浅谈TPM在钛合金真空自耗熔炼设备管理的应用

王资璐，解川，郝孟一

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

钛及钛合金被誉为“空间金属”“海洋金属”等，广泛应用于航空航天、海洋、医疗和化工等军民用领域。钛合金的原材料主要为海绵钛，同时，为了得到不同的钛合金性能，还需要加入不同比例的合金元素。由于钛的熔点较高，且在高温下较活泼，故钛合金熔炼必须在真空或惰性气体保护下进行，真空自耗熔炼设备是目前国内外工业界钛合金熔炼的主流工艺设备。真空自耗熔炼设备有以下几个特点： （1）设备价值高。目前钛合金生产企业标配的3吨级及以上规格的大型真空自耗炉单价少则数百万元，多则上千万元，通常属于重大设备。（2）设备系统复杂。真空自耗熔炼设备主要包括炉体结构、真空系统、电源系统、传动系统、电气系统、气动系统和冷却系统等部分，涉及机械、电气、液压、真空等多个专业，各系统、各专业间密切关联。（3）设备存在爆炸风险。钛合金真空自耗熔炼过程中，必须对铜坩埚、电极杆、上炉室等关键部位通水冷却，当水冷部件出现故障性穿透，导致冷却水漏入坩埚，接触到高温钛合金溶液会迅速发生反应引起爆炸；同时，设备真空系统中大多配置油增压泵，在油增压泵运行时，一旦泵腔内进入大量的空气或水，接触到高温泵油，也可能引发爆炸。故一般钛合金熔炼企业或车间都将真空自耗熔炼设备作为关键重大设备，从生产效率、维护成本、运行安全、工艺稳定等方面对真空自耗熔炼设备的设备管理工作提出了较高要求。

TotalProductive Maintenance（简称TPM），可译为“全面生产维护”“全员生产维修体制”“全员生产性保全活动”等，是日本企业结合自身设备管理经验，同时，借鉴美国设备后勤学管理、英国设备综合工程学等理念，于1975年后形成的先进设备管理与维修体系。TPM的总体目标是通过全员性保全活动，达到设备的最高效益，以现场现物为基础，争取实现零灾害、零不良、零故障、零浪费，营造“绿色工厂。将TPM设备管理方法引入真空自耗熔炼设备管理工作，可以有效提高设备管理水平，满足企业对设备管理的需求。

1 钛合金真空自耗熔炼设备管理现状及存在问题

1.1 钛合金真空自耗熔炼设备工况特点

（1）设备负荷率高。高品质钛合金铸锭普遍采用三次自耗熔炼工艺。以1台标准3吨真空自耗熔炼1支3吨级钛合金铸锭为例，可选用“4-1-1”“2-1-1”“1-1-1”等三次自耗熔炼工艺。综合考虑设备极限尺寸、厂房条件、设备价格等因素，一般钛合金熔炼企业普遍采用“4-2-1”三次自耗熔炼工艺，工艺原理见图1。熔炼一支3吨级钛合金铸锭设备总运行时间超过52小时，如果按照8小时工作制，一年仅能熔炼40支3吨钛合金铸锭，产能较低。为了提高单台设备的产能和效率，通常采用倒班制和单熔炼电源双熔炼工位等方式保证“人停设备不停”。即便如此，熔炼工序通常为钛合金企业的“瓶颈”工序，设备基本均处于满负荷运行状态。

图1 “4-2-1”工艺三次自耗熔炼工艺原理

（2）事故风险高。国内外多次出现真空自耗熔炼设备本体或者油增压泵在钛合金熔炼过程中发生爆炸的生产事故，其爆炸威力巨大，对设备结构、配套设施、厂房建筑等均造成了重大破坏，甚至出现了人员伤亡事故。由于工艺特殊性，目前，钛合金真空自耗熔炼过程中的爆炸风险无法彻底消除或避免，只能通过设备安全功能、操作人员规范操作及应急处置等手段降低爆炸风险。

（3）故障种类多。真空自耗熔炼设备主要包括炉体结构、真空系统、电源系统、传动系统、电气系统、气动系统和冷却系统等部分。由于钛合金熔炼中会产生高温（钛合金熔池温度可达1750℃以上），形成大量易挥发性杂质和腐蚀性气体，将显著影响设备结构和零部件的寿命和可靠性，从而容易引起设备各部位故障。从图2中可知，真空自耗熔炼炉设备工况条件下故障种类较多，给设备的管理和维保工作带来了较大的压力。

图2 某企业单台3吨真空自耗熔炼设备一段时期内故障类型和数量统计

（4）产品价值高。一方面，海绵钛、中间合金等原材料成本较高。海绵钛的市场价格约为6～10万元/吨；铝铌、铝钒、铝钼等中间合金的市场价格可达数十万元/吨。另一方面，钛合金铸锭制备工艺较长。从原材料入库后，要经历筛选、烘干、混布料、电极块压制、电极焊接、三次熔炼、机加平头、取样、理化检验、探伤等数十道工序，才能制备出1支钛合金铸锭成品。据估算，1支3吨级钛合金铸锭的成本可达几十万元。一旦出现漏气或设备故障引起的停机，该炉次铸锭就会报废，损失巨大。

1.2 钛合金真空自耗熔炼设备管理现状及不足

（1）设备操作、维修、管理“三岗分立”，缺乏全员意识。考虑到钛合金熔炼工艺的保密性、专业性、高风险性等特点，对于钛合金熔炼车间每个班组通常仅配备1名专职的设备操作人员（熔炼工）和若干名熔炼辅助人员，班组人员缺乏设备维修、管理专业知识；设备维修人员通常按照电工、机修、水暖等专业划分，仅负责设备故障报修后的本专业的维修，且维修人员缺乏对设备整体情况、运行工况、综合性能等情况的了解；设备管理人员通常负责现场多台设备的管理，无法深入了解单台设备的使用、维保情况。操作人员、维修人员、管理人员三者之间缺乏信息沟通和协作配合，设备管理容易出现疏漏和空白。

（2）设备管理缺乏系统化。钛合金熔炼仅作为钛合金制造工序中的一道工序，通常无配置专门的设备管理与保障团队，设备管理工作主要针对设备运行阶段的维修和保养，以“点”为主，缺乏对论证、采购、安装、使用、维修等设备全生命周期的系统管理；缺乏对设备最终用户、采购、制造、管理、维保、库房等设备管理全流程部门的系统管理；缺乏对设备密切相关的现场环境、标准化、可视化、备品备件、人员素养、制度体系等设备全生态环境的系统管理。

（3）设备维保滞后，无法实现全效率。现行设备管理工作主要分为日常清洁、定期保养和故障维修。日常清洁和定期保养通常不能有效结合设备运行工况计划、实施，且各级保养也不能完全落到实处；故障维修以事后维修为主，由于故障的突发性和设备的复杂性，导致专业维修人员、维修工具、备品备件无法及时到位，经常出现故障停机数天甚至数周，严重影响正常生产。

2 TPM理论在钛合金真空自耗熔炼设备管理的应用实践

TPM作为一种先进的设备管理工具，其十分适应建设体系规划较大但是设备科学管理性、规范性不足的企业，这点十分迎合我国的国情与工业现代化的发展现状。TPM的特征主要在于“全系统、全效率、全员参加”。全系统是指包含预防维修、改善维护和故障维修等生产维护保养系统的各个方面；全效率是指保障设备正常运行状态，实现设备生产效率最大化；全员参与是指企业决策者、相关部门管理者、设备使用维护者等从上到下的所有人员都必须参与其中，通过小组自主活动推进TPM工作。利用TPM管理工具可针对性改善钛合金真空自耗熔炼设备的管理问题，提升设备管理水平，产生较高经济效益和社会效益。在长期的TPM体系建设中总结形成了TPM管理“九步法”。以此为指导，具体实施钛合金真空自耗熔炼设备的TPM推进工作。

（1）成立团队。团队成员包括设备主操作人员、设备辅助作业人员、工段长、工艺人员、维修人员、安全管理人员、条件保障管理人员等。通过团队共同推进实施TPM工作，既可以提升各岗位人员的协作能力，又可以全面沟通交流设备操作、工艺、安全、维修等方面的业务知识，提升设备管理工作的全面性。

（2）设备清扫。钛合金真空自耗熔炼设备的循环水冷却系统、液压部件和系统、真空系统等部分容易出现“跑冒滴漏”，设备排放的大量含有杂质、腐蚀性气体的废烟也会加重设备积灰。定期针对设备本体、真空泵组、熔炼电源系统、电气控制柜、管路、阀体等主要部位开展清理清扫，可及时发现并处理“跑冒滴漏”问题，降低出现气动阀体卡死、电气元件短路等由灰尘异物引发的设备故障风险。

（3）维修改善。针对清扫中发现的“跑冒滴漏”问题及其故障源进行维修，确保设备各系统状态完好；对设备及现场不合理、不规范的地方进行改善，提升工作效率和现场管理水平。

（4）可视化。针对设备冷却系统、真空系统、气动系统等与运行安全紧密相关的复杂系统完善管路流向、阀门状态、液位限位等设备标识；针对高压熔炼电源区、熔炼工位区、真空泵区等重点区域完善区域安全标识；针对设备状态、人员情况、TPM管理状态等方面完善设备管理可视化。

（5）设备档案。建立钛合金真空自耗熔炼设备档案，主要包括设备信息档案和运行维护档案两部分。设备信息档案应包括设备技术协议、设计变更记录、安装调试记录、验收记录等采购资料，总体装配图、机械液压电气循环水气动系统图、易损件加工图、易损件清单、设备说明书、维护保养指导书等出厂资料；设备运行维护档案应包括设备作业指导书、自主维护点检指导书、应急操作规范、标准维保手册、安全系统测试指导书等作业指导类文件，点检、维保、使用工时、改善记录表单等设备状态记录资料。

（6）日常维护。按照设备自主维护点检指导书进行每班/日/周/月/年等不同频率的点检工作，及时发现故障并立即解决；认真完成班前班后的一级保养、日常清扫工作，保证设备的清洁及其周边工作环境的整洁；定期进行设备的二、三级保养及预防性维护；按照既定的设备故障维修流程进行设备维修管理，提高现场的设备维护保障效率。

（7）备件管理。由于钛合金真空自耗熔炼设备备件种类多、规格多，部分易损备件通用性差，为了缩短维修周期，同时降低备件库存成本，科学、有效开展设备备件管理非常必要。建立设备备件清单，按照是否属于易损件、是否非标、采购或加工周期长短等要素将备件分类管理，将炉体密封圈、电缆水冷橡胶管等非标、易损、采购周期长的备件作为关键备件重点管理和监控。根据备件清单建立备件存放区，专人管理，对备件明确存量并按照排、架、层、位（四号点位原则）进行定置管理。

（8）状态跟踪。通过对设备工时记录、故障记录、维修保养记录、冷却水流量/温度/压力等设备基础数据的监测与收集，分析设备及重要部件的运行状态和规律，并结合设备排产实际，针对真空泵、电极杆动密封、气动挡板阀、冷却水管路等重要部位制定预防性检查、维保计划，降低由设备故障引起的经济损失和安全事故风险。

（9）持续改进。钛合金真空自耗熔炼设备的持续改进应重点围绕安全和效率两方面。如利用远程监控报警系统实现对设备循环水压力、温度、流量的监控和报警、利用实时测量气动卡头气压或微电阻等方式监测气动卡头与辅助电极杆间隙、增加双冗余电极杆触底限位等持续改进措施，有效提升设备的安全性，减低事故风险；通过增加扭矩扳手规范坩埚与底垫紧固螺栓扭紧作业、设计并采用铸锭装出炉专用工装等改进措施，有效提高人员作业效率。

3 工作效果

通过对钛合金真空自耗熔炼设备开展TPM管理工作，取得了积极的效果。一方面，显著改善了设备的管理指标。2018～2020年，设备年均故障率降低6.7%、设备年均故障停机率降低7%、年均维修费率降低12.4%。另一方面，有效提升了设备现场管理水平。设备达到“漆见本色铁见光”；现场物料和文件资料定制化管理；设备自动化和智能化水平不断提升；团队人员分工合理、合作高效；故障维修响应及时，预防性维护科学合理；生产效率和设备稳定性不断提升。

4 结语

针对钛合金真空自耗熔炼设备等重要设备开展TPM管理工作，具有较强的实操性和较高的企业价值。在具体实施过程中，要持续强化员工理念，培养员工自主学习和改善的意识、能力；不断总结阶段成果，让员工尝到“甜头”增强信心；以现场实际需求和问题为导向，选择适合的内容“为我所用”，简化流程、减少表单，通过信息化、自动化手段减少现场人员的工作量；建立适当的考核制度和激励手段，激发员工的主动性和创造性。只有将TPM管理理念与企业管理实际相结合，才能碰撞出火花，产生最大效益。