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氧氣及其在鋼鐵廠的使用

氧氣是大氣中一種活躍的、維持生命的成分。氧氣在空氣中的百分比為20.94%（體積）或23%（重量）。它是地球上最廣泛存在的元素。 因為它幾乎與所有的化學(xué)元素形成化合物，除了惰性氣體之外，大多數(shù)地球上的氧氣與其他元素結(jié)合在化合物中，如硅酸鹽、氧化物和水。氧氣也溶解在河流、湖泊和海洋中。 分子氧幾乎完全出現(xiàn)在大氣中。

1770年至1780年間，瑞典藥劑師卡爾-威廉-謝勒、英國神職人員約瑟夫-普利斯特里和法國化學(xué)家安托萬-洛朗-拉瓦錫研究、記錄并幫助發(fā)現(xiàn)了氧氣。拉瓦錫在1777年首次使用了氧氣這個名字。后來，人們才發(fā)現(xiàn)它的高度化學(xué)反應(yīng)性。

氧氣通過低溫空氣分離廠對環(huán)境空氣的液化和蒸餾，以氣體或液體的形式大量生產(chǎn)，而且純度很高。它也可以通過吸附技術(shù)（變壓吸附（PSA）或真空變壓吸附（VPSA或VSA）在商業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)低純度的氣體（通常約93%）。非常純凈的氧氣可以通過電解水來生產(chǎn)。氣態(tài)氧被簡稱為GOX，而液態(tài)氧則被簡稱為LOX。

液氧是一種低溫液體。低溫液體是指正常沸點低于-150攝氏度的液化氣體。液氧的沸點為-183攝氏度。由于產(chǎn)品與周圍環(huán)境之間的溫差很大，因此有必要將液氧與周圍的熱量隔絕。

氧氣也需要特殊設(shè)備來處理和儲存。氧氣通常以液體形式儲存，盡管它主要作為氣體使用。與同等容量的高壓氣態(tài)儲存相比，液體儲存不那么笨重，成本也較低。一個典型的儲存系統(tǒng)包括一個低溫儲存罐，一個或多個蒸發(fā)器和一個壓力控制系統(tǒng)。低溫儲罐的結(jié)構(gòu)原則上就像一個真空燒瓶。有一個內(nèi)容器被一個外容器包圍。在兩個容器之間有一個環(huán)形空間，其中含有一種絕緣介質(zhì)，所有的空氣都已被清除。這個空間使熱量遠(yuǎn)離內(nèi)部容器中的液氧。蒸發(fā)器將液態(tài)氧轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。然后由一個壓力控制歧管控制輸送到工藝或應(yīng)用中的氣體壓力。用于液氧服務(wù)的容器應(yīng)根據(jù)所涉及的壓力和溫度進(jìn)行設(shè)計。管道設(shè)計應(yīng)遵循此類管道的規(guī)范。圖1 典型的液氧儲存系統(tǒng)以及儲存罐的橫截面如圖1所示。

圖1 典型的液態(tài)氧儲存系統(tǒng)以及儲存罐的橫截面圖

氧氣的用途

氧氣通常是液化的，這樣可以更有效地進(jìn)行大量的運輸和儲存。然而，大多數(shù)應(yīng)用都是在氧氣汽化成氣態(tài)后使用。

氧氣的主要工業(yè)應(yīng)用是燃燒。許多通常不在空氣中燃燒的材料會在氧氣中燃燒，因此，將氧氣與空氣混合可大大增強燃燒效率。它被廣泛地與一種燃料氣體結(jié)合起來用于切割、焊接和釬焊，提供更高的火焰溫度，因此比單純的空氣效率更高。在氧燃料、等離子和激光工藝中，氣態(tài)氧的噴射被用來切割鋼材。氧氣在熱軋中也很流行，用于鉆探或切割材料，如混凝土、磚頭、石頭和各種金屬。

氧氣在鋼鐵廠中被廣泛使用。氧氣在鋼鐵廠的主要用途如下

1. 用于初級煉鋼工藝（堿性氧氣爐和電弧爐）以及次級煉鋼工藝（CAS-OB工藝和AOD工藝）中的鋼鐵生產(chǎn)

2. 在高爐煉鐵過程中用于富集高爐空氣

3. 用于對高爐中堵塞的自來水孔進(jìn)行氧槍處理

4. 用于連鑄機中鑄件的氧燃料切割

5. 用于再熱爐中的氧燃料燃燒器

6. 用于不同燃燒器中燃燒空氣的富集

7. 用于鋼材的氧燃燒

8. 用于鋼結(jié)構(gòu)圍欄

9. 用于廢水處理（BOD工藝）。

10. 用于一氧化碳?xì)怏w中毒的處理

11. 氧氣用于金屬分析儀器、校準(zhǔn)氣體混合物和炸彈量熱儀中。

12. 氧氣與燃料氣體一起用于氣焊、氣割、火焰清洗、火焰硬化和火焰矯正。

13. 氧氣用于自給式呼吸器（SCBA）以及急救中心和鋼鐵廠醫(yī)院。

氧氣的特性

氧氣的CAS號是7782-44-7，而氣體的UN號是UN1072，液態(tài)的氧氣是UN1073。

氧氣是一種化學(xué)符號為O、原子序數(shù)為8的元素。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下，兩個氧原子結(jié)合形成二氧（O2），是一種無色、無味的氣體。它的化學(xué)或分子式是O2，這意味著一個氧氣分子包含兩個氧原子。其原子質(zhì)量為16，分子量為32克/摩爾。氧氣的熔點和沸點分別為-218.8攝氏度和-183攝氏度。在21.1攝氏度時，其密度為1.43公斤/立方米。液態(tài)氧在大氣壓和沸點下的密度為1141.2公斤/立方米。它比空氣重，其蒸汽密度為1.1（空氣=1）。液氧是一種淡藍(lán)色液體，比水略重。

氧氣的臨界溫度和臨界壓力分別為-118.57攝氏度和51.43公斤/平方厘米。三點溫度和三點壓力分別為-218.79攝氏度和0.0015公斤/平方厘米。

氧氣可溶于水，在1個大氣壓和0攝氏度時，其在水中的溶解度為0.0489體積，約為39/毫克/升。

盡管氧氣本身是不可燃的，但它能促進(jìn)燃燒，使所有在空氣中易燃的材料更有力地燃燒。這些支持燃燒的特性說明了它在許多工業(yè)應(yīng)用中的用途

氧氣具有高度的氧化性和非常的反應(yīng)性。它與可燃材料發(fā)生劇烈的反應(yīng)，特別是在其純凈狀態(tài)下，在反應(yīng)過程中釋放出熱量。純氧在高壓下可與普通材料如油和油脂發(fā)生劇烈反應(yīng)。其他材料可能會自發(fā)起火。幾乎所有的材料，包括紡織品、橡膠、甚至金屬，在氧氣中都會劇烈燃燒。

與使用氧氣有關(guān)的安全問題

氧氣在正常壓力下沒有急性毒性。氧氣在高壓下吸入時毒性更大。在大氣壓下吸入80%的氧氣超過12小時，可能會引起呼吸道的刺激，生命力逐漸下降，咳嗽，鼻塞，喉嚨痛和胸痛，隨后出現(xiàn)氣管支氣管炎，隨后出現(xiàn)肺充血/水腫。吸入大氣壓或更低的純氧，24小時后可引起肺部刺激和水腫。在高于大氣壓的壓力下，2至6小時后可出現(xiàn)呼吸道癥狀。

在高壓下與純氧接觸會發(fā)生爆炸反應(yīng)的材料和會自燃的材料是那些與氧氣不相容的材料。為氧氣服務(wù)而設(shè)計的設(shè)備是由經(jīng)過測試并證明是兼容的材料和部件制成的，并且對該目的是安全的。進(jìn)行特定設(shè)計和選擇材料的原因并不總是很明顯。使用看似相似但未被證明與氧氣兼容的替代材料或部件是非常危險的，可能成為事故的原因。

通常情況下，應(yīng)避免使用潤滑劑（油脂和油）和膠帶。只能使用適合于氧氣服務(wù)的潤滑劑和膠帶，并由設(shè)備供應(yīng)商指定。設(shè)備在使用前應(yīng)徹底脫脂。如果沒有脫脂，就有可能發(fā)生劇烈反應(yīng)，特別是與閥門。

氧氣不能用來替代氣動設(shè)備中的壓縮空氣，因為它們通常含有易燃的潤滑劑。

一些材料可能看起來是兼容的，但部件的形狀和配置可能對減少火災(zāi)風(fēng)險很重要。在維護(hù)氧氣設(shè)備時，只能使用制造商認(rèn)可的部件。此外，應(yīng)確保高壓氧氣系統(tǒng)是由具有相關(guān)專業(yè)知識的合格人員設(shè)計、建造、安裝和調(diào)試。所有的氧氣儀器和設(shè)備都必須正確標(biāo)明氣體名稱和安全工作壓力。另外，除非是為氧氣服務(wù)而設(shè)計的設(shè)備，否則不得將氧氣引入任何設(shè)備。

打開閥門向下游系統(tǒng)加壓，會導(dǎo)致下游系統(tǒng)中的氧氣被壓縮。如果這樣做的速度很快，會導(dǎo)致氣體溫度異常高，可能會點燃閥門和管道系統(tǒng)中的材料。

氣體流過球閥、蝶閥或偏心盤閥的閥芯時，可能會在閥芯上產(chǎn)生靜電荷。由于這些閥門本身沒有從閥芯到閥體或從閥體到管道的良好接地路徑，因此有必要對其接地進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?guī)定和照顧。如果沒有這樣做，那么這可能會使閥芯和閥體之間或閥體和相鄰管道之間產(chǎn)生放電火花，從而點燃周圍的材料。

在輸送氧氣的管道中，許多危險來自于流動氣體的速度。出于這個原因，系統(tǒng)的設(shè)計必須使流動速度始終保持在較低水平。 管線系統(tǒng)的壓力測試最好以氣動方式而非液壓方式進(jìn)行。應(yīng)使用氮氣或干燥空氣，不含油和油脂，以清除管道中的氧氣。

管道系統(tǒng)的選型主要是基于設(shè)計速度。這個速度是基于工廠的正常運行和排放，而不是基于由于機械故障或其他異常情況（如控制閥故障或溢流閥提升）而可能出現(xiàn)的速度。術(shù)語速度是指在所有規(guī)定的工作壓力、溫度和流量下管道內(nèi)的平均軸向速度。對于管道設(shè)備，速度應(yīng)基于部件的最小橫截面流面積?？赡苡卸鄠€定義的操作條件，所有的速度都應(yīng)考慮。

由于有機材料的點火溫度低于金屬，因此應(yīng)避免使用與氧氣接觸的有機材料，特別是當(dāng)材料直接進(jìn)入氣流時。當(dāng)有機材料必須用于閥座、膜片或填料等部件時，最好選擇具有最高點火溫度、最低比熱和必要機械性能的材料。金屬的選擇應(yīng)以其抗燃性和反應(yīng)速度為基礎(chǔ)。

氧氣瓶只能在通風(fēng)的地方使用。氧氣瓶要小心處理，不能用其閥門保護(hù)帽抬起來。要保護(hù)它們不受物理損壞，不能拖拽、滾動、滑動或掉落。應(yīng)使用專門的手推車來移動它們。氣瓶要用鏈子或夾子固定，以防止它們倒下。氧氣瓶應(yīng)直立存放，閥門保護(hù)帽應(yīng)在原處，并牢固地固定在通風(fēng)良好的儲存區(qū)或大院內(nèi)，遠(yuǎn)離可燃物，并與可燃?xì)怏w的氣瓶隔開，以防止掉落或被撞倒。氧氣瓶的溫度不得超過52攝氏度。對于氧氣管道，應(yīng)使用倒流保護(hù)裝置。

氧氣是氧化性物質(zhì)，會增加火災(zāi)的風(fēng)險，并可能助長燃燒。與可燃材料接觸會引起火災(zāi)。氧氣瓶或管道在壓力下可能在火災(zāi)中或受熱時爆裂或爆炸。

即使空氣中的氧氣含量稍微增加到24%，也會造成危險情況。在發(fā)生火災(zāi)時，它比正常空氣中燃燒得更熱、更猛烈。可能幾乎不可能將火撲滅。在通風(fēng)不良的房間或密閉空間中，閥門或軟管的泄漏會使氧氣濃度迅速增加到危險水平。使用氧氣時發(fā)生火災(zāi)和爆炸的主要原因包括：（i）設(shè)備泄漏導(dǎo)致氧氣富集，（ii）使用與氧氣不相容的材料，（iii）在非為氧氣服務(wù)設(shè)計的設(shè)備中使用氧氣，以及（iv）不正確或不小心操作氧氣設(shè)備。

在發(fā)生火災(zāi)的情況下，應(yīng)立即將該地區(qū)隔離，并將所有人員從事故現(xiàn)場轉(zhuǎn)移。如果可以不冒風(fēng)險，則應(yīng)將容器移出火區(qū)。使用噴水來保持暴露在火中的容器的冷卻。如果發(fā)生火災(zāi)，在沒有危險的情況下，應(yīng)立即關(guān)閉水流。消防員應(yīng)穿戴適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)設(shè)備和自給式呼吸器（SCBA），并在正壓模式下操作全臉件。

處理以氧氣為燃料的火災(zāi)的唯一有效方法是隔離氧氣供應(yīng)。在富氧條件下，適當(dāng)?shù)臏缁鸾橘|(zhì)包括：水、干化學(xué)劑（粉末）或二氧化碳。選擇時需要考慮到火災(zāi)的性質(zhì)（例如，電氣等）。例如，人或其衣服上的火應(yīng)以水來撲滅，因為覆蓋在防火毯上仍會使富氧的衣服燃燒。