精煉爐水冷電纜固定底板發(fā)熱問題的解決

(邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司煉鋼廠，河北 邢臺 054027)

煉鋼廠精煉爐是生產(chǎn)特種鋼、精品鋼等高端鋼種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。精煉設(shè)備通過對鋼水進(jìn)行大電流加熱及精煉處理可以使得鋼水品質(zhì)有本質(zhì)的提升，其中對鋼水加熱的大電流核心設(shè)備為變壓器、短網(wǎng)等部件。短網(wǎng)部件包括大電流撓性水冷電纜、導(dǎo)電橫臂及電極夾。短網(wǎng)部位設(shè)備在生產(chǎn)中通過上萬安培的電流，一旦出現(xiàn)問題，將會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，甚至造成設(shè)備重大損壞，對生產(chǎn)構(gòu)成較大的影響。某煉鋼廠的3號精煉爐，在使用中發(fā)現(xiàn)C相水冷電纜在變壓器二次側(cè)固定處出現(xiàn)異常發(fā)熱的情況，對生產(chǎn)構(gòu)成了隱患。文章以煉鋼廠3號精煉爐C相水冷電纜固定底板發(fā)熱的異常情況為例，介紹了該異常情況的解決過程，為該較為罕見的異常情況提供了解決方法與思路。

1 精煉爐短網(wǎng)系統(tǒng)簡介

某鋼廠3號精煉爐變壓器額定容量為16 000 kVA，額定電壓36 500/285V，額定電流32 410 A。變壓器低壓側(cè)采用內(nèi)封三角形出線方式，如圖1所示。

圖1 變壓器低壓側(cè)出線方式

3號精煉爐短網(wǎng)主要由變壓器低壓側(cè)三角形布置的每相4根Φ65 mm水冷銅柱端子、12根Φ65 mm，長710 mm水冷補(bǔ)償器、12根Φ65 mm水冷銅管、6根Φ125 mm,長6 600 mm水冷電纜及3相導(dǎo)電橫臂、電極夾組成。結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 精煉爐短網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

其中9號部位的水冷電纜固定部件連接水冷電纜端面與水冷銅管端子端面，使用50 mm厚環(huán)氧樹脂絕緣為基礎(chǔ)，保證電纜通電部位與金屬支架之間的絕緣良好。水冷電纜質(zhì)量較重，單根為317 kg，為了增加電纜安裝后的強(qiáng)度，在絕緣板與水冷端子的端面之間敷設(shè)4 mm后C型不銹鋼鋼板，鋼板扣在絕緣板表面，在鋼板背面中間部位進(jìn)行焊接不銹鋼拉筋，以增強(qiáng)鋼板本身強(qiáng)度。鋼板與絕緣板之間使用不銹鋼螺栓緊固，將水冷電纜端面、水冷銅管端面及絕緣板、鋼板連接在一起，如圖3所示。

圖3 連接示意圖

2 問題現(xiàn)象

某鋼廠3號精煉爐2019年2月份的一次夜班生產(chǎn)加熱過程中，崗位人員發(fā)現(xiàn)C相水冷電纜與水冷端子固定處有打火現(xiàn)象。隨即通知維修人員，維修人員之后進(jìn)行了拆檢，拆檢后發(fā)現(xiàn)水冷電纜與水冷銅端子接觸面都存在電擊燒蝕造成的大量深淺不一的坑洞，同時不銹鋼固定底板存在高溫變色、變形的情況，絕緣板外表有高溫灼燒形成的變色痕跡。針對故障現(xiàn)象初步判斷為固定水冷電纜的不銹鋼螺栓松動造成接觸面不良，在生產(chǎn)過程中大電流通過造成表面燒蝕嚴(yán)重。

為了避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，維修人員對水冷電纜及水冷銅端子進(jìn)行了拆除并送機(jī)加工對接觸面進(jìn)行了銑床加工，保障接觸面的平整光滑。對變形的不銹鋼底板、絕緣板進(jìn)行了更換。上述工作累計(jì)造成停產(chǎn)3天。全部重新安裝完畢后進(jìn)行了生產(chǎn)跟蹤，未出現(xiàn)打火的情況。使用紅外點(diǎn)溫槍對固定螺栓進(jìn)行測溫，溫度在40 ℃左右，未見異常。

之后在連續(xù)跟蹤使用過程中，維修點(diǎn)檢人員偶爾聽到茲茲的聲音，未能明確發(fā)出聲音部位。維修人員利用檢修時間對整個變壓器、短網(wǎng)等各部位緊固之處進(jìn)行了檢查緊固，未能發(fā)現(xiàn)明顯松動的部位。

在4月初為了更為直觀檢查高壓設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和潛在隱患，新購進(jìn)紅外成像儀替代常規(guī)的點(diǎn)溫槍對設(shè)備進(jìn)行檢測。在對3號精煉爐短網(wǎng)的檢查中，發(fā)現(xiàn)C相水冷電纜固定底板溫度異常，尤其在不銹鋼底板中間位置。相較A、B兩相水冷電纜不銹鋼底板高了100 ℃左右，隨著電極加熱時間越長，該部位溫度持續(xù)升高，但是水冷電纜固定的螺栓溫度并不高，只有40～50 ℃，說明并不是螺栓松動造成的接觸不良導(dǎo)致的溫度升高。如圖4所示。

圖4 設(shè)備測溫裝置

之后對整個短網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行紅外成像觀察未發(fā)現(xiàn)明顯異常之處。因此懷疑事故原因是由于不銹鋼固定底板的材質(zhì)不佳，導(dǎo)致在強(qiáng)電磁場環(huán)境中感應(yīng)渦流發(fā)熱嚴(yán)重。為此重新制作316L不銹鋼固定底板一塊，使用磁鐵對新加工底板進(jìn)行吸附試驗(yàn)，在平面位置磁性幾乎可以忽略，在中間加強(qiáng)筋的焊接部位可以感受到微弱的磁性。對在線使用的底板進(jìn)行試驗(yàn)，中間焊接部位也可以感受到微弱磁性，因此可判斷應(yīng)該不是材質(zhì)導(dǎo)致的發(fā)熱。

新制作的底板安裝后的測溫中溫度依然居高不下也證實(shí)了確實(shí)非底板材質(zhì)所致，如圖5所示。

圖5 底板測溫

3 問題分析及解決過程

排除了螺栓松動、底板材質(zhì)的因素后，在未能明確原因的情況下，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性，維修人員對該設(shè)備實(shí)行了重點(diǎn)點(diǎn)檢維護(hù)。

在此期間有技術(shù)人員提出將固定底板兩側(cè)自上而下開豁口，降低感應(yīng)渦流的影響，但是這種辦法只是權(quán)宜之計(jì)，不能從根本上解決問題，同時還會降低底板強(qiáng)度,故未采納。

又有技術(shù)人員提出，可能是接地系統(tǒng)不佳影響了電磁場均布，造成局部感應(yīng)較強(qiáng)。對此，維修人員對整個短網(wǎng)及變壓器的接地情況進(jìn)行了檢查，對接地阻值進(jìn)行了測量，阻值為0.1Ω，符合要求。

之后將重點(diǎn)聚焦在水冷電纜及水冷補(bǔ)償器上。水冷電纜及水冷補(bǔ)償器在線使用已經(jīng)長達(dá)10年，外表全部為橡膠層，中間通過冷卻水的形式。一旦內(nèi)部出現(xiàn)問題極有可能造成阻值不平衡，電流不平衡，進(jìn)而形成不平衡的電磁場，造成局部感應(yīng)過熱。

基于上述分析，如何判斷水冷電纜或是補(bǔ)償器出現(xiàn)問題實(shí)際上卻是很困難，一方面生產(chǎn)還在連續(xù)進(jìn)行，如果在線測量水冷電纜或是補(bǔ)償器的內(nèi)阻，是不準(zhǔn)確的。如果拆下測量，勢必影響生產(chǎn)進(jìn)行，尤其是補(bǔ)償器的拆除需要將變壓器拉出原位才能進(jìn)行拆裝，至少需要3天時間，造成損失較大。

對此煉鋼廠一方面重新設(shè)計(jì)定制了新型易拆裝補(bǔ)償器，另一方面陸續(xù)開始更換水冷電纜，利用檢修空隙先后完成了三相六根水冷電纜更換，每次更換完畢后都進(jìn)行了熱成像觀察，底板發(fā)熱情況沒有改觀。更換下來的水冷電纜進(jìn)行拆檢，外表橡膠雖然有老化裂紋情況，但內(nèi)部銅絲沒有斷裂等異常情況。

在隨后的持續(xù)跟蹤中不銹鋼固定底板中間位置的溫度一直居高不下。

同時發(fā)現(xiàn)C相水冷電纜銅管的水溫也逐漸出現(xiàn)較AB兩相高10 ℃的異常情況。針對此情況，檢修時對水冷銅管的進(jìn)出水進(jìn)行了吹掃，發(fā)現(xiàn)從內(nèi)部吹出不少黑色銅絲粉末等雜質(zhì)。在一次長時間加熱使用成像儀測溫時，發(fā)現(xiàn)多根補(bǔ)償器表面溫度不一致情況，判斷為補(bǔ)償器內(nèi)部出現(xiàn)異常所導(dǎo)致。

此后重點(diǎn)對補(bǔ)償器進(jìn)行成像跟蹤，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償器表面橡膠套管溫度不一致部位愈發(fā)嚴(yán)重，如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償器表面溫度測量

在新型水冷電纜補(bǔ)償器到貨后，對在線的12根水冷電纜補(bǔ)償器進(jìn)行了更換。更換下來補(bǔ)償器進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部連接銅網(wǎng)基本處于嚴(yán)重腐蝕老化狀態(tài)，部分內(nèi)部由于高溫?zé)龘p發(fā)黑嚴(yán)重，同時銅網(wǎng)之間堵塞嚴(yán)重，也是造成冷卻效果差，在生產(chǎn)過程中大電流通過發(fā)熱愈發(fā)嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)。

補(bǔ)償器全部更換完畢后，生產(chǎn)過程中使用成像儀測溫，發(fā)現(xiàn)不銹鋼固定底板溫度已經(jīng)大幅下降，與A/B兩相對比一致，如圖7所示。補(bǔ)償器本體不再出現(xiàn)溫度不均的情況，見圖8。

圖7 不銹鋼固定底板溫度測量

圖8 補(bǔ)償器溫度測量

加熱時水冷銅管部位的震動消失，以往出現(xiàn)的異常聲音也消除，整個短網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)了正常狀態(tài)，該隱患得到了徹底消除。

4 結(jié) 論

(1)本次底板異常發(fā)熱的根本原因在于水冷補(bǔ)償器的內(nèi)部損壞造成。因此當(dāng)精煉爐大電流短網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)類似問題時，應(yīng)考慮相關(guān)設(shè)備的電流不平衡造成的電磁場異常感應(yīng)的因素，并排查相關(guān)設(shè)備。

(2)對于水冷電纜及補(bǔ)償器可以考慮進(jìn)行相關(guān)電流檢測，提前發(fā)現(xiàn)異常，避免隱患的持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致其他鋼廠發(fā)生不銹鋼底板中部因溫度過高燒斷。

(3)回顧事故最初發(fā)生時，在打火情況之前底板應(yīng)該已經(jīng)開始溫度升高，繼而變形松動造成接觸不良的故障發(fā)生。因使用點(diǎn)溫槍只能對個別點(diǎn)位例如螺栓進(jìn)行測溫，如果類似上述問題，測量螺栓溫度正常情況下，會遺漏其他部位的測量。因此有條件的電氣測溫建議使用熱成像儀較為全面可靠，避免遺漏異常點(diǎn)。