可控气氛热处理爆炸的因素和规律

可控气氛热处理爆炸的因素及规律

1.可燃气体爆炸的必要条件

可控气氛热处理炉产生的爆炸性危险，常与以下因素有关：

①所使用的保护气氛的类型以及其中易燃组分的含量等；

②炉子本身的结构类型、尺寸因素等，特别是那些温度低于750C的

密封区域的大小和结构特点：

③由于炉子运行中产生的负压和炉子的密封性失效，使空气渗入炉内：

④安全装置的完备性和可靠性：

⑤对故障以及安全隐患的监测、发现和排除；

⑥是否及时、正确地执行了安全操作规程等。

通过大量的安全实践以及对爆炸相关因素的分析和归纳，人们终于发现了可燃气体产生

爆炸的规律性。即可燃气体只有在同时具备下述三个条件的情况下才会发生爆炸：

条件一，可燃气体与空气（或氧气）必须同时存在，缺一不可；

条件二，当可燃气体与空气（或氧气）在低于其着火温度或能量的条件下，相互混合

并且其体积比例达到一定的范围内（爆炸极限以内）

条件三，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。

可以认为，上面的这三个条件是可燃气体发生爆炸的必要条件。也就是只有它们同时被

满足时，可燃气体才会爆炸。

以上三个条件分别对应着可燃气体爆炸时所必须的物质条件、物质的数量和空间分布条

件以及能量条件。同时还指出了形成爆炸的过程条件。

在这里不要孤立地看待这三个条件，而应该注意到形成这些条件的先后顺序。即可燃气

体与空气是先“混合”（先均匀混合成爆炸性混合物），后“点火”的（爆炸性混合物遇着火

源，爆炸开始）。其实这就是形成爆炸的过程条件，也是爆炸发展过程的特点。与此不同,

如果可燃气体与空气是以边燃烧、边混合的方式进行的，那就不会产生爆炸了。当然，此情

况下由于形成的燃烧产物已与条件二的要求完全不相符合，因此不具备爆炸的条件。

需要补充说明的是：爆炸往往是在有限空间内发生的，因为在有限空间内，相对于很大

的开放空间而言，上面说的爆炸条件二更容易实现和保持。所以有限空间只是有利于实现条

件二的一个因素而已。此外，如果在有限的空间内产生了爆炸，将会造成更大的威力和更严

重的危害。

对于不了解生产现场情况的人，感到要防止可燃气体爆炸以乎是很简单、很容易的事；

因为在可燃气体爆炸的三个条件中，只要其中有一个条件不具备或没有被满足，就不能爆炸

了。实际上就可控气氛热处理炉的内部结构及功能特点来说，要想在运行中完全避免或排除

条件三，即排除点火源是很滩的，甚至是不可能的。而空气（通常含21%的氧气）几乎无

处不在，很容易进入炉室。如果不采取特殊的安全技术措施，只要可控气氛炉内出现了条件

二所述的情况，上面提到的这三个条件几乎就会同时被满足了。因此，针对可控气氛热处理

炉的特点，为了预防可燃气体的爆炸，首先要尽一切可能防止爆炸混合物形成，当然在必要

情况F也要严格控制着火源（尤其是炉子外部的生产和工作场地）。从此处的讨论可以说明：

麻痹大意和主观臆断是脱离实际的，是违反科学的，也往往要酿成安全事故的。

在下面将更加深入地介绍有关可燃气体爆炸条件的详细说明和基本知识。

2.可燃气体的燃烧形式

如前所述，可燃气体爆炸的实质，就是在相对有限的空间内，该种气体发生了快速而且

剧烈的燃烧反应。因此可以认为，可燃气体爆炸是其燃烧反应的•种特殊形式。根据可燃气

体的燃烧过程，将可燃气体的燃烧方式分为两种。

（1）混合燃烧

即可燃气体先与空气或氧气按一定比例均匀混合，然后在点火源的作用下进行燃烧。其

特点是燃烧反应迅速，燃烧反应的温度高，火焰传播速度很快。可燃气体的爆炸反应即属此

类。亦称动力燃烧或爆炸式燃烧。

（2）扩散燃烧

可燃气体与空气或氧气的混合，是在燃烧过程中进行的，又可分为以下两种情况：

①可燃气体从输送管道中流出（非高压喷射），在管道出口处的引燃

火焰中与周围的空气或氧气接触，一边混合、一边燃烧。如不同形式的燃

气火炬、燃气加热烧嘴等；

②可燃气体（或空气）被单独或分开地输入到（安全温度以上的）

高温炉膛内，可燃气体与氧气通过其分子的相互扩散，在高温炉膛内逐渐

混合、逐渐燃烧。例如刚开始向高温炉膛内输入可燃气体时的燃烧过程；

以上情况下的可燃气体的燃烧速度一般小于0.5m/s,都是一种以气体分

子扩散的方式进行的稳定的燃烧，故称为扩散燃烧。

因此，凡是可燃气体与空气或氧气的混合燃烧反应是以扩散燃烧的方式进行时，只会出

现稳定的燃烧，而不会发生爆炸。

3.可燃气体与空气（或氧气）的混合比例和爆炸极限

（1）爆炸极限

从可燃气体爆炸的条件中知道，当可燃气体与空气或氧气混合达到一定的比例（浓度）

范围时，才会发生爆炸。在此比例（浓度）范围之外，则不会发生.爆炸，这个比例（浓度）

范围的上限、下限分别称为爆炸极限的上限或下限。而其上限、下限所限定的比例（浓度）

范围称为爆炸极限的范围。在不同的可燃气体中，因易燃气体的种类和组分不同，各自具有

不同的爆炸极限。

根据实验可知，可燃气体与空气的混合物并非在任何混合比例下都能燃烧、爆炸。不同

的混合比例，燃烧的速度也不相同。当可燃气体在空气中的比例或浓度稍多于其完全燃烧所

需要的理论浓度时，混合物的燃烧速度最快。若增加或减少可燃气体的浓度，相应的火焰蔓

延速度都会降低。当可燃气体的浓度低于某最低的极限浓度或高于某最高的极限浓度时.，火

焰便不能菱延。在这里，把能使火焰蔓延的最低浓度，称为该可燃气体与空气的混合物的爆

炸下限；把能使火焰^延的最高浓度，称为该可燃气体与空气的混合物的爆炸上限。有时乂

将其分别称为着火下限或着火上限。此处，关于着火极限与爆炸极限的概念完全相同，火焰

能否硬延与气体混合物能否爆炸的条件是完全一致的。

爆炸极限及范围是评价可燃气体燃烧爆炸危险的主要技术参数之一。爆炸极限的卜限浓

度越低，上限浓度越高，浓度范围越宽，其燃烧爆炸的危险性越大。

可燃气体的爆炸危险性也可用爆炸危险度来表示：

可燃气体爆炸危险度=爆炸极限的浓度范围/爆炸极限的下限浓度

爆炸危险度表明：爆炸极限的浓度范围越宽，爆炸的下限浓度越低，这二者的比值越大,

其爆炸危险性就越大。

在表2-1和图2-1中，分别列举或显示出主要易燃气体或有机液体分解气体的爆炸极限

和它们的分布范围。从表中可以看到，爆炸极限随易燃气体的种类而异，其中乙快气和氢气

都具有很大的极限范围和很低的爆炸下限浓度，可见它们都是极具爆炸危险性的气体。

图2-1M燃气体的爆炸极限及M分布的图

表2-1主要易燃气体或有机液体分解气的爆炸极限

(a)

易燃气体与空气易燃气体与叙气

易燃气体或混合而爆炸时的体混合而爆炸时的体最低着火

化学式

有机液体积比例/%积比例'%温度

的名称/匕

下限上限下限上限

氢气H24.0074.24.6593.9550

一氧化碳CO12.5074.215.5093.9625

甲烷CH45.0015.005.4059.2645

3.00

乙烷C2HG12.504.1050.5530

丙烷c3H82.129.352.355510

正丁烷C4H101.868.411.849490

异丁烷C4H101.808.441.848—

乙烯C2Hs2.7528.602.9079.9540

丙烯C32.0011.102.1052.8455

1-丁烯c4H81.659.95455

2-丁烯aH81.759.70—

乙块c2H22.5080.002.598.1400

汽油—1.16.41.928.8—

吸热式气①—8.5071.80—

氨分解气②—5.4073.10585

(b)

易燃气体与空气

易燃气体或

混合而爆炸时的体沸点闪点自燃点

有机液体化学式

积比例/%/C/V/C

的名称

下限上限

笨c6H61.407.1080.1580

甲苯C7H81.276.75一

二甲笨H101.006.00.1・—

甲醉CH3OH5.536.564.711470

乙醇C2H5OH3.120.078.311〜13425

异丙辞82.212400

(CH3)2CHOH2.012.0

540

丙峭CH3coeH32.113.056.2-19

筋酸乙酯CH3COOC2H52.311.477.1-5

煤油—1.07.5110〜32528435

(D吸热式气的成分，2D%CO,40%也.40%N?.

②氨分解气的成分：25%N2,75%H2.

可燃气体爆炸的条件表明：在混合气体中必须要有氧气，否则可燃气体就不可能燃烧,

也就不会爆炸。所以当可燃或易燃气体及其蒸气、雾状物或易燃粉尘与空气的体积比例过高,

也就是其浓度高于爆炸极限的上限浓度时，由丁•混合气体中的氧气含量不足使火焰不能篁

延，从而爆炸混合物不发生爆炸。相反，当易燃气体及其蒸气、雾状物或易燃粉尘与空气的

体积比例过低，也就是其浓度低于爆炸极限的下限浓度时，由于混合气体中所含的易燃组分

太少，火焰同样不能蔓延，混合物也不可能发生爆炸。

（2）膨响可燃气体爆炸极限和范围的因素

①气体混合物的温度。随气体混合物的原始温度升高，爆炸下限降

低，而爆炸上限增高，相当于爆炸极限范围扩大，爆炸危险性增加。因气体混合物的温

度升高后，增加了分子运动的动能，加快了燃烧反应的速度，原先不能让火焰境延的、处于

爆炸极限之外的浓度变得可以使火焰产生并蔓延了，从而扩大了原先的爆炸极限范围。

②气体混合物的含氧量。增加混合物中的含氧量，会使爆炸极限范围扩大，而月.将其爆

炸上限提高得较多。

③气体混合物中的惰性或中性气体含量。在易爆炸混合物中，随着不燃烧的惰性或中性

气体（如氮、二氧化碳、水蒸气、氨、氮等）含量或浓度的增加，爆炸极限范围将缩小，当

其浓度增加到某一数值时，也可使混合物改变为不能够爆炸。通常情况下，惰性气体浓度的

改变，对混合物爆炸上限的影响比之对下限要显著得多。例如，当惰性气体浓度增加时，会

使爆炸上•限显著下降。

④混合气体的原始压力。随混合气体的原始压力的增大，爆炸极限范围也会扩大，尤其

会显著提高爆炸上限，但爆炸下限的变化不太明显，变化也不规则。相反，当混合气体的原

始压力减少时，爆炸极限范围缩小，压力降至某一-数值时，爆炸上限与下限汇成一点；压力

继续降低，该混合气体则变为不能爆炸。使爆炸极限范围缩小为零的压力，称为爆炸的临界

压力。充分利用临界压力这一有用的概念，在密封的设备或容涔内进行减压操作，可以有效

地免除爆炸危险。当然，前提是设备或容器允许承受所要求的负压。

⑤容器的直径。容器直径越小，火焰就越难在其中硬延，相应的爆炸极限范围就会变得

越小。这是因为管径减小时，氢和氧的自由基与管壁的碰撞的概率也相应增大，如果部分自

由基因此而被销毁，这意味着自由基直接参与链式反应的概率减小r,从而抑制了燃烧反应

的进行。当容器点径或火焰通道的内径小到某一极限数值时，火焰便不能蔓延，即可消除爆

炸危险,此直径称为临界直径,临界直径的数值都很小，例如甲烷的临界直径为0.4〜0.5mm,

氢气和乙块的临界直径仅为。1〜0.2mm,与此相反，随着容器或管道直径的增加，火焰蔓

延、传播的速度会相应增大，但当直径超过某极限值时，火焰传播速度不再增大。

⑥点火能源。点火能源的强度越高，或者点火源使得加热面积越大，

作用时间越长，相应的爆炸极限范围变得越宽。

(3)安全生产和工程中规定的“安全极限”

为了在生产中保证安全，人们针对绝大多数的混合气体中的氧气或可燃气体的含量分别

规定了一个最高允许浓度，即“安全极限只要二者之一是在其允许浓度之下，就不会造

成爆炸危险。在“安全极限”的规定中，氧气浓度的最高允许值是1%，对于易燃气体以(CO

+H2+maxl%CH4)的形式存在的保护气第中，其易燃气体总量的最高允许浓度是5%。

这里需对安全极限作一些重要的说明。

①若易燃组分的总量低于5%(体积)，其中碳氢化合物的比例不得超过1%时，则气体

与空气的混合物不是易爆的;但这仅仅适用于在保护气氛中易燃组分符合(CO+H2+maxl%

CH4)的形式的保护气。最为关键的是炉膛内实际的气体成分，应当认识到，它们可能与进

入炉内的气体会有所不同。例如进入炉内的气体再加上有油蒸汽或粉尘或炭黑，将会增高易

燃成分的浓度。

②在某些短时氧氮共渗工艺中，为加速反应，有时将数量级为1%的可控制氧量添加到

渗氮气氛中。此时，气氛中的氧气浓度可能超过了安全极限的最高允许值。为确保工艺操作

安全，必须对附加气体进行监控测定，严格遵守规定的工艺参数，并且应十分重视炉子制造

商所制定的详细说明。

③一定要清醒地认识到，当外界条件在变化时，例如设备处于某种状态或发生故障时,

炉内的可燃气体与空气（或氧气）的混合比例可能会改变。例如炉门的开启、闭合或者炉子

密封性被破坏时，因气体供应故障使炉压降低时，炉膛温度持续下降时等，外部的空气可能

会乘机进入炉内，有可能使炉内气体组分转变到爆炸极限范围内，从不易爆炸的气体转变为

爆炸性气氛。由此可见，设备的安全品质和安全操作规程能够隧时有效地抵御和防止这些变

化，是确保安全的关键措施。

④在可控气氛热处理炉的作业中，形成爆炸性气氛的倾向以及爆炸的危险程度，主要取

决于炉子的类型、温度和气体种类。危险程度随H2含量和炉子的尺寸的增大而增加。在冷

炉膛和密封炉膛中危险性最大，但不能在危害性减少时便忽视安全措施。相反，应当认真对

待与危险程度有关的注意事项。必须注意，当危险性增加时;应当采取强化的和附加的安全

措施。

4.着火温度和着火源

易燃物（以气体、蒸气或粉尘形式）与空气组成的可引燃的混合物在特定条件下刚刚能

导致着火的最低温度，称之为着火温度。可见，引燃所需的着火温度是随特定条件的改变而

有所变化，即随着可引燃的混合物的种类和组分在变化。而且这个着火温度是由着火源所提

供的。

请注意：这里的着火温度指的是着火源的源头或源点的温度，它意味着，对可燃气体与

空气的混合气体而言，只要是在一个很小范围或局部区域达到了着火温度，尽管其整体所处

的环境温度并未达到着火温度，或者远低于安全温度（750C）之下。此时，在爆炸极限内

的混合气体就具有爆炸危险。

并不是所有的着火源都在起着引爆作用。与上述情况不同，如果先将环境温度（即炉膛

温度）提高到可燃气体的着火温度以上，或者保持在安全温度（750℃）之上，然后将可燃

气体或空气单独输入到该高温炉膛内（注意两种气体在向炉内榆入前并未混合），在高温炉

膛内相互扩散，混合并稳定燃烧。这种情况下，着火源（即高温炉膛）只起引燃作用，而不

会引发爆炸危险。

通常着火源有以下的类别和形式。

（1）热火源

一炽热表面，如炉膛内壁、电加热器导体和辐射加热器管：加热后的工件。

（2）机械火源

-炉内机械运动产生的火花，如气体循环装置（风扇）的运动部件与工件或炉子部件的

摩擦或碰撞引起，也可在井式炉盖移动时产生：

•在工作现场由于摩擦、碰撞等产生的火花。

（3）化学火源

-火焰窜入炉膛，如从保护气出口处及炉门上的喷管和火帘上被引燃后的火焰；

-靠近炉子的引火源：如炉子附近暴露的火焰，火焰切割产生的火焰或火花，工作现场

吸烟引起的火花等；

具有引燃或燃烧催化作用的物质，如炭黑、硫磺或粉状的金属等：

•在室温下就能够触发氧化、分解，与易燃气体发生化学反应，导致发热、自燃的其他

物质。

（4）电火源

-静电火花，雷电火花，电器元件所产生的电弧或电火花：

-在紧靠炉子附近进行焊接时产生的火花。

从以上可以看•出，着火源是以多种形式存在的。但有时候并不直观，它可能隐臧在不易

被人察觉的地方，也有可能在瞬间形成。研究数据表明：使可燃气体燃烧、爆炸，需要的能

量为0.2mJ即可，而人体静电的能量为0.4mJ,几乎是最低着火能量的2倍了。所以，有些

人认为只有“明火”才是“着火源”，只要消除了“明火”就等于消除了“着火源”，这样的

观点是经不起实践检验的。实际匕所谓''明火"，只是看得见的“着火源”，也仅仅是“着

火源”的一种形式而已：但是，正如以上所列举的''着火源"，经常以多种形式存在。因此

认为仅仅消除了“明火”就是消除了“着火源”，是非常有害的错误观点。

在炉子作业时应预料到可能出现的各种着火源，不要被外表现象所蒙蔽。例如，炉子仪

表指示温度只代表炉膛的平均温度，当仪表指示的温度很低时，并不意味着炉内的加热元件

表面的温度也很低。而这时的加热元件有可能起到着火源的作用。

从可燃气体爆炸的必要条件中可知，如果没有点火源存在，那么可燃气体也就不会发生

爆炸。由于可控气氛热处理炉的特殊性，尤其在炉内一般无法徘除“着火源”，因此，我们

不主张将可燃气体直接通入充满空气的冷炉膛内，更不能用空气去直接冲洗或置换充满可燃

气体的冷炉膛

充分地估计到在炉子作业时有可能存在着火源，就必须采取另外的安全措施，以保证不

形成爆炸性气氛。例如，立即采用合适的置换炉内气体的方法，包括用氮气对炉膛进行冲洗

或置换，使炉内气体转变为安全的、不易爆炸的气氛。

5.有限空间

由于爆炸的过程伴随着气体快速燃烧和瞬间的体枳膨胀，而有限空间则妨碍或阻挡了气

体体积的膨胀。因而加大了爆炸的危害。然而对可控气氛热处理炉来说，有限空间又是无法

规避的。

所谓有限空间是相对的，它与可燃气体进入、泄漏或扩散的空间范围有关。如炉膛、辅

助前室，安装在连续机组内的淬火油槽的上方的局部区域内，乜可能是相对封闭的车间、厂

房等较大范围的空间。

对于不同的部位或区域，应当认真采取相应的安全措施。对危险性最大的冷炉膛、密封

炉膛以及前室，应当采取专门的安全措施，例如在开关炉门、送气、排气、换气时执行有针

对性的安全操作规程并配备必要和有效的安全装置。

6.可燃液体的燃爆特性

凡是遇火而受热且与空气（或氧气）接触后即可燃烧和爆炸的液体，称为可燃液体。

可控气氛热