作者：Alex W. Lowery

译：Pyrotek 刘锦

2022.9.2

铝行业一直在努力减轻铝-水爆炸带来的危害，然而爆炸事故仍时有发生。铝-水爆炸造成的经济损失比任何其他事故都要严重。这类爆炸的剧烈程度从微小到灾难级。有时事故中铝液会迸射到数米远的地方。一些灾难级的爆炸甚至会引起以爆炸点为中心的地震波。所有这些爆炸的发生是因为生产企业缺乏预防爆炸的意识和相关教育。

爆炸原因：

当熔融铝在与水发生物理反应或化学反应时，就会造成爆炸。其中物理反应是最常见的。当熔融铝覆盖了裸露基材（如混凝土，钢，不锈钢）上的水分时，就会发生这种情况。水分蒸发，体积迅速膨胀，将覆盖它的熔融金属推开。一个常见的例子是在抬包倒铝时，铝水洒出到潮湿的地板上。当这种情况发生时，水的温度瞬间上升，使铝水四处抛飞。飞溅的铝液在落下时会产生其他危险，如果它落在可燃物（如木材，纸板）上，可能引起火灾。爆炸还会损坏设备，伤及工人甚至造成死亡。

当铝与氧结合（形成氧化铝）并释放出氢（以能量的形式）时，就会发生化学反应。经计算，一公斤铝水产生的爆炸力相当于三公斤三硝基甲苯（TNT）爆炸。通常铝厂的熔炉的铝容量为30-100吨，其可能产生爆炸的规模会非常大，摧毁厂房，造成人员伤亡，甚至引起小型地震。

应该注意的是，在与水的物理反应中，铝在反应前后的质量是不变的。如果1000公斤熔融铝与水发生物理反应，结果是1000公斤凝固的铝。化学反应并非如此。如果1000公斤铝水与水发生化学反应，则1000公斤立即转化为氧化铝。这就是为什么在化学反应爆炸后产生一个大的蘑菇云，之后会有氧化铝粉末像下雪一样飘落。

爆炸历史：

铝工业的最初时期，铝-水爆炸的规模和破坏程度各不相同。几十年间，这些爆炸一直被视为某个企业或个别工厂的问题，而非行业问题。这种情况于1967年9月11日在美国阿拉巴马州的Muscle Shoals发生的爆炸事故后有了变化，雷诺铝厂发生大爆炸引起了全行业的关注。“爆炸非常剧烈，摧毁了200英尺长水泥墙壁，折断和扭曲了钢梁，地面震动达至10公里外”。

虽然此类爆炸几十年来在全球仍不断发生，但在某些地区，由于实施了新的安全措施，爆炸发生的频率和剧烈程度有所降低。

从2007年起，中国铝工业仍几乎每年都在遭受灾难性爆炸的困扰，爆炸导致人员伤亡和工厂停产。所以，了解过去对爆炸的相关研究有助于使今天的行业运行更安全。

爆炸研究：

最早的关于铝液爆炸的科学研究是在20世纪50年代。很多铝厂正在研究如何防止熔铸车间发生铝水爆炸。这些研究成果通常仅供内部使用，而不会在行业内分享。然而，ALCOA公司的研究人员George Long，在1957年发表了一篇具有里程碑意义的文章“水中熔融铝的爆炸 - 原因和预防”。文章开篇第一句在多年后的今天仍然能引起共鸣。“熔融材料意外溢出到水中或潮湿的表面上是一种严重的工业危害。” Long先生开启了对铝液爆炸的研究，他的许多发现在今天仍然有效。他和美铝技术中心的同事开发了一种铝液爆炸实验装置。实验过程得到了很好的记录，此后的研究都遵循了他的实验装置设计。

1967年，Muscle Shoals雷诺铝厂爆炸后，主要的铝业公司在美国铝协会的管理下共同努力，研究熔融金属爆炸。

1969年，美铝技术中心研究人员Paul D. Hess和Kenneth J. Brondyke 在《Metal Progress》上发表了文章“熔融铝水爆炸的原因”。该研究建立在George Long十年前奠定的基础上。Hess &Brondyke通过一系列测试得出结论，他们了解爆炸所涉及的机制。他们提出了“有效的方法”来防止熔融金属在可能接触的固体表面上发生爆炸。

1980年，美铝技术中心研究员Paul D. Hess和Ron Miller领导了一个由铝协赞助的研究项目。该项目旨在“通过改进工程解决方案，提高铸造操作的安全程度，以消弭铸造过程潜在的危险。在铝铸造过程中，铝液和水常常非常接近。”正是在这项研究中，对Wise Chem E-212-F进行了测试，并证明这种涂料可以从物理和化学反应两方面防止铝水爆炸。

1980年，铝协会启动了事故报告机制。它要求企业制定一项流程，铝企业可以以匿名的方式互相通报并学习相关爆炸案例。在过去的42年中，该计划一直是全球铝企业的宝贵的安全管理手段。当前全球范围内有300家铝企业加入了该通报机制，当他们的企业遭遇到铝水爆炸事故时，就会分发一份详细的报告。机制内的铝企业都会收到一份年度报告，详细列出各个事故发生的环节（如转铝，加料，铸造等）。

1995年底，13家铝业公司资助了美国铝协管理的美铝技术中心的一项研究。1997年发布了题为“防止铝-水爆炸的涂料调查研究”的最终报告。这项全面的研究确定（先前测试过的）Wise Chem E-212-F和新测试的Wise Chem E-115可以防止混凝土，钢和不锈钢基材上的铝液爆炸。

2001年1月，在《Light Metals》轻金属杂志上，R. P. Taleyarkhan，Seokho Kim和Calvin L. Knaff发表了“直冷铸造井坑中铝水防爆的基础研究”。该研究项目由铝工业与美国能源部共同资助，开发了一种设备，可以快速测试涂层防止爆炸的能力。

防止爆炸：

爆炸最常发生在铝液从熔炉、铸模，流槽、坩埚等处逸出，并与裸露的钢、混凝土和不锈钢上的水接触时。所以防止铝液逸出是第一道防线。维护窑炉、流槽坩埚内衬，是一项重要的预防措施。

恰当地准备排铝盆并涂刷防爆涂料是另一个重要的安全实践。2021年铝水事故报告机制的年度报告中列出了六起来自潮湿的排水盆或模具的爆炸。排水盘应保持没有任何碎屑、垃圾或废物。任何存放在排铝盆中的垃圾都会随着时间的推移而积聚水分，当与熔融金属接触时就会产生爆炸。

中国有关部门对大多数灾难性铝水爆炸的调查结果中列出的根本原因主要有两个。首先是铝液泄漏，模具在直冷铸造过程中失效，导致铝水不受控制地释放到铸造坑中。其次，炉衬失效导致熔融金属不受控制地释放到炉子下方的维护坑中。而这两项爆炸成因，在遵循行业最佳实践的世界其它地区近几十年来已经得到很好的预防。

美国铝业协会（AA）的《铝液操作指南》第四版 2016年5月（Guidelines For Handling Molten Aluminum, Fourth Edition, May 2016）确认Wise Chem E-212-F和E-115防爆涂料“具有防止在铸造过程中漏入井坑的铝水发生爆炸的功能”。例如，在铸造车间的立式直冷铸机下方的竖井表面应涂上Wise Chem。与铸造井相邻的维护井以及所有铝水窑炉下的维护井坑都应涂有Wise Chem涂层。所有钢制和不锈钢工具都应涂上Wise Chem，以防止发生爆炸。铝抬包吸铝倒铝操作区附近的地面和墙壁应涂上Wise Chem。

前面提到的中国灾难性铝水爆炸的两个常见根源也都常见于全球其他地区。无数的车间都会出现渗漏和炉衬故障，导致意外的铝水泄漏。但这些铝厂并没有发生像中国那样频繁的爆炸。仅仅是因为他们应用和维护Wise Chem涂层以防止爆炸发生。

Wise Chem涂层的维护对于防止爆炸非常重要。科学家的理论解释是Wise Chem在与铝液接触时通过释放气体来防止爆炸。气体释放穿透铝液，允许被包裹的水汽逸出而不会产生爆炸。随着时间的推移和反复与铝水接触，Wise Chem涂层损耗，逐渐露出基材。Wise Chem涂料必须直接涂在基材上，不需要打底层。关于Wise Chem防止铝水爆炸经过了50多年的研究测试，在所有测试实验中涂料都没有打底层。科学研究已经确定，一些涂料在与铝水接触时实际上反而会促进爆炸。所以，如果有打底层，Wise Chem涂料耗损后露出下面的打底层，底层涂料可能会导致爆炸发生。Hess & Brondyke确定在钢和不锈钢表面产生爆炸的最小裸露面积为2 cm x 2 cm，在混凝土表面上是4 cm x 4 cm。一些用户的计算是错误的，他们在计算中累计多个不同裸露区域。例如，钢制工具表面的4个1平方厘米裸露区域不会产生爆炸，只有一个面积为4平方厘米以上的区域应该用涂料修补。修复损坏的Wise Chem涂层可以轻松快捷地完成。首先正确清洁裸露区域除去任何表面污染物（例如油脂、污垢）。其次，使用Wise Chem修护小包装涂敷裸露区域。

Wise Chem涂层的维护应每月定期进行一次，具体取决于其接触铝液的量和频率。Wise Chem涂层在与熔融金属接触时会烧焦或变成棕褐色。即使经过这种烧灼，涂层仍能继续提供保护，但其性能已经减弱。此外，Wise Chem涂层需要定期重新涂刷。必须把重新涂刷涂料作为一项重要且必要的日常维护工作对待。工厂如果不提前制定计划，重刷工作就会因为各种原因一拖再拖，导致隐患渐趋严重。

行业标准的重刷间隔：

这些时间间隔可能根据与铝水接触的频率和数量而缩短。例如，经过一次大漏铝事故后，可能马上需要对一面或多面井壁进行重新涂覆。

对熔融金属爆炸的研究始于七十多年前。通过无数的科学研究，发展出和完善了防止铝-水爆炸的最佳实践。能够获得并应用这些最佳实践的公司最大限度地减少了铝厂发生的铝液爆炸。这就是为什么那些在国内运营的国际公司从未遭受灾难性的爆炸。这些熔铸厂在铸井建造时就采用了并定期维护Wise Chem防爆涂料。

但是，仍有许多公司未能遵循行业在安全方面的最佳实践，并因此而继续遭受灾难性后果。他们没有意识到Wise Chem在防止铝液爆炸方面的使用可以追溯到近50年前。这种对常识的缺乏使他们的熔铸车间和工人常常在发生铝液泄漏时立于危墙而不自觉。

译注：

l  作者Alex Lowery是美国铝行业安全生产方面的著名专家，在《铝业时代》杂志上的“安全聚光灯”专栏和他所开设的“铝厂安全“博客享誉全行业。他常年为主流的行业性杂志撰写文章，涵盖环境、健康和安全主题。他经常在全球多个铝行业会议上就各种安全主题发表演讲。他正在积极与全球的铝业协会合作，开发新的安全培训计划和技术，这些工作无疑将有利于防止伤害发生挽救更多生命。最近他正致力于探索为什么一项安全计划在某些公司有效，而在另一些公司则不同。业余时间他喜欢踢足球。

l  最佳实践 (best practice)，是一个管理学概念，认为存在某种技术、方法、过程、活动或机制可以使生产或管理实践的结果达到最优，并减少出错的可能性。美国铝协的《铝液操作指南》（《Guidelines For Handling Molten Aluminum》）即是一种铝行业最佳实践的成文规范。