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对氧枪氧管材质问题的探讨

随着我国钢铁工业的快速发展，氧枪的重要性越来越突出，发展的越来越完善，主要有氧枪的水道系统设计、气道设计、外管的变化，形式的突破等等。近来对于氧枪的氧管材质的问题也越来越重视，许多钢厂都采用了不锈钢管（1Cr18Ni9Ti），主要是为了杜绝回火燃烧，但不锈钢管与低碳无缝管那一个更适合做氧管材质？本文将对氧气管道的燃烧机理、着火源、材质选用、氧气流速以及有关安全问题进行以下的探讨。

1 氧气管道的燃烧机理
1.1 铁的燃烧
氧气管道发生的安全事故，一般均为着火燃烧和燃爆。氧气是强助燃气体，当温度达到钢管燃点时，铁与氧就进行燃烧反应。铁在氧气中一旦燃烧起来，其燃烧热非常大，温度急骤上升，呈白炽状态。燃烧生成物为熔融状态的氧化铁。只要氧继续供给，燃烧就会连续进行。铁在氧气中燃烧的反应式：
Fe＋(3/4)O2®(1/2)Fe2O3
97.6 kcal(408.63 kJ)/mol
铁的原子厚m=55.85
1 克铁的反应热为：
97.6/55.85=1.75 kcal/g
1 克铁燃烧需氧气量：
3/4×22.4/55.85=0.3 l/g
金属燃烧分为两相：着火和燃烧。着火是第一相，它是在燃烧之前；燃烧是第二相，是金属与氧急剧化合，产生光和热。

1.2 金属材料的燃烧特性
金属在氧气中非常容易燃烧，氧气纯度愈高，燃烧速度愈快；氧气压力愈高，金属着火点愈低。铁的粉粒愈小，着火点愈低。
10 目～20 目 铁粉 421℃
20 目～30 目 铁粉 408℃
30 目～50 目 铁粉 392℃
100 目 铁粉 382℃
200 目 铁粉 315℃
铁块 842℃～948℃
氧气管道开始着火燃烧，管壁要达到800℃～900℃高温。

常用金属材料的燃烧特性列于表1。

对金属材料燃烧特性主要考虑以下四个条件：
1) 燃烧温度：燃烧温度愈低，愈容易着火。
2) 抗燃烧能力：共分4 级，1 级抗燃烧能力最强，4 级最弱。抗燃烧能力愈强，愈不容燃烧。
3) 燃烧速度：分4 级，1 级燃烧速度最快，4级不扩散燃烧。
4) 热导率：热导率大，散热快，燃烧速度慢。
金属的抗燃烧能力取决于以下因素：达到着火点所必需的活化能、金属的热导率、达到着火点前金属表面形成氧化物特性、金属的质量和形状。
1.3 常用管材的抗燃烧性能比较

表 1 常用金属材料燃烧特性
金属名称
空气中常压下燃烧温度
（℃）
不同氧气压力下燃烧温度（℃）
抗燃烧能力
（级次）
燃烧速度
（级次）
热导率
(W/m.k)
3.0 MPa
7.0 MPa
12.6 MPa
铜
1003～1085
886～904
836～854
806～824
1
4
106～407
不锈钢
1367～1380
1135
/1112
/
2
2
24.5
低碳钢
1278～1290
1118
1006
928
3
3
48
铁
931～948
826～842
741～758
592～630
/
/
/
铝
661～678

4

1) 铜管
铜管摩擦不起火，抗燃烧能力最强，不扩散燃烧。铜管在燃烧前先熔化，因而使燃烧不能继续进行。在着火能一经消散之后，马上就会停止燃烧。铜管热导率大，抗腐蚀性能好。但铜管价格较高，强度低，焊接性能不好。为提高焊接性能，可采用脱氧铜（TU1 含铜99.97%，TU2 含铜99.95％）。白铜（铜镍合金，含镍约10％）焊接性能好，可与碳钢及不锈钢焊接，但价格更高。
2) 碳钢和不锈钢管
碳钢管燃烧温度稍低，燃烧速度快，抗燃烧性能差。不锈钢燃烧温度比碳钢高，着火较困难，但一旦燃烧起来比碳钢的燃烧速度还要快些、激烈些。碳钢管和不锈钢管在着火能消散之后仍继续燃烧，直到供氧不足难以维持燃烧或由于热量消散使反应温度低于燃点时，燃烧才会停止。不锈钢管的抗燃烧能力介于碳钢和铜管之间。当有足够的氧且燃烧热不能急速消散时，碳钢管和不锈钢管都会在氧气中扩散燃烧。
3) 铝管
铝管在氧气中燃烧得非常急速，抗燃烧能力最差，一般不选用。

2 氧气管道燃烧的条件及产生火源的因素
2.1 W.Wegener 试验的主要结果W.Wegener 用不同物质在不同流速的氧气流中进行多次着火燃烧试验，其主要结果如下：
1) 氧气流中掺入铁锈、高炉灰和沙子在始端压力2.8 MPa，流速53 m/s；末端压力
1.7 MPa，流速85 m/s 的情况下，直管和弯管均无燃烧现象发生。
2) 掺入氧化铁皮（FeO）
在直管段不燃烧，但在弯管中当流速达到53m/s 时，即发生燃烧。
3) 掺入焊渣
当流速为44 m/s 时，直管和弯管都发红了，但无燃烧现象发生。
4) 掺入焦炭和烟煤
掺入焦炭时，当流速达30 m/s 时，直管和弯管开始发红，待流速达到53 m/s 时发生燃烧。掺入烟煤时，流速为13 m/s 时，直管段就燃烧。

上述试验结果表明，当氧气管道中只有不可燃烧物质颗粒时，即便是在比较高的氧气流速下，管道也没有燃烧的危险。但有可燃物质颗粒时，只要达到一定流速，管道就可能燃烧。可燃物质的着火点愈低，引起氧气管道燃烧的氧气流速愈低。
这些试验结果是各国探讨和修订氧气管通规范的重要依据。

2.2 氧气管道燃烧的先决条件
经上述试验和各国实践证明，氧气管道发生燃烧事故的先决条件是在氧气管道中存在可燃物质颗粒。
氧气管道的燃烧分两个阶段，第一阶段，氧气管道中低着火点的可燃物质粉末在着火源温度达300℃～400℃时先着火燃烧；第二阶段，可燃物质粉末的燃烧速度很快，能在短时间内放出大量热量，使管道局部产生800℃～900℃高温，导致氧气管道燃烧。
只靠摩擦生热升温，产生热量较小，要形成800℃～900℃的高温是困难的。低着火点可燃物质主要是Fe 和FeO 粉末。

2.3 产生着火源的因素
即便是在氧气管道中存在低着火点的可燃物质粉末，如果没有着火源，管道也不会发生燃烧事故。着火源是氧气管道燃烧的必要条件，在氧气管道系统中，产生着火源有以下三个因素：
1) 固体颗粒的撞击和摩擦
因摩擦产生温升的高低，与氧气流速、固体颗粒的特性、形状及密度有关。氧气管道中的固体颗粒被氧气流带着运动，与管壁产生撞击和摩擦而发热升温。氧气流速愈大，颗粒的加速度愈大，摩擦产生的热量愈多，就愈容易达到可燃物质粉末的着火温度。当流速降低至一定程度。因摩擦而发热升温就不可能达到着火温度，因此，限定氧气流速是避免管道发生燃烧事故的有效措施。
2) 绝热压缩升温
当氧气管道阀门快速开启时，阀后原来处于低压的氧气受到阀前高压氧气的急剧压缩，在理论上可能产生接近于绝热压缩的温度。
3) 电位差火花放电
在氧气管出口或调压阀处，可能有超音速流动的气流而形成静电。当氧气完全干燥又带有金属微粒或尘埃时，就特别容易使静电激弧，在此情况下，气体质点与管壁间的电位差可能达到6000V～7000 V。试验时甚至当电位差只有2000 V～2500 V 时，就出现了火花放电。
从上述着火源产生的因素可以看出，氧气管道直管段和弯头处产生着火源只有摩擦升温一个因素，而在阀门和调压阀处这三个着火源因素都会存在。而且此处氧气流速最高，因摩擦升温引起着火的危险更大。从国内外实践经验看，氧气管道燃烧事故多发生在阀门处。为避免事故发生，在设计上应严格按规范要求选用阀门材质和型式，阀后及调压阀前后应设不锈钢或铜短管。

3 氧气管道的流速问题
关于氧气管道流速，世界各国长期沿用在氧气压力£3.0 MPa 下，允许流速£8 m/s，中国在1988 年以前规范规定也是如此。自德国《氧气在钢管中容许流速的研究》报告发表后，使世界各国认识到氧气在钢管中的流速是可以提高的，因此，许多国家均修改氧气管道规范，提高了流速。
目前几个主要国家规定的氧气允许流速见表2。
我国《氧气及相关气体安全技术规程》
（GB16912－1997）对氧气流速规定如下：
压力（MPa）
规定流速（m/s）
³10 （MPa）
6（铜管）
>3.0～<10（MPa）
10（不锈钢）
>0.6～<3.0 （MPa）
15（碳钢）
25（不锈钢）
£0.1 （MPa）
按允许压力降确定

表 2 几个主要国家规定的氧气允许流速
规定的允许流速
德 国
美 国
英 国
法 国
原苏联
日 本
0.1～4 MPa，25 m/s；
>4 MPa，8 m/s。
1.4 MPa，61 m/s；2.1 MPa，36 m/s；2.8 MPa，24 m/s；3.5 MPa，20 m/s。
2.1 MPa，40 m/s；2.8 MPa，15 m/s；4 MPa，8 m/s。
<4 MPa，25 m/s。
<1.6 MPa，30 m/s；1.6 ～4 MPa，16 m/s；4～10 MPa，8 m/s。
日本氧气公司：<4 MPa，25 m/s。新日铁：在允许压力下：15 m/s。

从以上对比数据可明显看出，中国规定的氧气流速均低于表2 所列各国流速。
国外规定的氧气流速仅限于碳钢管，不包括不锈钢管和铜管。而GB16912－1977 中，对不锈钢和铜管也有限定。

4 氧气管道材质的选择
4.1 国外的选材情况
在国外输送氧气压力约3 MPa 的厂区管道包括管件都是采用碳素钢管，氧压机入口管道也是采用碳素钢管。氧压机各段的连接管道，各国的作法不一致，德国、日本采用不锈钢管，其理由是，压缩温升高（160℃～180℃），不锈钢可提高流速，缩小管径，无铁锈进入气缸，而美国则采用碳钢管。
调压阀组前后流速变化大，一般采用一段不锈钢管，也有的采用脱氧铜管。炼钢车间供氧主干管采用碳钢管，但通往每个转炉的氧枪管道采用铜管。
4.2 国内规范规定
按国内GB16912－1997 规定，氧气压力为0.6MPa～£3 MPa 的氧气管道，可以采用碳钢无缝钢管，但在氧压车间内部必须采用不锈钢管。对氧气站站区内、氧气球罐区及炼钢车间的供氧主管未作特别规定，因这些场合供氧压力£3.0 MPa，从规范理解上讲可以采用碳钢无缝钢管。
从以上资料可以看出，国内规范，对0.6 MPa～3MPa 的氧气管道所采用的材质，除氧压车间较高外，与其它各国规定基本一致。

5 对氧气管道材质选用的意见
5.1着火原因：
氧枪氧管起火的唯一原因是回火。回火的原因有两种，一是在副枪取样时，为了能精确的取得良好的数据，必需将氧枪的氧枪降低到原氧压70%以下，当氧压在瞬间发生较大变化时，喷头气道将形成瞬间的负压，有可能将炉渣吸入氧孔，引起燃烧；二是在点吹前，关氧点设置偏差或手动关氧，在泡沫渣中关氧，喷头氧孔吸渣，点吹时开氧引起燃烧。炉渣的温度都在1550-1600℃以上，这个温度对于不锈钢或者是碳钢，其温度都足够引起燃烧，而且
不锈钢一旦燃烧起来比碳钢的燃烧速度还要快些、激烈些。
5.2氧气的影响
送氧管道采用不锈钢主要是为了防锈，也就是降低管道中生成异物颗粒的可能。目前国内钢厂采用的都是干氧，生锈的可能几乎没有，即使采用湿氧，因氧枪的使用形式，自然落差排除及高速吹扫，氧管内没有存储水分的可能。理论上微观产生锈蚀的颗粒，其大小也远远大于200目，没有燃点。
5.3氧枪形状的影响
氧枪氧气管道由两部分组成，一是枪尾弯管，二是枪身直管。直管段如上所述，没有燃烧的条件，但在修理氧枪或更换喷头是，氧气弯管内有残留异物的可能，有燃烧的条件。在氧气管道的管件（弯头、变径管及三通）处，由于流速急剧变化，当气流中有可燃物质存在时，将产生剧烈摩擦，导致燃烧事故发生。为避免此类事故发生，主要靠限制氧气流速和提高管件的制作质量。
5.4氧气流速的影响
根据我国《氧气及相关气体安全技术规程》（GB16912－1997）在>0.6～<3.0（MPa）时，不锈钢及碳钢都是可以使用的，氧枪使用的压力的上限就是在这个范围之内。

我国氧枪制作从历史上并未有行业标准，在1980年以前，氧枪根本没有专业制造厂商，在1990年前后，冶金工业部曾经希望设立行业标准，包括氧枪制作的材质、各吨位氧枪的三层管直径，各配件的使用年限等标准，但随着冶金工业部的解散，再没有国家管理部门过问此事，目前各制造商都是参照其他行业的标准进行工艺设计，就氧枪氧管材质而言，惯例是直管段采用碳钢无缝管，氧气弯管采用不锈钢管，曾经有西北某钢厂采用过紫铜管制作氧枪氧管，但是其造价太过高昂，很快就放弃了。
综上所述，对采用碳钢的氧气管道，有的工程设计中为提高管件的安全性，一律采用不锈钢管件，但GB16912－1997 中并无此要求。本人认为，只要按规范规定选取氧气流速和保证管件的制作质量，对碳钢氧气管道没有必要采用不锈钢管件。因为不锈钢管件要比碳钢管件造价高10 倍以上，从经济上考虑采用碳钢管件是合理的。

沈阳东冶汉森冶金装备有限公司
刘天壮
2012-04-17

参考文献：

《武钢技术》 1987年09期 复吹氧气转炉吹炼过程中炉渣的形成及温度变化--李荣春
1963年德国材料试验所W-Wegener《氧气在钢管中容许流速的研究》
2002年第3期 《钢铁技术》对氧气管道安全问题的探讨--贾德训