真空自耗電弧爐防爆設(shè)計(jì)與安全生產(chǎn)研究

摘 要：真空自耗電弧爐是鈦及鈦合金制備的主要設(shè)備，但在熔煉過(guò)程中存在嚴(yán)重的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。該文對(duì)鈦及鈦合金真空自耗熔煉爆炸機(jī)理進(jìn)行研究，簡(jiǎn)要分析引發(fā)爆炸的幾種情況，通過(guò)對(duì)爆炸威力的計(jì)算，研究包括水冷結(jié)晶器、真空熔煉室、X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等在內(nèi)的設(shè)備主體方面，以及包括防爆墻、泄爆口和防爆門(mén)等在內(nèi)的設(shè)備基礎(chǔ)方面的防爆設(shè)計(jì)，在操作系統(tǒng)中設(shè)置防爆預(yù)警，并針對(duì)防范重點(diǎn)提出相應(yīng)的安全生產(chǎn)建議措施，避免熔煉爆炸事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：鈦合金；真空自耗；爆炸；TNT當(dāng)量；安全生產(chǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TF823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0１１８-0４

Abstract： Vacuum consumable arc furnace is the main equipment for the preparation of titanium and titanium alloys， but there is a serious risk of explosion in the melting process. In this paper， the explosion mechanism of titanium and titanium alloy vacuum consumable melting is studied， and several situations causing the explosion are briefly analyzed. Through the calculation of explosion power， this paper studies the explosion-proof design of the main body of equipment， including water-cooled mould， vacuum melting chamber， X-Y regulating mechanism， as well as explosion-proof design of equipment foundation， including explosion-proof wall， explosion vent and explosion-proof door， etc.， and sets explosion-proof early warning in the operating system. According to the key points of prevention， the corresponding safety production suggestions and measures are put forward to avoid the occurrence of smelting explosion.

Keywords： titanium alloy; vacuum self-consumption; explosion; TNT equivalent; safe production

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫和生物相容性好等顯著特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船制造、化學(xué)工業(yè)、交通車(chē)輛、建筑裝飾、海洋建筑、體育用品和生物醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域。鈦及鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑[1]，在熔煉溫度下易發(fā)生氧化和受接觸污染，熔煉必須在真空中或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，真空自耗電弧爐是獲得鈦及鈦合金錠材的專(zhuān)用設(shè)備。真空自耗電弧爐是在真空中，自耗電極通過(guò)電弧在高溫下熔化，形成熔池并進(jìn)行攪拌，一些易揮發(fā)雜質(zhì)將加速擴(kuò)散到熔池表面被去除，合金的化學(xué)成分經(jīng)過(guò)攪拌可達(dá)到充分均勻，從而得到精煉后的高質(zhì)量鈦合金。

熔煉過(guò)程中的高溫鈦液具有遇水易發(fā)生爆炸的特性，且爆炸威力巨大，不僅會(huì)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、配套設(shè)施、廠房建筑等造成破壞，嚴(yán)重的甚至造成人員傷亡事故。國(guó)內(nèi)外已多次出現(xiàn)真空自耗熔煉設(shè)備本體或者油增壓泵在鈦合金熔煉過(guò)程中發(fā)生爆炸的生產(chǎn)事故。20世紀(jì)，寶雞902廠發(fā)生電極桿熔穿爆炸，無(wú)人員傷亡。2013年11月山東某鈦業(yè)公司發(fā)生熔煉過(guò)程坩堝擊穿爆炸，造成真空自耗電弧爐設(shè)備和廠房嚴(yán)重?fù)p壞，無(wú)人員傷亡。爆炸事故是真空自耗電弧爐車(chē)間破壞性最強(qiáng)的事故類(lèi)型，為了提高現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)管理水平，本文對(duì)某真空自耗電弧爐設(shè)備的防爆設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，并對(duì)相應(yīng)安全問(wèn)題提出改善建議。

1 爆炸機(jī)理

1.1 自耗爐發(fā)生故障引發(fā)氫氧燃燒爆炸

1.1.1 爆炸原理

在真空自耗電弧熔煉過(guò)程中，熔化狀態(tài)的鈦合金溫度高達(dá)1 600 ℃，弧光區(qū)溫度高達(dá)2 000 ℃，一旦爐體系統(tǒng)的3大熱部件（上爐膛、電極桿和銅結(jié)晶器）發(fā)生故障性穿透，使冷卻水進(jìn)入銅結(jié)晶器，冷卻水遇到高溫狀態(tài)鈦液迅速氣化成水蒸氣，同時(shí)水與結(jié)晶器內(nèi)部的高溫熔化鈦液發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程將產(chǎn)生大量的氫氣，化學(xué)反應(yīng)

Ti+2H2O→TiO2+2H2+163 285 J。

如果此時(shí)爐膛的內(nèi)壓力超過(guò)0.1 MPa，氫氣將通過(guò)泄爆口排入大氣，進(jìn)而引發(fā)氫氧燃燒爆炸，化學(xué)反應(yīng)

2H2+O2→+2H2O+483 994 J。

當(dāng)含氫量達(dá)到爆炸極限范圍（18.2％～58.9％），在高溫條件下產(chǎn)生劇烈的化學(xué)連鎖反應(yīng)，瞬間放出大量熱量和產(chǎn)生大量的氣體，體積迅速膨脹幾十倍或幾百倍，壓力和溫度驟然升高，產(chǎn)生以每秒2 000～3 000 m速度擴(kuò)展的爆炸波[2]，在密封的自耗爐爐體內(nèi)，設(shè)備就會(huì)被漲爆，威力非常巨大。

1.1.2 主要原因

第一，在熔煉過(guò)程中，操作員對(duì)異常情況的判斷不及時(shí)。此種原因主要發(fā)生在以下3種情形：在熔煉一次錠（電極為海綿鈦壓制）時(shí)，放氣量較大，容易產(chǎn)生側(cè)??；熔煉不規(guī)則電極時(shí)（比如回收料焊接電極），有可能產(chǎn)生較強(qiáng)的側(cè)弧；電極在熔煉過(guò)程中發(fā)生斷裂。操作員必須能對(duì)以上情況做出及時(shí)判斷并正確處置，否則極有可能引發(fā)銅結(jié)晶器被電弧擊穿，從而引發(fā)漏水爆炸。

第二，在熔煉過(guò)程中，操作員發(fā)生錯(cuò)誤操作。這些錯(cuò)誤操作包括：需要執(zhí)行壓弧操作，而實(shí)際執(zhí)行了提升電極桿操作；將電極桿熔化，這是一種惡性的特例操作錯(cuò)誤。這種情況雖然危害很大，但經(jīng)培訓(xùn)合格、有基本操作經(jīng)驗(yàn)的操作者就可以避免熔煉過(guò)程的錯(cuò)誤操作。

1.2 油增壓泵故障引發(fā)爆炸

1.2.1 爆炸原理

設(shè)備真空系統(tǒng)一般配置一臺(tái)油增壓泵，油增壓泵的前級(jí)要配維持泵保持一定真空度，如果在油溫200 ℃以上時(shí)，增壓泵的泵腔內(nèi)進(jìn)入空氣，就會(huì)與油蒸氣混合燃燒而發(fā)生爆炸。

1.2.2 主要原因

第一，人員操作失誤主要有以下2種：在爐膛壓強(qiáng)高于10 Pa時(shí)，打開(kāi)增壓泵的進(jìn)氣閥，導(dǎo)致大氣進(jìn)入增壓泵泵腔，引發(fā)爆炸；當(dāng)增壓泵油溫較高在200 ℃以上時(shí)，操作員操作失誤在高壓強(qiáng)10 Pa情況下開(kāi)啟進(jìn)氣閥。

第二，設(shè)備故障主要有以下2種：增壓泵控制系統(tǒng)保護(hù)聯(lián)鎖裝置失效；旋片泵失效，增壓泵內(nèi)部的油蒸氣無(wú)法排出，持續(xù)積累而壓強(qiáng)升高，有可能頂開(kāi)進(jìn)氣閥，使高溫油蒸氣直接與大氣接觸爆炸。

2 防爆設(shè)計(jì)

2.1 爆炸威力

當(dāng)熔煉過(guò)程中發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸能量為爐內(nèi)壓縮氣體的能量由定容絕熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能，壓縮能急劇膨脹對(duì)外做功，作用于周?chē)鷼怏w介質(zhì)，通過(guò)疊加產(chǎn)生沖擊波。氫氣爆炸總能量由下式計(jì)算

E=1.8aVQ，

式中：1.8為地面爆炸系數(shù)；a為可燃?xì)怏w蒸氣云的當(dāng)量系數(shù)，取0.04；V為事故發(fā)生時(shí)氫氣體積，此處為爐內(nèi)結(jié)晶器加上爐膛容積；Q為氫氣燃燒熱，12 770 kJ/m3。

真空自耗爐使用的？覫610mm結(jié)晶器高度為2 800 mm，容積為0.8 m3，上爐膛容積約為2.7 m3，合計(jì)容積約為3.5 m3，計(jì)算得到熔煉爆炸總能量E為3 218.04 kJ。

由于密閉容器破裂爆炸產(chǎn)生的沖擊波情況復(fù)雜，爆炸能量一般根據(jù)同等能量的TNT爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)按相似法原則來(lái)確定，換算TNT當(dāng)量由下式計(jì)算

WTNT=E/QTNT，

式中：QTNT為T(mén)NT當(dāng)量爆炸熱，取4 520 kJ/kg。

計(jì)算得到氫氣爆炸TNT當(dāng)量WTNT為0.7 kgTNT當(dāng)量。

有關(guān)資料[3]顯示，400～500 mm厚鋼筋混凝土墻，按沖擊波載荷強(qiáng)度計(jì)算，可承受27 kgTNT當(dāng)量破壞力。

2.2 設(shè)備主體防爆設(shè)計(jì)

真空自耗爐設(shè)備主體主要由水冷結(jié)晶器、真空熔煉室、回轉(zhuǎn)提升龍門(mén)架機(jī)構(gòu)、自動(dòng)爐體轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)、電極桿升降機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重機(jī)構(gòu)、X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電極桿密封、真空系統(tǒng)、坩堝充氦系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和熔煉電源等組成，各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均考慮到安全可靠的防爆要求，重點(diǎn)介紹以下系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。

2.2.1 水冷結(jié)晶器

水冷結(jié)晶器一般為銅制坩堝，坩堝外側(cè)裝有隔水筒，該隔水筒可增加冷卻水在坩堝外壁的流速，使結(jié)晶器的冷卻效果更好，從而減少安全事故的發(fā)生。隔水筒外側(cè)裝有穩(wěn)弧線(xiàn)圈筒，其外圍纏有穩(wěn)弧線(xiàn)圈，該線(xiàn)圈提供的磁場(chǎng)使電弧穩(wěn)定，減少偏弧、側(cè)弧及爬弧的發(fā)生概率。坩堝側(cè)面設(shè)有快冷充氦管路，該管路直通坩堝底部，使氦氣沿導(dǎo)管通入坩堝底的環(huán)形槽，這可使氦氣均勻地布滿(mǎn)坩堝，防止堵塞進(jìn)氣孔。

2.2.2 真空熔煉室

爐蓋上設(shè)有電子攝像觀察窗、稱(chēng)重機(jī)構(gòu)及電極升降動(dòng)密封箱，熔煉時(shí)攝像頭通過(guò)觀察窗可觀察到電弧放電狀態(tài)和熔煉情況。爐體下部裝有導(dǎo)電水冷銅法蘭。爐體側(cè)面分別開(kāi)有2個(gè)孔，用于更換擋塵玻璃及維修動(dòng)密封箱的輔助裝卸孔。爐體與真空管道部分相連處一般設(shè)計(jì)有爐體泄爆口，可將爆炸能量導(dǎo)出。

2.2.3 X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是用來(lái)調(diào)節(jié)電極桿與坩堝內(nèi)圓同心度的機(jī)構(gòu)，當(dāng)自耗電極焊接時(shí)出現(xiàn)偏差（即電極與輔助電極不在同一軸心上）時(shí)，可適當(dāng)調(diào)節(jié)X-Y調(diào)整機(jī)構(gòu)使自耗電極與坩堝內(nèi)圓基本同心，達(dá)到可安全熔煉的目的。當(dāng)熔煉結(jié)束后X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將自動(dòng)把電極桿調(diào)整到與坩堝同心的零位上。

2.2.4 水冷系統(tǒng)

該系統(tǒng)提供設(shè)備全部冷卻部位的用水，包括熔煉室、導(dǎo)電銅法蘭、電極桿、坩堝、水冷電纜及真空泵等部位的冷卻水，在該系統(tǒng)在坩堝進(jìn)水管處設(shè)有進(jìn)水溫度測(cè)量熱偶和電接點(diǎn)壓力表，在坩堝回水管處設(shè)有回水溫度測(cè)量熱偶，并在坩堝放氣口處設(shè)有溫度測(cè)量熱偶。這樣可監(jiān)控坩堝工作狀態(tài)。并且，在總水路及各主要分水路裝有水壓表及擋板式流量開(kāi)關(guān)。坩堝冷卻系統(tǒng)還另配用一套制冷循環(huán)系統(tǒng)，可滿(mǎn)足熔煉時(shí)結(jié)晶器的進(jìn)水溫度及出水溫度恒定的冷卻要求。

2.2.5 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制部分設(shè)計(jì)應(yīng)操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)熔煉的手自動(dòng)操作，且在工作的時(shí)候，在不影響整體工作的情況下，可以對(duì)個(gè)別運(yùn)行部件在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行檢查和維修。控制主機(jī)采用PLC（可編程控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作過(guò)程的控制。熔煉系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，通過(guò)PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)整個(gè)熔煉過(guò)程手動(dòng)與自動(dòng)的閉環(huán)控制。設(shè)備采用通用變頻器，可將爐體轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在最佳范圍內(nèi)。本套設(shè)備具有過(guò)載、短路、超溫及斷水等保護(hù)功能，并且在出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)顯示報(bào)警。

2.3 設(shè)備基礎(chǔ)防爆設(shè)計(jì)

2.3.1 防爆墻設(shè)計(jì)

為防止偶然發(fā)生的爆炸事故，真空自耗電弧爐設(shè)備的周?chē)仨氃O(shè)計(jì)防爆墻，以保護(hù)附近人員和廠房的安全。設(shè)備所有防爆墻均設(shè)計(jì)為300 mm厚度的鋼筋混凝土墻，且均設(shè)計(jì)預(yù)埋地基，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量墻體厚度一致。操作間為設(shè)備操作人員操作爐體設(shè)備的房間，緊鄰爐體工位，需設(shè)置為防爆房間，對(duì)其進(jìn)行加固處理，因此，其與相鄰工位之間防爆墻工程方法有不同，防爆房間配筋磚墻以M5水泥混合砂漿砌筑，墻體兩側(cè)掛Φ6@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，墻內(nèi)埋設(shè)雙向間距500 mm的Φ6彎勾鋼筋，與墻體兩側(cè)的鋼筋網(wǎng)綁扎牢固，分層抹40 mm厚1∶2.5水泥砂漿。

2.3.2 地坑泄爆口設(shè)計(jì)

設(shè)備地坑屬于地下的安裝維修空間，結(jié)晶器如果發(fā)生爆炸，密閉的空間爆炸能量釋放不出去，會(huì)對(duì)廠房和設(shè)備造成更大破壞，因此需要設(shè)計(jì)地坑泄爆口，將爆炸能量導(dǎo)出廠房外。泄爆口設(shè)計(jì)為“L”形，豎直方向面積1 000 mm×1 000 mm，水平方向面積1 800 mm×1 000 mm，泄爆通道四周為厚度300 mm的鋼筋混凝土。泄爆口方向不應(yīng)有其他建筑物或人的活動(dòng)區(qū)。

2.3.3 防爆安全門(mén)設(shè)計(jì)

設(shè)備工位出入口是防爆薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)真空自耗爐設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)工位的防爆安全門(mén)進(jìn)行改造，如圖1所示。改造前為單層，改造后為雙層加固鋼板門(mén)，且可以卡進(jìn)墻體，有效阻止爆炸波沖擊。同時(shí)增加防爆門(mén)開(kāi)關(guān)與熔煉信號(hào)的互鎖功能，當(dāng)熔煉電壓電流信號(hào)給定時(shí)，防爆門(mén)無(wú)法直接開(kāi)啟，防止有人誤闖進(jìn)熔煉工位，造成安全隱患。

2.4 防爆預(yù)警要素設(shè)計(jì)

鈦及鈦合金真空自耗熔煉爆炸的前提是熔煉過(guò)程中發(fā)生坩堝擊穿， 冷卻水進(jìn)入坩堝，根據(jù)真空自耗電弧爐熔煉工藝數(shù)據(jù)分析，確定了5個(gè)防爆預(yù)警要素，見(jiàn)表1。根據(jù)防爆預(yù)警要素，在操作系統(tǒng)中，添加自動(dòng)報(bào)警指示，要素?cái)?shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，開(kāi)啟聲光電信號(hào)報(bào)警，提示操作人員及時(shí)做出應(yīng)急指令動(dòng)作。

3 安全生產(chǎn)措施

3.1 針對(duì)坩堝擊穿爆炸重點(diǎn)防范

嚴(yán)格執(zhí)行每爐起弧前點(diǎn)檢和記錄制度，確保坩堝循環(huán)水供應(yīng)正常、流量正常、壓力正常。同時(shí)，坩堝循環(huán)水的壓力、流量、溫度都有硬件互鎖和臨界值報(bào)警。互鎖和報(bào)警有效性檢查，要求每天進(jìn)行一次。

3.2 針對(duì)電極桿熔穿爆炸重點(diǎn)防范

嚴(yán)格執(zhí)行每爐起弧前點(diǎn)檢和記錄制度，確保電極桿循環(huán)水供應(yīng)正常、流量正常、壓力正常。同時(shí)，電極桿循環(huán)水的壓力、流量、溫度都有硬件互鎖和臨界值報(bào)警。

3.3 系統(tǒng)真空?qǐng)?bào)警及自動(dòng)斷電

無(wú)論坩堝擊穿還是電極桿熔穿，一旦發(fā)生漏水，真空度必然會(huì)有顯著反應(yīng)，從真空異常到最終發(fā)生氫爆。針對(duì)此情況，廠家技術(shù)人員在真空自耗爐系統(tǒng)加裝了真空?qǐng)?bào)警自動(dòng)斷電設(shè)施，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到0.1 atm時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷電，避免爆炸發(fā)生。

3.4 熔煉停電風(fēng)險(xiǎn)防范

在熔煉過(guò)程中，如果發(fā)生意外停電，需要進(jìn)行應(yīng)急處置。意外停電的風(fēng)險(xiǎn)在于循環(huán)水停止流動(dòng)，此時(shí)坩堝里有大量高溫金屬，需要盡快啟動(dòng)應(yīng)急循環(huán)水，恢復(fù)坩堝水的流動(dòng)。應(yīng)急供水失效可能導(dǎo)致的危害有坩堝過(guò)熱變形（報(bào)廢）、攪拌線(xiàn)圈受熱損壞、坩堝密封圈燒損等。

應(yīng)急供水規(guī)范為，確保在5 min以?xún)?nèi)實(shí)現(xiàn)供水，滿(mǎn)足坩堝水流量5～10 t/h，水壓無(wú)要求。針對(duì)意外停電風(fēng)險(xiǎn)，制定相關(guān)制度，自耗爐的循環(huán)水系統(tǒng)，都配置了應(yīng)急柴油泵，確保在意外停電的情況下，能及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急供水。每個(gè)泵都進(jìn)行定期啟動(dòng)測(cè)試，規(guī)定每周2次，每次運(yùn)行時(shí)間1～3 min，且現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備1～2桶柴油，可以確保柴油泵能夠連續(xù)運(yùn)行4 h以上。

3.5 關(guān)鍵崗位的人員培訓(xùn)

灌輸設(shè)備爆炸的相關(guān)理論知識(shí)和操作防范經(jīng)驗(yàn)，特別強(qiáng)調(diào)了爆炸前的真空度異常處置規(guī)范。無(wú)論坩堝擊穿還是電極桿熔穿，一旦發(fā)生漏水，真空度必然會(huì)有顯著反應(yīng)，從真空異常到最終發(fā)生氫爆，操作響應(yīng)時(shí)間大約有60～90 s。因此，只要熔煉操作手能夠認(rèn)真觀察熔池狀況、關(guān)注真空度異常，完全能把爆炸風(fēng)險(xiǎn)概率降低到極低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要分析了真空自耗電弧爐熔煉鈦合金時(shí)可能引發(fā)爆炸的幾種情況，并分析了爆炸發(fā)生的作用機(jī)理，通過(guò)對(duì)爆炸威力的計(jì)算，研究了設(shè)備主體和設(shè)備基礎(chǔ)條件的防爆設(shè)計(jì)，包括水冷結(jié)晶器、真空熔煉室、X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、防爆墻、泄爆口和防爆門(mén)等，根據(jù)防爆預(yù)警要素，在操作系統(tǒng)中設(shè)置聲光電報(bào)警信號(hào)，最后針對(duì)防范重點(diǎn)提出了相應(yīng)的安全生產(chǎn)措施，以保證將爆炸風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

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