精煉爐電極損耗分析與對策

□黃飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠上海200245

精煉爐電極損耗分析與對策

□黃飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠上海200245

介紹了精煉爐的功能，對幾種常見的精煉爐電極異常損耗現(xiàn)象進行了分析，并提出預(yù)防措施。在分析中引入電極正常損耗計算模型和相關(guān)參數(shù)，論述了電極損耗的計算方法，為降低精煉爐生產(chǎn)中的電極損耗提供了參考。

1 精煉爐功能

隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，鍛件和鋼錠的質(zhì)量要求越來越高。對于重機行業(yè)而言，爐外精煉是煉鋼工藝中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。由于采用爐外精煉能提高電弧爐的生產(chǎn)能力，減小耐火材料和能源消耗，提高鋼液中鐵合金的收得率，配合真空抽取進行真空處理還可以提高鋼水質(zhì)量，因此爐外精煉工藝已經(jīng)成為當(dāng)今鋼鐵冶金發(fā)展的方向[1]。

精煉爐主要的冶金功能有三方面。

（1）埋弧造渣和控制溫度。精煉爐通過三根石墨電極對鋼液進行加熱升溫，氧化鋼水從電爐進入精煉爐工位后，加入石灰和適量的電石粉、硅鈣粉等脫氧劑，然后埋弧加熱。

在加熱過程中，石墨電極中的碳和鋼液中的氧化物生成一氧化碳，進一步增強了還原性氛圍，減少空氣中的氧進入鋼水。由于采用泡沫渣埋弧技術(shù)，一方面減小了電弧的輻射損失，提高了10%～15%的電能利用率，另一方面可精確控制溫度，使終點溫度的精度被控制在5℃以內(nèi)[2]。

（2）白渣精煉。精煉爐利用白渣進行鋼水精煉，實現(xiàn)鋼液的脫硫、脫氧。白渣指用電極粉和硅鈣粉為還原劑進行擴散脫氧時形成的渣，渣中氧化亞鐵含量小于1%。

脫硫反應(yīng)式[3]為：

脫氧反應(yīng)式為：

式中：（）表示爐渣中組元；（g）表示氣態(tài)。

由于脫氧反應(yīng)生成的一氧化碳?xì)怏w逸出鋼包，因此可以保證脫硫反應(yīng)順利進行。此外，白渣對鋼液中金屬氧化物的夾雜吸附性很強，因此白渣精煉能有效減少鋼液中的氧、硫及夾雜物。

（3）氬氣攪拌和合金窄成分控制。氬氣攪拌作為精煉爐的核心功能，貫穿于整個精煉過程。一方面，氬氣攪拌能快速均衡鋼水溫度和合金成分，實現(xiàn)對高要求鋼種的窄成分控制；另一方面，氬氣攪拌增大了自身和鋼渣的接觸界面，促進脫氧、脫硫反應(yīng)的進行和夾雜物的去除[4]。

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

上重冶鑄廠2015年度冶煉鋼水量約為6萬t，其中進入精煉爐的鋼水約4.3萬t，占鋼水冶煉總量的70%以上。隨著重機行業(yè)產(chǎn)品要求的不斷提高，進入精煉爐處理的鋼水量將繼續(xù)增加。120 t精煉爐，其操作成本除合金外，主要由耐火材料、電極、電能、氬氣等的消耗構(gòu)成。2015年度精煉爐成本中各消耗所占百分比見表1，由表1可見，電極損耗約占總成本消耗的1/5，居于第二位，所以降低120 t精煉爐的電極損耗對于節(jié)約成本有重要意義。同時，2015年精煉爐電極損耗為每噸鋼2.2 kg，尚有較大降低損耗的空間。目前對于如何降低精煉爐電極損耗，上重冶鑄廠主要還是集中在提醒操作注意、防止斷電極等方面。然而引起電極損耗的原因遠(yuǎn)不止于此，掌握電極折斷的原因，了解電極損耗的機理與相關(guān)參數(shù)是很有必要的。精煉爐由于冶煉環(huán)境的獨特性，其電極損耗與普通電爐電極損耗有一定區(qū)別，筆者對120 t精煉爐電極折斷的原因進行分析，并介紹電極損耗的機理與常用的電極損耗計算式，對在實際生產(chǎn)中降低精煉爐的電極損耗具有現(xiàn)實意義。

表1 2015年度120 t精煉爐成本中各消耗所占百分比

3 精煉爐電極損耗分析

精煉爐電極耗損可分為正常損耗和異常損耗，正常損耗包括側(cè)面損耗和尖端損耗，異常損耗表現(xiàn)為電極在進廠運輸、行車吊運時電極接口處脫落和精煉過程中電極折斷等。電極的正常損耗與多方面因素有關(guān)，如精煉時間、爐渣情況、電流電壓、爐內(nèi)還原氛圍、合金加入量與時機等[5]，因此，分析電極正常損耗的影響因素，同時預(yù)防電極折斷，是減小精煉爐電極損耗的重點。

3.1 異常損耗

電極折斷一般發(fā)生在電極接頭螺紋處或接口最高處，常見的電極斷裂形式[6]如圖1所示，圖1中從左至右依次為螺紋孔斷裂、接頭斷裂、脫落、橫裂、縱裂和本體脫落。電極折斷的原因包括操作、電氣控制系統(tǒng)、設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)等。

圖1 常見的電極斷裂形式

3.1.1 操作原因

操作原因主要有兩個方面。一是鋼水剛進入工位時，加入石灰、螢石等輔料過于集中，速度過快，從而導(dǎo)致電極下方渣料堆積導(dǎo)電不良，進而折斷電極。二是操作中為了盲目趕冶煉進度，不待渣子完全化開就將合金大批量加入，進而引起電極斷裂，此種情況主要發(fā)生在精煉高合金鋼時，原因是加入的鉻鐵等合金導(dǎo)電性較差，增大了起弧階段電極斷裂的概率。

3.1.2 電氣控制系統(tǒng)原因

如果一段時間內(nèi)電極斷裂部位呈現(xiàn)重復(fù)性，則很可能是電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

（1）精煉爐電極夾臂的共振作用。交流精煉爐在通電過程中，電磁力會作用于每一相電極，電磁力正比于通過電極的相電流，與電極間的距離成反比[7]。在精煉過程中，三相電極會在電磁力的作用下產(chǎn)生振動，特別是在加入合金后通大電流時，電磁力會達到極大值，振動會更加激烈。此時若電極立柱的固有頻率與電磁力的頻率相近，就會產(chǎn)生共振。當(dāng)外作用力超過電極本身的強度時，會引起電極在強度最薄弱的接口處斷裂，這也是精煉爐在加入合金后一般要小電流操作一段時間的原因。

（2）三相接地信號接錯。精煉爐三相電極中各相接地信號在正常情況下是檢測反饋，如果在設(shè)備調(diào)試維護階段不慎將任意兩相信號接反，就會發(fā)生先接觸鋼水的電極不能及時收到反饋信號而導(dǎo)致電極無法脫離鋼液面的情況，會引起電壓巨大變化，進而引起電流巨大變化，前述共振作用也會變得相當(dāng)劇烈，從而引起電極斷裂。

3.1.3 設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)原因

設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)原因一般包括精煉爐使用時間過長、部件出現(xiàn)變形或偏差等。

（1）電極調(diào)節(jié)液壓驅(qū)動缸桿件變形。當(dāng)驅(qū)動缸桿件變形時，會引起機構(gòu)的制動力或系統(tǒng)延時因數(shù)變化，導(dǎo)致電極執(zhí)行機構(gòu)的動作和響應(yīng)速度延遲，在生產(chǎn)中表現(xiàn)為正常通電時三相電極的電流不穩(wěn)定、波動幅度大且不平衡。

（2）電極與小爐蓋間隙過小。電極與小爐蓋間隙過小，精煉過程中電極下降會與小爐蓋接觸，進而使電極折斷。

（3）電極立柱間隙問題。電極立柱間隙主要影響電極的調(diào)節(jié)靈敏度，間隙過大，容易造成電極因起弧瞬間不正常晃動而折斷；間隙過小，則會使電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏，在生產(chǎn)中表現(xiàn)為通過料斗加合金或渣料時電極不能及時升起，進而折斷。

3.2 正常損耗

電極的正常耗損參考Bowman在1982年提出的計算公式，主要考慮電極的尖端損耗和側(cè)面損耗。

3.2.1 尖端損耗

尖端損耗指由于精煉時高溫使電極尖端石墨發(fā)生升華，因尖端橫向溫差產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起開裂，以及由鋼液、爐渣的機械沖刷侵蝕造成的損耗。影響尖端損耗的主要因素為尖端電弧的電壓、電流及尖端形狀[8]，可以用式（3）表示[9]：

式中：Ct為電極尖端損耗，kg/t；A為與電弧電壓、爐渣等相關(guān)的參數(shù),kg/（A2·h），一般取0～1；I為通過單根電極的電流，kA；Ton為精煉爐通電時間，h；m為鋼水質(zhì)量，t。

由式（3）可知，在給定電壓下，采用小電流可以顯著減小電極的尖端損耗。采用小電流雖然弧長有所增加，但不會影響電弧對熔池的傳熱。同時建議合理安排生產(chǎn)進度，做好準(zhǔn)備工作，如做好鋼包烘烤、連用包使用等工作，盡量縮短精煉爐的通電時間。

3.2.2 側(cè)面損耗

側(cè)面損耗指在精煉爐精煉及停電過程中,爐內(nèi)氧化氣氛對電極側(cè)面的氧化作用造成的損耗。氧化損耗速度受電極表面溫度、爐內(nèi)電極表面積、爐內(nèi)氧壓的影響[10],電極氧化反應(yīng)式如下：

電極側(cè)面損耗可用式（6）表示：

式中：Cs為電極側(cè)面損耗，kg/t；B為爐內(nèi)氛圍系數(shù)，kg/（m2·h），氧化氛圍越強，B越大，對于精煉爐一般取3.0～4.0；D為電極上端和下端平均直徑，m；L為電極氧化長度，即電極在爐蓋下的長度，可近似認(rèn)為等于爐蓋至鋼液面的距離，m；TR為精煉爐冶煉時間，包括通電時間和非通電時間，h。

由式（6）可知，要減小電極的側(cè)面損耗，就要保持精煉爐內(nèi)的還原氛圍，操作中要養(yǎng)成習(xí)慣，不操作時關(guān)閉爐門，減少空氣中氧氣的進入。另外，縮短精煉爐的冶煉周期也能減小側(cè)面損耗。

3.2.3 損耗之間的關(guān)系

設(shè)電極總損耗為CE，則：

根據(jù)相關(guān)理論，有以下關(guān)系式：

式中：dr為電極前端實際直徑，m；d為電極前端初始直徑，m。

在實際生產(chǎn)中，由于在精煉間隔或精煉結(jié)束的一段時間內(nèi),電極仍處于高溫狀態(tài)，此時電極側(cè)面氧化反應(yīng)仍在進行，因此實際側(cè)面損耗所占比例要稍高于上述公式的計算值[9]。

4 降低電極損耗的措施

基于以上精煉爐電極損耗影響因素的分析，可以得出以下降低電極損耗的措施。

（1）電爐放鋼進入120 t精煉爐工位，加入電極粉，并加入石灰、螢石等造渣原料后，采用小電流化渣，加大氬氣流量，促使泡沫渣快速形成，使其均勻覆蓋于鋼水表面。同時，在成分允許的前提下，采取復(fù)合脫氧、加入電極粉與電石粉等措施，快速產(chǎn)生泡沫渣，從而達到快速脫氧的效果，使?fàn)t內(nèi)盡早產(chǎn)生還原氛圍，減小爐內(nèi)氛圍系數(shù)值，從而使電極側(cè)面損耗降低。

（2）在冶煉中高合金鋼時，要嚴(yán)格執(zhí)行先化渣還原、后加合金的操作，同時合金量不大于每批2 t，防止因起弧導(dǎo)電不良而引起電極折斷。

（3）由式（3）可知，合理使用連用包，能使精煉爐用于升溫的時間縮短，從而縮短精煉時間，降低電極損耗。尤其是在精煉鑄件時，此舉降低電極損耗的效果更明顯。

（4）隨時注意鋼水翻動情況，減小熔池液面的波動，減輕爐渣與鋼水對電極端部的沖刷。根據(jù)實際觀察，鋼水翻動直徑應(yīng)控制在100～200 mm，在升溫時可減小電極與鋼水短路的頻率，明顯降低由于電流不穩(wěn)定而造成的電極損耗。

（5）重視接電極的操作，注意接頭處的清潔和擰緊程度，在開爐前檢查電極接頭處是否有縫隙，若有則需重新擰緊。精煉過程中要注意關(guān)閉爐門，尤其是在真空處理前或真空處理后鋼水等待時間內(nèi)的電極高溫段，減少空氣中氧氣進入，可以有效降低電極的側(cè)面損耗。

5 結(jié)束語

目前120 t精煉爐電極損耗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為2.2 kg/t，采取措施后，預(yù)計可以將電極損耗降低到1.5 kg/t左右。此外，對工人加強培訓(xùn)，使工人基本了解電極損耗的原理與相關(guān)的影響因素，掌握電極折斷的原因，能通過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題，及時上報處理解決，這樣可以進一步降低電極損耗，為節(jié)能增效打下基礎(chǔ)。

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（編輯：啟德）

The function of the refining furnace was introduced,and some kinds of abnormal electrode losses commonly seen in refining furnaces were analyzed and the preventive measures were put forward.In the analysis, the computation module of normAal electrode loss and the related parameters were introduced,and the calculation method of electrode loss was discussed,which provided a reference for reducing the electrode loss in the production of refining furnace.

精煉爐；電極；損耗

Refining Furnace；Electrode；Loss

TH-39；TG333.93

B

1672-0555（2017）02-049-04

2016年8月

黃飛（1986—）男，本科，工程師，主要從事煉鋼現(xiàn)場技術(shù)支持與質(zhì)量控制工作。