電弧爐斷電極分析檢測(cè)與自動(dòng)處理

劉仕良 朱興發(fā) 唐 琳

(蘇州振吳電爐有限公司 江蘇蘇州215128)

1 概述

近年來(lái)，隨著電弧爐煉鋼向大型化、超高功率、直流化方向發(fā)展，石墨電極質(zhì)量也不斷提高，規(guī)格尺寸不斷加大，其制作技術(shù)已成為影響電爐煉鋼關(guān)鍵技術(shù)之一。在煉鋼過(guò)程中石墨電極的正常使用是電爐煉鋼穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要保證，也是節(jié)約煉鋼成本的重要措施之一。特別是近幾年，隨著鋼企效益日趨下降，分析電弧爐電極折斷的原因，自動(dòng)檢測(cè)并進(jìn)行相應(yīng)的處理顯得尤為重要。

2 電弧爐斷電極原因分析

電弧爐生產(chǎn)過(guò)程中，常因爐料、設(shè)備、操作及電極本身質(zhì)量問(wèn)題，或以上因素的交互影響而導(dǎo)致電極折斷。此外，由于白班與晚班的電費(fèi)差異，很多鋼廠為了節(jié)省生產(chǎn)成本，往往選擇在電費(fèi)較低的半夜進(jìn)行生產(chǎn)，操作工人長(zhǎng)時(shí)間上夜班也會(huì)因?yàn)槠＞攵韬龃笠?，?dǎo)致折斷電極。本文根據(jù)電弧爐冶煉過(guò)程中的內(nèi)外影響因素，將電極折斷的主要原因歸納如下。

2.1 操作原因

在電弧爐冶煉時(shí)，特別是熔煉初期，電弧爐三根電極下面會(huì)形成三個(gè)熱井，此時(shí)爐內(nèi)廢鋼形成架橋結(jié)構(gòu)。隨著熔煉的進(jìn)行，廢鋼會(huì)突然向熱井中間塌料，對(duì)電極產(chǎn)生較大的側(cè)向撞擊力，電極很容易在夾持點(diǎn)附件或在連接螺紋處產(chǎn)生斷裂。

2.2 共振原因

交流電弧爐每一相都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，都受到電磁力的作用，該電磁力的大小與電極電流、三相電極之間的距離以及短網(wǎng)的設(shè)計(jì)都有一定的關(guān)系。三相電極之間的電磁力以電極夾持器為支點(diǎn)產(chǎn)生力矩或相吸引或相排斥。因而在煉鋼過(guò)程中當(dāng)某相電極磁場(chǎng)力頻率與該相的立柱上下往復(fù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率接近或同步時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致電極折斷。

2.3 電極下方有不導(dǎo)電物體

在電極驅(qū)動(dòng)下降過(guò)程中，當(dāng)電極下端接觸到不導(dǎo)電物體后，電極調(diào)節(jié)器不能準(zhǔn)確判斷電極已觸到不導(dǎo)電物，根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制原理，電極仍會(huì)繼續(xù)下降，導(dǎo)致電極與廢鋼縱向擠壓折斷。因此爐料的好壞不僅會(huì)影響電弧爐金屬收得率，同時(shí)也直接關(guān)系到電弧爐熔煉過(guò)程中電極的運(yùn)行安全，爐料問(wèn)題導(dǎo)致折斷電極主要表現(xiàn)為兩方面:①爐料表面黏附有大量耐火材料、泥沙等不導(dǎo)電物;②起弧料為鉻鐵等導(dǎo)電性較差的物料，也會(huì)增加起弧時(shí)折斷電極的幾率。

2.4 電氣控制系統(tǒng)原因

電氣控制系統(tǒng)原因造成的故障通常表現(xiàn)為一定的重復(fù)性和必然性，對(duì)電極運(yùn)行安全威脅最大，其主要表現(xiàn)為:

1)檢測(cè)信號(hào)接反:正常情況下，電弧爐三相電極各自都有對(duì)應(yīng)的弧流傳感器、弧壓傳感器信號(hào)以及相互獨(dú)立的接地信號(hào)檢測(cè)反饋，若將其中任意兩相檢測(cè)信號(hào)接反，電爐在冶煉過(guò)程中，調(diào)節(jié)器就無(wú)法正常檢測(cè)信號(hào)并做出正確的反饋，因此導(dǎo)致控制系統(tǒng)錯(cuò)亂，從而折斷電極。

2)相序接反:正常情況下，電極旋緊方向應(yīng)與電極工作時(shí)電磁力方向一致，若在調(diào)試或檢修期間不慎將相序接反，極易導(dǎo)致電極在冶煉過(guò)程中從接頭處松脫。電極松脫后極易導(dǎo)致電極接頭處間隙加大，電阻加大，進(jìn)而導(dǎo)致電極發(fā)熱、發(fā)紅，氧化加速并最終導(dǎo)致電極下段脫落。

2.5 電極質(zhì)量不佳

電極本身質(zhì)量問(wèn)題主要表現(xiàn)為電極接頭螺紋有質(zhì)量缺陷或電極體積密度或強(qiáng)度不夠。電極接頭在電極煉鋼時(shí)起著關(guān)鍵的作用，接頭連接區(qū)是電、熱、機(jī)械載荷較大且復(fù)雜的部位，也是電極最容易折斷的部位，因此電極接頭質(zhì)量好壞是電極質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

3 電弧爐斷電極自動(dòng)檢測(cè)

從上面的分析可知電弧爐生產(chǎn)過(guò)程中，由于多方面的原因會(huì)發(fā)生電極折斷事故，而如果電極折斷后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)重新更換電極，至少會(huì)產(chǎn)生以下三方面的后果:①造成電弧爐間歇性停爐，而影響其生產(chǎn)效率及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織工作;②折斷的電極長(zhǎng)時(shí)間浸泡在鋼水中會(huì)增加電弧爐鋼水含碳量，進(jìn)而導(dǎo)致鋼水質(zhì)量不合格;③更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致高壓短路跳閘或損壞電弧爐機(jī)械設(shè)備。

因此提出一種電弧爐斷電極實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測(cè)控制裝置，其目的旨在克服斷電極時(shí)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)電極折斷情況、自動(dòng)提升電極升降裝置、切斷高壓電源并發(fā)出聲、色、光三種報(bào)警信號(hào)提醒操作者。

圖1 電弧爐實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測(cè)控制電氣原理圖

電弧爐實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測(cè)控制電氣原理如圖 1 所示。圖中A、B、C 分別代表三相電極;TA1、TA2、TA3 分別為三相交流電流互感器;KC1、KC2、KC3 為三相過(guò)電流保護(hù)繼電器;PA1、PA2、PA3 為三只交流電流表;R1、R2、R3 為保護(hù)電阻;AC1、AC2、AC3 為三只電流變送器;PV1、PV2、PV3 為三只交流電壓表;AV1、AV2、AV3 為三只電壓變送器;LQ1、LQ2、LQ3 為三相液壓壓力變送器。圖2 為圖1 中各主要電氣元件之間的關(guān)系示意圖。

圖2 各主要電氣元件之間的關(guān)系示意圖

圖3 電弧爐斷電極實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測(cè)控制流程

電弧爐在正常煉鋼過(guò)程中A、B、C 三相的電流、電壓以及液壓系統(tǒng)壓力通常會(huì)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值附近波動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)較大的差異。假設(shè)電流穩(wěn)定值為I1、電壓穩(wěn)定值為V1，因此液壓站上三相的液壓系統(tǒng)壓力也基本穩(wěn)定在某個(gè)值，假設(shè)液壓穩(wěn)定值為Q1。

當(dāng)出現(xiàn)某相斷電極時(shí)，該相電流立刻變成0(假設(shè)為I2)，同時(shí)該相電壓會(huì)馬上變大，接近變壓器檔位輸出電壓(假設(shè)為V2)，此外由于斷電極后，電弧爐自動(dòng)進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，電極會(huì)自動(dòng)下降很長(zhǎng)一段距離，而此時(shí)該相的液壓系統(tǒng)壓力值很低(假設(shè)為Q2)。因此如果同時(shí)檢測(cè)到某相電流I2變成0，電壓V2 接近變壓器二次檔位電壓，且電極升降缸液壓系統(tǒng)壓力Q2 比正常值Q1 偏小很多，且時(shí)間超過(guò)2s 以上，則認(rèn)為該相電極折斷了。其診斷邏輯關(guān)系如圖3 所示。

4 自動(dòng)處理

如果該裝置判斷某相斷電極了，則會(huì)發(fā)出信號(hào)給電氣系統(tǒng)自動(dòng)切斷高壓電源，并提升三相電極，發(fā)出聲色光三種信號(hào)報(bào)警。

5 應(yīng)用實(shí)例

以下為我公司為國(guó)內(nèi)某一客戶設(shè)計(jì)的一臺(tái)30t 電弧爐(配變壓器為18000KVA，二次額定電壓為320V)。電弧爐在正常煉鋼過(guò)程中A、B、C三相的電流通常會(huì)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值32000A 附近波動(dòng);由于變壓器本身阻抗、短網(wǎng)感抗等會(huì)產(chǎn)生一定壓降，因此A、B、C 三相的電壓一般為280 ～300V 左右;液壓系統(tǒng)壓力一般在6. 5MPa 左右(不同爐子會(huì)有一定差異，通常是相對(duì)穩(wěn)定值)。電弧爐在正常煉鋼過(guò)程中，PLC 會(huì)通過(guò)交流電流互感器TA1 ～TA3 以及電流變送器AC1 ～AC3 實(shí)時(shí)檢測(cè)A、B、C 三相電極電流值;同時(shí)通過(guò)電壓變送器AV1 ～AV3 檢測(cè)A、B、C 三相電極電壓值;通過(guò)液壓壓力變送器LQ1 ～LQ3 檢測(cè)A、B、C 三相電極升降液壓缸的液壓壓力值。

當(dāng)這三個(gè)數(shù)值在上述穩(wěn)定值附近正常波動(dòng)時(shí)，PLC 便在其內(nèi)部進(jìn)行PID 運(yùn)算，其輸出結(jié)果用于控制A、B、C 三相比例閥，微調(diào)電極升降，使電弧爐達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

當(dāng)某相發(fā)生電極折斷時(shí)，為了方便敘述，假設(shè)A 相電極被折斷。此時(shí)就會(huì)出現(xiàn):①A 相電流會(huì)立刻變成0;②由于電流變成0，變壓器本身阻抗、短網(wǎng)感抗等就不會(huì)再產(chǎn)生壓降，因此A 相電壓就會(huì)升高至變壓器檔位電壓320V;③由于電極被折斷，因此電極再往下降時(shí)，被折斷電極的下面沒(méi)有阻力，液壓缸只受導(dǎo)電橫臂自重作用，液壓壓力會(huì)由6.5MPa 降至一個(gè)較小數(shù)值。倘若這三種情況同時(shí)出現(xiàn)，且出現(xiàn)時(shí)間持續(xù)在2 秒以上，則會(huì)判斷電極折斷了，并且立刻發(fā)出信號(hào)給電氣系統(tǒng)自動(dòng)切斷高壓電源，并提升三相電極，發(fā)出聲色光三種信號(hào)報(bào)警。目前該套控制系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行三年以上，得到了客戶的好評(píng)。

6 結(jié)語(yǔ)

所提出的電弧爐斷電極實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測(cè)控制裝置及控制方法解決了電弧爐斷電極后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。其主要優(yōu)點(diǎn):①投資很少，只需增加三套電壓互感器、電流互感器、液壓壓力變送器及部分PLC 模塊;②可以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)到電弧爐煉鋼過(guò)程的斷電極情況;③檢測(cè)到斷電極后能自動(dòng)切斷高壓、自動(dòng)提升三相電極、發(fā)出報(bào)警提醒操作者，從而不會(huì)因?yàn)閿嚯姌O而造成設(shè)備損壞。

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