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[摘 要]随着新技术的不断探索和进步，真空自耗电弧炉被广泛应用于制钛行业中，但在熔炼金属的过程中常因人为或环境因素导致爆炸事故，给人们的生命财产安全带来了严重的威胁，因此对真空自耗电弧炉的防爆技术进行深入研究具有十分重要的现实意义。本文结合真空自耗电弧炉的原理及操作，对真空自耗电弧炉的防爆技术进行了分析，以期为相关从业人员提供理论研究资料。
[关键词]真空自耗电弧炉；爆炸；防爆技术
中图分类号：TF132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0398-02
随着经济水平的不斷提高，各行业对钛及钛合金铸锭的需求也越来越大，真空自耗电弧炉被广泛应用于制钛领域，在钛及钛合金产品的生产过程中，生产水平和控制精度严重影响了后续产品质量。随着现代化国防、航空、核设施、能源和化工等领域的发展和进步，钛及钛合金产品的需求量逐年上升，用户对钛产品的质量水平提出了更高的要求。传统的自耗电弧炉设备的冶金工作由分立元件组成的插件版完成，辅以继电器和接触器对整个系统实现控制，已不能满足质量控制和安全生产的要求。为了提高熔炼工艺的安全性，提高冶金质量，满足更多领域的需求，必须采用新的控制理念和技术，对真空自耗电弧炉进行过程控制。
1、真空自耗电弧炉
1.1真空自耗电弧炉的工作原理
真空自耗电弧炉基本原理是，在真空或惰性气体环境中，加以高温使金属电极在直流电弧的作用下迅速熔化，以液体金属的形式在水冷坩埚中冷却后凝固。在液体金属向水冷坩埚中过渡或在冷却的过程中发生一系列的物理化学变化，金属在这个过程中得到精炼，最终得到钛及钛合金产品。图1是一个典型的真空自耗电弧炉设备结构图。
1.2真空自耗电弧炉操作流程
在启动真空机组前，对冷却水和油进行全面的检查，保证冷却水供应畅通，油量超过油液面线，打开机械泵和增压泵的进出水阀【1】。
开启水泵，再次检查冷却水供水管道的通畅性，保证水压高于2kg，及时将补给用水阀打开。
在真空自耗电弧炉炉体处于密闭状态、增压泵处于大气或真空状态时，安全启动机械泵；炉体与增压泵均为大气状态时，可能由于长期不开泵、真空未排出、真空系统漏气造成，应及时检修或换油，对相应不合格的零部件进行更换，先将增压泵中的真空抽出，待机械泵出口没有冒烟现象或机械泵声音恢复平静后打开抽炉阀。若此时真空自耗电弧炉炉体处于标准大气状态，应及时做好大气回流的预防措施，防止设备发生爆炸或损坏。及时关注低真空压力表的显示，当压力达到-0.1Pa时，及时打开增压泵开始加热，增压泵加热30min后，打开相应的阀门对炉体进行抽高真空。在对增压泵油进行检查的过程中，等到油完全冷却后，先对真空自耗电弧炉进行破真空处理，再对增压泵进行破真空。
当炉体与增压泵处于热态，自耗电弧炉进行连续生产时，打开阀门对炉子进行抽低真空，待机械泵出口不冒烟，低真空压力表读数在-0.1Pa时，打开相应阀门对炉体进行抽高真空。
放气操作过程中，先将真空仪表关闭，打开电动放气阀，放气完毕后及时将电动放气阀关闭，在手按电动放气阀的按钮时，为了避免放气阀线圈烧毁，按钮时间不得超过2s。
在检漏过程中，测漏气率在0.133Pa-1.33Pa的压力范围内。
关闭真空系统时，先将增压泵关闭，在将机械泵关闭，最后关闭机械仪表。
1.3 真空自耗电弧炉爆炸机理
案例：某有色金属冶炼厂将一根因发生击穿增涡事故而中断熔炼的二次电极熔炼成二次锭，封炉抽真空1.5小时后，开始熔炼.熔炼16～17分钟时，发现电脑萤光屏上出现一片白光，电流表指针摆到27.5kA处，然后迅速落下指零（起讫时间为1.85），电压表指零，同时控制台上的传话仪翻倒，传来一声沉闷的响声，门窗震破，发生爆炸，当班的5人都在设有防爆墙的控制室内，故无伤亡。此次爆炸给厂房设施、设备造成了较大的损失。其爆炸威力相当于4.9-9.0kgTNT炸药的威力。自耗炉爆炸一般分为以下几种。
1.3.1物理爆炸
坩埚外部的冷却水进入高温冶炼金属池，被汽化成蒸气，产生的高压引发爆炸：H2O（液态）→H2O（气态）。
1.3.2化学爆炸
在高温状态下，水与活泼金属（Ti等）发生反应：Ti+2H2O→TiO2+2H2（气态）。该反应是放热反应，有气体生成，反应速度较快，爆炸威力较强。
1.3.3混合气体爆炸
高温状态下，水与活泼金属（Ti等）发生反应生成氢气，若此时外界的空气进入炉内，则可引起混合气体爆炸：2 H2（气态）+O2（气态）→2 H2O（液态）。若炉内的高压氢气泄漏到炉外，与空气混合后将发生二次爆炸。
为了提高真空自耗电弧炉的使用安全性和钛合金熔炼的质量，必须采取合理的措施做好防爆工作。
2 真空自耗电弧炉的防爆技术
2.1 合理采用安全防爆阀
本文以1.5吨的真空自耗电弧炉为例，来分析真空自耗电弧炉的防爆技术，1.5吨的真空自耗电弧炉属于中小型的真空自耗电弧炉，在中小型自耗炉中，普遍采用了安全防爆阀【2】。
当炉内压力高于设定压力后，相应的压力表将读数信息及时反馈给中央控制系统，控制系统发出指令，及时将防爆阀打开，将炉内的高压气体排出，有效起到安全保护的作用。可以用用较薄的铝箔当做破坏原件进行泄爆，也可对炉内的真空进行密封，用压缩弹簧将法兰压紧，保证泄爆自动恢复。
2.2 根据自耗炉的实际情况选择冷却剂
2.2.1用Na-K合金作为冷却剂
近年来，很多生产部门将Na-K合金作为坩埚冷却剂投入到生产中。当K的浓度为40%-90%时，Na-K合金以液态的形式在室温下存在，具有与冷却水相近的流动性和导热性能。针对特殊设计的封闭冷却系统，可以对Na-K合金进行循环使用，这种Na-K合金不予活泼金属Ti和Zr等发生反应，具有较低的蒸气压，可以广泛应用于自耗炉中。 2.2.2用惰性气体作为冷却剂
由于惰性气体分子结构稳定，在高温或高压下也很难与多种活泼金属发生化学反应，借助惰性气体的这一特性，可将氦气或氙气等惰性气体作为自耗炉的冷却剂。为了改善惰性气体的传热性能，可以将惰性气体进行加压，且可循环使用，经过水冷热交换器后可重新回到冷却系统。用改变惰性气体在该系统中的流量控制方法对炉壳和电极杆的温度进行调节。这种方法具有较高的可行性，前几年美国使用此种方法后，国内也在进行新的技术探讨，并取得了不错的进展【3】。
2.3 對电弧炉的控制系统进行改进
近年来，随着自耗炉的推广和使用，人们逐渐将重点放到了电弧的控制方法上，融化过程的安全性和锭子最终的均匀程度直接受到融化过程中电弧状况的影响。对电弧炉的控制系统进行改进时，可采用两种方法。
2.3.1改进电弧长度的控制方法
一般用电压控制的方法控制电弧长度，这种控制方法以电压和弧长之间的函数关系为基础，下式是电弧的伏安特性：
U=UK-A+RIL/d，
式中U—弧电压，伏特；UK-A—阴极与阳极的电压降，伏特；
R—等离子放电特性的电阻，欧姆；I—弧电流，安培；
L—弧长，厘米；d—电极直径，厘米。
下表是公式中的常数：
由上式可知，弧长增加时，弧电压必定增加，与设定电压比较后得到正偏差信号，对具体的系统而言，经过功率放大后便可实现对驱动系统的控制，从而使电极位置下降，最终消除偏差。
实际应用中，常将精度为0.3%、周期为30s的定时器应用于系统中，作为对电压控制法的补充，对电极位置进行周期性控制，保证融化过程的安全。
2.3.2差动驱动系统
为了保证电弧长度在融化期间不变，电极杆驱动系统必须有很高的灵敏性，。传统系统中使用的直流电机或交流电机在反转、启动、停止的过程中，电机转子具有较强的惯性，对驱动系统的灵敏度带来了影响。差动系统的使用，采用两台直流电机，转向不变的同时改变转数差，实现电极升降速度的调节，为了预防短路故障，可选择一台交流电机备用。采用差动系统后，电机转子转向在不改变的情况下就可实现对电极的控制，消除转子的惯性作用，提高了系统的灵敏度，有利于设备安全运转【4】。
2.4 对稳弧线圈进行科学设计和布置
电弧由游离的电粒子产生，可以利用磁场将其偏移，通常将电磁线圈放在坩埚外侧的水套中，保证与坩埚同轴，同轴磁场会与融化电流在同一方向上，不会对电流产生作用力，实际上在电流经过电极尖端、电弧、熔池到达坩埚侧壁的过程中，并不总是与稳弧线圈同轴，存在一部分分散电弧，这部分电弧在磁场的作用下产生偏移，落在坩埚壁上的几率减小。通常要求在坩埚中产生100-250奥斯特的磁场，在稳弧的同时，搅拌熔池，保证合金元素的充分混合，使熔池的热量得到改善。
2.5 采用喷灌式的冷却方式
在具有封闭式水冷腔（水套）系统中，当坩埚壁被击穿时，坩埚内是真空，水套中存在水压（一般在3kg/cm2以上），难以避免水会进入坩埚中，导致爆炸。因此可以在坩埚上部安装环形浸水圆管，将圆管对着坩埚外壁的一侧开适当的小孔，冷却水经小孔喷射到坩埚壁上，沿壁下流，起到较好的冷却作用。在实际应用中，为了使水流均匀分布，可在坩埚外壁上铺设金属网。这种冷却方式除了可以降低爆炸的几率外，还可降低坩埚壁承受的水压，减少在高温下形成的变形，延长了坩埚的使用寿命。
2.6 X-Y可调式电极结构
钛合金在熔炼的过程中往往引起侧弧，这是由于电极不直或焊接不正导致的，侧弧的发生可能会击穿坩埚，近年来研发出X-Y可调式电极结构。在合金融化过程中，通过电极杆沿X轴或Y轴的偏摆角度（一般在±2.5°-±5°）调整补偿与坩埚壁间的不均匀侧隙。
2.7爆炸后的防护措施设置及对爆炸危害的应急处置
在施工场所架设防爆墙，墙壁一般由20-25mm厚的钢板制成；对系统进行严密的检查，包括硬件系统和软件控制系统，在工程师的指导下，对系统中出现的问题进行修复；对整个系统进行改良，加设必要的安全报警系统，当气压或温度超标时，工作人员可以第一时间撤离；作业人员应提高自身素质，对国内外新型自耗炉的相关知识进行系统的学习，深化救援演练工作；平时对系统多加检查，及时记录系统的运行状况。
结束语
经济水平不断提高，各行业对钛合金的需求也越来越大，真空自耗电弧炉被广泛应用于冶金行业，在钛合金冶炼过程中，必须在对真空自耗电弧炉的应用详细掌握后，加强安全管理，做好防爆措施，提高炼金质量，提高生产的安全性。
参考文献
[1] 张乃禄，田炳，同向前等.真空自耗电弧炉防爆措施研究[J].冶金自动化，2014，36（5）：39-43，62.
[2] 杨永维，陈今润，熊炜等.真空自耗电弧炉控制系统浅谈[J].计算机测量与控制，2012，16（11）：1596-1599.
[3] 葛正福，付宝全，王盛交等.真空自耗电弧炉熔炼期间电流突降故障分析与处理[J].工业加热，2012，41（3）：18-20.
[4] 邹武装.真空自耗电弧炉控制系统设计及实现[J].现代电子技术，2011，34（18）：192-194.
[关键词]真空自耗电弧炉；爆炸；防爆技术
中图分类号：TF132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0398-02
随着经济水平的不斷提高，各行业对钛及钛合金铸锭的需求也越来越大，真空自耗电弧炉被广泛应用于制钛领域，在钛及钛合金产品的生产过程中，生产水平和控制精度严重影响了后续产品质量。随着现代化国防、航空、核设施、能源和化工等领域的发展和进步，钛及钛合金产品的需求量逐年上升，用户对钛产品的质量水平提出了更高的要求。传统的自耗电弧炉设备的冶金工作由分立元件组成的插件版完成，辅以继电器和接触器对整个系统实现控制，已不能满足质量控制和安全生产的要求。为了提高熔炼工艺的安全性，提高冶金质量，满足更多领域的需求，必须采用新的控制理念和技术，对真空自耗电弧炉进行过程控制。
1、真空自耗电弧炉
1.1真空自耗电弧炉的工作原理
真空自耗电弧炉基本原理是，在真空或惰性气体环境中，加以高温使金属电极在直流电弧的作用下迅速熔化，以液体金属的形式在水冷坩埚中冷却后凝固。在液体金属向水冷坩埚中过渡或在冷却的过程中发生一系列的物理化学变化，金属在这个过程中得到精炼，最终得到钛及钛合金产品。图1是一个典型的真空自耗电弧炉设备结构图。
1.2真空自耗电弧炉操作流程
在启动真空机组前，对冷却水和油进行全面的检查，保证冷却水供应畅通，油量超过油液面线，打开机械泵和增压泵的进出水阀【1】。
开启水泵，再次检查冷却水供水管道的通畅性，保证水压高于2kg，及时将补给用水阀打开。
在真空自耗电弧炉炉体处于密闭状态、增压泵处于大气或真空状态时，安全启动机械泵；炉体与增压泵均为大气状态时，可能由于长期不开泵、真空未排出、真空系统漏气造成，应及时检修或换油，对相应不合格的零部件进行更换，先将增压泵中的真空抽出，待机械泵出口没有冒烟现象或机械泵声音恢复平静后打开抽炉阀。若此时真空自耗电弧炉炉体处于标准大气状态，应及时做好大气回流的预防措施，防止设备发生爆炸或损坏。及时关注低真空压力表的显示，当压力达到-0.1Pa时，及时打开增压泵开始加热，增压泵加热30min后，打开相应的阀门对炉体进行抽高真空。在对增压泵油进行检查的过程中，等到油完全冷却后，先对真空自耗电弧炉进行破真空处理，再对增压泵进行破真空。
当炉体与增压泵处于热态，自耗电弧炉进行连续生产时，打开阀门对炉子进行抽低真空，待机械泵出口不冒烟，低真空压力表读数在-0.1Pa时，打开相应阀门对炉体进行抽高真空。
放气操作过程中，先将真空仪表关闭，打开电动放气阀，放气完毕后及时将电动放气阀关闭，在手按电动放气阀的按钮时，为了避免放气阀线圈烧毁，按钮时间不得超过2s。
在检漏过程中，测漏气率在0.133Pa-1.33Pa的压力范围内。
关闭真空系统时，先将增压泵关闭，在将机械泵关闭，最后关闭机械仪表。
1.3 真空自耗电弧炉爆炸机理
案例：某有色金属冶炼厂将一根因发生击穿增涡事故而中断熔炼的二次电极熔炼成二次锭，封炉抽真空1.5小时后，开始熔炼.熔炼16～17分钟时，发现电脑萤光屏上出现一片白光，电流表指针摆到27.5kA处，然后迅速落下指零（起讫时间为1.85），电压表指零，同时控制台上的传话仪翻倒，传来一声沉闷的响声，门窗震破，发生爆炸，当班的5人都在设有防爆墙的控制室内，故无伤亡。此次爆炸给厂房设施、设备造成了较大的损失。其爆炸威力相当于4.9-9.0kgTNT炸药的威力。自耗炉爆炸一般分为以下几种。
1.3.1物理爆炸
坩埚外部的冷却水进入高温冶炼金属池，被汽化成蒸气，产生的高压引发爆炸：H2O（液态）→H2O（气态）。
1.3.2化学爆炸
在高温状态下，水与活泼金属（Ti等）发生反应：Ti+2H2O→TiO2+2H2（气态）。该反应是放热反应，有气体生成，反应速度较快，爆炸威力较强。
1.3.3混合气体爆炸
高温状态下，水与活泼金属（Ti等）发生反应生成氢气，若此时外界的空气进入炉内，则可引起混合气体爆炸：2 H2（气态）+O2（气态）→2 H2O（液态）。若炉内的高压氢气泄漏到炉外，与空气混合后将发生二次爆炸。
为了提高真空自耗电弧炉的使用安全性和钛合金熔炼的质量，必须采取合理的措施做好防爆工作。
2 真空自耗电弧炉的防爆技术
2.1 合理采用安全防爆阀
本文以1.5吨的真空自耗电弧炉为例，来分析真空自耗电弧炉的防爆技术，1.5吨的真空自耗电弧炉属于中小型的真空自耗电弧炉，在中小型自耗炉中，普遍采用了安全防爆阀【2】。
当炉内压力高于设定压力后，相应的压力表将读数信息及时反馈给中央控制系统，控制系统发出指令，及时将防爆阀打开，将炉内的高压气体排出，有效起到安全保护的作用。可以用用较薄的铝箔当做破坏原件进行泄爆，也可对炉内的真空进行密封，用压缩弹簧将法兰压紧，保证泄爆自动恢复。
2.2 根据自耗炉的实际情况选择冷却剂
2.2.1用Na-K合金作为冷却剂
近年来，很多生产部门将Na-K合金作为坩埚冷却剂投入到生产中。当K的浓度为40%-90%时，Na-K合金以液态的形式在室温下存在，具有与冷却水相近的流动性和导热性能。针对特殊设计的封闭冷却系统，可以对Na-K合金进行循环使用，这种Na-K合金不予活泼金属Ti和Zr等发生反应，具有较低的蒸气压，可以广泛应用于自耗炉中。 2.2.2用惰性气体作为冷却剂
由于惰性气体分子结构稳定，在高温或高压下也很难与多种活泼金属发生化学反应，借助惰性气体的这一特性，可将氦气或氙气等惰性气体作为自耗炉的冷却剂。为了改善惰性气体的传热性能，可以将惰性气体进行加压，且可循环使用，经过水冷热交换器后可重新回到冷却系统。用改变惰性气体在该系统中的流量控制方法对炉壳和电极杆的温度进行调节。这种方法具有较高的可行性，前几年美国使用此种方法后，国内也在进行新的技术探讨，并取得了不错的进展【3】。
2.3 對电弧炉的控制系统进行改进
近年来，随着自耗炉的推广和使用，人们逐渐将重点放到了电弧的控制方法上，融化过程的安全性和锭子最终的均匀程度直接受到融化过程中电弧状况的影响。对电弧炉的控制系统进行改进时，可采用两种方法。
2.3.1改进电弧长度的控制方法
一般用电压控制的方法控制电弧长度，这种控制方法以电压和弧长之间的函数关系为基础，下式是电弧的伏安特性：
U=UK-A+RIL/d，
式中U—弧电压，伏特；UK-A—阴极与阳极的电压降，伏特；
R—等离子放电特性的电阻，欧姆；I—弧电流，安培；
L—弧长，厘米；d—电极直径，厘米。
下表是公式中的常数：
由上式可知，弧长增加时，弧电压必定增加，与设定电压比较后得到正偏差信号，对具体的系统而言，经过功率放大后便可实现对驱动系统的控制，从而使电极位置下降，最终消除偏差。
实际应用中，常将精度为0.3%、周期为30s的定时器应用于系统中，作为对电压控制法的补充，对电极位置进行周期性控制，保证融化过程的安全。
2.3.2差动驱动系统
为了保证电弧长度在融化期间不变，电极杆驱动系统必须有很高的灵敏性，。传统系统中使用的直流电机或交流电机在反转、启动、停止的过程中，电机转子具有较强的惯性，对驱动系统的灵敏度带来了影响。差动系统的使用，采用两台直流电机，转向不变的同时改变转数差，实现电极升降速度的调节，为了预防短路故障，可选择一台交流电机备用。采用差动系统后，电机转子转向在不改变的情况下就可实现对电极的控制，消除转子的惯性作用，提高了系统的灵敏度，有利于设备安全运转【4】。
2.4 对稳弧线圈进行科学设计和布置
电弧由游离的电粒子产生，可以利用磁场将其偏移，通常将电磁线圈放在坩埚外侧的水套中，保证与坩埚同轴，同轴磁场会与融化电流在同一方向上，不会对电流产生作用力，实际上在电流经过电极尖端、电弧、熔池到达坩埚侧壁的过程中，并不总是与稳弧线圈同轴，存在一部分分散电弧，这部分电弧在磁场的作用下产生偏移，落在坩埚壁上的几率减小。通常要求在坩埚中产生100-250奥斯特的磁场，在稳弧的同时，搅拌熔池，保证合金元素的充分混合，使熔池的热量得到改善。
2.5 采用喷灌式的冷却方式
在具有封闭式水冷腔（水套）系统中，当坩埚壁被击穿时，坩埚内是真空，水套中存在水压（一般在3kg/cm2以上），难以避免水会进入坩埚中，导致爆炸。因此可以在坩埚上部安装环形浸水圆管，将圆管对着坩埚外壁的一侧开适当的小孔，冷却水经小孔喷射到坩埚壁上，沿壁下流，起到较好的冷却作用。在实际应用中，为了使水流均匀分布，可在坩埚外壁上铺设金属网。这种冷却方式除了可以降低爆炸的几率外，还可降低坩埚壁承受的水压，减少在高温下形成的变形，延长了坩埚的使用寿命。
2.6 X-Y可调式电极结构
钛合金在熔炼的过程中往往引起侧弧，这是由于电极不直或焊接不正导致的，侧弧的发生可能会击穿坩埚，近年来研发出X-Y可调式电极结构。在合金融化过程中，通过电极杆沿X轴或Y轴的偏摆角度（一般在±2.5°-±5°）调整补偿与坩埚壁间的不均匀侧隙。
2.7爆炸后的防护措施设置及对爆炸危害的应急处置
在施工场所架设防爆墙，墙壁一般由20-25mm厚的钢板制成；对系统进行严密的检查，包括硬件系统和软件控制系统，在工程师的指导下，对系统中出现的问题进行修复；对整个系统进行改良，加设必要的安全报警系统，当气压或温度超标时，工作人员可以第一时间撤离；作业人员应提高自身素质，对国内外新型自耗炉的相关知识进行系统的学习，深化救援演练工作；平时对系统多加检查，及时记录系统的运行状况。
结束语
经济水平不断提高，各行业对钛合金的需求也越来越大，真空自耗电弧炉被广泛应用于冶金行业，在钛合金冶炼过程中，必须在对真空自耗电弧炉的应用详细掌握后，加强安全管理，做好防爆措施，提高炼金质量，提高生产的安全性。
参考文献
[1] 张乃禄，田炳，同向前等.真空自耗电弧炉防爆措施研究[J].冶金自动化，2014，36（5）：39-43，62.
[2] 杨永维，陈今润，熊炜等.真空自耗电弧炉控制系统浅谈[J].计算机测量与控制，2012，16（11）：1596-1599.
[3] 葛正福，付宝全，王盛交等.真空自耗电弧炉熔炼期间电流突降故障分析与处理[J].工业加热，2012，41（3）：18-20.
[4] 邹武装.真空自耗电弧炉控制系统设计及实现[J].现代电子技术，2011，34（18）：192-194.