摘要：高精铝合金的冶炼生产具有较大的危险性，厂房设计时对安全设施设计的要求较高，通常其火灾危险性为丁类，但铝锂合金等含特殊活泼金属成分冶炼的火灾危险性为甲类或乙类，火灾危险性较高，并就熔炼场所、深井铸造、粉尘爆炸场所的危险源进行辨识分析，提出相关的安全防护措施设计。

关键词：厂房设计 铝合金 金属冶炼 安全设计 有色冶金 有色金属加工

0  引言

高精铝合金材料是国民经济发展和建设不可或缺的关键材料，对发展航空航天、交通运输、重大装备等重大战略工程与重大装备起到至关重要的支撑与保障作用。当前，伴随着我国大型飞机为代表的重大装备的高速发展，高端超精铝合金产品具有重大的战略需求和市场前景。

铝合金的冶炼生产具有较大的危险性，行业内也已发生多起安全生产事故，因此，在前期的项目立项、厂房建设时，就应充分考虑并完善厂房的安全设计，本文在此就其中的一些重大危险项及重难点进行分析探讨。

1  铝合金冶炼厂房的火灾危险性类别判定

高精铝合金冶炼厂房的主要工艺为将各类金属原材料、合金原材料按比例配比，熔化、除杂并重新结晶，得到所需合金成分的高精铝合金铸锭。根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）（2018年版）规定，通常其火灾危险性类别为丁类。

但设计时需考虑所选用的配比合金、其他原辅材料的种类和用量，目前航空航天用铝锂合金因具有突出的低密度、优异的综合性能和广阔的应用前景，已逐步成为与2×××、7×××系合金并列的新一代高性能铝合金[1]，而其冶炼的原材料自然需要用到金属锂进行成分配比，如果金属锂的用量较多，则冶炼铝锂合金的厂房其火灾危险性类别应为甲类。同样需要注意的具有危险性的原材料还有金属镁、金属钛等活泼金属。厂房设计时应确定企业生产纲领、牌号及主要合金成分进行具体分析。

2  重点危险场所及设备设施危险辨识和安全防护措施设计

铝合金冶炼车间的重点险场所及设备设施主要有：熔炼场所；深井铸造区；天然气来源、输送和使用场所；氮气与氩气贮存、输送和使用设备、场所；粉尘爆炸场所；放射源和腐蚀；有限空间。

其中：天然气的危险性主要为易燃易爆；氮气与氩气的危险性主要为窒息以及储存液氮、液氩储罐处的冻伤；超声波或X光探伤的危险性主要为放射源；低倍实验使用的酸碱的危险性主要为化学腐蚀风险；有限空间则易造成中毒窒息、坠落、触电、坍塌等事故。以上几项重点危险场所属于较为常规的设计，在各类项目中均有涉及，在此不做赘述，在此重点列举熔炼场所、深井铸造、粉尘爆炸场所（主要指遇湿会产生氢气的粉尘，如铝粉、镁粉等）的危险辨识以及相关的安全防护措施设计。

2.1 熔炼场所

熔炼炉按结构可分为矩形炉、圆形炉；按炉子结构可分为固定式、倾翻炉；按加热能源不同可分为燃料加热炉和电加热炉式；按加热方式可分为直接加热式和间接加热式；按炉内气氛的不同可将熔炼炉分为无保护气体和保护气体式[2]。基于高精铝合金的生产特点，规格型号多、批量小、成分管控严格，全程氩气保护，常采用固定式电加热中频炉，其结构简单，升温快，温度控制精准，密封性好，现基于此生产工艺进行设计分析。

1）危险辨识

（1）中频感应电炉如炉体金属结构件不完整、不牢固，腐蚀或破损，生产过程可能发生炉体破裂，高温熔融金属大量泄漏的事故。可能进一步引发火灾、爆炸、灼烫等事故。

（2）在投料、熔化、开炉扒渣、检测取样等操作时，熔融金属可能飞溅或泄漏，灼烫伤人体。

（3）停水事故时，高温熔体因无法冷却，可能烧穿感应线圈、法兰及结晶器等。

（4）炉内铝液温度过高可能导致漏炉，严重时也可能引发爆炸（高温铝液遇到水时）事故。

（5）当中频感应电炉带电部分通过电阻、阻抗或放电器接地，未设置监测接地连接线电流的装置，当运行中超过最大允许值，未发出报警信号并自动切断电源，中频感应电炉的故障电流可能造成超过机械允许的最高热应力和机械应力，导致炉体烧穿。可能进一步引发火灾、爆炸、灼烫等事故。

（6）固定式中频感应电炉如未设置液位传感器，单炉加料过多可能导致熔融铝液溢出，或高温炉水出口未控制流量，高温铝水超过流槽深度溢出，可能进一步引发火灾、爆炸、灼烫等事故。

（7）炉体密封失效、排烟系统故障、炉门异常开启时可能导致高温烟气泄露，导致人员窒息或中毒。

综上所述，中频感应电炉主要危险有害因素为火灾、爆炸、灼烫、触电、中毒与窒息。

2）安全防护措施

（1）控制室设计设置在远离熔铸区域的位置，可从高处或显示器观察到整条产线，且按规范合理设置逃生疏散楼梯和出口，满足消防疏散要求。

（2）中频感应电炉采用干式变压器，电源柜四周设置围栏，围栏上设置“高压危险”等安全标志，防止无关人员接触。

（3）中频感应电炉、浇筑头、中间保温包、结晶器、引锭头、扒渣工具、捞渣工具使用前要保证干燥，避免带水与铝液接触。

（4）高温熔渣在事故状态时设置应急放水装置，紧急情况下，可使用不锈钢模收纳泄漏的熔融金属，作业前预先安装在应急渣坑内并保持干燥，同时不锈钢模底部的应急坑设计为钢筋混凝土结构，内铺耐高温浇筑料。

（5）中频感应电炉堵头设置手动与伺服控制两种方式，在伺服控制失效后，可以手动将堵头与伺服控制分开，从而快速切换为手动控制。

（6）中频感应电炉及其作业区域，不得有非生产性积水，不得堆放潮湿物品和其他易燃、易爆物品。熔炉与引流槽及其附近的地表与地下，不设置水管（专用水管除外）、电缆等管线。

（7）熔体液面与中频感应电炉门下沿高度差不得小于150mm，防止发生熔融金属溢流。

（8）中频熔化炉为固定式坩埚，铝液只会凝固在坩埚内，不会发生倾倒的风险。通过位于底部的垂直堵头来堵水，堵头具有快速更换功能。

（9）中频感应电炉加热装置的带电设备和部件安装在箱柜内；对第二和第三电压区段的装置，采用工具或授权人员掌控的钥匙才能打开箱柜。

（10）中频感应电炉设备本体及附属设施定期检查，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必须报修或报废，严禁采用外部喷淋冷却方式维持使用。

（11）中频感应电炉循环冷却水泵一用一备，并设置双电源供电以及EPS应急电源，防止突然停电时无冷却水降温。

（12）炉膛用耐火砖铺设；高温设备表面及高温管道均用绝热耐火材料包裹。

2.2 深井铸造区

深井铸造是常见的铸造工艺之一，其主要特点是采用高压下的铸造方法，深井铝合金铸造工艺在铝合金铸造中具有很大的优势，可以获得较高的铸造密度和较好的铸件性能，现已在行业内广泛应用。

1）危险辨识

（1）高温熔融金属如发生泄漏或喷溅，可引燃周边的可燃物，从而进一步引发火灾事故。且喷溅的高温熔融金属可能导致人员发生灼烫事故。

（2）深井铸造时，铝水流管、引锭头潮湿带水，可能造成铝水迸溅；使用的工具不合要求或操作不当造成铝水跑流，当操作现场地面潮湿或有积水时，高温铝水遇水将发生喷溅。铝水大量跑漏进入铸造井，铸造井内存在大量的水，在高温铝水作用下急速汽化，积压的水蒸气有可能造成严重爆炸事故，导致人员重大伤亡及财产重大损失。

（3）铸造井较深，当维修人员检修维护阀门或设备必须跨过护栏时，或在铸造井旁边操作时，如果防护栏没有设置或设置不合要求，维修人员麻痹大意，违规作业，可能造成人员落水，导致溺水甚至死亡的可能。如果检修时，铸造井无水，人员需要深入铸造井时，如未按有限空间规程进行作业，有可能会发生窒息事故。

（4）深井铸造区上空设有起重机，起重吊运时如起重机故障可能导致严重事故。

（5）突然停电状态下，如无备用水源，以及引锭机系统未设置应急电源，可能导致铸造井温度持续升高，最终产生大量水蒸气，可能引发爆炸。

综上所述，深井铸造区主要危险有害因素为火灾、爆炸、灼烫、起重伤害、淹溺[3]。

2）安全防护措施

（1）铸造井四周设置高度不低于1.05m 的防护栏，并设置“当心淹溺”、“有限空间”等安全警示标志。

（2）厂区设置有深井浇铸专用应急水池、水箱或高位水塔，且应设置在一定的高度上（通常大于20米），事故停电时可作为应急用水水源。

（3）每个深井浇铸专用冷却循环水系统各设置有2台水泵（均为一备一用）。应急水泵供电负荷为二级，依托厂区引入的二路独立供电电源或并设置有柴发、EPS等，满足应急用电要求。

（4）深井铸造冷却循环水系统，设置液位控制系统，采用干井铸造，井下水深异常时会自动报警，此外设有出水温度过高（超过40℃）报警系统（防止冷却水系统温度过高，达不到冷却效果）和紧急切断阀，并自动连锁控制。设置有进出水流量差报警系统与紧急切断阀连锁，若发生循环水系统漏水，可紧急切断循环冷却水供应。此外，若循环水池水位过低，系统将报警并使用自来水向水池中自动补水。

（5）深井铸造机升降装置有钢丝绳升降或液压系统升降，高精铝铸造为控制位移精度，常采用内导式液压系统。液压缸为伺服液压缸，采用比例伺服阀进行控制位移，位移精度可达±0.01mm，液压系统的液压泵供电负荷为一级负荷，厂区供电为二路进线，同时设置有1台EPS应急备用电源，末端设置自动切换，响应时间不大于0.5S，可确保在常规供电故障情况下，深井铸造机可顺利上升至深井液面以上。

（6）在熔炼炉高温铝水出口和结晶器进口位置配置液位传感器（非接触式激光雷达液位传感器）和报警装置，液位传感器与流槽上的快速切断阀和紧急排放阀实现联锁。根据高温铝水出口和进口位置液位信息，将通过伺服阀自动控制阀门的开度，从而控制放水的流速，若出现异常，铝水进入量已经不可控制，则启动熔铸炉紧急切断阀，停止铝水排放，并转入人工操作，必要时将流槽及其他在线系统内铝水排至事故地坑内。

（7）液压缸控制系统设置有自动和手动紧急泄压装置，并且手动下行的精度可控制在一定的范围内；

（8）铸造井周边设置围堰，采用耐火砖堆砌，防止高温溶液流入井内。铸造井内配有新风系统。

2.3 粉尘爆炸危险区

铝合金铸造厂房内主要产生铝合金粉尘的区域有铸造机废气处理装置、铸锭粗加工的车头去皮工序等，虽然其产生的粉尘成分主要为氧化铝和铝合金，但仍具有一定的危险性。

1）危险辨识

铝粉属于重点可燃性粉尘，如发生逸散且聚集浓度达到爆炸下限，遇明火、高温、静电、火花等易引发粉尘爆炸。同时铝粉如受潮、遇水且温度较高时会与水反应产生氢气，若产生的氢气聚集达到爆炸极限，遇火花、明火等会发生爆炸。

本项目铸造除尘系统采用干式布袋收尘，收集除尘粉尘中含有约8～10%的铝粉。

锯切机、车床等各类机加工设备在锯切、加工过程等会产生铝合金碎屑和极少量的铝合金粉尘，在达到爆炸下限，遇热、明火、因电气设备不具备防爆功能产生的电气火花等会燃烧爆炸。如设备不具备除尘装置、未制定粉尘清扫制度，作业现场积尘未及时规范清理造成了这类粉尘的扬尘，清扫后的粉尘未有效收集，均可能会发生上述类似的火灾爆炸。

2）安全防护措施

（1）本项目铸造除尘系统采用单独的负压布袋收尘，收集除尘粉尘中含有约8～10%的铝粉，除尘装置分为湿式系统和干式系统，如项目熔炼铝锂合金，因锂与水会发生反应，则除尘系统不应采用湿式系统。同时除尘装置宜设置在室外露天通风良好处，如设置在房间内，应计算房间内最大可能得粉尘浓度，并将房间按爆炸危险区域进行相关设计。且除尘装置本身需设置控爆措施，除尘系统的导电部件进行等电位连接，并可靠接地，接地电阻小于10Ω；管道连接法兰采用跨接线。

（2）厂区内存放铝渣、打包好的除尘粉尘的危化库设计为乙类，收集的除尘粉尘采用双层密封塑料袋包装，存放间设置机械通风加强通风，建筑设计屋顶按一级防水设计，室内地坪高于室外地坪，门口设置挡水坎，并设置墙身防潮层等防潮措施，门口设置雨棚，设置湿度计定期巡检，注意防水防潮，风机、电气均为防爆电气。

（3）锯切机、车床等各类机加工设备在锯切、加工过程等会产生铝合金碎屑和极少量的铝合金粉尘，锯切机、车床自带负压收尘装置；其余铣床、线切割等机加工采用湿法加工，不产生粉尘。锯切机、车床处产生的主要为铝合金切削屑，铝粉量极少，产生的铝粉与所在车间体积的比值如远小于铝粉的爆炸下限的1/10，可划为非爆炸危险区域。

（4）建设单位需按规范制定粉尘清理制度，作业现场和相关设备设施积尘及时规范清扫。

（5）除尘通风系统每半年进行一次检，检维修记录，并入设备技术档案。

（6）粉尘爆炸危险场所作业人员严禁穿化纤类易产生静电的工作服。

（7）粉尘爆炸危险区域配备完善的通风系统，风机、电气均为防爆电气。

3 结语

伴随国民经济的发展，我国对高精尖材料的“卡脖子”问题正一步步突破，从研究转入批产的高精材料生产厂房建设项目遍地开花，不规范的生产作业规程、落后的安全设施在铝合金冶炼行业已经导致了多起安全事故，复出了惨痛的代价，本文就厂房中的几处重大危险场所的危险源进行辨识，并进行安全防护措施设计，在今后同类厂房的设计中可供参考，并根据实际生产工艺需求，设计合理、安全、经济、适用的高精铝合金冶炼厂房。

参考文献

[1]杜康，王军强，曹海龙，等.航空航天用铝锂合金研究进展及发展趋势[J].铝加工， 2022（002）：000.

[2]苏其军，邹学通，车立志，等.铸造铝合金熔炼炉设计与应用[J].云南冶金， 2019， 48（2）：5.DOI：CNKI：SUN：YNYJ.0.2019-02-021.

[3]李鹏举，余珍，黄家敏，等.铝合金深井铸造工艺系统风险隐患及安全措施分析[J].冶金与材料， 2022（003）：042.