图1.爆炸等级判定标准

原标题：熔铸车间铝水爆炸原因及预防

摘要

本文将综述铝液爆炸的两种主要类型，重点回顾近期铸造车间爆炸事故，并探讨每起事故的根本原因。本文将分析引发这些爆炸的因素，包括导致此类事故发生的物理和化学条件。

分析表明，在某些地区，爆炸高发率与对铝液安全缺乏认识和相关教育直接相关。

本文还将为工厂提供一份蓝图，指导如何预防灾难性爆炸。若对铝液爆炸的原因缺乏认识和相关教育，未来铸造车间仍可能发生类似的灾难性事故。

01 引言

自铝熔铸产业产生，已发生过很多程度各异的铝液爆炸事故。这些爆炸损坏设备、导致生产中断，并造成工人伤亡。铝业公司认识到，若无法控制这一危险源，整个行业将面临风险。

许多铝业公司都对铝液爆炸展开了研究。其中，美国铝业公司科学家George Long于1957年发表的早期研究成果《铝液在水中的爆 ——原因与预防》至今仍具有现实意义。Long先生的研究以及美国铝业公司此后数十年的后续研究，为行业提供了关于金属爆炸发生机制的知识。对此，各铝业公司采取了工程控制措施，并修订了工人培训内容，以降低工厂铝液爆炸的风险。如今，许多铝业公司已不再发生铝液爆炸事故。即便发生爆炸，大多也为1级爆炸；而可能摧毁整个车间的3级爆炸，在行业内已极为罕见。

遗憾的是，灾难性铝液爆炸仍时有发生。为何会出现这种情况？笔者认为，这是因为人们对这一危险源缺乏认识和相关教育。许多工厂认为其工艺和设备是安全的，只因过去从未发生过（严重）事故。只有当灾难性爆炸发生后，他们才会意识到此前认为安全的工艺和设备实则并不安全。此前未发生事故，仅仅是侥幸而已。本文将为读者奠定基础，阐明爆炸发生的原因及预防方法。

02 爆炸为何会发生？

当水与铝液在裸露的混凝土、钢或不锈钢基底上发生反应时，就会引发爆炸。引发爆炸的反应分为物理反应和化学反应两种。

物理反应爆炸在所有熔融金属（如黄铜、铜、钢）中均较为常见。当熔融金属覆盖水时，水分子会急剧膨胀，将熔融金属向外推送。需注意的是，此处的水并非特指可见水（如积水坑和/或潮湿地面）。水也可能以分子形态存在，肉眼无法看见。这种情况在存在化学盐时最为常见。

化学盐通过熔剂进入我们的工作场所。在气候寒冷的地区，冬季道路会使用岩盐，这些盐也会通过工人鞋底带入铸造车间。化学盐会吸收水分，与熔融金属接触时可能引发爆炸。若手工工具和熔炉工具在插入熔融电解质前未充分预热，也可能发生此类爆炸。

此类爆炸不会导致金属发生物理性质变化。若100 kg铝液发生物理反应爆炸，最终会有100 kg凝固铝四处飞溅。铝液溅落的位置不同，还可能引发其他危险。例如，若溅落在可燃物（如木托盘、纸箱）上，是否会引发火灾？若溅落在工人身上，是否会造成伤亡？

化学反应指铝与水（H2O）中的氧发生化学反应，释放出氢气并伴随能量产生。化学反应爆炸发生后，工厂会被一层细小的白色氧化铝粉末覆盖。科学家已证实，1 kg铝液发生化学反应爆炸，其威力相当于3 kg三硝基甲苯（TNT）炸药。以之前的例子来说，100 kg铝液发生化学反应爆炸，其威力将相当于300 kg TNT炸药。爆炸后不会残留凝固金属，仅会留下白色的氧化铝粉末。

                 2Al+3H20 → Al2O3+3H2    [1]

美国铝业协会的铝液事故报告系统将不同爆炸类型定义为1级、2级和3级爆炸，其特征如下（《铝液操作指南》，2016年）。

1级爆炸又称“蒸汽爆炸”或“爆溅”，当铝液围住水，水迅速转化为蒸汽时便会发生。此类爆炸的特征是金属飞溅距离较短，最大约4.5 米，且几乎不会造成财产损失或仅造成轻微财产损失。

2级爆炸属于剧烈的蒸汽爆炸。与1级爆炸类似，水被围住并瞬间转化为蒸汽。在2级爆炸中，水被铝液包裹，压力不断积聚，最终导致更多金属被抛射到更远的距离（4.5–15米）。此类爆炸的威力通常可达到厂房屋顶高度，可能会造成一定的设备损坏。

3级爆炸通常是灾难性事故，由铝液与水、空气（或两者同时）中的氧发生化学反应引发。其特征是财产损失严重，金属飞溅距离超过15米。爆炸后金属通常会消失，仅残留白色粉末—氧化铝。

铝液事故报告程序（MMIR）由美国铝业协会（AA）于1980年发起。该程序的设立源于行业内部的需求：建立一个企业间可匿名分享铝液爆炸经验的平台（《铝液事故年度摘要》，2023年）。MMIR已成为全球企业重要的安全工具。目前，全球已有 300家企业会在发生爆炸事故后在该平台提交详细报告（隐去所有企业标识信息）。该协会表示：“尽管本报告依赖企业自愿上报，无法代表整个行业的统计情况，但它仍持续让人们认识到铝液处理过程中引发爆炸的主要危险源。”本文将重点引用MMIR的部分数据，以说明所讨论危险源的严重程度。

03 爆炸的常见原因

铝液泄漏可能由多种原因导致，包括电解槽故障、流槽开裂、渣箱溢出、坩埚损坏、坩埚泄漏、熔炉溢出以及铸造台溢出等。上述每种情况都可能导致铝液滴落到裸露的混凝土地面或钢质地板上，从而引发爆炸。在运输过程中，铝液若泄漏到运输车辆上并引发火灾，也会构成危险。

图2.2008–2023年金属转运过程中的爆炸

在2023年的MMIR报告中，手工工具或熔炉工具是转运爆炸的首要原因。这些工具每班次都会用于取样、撇渣、合金化等各类作业，若工具“潮湿”，则会引发爆炸。MMIR显示， 2023年因“工具潮湿”引发的爆炸超过25起，过去45年间此类爆炸已超过400起。工具受潮的原因有两种：一是暴露在湿气中（存放在室外或靠近敞开的门），二是接触到化学盐。化学盐以熔剂的形式广泛存在于铸造车间中。在寒冷地区，道路会使用盐，这些盐会通过工人鞋底带入铸造车间。盐会自然吸收空气中的水分。铸造车间内的任何平面，如半连续铸造工位顶部、混凝土地面、流槽边缘等，都会受到盐的污染。需注意的是，无法通过目视检查工具是否受到盐污染，因为盐污染发生在分子层面。

渣箱是一个易被忽视的区域，已引发大量爆炸事故。MMIR在其历史记录中列出了371起由渣箱引发的爆炸报告。《铝液操作指南》指出：“铸造开始前，渣箱应保持清洁、干燥且处于温热状态”（《铝液操作指南》，2016年）。

渣箱分为两种：生产用渣箱和应急用渣箱。生产用渣箱每班次都会使用，每次铸造后需清空。应急用渣箱使用频率较低。部分铸造车间的应急用渣箱每月仅使用一次。使用场景通常为铸造中断、过滤箱出现问题或其他异常情况。

渣箱引发爆炸的原因包括：内部放置杂物、未妥善清洁和涂油，或存在裂缝。渣箱内严禁放置杂物，因为杂物会吸收水分，与铝液接触时会引发爆炸。

一种常见的事故场景是：某一班次发现渣箱开裂后将其搁置一旁，下一班次又发现另一渣箱开裂，便用之前搁置的开裂渣箱替换，并认为“裂缝不算严重”。当铝液倒入该渣箱时，就会引发爆炸。《铝液操作指南》指出：“开裂的渣箱应进行维修或更换”。应对渣箱进行检查，若裂缝宽度超过3 mm，应停止使用。若开裂渣箱无法妥善维修，应将其切割成两半，防止后续班次继续使用。

渣箱需进行妥善喷砂处理并涂油。美国铝业协会铸造车间安全研讨会指出，渣箱应使用以下产品（Nall，2024） ：

• 菜籽油（可使用非食品级）

• 其他半连续铸造润滑油

• 派罗特克 PyroDraw HVI 46

• 道达尔 Nevastane Clear 68（医药级）

• 壳牌 Morlina S2BL22

• 菲利普斯 66 22号锭子油

部分企业会在应急用渣箱上涂抹Wise Chem E-212-F或E-115涂料，确保其随时可用，且无需额外涂油。

图3.涂有Wise Chem E-212-F涂料的渣箱

04 涂料—铸井—工具

铸造车间有时会忽视对钢基底（如铸造台）、混凝土（如铸井、副井、熔底）和不锈钢（如铸井和工装）安全涂料的妥善维护。若因流槽溢流、渣箱泄漏、结晶器漏铝、熔炉炉衬损坏等情况导致铝液接触到底部基底，涂料在预防爆炸方面发挥着重要作用（Wells，2024）。

1968年，美国铝业协会牵头开展全行业铝液爆炸研究，行业发展自此迎来转折。León、Richter和Levendusky在《预防铝液/水爆炸的涂料研究》最终报告中指出，可使用特定涂料预防铝液爆炸。

美国铝业协会《铝液操作指南》明确列出了经测试证实 “在半连续铸造过程中，当铝液因漏铝或泄漏接触到钢、混凝土或不锈钢表面的水时，能有效预防铝–水爆炸” 的涂料。这些测试合格的涂料包括Wise Chem E-212-F、Wise Chem E-115、Carboline Multi Gard 955CP以及Courtaulds Intertuf 132HS。报告指出，在行业内禁用未经测试的涂料。

测试合格的安全涂料需要维护和重新涂刷，因为反复接触铝液后，涂料会逐渐磨损。随着铝液的反复接触，涂料下的基底最终会暴露出来。行业认可的研究证实，钢或混凝土基底上引发爆炸所需的最小裸露面积为5 cm x 5 cm。应对安全涂料进行定期维护：铸造坑应每16–20个月重新涂刷一次，工装应每12–16个月重新涂刷一次。若与铝液接触频率高、接触量大，上述周期应适当缩短。发生大规模漏铝事故后，建议检查铸造坑壁，必要时进行重新涂刷。

图4.沾铝的手工工具

当前，许多铝业公司已将测试合格安全涂料的使用和维护纳入其铝液安全计划。例如，中东地区有6家电解铝厂，2024年铝产量达645万吨。每家电解铝厂都会在钢、混凝土和不锈钢基底上使用Wise Chem涂料并加以维护。这些电解铝厂从未发生过3级爆炸。

工器具也需定期涂抹特定涂料并加以维护。这些涂料既能防止工具生锈，也能在铁锈和铝液之间形成物理屏障。派罗特克公司全球产品经理George Stavnes表示：“我们仅推荐使用碱性或中性pH值的涂料，这类涂料不会导致闪锈。”需注意的是，无论工具是否涂有涂料，在用于铝液作业前都必须预热，以去除表面的所有水分。

05 近期爆炸事故

过去25年间，每年至少发生一起大型3级爆炸事故。尽管每起爆炸的根本原因各不相同，但这些爆炸仍存在共性。

2024年，中国发生了4起爆炸事故，均发生在立式半连续圆棒铸造，造成超过18万吨产量损失。事故分别发生在2月18日、7月9日、7月26日和8月9日。事故造成15人死亡、 38人受伤。

本文所探讨的每起爆炸事故均存在四个共性特征：安全操作规程（SOPS）不完善、工人班次时长过长、采用液压或钢缆驱动式铸造台，以及未使用测试合格的铸井涂料。

5.1 2024年7月9日爆炸事故

2024年7月9日，福建省一家年产3万吨铝的企业发生爆炸事故。事故造成2名工人死亡、1名工人受伤（Hongwei，2024）。爆炸发生在7月9日下午16时左右。当时正在对2号深井中的32根直径 227 mm的铝棒进行铸造作业。后续调查借助监控录像，还原了爆炸发生前的场景。

多个地方和省级政府部门对事故原因展开调查（《调查报告》，2024年10月28日），并发布了调查报告。“该车间于2012年3月建成，建筑面积5029.8平方米。熔铸车间共有4台熔炼炉（熔炼保温炉）、3口铸造深井。其中，1号、2号炉对应1号井，2号、3号炉对应2号井， 3号、4号炉对应3号井。该车间配备4台 25吨固定式熔炼炉（1号、2号、3号、4号），并装有3套30吨钢缆吊篮铸造系统”（《调查报告》，2024年10月28日）。

调查报告指出，该工厂的安全操作规程存在特定问题，是引发事故的原因之一。报告称：“未全面开展培训工作，班组长仅根据个人经验进行口头作业指导。未通过完整的操作规程培训和考核来确保工人熟悉安全生产规章制度。”报告未提及仅采用口头培训可能带来的后果：不同工人可能会根据自身经验，以不同方式培训其他工人；此外，培训人员还可能无意中指导受训者跳过某些操作步骤。为避免此类情况，所有安全操作规程都应形成书面文件，并在培训过程中进行讲解。这将要求培训人员向受训者逐一讲解每份书面安全操作规程，从而减少传授跳步操作的可能性。

报告还指出，员工“实行24小时两班制，工作时间为6:20–17:20”。尽管调查报告未将疲劳列为事故诱因，但需注意的是，爆炸发生在16时，此时工人已工作近10小时。报告也未说明员工连续工作多少天后才会休息一天。

该企业使用的钢缆为镀锌钢缆（6X37结构），规格为19.5 mm。每根钢缆由6股组成，每股包含37根钢丝（即6X37结构），直径为19.5 mm。铸造工位由4根钢缆控制升降。过去中国发生的类似事故中，钢缆因接触铝液而断裂，常被列为爆炸事故的诱因之一。然而，本次爆炸事故的调查结果显示，情况并非如此。调查称：“通过事故现场勘查、人员询问、专家研究和推断，可排除‘钢缆’这一突发危险源。调查过程中发现所有‘钢缆均已断裂’，推测钢缆是因爆炸而断裂。”

最后，调查报告还指出：“可排除突发灾害、人员伤害、突发疾病、天然气爆炸、突发停电、冷却水堵塞等因素。”

调查报告将一名遇难工人的行为列为引发爆炸的主要原因。该工人“三次调节流槽闸门的铝液流量，导致液位波动，冷却强度不均。最终造成结晶器内的铝液未完全结晶就被拉出，引发漏铝事故。”此次铸造的铝棒最长为6570 mm，最短为6480 mm，长度差达90 mm。

尽管调查报告明确指出了工人的行为和疏忽导致了漏铝，但未解释为何会引发爆炸。爆炸发生时，铝液流入铸造井的时间超过1分钟。铝液必然接触到了裸露的钢、混凝土或不锈钢基底，进而引发爆炸；也可能接触到了未获美国铝业协会批准用于预防铝液爆炸的涂料。

尽管这一说法可能存在争议，但需注意的是，行业内漏铝事故时有发生，并非都会引发严重的铝液爆炸。本次事故中，“三口铸造井均出现开裂，设备完全损坏”。该工厂与其他安全工厂的区别，就在于是否正确使用和维护Wise Chem安全涂料。

5.2 2024年7月26日爆炸事故

2024年7月26日，河南省一家年产6万吨铝的企业发生爆炸事故，造成5名工人死亡、14名工人受伤（Qi'an，2024）。

爆炸发生在7月26日下午16时30分左右，地点为B号深井，当时正在对32根直径203 mm 的铝棒进行铸造作业。后续调查未提及是否借助监控录像还原爆炸发生前的场景。

省、市两级政府联合发布了调查报告（《调查报告》，2024年12月）。报告指出，该铝车间分阶段建成。报告中提及的铸造工位分别为A号、B号、C号。其中，A号、B号铸造工位 “于2021年11月建成并投入使用”，C号铸造工位“于2023年7月建成并投入使用”。

该熔铸车间共有3台20吨固定式燃气熔炼炉、3口铸造深井（尺寸为长2.2 m×宽2.2 m×深10 m，其中1口未投入使用）、2套单滚筒钢缆卷扬铸造系统。每台熔炼炉对应1口铸造深井，分别为A号、B号、C号井。

调查报告指出，该工厂的安全操作规程（SOPS）存在多项问题：“安全意识淡薄，未认真落实全员安全生产责任制和安全生产规章制度。”此外，报告还强调：“该单位安全生产工作监督检查不深入，深井铸造工艺不完善”（《调查报告》，2024年12月）。

报告结论称：“风险意识不足，导致深井铸造工艺中的关键环节和关键设备出现故障。对风险认识不深刻，未充分了解‘两炉一井’生产模式对钢缆的影响。”

尽管报告承认上述各项问题均以单独或共同作用的方式对爆炸事故产生了影响，但未探讨和解释每项问题具体如何导致爆炸发生。这种信息模糊性降低了该报告对铝行业预防类似爆炸事故的积极作用。

该工厂实行24小时工作制，采用两班两运转模式，每班4名工人。白班工作时间为7:00–19:00，夜班工作时间为19:00–次日7:00，每15天倒班一次。事故发生当天，B号铸造井在爆炸前已完成3次铸造作业。

调查报告未将疲劳列为事故诱因，但需注意的是，爆炸发生在16时30分，此时工人已工作超过9小时。报告也未说明员工自上次休息后已连续工作多少天。报告称该工厂“每15天倒班一次”，但未明确7月26日处于倒班周期的哪个阶段。如果7月26日是新倒班周期的第一天，则情况最为糟糕。工人需调整睡眠作息，而睡眠规律被打乱会导致工人在工作时感到疲劳，进而影响判断力和专注力。

该企业使用的钢缆为镀锌钢缆（6×29Fi+IWR结构），规格为20毫米。每根钢缆由6股组成，每股包含29根填充钢丝（F）和独立钢丝（i），并配有一根独立钢缆芯（IWRC）。此类钢缆以高强度和高耐用性著称，适用于起重、牵引和固定重物等高强度作业场景。尽管如此，仍有一根钢缆发生断裂。

2024年8月8日，工作人员对断裂钢缆取样检测，结果显示：“随着铝棒铸造过程的推进，其长度和重量不断增加，西南侧的钢缆可能承受了更大应力。应力集中处出现断丝或断股现象，最终导致钢缆断裂。该钢缆断裂后，其他钢缆突然承受过大负荷，剩余3根钢缆在被拉紧绷直的过程中断裂。此时的负荷超过了钢缆的实际承载能力，但低于其断裂强度。”

调查报告结论称：“事故铸造井使用的钢缆中含有硫化物夹杂物，导致钢缆承载能力下降，这是爆炸事故的直接原因。”能谱分析显示，“钢缆基体夹杂物中的硫含量为2.2 %”。

土耳其伊兹密特科贾埃利大学（Kocaeli University）的冶金学家Muharrem Yilmaz博士曾对钢缆断裂中的夹杂物进行过测试。Muharrem博士在其研究《钢丝生产和使用过程中的失效分析》中指出，优质钢材中硫化物的“最大含量应限制0.040 %以内”。本次事故中检测的钢丝，其硫化物夹杂物含量是Yilmaz博士研究中允许最大含量的50倍。他在研究中还提到：“钢材生产过程中，盘条最主要的缺陷是非金属夹杂物（硫化物、氧化物、硅酸盐或上述多种物质的复合物）。”这些缺陷会导致钢缆过早断裂。

该调查报告在钢缆问题上存在表述模糊之处。报告称：“2023年10月7日，该铝厂采购人员联系某供应商…… 采购了一批直径20毫米的钢芯钢缆。”模糊之处有两点：一是未说明采购的钢缆是否在爆炸前安装到B号铸造井中；二是B号铸造井已于2021年11月安装并投入使用。笔者认为，若B号井的钢缆已更换为此次采购的钢缆，报告理应注明这一情况。

无论如何，调查报告错误地将西南角钢缆断裂列为爆炸事故的“直接原因”。事实上，钢缆断裂并未直接导致爆炸，只是事故的诱因之一。调查报告未解释和探讨爆炸发生的真正原因。报告称，钢缆断裂导致“铝棒与结晶器分离，结晶器托盘上的大量铝液瞬间流入铸造井。在铸造井狭窄有限的空间内，产生大量氢气和热量，引发爆炸。”尽管“产生氢气和热量……引发爆炸”这一表述正确，且可通过下述化学方程式体现，但报告未解释为何会发生方程式（1）所示的化学反应。

                  2Al+3H20→Al2O3+3H2

数十年的科学研究表明，只有当铝液与水在基底表面发生相互作用时，才会引发爆炸。假设将铝液倒入一个装满水的无底井中，上述化学反应绝不会发生。铝液最终会凝固并变得稳定。为何会发生爆炸？

正如前文所述，当铝液与水在裸露的钢、混凝土或不锈钢基底上发生相互作用时，就会引发爆炸；若铝液与水在未经测试合格的井坑涂料表面发生相互作用，同样会引发爆炸。此次爆炸的直接原因，正是铝液与水在裸露基底或未经测试合格的安全坑涂料表面发生了相互作用，而非钢缆断裂。

行业内大大小小的漏铝事故屡见不鲜，但多数情况下并未引发爆炸，原因就在于这些工厂使用了Wise Chem或其他测试合格的安全坑涂料。而本次事故中的工厂并未使用任何测试合格的安全涂料。

06 结论

全球范围内，处理铝液的机械设备在设计上较为相似。然而，不同工厂的安全水平却存在巨大差异。一方面，部分工厂极少发生铝液爆炸事故；另一方面，部分工厂却频繁发生铝液爆炸事故。2024年，中国发生了4起灾难性爆炸事故。为何会出现这种情况？

本文阐述了爆炸发生的原因，并简要综述了铝液爆炸预防相关的研究成果。需注意的是，铝行业围绕铝液爆炸的研究已持续40年，研究主体包括行业机构、政府部门和高校。这些研究成果已公开，许多企业已将其作为铝液操作安全规划的基础。

部分工厂发生爆炸，在于前者是否遵循了行业所有安全最佳实践。需强调的是，工厂不能仅遵循部分安全最佳实践。只有全面遵循所有最佳实践，才能构建安全的工作环境。

本文探讨了铝液爆炸发生的基本原理。此外，还有诸多可能导致铝液爆炸的话题或问题未在本文中涉及，例如铝液装料或转运过程中的爆炸风险。尽管如此，所有可能单独或共同导致铝液爆炸的危险源，均在美国铝业协会《铝液操作指南》中有所阐述。

该文件是在行业各方参与下编制而成的实用参考资料，也是全球规模最大、安全性最高的铝业公司制定铝液安全计划的基础。若2024年发生爆炸的4家铝业公司能够遵循《铝液操作指南》的内容，那么这4起造成15人死亡、38人受伤的爆炸事故，要么能够完全避免，要么能够大幅降低事故严重程度，实现无人员死亡、极少人员受伤的结果。

07 建议

各起爆炸事故后调查报告所提供信息的质量存在显著差异，这一问题亟待解决。似乎部分省份才能获取经验丰富的行业专家支持。这一点在两份事故报告对比中体现得尤为明显：7月9日的报告内容详尽，而7月26日的报告则缺乏具体细节。遗憾的是，两份报告均明显缺乏对爆炸发生原因的认知。7月9日的爆炸事故被归咎于一名工人三次加快生产流程，7月26日的爆炸事故则被归咎于钢缆断裂。这两个因素均为事故诱因，但都不是爆炸发生的根本原因。爆炸发生的真正原因，是铝液与水在裸露基底或未经测试合格的安全涂料表面发生了相互作用。这也是每起爆炸事故的共同原因。

此外，政府将发布新的铝加工设计标准。新标准将大幅提高钢缆式铸造的门槛。

需注意的是，钢缆式铸造在全球范围内广泛使用，且已安全运行数十年。业界无疑担心钢缆可能因疲劳或漏铝产生的铝液流而断裂，如果井壁都涂有Wise Chem安全涂料，则无需担心爆炸的发生。

作者

Alex W. Lowery 1 ， 刘锦 2
1. 总经理 alex.lowery@wisechem.net
Wise Chem 公司，奥尔巴尼，美国
2. 产品经理 jinliu@pyrotek.com
Pyrotek 公司，深圳，中国

本文转载自：第43届ICS0BA国际会议与展览会论文集