钛及钛合金具有比强度高、硬度高、弹性模量低、高温和低温性能优良、抗腐蚀性强等突出特点，被广泛应用于航空、航天、海洋、医疗和化工等军民用领域。目前，真空自耗熔炼是国内外工业界钛合金熔炼的主流技术。

真空自耗熔炼优点

◆ 熔炼速度快，可用于规模化生产

◆ 设备操作简单、自动化程度高，满足工业生产要求

◆ 可以去除氢、硫、氮等杂质元素

◆ 降低整个熔炼气氛条件下的微量杂质元素

◆ 可以熔炼小到几公斤，大到十几吨的多种规格锭型，既适用于科研项目，也是工业化大型铸锭的主要生产方式

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2018 年我国钛合金铸锭行业产能为15.87 万吨，各钛合金生产企业拥有的真空自耗熔炼炉预计超过400 台，钛合金生产已向着高效、先进、大规格的方向迈进，真空自耗熔炼炉的大批量使用已成为趋势。

然而，在高温下，钛的活性迅速增加，可与许多物质发生剧烈反应。在实际的大规模生产中，容易因操作不当、设备故障等原因引起设备冷却水漏进坩埚，与钛合金溶池接触后发生爆炸，造成人员伤亡和财产损失。因此，提高真空自耗熔炼炉的生产安全性非常必要。

钛合金真空自耗熔炼中的危险因素

本文参照GB 6441-86《企业职工伤亡事故分类》中综合考虑起因物、引起事故的先发的诱导性原因、致害物、伤害方式等划分的20 类危险因素，逐一对照生产现场实际情况，归纳总结出钛合金真空自耗熔炼工艺中主要存在的7种危险因素。

01 

其他爆炸

钛合金真空自耗熔炼过程中发生的爆炸主要分为熔炼设备本体爆炸和油增压泵爆炸。

熔炼设备本体爆炸是指在熔炼过程中由于工艺不合理、设备故障、人员操作失误以及厂房水电气等配套条件故障导致设备冷却水漏入铜坩埚中，与钛合金熔液发生物理和化学反应后造成的爆炸。

原因	形成条件
熔炼工艺异常导致在熔炼过程中形成侧弧或爬弧等异常电弧，击穿水冷铜坩埚、电极杆、上炉室等水冷部件	装炉时自耗电极与铜坩埚不对中、局部间隙过小，易在间隙过小处产生电弧击穿坩埚侧壁
	自耗电极有毛刺或尖角，易在毛刺或尖角处产生电弧击穿坩埚侧壁
	真空度异常导致电弧不稳定，引起电弧异常
	电弧过长导致电弧不稳定，引起电弧异常
	稳弧控制异常导致电弧不稳定，引起电弧异常
设备异常导致铜坩埚、电极杆、上炉室等部件温度过高被熔化	设备冷却水温度、流量或压力不合适导致冷却不足
	冷却水系统故障导致冷却不足
	压缩空气系统异常导致气动卡头松动出现间隙，形成微电弧击穿电极杆
	电极杆触底限位装置失效导致电极杆进入炉室内被熔化

 ◆ 真空自耗熔炼炉漏水原因分析 

油增压泵爆炸是指由油增压泵引起的爆炸。为提高真空度，在钛合金真空自耗熔炼炉真空系统（图1）中，大多以油增压泵、罗茨泵并联作主泵，出口处串联一抽气速率稍小的罗茨泵，然后再与前级机械泵串联。由于油增压泵工作时泵内油液温度在220～300℃之间，油增压泵的前级必须配备维持泵来保持一定的真空度，同时必须通水冷却（图2）。一旦泵腔内进入大量的空气或水，由于充入空气或水的热膨胀，可能造成高温的泵油迅速汽化膨胀引发爆炸。

02 

机械伤害

真空自耗熔炼炉真空系统中包括快速旋转部件的设备，如防护不当容易将作业人员身体部位卷入设备，造成机械伤害。

03 

起重伤害

钛合金生产企业必须借助厂房内桥式起重机辅助吊装作业。桥式起重机属于特种设备，在吊装过程容易发生身体碰伤、砸伤等起重伤害。

04 

触电伤害

真空自耗熔炼炉输入电源分为高压和低压两部分。高压电通常为6.3kV 或10kV，低压电为380V，均远远超过人体安全电压36V，可能造成触电伤害。

05 

灼伤

钛合金真空自耗熔炼在铸锭并未完全冷却状态下，即由操作人员进行铸锭出炉作业，此时铸锭余温可达200℃以上。如果防护不当，可能会造成灼伤。

06 

高空坠落

钛合金真空自耗熔炼炉体最大开口时高度可达8~14m，地面以下设计有3~6m 的地坑用于放置下炉体和坩埚冷却系统，可能发生高处坠落。

07 

窒息

钛合金熔炼结束时需要往熔炼室内充入氩气或氦气等保护气氛，一旦氩气出现泄漏，可能会沿着管道孔、缝隙渗漏至设备地坑内，造成工作人员窒息。

危险因素的控制与防护

结合生产现场实际情况，分别针对上述7种钛合金真空自耗熔炼中的危险因素提出控制与防护措施。

爆炸的控制与防护

1、熔炼设备控制 >>

 ①

关键安全参数监测

通过传感器实时监测熔炼电流、熔炼电压、稳弧电流、炉体内绝对/ 相对真空度、气动卡头夹紧情况等参数。通过摄像头实时监控熔炼画面和弧光情况，并直观显示在操作屏幕内。

②

关键检测部件冗余设计

对于电极杆的上限位、下限位和触底等关键状态检测附件至少是双份冗余硬件设计。对于可能造成设备损坏的极限动作位置设置直接断电的防护附件。

③

控制系统必须具备安全控制功能

真空自耗电弧炉设计和制造时，在PLC 控制系统中必须关注的安全要素如下：

◆ 熔炼真空度的监测以及异常判断。

◆ 坩埚出水口必须同时有流量监控和压力监控。

◆ 坩埚出水口和进水口，必须同时有温度监测。

◆ 气动夹头的夹紧状态必须有可靠的监测方法

◆ 必须有定时蜂鸣器或面部识别系统，防止熔炼操作人员出现疲劳睡眠

◆ 电极杆下限位和触底限位均触发后系统可直接切断电源。

2、工艺保障 >>

 ①

电极制备工艺

单个电极压制时保证整体圆滑，去除飞边和毛刺；电极块焊接时设计专用工装夹具；整根电极装炉时需保证与电极杆的对中。

②

熔炼工艺

设计合适的电极与坩埚直径比，选择合适的熔炼电流、电压、稳弧电流、搅拌电流等工艺参数。采用整支铸锭熔炼，通过工艺规划减少或避免炉内焊接，引起熔炼不稳定。

3、配套设施防护 >>

①

熔炼厂房建设注意的问题

远离人口密集区和主干道；布局在厂房的角落；设备基础必须建设熔炼工位防爆墙并预留泄爆通道，泄爆口尽量避免朝向其他厂房或主干道；熔炼工位选择防爆门。

 ②

必须配套应急电源系统

预留应急电源，确保断电时可维持设备进行必要的操作，直至炉内铸锭基本冷却。

③

必须配套应急水系统

预留应急柴油泵或应急发电机驱动设备循环水水泵，设备独立接入一路厂房循环冷却水，设备独立接入一路厂区自来水，确保在设备循环冷却水系统故障时对重要部位持续冷却。

④

现场和人员管理

编制应急处理操作规程，定期检测系统安全控制功能，加强设备的日常保养和日常点检；作业人员持证上岗，定期培训考核；加强对夜班人员的监督和管理等。

原文首发于《真空》杂志