделением водорода. Если при этом в печь попадет воздух через неплотности конструкции, которые могут возникнуть вследствие резкого повышения давления смеси водорода и водяного пара (даже при наличии устройств сброса давления), может образоваться взрывоопасная водородно-воздушная смесь. В этом случае при наличии источника воспламенения (электрической дуги и/или высокой температуры) возможен взрыв. Схема причинно-следственных связей (динамика развития) аварии на вакуумно-дуговой печи приведена на рис. 2.
Таким образом, анализ приведенной схемы показывает, что в процессе плавления титана в ВДП существует вероятность взрыва водородно-воздушной смеси не только внутри кристаллизатора и вакуумной камеры, но и внутри защитных устройств (металлический кожух, железобетонный приямок - фундамент).
Для оценки разрушающей способности взрыва внутри технологического оборудования необходимо знать максимальное давление ударной волны и импульс взрыва [1]. Расчет величины избыточного давления (Ар, кПа), развиваемого при сгорании водород-но-воздушной смеси в замкнутом объеме, известен и определяется в соответствии с ГОСТ Р 12.3.047-98.
Помимо избыточного давления на устойчивость аппаратов и их защитных устройств к действию взры- 5 ва значительное влияние оказывает импульс воздействия ударной волны. Его расчет при взрыве горючих § газовоздушных смесей внутри технологического оборудования осуществляется, как правило, исходя из до- | пущения аналогии с взрывом точечного эквивалент- 5 ного заряда взрывчатого вещества (ВВ), размещенного г
Рис. 2. Схема причинно-следственных связей (динамика развития) аварии на вакуумно-дуговой печи:
1 - прожог стенки кристаллизатора; 2 - износ или усталость материала
кристаллизатора; 3 - гидроудары в водяной рубашке кристаллизатора; 4 - выход параметров (давление, температура) воды в рубашке кристаллизатора
за критические значения; 5 - ошибка обслуживающего и ремонтного персонала
на некотором расстоянии от преграды. Однако существующая методология не учитывает различия схем формирования и эволюции ударных волн при детонации конденсированных ВВ и горючих газовоздушных смесей (рис. 3). К таким различиям относятся:
- продолжительность положительной фазы сжатия взрывоопасной газовой смеси (^-т4) в 8 раз больше фазы сжатия продуктов взрыва конденсированных ВВ (т1-т2);
- распространение ударной волны при взрыве конденсированного ВВ осуществляется в воздушной среде с резким падением избыточного давления по мере удаления от заряда, в то время как в случае взрыва газовоздушных смесей ударная волна распространяется внутри этой среды с постоянной скоростью и избыточным давлением во фронте;
- величина удельного импульса при взрыве конденсированного ВВ зависит от взаимного расположе-
но Рк
Рг
тз т4
т5 т6
Рис. 3. Схема формирования и эволюции ударных волн:
К - взрыв конденсированных ВВ; Г - взрыв газовоздушной смеси
т
ния заряда и преграды и является переменной, а при взрыве газовоздушных смесей, заполняющих аппарат, величина удельного импульса постоянна.
Удельный импульс определяется как функция времени амплитуды избыточного давления Ар на единицу площади поверхности и рассчитывается по формуле [1] /уд = Арт, Па-с/м2, (1)
где т - время действия ударной волны на преграду, с.
Известно, что основной характеристикой динамики развития взрыва является скорость роста давления (Эр/Эт), которая зависит от физико-химических свойств взрывоопасной среды, степени турбулизации ее в аппарате, от объема и формы аппарата и других факторов*.
В данной работе предлагается концепция оценки воздействия параметров взрыва (давление ударной волны и ее импульса) внутри оборудования. При этом максимальная скорость роста давления в аппарате определяется по формуле [2]
ер/8г = Кт(др/дг0)Рр*б+Ро \JVJ\T, мПа/с , (2) Ро
где Кт = 2^5 - коэффициент турбулизации фронта пламени; Эр/Эт0 - максимальная скорость роста давления, определенная в экспериментальной бомбе объемом У0 = 0,01 м3 при взрыве смеси технологической среды с воздухом, имеющей оптимальную концентрацию и содержащейся без начального избыточного давления при 300 К (для стехиометрической смеси водорода с воздухом - 63 МПа/с [3]); рраб - давление в объеме (аппарата, помещения), МПа; р0 - атмосферное давление, МПа; Усв - свободный объем (аппарата, помещения), м3.
Максимальная скорость роста давления, с другой стороны, определяется соотношением [1]
Эр/Эт = 2Ар/т. (3)
С учетом того, что доля энергии взрыва водород-но-воздушной смеси, затрачиваемой непосредственно на формирование ударной волны, составляет 40% [1], получим
(4)
др/дх
Для расчета прочностных характеристик защитных устройств при воздействии ударных волн взрыва внутри элементов ВДП использовали методику [4], основанную на определении предельно допустимых прогибов конструкций, вызываемых действием ударной волны.
С учетом специфики взрыва газовоздушных смесей в соответствии с зависимостями (1) - (4) приняты следующие допущения:
- сложные пространственные конструкции расчленяются на отдельные элементы (например, плиты с различным способом закрепления - железобетонные или стальные стены, потолки, полы);
- импульс от ударной волны взрыва равномерно распределен по площади;
- при расчете железобетонных конструкций принято, что конструкция имеет насыщение арматурой 2-2,5% (двойное армирование).
Расчет ведется по предельным прогибам, при этом за предельное состояние принимаются прогибы в долях от пролета (К): для стали - 0,01; для железобетона - 0,002; для бетона - 0,0002; для кирпичной кладки -0,00015; для оргстекла - 0,02.
Прогиб плиты от воздействия полного импульса ударной волны определяется по формуле
/ = Р?" 7
(5)
где a, b - размеры сторон плиты, м; I - суммарный импульс, Па^с; E - модуль упругости материала плиты, Па; ц - масса единицы объема, кг/м3; р - коэффициент, зависящий от способов закрепления плиты; h - толщина плиты, м.
Предельный прогиб плиты должен соответствовать условию
/пр < bK (6)
при a > b (b - меньшая сторона плиты).
Суммарный (полный) импульс, который вызовет предельный прогиб, определяется как
I = I^abb, (7)
где 1уд - удельный импульс, определяемый по формуле (1) с учетом (4).
Расчетная минимальная толщина стенки защитного устройства, определяемая по формулам (5) и (7), составляет /ТТГ Т
А = (8)
\ ък £, '
где р - коэффициент, определяемый по табл. 1; £ = д/Ёц - коэффициент, зависящий от материала конструкции. Значения коэффициента ^-10-7 (Н-с/м3) для различных материалов приведены ниже:
Материал Коэффициент ^'10-7
Сталь 4,1
Латунь 2,88
Железобетон, марка
100 0,54
200 0,7
300 0,81
400 0,87
500 0,91
Кирпич 0,127
Оргстекло 0,151
Таблица 1. Значения коэффициента в = a/b в зависимости от способа закрепления плиты
а/b Плита, свободно Плита, защемленная
опертая по контуру по контуру
1 0,288 0,166
2 0,115 0,100
3 0,069 0,058
1 ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля».
Таблица 2. Результаты расчета минимальной толщины стенки защитного устройства в зависимости от сценария развития аварии и размеров оборудования (высотахдлинахширина, м)
Параметры С (3,83x3,8x3,1) С2 (2,5x3,8x3,1) С3 (3,6x3,8x3,1) С4 (5,4x6,0x3,6)
Кв, M3 36,1 23,6 34 105
Ар, кПа 177 177 176 176
т, с 3,5-10-3 3,0-10-3 42 3,4-10-3 4,9-10-3
j w (П 1а-с)/м2 hmax, M 0,022 212 0,022 0,021 0,058
Минимальную толщину стенки защитного устройства рассчитывали для следующих сценариев развития аварии:
С1 - взрыв водородно-воздушной смеси в объеме нижней секции кожуха печи;
С2 - взрыв водородно-воздушной смеси в объеме средней секции кожуха печи;
С3 - взрыв водородно-воздушной смеси в объеме верхней секции кожуха печи;
С4 - взрыв водородно-воздушной смеси в объеме приямка печи.
Результаты расчета п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.