鋁熔體半連續(xù)（深井）鑄造爆炸事故的原因分析及防范措施

陳守輝，唐 劍，陳向富，王 劍，朱際業(yè)

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

半連續(xù)（深井）鑄造是熔鑄生產(chǎn)中最重要、最關(guān)鍵的工序[1]。由于其生產(chǎn)的特殊性，鑄造過程易發(fā)生漏鋁，造成熔融鋁遇水爆炸事故，輕則發(fā)生燙傷事故，重則發(fā)生重大人員傷亡和財產(chǎn)損失事故。國內(nèi)熔鑄半連續(xù)（深井）鑄造企業(yè)屢屢發(fā)生熔融鋁遇水爆炸重大安全事故，引起國內(nèi)鋁熔鑄行業(yè)及有關(guān)部門高度重視。為什么半連續(xù)（深井）鑄造會發(fā)生如此大爆炸事故呢？為此，本文對熔融鋁遇水爆炸的成因進(jìn)行簡要分析與介紹，并提出相應(yīng)的防范措施。

1 熔融鋁遇水爆炸機(jī)理

立式半連續(xù)（深井）鑄造是以一定的速度將金屬液澆入到結(jié)晶器內(nèi)并連續(xù)不斷地以一定的速度將鑄錠拉出來的鑄造方法。如只澆注一段時間把一定長度鑄錠拉出來再進(jìn)行第二次澆注叫半連續(xù)鑄造，半連續(xù)鑄造有地坑（深井）式和高架式。半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的鑄錠質(zhì)量好，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代鋁加工行業(yè)，在鋁加工行業(yè)具有不可替代的地位。熔融鋁遇水爆炸往往發(fā)生在鑄井。

在國內(nèi)，很多人認(rèn)為熔融鋁遇水爆炸只是“蒸汽爆炸”，而事實上熔融鋁遇水產(chǎn)生的“蒸汽爆炸”不足以產(chǎn)生那么大的爆炸威力和傳輸距離。實際上熔融鋁遇水爆炸由物理爆炸和化學(xué)爆炸兩部分組成[2]。它們的爆炸機(jī)理如下所述。

1.1 物理爆炸（蒸汽爆炸）

熔融鋁遇水，由于兩種液體密切接觸，溫差巨大，且水的沸點遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔融鋁的熔體溫度，由于快速的熱運動，其溫度迅速達(dá)到沸點以上并達(dá)到一種過熱狀態(tài)，水瞬間蒸發(fā)為氣體，體積膨脹1 600倍（在100℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的體積比分別為：液態(tài)下0.00104344 m3/kg，氣態(tài)下（蒸汽）1.6736 m3/kg）。特別在鑄井這樣狹小的空間條件下，形成一定幅值的壓力波，需要釋放膨脹產(chǎn)生的能量，隨即發(fā)生爆炸。爆炸使高溫熔融鋁飛濺，最遠(yuǎn)可飛出爆炸中心點30 m，造成傷害事故。但蒸汽爆炸威力不大，飛濺一般不會造成太嚴(yán)重的傷害，最主要的傷害是來自于下面化學(xué)（氧化）反應(yīng)所產(chǎn)生的爆炸。

1.2 化學(xué)爆炸（氧化爆炸）

眾所周知，鋁是一種化學(xué)反應(yīng)非?；钴S的金屬元素，在自然界中鋁幾乎總是和氧結(jié)合在一起。若要將鋁-氧鍵破壞，需要巨大的能量，同樣地，熔融鋁與水或空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，將釋放同等的能量，其反應(yīng)式如下：

（1）氧化反應(yīng)釋放的能量。上述反應(yīng)據(jù)有關(guān)資料介紹以及熱動力計算來看：熔融鋁氧化反應(yīng)所釋放的能量為15.5 kJ/g，即1 kg熔融鋁遇水氧化反應(yīng)后釋放的能量相當(dāng)于3 kg TNT炸藥爆炸所釋放的能量。若將100 kg的熔融鋁泄漏進(jìn)入鑄井，其中10%與水發(fā)生氧化反應(yīng)，所釋放的能量與30 kg TNT炸藥相當(dāng)，相當(dāng)于600顆手榴彈。在井坑這樣相對封閉的空間，爆炸破壞性將被進(jìn)一步放大。可見熔融鋁遇水氧化爆炸產(chǎn)生的威力巨大，同樣其危害也是巨大的。因此，熔融鋁遇水爆炸最具有破壞力的主要是氧化（化學(xué)）爆炸，其次才是蒸汽（物理）爆炸。

（2）熔融鋁碎末化作用。金屬鋁是非?；顫姷慕饘僭?，一旦暴露于空氣中，鋁的表面急速氧化，形成一層致密的氧化膜，使表面鈍化，阻止進(jìn)一步氧化。因此，鋁氧化在一般條件下是不會發(fā)生爆炸的。熔融鋁遇水會發(fā)生爆炸，主要是因高溫熔融鋁遇水產(chǎn)生碎末化作用所導(dǎo)致的。圖1是鑄造過程中熔融鋁漏鋁下泄產(chǎn)生碎末化的過程示意圖。在實際生產(chǎn)中，這一過程遠(yuǎn)比模擬圖要復(fù)雜得多。

圖1 鑄造過程中熔融鋁漏鋁下泄過程模擬圖

由圖1可以看出，當(dāng)熔融鋁在鑄造過程中突然漏鋁，其變化過程如下：

①直接凝固：在熔融鋁開始突然漏鋁的初期，下泄的熔融鋁相對于冷卻水來說，占比較少，很快就凝固了，不會發(fā)生熔融鋁遇水爆炸。

②形成保護(hù)膜：隨著時間的推移（這個時間也非常短），熔融鋁下泄量急劇增大，加之水溫也快速上升，金屬凝固的表面溫度也非常高，造成下泄熔融鋁凝固的表面遇水后形成一層保護(hù)膜（幕）。

③形成蒸汽壓：由于保護(hù)膜的作用大大減緩了冷卻水對下泄熔融鋁的冷卻效果，使冷卻作用無法穿透到下泄漏鋁的中心部位和被大量固體遮擋或包裹的部分熔體。同時結(jié)晶器到深井水位還有一段距離（除干井鑄造外一般都有750～1 500 mm的距離），這個高度及以下是熔融鋁與水及水蒸氣充分混和的過程。此時，漏鋁中心部位的熔融金屬很難全部凝固。在壓力的作用下，熔融鋁包裹少量水和水蒸氣通過凝固縫隙進(jìn)入下泄熔融鋁的中心區(qū)域。在中心區(qū)域內(nèi)高溫熔融鋁包裹、覆蓋液體水滴和水蒸氣，使水瞬間蒸發(fā)為氣體，氣體急速膨脹，產(chǎn)生巨大的壓力。

④形成熔融鋁碎末化：在產(chǎn)生的巨大壓力作用下形成一定幅值的壓力波，壓力在釋放過程產(chǎn)生急速熱運動。此時在蒸汽膨脹和熱運動作用下，高壓蒸汽對被包裹、覆蓋的未凝固熔融鋁進(jìn)行充分切割、破碎，如此反復(fù)，使包裹、覆蓋熔融鋁急速碎末化。

⑤熔融碎末鋁與水發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸：熔融鋁碎末化后，其每一個細(xì)小的熔融鋁顆粒比表面急劇增大，這樣碎末化的熔融鋁顆粒急速與水蒸氣充分混和后，發(fā)生急速、充分的氧化反應(yīng)。這類似高濃度熔融鋁粉與水蒸氣的氧化反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生巨大的化學(xué)能，這些能量的釋放，形成威力巨大的爆炸。爆炸在鑄井的狹小空間內(nèi)被進(jìn)一步放大，這和粉塵爆炸完全相類似。由于是高溫熔融鋁顆粒，其爆炸威力甚至超過鋁粉塵爆炸的威力，爆炸威力傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)200 m開外，極可能造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由此可見，熔融鋁碎末化是熔融鋁遇水發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸的最主要原因。

2 漏鋁遇水爆炸的主要防范措施

對于熔鑄企業(yè)來說，半連續(xù)（深井）鑄造工序中，熔融鋁遇水爆炸事故是熔鑄車間最大的安全隱患和最大的危害事故，必須嚴(yán)加防范。根據(jù)其成因和多年經(jīng)驗教訓(xùn)以及參考國內(nèi)外事故資料，認(rèn)為防范熔融鋁遇水爆炸事故發(fā)生的核心首先是阻斷熔融鋁與水接觸，特別是阻斷熔融鋁下泄進(jìn)入鑄井，從而達(dá)到阻止或延緩熔融鋁遇水爆炸發(fā)生的目的[3]。其主要防范措施如下：

（1）優(yōu)化工藝配置。對鋁合金熔鑄生產(chǎn)線配置宜采用熔煉爐+保溫爐+鑄造機(jī)的流程布置，保溫爐成為熔煉爐最可靠、最有效的應(yīng)急存儲設(shè)施；保溫爐（靜置爐）尤其是容量大的保溫爐最好采用傾動式保溫爐，一旦發(fā)生大量漏鋁、停電、停水等異常情況可立即自動傾動回翻，阻止漏鋁進(jìn)一步擴(kuò)大，從而有效降低熔融鋁遇水爆炸事故的風(fēng)險。

（2）設(shè)置“五點聯(lián)動”，阻止熔融鋁進(jìn)入鑄井后遇水爆炸。

①第一點：保溫爐（又稱靜置爐，包括熔保一體爐，指與鑄造機(jī)相連的爐組，以下同）出口液位控制聯(lián)動，鑄造過程中（一般開頭300～500 mm后和收尾前）保溫爐出口液位突升或液位極高、突降或液位極低時，供流流槽閘板截斷，放流閘板打開，或分配流槽入口處流槽抬升（提升）裝置斷開放流，傾動爐自動回翻。

②第二點：供流流槽與鑄盤或分配流槽入口處液位控制聯(lián)動（核心條款）。鑄造過程中（一般開頭300～500 mm后和收尾前）供流流槽與鑄盤（模盤）或分配流槽入口處液位突升或液位極高、突降或液位極低（核心之核心）時，供流流槽閘板截斷，放流閘板打開，或分配流槽入口處流槽抬升（提升）裝置斷開放流，傾動爐自動回翻。

③第三點：鑄盤或結(jié)晶器冷卻水流量、壓力和溫度控制聯(lián)動。鑄造開頭正常后鑄盤（模盤）或結(jié)晶器冷卻水壓力、流量突降時，供流流槽閘板截斷，放流閘板打開，或分配流槽入口處流槽抬升（提升）裝置斷開放流，傾動爐自動回翻，并對冷卻水溫進(jìn)行監(jiān)控。

④第四點：鑄造機(jī)突然停電、停水聯(lián)動。鑄造過程中，鑄造機(jī)突然停電、停水時，供流流槽閘板截斷，放流閘板打開，應(yīng)急水啟動；停電時應(yīng)急電源（無縫）啟動，供流流槽閘板截斷，放流閘板打開，或分配流槽入口處流槽抬升（提升）斷開裝置斷開放流，傾動爐自動回翻。

⑤第五點：鑄造井出水口（回水）水溫突升聯(lián)動。鑄造過程中，鑄造井出水口（回水）水溫在較短時間突升，供流流槽閘板截斷，放流閘板打開，或分配流槽入口處流槽抬升（提升）斷開裝置斷開放流，傾動爐自動回翻。

在緊急情況下，通過“五點聯(lián)動”，可阻斷或延緩熔融鋁繼續(xù)向鑄盤或分配流槽供流，進(jìn)而阻止熔融鋁進(jìn)入鑄井發(fā)生熔融鋁遇水爆炸事故。

（3）熔煉爐和保溫爐設(shè)定的基本要求如下：①固定式熔煉爐和保溫爐的熔融金屬流眼應(yīng)設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)。鑄造過程中，應(yīng)有專人在保溫爐流眼處監(jiān)控熔融金屬液流量或金屬液位高度；鑄造現(xiàn)場應(yīng)配備一定量的干砂和至少3把鐵鏟，并保持干燥和取拿方便；②對固定式熔煉爐和保溫爐要定期檢查和更換流眼，使用強(qiáng)度、剛度符合要求的耐沖擊流眼材料，流眼幾何尺寸應(yīng)符合要求，確保流眼在控流、堵流過程可靠；同時配置適當(dāng)數(shù)量的裝配完整的備用堵頭（塞頭），以便堵頭（塞頭）在控流或堵流過程中一旦失敗，能及時采用備用堵頭（塞頭）將流眼堵（塞）死，防止繼續(xù)跑流。若發(fā)生無法控制的跑流，應(yīng)立即截斷燃燒系統(tǒng)或停電、打開爐門降溫，并向爐內(nèi)流眼處加入鋁錠（冷料），將流眼凝固。待鋁液量減少后用硅酸鋁堵住漏點，防止鋁液繼續(xù)流出；③傾動式保溫爐爐坑靠近爐門位置應(yīng)設(shè)置不低于200 mm的擋板；④傾動式保溫爐傾翻系統(tǒng)應(yīng)與鑄造機(jī)系統(tǒng)聯(lián)鎖，鑄造時根據(jù)金屬熔體需求量實現(xiàn)自動供流，并在操作區(qū)域設(shè)置手動泄壓裝置；⑤傾動爐的底坑禁止積油、積水、潮濕，并定期檢查；⑥傾動式保溫爐可實現(xiàn)快慢升降及事故手動功能，具有停電等緊急情況時自動回翻功能；⑦應(yīng)定期檢查爐墻和爐底等設(shè)備本體及附屬設(shè)施，監(jiān)控爐墻底部或爐底的溫度、爐膛耐火材料、襯磚等表觀情況，并形成檢查記錄，以判斷爐墻和爐底的損壞程度。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重焊縫開裂、腐蝕、破損、襯磚損壞、殼體發(fā)紅及明顯彎曲變形等情況時應(yīng)立即停爐報修或報廢。

（4）供流及鑄造現(xiàn)場應(yīng)保持供流流線、鑄井周圍地面無水以及無關(guān)水管。流槽、殘料箱（放干箱）、應(yīng)急箱（坑）、引錠頭（底座）、渣刀等熔融鋁接觸設(shè)備、工器（具）應(yīng)保持干燥無水。

（5）緊急排放閥口（槽）、分配流槽斷開處應(yīng)設(shè)置應(yīng)急容器，應(yīng)急容器應(yīng)符合下列要求：①固定式保溫爐的應(yīng)急容器容量不應(yīng)低于保溫爐一定容量；傾動澆鑄（注）爐的應(yīng)急容器容量不應(yīng)低于流線供流流槽和分配流槽動態(tài)金屬容量之和的1.5倍；②當(dāng)多臺澆鑄（注）爐組共用時，可多個應(yīng)急容器串聯(lián)共用；串聯(lián)共用的應(yīng)急容器的總?cè)萘繎?yīng)滿足一次事故最大容量需求，且應(yīng)保證每一臺澆鑄（注）爐組排放口（槽）熔融金屬可以排放到應(yīng)急容器；③所有應(yīng)急容器應(yīng)保持干燥。

（6）除氣裝置、過濾裝置、流槽等熔融金屬放流口（槽）所需的殘料箱（放干箱）的容積不應(yīng)低于熔融金屬容量的1.5倍，并保持干燥。每個裝置的放流口（槽）應(yīng)配置不少于2個（1用1備）堵頭和殘料箱（放干箱）；多個放流口可共用殘料箱（放干箱）。除排放和清理期間外，其余時間段每個放流口（眼）應(yīng)堵死；堵眼裝置應(yīng)配備鎖緊機(jī)構(gòu)。

（7）鑄造機(jī)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置應(yīng)急水源，應(yīng)急水應(yīng)滿足以下要求：①應(yīng)急水容量應(yīng)滿足正常鑄造5 min及以上的應(yīng)急水用量，且應(yīng)急水初始壓力宜不低于0.1 MPa，每次鑄造前需檢測壓力是否滿足要求；②應(yīng)急水管道應(yīng)安裝兩個并聯(lián)的控制閥，其中一個控制閥應(yīng)為自動控制閥（常閉電磁閥停電狀態(tài)下能自動打開），并與鑄造機(jī)監(jiān)測、報警裝置、供流流槽緊急排放閥（閘板）和快速切斷閥（閘板）聯(lián)鎖，或與鑄造分配流槽（盤）抬升（提升）斷開裝置聯(lián)鎖；另一個控制閥若為手動控制閥（最好不要采用手動閥），應(yīng)設(shè)置在操作人員附近且能快速方便操作的位置；當(dāng)停電、停水瞬間打開手動閥，確保應(yīng)急水不間斷供水，嚴(yán)禁結(jié)晶器或鑄造盤斷水之后再打開手動閥；③應(yīng)急水應(yīng)設(shè)置貯水量檢測報警裝置，實現(xiàn)自動補(bǔ)水；④每次鑄造前需對應(yīng)急水容量、壓力和自動控制閥進(jìn)行自檢，確保壓力滿足要求、自動控制閥和連鎖有效可靠。

（8）熱頂鑄造分配盤（模盤）發(fā)生漏鋁的情況下嚴(yán)禁傾翻熱頂鑄造分配盤（模盤）。對于小圓錠（一般φ≤250 mm）熱頂分配盤（模盤）應(yīng)配置應(yīng)急堵頭。非導(dǎo)流側(cè)設(shè)置應(yīng)急溢流口（槽），所有溢流口和供流流槽與分配流槽或熱頂分配盤之間的搭接口須配置至少2個（1用1備）殘料箱（放干箱），其容積應(yīng)大于此段流槽或流盤內(nèi)鋁液容量的1.5倍。

（9）支架（托座）采用屋脊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)有利于初始漏鋁或少量漏鋁時迅速分流，防止金屬（液）和冷卻水沉積于支架（托座）上，可以阻止或延緩熔融鋁遇水爆炸。

圖2 采用屋脊結(jié)構(gòu)的支架（托座）

（10）鑄造井應(yīng)滿足以下基本要求：①鑄造時鑄造平臺（水套）底部與鑄造井靜態(tài)水平面不應(yīng)小于750 mm，且鑄井水位距離鑄井上緣不少于300 mm；②鑄造井周邊應(yīng)設(shè)置一定高度的圍堰以防止高溫熔融鋁流入鑄井內(nèi)，同時防止鑄造冷卻水濺出以及人員滑跌墜井；③對鑄造（澆注）區(qū)域的回水管、回水溝、回水坑等，應(yīng)設(shè)置防止熔融金屬進(jìn)入的措施；④必要時在接觸漏鋁的鑄井井壁、支架（托座）、平臺等涂防爆涂料；⑤鑄井底部設(shè)置最低安全水位，一般不宜低于1 m，以便初始漏鋁和少量漏鋁可盡快冷卻凝固，阻止或延緩熔融鋁遇水爆炸。

（11）保證鑄造過程中鑄造溫度、鑄造冷卻強(qiáng)度和鑄造速度等工藝參數(shù)穩(wěn)定可控，不能超出一定波動范圍。一般來說，鑄造溫度的波動范圍不應(yīng)超出±5℃，鑄造速度的波動范圍一般不超過2%，根據(jù)速度高低其波動范圍有所不同。不同工藝參數(shù)應(yīng)有可靠的監(jiān)測報警，必要時可實現(xiàn)與鑄造機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)等連鎖。冷卻水不應(yīng)含有較大的顆粒物、淤泥、油污等易堵塞水孔或易結(jié)垢的物質(zhì)，冷卻水質(zhì)應(yīng)符合表1的水質(zhì)基本要求[1]。

表1 冷卻水水質(zhì)基本要求

（12）鑄造機(jī)應(yīng)滿足以下基本要求：①鋼絲繩鑄造機(jī)應(yīng)使用鋼芯鋼絲繩，鋼絲繩的安全系數(shù)應(yīng)按照M6等級選用；應(yīng)使用帶繩槽卷筒，禁止鋼絲繩多層纏繞；導(dǎo)向輪的深度應(yīng)滿足鋼絲繩公稱直徑的1.5倍，鋼絲繩使用的鋼絲繩夾應(yīng)符合GB/T 5976，卷筒應(yīng)符合GB/T 34529規(guī)范要求。對鋼絲繩進(jìn)行定期與不定期檢查和更換。每次鑄造前須檢查鋼絲繩運行情況，若發(fā)現(xiàn)斷絲、變形、變細(xì)、起毛等情況須立刻進(jìn)行更換。嚴(yán)禁頭尾對調(diào)后繼續(xù)使用；②液壓鑄造機(jī)液壓缸控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置自動和手動緊急泄壓裝置。定期檢查油路、閥門、比例閥、液壓缸等是否破損、漏油，運行是否平穩(wěn)可靠。如果是外導(dǎo)式鑄造機(jī)，應(yīng)及時檢查和清理導(dǎo)軌上可能凝固的鋁或其他雜物。

（13）現(xiàn)場人員控制應(yīng)滿足以下基本要求：①每臺鑄造機(jī)組每一次鑄造開頭和收尾時應(yīng)根據(jù)崗位操作需求，保證最低數(shù)量的熟練操作人員進(jìn)行操作，鑄造過程中嚴(yán)禁現(xiàn)場崗位脫崗，無人值守；②鑄造機(jī)周圍一定范圍內(nèi)，鑄造期間應(yīng)禁止非相關(guān)人員進(jìn)入。操作及相關(guān)人員應(yīng)進(jìn)行有效防護(hù)，避免燙傷、炸傷等；③鑄造現(xiàn)場需留出足夠的逃生通道，一旦有無法阻止的爆炸風(fēng)險先兆，要確?，F(xiàn)場人員能盡快撤離，降低人員傷亡風(fēng)險。

3 結(jié)束語

鋁加工半連續(xù)（深井）鑄造漏鋁遇水爆炸是熔鑄工序中危害最大的事故，極易發(fā)生重特大人員傷亡和財產(chǎn)損失事故。熔融鋁遇水爆炸由物理爆炸和化學(xué)爆炸兩部分組成，其中化學(xué)爆炸最具破壞力。通過采用傾動式保溫爐優(yōu)化工藝布置、設(shè)置五點聯(lián)動阻止熔融鋁遇水爆炸、強(qiáng)化熔煉爐和保溫爐設(shè)定要求等有效措施，可以阻止或延緩熔融鋁遇水爆炸事故的發(fā)生，最大限度降低半連續(xù)（深井）鑄造熔融鋁遇水爆炸防事故發(fā)生，實現(xiàn)安全鑄造。