Explosie door gesmolten metaal en water

In 2016 kwam Arcelormittal in Zelzate (B) in het nieuws met een explosie die in de wijde omtrek was waargenomen. Vloeibaar metaal was in contact gekomen met water. Doorgaans ontstaan hierbij fysische explosies, welke niet onder de definitie van ATEX vallen. In sommige situaties kunnen echter ook waterstofgas en koolstofmonoxide ontstaan, hiervoor moet de temperatuur van het gesmolten materiaal voldoende hoog zijn.

Explosies die worden veroorzaakt door contact van vloeibaar metaal en water zijn bekende incidenten in de metaalindustrie. In sommige gevallen kan hierdoor ernstige schade en letsel ontstaan. Door ongecontroleerd contact tussen gesmolten metaal en water ontstaan damp-explosies welke veroorzaakt worden door de verdamping van het water hetgeen gepaard gaat met een expansie en schokgolven. In open lucht situaties de verdamping van water geeft een volume vergroting van 1700 x.

Ook kan er in het contact met water een oxidatie-reductie reactie gaan plaats vinden, waardoor waterstof wordt gegenereerd. Hiervoor moet de temperatuur van het gesmolten metaal beduidend hoger zijn (denk aan 2500 graden Celsius). Dit kan vervolgens worden ontstoken en een heftige explosie tot gevolg hebben. Bij koolstofstaal kan ook koolmonoxide ontstaan, hetgeen zeer giftig en explosief is.

Bij de hoge temperaturen kunnen de volgende reacties ontstaan:

  • water H2O vormt waterdamp H2O en een volumeterische expansie
  • Reducerend metaal + H2O vormt geoxideerd metaal + H2 en daarna kan H2 + 1/2 O2 oxideren naar H2O (explosie van waterstof)
  • C + H2O vormt CO + H2 en daarna kan CO +1/2o2 oxideren naar CO2 (explosie van koolmonide)

Tijdens diverse stadia in het productieproces kunnen bovengenoemde incidenten zich voordoen. Middels een uitgebreide risicobeoordeling en preventieve maatregelen dient ongewenst contact van gesmolten metaal en water te worden voorkomen. In de praktijk zijn diverse zeer ernstige incidenten bekend, voorbeelden zijn: explosies door een lekkend dak, water uit een lekkende ketel stroomt in een pan met vloeibaar metaal, etc.

IAB Ingenieurs
trekproef

Een incident uit eigen praktijk is de volgende.

Voor het testen van een metaallegering (tin) werden trekstaafjes gegoten in een voorverwarmde kleine mal. De mal werd daarna afgekoeld in water, waarna het trekstaafje uit de mal verwijderd kon worden. Een dergelijk trekstaafje werd daarna op de trekbank beproefd, om als zodanig de materiaaleigenschappen te bepalen. Bij een volgende proef bleek de mal teveel voorverwarmd, waardoor deze moest worden afgekoeld. Hiervoor werd de lege mal in water gedompeld. Daarna werd de vloeibare metaallegering in de mal gegoten. Het betrof hier allemaal kleine hoeveelheden, maar te raden is wat hier vervolgens gebeurd (volumevergroting van waterdamp = 1700). Het nog aanwezige water (zeer kleine hoeveelheden zijn al voldoende) in mal verdampt, waarna het vloeibare metaal uit de mal wordt gespoten. Het vloeibare metaal kwam hierbij in het gezicht van de onderzoeker. Door de vrij lage smelttemperaturen liep dit allemaal zonder blijvend letsel nog goed af. Dat daarna de procedures werden aangepast moge duidelijk zijn.