铝熔体半连续（深井）铸造爆炸事故的原因分析及防范措施

陈守辉，唐 剑，陈向富，王 剑，朱际业

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

半连续（深井）铸造是熔铸生产中最重要、最关键的工序[1]。由于其生产的特殊性，铸造过程易发生漏铝，造成熔融铝遇水爆炸事故，轻则发生烫伤事故，重则发生重大人员伤亡和财产损失事故。国内熔铸半连续（深井）铸造企业屡屡发生熔融铝遇水爆炸重大安全事故，引起国内铝熔铸行业及有关部门高度重视。为什么半连续（深井）铸造会发生如此大爆炸事故呢？为此，本文对熔融铝遇水爆炸的成因进行简要分析与介绍，并提出相应的防范措施。

1 熔融铝遇水爆炸机理

立式半连续（深井）铸造是以一定的速度将金属液浇入到结晶器内并连续不断地以一定的速度将铸锭拉出来的铸造方法。如只浇注一段时间把一定长度铸锭拉出来再进行第二次浇注叫半连续铸造，半连续铸造有地坑（深井）式和高架式。半连续铸造生产的铸锭质量好，被广泛应用于现代铝加工行业，在铝加工行业具有不可替代的地位。熔融铝遇水爆炸往往发生在铸井。

在国内，很多人认为熔融铝遇水爆炸只是“蒸汽爆炸”，而事实上熔融铝遇水产生的“蒸汽爆炸”不足以产生那么大的爆炸威力和传输距离。实际上熔融铝遇水爆炸由物理爆炸和化学爆炸两部分组成[2]。它们的爆炸机理如下所述。

1.1 物理爆炸（蒸汽爆炸）

熔融铝遇水，由于两种液体密切接触，温差巨大，且水的沸点远远低于熔融铝的熔体温度，由于快速的热运动，其温度迅速达到沸点以上并达到一种过热状态，水瞬间蒸发为气体，体积膨胀1 600倍（在100℃，一个标准大气压下，水的体积比分别为：液态下0.00104344 m3/kg，气态下（蒸汽）1.6736 m3/kg）。特别在铸井这样狭小的空间条件下，形成一定幅值的压力波，需要释放膨胀产生的能量，随即发生爆炸。爆炸使高温熔融铝飞溅，最远可飞出爆炸中心点30 m，造成伤害事故。但蒸汽爆炸威力不大，飞溅一般不会造成太严重的伤害，最主要的伤害是来自于下面化学（氧化）反应所产生的爆炸。

1.2 化学爆炸（氧化爆炸）

众所周知，铝是一种化学反应非常活跃的金属元素，在自然界中铝几乎总是和氧结合在一起。若要将铝-氧键破坏，需要巨大的能量，同样地，熔融铝与水或空气中的氧发生反应，将释放同等的能量，其反应式如下：

（1）氧化反应释放的能量。上述反应据有关资料介绍以及热动力计算来看：熔融铝氧化反应所释放的能量为15.5 kJ/g，即1 kg熔融铝遇水氧化反应后释放的能量相当于3 kg TNT炸药爆炸所释放的能量。若将100 kg的熔融铝泄漏进入铸井，其中10%与水发生氧化反应，所释放的能量与30 kg TNT炸药相当，相当于600颗手榴弹。在井坑这样相对封闭的空间，爆炸破坏性将被进一步放大。可见熔融铝遇水氧化爆炸产生的威力巨大，同样其危害也是巨大的。因此，熔融铝遇水爆炸最具有破坏力的主要是氧化（化学）爆炸，其次才是蒸汽（物理）爆炸。

（2）熔融铝碎末化作用。金属铝是非常活泼的金属元素，一旦暴露于空气中，铝的表面急速氧化，形成一层致密的氧化膜，使表面钝化，阻止进一步氧化。因此，铝氧化在一般条件下是不会发生爆炸的。熔融铝遇水会发生爆炸，主要是因高温熔融铝遇水产生碎末化作用所导致的。图1是铸造过程中熔融铝漏铝下泄产生碎末化的过程示意图。在实际生产中，这一过程远比模拟图要复杂得多。

图1 铸造过程中熔融铝漏铝下泄过程模拟图

由图1可以看出，当熔融铝在铸造过程中突然漏铝，其变化过程如下：

①直接凝固：在熔融铝开始突然漏铝的初期，下泄的熔融铝相对于冷却水来说，占比较少，很快就凝固了，不会发生熔融铝遇水爆炸。

②形成保护膜：随着时间的推移（这个时间也非常短），熔融铝下泄量急剧增大，加之水温也快速上升，金属凝固的表面温度也非常高，造成下泄熔融铝凝固的表面遇水后形成一层保护膜（幕）。

③形成蒸汽压：由于保护膜的作用大大减缓了冷却水对下泄熔融铝的冷却效果，使冷却作用无法穿透到下泄漏铝的中心部位和被大量固体遮挡或包裹的部分熔体。同时结晶器到深井水位还有一段距离（除干井铸造外一般都有750～1 500 mm的距离），这个高度及以下是熔融铝与水及水蒸气充分混和的过程。此时，漏铝中心部位的熔融金属很难全部凝固。在压力的作用下，熔融铝包裹少量水和水蒸气通过凝固缝隙进入下泄熔融铝的中心区域。在中心区域内高温熔融铝包裹、覆盖液体水滴和水蒸气，使水瞬间蒸发为气体，气体急速膨胀，产生巨大的压力。

④形成熔融铝碎末化：在产生的巨大压力作用下形成一定幅值的压力波，压力在释放过程产生急速热运动。此时在蒸汽膨胀和热运动作用下，高压蒸汽对被包裹、覆盖的未凝固熔融铝进行充分切割、破碎，如此反复，使包裹、覆盖熔融铝急速碎末化。

⑤熔融碎末铝与水发生氧化反应而产生爆炸：熔融铝碎末化后，其每一个细小的熔融铝颗粒比表面急剧增大，这样碎末化的熔融铝颗粒急速与水蒸气充分混和后，发生急速、充分的氧化反应。这类似高浓度熔融铝粉与水蒸气的氧化反应，瞬间产生巨大的化学能，这些能量的释放，形成威力巨大的爆炸。爆炸在铸井的狭小空间内被进一步放大，这和粉尘爆炸完全相类似。由于是高温熔融铝颗粒，其爆炸威力甚至超过铝粉尘爆炸的威力，爆炸威力传输距离远，可达200 m开外，极可能造成巨大的人员伤亡和财产损失。由此可见，熔融铝碎末化是熔融铝遇水发生氧化反应而产生爆炸的最主要原因。

2 漏铝遇水爆炸的主要防范措施

对于熔铸企业来说，半连续（深井）铸造工序中，熔融铝遇水爆炸事故是熔铸车间最大的安全隐患和最大的危害事故，必须严加防范。根据其成因和多年经验教训以及参考国内外事故资料，认为防范熔融铝遇水爆炸事故发生的核心首先是阻断熔融铝与水接触，特别是阻断熔融铝下泄进入铸井，从而达到阻止或延缓熔融铝遇水爆炸发生的目的[3]。其主要防范措施如下：

（1）优化工艺配置。对铝合金熔铸生产线配置宜采用熔炼炉+保温炉+铸造机的流程布置，保温炉成为熔炼炉最可靠、最有效的应急存储设施；保温炉（静置炉）尤其是容量大的保温炉最好采用倾动式保温炉，一旦发生大量漏铝、停电、停水等异常情况可立即自动倾动回翻，阻止漏铝进一步扩大，从而有效降低熔融铝遇水爆炸事故的风险。

（2）设置“五点联动”，阻止熔融铝进入铸井后遇水爆炸。

①第一点：保温炉（又称静置炉，包括熔保一体炉，指与铸造机相连的炉组，以下同）出口液位控制联动，铸造过程中（一般开头300～500 mm后和收尾前）保温炉出口液位突升或液位极高、突降或液位极低时，供流流槽闸板截断，放流闸板打开，或分配流槽入口处流槽抬升（提升）装置断开放流，倾动炉自动回翻。

②第二点：供流流槽与铸盘或分配流槽入口处液位控制联动（核心条款）。铸造过程中（一般开头300～500 mm后和收尾前）供流流槽与铸盘（模盘）或分配流槽入口处液位突升或液位极高、突降或液位极低（核心之核心）时，供流流槽闸板截断，放流闸板打开，或分配流槽入口处流槽抬升（提升）装置断开放流，倾动炉自动回翻。

③第三点：铸盘或结晶器冷却水流量、压力和温度控制联动。铸造开头正常后铸盘（模盘）或结晶器冷却水压力、流量突降时，供流流槽闸板截断，放流闸板打开，或分配流槽入口处流槽抬升（提升）装置断开放流，倾动炉自动回翻，并对冷却水温进行监控。

④第四点：铸造机突然停电、停水联动。铸造过程中，铸造机突然停电、停水时，供流流槽闸板截断，放流闸板打开，应急水启动；停电时应急电源（无缝）启动，供流流槽闸板截断，放流闸板打开，或分配流槽入口处流槽抬升（提升）断开装置断开放流，倾动炉自动回翻。

⑤第五点：铸造井出水口（回水）水温突升联动。铸造过程中，铸造井出水口（回水）水温在较短时间突升，供流流槽闸板截断，放流闸板打开，或分配流槽入口处流槽抬升（提升）断开装置断开放流，倾动炉自动回翻。

在紧急情况下，通过“五点联动”，可阻断或延缓熔融铝继续向铸盘或分配流槽供流，进而阻止熔融铝进入铸井发生熔融铝遇水爆炸事故。

（3）熔炼炉和保温炉设定的基本要求如下：①固定式熔炼炉和保温炉的熔融金属流眼应设置锁紧机构。铸造过程中，应有专人在保温炉流眼处监控熔融金属液流量或金属液位高度；铸造现场应配备一定量的干砂和至少3把铁铲，并保持干燥和取拿方便；②对固定式熔炼炉和保温炉要定期检查和更换流眼，使用强度、刚度符合要求的耐冲击流眼材料，流眼几何尺寸应符合要求，确保流眼在控流、堵流过程可靠；同时配置适当数量的装配完整的备用堵头（塞头），以便堵头（塞头）在控流或堵流过程中一旦失败，能及时采用备用堵头（塞头）将流眼堵（塞）死，防止继续跑流。若发生无法控制的跑流，应立即截断燃烧系统或停电、打开炉门降温，并向炉内流眼处加入铝锭（冷料），将流眼凝固。待铝液量减少后用硅酸铝堵住漏点，防止铝液继续流出；③倾动式保温炉炉坑靠近炉门位置应设置不低于200 mm的挡板；④倾动式保温炉倾翻系统应与铸造机系统联锁，铸造时根据金属熔体需求量实现自动供流，并在操作区域设置手动泄压装置；⑤倾动炉的底坑禁止积油、积水、潮湿，并定期检查；⑥倾动式保温炉可实现快慢升降及事故手动功能，具有停电等紧急情况时自动回翻功能；⑦应定期检查炉墙和炉底等设备本体及附属设施，监控炉墙底部或炉底的温度、炉膛耐火材料、衬砖等表观情况，并形成检查记录，以判断炉墙和炉底的损坏程度。当出现严重焊缝开裂、腐蚀、破损、衬砖损坏、壳体发红及明显弯曲变形等情况时应立即停炉报修或报废。

（4）供流及铸造现场应保持供流流线、铸井周围地面无水以及无关水管。流槽、残料箱（放干箱）、应急箱（坑）、引锭头（底座）、渣刀等熔融铝接触设备、工器（具）应保持干燥无水。

（5）紧急排放阀口（槽）、分配流槽断开处应设置应急容器，应急容器应符合下列要求：①固定式保温炉的应急容器容量不应低于保温炉一定容量；倾动浇铸（注）炉的应急容器容量不应低于流线供流流槽和分配流槽动态金属容量之和的1.5倍；②当多台浇铸（注）炉组共用时，可多个应急容器串联共用；串联共用的应急容器的总容量应满足一次事故最大容量需求，且应保证每一台浇铸（注）炉组排放口（槽）熔融金属可以排放到应急容器；③所有应急容器应保持干燥。

（6）除气装置、过滤装置、流槽等熔融金属放流口（槽）所需的残料箱（放干箱）的容积不应低于熔融金属容量的1.5倍，并保持干燥。每个装置的放流口（槽）应配置不少于2个（1用1备）堵头和残料箱（放干箱）；多个放流口可共用残料箱（放干箱）。除排放和清理期间外，其余时间段每个放流口（眼）应堵死；堵眼装置应配备锁紧机构。

（7）铸造机的循环冷却水系统应设置应急水源，应急水应满足以下要求：①应急水容量应满足正常铸造5 min及以上的应急水用量，且应急水初始压力宜不低于0.1 MPa，每次铸造前需检测压力是否满足要求；②应急水管道应安装两个并联的控制阀，其中一个控制阀应为自动控制阀（常闭电磁阀停电状态下能自动打开），并与铸造机监测、报警装置、供流流槽紧急排放阀（闸板）和快速切断阀（闸板）联锁，或与铸造分配流槽（盘）抬升（提升）断开装置联锁；另一个控制阀若为手动控制阀（最好不要采用手动阀），应设置在操作人员附近且能快速方便操作的位置；当停电、停水瞬间打开手动阀，确保应急水不间断供水，严禁结晶器或铸造盘断水之后再打开手动阀；③应急水应设置贮水量检测报警装置，实现自动补水；④每次铸造前需对应急水容量、压力和自动控制阀进行自检，确保压力满足要求、自动控制阀和连锁有效可靠。

（8）热顶铸造分配盘（模盘）发生漏铝的情况下严禁倾翻热顶铸造分配盘（模盘）。对于小圆锭（一般φ≤250 mm）热顶分配盘（模盘）应配置应急堵头。非导流侧设置应急溢流口（槽），所有溢流口和供流流槽与分配流槽或热顶分配盘之间的搭接口须配置至少2个（1用1备）残料箱（放干箱），其容积应大于此段流槽或流盘内铝液容量的1.5倍。

（9）支架（托座）采用屋脊结构，如图2所示。这种结构有利于初始漏铝或少量漏铝时迅速分流，防止金属（液）和冷却水沉积于支架（托座）上，可以阻止或延缓熔融铝遇水爆炸。

图2 采用屋脊结构的支架（托座）

（10）铸造井应满足以下基本要求：①铸造时铸造平台（水套）底部与铸造井静态水平面不应小于750 mm，且铸井水位距离铸井上缘不少于300 mm；②铸造井周边应设置一定高度的围堰以防止高温熔融铝流入铸井内，同时防止铸造冷却水溅出以及人员滑跌坠井；③对铸造（浇注）区域的回水管、回水沟、回水坑等，应设置防止熔融金属进入的措施；④必要时在接触漏铝的铸井井壁、支架（托座）、平台等涂防爆涂料；⑤铸井底部设置最低安全水位，一般不宜低于1 m，以便初始漏铝和少量漏铝可尽快冷却凝固，阻止或延缓熔融铝遇水爆炸。

（11）保证铸造过程中铸造温度、铸造冷却强度和铸造速度等工艺参数稳定可控，不能超出一定波动范围。一般来说，铸造温度的波动范围不应超出±5℃，铸造速度的波动范围一般不超过2%，根据速度高低其波动范围有所不同。不同工艺参数应有可靠的监测报警，必要时可实现与铸造机系统、应急系统等连锁。冷却水不应含有较大的颗粒物、淤泥、油污等易堵塞水孔或易结垢的物质，冷却水质应符合表1的水质基本要求[1]。

表1 冷却水水质基本要求

（12）铸造机应满足以下基本要求：①钢丝绳铸造机应使用钢芯钢丝绳，钢丝绳的安全系数应按照M6等级选用；应使用带绳槽卷筒，禁止钢丝绳多层缠绕；导向轮的深度应满足钢丝绳公称直径的1.5倍，钢丝绳使用的钢丝绳夹应符合GB/T 5976，卷筒应符合GB/T 34529规范要求。对钢丝绳进行定期与不定期检查和更换。每次铸造前须检查钢丝绳运行情况，若发现断丝、变形、变细、起毛等情况须立刻进行更换。严禁头尾对调后继续使用；②液压铸造机液压缸控制系统应设置自动和手动紧急泄压装置。定期检查油路、阀门、比例阀、液压缸等是否破损、漏油，运行是否平稳可靠。如果是外导式铸造机，应及时检查和清理导轨上可能凝固的铝或其他杂物。

（13）现场人员控制应满足以下基本要求：①每台铸造机组每一次铸造开头和收尾时应根据岗位操作需求，保证最低数量的熟练操作人员进行操作，铸造过程中严禁现场岗位脱岗，无人值守；②铸造机周围一定范围内，铸造期间应禁止非相关人员进入。操作及相关人员应进行有效防护，避免烫伤、炸伤等；③铸造现场需留出足够的逃生通道，一旦有无法阻止的爆炸风险先兆，要确保现场人员能尽快撤离，降低人员伤亡风险。

3 结束语

铝加工半连续（深井）铸造漏铝遇水爆炸是熔铸工序中危害最大的事故，极易发生重特大人员伤亡和财产损失事故。熔融铝遇水爆炸由物理爆炸和化学爆炸两部分组成，其中化学爆炸最具破坏力。通过采用倾动式保温炉优化工艺布置、设置五点联动阻止熔融铝遇水爆炸、强化熔炼炉和保温炉设定要求等有效措施，可以阻止或延缓熔融铝遇水爆炸事故的发生，最大限度降低半连续（深井）铸造熔融铝遇水爆炸防事故发生，实现安全铸造。