90 MV·A磷爐電極把持器故障分析及處理

余思民

（云南天安化工有限公司 云南安寧）

一、黃磷爐電極把持器

公司從俄羅斯引進(jìn)兩臺(tái)90 MV·A黃磷生產(chǎn)電爐，單臺(tái)年產(chǎn)3萬t黃磷。電極把持器（圖1）是黃磷爐電極系統(tǒng)的核心部件，作用是夾持、升降和壓放自焙電極，同時(shí)夾緊導(dǎo)電銅瓦貼緊電極殼，將強(qiáng)大的電流通過導(dǎo)電銅瓦傳遞給電極完成磷礦熔煉。自焙電極自重＞35 t，電極直徑1 700 mm、殼體冷軋鋼板厚度3.2 mm，內(nèi)壁縱向焊有18條肋板，電極保護(hù)套以上區(qū)間是空殼，保護(hù)套區(qū)間是電極焙燒區(qū)，出保護(hù)套區(qū)間是焙燒好的電極。電極上下夾持環(huán)各安裝固定8組夾持油缸，油缸參數(shù)：工作油壓4.9 MPa、活塞直徑320 mm，每組油缸內(nèi)裝9只對(duì)合組合碟形彈簧尺寸Φ300 mm×Φ128 mm×18 mm，壓平變形量6 mm。上下環(huán)夾持油缸和夾持顎板圓周分布見圖2，當(dāng)壓放電極時(shí)，上環(huán)夾持油缸通入4.9 MPa油壓打開上環(huán)夾持顎板，下環(huán)夾持油缸夾持電極，將電極壓放油缸升到高位后，上環(huán)夾持油缸卸除油壓恢復(fù)電極夾持，然后下環(huán)夾持油缸通入4.9 MPa油壓打開下環(huán)夾持顎板，電極壓放油缸下壓完成電極壓放，若電極壓放量不夠重復(fù)上述過程。不壓放電極時(shí)，自焙電極由上下環(huán)夾持油缸同時(shí)夾持電極，把持器升降油缸完成整個(gè)把持器（包括電極）的升降操作。

工作環(huán)境受磷煙氣、爐料輻射熱（＞250℃）、電極電流所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)或渦流影響，在生產(chǎn)過程中，電極把持器要能保證將電流導(dǎo)向電極的同時(shí)并能夾住自焙電極不滑落、不變形。當(dāng)電極壓放時(shí)在電極殼與銅瓦之間又能產(chǎn)生均勻滑動(dòng)，不會(huì)因過松產(chǎn)生打弧燒穿電極殼和銅瓦。

圖1 電極把持器結(jié)構(gòu)

圖2 上下夾持環(huán)油缸分布示意

二、存在問題及分析

設(shè)備安裝時(shí)，因把持器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，未理解掌握其關(guān)鍵數(shù)據(jù)，2011年前檢修調(diào)試電極把持器時(shí)往往以檢修拆卸時(shí)測(cè)定的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。電極把持器在磷爐生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)電極下滑和電極殼變形的重大事故，給生產(chǎn)造成很大損失。

1.電極下滑

2#磷爐3#電極發(fā)生下滑事故。停產(chǎn)檢修時(shí)，上下環(huán)夾持油缸通入4.9 MPa油壓，檢測(cè)夾持顎板與直徑1700 mm基準(zhǔn)電極殼之間的間隙值見表1。從表1可以看出，夾持顎板與電極殼之間的間隙較大，夾持力不夠?qū)е码姌O下滑。

表1 夾持顎板與基準(zhǔn)電極殼間隙測(cè)量值 mm

（1）電極受力分析（圖3）及電極不下滑條件。P1和P2分別為電極上下環(huán)夾持油缸夾持力，P3為導(dǎo)電顎板產(chǎn)生的夾持力（很小，可忽略不計(jì)），f1、f2、f3為對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的摩擦力。不壓放電極時(shí)，電極夾持力為 P1、P2、P3；壓放電極時(shí)，電極夾持力為P1和P3或P2和P3。圖3中一段為空電極殼，二段為熔融態(tài)的電極，三段為焙燒好的電極。分析圖2、圖3可知，電極不下滑必須滿足上環(huán)夾持油缸夾持電極時(shí)產(chǎn)生的摩擦力之和8f1要大于等于自焙電極自重G（35000 kg），或下環(huán)夾持油缸夾持電極時(shí)產(chǎn)生的摩擦力之和8f2要大于等于自焙電極自重G，即8f1=8f2≥G。

圖3 電極受力分析

（2）電極夾持力計(jì)算。上下環(huán)夾持油缸推動(dòng)油缸內(nèi)碟簧產(chǎn)生位移變形而產(chǎn)生夾持力，碟簧是在不壓放電極（油缸不施加油壓）和壓放電極（油缸施加4.9 MPa油壓）之間循環(huán)工作。為便于分析問題，先計(jì)算各種工況時(shí)的電極夾持力。

①不壓放電極時(shí)電極夾持力。不壓放電極時(shí)，油缸不施加油壓，上下環(huán)夾持油缸同時(shí)夾持電極。夾持油缸內(nèi)碟簧的載荷P1、P2就是電極受到的正壓力N，即N=P1=P2。根據(jù)摩擦力計(jì)算公式f=ζN，查手冊(cè)得摩擦系數(shù) ζ=0.15、f=f1=f2，將 8f1=8f2≥G 代入 f=ζN計(jì)算，N=291 667 N。

②壓放電極時(shí)電極夾持力。壓放電極時(shí)，上下環(huán)夾持油缸分別通入4.9 MPa油壓打開夾持顎板，通過電極壓放油缸升降電極。此時(shí)，電極的夾持力P1＇、P2＇即夾持油缸內(nèi)蝶簧受到的載荷。根據(jù)壓力計(jì)算公式F=P×S（F——碟簧載荷，N；P——油壓壓強(qiáng)，MPa；S——油缸活塞面積，mm），取值P=4.9 MPa、夾持油缸活塞直徑D=320 mm，數(shù)據(jù)代入計(jì)算得F=393 882 N，即 F=P1＇=P2＇=393 882 N。

（3）電極夾持顎板與電極間隙計(jì)算。運(yùn)用碟簧壓平時(shí)的載荷計(jì)算公式，建立電極夾持力與碟簧壓縮量之間的關(guān)系，從而求證電極夾持顎板與電極間的間隙。首先計(jì)算查用單片碟簧特性曲線（圖4）的相關(guān)條件。

①簧壓平時(shí)的載荷。

圖4 單片碟簧特性曲線

式中 Pe——碟簧壓平時(shí)的載荷計(jì)算值，N

E——彈性模量，MPa

μ——泊松比

t——碟簧厚度，mm

h0——碟簧壓縮量，mm

D——碟簧外徑，mm

K1、K4——計(jì)算系數(shù)

K1=1/π×[（C-1）/C]2/{[（C+1）/（C-1）]-2/lnC}，其中C=D/d，為直徑比。代入 D=300 mm、d=128 mm，計(jì)算 K1=0.746。公式（1）取值 K4=1、t=18 mm、μ=0.3、E=2.06 ×105N/mm2、h0=6 mm、K1=0.746，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Pe=471 944 N。

②特性曲線比值。根據(jù)前文計(jì)算，不壓放電極時(shí)碟簧的載荷P1=P2=291 667 N，壓放電極時(shí)碟簧的載荷 P1＇=P2＇=393 882 N。則不同工況時(shí)碟簧載荷的比值為P1/Pe=0.618，P1＇/Pe=0.8346。由已知條件，碟環(huán)壓平時(shí)單片壓縮量h0=6 mm、碟環(huán)厚度t=18 mm，則 h0/t=0.333。

③電極夾持顎板與電極間隙。根據(jù)P1/Pe、P1＇/Pe、h0/t比值數(shù)據(jù)查單片碟簧特性曲線，得到f1/h0=0.62，f1＇/h0=0.81，代入h0=6 mm，計(jì)算得到不壓放電極時(shí)單片碟簧的壓縮量f1=3.78 mm，壓放電極時(shí)單片碟簧的壓縮量f1＇=4.86 mm。每組夾持器油缸由9片碟簧對(duì)合組合而成，根據(jù)對(duì)合組合特性得到：

式中 hn——碟簧對(duì)合組合時(shí)的壓縮量，mm

n——碟簧數(shù)量

f——單片碟簧變形量，mm

將f1=3.78 mm、n=9代入（2）式，計(jì)算得到9片碟簧對(duì)合組合時(shí)的壓縮量h1=34 mm。結(jié)果表明在夾持油缸沒有通入油壓時(shí)碟簧組合的變形量必須大于等于34mm，夾持顎板在夾緊位置時(shí)電極才不會(huì)下滑。將f1＇=4.86 mm 代入（2）式，計(jì)算得到9片碟簧對(duì)合組合時(shí)的壓縮量 h1＇=43.7 mm。結(jié)果表明在夾持油缸通入4.9 MPa油壓時(shí)碟簧組合的變形量達(dá)到43.7 mm，夾持顎板才能松開電極。

油缸通入4.9 MPa油壓時(shí)碟簧組合的變形量減去夾緊電極時(shí)碟簧組合的變形量，即43.7-34=9.7 mm，也就是夾持油缸通入4.9 MPa油壓時(shí)夾持顎板與基準(zhǔn)電極殼的間隙要＜9.7 mm電極才不會(huì)下滑。從表1數(shù)據(jù)可以看出，8組夾持顎板與基準(zhǔn)電極殼間隙值均＞9.7 mm，即夾持顎板沒有夾緊電極導(dǎo)致電極下滑事故發(fā)生。

2.電極殼變形

2#磷爐2#電極運(yùn)行中位于保護(hù)套上端部（在空殼段）的電極殼出現(xiàn)凹曲變形。停爐檢修時(shí)油缸通入4.9 MPa油壓，測(cè)量上（下）環(huán)夾持顎板與基準(zhǔn)電極殼的間隙值（表2）。初步分析電極殼變形情況，磷爐運(yùn)行時(shí)由上下夾持環(huán)各8組夾持油缸通過夾持顎板環(huán)抱電極殼夾持電極，電極殼變形可能原因：①電極殼受到夾持油缸施加的側(cè)向均布外力過大失穩(wěn)變形；②夾持油缸施加非均布外力產(chǎn)生彎曲變形。

從表2上（下）環(huán)間隙值可以看出，上環(huán)間隙最大與最小偏差7 mm，下環(huán)間隙最大與最小偏差8 mm，偏差值較大。根據(jù)碟簧性能分析，各組油缸內(nèi)組合碟簧的壓縮量不同，作用在電極上的夾持力也就不同。由前文計(jì)算可知，夾持油缸通入4.9 MPa油壓時(shí)碟簧組合的壓縮量為43.7 mm、夾持顎板與基準(zhǔn)電極殼的間隙值要＜9.7 mm電極才不會(huì)下滑，此時(shí)作用在電極上的夾持力最大是393 882 N。從測(cè)出的已知間隙值條件計(jì)算出單片碟簧壓縮量h0和夾持力P1、P2（表2），可定性判斷電極殼變形原因。8組上環(huán)夾持油缸傳遞的夾持力P1最大值與最小值相差61 352 N、8組下環(huán)夾持油缸傳遞的夾持力P2最大值與最小值相差70 005 N，夾持顎板夾持力很不平衡，可認(rèn)為電極殼受到的夾持力已不是均布外力。因此排除側(cè)向均布外力過大失穩(wěn)變形的可能，剩下的一種變形就是非均布外力造成的彎曲變形，從變形形狀看也符合擠壓彎曲變形的特征。

三、處理措施

（1）間隙調(diào)整前，向夾持油缸通入4.9 MPa油壓，檢查碟簧壓縮量是否相等，若不相等就更換碟簧，確保碟簧的彈力相等。

表2 電極殼變形時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量值

（2）在夾持油缸通入4.9 MPa油壓條件下，上下環(huán)各8組夾持顎板與基準(zhǔn)電極殼之間的間隙均調(diào)整到9±0.5 mm，保證夾持力均衡且均布，電極不下滑、不變形。

2011年初磷爐大檢修時(shí)，按上述方法檢修調(diào)整電極把持器夾持油缸顎板間隙。通過近3年生產(chǎn)實(shí)踐，電極下滑和電極殼變形故障消除。這表明公司工程技術(shù)人員對(duì)電極下滑和電極殼變形的故障原因分析判斷準(zhǔn)確、調(diào)整方法合理，已掌握國外進(jìn)口大型磷爐電極把持器檢修的核心技術(shù)。