一种用于真空冶炼装置的爆炸风险评估系统及方法与流程

本发明属于冶金安全，具体涉及一种用于真空冶炼装置的爆炸风险评估系统及方法。

背景技术：

1、我国镁冶炼产业规模巨大，2022年原镁产量约占全球90%。随着传统皮江法存在的自动化程度低、能耗高、污染严重等问题日益突出，真空液态喷吹炼镁工艺作为新型绿色冶炼技术应运而生，通过硅铁液还原煅白粉实现连续生产镁蒸汽，显著提高了生产效率和自动化水平。

2、然而，该工艺在反应停止后开盖作业，或者系统管件、阀门微渗漏时，高温镁蒸汽凝华形成的镁粉尘层/尘云与空气接触极易引发燃爆事故。镁粉爆炸具有高温、压力上升速率快、火焰传播复杂等特点，传统抑爆材料效率不足。

3、现有镁粉爆炸研究主要集中在常规粉尘云燃爆特征参数，对真空液态喷吹工艺特有的蒸汽凝华产生的高温粉尘在高温、微氧、变氧浓度条件下的动态燃爆特性、爆炸等级评估以及定量风险评价鲜有研究。现有技术缺乏能够模拟真实工况下开盖过程空气置换和管件渗漏的专用评估系统，无法获得实际工况下的燃爆极限氧气量、爆炸压力、火焰温度等关键参数，导致风险防控措施（如氩气惰化最佳浓度与流量阈值、靶向抑爆材料设计）缺乏定量数据支持，安全生产隐患突出。

4、经开展国内外现状研究表明，现有燃爆测试系统无法同时实现还原炉内壁温度梯度模拟、负压抑爆环境维持、镁粉气化过程再现及空气体积可控注入等功能，无法满足真空液态喷吹炼镁工艺对粉尘燃爆风险定量评估的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于真空冶炼装置的爆炸风险评估系统及方法，该爆炸风险评估系统能够对真空冶炼装置在实际运行过程中的爆炸风险进行定量评估，获得燃爆参数数据，为真空冶炼风险防控及安全泄压提供可靠依据。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种用于真空冶炼装置的爆炸风险评估系统，该爆炸风险评估系统包括底座、测试容器、自动开盖系统、环形围挡、冶炼气化炉、真空系统、抑爆系统、空气进样系统、爆炸检测系统、综合控制及数据采集处理系统；

4、所述测试容器、所述自动开盖系统、综合控制及数据采集处理系统均固定安装于所述底座上；所述测试容器的内部形成密闭空腔，用于模拟还原炉；所述自动开盖系统用于自动开闭所述测试容器的顶盖；所述冶炼气化炉安装于所述测试容器的密闭空腔内，用于加热内部的金属镁并使其气化；所述环形围挡设置于所述测试容器的内壁与所述冶炼气化炉之间，用于模拟反应停止后不同阶段的还原炉内壁温度；

5、所述真空系统、所述抑爆系统、所述空气进样系统以及所述爆炸检测系统均与所述测试容器的密闭空腔相连通；所述真空系统用于对所述测试容器进行抽真空并维持所述测试容器内的负压环境；所述抑爆系统用于向所述测试容器内提供惰性气体以维持抑爆环境；所述空气进样系统用于向所述测试容器内注入空气以模拟所述测试容器的开盖过程或管件渗漏过程；所述爆炸检测系统用于根据所述测试容器内的压力和温度判断是否发生爆炸；

6、所述综合控制及数据采集处理系统用于控制所述自动开盖系统、所述冶炼气化炉、所述环形围挡、所述真空系统、所述抑爆系统、所述空气进样系统以及所述爆炸检测系统自动工作，并采集所述测试容器内的压力、温度参数和存储数据。

7、更进一步地，所述测试容器采用不锈钢材料制成，最大承压为2mpa；所述测试容器的容器壁采用夹层结构，并设置有夹层空腔以及与所述夹层空腔连通的冷却液入口和冷却液出口；

8、所述冶炼气化炉包括石墨坩埚和设置于所述石墨坩埚外围的高频电磁加热系统；所述高频电磁加热系统与所述综合控制及数据采集处理系统连接，用于使所述石墨坩埚内的金属镁气化，从而模拟镁粉尘云；

9、所述环形围挡配置有与所述综合控制及数据采集处理系统连接的陶瓷加热器；所述陶瓷加热器用于模拟环境温度至400℃范围内的还原炉内壁热辐射环境，控温精度为±3℃。

10、更进一步地，所述自动开盖系统采用气动执行机构或电动执行机构。

11、更进一步地，所述真空系统包括用于测量所述测试容器内部压力的高精度压力传感器；

12、所述抑爆系统为氩气供给系统。

13、更进一步地，所述空气进样系统的进样分辨率为1ml，最大承压为4mpa；

14、所述空气进样系统与设置于所述顶盖上的进气接口相连，并在所述空气进样系统的进气管路中安装有用于防止爆炸产生的高压粉尘倒灌的阻隔系统。

15、更进一步地，所述爆炸检测系统包括安装于所述顶盖的高速压力传感器和高速火焰温度传感器；所述高速压力传感器的参数为：检测范围0-4mpa、绝压、分辨率0.001mpa；所述高速火焰温度传感器的参数为：检测范围0-1600℃、分辨率1℃。

16、更进一步地，所述综合控制及数据采集处理系统的采样率为5ksps，采样时间间隔为0.2ms，最大采样时间为6s，用于通过采集的参数绘制成压力-温度-时间曲线并存储至数据文件。

17、第二方面，本发明还提供了一种用于真空冶炼装置的爆炸风险评估方法，该爆炸风险评估方法采用上述爆炸风险评估系统进行爆炸风险评估，包括以下步骤：

18、样品准备，将镁块置于真空干燥箱内干燥至少24小时，称量预定质量的镁块；

19、设备检查与装料；

20、加热前准备，通过真空系统对测试容器抽真空至2kpa，通过抑爆系统和真空系统多次循环充入氩气并抽真空，维持测试容器内的负压抑爆环境，并将测试容器的冷却液入口和冷却液出口与散热器连通；

21、加热，通过综合控制及数据采集处理系统自动打开陶瓷加热器，将测试容器内部加热至设定温度，通过综合控制及数据采集处理系统控制冶炼气化炉加热至1000℃，待镁块完全气化变为镁粉粉尘云后控制冶炼气化炉停止加热，并控制陶瓷加热器始终保持开启；

22、采用负压测量方式模拟管件渗漏或者采用正压测量方式模拟测试容器开盖过程，通过向测试容器内注入体积可控的空气，测量镁粉在预定压力、温度下发生爆炸的极限氧气量。

23、更进一步地，采用负压测量方式模拟管件渗漏过程，具体包括：通过空气进样系统和抑爆系统向测试容器内持续注入定容弹（氧气和氩气的混合气体），通过爆炸检测系统对测试容器内的压力和温度进行实时监测，当检测到压力突升和温度骤增时判断发生爆炸，通过综合控制及数据采集处理系统自动采集爆炸参数并存储，绘制爆炸参数-时间曲线，获得该工况下的极限氧气量值；持续注入混合气体直至所有镁粉均发生爆炸变为氧化镁后开盖，清理测试容器内部的反应产物。

24、更进一步地，采用正压测量方式模拟测试容器开盖过程，具体包括：

25、通过空气进样系统和抑爆系统向测试容器内持续注入定容弹（氧气和氩气的混合气体），当压力传感器检测到测试容器内部压力增至正压时，打开测试容器底部的泄压阀，保持测试容器内部压力始终为正压，直至所有镁粉均发生爆炸变为氧化镁；通过综合控制及数据采集处理系统自动采集爆炸参数并存储到数据文件，绘制爆炸参数-时间曲线，获得开盖工况下的爆炸压力峰值、火焰温度及临界空气量。

26、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

27、本发明的爆炸风险评估系统及方法用于真空冶炼装置的爆炸风险评估，通过模拟反应停止后的开盖过程空气置换和管件渗漏过程，向测试容器注入可控体积的空气或氧气，测量镁粉在特定浓度、温度下发生爆炸的极限氧气量，定量评估爆炸风险。因此，采用上述爆炸风险评估系统及方法能够实现对真空冶炼装置实际运行过程中开盖作业及系统渗漏引发的爆炸风险进行定量评估，为镁粉尘燃爆风险防控、安全泄压设计及抑爆技术开发提供可靠数据支持，显著提升真空液态喷吹炼镁工艺的安全性。