硅锰矿热炉冶炼风险识别与评估
矿热炉冶炼工序是矿热炉生产工艺过程中关键工序，也是安全风险最高工序，发生各类冶炼安全事故频率非常高，直接关系到生产能否正常稳定运行。
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锰硅冶炼，一般采用有渣法生产。锰硅合金矿热炉炉膛是由炉料区、焦炭区、冶炼区、金属熔池(坩埚)等几个不同区域构成。如图1所示，在炉料区锰和铁高价氧化物被还原成低价氧化物，MnO与SiO，结合生成复合硅酸盐，并在1250～1300℃熔化，锰和硅的还原主要是在焦炭区和冶炼区之间进行的。
图1硅锰矿热炉内简化电路和炉料变化示意图
1-电极;2-生料层;3-弧光区;4-软熔料层;
5-焦炭层;6-炉渣;7-合金(金属熔池);8-假炉底;9-炉底
焦炭层处于固态的炉料层与液态的冶炼层之间，它是有渣法埋弧电炉最重要的特征，是输入炉内的电能转变为热能和碳热还原反应的主要场所。焦炭层始终处于动平衡状态，当一个冶炼周期结束(出铁后)，随着混合炉料的熔化和还原反应的进行，炉膛内焦炭层通过软熔料层中焦炭的消耗和积聚逐步形成。焦炭与熔渣相互不浸润，但与大部分金属碳化物和铁合金相浸润，焦炭层也起着渣铁熔体的“过滤”和分离的作用。当液态产物(初渣或铁合金)穿过焦炭层的孑L隙下降时，由于表面张力的作用，液态产物将使焦炭的内外表面润湿，形成一层液膜，占据一部分空间。锰硅合金生产过程的还原反应，主要是炉渣中液态硅酸盐与碳质还原剂的反应。主要反应有：
总反应方程式：
锰硅合金生产过程的还原反应，产生大量的气态物质。其中CO体积庞大，必须让其及时穿透炉料层逸出料面，促进还原反应的正常进行。但气态物质逆流流动时，液膜使气体流道截面减小，提高了气体在焦炭层的实际流速。如图2所示，由于当液态产物，从上向下流动，与自下而上流动的气体在同一流道内流过，气体对液体产生一部分曳力，阻碍液体向下流动，使液膜增厚。当气速增加到某一值时，由于上升气流与下降液体间的摩擦力增大，开始阻碍液体向下流动，致焦炭层内的持液量随气体流速的增加而增加，形成滞留。继续增大气体流速，达到某一值时，气、液间的摩擦力完全阻止液体向下流动，焦炭层的压力急剧升高。由于焦炭层中液体的积累，出现“液泛”现象，液体由分散相变为连续相，气体由连续相变为分散相，气体以鼓泡形式通过液体，焦炭层中液态产物会被气流“托起”，被上升气流大量带出，发生喷溅、爆炸事故。
图2 炉膛内焦炭层气液两相逆流示意图
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入炉混合炉料主要组成是锰矿石，锰矿石又分为能用于冶金生产的氧化锰和碳酸锰两大类。氧化锰矿冶炼时在炉料层会受热分解和预还原。
原锰矿在熔化成低价硅酸盐前的炉料层中，无论哪种锰矿都会产生大量气态物质，CO气体体积庞大，而大量气态物质带走大量热量，消耗能量，使炉温降低。当遇雨季，特别在空气湿度大的南方，物料含水高，高湿度使炉料粉末带入量增加，这种炉料人炉后在自上而下的不规则运动中，与上升的炉气流接触，一部分粉矿被炉气带走，另一部分粉矿则粘结填充炉料层缝隙。在炉料下降过程中，经过反复相互挤压，会使本来小的炉料层缝隙更小。同时，因矿热炉采用炉内料管下料，料层厚度分布不均，在料层较厚的区域，因炉温低使在熔化成低硅酸盐前的特殊炉料层逐步板结，烧结成壳。
当开眼出铁时，炉膛内渣铁的排出使焦炭层下降，靠近出铁口相电极下的焦炭层上表面开始会更低一些，若该相电极料层开始不下沉的话，则会在焦炭层和料层之间形成“空穴”现象，炉内CO气体容易在空穴内积聚，局部浓度升高。当到出铁中后期，空穴压力增大，或电极周围悬空料层面积增大到一定程度时，即会发生塌料，此时若塌料导入空穴中的空气与可燃性气体CO比例达到爆炸范围，或因塌料从空穴中排出的可燃气体CO与料面处的空气比例达到爆炸范围时，则就会引起爆炸喷料事故。这种“空穴”喷爆现象，多出现在出铁过程的中后期，烧坏电极大小水套的几率较高。
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焦炭层对锰硅合金的冶炼是否正常起着关键的作用。焦炭层处于固态的炉料层与液态的冶炼层之间，其厚度和部位决定了电极工作端的位置和电炉操作的稳定性。最佳焦炭层部位保证了电极能够在炉料中插入足够的深度和炉况的顺行;最佳的焦炭层厚度则保证MnO、SiO，等氧化物的直接还原反应得以顺利进行及其还原过程的稳定性。选择适当的配碳量，合适的焦炭粒度是维持焦炭层一定的厚度和部位的主要方式之一。
当炉料中的配碳量过量时，炉料电阻率减小，导电性增强，电表电流上涨，电极上抬，焦炭层增厚，焦炭层的部位上移，电极插入深度不够，使高温区上移，炉口温度升高，电极上抬严重，炉内塌料增多。
当炉料中的配碳量不足时，就会引起焦炭层减薄，此时虽然电极插入较深，但负荷会不足，炉料消耗速度慢，炉口翻渣频繁。
焦炭层的厚度和部位不仅取决于配碳量，在某一特定的电炉和同样的原材料条件下，主要取决于焦炭粒度和出铁工艺。
硅锰合金生产中对焦炭的要求一般为：固定碳含量80%以上，灰分低于18%，挥发份不作限制(4%~5%)，水分小于6%，电阻率高，反应活性好，粒度合适(12.5MVA以上大电炉使用粒度为6~25mm)，有一定的机械强度。
当焦炭粒度小于6mm的比例大于20%，或焦炭强度不够时，在炉膛内不能形成“活动”焦炭层区，炉内喷碳、刺火塌料现象频繁发生，焦粉越多被炉气带走越多，焦粉烧损增大，而反应区内会造成缺碳，这样易造成炉内翻渣;加大焦炭用量，使炉料比电阻降低，又影响电极下插，电极插入深度不够，使高温区上移，炉口温度升高，电极上抬严重，未经预热的炉内冷料立即落入电极底部的高温区，冷料中的水分受高温后急剧膨胀，在上抬电极根部先会发生喷料爆炸。
所以，在配碳计算中要充分考虑焦炭质量、固定碳含量、粒度变化和天气变化及季节等影响，及时调节，使炉况顺行。
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1.4.1工艺操作制度不当风险
当出现原料水分大，部分粉末料不可避免的进入炉内，使炉料板结，透气性差时，操作工艺制度没有及时根据炉况调整，持续时间比较久时，当炉内温度过低，加入炉料未熔净，待温度上升，使集中溢出的气体受阻，若此时加料过快、过量，炉内产生塌料，炉内塌料后出现低温或有潮气的炉料落入液态金属与熔渣混合，未经预热的混合入炉冷料落人电极底部的高温区，低温或有潮气的炉料受高温后产生急剧膨胀，发生喷溅。
1.4.2工艺操作过程不当风险
如果对电炉操作不是很熟练，对炉内三根电极的插入深度，特别是在出铁时电极的分别插入深度不太了解就动手盲目抬动电极操作。一旦某相电极插入量过大，则该电极的电弧强度增大，在下插的同时，首先是压力造成炉内的大塌料，当该炉料大量下塌时使得其他两相电极炉气聚增，产生快速膨胀爆炸。或者造成三相电极的人为严重不平衡，当三相电极中的两相插入炉内深、一相浅的严重不平衡时，则较浅的该相电极容易发生喷料;反之，则较深的一相则容易发生喷料，在下插电极的同时，使部分冷料带入坩埚发生爆炸，炉内大量热料喷射而出。
总结：硅锰矿热炉发生翻渣或喷料，除因生产作业不当外，焦炭层结构和其在料面与熔池间所处位置与厚度，以及特殊炉料层空穴的形成对翻渣现象的产生有重要影响。炉膛内的塌料及爆炸事故，大多是因为炉膛内生成的气态物质在特定条件下，与空气的比例处于爆炸范围内，或未经预热的冷料落入底部高温区生成的喷溅。