Vì sao kim loại nóng chảy gặp nước lại nổ: cơ chế nổ hơi nước

Kim loại nóng chảy gặp nước sẽ nổ vì nước bị nung tức thì thành hơi, và hơi nước chiếm thể tích lớn hơn nước lỏng khoảng 1.700 lần ở 100 °C, còn nóng hơn thì giãn ra nhiều hơn nữa. Khi lượng nước ấy bị kẹt dưới hoặc bên trong khối kim loại lỏng, hơi không kịp thoát, áp suất dồn lên rồi hất tung kim loại ra xung quanh. Đây không phải phản ứng cháy mà là một vụ nổ hơi nước, và nó là nguyên nhân của nhiều tai nạn nặng nhất trong nghề đúc, nghề luyện kim.

Một giọt nước hoá thành bao nhiêu hơi?

Một gam nước lỏng chiếm khoảng một centimét khối. Cùng một gam đó ở dạng hơi, tại 100 °C và áp suất khí quyển, chiếm khoảng 1,7 lít, tức khoảng 1.700 centimét khối. Hơi nước gần đúng tuân theo định luật khí: nhiệt độ tuyệt đối tăng bao nhiêu lần thì thể tích tăng chừng ấy lần. Sát bề mặt nhôm lỏng khoảng 700 °C hay thép lỏng hơn 1.500 °C, hơi nước bị nung tiếp nên thể tích còn lớn hơn mức 1.700 lần vài lần nữa.

Điều đáng sợ là tốc độ. Kim loại lỏng truyền nhiệt rất nhanh, nên một vũng nước nhỏ có thể hoá hơi trong phần nhỏ của một giây. Một thìa nước, khoảng năm gam, biến thành khoảng tám lít hơi gần như cùng lúc. Nếu nước nằm hở trên mặt, hơi bung lên và chỉ làm bắn ít giọt. Nếu nước bị kim loại phủ kín từ trên, hơi không có đường thoát, nó đẩy cả khối kim loại phía trên văng lên.

Vì sao gọi là "nổ hơi nước" chứ không phải "cháy"

Người ta hay nghĩ tiếng nổ phải đi kèm lửa. Trong trường hợp này, không có chất nào cháy cả. Năng lượng đến từ nhiệt của kim loại lỏng truyền sang nước, biến thành công giãn nở của hơi. Giới kỹ thuật gọi chung là tương tác giữa chất nóng chảy và chất làm mát; cùng cơ chế này xuất hiện ở núi lửa khi dung nham gặp nước biển hay nước ngầm, gây những vụ nổ phun trào hơi nước rất mạnh.

Với vài kim loại, chuyện còn phức tạp hơn. Nhôm lỏng, khi bị phân tán thành giọt nhỏ trong nước, có thể phản ứng hoá học với nước sinh ra khí hiđrô và toả thêm nhiệt. Tài liệu an toàn của ngành nhôm vì vậy xếp nước là mối nguy hàng đầu trong nhà đúc nhôm, kể cả khi nhôm lỏng không đỏ rực như thép.

Nước ở đâu ra trong một xưởng đúc khô ráo?

Ít ai đổ cả xô nước vào nồi kim loại lỏng. Nước gây tai nạn gần như luôn đến từ những chỗ người ta không nghĩ tới. Các cẩm nang an toàn ngành đúc liệt kê những nguồn quen thuộc sau:

• Phế liệu ẩm hoặc có hốc kín: ống thép bịt hai đầu, lon chưa ép, bình kín, chi tiết có lỗ đọng nước mưa. Khi nhúng vào nồi, nước bên trong hoá hơi và bình kín vỡ tung ngay dưới mặt kim loại lỏng.
• Dụng cụ chưa sấy: que khuấy, muôi lấy mẫu, gáo vớt xỉ để qua đêm trong xưởng hút ẩm từ không khí. Lớp gỉ trên dụng cụ thép cũng chứa nước liên kết.
• Thỏi kim loại để ngoài trời lạnh: hơi nước ngưng thành lớp ẩm mỏng trên thỏi lạnh mang vào xưởng, hoặc đọng trong khe co ngót của thỏi.
• Vật liệu chịu lửa mới: lớp lót nồi, thùng rót, máng dẫn vừa trát xong còn chứa nhiều nước. Chúng phải được sấy từ từ theo quy trình trước lần rót đầu tiên.
• Khuôn ướt: khuôn cát quá ẩm, khuôn kim loại có nước làm mát rò rỉ, khuôn để dưới mái dột.
• Nền xưởng: bê tông thường vẫn chứa nước trong cấu trúc. Kim loại lỏng tràn xuống nền bê tông có thể làm mặt bê tông bong nổ, bắn mảnh và bắn kim loại.
• Hố xỉ, hố chứa có nước đọng: xỉ nóng đổ vào hố còn nước mưa cũng gây nổ.

Quy tắc "sấy khô mọi thứ" trong nhà đúc được áp dụng thế nào?

Từ những nguồn nước kể trên, ngành đúc rút ra một nguyên tắc ngắn gọn: không thứ gì chạm vào kim loại lỏng khi chưa khô và chưa được làm nóng trước. Ở xưởng công nghiệp, nguyên tắc này trở thành các bước cụ thể:

1. Kiểm và phân loại phế liệu trước khi nạp lò: loại bỏ bình kín, ống bịt đầu, chi tiết có hốc; cắt mở những vật có khoang rỗng; để phế liệu dưới mái che.
2. Sấy hoặc nung sơ bộ liệu nạp: nhiều xưởng đặt thỏi và phế liệu lên nắp lò hay vào lò sấy riêng cho nóng tới vài trăm độ để đuổi hết ẩm trước khi thả vào nồi.
3. Làm nóng dụng cụ: que khuấy, muôi, gáo được hơ nóng trước khi nhúng; lớp phủ chịu lửa trên dụng cụ phải khô hẳn.
4. Sấy thùng rót và lò mới lót theo đường cong nhiệt quy định, có khi kéo dài nhiều giờ, để nước thoát ra dần mà không làm nứt lớp lót.
5. Giữ khu rót khô ráo: không dùng vòi nước gần lò, sửa ngay chỗ dột, phủ nền khu rót bằng lớp vật liệu khô chịu nhiệt.
6. Thêm liệu từ từ: thả liệu nhẹ theo thành nồi chứ không thả rơi, để nếu còn ẩm thì hơi nước có lối thoát.

Những bước này trông chậm và phiền, nhưng mỗi bước đều gắn với một kiểu tai nạn đã từng xảy ra trong ngành.

Vì sao kim loại "đã nguội bớt" vẫn nguy hiểm?

Thép nóng phát sáng đỏ khi trên khoảng 500–550 °C. Dưới ngưỡng đó, mắt người hầu như không thấy ánh sáng phát ra. Một thỏi nhôm vừa đông đặc ở hơn 600 °C trông gần như màu bạc bình thường. Xỉ phủ trên mặt nồi có thể tối màu trong khi bên dưới vẫn là kim loại lỏng.

Vì vậy, trong xưởng đúc không có khái niệm "trông nguội rồi". Một vật vừa ra khỏi khuôn, một mẩu đậu rót vừa cắt, một tấm thép vừa qua máy cán đều có thể đủ nóng để gây bỏng sâu và đủ nóng để làm vũng nước dưới chân nó sôi bùng. Quy tắc trong xưởng là coi mọi vật kim loại ở khu nấu – rót là nóng cho tới khi đã được kiểm bằng nhiệt kế hoặc đã qua đủ thời gian nguội theo quy định.

Bảng nguồn nước gây nổ và cách xưởng phòng ngừa

Còn đồ bảo hộ thì giúp được đến đâu?

Đồ bảo hộ là lớp cuối cùng, không thay được việc giữ khô. Người làm ở khu nấu – rót mặc quần áo bằng vải chống cháy hoặc len, không mặc đồ sợi tổng hợp vì sợi tổng hợp chảy ra và dính vào da khi gặp tia kim loại. Bên ngoài có thể là áo khoác, tạp dề tráng nhôm phản xạ nhiệt. Giày có mũi thép và tấm che mu bàn chân, ống quần trùm ra ngoài cổ giày để kim loại bắn không lọt vào trong. Mặt nạ che toàn mặt, găng tay chịu nhiệt dày.

Khi có tia kim loại bắn, lớp vải chuẩn sẽ cho kim loại lăn đi thay vì bám lại. Nhưng không bộ đồ nào chống được một vụ nổ hơi nước lớn ở cự ly gần. Vì thế quy trình xưởng luôn đặt việc loại bỏ nước lên trước, đồ bảo hộ xếp sau.

Bài học từ ngoài xưởng: những tình huống người thường gặp phải

Cơ chế nổ hơi nước không chỉ có ở lò đúc. Một vài tình huống quen thuộc có cùng gốc rễ:

• Dầu chiên bốc lửa: đổ nước vào chảo dầu đang cháy làm nước chìm xuống đáy, hoá hơi tức thì và hất dầu cháy tung lên thành quả cầu lửa. Cách đúng là tắt bếp và đậy kín nắp.
• Thả thực phẩm còn đá vào chảo dầu nóng: lớp đá tan thành nước rồi hoá hơi, dầu bắn mạnh.
• Đốt vật kín trong lửa trại: lon, chai kín, ống tre còn đốt kín có thể nổ vì hơi bên trong.

Điều này cũng giải thích vì sao các tài liệu an toàn luôn nhắc người không có nghề tuyệt đối không tự nấu chảy kim loại ở nhà. Một cái nồi gang hơi ẩm, một lon nhôm còn sót nước, một nền sân vừa rửa đều đủ biến kim loại lỏng thành những tia bắn khó lường. Xưởng đúc có quy trình, có đồ bảo hộ, có người được huấn luyện; nhà ở thì không.

Góc nhìn hôm nay: mang về được điều gì?

Có ba ý đáng nhớ từ cơ chế này. Một, nước giãn khoảng 1.700 lần khi hoá hơi ở 100 °C, và còn nhiều hơn khi bị nung nóng thêm. Hai, nguy hiểm lớn nhất là nước bị kẹt bên dưới, không phải nước nằm trên mặt. Ba, kim loại không còn đỏ vẫn có thể đang ở vài trăm độ.

Ai muốn tìm hiểu thêm có thể đọc phần an toàn trong giáo trình kỹ thuật đúc của các trường cao đẳng nghề, tài liệu hướng dẫn an toàn của các hiệp hội đúc và hiệp hội nhôm quốc tế, hoặc các tiêu chuẩn Việt Nam về an toàn lao động trong luyện kim. Nếu có dịp tham quan xưởng đúc theo đoàn, hãy để ý cách thợ hơ nóng dụng cụ và sấy liệu nạp: đó chính là quy tắc trong bài này hiện ra trước mắt.