真空自耗電弧爐熔煉電壓故障處理

張利軍 薛祥義 白 鈺 劉 娣 李明生

西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司 西安市

1.故障現(xiàn)象

1t真空自耗電弧爐（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電弧爐）熔煉供電系統(tǒng)為兩個(gè)同等規(guī)格的整流柜，單個(gè)最大輸出DC 10000A，并聯(lián)方式供電，每個(gè)整流柜各承擔(dān)負(fù)荷的50%。熔煉工位為雙工作工位，兩個(gè)工位規(guī)格、穩(wěn)弧線圈均相同。熔煉電流6500A，熔煉電壓27～33V，穩(wěn)?。〝嚢瑁〢C 18A。

電弧爐熔煉生產(chǎn)某牌號(hào)鈦合金Φ360mm×1450mm（700kg）規(guī)格成品鑄錠時(shí)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)700kg鈦合金），在熔煉后期（自耗電極剩余200～100kg階段）熔煉電壓出現(xiàn)波動(dòng)（降低），同時(shí)爐內(nèi)真空異常波動(dòng)（爐腔內(nèi)部壓力升高），嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)跳閘，導(dǎo)致熔煉中斷。在電壓異常波動(dòng)時(shí)，觀察熔煉監(jiān)控視頻，發(fā)現(xiàn)熔池一側(cè)出現(xiàn)亮白色邊弧，對(duì)應(yīng)另一側(cè)熔池位置弧光減弱甚至消失，由白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色甚至暗紅色，此時(shí)自耗電極熔化速度明顯降低，但熔煉電流沒(méi)有發(fā)生明顯波動(dòng)。故障發(fā)生后，立即進(jìn)行人工干預(yù)，手動(dòng)調(diào)節(jié)壓低電極桿，即縮小熔池表面與自耗電極下端面之間電弧起弧距離，熔煉電弧逐漸恢復(fù)正常。

2.故障分析

（1）工藝參數(shù)制訂欠合理，穩(wěn)?。〝嚢瑁╇娏鬟^(guò)大，熔煉電流相對(duì)較小。在進(jìn)入最后階段時(shí)，由于熔煉熱量累積，熔池深度增加，此時(shí)熔池溶液在攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物增多、飛濺程度加大，導(dǎo)致熔池上部電極與坩堝壁出現(xiàn)瞬間短路放電，造成電壓異常波動(dòng)。此時(shí)爐內(nèi)真空度檢測(cè)輸出信號(hào)受到電壓波動(dòng)干擾，使顯示儀表輸出數(shù)值（曲線）出現(xiàn)異常波動(dòng)（實(shí)際爐內(nèi)真空度則未產(chǎn)生波動(dòng)）。

整個(gè)熔煉過(guò)程都是使用相同的穩(wěn)弧（攪拌）電流18A，如果（1）是故障原因，則應(yīng)該是在熔煉過(guò)程的中后期任意時(shí)刻都有可能出現(xiàn)。但統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)熔煉電壓異常波動(dòng)均是在同一位置，且波動(dòng)曲線也非常相似。熔煉電壓及真空度波動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生的邊弧每次都在熔池的同一側(cè)。如果是因熔池飛濺發(fā)生的短路放電現(xiàn)象，應(yīng)在熔池周邊的任意位置，而不是相對(duì)固定一側(cè)位置。如果真空度顯示儀表輸出數(shù)值（曲線）出現(xiàn)異常波動(dòng)是其檢測(cè)輸出信號(hào)受到熔煉電壓異常波動(dòng)干擾所致（而實(shí)際的爐內(nèi)真空度則未產(chǎn)生波動(dòng)），則真空度顯示儀表輸出數(shù)值（曲線）波動(dòng)應(yīng)無(wú)規(guī)律性。但實(shí)際情況是熔煉電壓出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，儀表顯示爐內(nèi)壓力均升高，同時(shí)熔煉電流等檢測(cè)輸出信號(hào)沒(méi)有受到電壓波動(dòng)干擾，因此可判定在熔煉電壓出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，爐內(nèi)真空度實(shí)際也發(fā)生了變化（爐壓升高），真空度檢測(cè)輸出信號(hào)并沒(méi)有受到電壓波動(dòng)干擾，而是真實(shí)反應(yīng)了爐內(nèi)真空度的變化情況。

在熔煉階段后期出現(xiàn)首次電壓、真空度異常波動(dòng)后，要求操作人員隨即將穩(wěn)弧（攪拌）電流由18A調(diào)到10A，但是同樣故障依然出現(xiàn)，據(jù)此，排除原因（1）。

（2）穩(wěn)弧線圈的上部存在缺陷或故障。每次熔煉過(guò)程中，當(dāng)熔煉電弧通過(guò)穩(wěn)弧線圈位置時(shí)，由于穩(wěn)弧線圈的缺陷或故障導(dǎo)致穩(wěn)弧磁場(chǎng)發(fā)生突然的異常改變，造成熔煉電壓異常波動(dòng)，真空度異常同（1）。

分別在東、西兩個(gè)工位（兩套穩(wěn)弧線圈）里進(jìn)行某牌號(hào)成品鑄錠的熔煉，均在熔煉階段后期出現(xiàn)了熔煉電壓、真空度異常波動(dòng)現(xiàn)象，但在該位置熔煉其他鑄錠時(shí)未發(fā)現(xiàn)熔煉電壓、真空度異常波動(dòng)，而且和（1）一樣，真空度異常波動(dòng)無(wú)法得到合理解釋?zhuān)栽撏茰y(cè)基本可以排除。

（3）主工作電源整流柜故障。以往一般熔煉時(shí)間相對(duì)較短（很少超過(guò)3h），目前某牌號(hào)成品熔煉時(shí)間約4h，由于工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得整流柜內(nèi)部熱量累積或其他原因致使后期出現(xiàn)工作異常，造成熔煉電壓異常波動(dòng)，真空度異常，原因同（1）。

兩臺(tái)整流柜并聯(lián)工作時(shí)（各自輸出電流3250A），在熔煉后期出現(xiàn)了熔煉電壓、真空度的異常波動(dòng)；采用1號(hào)整流柜單獨(dú)進(jìn)行某牌號(hào)成品鑄錠的熔煉，單臺(tái)整流柜單獨(dú)工作（單獨(dú)輸出電流6500A），在熔煉后期出現(xiàn)了熔煉電壓、真空度的異常波動(dòng)；采用2號(hào)整流柜單獨(dú)進(jìn)行某牌號(hào)成品鑄錠的熔煉，情況同1號(hào)柜。通過(guò)以上試驗(yàn)，基本可排除工作電源整流柜問(wèn)題，而且和（1）一樣，真空度異常波動(dòng)無(wú)法得到合理解釋。

（4）電極桿的某個(gè)部位存在缺陷（劃傷、變形或彎曲）。在熔煉過(guò)程中缺陷所在部位電極桿進(jìn)入動(dòng)密封過(guò)程中，造成密封效果變差，瞬時(shí)有少量空氣進(jìn)入爐腔內(nèi)，造成爐內(nèi)真空度波動(dòng)（爐內(nèi)壓力升高），同時(shí)由于自耗電極與坩堝壁之間瞬間增加了一定數(shù)量的空氣，該處導(dǎo)電性能增加，出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象，產(chǎn)生邊?。ㄍ瑫r(shí)發(fā)生電弧轉(zhuǎn)移現(xiàn)象），進(jìn)而使電壓異常波動(dòng)。

對(duì)所有該規(guī)格鈦合金成品鑄錠熔煉記錄曲線進(jìn)行了查閱、測(cè)量、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算與分析，確定其成品熔煉過(guò)程中，電極桿的全部位移在1000mm，測(cè)量記錄曲線后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，熔煉過(guò)程中熔煉電壓、真空度異常波動(dòng)，主要出現(xiàn)在電極桿位移至700～850mm，或850～1000mm。理論計(jì)算該位置曲線內(nèi)自耗電極質(zhì)量在200～100kg，與實(shí)際稱(chēng)重相吻合。由此推算出電極桿疑似存在缺陷的位置（自耗電極裝爐后、開(kāi)始熔煉前，該缺陷應(yīng)在動(dòng)密封以上700～850mm處）。在依據(jù)推算確定的電極桿缺陷相對(duì)位置，對(duì)前期生產(chǎn)的鋯合金Φ360mm×1050mm（700kg）規(guī)格成品鑄錠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)700kg鋯合金）的熔煉過(guò)程進(jìn)行了位移推算。該規(guī)格鋯合金鑄錠熔煉過(guò)程中電極桿疑似缺陷位置通過(guò)動(dòng)密封在0～200mm或200～400mm的行程范圍內(nèi)。依據(jù)推算結(jié)果在相應(yīng)的熔煉曲線上找到了真空異常波動(dòng)（爐內(nèi)壓力升高）的記錄，與推算的位置基本吻合。

通過(guò)以上驗(yàn)證分析得出，電極桿缺陷是造成700kg鈦合金成品鑄錠熔煉后期真空度、電壓異常波動(dòng)的原因。

當(dāng)電極桿存在缺陷位置通過(guò)動(dòng)密封時(shí)，造成密封效果變差，瞬時(shí)有少量空氣進(jìn)入爐腔內(nèi)，爐內(nèi)真空度產(chǎn)生波動(dòng)（爐內(nèi)壓力升高）。瞬時(shí)進(jìn)入爐內(nèi)的空氣在擴(kuò)散過(guò)程中進(jìn)入自耗電極與坩堝之間的間隙，空氣擴(kuò)散至正常熔煉電弧附近時(shí)，正常電弧邊緣由于空氣離子的存在導(dǎo)電性增加（阻抗降低），熔煉電流則選擇空氣密度較高、阻抗較低的區(qū)域通過(guò)，進(jìn)而在該區(qū)域產(chǎn)生邊弧及輝光放電現(xiàn)象。同時(shí)，熔池的另外一側(cè)由于熔煉電流的偏移而導(dǎo)致電弧縮小甚至消失，此時(shí)便出現(xiàn)電壓異常波動(dòng)（降低）。發(fā)生上述邊弧現(xiàn)象后，手動(dòng)調(diào)節(jié)縮短弧距使得其自耗電極下端與熔池表面間的阻抗降低，重新使熔煉電流在該區(qū)域擇優(yōu)通過(guò)，熔煉逐漸恢復(fù)正常。從監(jiān)控視頻可以看到，每次發(fā)生邊弧的位置基本固定，這是由于電極桿缺陷位置固定，每次從該側(cè)進(jìn)入空氣后，在其對(duì)應(yīng)的一側(cè)熔池發(fā)生邊弧。

由于700kg鈦合金鑄錠出現(xiàn)真空度（爐壓升高）、熔煉電壓異常波動(dòng)，而700kg鋯合金熔煉只出現(xiàn)真空度波動(dòng)，熔煉電壓沒(méi)有明顯波動(dòng)。通過(guò)計(jì)算可知，鈦合金鑄錠在熔煉過(guò)程中出現(xiàn)真空度與電壓異常波動(dòng)時(shí)，熔煉電弧區(qū)距動(dòng)密封與電極桿疑似缺陷泄漏點(diǎn)距離約1000mm，而同樣情況，鋯合金鑄錠是1950mm。由于后者距離明顯大于前者，在空氣進(jìn)入爐內(nèi)后由于擴(kuò)散，在接近后者的熔煉電弧區(qū)域時(shí)，已經(jīng)達(dá)不到臨界導(dǎo)電的密度，因此未發(fā)生明顯的電壓異常現(xiàn)象，但是爐內(nèi)真空度產(chǎn)生了明顯波動(dòng)（爐壓升高）。同時(shí)因該牌號(hào)鈦合金錠型小、上部空間大以及相對(duì)波動(dòng)小，真空度波動(dòng)程度相對(duì)要弱?？諣t在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯真空異常，同樣是空間大，泄漏空氣進(jìn)入后產(chǎn)生的影響小。

3.處理措施

拆下修復(fù)或更換電極桿。將拆卸下來(lái)的電極桿進(jìn)行缺陷區(qū)域表面熱噴涂，然后按照?qǐng)D紙要求重新進(jìn)行精密機(jī)械加工。