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新领域新风险！金属3D打印为何发生粉尘爆炸？

未知大陆发表于 2023-09-19

本文转自【中华人民共和国应急管理部】；

2023年9月14日14时许，上海汉邦联航激光科技有限公司（以下简称汉邦公司）发生粉尘爆燃事故。截至9月17日，事故造成2人死亡、2人重伤（重伤人员烧伤面积分别为90%和70%）

事故单位基本情况

汉邦公司成立于2017年，注册资本4146万，为民营企业，现有员工89人，主要从事金属粉床激光增材制造（以下简称金属3D打印）装备的研发和销售，2022年销售总收入约1.5亿元。
事故发生地点为汉邦公司研发中心车间，涉事粉尘为铝合金粉尘（Al含量87%，Mg含量9%，Si含量1.5%）。

汉邦公司采用的金属3D打印工艺流程（见图2）为：成型室内，在基板上将金属粉末铺成微米级粉尘层，在激光作用下使粉尘熔化并迅速固化在基板上。通过层层堆叠“打印”，完成工件制造。

金属3D打印设备配套除尘系统用于成型室除尘，除尘系统采用一级旋风除尘器和二级滤筒除尘器。打印设备及配套除尘系统在氩气保护下运行（见图3、图4）。

2次爆燃，还原事故经过

9月14日，作业人员准备在车间内更换滤筒除尘器的滤芯。
11时32分，滤筒除尘器发生第一次爆燃。作业人员立即灭火，爆燃未进一步扩散。
13时40分，作业人员将该滤筒除尘器转移至车间外更换滤芯。
14时01分，作业人员打开滤筒除尘器。
14时02分，作业人员向滤筒除尘器滤芯泼水，滤筒除尘器发生第二次爆燃。

事故原因初步分析

经现场勘查、问询人员、查看监控录像，初步判断事故原因为：

上午11时30分许，在更换滤筒除尘器滤芯前，作业人员对滤芯进行“湿化”处理，将自来水喷入滤芯和收尘桶内，水与铝合金粉尘接触发生放热反应产生氢气，由于收尘桶体积小，桶内累积氢气浓度较高，在作业人员进行收尘桶拆卸操作时，因静电或机械撞击等原因引起收尘桶内局部爆燃。收尘桶与除尘器腔体之间用蝶阀隔离，本次局部爆燃未传播至腔体内。

下午14时02分许，作业人员将滤筒除尘器转移至车间外，在打开箱门后，疑似作业人员发现滤芯区域存在高温冒烟现象，随后作业人员直接向滤芯泼水，在高温条件下迅速造成反应失控，引发粉尘自燃和迸射，导致箱体内发生爆燃，致使周边员工烧伤。

目前事故确切原因还在进一步调查中。

金属3D打印领域，安全风险提示

金属3D打印是增材制造行业的一项重要生产工艺。

中钢集团武汉安全环保研究院粉尘防爆室主任吴晓煜介绍，金属3D打印产品加工、设备生产企业有别于我们既往印象的“典型”粉尘涉爆企业，但发生粉尘爆炸事故的风险不亚于任一家传统的铝镁金属制品加工企业。这种新的工艺技术在既往的粉尘爆炸领域研究及风险防控中尚未引起足够的重视，应该高度关注3D打印设备研发过程及应用3D打印技术制造加工过程中粉尘爆炸风险，有效采取防控措施。

全国安标委粉尘防爆分技术委员会委员、上海化工研究院安全工程中心主任肖秋平介绍，铝合金粉在金属3D打印中是比较常见的原料，且大多使用的是微米级铝粉，本身易燃、遇水反应可放出易燃气体（氢气）。

爆炸机理主要是：铝粉和水反应释放氢气的同时还会产生热量，当水量足够时，热量能够及时耗散，不会造成热量累积；但在半干半湿状态下，因导热性能差，反应放出的热量很容易在铝粉堆中累积，从而出现温度升高的现象，而温度越高，铝粉和水的反应越激烈，累积的热量也越多，往往将导致铝粉的自燃。此外，在金属3D打印过程中，还存在较高的粉尘爆炸风险，因使用的铝粉颗粒度很小，粉尘爆炸的可能性和爆炸后果都比较高。

针对这些燃爆风险，建议采取以下防护措施：

●一是强化过程风险管控。建议金属3D打印及其过滤工序采用惰性气体保护方式，并实时监测氧浓度数据，确保相关工序在低氧浓度下运行，避免制造过程中发生燃烧爆炸事故。
● 二是及时清理和处置废弃粉料。生产完毕后，在清理和处置过程中，应避免往过滤器、收尘桶等密闭空间使用水进行局部“湿化”处理；若使用大量水对废弃粉料进行浸泡处置，应在开放空间进行，防止氢气累积。
● 三是加强应急处置。当生产或处置过程中出现铝粉着火情况，火情较轻时可使用沙子覆盖灭火，灭火过程应避免扬尘；无灭火条件、涉火设备可搬离至安全区域时，可让其自行燃烧；严禁使用水或泡沫灭火剂灭火，避免事故后果扩大化。

粉尘爆炸的五要素

助燃性气体：一定的氧含量是粉尘燃烧的基础。
可燃性粉尘：可与助燃气体发生氧化反应而燃烧的粉尘。
点火源：能使局部粉尘云的温度骤增发生燃烧的高温热源。
粉尘云：悬浮在空中且达到爆炸下限的可燃性粉尘云。
密闭空间：粉尘云被限制在了相对密闭的空间。

粉尘爆炸的特点

多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点。

第一次爆炸气浪，会把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后短时间内爆炸中心区会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，与扬起的粉尘混合，从而引发二次爆炸。二次爆炸时，粉尘浓度会更高。

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