熔融金屬遇水爆炸後果模擬

金屬冶煉工業中，往往存在高溫熔融狀的金屬，熔融金屬一旦與液態水接觸，液態水會快速汽化，並被金屬溶液包裹起來，體積極速膨脹，依據金屬的熔點，液態水的汽化可能膨脹5-10000倍，從而導致壓力劇增，引發爆炸。

2021年7月20日，河南省登封市一工廠因洪水淹沒廠區，洪水漫延到裝有高溫金屬溶液的合金槽內引發爆炸，該起事故暫無人員傷亡；2017年11月，挪威奧斯陸發生一起熔鋁爐爆炸事故，該起事故是由接觸到高溫鋁溶液的水發生快速相變所引發，事故造成2人死亡，2人重傷，相關專家表明該起事故的爆炸能量約為10-50kg TNT當量。

透過CFD數值模擬的方法對此類爆炸事故場景進行模擬，可計算得到水接觸到高溫熔融金屬所導致的爆炸後果，幫助評估潛在爆炸事故對建築物的損壞情況。FLACS軟體是全球領先的火災爆炸模擬軟體，爆炸衝擊波傳播模擬能力經過大量試驗資料驗證，模擬結果精確可靠，在油氣、能源、化工等行業廣泛應用，全球擁有大量軟體使用者，例如挪威船級社、英國勞氏船級社等眾多第三方機構。

熔爐中水蒸氣爆炸的主要破壞作用分為熔融金屬拋射物和爆炸衝擊波。熔融金屬拋射物體積大、速度快，可能會損壞路徑中的大多數結構。由於其溫度較高，拋射物也可能引起火災。熔融金屬拋射物的執行軌跡將是從熔爐口向上噴出，因此針對拋射物的一種有效的緩解措施是在熔爐上方放置一個巨大的金屬防護罩，防止熔融金屬拋射物從熔爐中噴出。金屬防護罩設有一個敞開的前門，爆炸衝擊波將只能從金屬防護罩前門向外傳播。但在進行某些操作過程中，熔爐上的金屬防護罩可能會被移除，如果在這種情況下發生水蒸氣爆炸事故，事故後果會更加嚴重。為了定量分析熔爐中水蒸氣爆炸產生的爆炸衝擊波的破壞範圍，英國勞氏船級社（Lloyd‘s Register Risk Management Consulting）使用FLACS軟體對有金屬防護罩及無金屬防護罩條件下將0。2、0。6、1。0、4。7kg水量注入銅溶液及鐵溶液中的爆炸場景進行數值模擬，注入水量為0。6kg時模擬結果分別如圖1，圖2所示。該研究成果已發表於歐洲化工領域知名期刊“Chemical Engineering Transactions”。

在圖1中，從有金屬防護罩條件下將0。6 kg水量注入銅溶液中的爆炸可以看出，預測的最大超壓僅在金屬防護罩前門的前5 m處超過100 mbar。天花板上的區域性最大壓力約為50 mbar，牆壁上的壓力僅為40 mbar。大部分割槽域的壓力低於10 mbar。由於爆炸持續時間非常短，這些載荷可能不會損壞相對堅固的窗戶。因此，可以預期這種情況不會對金屬防護罩外的結構或人員造成任何重大損害。

在圖2中，從無金屬防護罩條件下將0。6 kg水量注入鐵溶液中的爆炸可以看出，熔爐上方的天花板預計會承受接近200 mbar的最大壓力，即使衝擊波持續時間很短，也可能會損壞天花板結構。如前所述，熔融金屬拋射物可能已經嚴重損壞了天花板的部分結構。大多數其他牆壁上的壓力較低。在這種沒有防護罩的情況下，人們可能會更擔心由於熔融金屬拋射物而對建築物造成重大損壞，並對室內外人員造成風險。爆炸衝擊波本身不會對熔爐附近位置以外的人員構成太大風險。