可控氣氛熱處理爆炸的因素及規律

1.可燃氣體爆炸的必要條件

可控氣氛熱處理爐產生的爆炸性危險，常與以下因素有關：

①所使用的保護氣氛的類型以及其中易燃組分的含量等；

②爐子本身的結構類型、尺寸因素等，特別是那些溫度低于750C的

密封區域的大小和結構特點：

③由于爐子運行中產生的負壓和爐子的密封性失效，使空氣滲入爐內：

④安全裝置的完備性和可靠性：

⑤對故障以及安全隱患的監測、發現和排除；

⑥是否及時、正確地執行了安全操作規程等。

通過大量的安全實踐以及對爆炸相關因素的分析和歸納，人們終于發現了可燃氣體產生

爆炸的規律性。即可燃氣體只有在同時具備下述三個條件的情況下才會發生爆炸：

條件一，可燃氣體與空氣（或氧氣）必須同時存在，缺一不可；

條件二，當可燃氣體與空氣（或氧氣）在低于其著火溫度或能量的條件下，相互混合

并且其體積比例達到一定的范圍內（爆炸極限以內）

條件三，以上氣體混合物在具有足夠溫度或能量的著火源的作用下。

可以認為，上面的這三個條件是可燃氣體發生爆炸的必要條件。也就是只有它們同時被

滿足時，可燃氣體才會爆炸。

以上三個條件分別對應著可燃氣體爆炸時所必須的物質條件、物質的數量和空間分布條

件以及能量條件。同時還指出了形成爆炸的過程條件。

在這里不要孤立地看待這三個條件，而應該注意到形成這些條件的先后順序。即可燃氣

體與空氣是先“混合”（先均勻混合成爆炸性混合物），后“點火”的（爆炸性混合物遇著火

源，爆炸開始）。其實這就是形成爆炸的過程條件，也是爆炸發展過程的特點。與此不同,

如果可燃氣體與空氣是以邊燃燒、邊混合的方式進行的，那就不會產生爆炸了。當然，此情

況下由于形成的燃燒產物已與條件二的要求完全不相符合，因此不具備爆炸的條件。

需要補充說明的是：爆炸往往是在有限空間內發生的，因為在有限空間內，相對于很大

的開放空間而言，上面說的爆炸條件二更容易實現和保持。所以有限空間只是有利于實現條

件二的一個因素而已。此外，如果在有限的空間內產生了爆炸，將會造成更大的威力和更嚴

重的危害。

對于不了解生產現場情況的人，感到要防止可燃氣體爆炸以乎是很簡單、很容易的事；

因為在可燃氣體爆炸的三個條件中，只要其中有一個條件不具備或沒有被滿足，就不能爆炸

了。實際上就可控氣氛熱處理爐的內部結構及功能特點來說，要想在運行中完全避免或排除

條件三，即排除點火源是很灘的，甚至是不可能的。而空氣（通常含21%的氧氣）幾乎無

處不在，很容易進入爐室。如果不采取特殊的安全技術措施，只要可控氣氛爐內出現了條件

二所述的情況，上面提到的這三個條件幾乎就會同時被滿足了。因此，針對可控氣氛熱處理

爐的特點，為了預防可燃氣體的爆炸，首先要盡一切可能防止爆炸混合物形成，當然在必要

情況F也要嚴格控制著火源（尤其是爐子外部的生產和工作場地）。從此處的討論可以說明：

麻痹大意和主觀臆斷是脫離實際的，是違反科學的，也往往要釀成安全事故的。

在下面將更加深入地介紹有關可燃氣體爆炸條件的詳細說明和基本知識。

2.可燃氣體的燃燒形式

如前所述，可燃氣體爆炸的實質，就是在相對有限的空間內，該種氣體發生了快速而且

劇烈的燃燒反應。因此可以認為，可燃氣體爆炸是其燃燒反應的?種特殊形式。根據可燃氣

體的燃燒過程，將可燃氣體的燃燒方式分為兩種。

（1）混合燃燒

即可燃氣體先與空氣或氧氣按一定比例均勻混合，然后在點火源的作用下進行燃燒。其

特點是燃燒反應迅速，燃燒反應的溫度高，火焰傳播速度很快。可燃氣體的爆炸反應即屬此

類。亦稱動力燃燒或爆炸式燃燒。

（2）擴散燃燒

可燃氣體與空氣或氧氣的混合，是在燃燒過程中進行的，又可分為以下兩種情況：

①可燃氣體從輸送管道中流出（非高壓噴射），在管道出口處的引燃

火焰中與周圍的空氣或氧氣接觸，一邊混合、一邊燃燒。如不同形式的燃

氣火炬、燃氣加熱燒嘴等；

②可燃氣體（或空氣）被單獨或分開地輸入到（安全溫度以上的）

高溫爐膛內，可燃氣體與氧氣通過其分子的相互擴散，在高溫爐膛內逐漸

混合、逐漸燃燒。例如剛開始向高溫爐膛內輸入可燃氣體時的燃燒過程；

以上情況下的可燃氣體的燃燒速度一般小于0.5m/s,都是一種以氣體分

子擴散的方式進行的穩定的燃燒，故稱為擴散燃燒。

因此，凡是可燃氣體與空氣或氧氣的混合燃燒反應是以擴散燃燒的方式進行時，只會出

現穩定的燃燒，而不會發生爆炸。

3.可燃氣體與空氣（或氧氣）的混合比例和爆炸極限

（1）爆炸極限

從可燃氣體爆炸的條件中知道，當可燃氣體與空氣或氧氣混合達到一定的比例（濃度）

范圍時，才會發生爆炸。在此比例（濃度）范圍之外，則不會發生.爆炸，這個比例（濃度）

范圍的上限、下限分別稱為爆炸極限的上限或下限。而其上限、下限所限定的比例（濃度）

范圍稱為爆炸極限的范圍。在不同的可燃氣體中，因易燃氣體的種類和組分不同，各自具有

不同的爆炸極限。

根據實驗可知，可燃氣體與空氣的混合物并非在任何混合比例下都能燃燒、爆炸。不同

的混合比例，燃燒的速度也不相同。當可燃氣體在空氣中的比例或濃度稍多于其完全燃燒所

需要的理論濃度時，混合物的燃燒速度最快。若增加或減少可燃氣體的濃度，相應的火焰蔓

延速度都會降低。當可燃氣體的濃度低于某最低的極限濃度或高于某最高的極限濃度時.，火

焰便不能菱延。在這里，把能使火焰蔓延的最低濃度，稱為該可燃氣體與空氣的混合物的爆

炸下限；把能使火焰^延的最高濃度，稱為該可燃氣體與空氣的混合物的爆炸上限。有時乂

將其分別稱為著火下限或著火上限。此處，關于著火極限與爆炸極限的概念完全相同，火焰

能否硬延與氣體混合物能否爆炸的條件是完全一致的。

爆炸極限及范圍是評價可燃氣體燃燒爆炸危險的主要技術參數之一。爆炸極限的卜限濃

度越低，上限濃度越高，濃度范圍越寬，其燃燒爆炸的危險性越大。

可燃氣體的爆炸危險性也可用爆炸危險度來表示：

可燃氣體爆炸危險度=爆炸極限的濃度范圍/爆炸極限的下限濃度

爆炸危險度表明：爆炸極限的濃度范圍越寬，爆炸的下限濃度越低，這二者的比值越大,

其爆炸危險性就越大。

在表2-1和圖2-1中，分別列舉或顯示出主要易燃氣體或有機液體分解氣體的爆炸極限

和它們的分布范圍。從表中可以看到，爆炸極限隨易燃氣體的種類而異，其中乙快氣和氫氣

都具有很大的極限范圍和很低的爆炸下限濃度，可見它們都是極具爆炸危險性的氣體。

圖2-1M燃氣體的爆炸極限及M分布的圖

表2-1主要易燃氣體或有機液體分解氣的爆炸極限

(a)

易燃氣體與空氣易燃氣體與敘氣

易燃氣體或混合而爆炸時的體混合而爆炸時的體最低著火

化學式

有機液體積比例/%積比例'%溫度

的名稱/匕

下限上限下限上限

氫氣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

異丁烷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—

乙塊c2H22.5080.002.598.1400

汽油—1.16.41.928.8—

吸熱式氣①—8.5071.80—

氨分解氣②—5.4073.10585

(b)

易燃氣體與空氣

易燃氣體或

混合而爆炸時的體沸點閃點自燃點

有機液體化學式

積比例/%/C/V/C

的名稱

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

異丙辭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吸熱式氣的成分，2D%CO,40%也.40%N?.

②氨分解氣的成分：25%N2,75%H2.

可燃氣體爆炸的條件表明：在混合氣體中必須要有氧氣，否則可燃氣體就不可能燃燒,

也就不會爆炸。所以當可燃或易燃氣體及其蒸氣、霧狀物或易燃粉塵與空氣的體積比例過高,

也就是其濃度高于爆炸極限的上限濃度時，由丁?混合氣體中的氧氣含量不足使火焰不能篁

延，從而爆炸混合物不發生爆炸。相反，當易燃氣體及其蒸氣、霧狀物或易燃粉塵與空氣的

體積比例過低，也就是其濃度低于爆炸極限的下限濃度時，由于混合氣體中所含的易燃組分

太少，火焰同樣不能蔓延，混合物也不可能發生爆炸。

（2）膨響可燃氣體爆炸極限和范圍的因素

①氣體混合物的溫度。隨氣體混合物的原始溫度升高，爆炸下限降

低，而爆炸上限增高，相當于爆炸極限范圍擴大，爆炸危險性增加。因氣體混合物的溫

度升高后，增加了分子運動的動能，加快了燃燒反應的速度，原先不能讓火焰境延的、處于

爆炸極限之外的濃度變得可以使火焰產生并蔓延了，從而擴大了原先的爆炸極限范圍。

②氣體混合物的含氧量。增加混合物中的含氧量，會使爆炸極限范圍擴大，而月.將其爆

炸上限提高得較多。

③氣體混合物中的惰性或中性氣體含量。在易爆炸混合物中，隨著不燃燒的惰性或中性

氣體（如氮、二氧化碳、水蒸氣、氨、氮等）含量或濃度的增加，爆炸極限范圍將縮小，當

其濃度增加到某一數值時，也可使混合物改變為不能夠爆炸。通常情況下，惰性氣體濃度的

改變，對混合物爆炸上限的影響比之對下限要顯著得多。例如，當惰性氣體濃度增加時，會

使爆炸上?限顯著下降。

④混合氣體的原始壓力。隨混合氣體的原始壓力的增大，爆炸極限范圍也會擴大，尤其

會顯著提高爆炸上限，但爆炸下限的變化不太明顯，變化也不規則。相反，當混合氣體的原

始壓力減少時，爆炸極限范圍縮小，壓力降至某一-數值時，爆炸上限與下限匯成一點；壓力

繼續降低，該混合氣體則變為不能爆炸。使爆炸極限范圍縮小為零的壓力，稱為爆炸的臨界

壓力。充分利用臨界壓力這一有用的概念，在密封的設備或容涔內進行減壓操作，可以有效

地免除爆炸危險。當然，前提是設備或容器允許承受所要求的負壓。

⑤容器的直徑。容器直徑越小，火焰就越難在其中硬延，相應的爆炸極限范圍就會變得

越小。這是因為管徑減小時，氫和氧的自由基與管壁的碰撞的概率也相應增大，如果部分自

由基因此而被銷毀，這意味著自由基直接參與鏈式反應的概率減小r,從而抑制了燃燒反應

的進行。當容器點徑或火焰通道的內徑小到某一極限數值時，火焰便不能蔓延，即可消除爆

炸危險,此直徑稱為臨界直徑,臨界直徑的數值都很小，例如甲烷的臨界直徑為0.4?0.5mm,

氫氣和乙塊的臨界直徑僅為。1?0.2mm,與此相反，隨著容器或管道直徑的增加，火焰蔓

延、傳播的速度會相應增大，但當直徑超過某極限值時，火焰傳播速度不再增大。

⑥點火能源。點火能源的強度越高，或者點火源使得加熱面積越大，

作用時間越長，相應的爆炸極限范圍變得越寬。

(3)安全生產和工程中規定的“安全極限”

為了在生產中保證安全，人們針對絕大多數的混合氣體中的氧氣或可燃氣體的含量分別

規定了一個最高允許濃度，即“安全極限只要二者之一是在其允許濃度之下，就不會造

成爆炸危險。在“安全極限”的規定中，氧氣濃度的最高允許值是1%，對于易燃氣體以(CO

+H2+maxl%CH4)的形式存在的保護氣第中，其易燃氣體總量的最高允許濃度是5%。

這里需對安全極限作一些重要的說明。

①若易燃組分的總量低于5%(體積)，其中碳氫化合物的比例不得超過1%時，則氣體

與空氣的混合物不是易爆的;但這僅僅適用于在保護氣氛中易燃組分符合(CO+H2+maxl%

CH4)的形式的保護氣。最為關鍵的是爐膛內實際的氣體成分，應當認識到，它們可能與進

入爐內的氣體會有所不同。例如進入爐內的氣體再加上有油蒸汽或粉塵或炭黑，將會增高易

燃成分的濃度。

②在某些短時氧氮共滲工藝中，為加速反應，有時將數量級為1%的可控制氧量添加到

滲氮氣氛中。此時，氣氛中的氧氣濃度可能超過了安全極限的最高允許值。為確保工藝操作

安全，必須對附加氣體進行監控測定，嚴格遵守規定的工藝參數，并且應十分重視爐子制造

商所制定的詳細說明。

③一定要清醒地認識到，當外界條件在變化時，例如設備處于某種狀態或發生故障時,

爐內的可燃氣體與空氣（或氧氣）的混合比例可能會改變。例如爐門的開啟、閉合或者爐子

密封性被破壞時，因氣體供應故障使爐壓降低時，爐膛溫度持續下降時等，外部的空氣可能

會乘機進入爐內，有可能使爐內氣體組分轉變到爆炸極限范圍內，從不易爆炸的氣體轉變為

爆炸性氣氛。由此可見，設備的安全品質和安全操作規程能夠隧時有效地抵御和防止這些變

化，是確保安全的關鍵措施。

④在可控氣氛熱處理爐的作業中，形成爆炸性氣氛的傾向以及爆炸的危險程度，主要取

決于爐子的類型、溫度和氣體種類。危險程度隨H2含量和爐子的尺寸的增大而增加。在冷

爐膛和密封爐膛中危險性最大，但不能在危害性減少時便忽視安全措施。相反，應當認真對

待與危險程度有關的注意事項。必須注意，當危險性增加時;應當采取強化的和附加的安全

措施。

4.著火溫度和著火源

易燃物（以氣體、蒸氣或粉塵形式）與空氣組成的可引燃的混合物在特定條件下剛剛能

導致著火的最低溫度，稱之為著火溫度。可見，引燃所需的著火溫度是隨特定條件的改變而

有所變化，即隨著可引燃的混合物的種類和組分在變化。而且這個著火溫度是由著火源所提

供的。

請注意：這里的著火溫度指的是著火源的源頭或源點的溫度，它意味著，對可燃氣體與

空氣的混合氣體而言，只要是在一個很小范圍或局部區域達到了著火溫度，盡管其整體所處

的環境溫度并未達到著火溫度，或者遠低于安全溫度（750C）之下。此時，在爆炸極限內

的混合氣體就具有爆炸危險。

并不是所有的著火源都在起著引爆作用。與上述情況不同，如果先將環境溫度（即爐膛

溫度）提高到可燃氣體的著火溫度以上，或者保持在安全溫度（750℃）之上，然后將可燃

氣體或空氣單獨輸入到該高溫爐膛內（注意兩種氣體在向爐內榆入前并未混合），在高溫爐

膛內相互擴散，混合并穩定燃燒。這種情況下，著火源（即高溫爐膛）只起引燃作用，而不

會引發爆炸危險。

通常著火源有以下的類別和形式。

（1）熱火源

一熾熱表面，如爐膛內壁、電加熱器導體和輻射加熱器管：加熱后的工件。

（2）機械火源

-爐內機械運動產生的火花，如氣體循環裝置（風扇）的運動部件與工件或爐子部件的

摩擦或碰撞引起，也可在井式爐蓋移動時產生：

?在工作現場由于摩擦、碰撞等產生的火花。

（3）化學火源

-火焰竄入爐膛，如從保護氣出口處及爐門上的噴管和火簾上被引燃后的火焰；

-靠近爐子的引火源：如爐子附近暴露的火焰，火焰切割產生的火焰或火花，工作現場

吸煙引起的火花等；

具有引燃或燃燒催化作用的物質，如炭黑、硫磺或粉狀的金屬等：

?在室溫下就能夠觸發氧化、分解，與易燃氣體發生化學反應，導致發熱、自燃的其他

物質。

（4）電火源

-靜電火花，雷電火花，電器元件所產生的電弧或電火花：

-在緊靠爐子附近進行焊接時產生的火花。

從以上可以看?出，著火源是以多種形式存在的。但有時候并不直觀，它可能隱臧在不易

被人察覺的地方，也有可能在瞬間形成。研究數據表明：使可燃氣體燃燒、爆炸，需要的能

量為0.2mJ即可，而人體靜電的能量為0.4mJ,幾乎是最低著火能量的2倍了。所以，有些

人認為只有“明火”才是“著火源”，只要消除了“明火”就等于消除了“著火源”，這樣的

觀點是經不起實踐檢驗的。實際匕所謂''明火"，只是看得見的“著火源”，也僅僅是“著

火源”的一種形式而已：但是，正如以上所列舉的''著火源"，經常以多種形式存在。因此

認為僅僅消除了“明火”就是消除了“著火源”，是非常有害的錯誤觀點。

在爐子作業時應預料到可能出現的各種著火源，不要被外表現象所蒙蔽。例如，爐子儀

表指示溫度只代表爐膛的平均溫度，當儀表指示的溫度很低時，并不意味著爐內的加熱元件

表面的溫度也很低。而這時的加熱元件有可能起到著火源的作用。

從可燃氣體爆炸的必要條件中可知，如果沒有點火源存在，那么可燃氣體也就不會發生

爆炸。由于可控氣氛熱處理爐的特殊性，尤其在爐內一般無法徘除“著火源”，因此，我們

不主張將可燃氣體直接通入充滿空氣的冷爐膛內，更不能用空氣去直接沖洗或置換充滿可燃

氣體的冷爐膛

充分地估計到在爐子作業時有可能存在著火源，就必須采取另外的安全措施，以保證不

形成爆炸性氣氛。例如，立即采用合適的置換爐內氣體的方法，包括用氮氣對爐膛進行沖洗

或置換，使爐內氣體轉變為安全的、不易爆炸的氣氛。

5.有限空間

由于爆炸的過程伴隨著氣體快速燃燒和瞬間的體枳膨脹，而有限空間則妨礙或阻擋了氣

體體積的膨脹。因而加大了爆炸的危害。然而對可控氣氛熱處理爐來說，有限空間又是無法

規避的。

所謂有限空間是相對的，它與可燃氣體進入、泄漏或擴散的空間范圍有關。如爐膛、輔

助前室，安裝在連續機組內的淬火油槽的上方的局部區域內，乜可能是相對封閉的車間、廠

房等較大范圍的空間。

對于不同的部位或區域，應當認真采取相應的安全措施。對危險性最大的冷爐膛、密封

爐膛以及前室，應當采取專門的安全措施，例如在開關爐門、送氣、排氣、換氣時執行有針

對性的安全操作規程并配備必要和有效的安全裝置。

6.可燃液體的燃爆特性

凡是遇火而受熱且與空氣（或氧氣）接觸后即可燃燒和爆炸的液體，稱為可燃液體。

可控氣氛熱