真空钎焊炉的安全管理及事故预防措施探讨

胡杰仁，程耀永

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

随着钎焊研制任务量的剧增，真空钎焊炉数量不断增加，其安全管理的重要性日益凸显。根据历年安全事故统计，真空设备出现过真空系统燃爆、加热系统超温等事件，造成设备损坏、工件报废。正常情况下，只要操作者严格遵守真空钎焊炉操作规程，适时关启按钮和开关，无需太多的经验或培训即能掌握操作。事故的发生往往是由于设备功能异常或部件故障引起，因此，要强化真空钎焊炉的使用管理与维护工作，以延长设备的使用寿命，避免设备使用时发生故障。

1 真空钎焊原理及工艺流程

将需要钎焊的工件装入真空炉内，关闭炉门，通过温控系统，编制热循环工作程序，系统按设定的程序手动或自动完成抽真空→加热→保温→断电等一系列工艺过程。启动真空系统（包括机械泵、罗茨泵、扩散泵）对加热室抽真空，当到达工作真空度时，启动加热程序。金属加热元件通过温控仪控制变压器输出产生电阻热，利用大电流低电压方式加热，金属反射屏的对热辐射反射，热量相对集中在加热室内，形成一个固定范围均匀的温度环境，工件吸收热量，达到工艺要求的温度及保温时间后，关闭加热电源随炉冷却，或视工艺需求充入高纯氩气快冷，炉温降至200 ℃以下后，关闭设备电源，出炉，完成整个工艺过程[1]。

2 真空钎焊炉结构

以ZH-200 型高温真空钎焊炉为例，该炉为冷壁、单室卧式结构，主要由炉体、炉胆、真空系统、水冷系统、电控系统以及充气系统组成。炉壳体按照真空容器要求设计、制造。炉体及炉门均采用双层水冷夹套形式，内壁及法兰采用优质不锈钢制造，外壁采用优质碳钢焊制，炉体内壁为保证良好的真空极限经抛光处理。炉门设计为旋转侧开，错齿法兰锁圈气动锁紧，炉门采用橡胶圈密封，设有冷却水进、回水管，采用软管连接。真空系统机组主泵为DIP-20000 型扩散泵，前级泵为ZJ-600 型罗茨泵和2X-70 型旋片式机械泵，分别配有主阀、前级阀、粗抽阀及与机械泵联动的电磁真空压差阀，如图1 所示。其中，真空系统的扩散泵属于射流真空泵的一种，工作在高真空区域，以低压高速油蒸汽流作为工作介质。泵的抽气过程是真空系统中的气体分子扩散到高速油蒸汽射流中，被携带到泵出口排除的过程，正常工作时，油蒸汽温度将达到250 ℃以上，已超过所用油的闪点。

3 真空钎焊炉安全风险辨识分析

设备运行过程中内部同时具备高温、真空密封的特征，存在两方面的安全风险:①如果加热系统失控，超温会引起设备部件损坏、工件报废；②高温状态下的异常升压，可能导致超压爆炸，轻者造成设备损伤，重者炉门瞬间打开，造成人员伤亡。表1 对真空钎焊炉在使用过程中出现的异常情况、原因、影响、可能导致的事故进行了分析。

4 真空钎焊炉安全控制措施

4.1 安全技术措施

为了保证真空炉的使用安全，生产厂商在设备的设计制造过程中，必须考虑关键部位的结构安全性、系统可靠性、应用灵活性等因素，针对真空系统和温控系统采取的技术措施主要包括以下方面:

4.1.1 炉体及真空系统

（1）炉体采用强度高圆筒状双层水冷结构，选择具有良好焊接性能的钢板，保证炉壳的气密性。

（2）炉门与炉体采用锁紧齿圈进行压紧，由气缸传动来完成齿圈的锁紧与打开，并设有互锁位置开关，保证炉门的锁紧状态。

（3）炉门与炉体、扩散泵与炉体、泵与泵之间以及各管路连接处均由性能完好的密封圈进行密封，用水隔层进行冷却。

（4）阀门开关均为气动，由电磁阀控制，当发生断电时，所有阀门会在压缩空气的压力下自动关闭，保证设备内部的真空状态。

（5）阀门具有自锁互锁安全保护功能，规定了真空系统机组的开启顺序，防止误操作带来的阀门串气。

（6）在抽高真空管道系统加装一台维持泵，保证真空机组在连续工作或预加热扩散泵时的独立抽气状态，防止因阀门转换失误而造成大量空气串入扩散泵[2]。

图1 真空炉结构示意

（7）扩散泵上增设压力表，可以有效监控扩散泵的状态。

（8）炉体上装有安全阀，为防止意外情况造成炉内超压，可及时泄压。

4.1.2 加热及控温系统

（1）完好无损的温度控制系统，包括控温热电偶、水冷电极、加热元件、保温层等。根据生产中所使用的气氛和温度高低，正确选择热电偶与加热元件。例如，对于高温真空钎焊炉，其设计最高温度为1600 ℃，采用金属钼带作为加热元件，采用B 型铠装热电偶进行温度的测量与控制。

（2）B 型铠装热电偶须密封结构设计，选用纯度高、强度高的刚玉管。为了提高热电偶的强度，防止陶瓷保护管破裂，可采用金属与陶瓷复合管，兼有强度与耐温的优点。

（3）独立有效的超温报警单元，若炉温超过程序设定温度，系统会在触摸屏和报警灯上同时发出声光报警，并进行关断加热电源等保护性操作。

（4）全面直观的测量监控系统，设备控制程序系统设计趋于智能化、自动化，通过控制柜上的阀门按钮指示灯、仪表器具以及控制面板，便可快捷有效地获得炉内温度、炉内真空、充气压力等各个参数的信息及状态，具有完善的故障诊断和报警功能，方便操作者测量和监控。

4.2 安全管理措施

设备安全管理的主要目的是通过正确的使用及维护，保证安全技术措施处于功能正常完好的状态。笔者从真空钎焊炉使用前、使用中、使用后、维护过程4 个阶段提出安全管理措施。

表1 真空钎焊炉使用过程异常现象与可能导致的事故

4.2.1 使用前

（1）开启炉门前的注意事项。打开炉门前，应首先检查炉内压强，并可通过压强数值判断炉子真空密封的完好性。如炉内压力小于大气压（105Pa），应先充气，即先松开炉门锁圈再打开“放气阀”，待炉内压强达到大气压值，可开门。如炉内压力大于大气压（105Pa），应先放气（危险），待炉内压强达到大气压值时，方可松开炉门锁圈开门。开关炉门时，应将手放在炉门把手上，避免炉门突然弹开，发生误伤。

（2）设备运行前的点检。操作者根据编制的《自主维护点检表》对金属加热带、真空泵、炉内壁、真空管路等关键部位实施检查，尤其是对真空炉的冷却水循环系统进行重点检查，包括水压、流量是否正常，各支路是否畅通，对真空系统的压升率进行周期性检查，做好检查记录。在冷却水系统运行状态下检查炉内壁，看有无湿润点或锈蚀、裂纹等，对发现的问题及时采取维护措施，避免在长时间使用过程中使问题严重化。

（3）计量器具的有效性。检查设备附属的计量器具，如控温仪、真空计、压力表、热电偶、安全阀等处于检定合格周期内且连接正确，工作正常。

（4）炉体内部及工件的清洁度。工件入炉前，检查炉体内部，加热带及隔热屏必须干净，不得有杂物、灰尘、油污、水等。工件也一定要保证其清洁度，表面的油污和杂质在高温下挥发，会污染炉体和堵塞一些必要的管道，导致真空炉的损坏。对于工艺过程可能发生钎料飞溅或滴落的情况，应在物料下面放置收集板，避免钎料等直接洒落在加热带上。

4.2.2 使用中

（1）操作者职责。所有操作者必须持证上岗，取得设备操作证，熟练掌握真空炉操作的基本流程顺序以及各按钮代表的意义及作用。严格按设备作业指导书操作，按工艺规程设定工艺参数，尤其是超温报警温度。真空炉运行中需操作者值守监控各种阀门在工艺流程应处的正确状态，水压、真空度、炉温等工艺参数的变化是否存在异常，检查确认真空压力表与压力变送器数据，检查控制柜的各项指示灯显示正常，及时发现和处理设备报警状态。

（2）掌握阀门手动操作顺序。手动操作时，操作者需注意真空系统机组及各阀门的关启顺序。只有在被抽系统中的压力达到罗茨泵允许启动压力时，罗茨泵才能开始工作，否则将会因过载和过热而损坏。启动扩散泵加热前，必须先开启机械泵及前级阀对扩散泵腔抽真空。加热完成后，主阀未关上时，炉体放气阀不能打开。

（3）监控冷却水流量。真空炉在运行过程中应随时查看冷却水各管路的流量，尤其是扩散泵冷却水的温度，如果冷却水路堵塞了，扩散泵将会过热并丧失功能，进而引起扩散泵加热器烧毁。正常情况下，水压会在预定范围内波动，如发现不流畅及时排除。某车间一台真空电弧熔炼炉，因循环水动力供给不足，炉内局部高温将坩埚击穿造成漏水，发生炉体爆炸事故。通过对事故现场厂房相关的损伤情况分析，对炉子爆炸能量进行估算，估计爆炸能量相当于0.25 kgTNT 炸药的爆炸能量。

4.2.3 使用后

（1）工件出炉。降温过程中，待炉温降到200 ℃以下方可停水开炉门，工件放在装料架上冷却或使用炉外装载车运输到存料区冷却，操作者要戴厚手套，防止烫伤。工件出炉后，要尽快关闭炉门，抽真空后再顺序关闭阀门、真空泵及控制电源开关，仔细检查一遍各种阀门、控制按钮和开关的位置，确认无误后方可离开。

（2）设备长时间停用。设备停止使用时，应将炉内气体抽空。长时间不用时，要充入保护性气体，纯度应不小于99.99%，但禁止使用易燃易爆和具有腐蚀性气体作为保护气氛；放掉水冷系统内循环水，定期给机械泵、罗茨泵换油加油。

4.2.4 维护过程

真空炉的专业维修保养，是为了判断并排除故障，除非是有相当丰富维修经验的人员指导，否则，要选择真空设备专业生产厂家。

（1）更换配件。谨慎更换真空炉配件，尤其是更换不同型号的配件。一些真空炉内部的开关之间带有互锁功能，更换配件可能会导致互锁功能失效。

某厂一台真空炉进行过多次维修，其中有一次对设备进行大的改造，对控制工艺流程的部分进行了改造，将原来控制炉子工作流程的电磁阀替换成触点限位开关，由于原电磁阀除了具备触点开关的功能外，尚有对齿轮轴的锁死功能，即保证在设备实施工艺流程过程中，炉门不受外力干扰而发生转动的自保护作用，由于采用触点开关后，这一功能丧失，将导致在一次充气过程中，炉门发生爆开事故[3]。

（2）检查气密性。气密性是保证真空状态的前提，真空炉拆卸装配件重新装配时，要更换连接处的密封圈，涂抹真空脂，保证连接面的干净度，并重新对设备进行压升率检查。

（3）安装热电偶。热电偶检定后，安装前检查型号与显示仪表相配套，外观完好无损、干净干燥，导线连接紧固，谨防热电偶连接端或热电偶中部接触短路的情况。安装时检查安装位置与深度符合要求，同样也要保证连接处的密封性。热电偶重新安装后初次使用时应重点观察其工作是否正常。

5 结语

为防止真空钎焊炉发生超温和超压事故，有效开展设备日常使用管理与维护工作非常有必要。管理人员应首先掌握设备的工作原理，辨识设备各结构的安全风险，分析异常现象的成因，并吸取其他真空设备安全事故的经验教训，从安全技术和安全管理两方面提出事故防范措施，力求消除设备运行异常现象，保障真空炉的可靠性以及安全性。