真空自耗电弧炉熔炼电压故障处理

2013-08-15张利军薛祥义李明生

设备管理与维修 2013年11期

张利军薛祥义白钰刘娣李明生

西安西工大超晶科技发展有限责任公司西安市

1.故障现象

1t真空自耗电弧炉（以下简称电弧炉）熔炼供电系统为两个同等规格的整流柜，单个最大输出DC 10000A，并联方式供电，每个整流柜各承担负荷的50%。熔炼工位为双工作工位，两个工位规格、稳弧线圈均相同。熔炼电流6500A，熔炼电压27～33V，稳弧（搅拌）AC 18A。

电弧炉熔炼生产某牌号钛合金Φ360mm×1450mm（700kg）规格成品铸锭时（以下简称700kg钛合金），在熔炼后期（自耗电极剩余200～100kg阶段）熔炼电压出现波动（降低），同时炉内真空异常波动（炉腔内部压力升高），严重时出现跳闸，导致熔炼中断。在电压异常波动时，观察熔炼监控视频，发现熔池一侧出现亮白色边弧，对应另一侧熔池位置弧光减弱甚至消失，由白色逐渐转变为红色甚至暗红色，此时自耗电极熔化速度明显降低，但熔炼电流没有发生明显波动。故障发生后，立即进行人工干预，手动调节压低电极杆，即缩小熔池表面与自耗电极下端面之间电弧起弧距离，熔炼电弧逐渐恢复正常。

2.故障分析

（1）工艺参数制订欠合理，稳弧（搅拌）电流过大，熔炼电流相对较小。在进入最后阶段时，由于熔炼热量累积，熔池深度增加，此时熔池溶液在搅拌过程中产生的飞溅物增多、飞溅程度加大，导致熔池上部电极与坩埚壁出现瞬间短路放电，造成电压异常波动。此时炉内真空度检测输出信号受到电压波动干扰，使显示仪表输出数值（曲线）出现异常波动（实际炉内真空度则未产生波动）。

整个熔炼过程都是使用相同的稳弧（搅拌）电流18A，如果（1）是故障原因，则应该是在熔炼过程的中后期任意时刻都有可能出现。但统计发现，出现熔炼电压异常波动均是在同一位置，且波动曲线也非常相似。熔炼电压及真空度波动过程中，产生的边弧每次都在熔池的同一侧。如果是因熔池飞溅发生的短路放电现象，应在熔池周边的任意位置，而不是相对固定一侧位置。如果真空度显示仪表输出数值（曲线）出现异常波动是其检测输出信号受到熔炼电压异常波动干扰所致（而实际的炉内真空度则未产生波动），则真空度显示仪表输出数值（曲线）波动应无规律性。但实际情况是熔炼电压出现异常波动时，仪表显示炉内压力均升高，同时熔炼电流等检测输出信号没有受到电压波动干扰，因此可判定在熔炼电压出现异常波动时，炉内真空度实际也发生了变化（炉压升高），真空度检测输出信号并没有受到电压波动干扰，而是真实反应了炉内真空度的变化情况。

在熔炼阶段后期出现首次电压、真空度异常波动后，要求操作人员随即将稳弧（搅拌）电流由18A调到10A，但是同样故障依然出现，据此，排除原因（1）。

（2）稳弧线圈的上部存在缺陷或故障。每次熔炼过程中，当熔炼电弧通过稳弧线圈位置时，由于稳弧线圈的缺陷或故障导致稳弧磁场发生突然的异常改变，造成熔炼电压异常波动，真空度异常同（1）。

分别在东、西两个工位（两套稳弧线圈）里进行某牌号成品铸锭的熔炼，均在熔炼阶段后期出现了熔炼电压、真空度异常波动现象，但在该位置熔炼其他铸锭时未发现熔炼电压、真空度异常波动，而且和（1）一样，真空度异常波动无法得到合理解释，所以该推测基本可以排除。

（3）主工作电源整流柜故障。以往一般熔炼时间相对较短（很少超过3h），目前某牌号成品熔炼时间约4h，由于工作时间过长，使得整流柜内部热量累积或其他原因致使后期出现工作异常，造成熔炼电压异常波动，真空度异常，原因同（1）。

两台整流柜并联工作时（各自输出电流3250A），在熔炼后期出现了熔炼电压、真空度的异常波动；采用1号整流柜单独进行某牌号成品铸锭的熔炼，单台整流柜单独工作（单独输出电流6500A），在熔炼后期出现了熔炼电压、真空度的异常波动；采用2号整流柜单独进行某牌号成品铸锭的熔炼，情况同1号柜。通过以上试验，基本可排除工作电源整流柜问题，而且和（1）一样，真空度异常波动无法得到合理解释。

（4）电极杆的某个部位存在缺陷（划伤、变形或弯曲）。在熔炼过程中缺陷所在部位电极杆进入动密封过程中，造成密封效果变差，瞬时有少量空气进入炉腔内，造成炉内真空度波动（炉内压力升高），同时由于自耗电极与坩埚壁之间瞬间增加了一定数量的空气，该处导电性能增加，出现辉光放电现象，产生边弧（同时发生电弧转移现象），进而使电压异常波动。

对所有该规格钛合金成品铸锭熔炼记录曲线进行了查阅、测量、统计、计算与分析，确定其成品熔炼过程中，电极杆的全部位移在1000mm，测量记录曲线后统计发现，熔炼过程中熔炼电压、真空度异常波动，主要出现在电极杆位移至700～850mm，或850～1000mm。理论计算该位置曲线内自耗电极质量在200～100kg，与实际称重相吻合。由此推算出电极杆疑似存在缺陷的位置（自耗电极装炉后、开始熔炼前，该缺陷应在动密封以上700～850mm处）。在依据推算确定的电极杆缺陷相对位置，对前期生产的锆合金Φ360mm×1050mm（700kg）规格成品铸锭（以下简称700kg锆合金）的熔炼过程进行了位移推算。该规格锆合金铸锭熔炼过程中电极杆疑似缺陷位置通过动密封在0～200mm或200～400mm的行程范围内。依据推算结果在相应的熔炼曲线上找到了真空异常波动（炉内压力升高）的记录，与推算的位置基本吻合。

通过以上验证分析得出，电极杆缺陷是造成700kg钛合金成品铸锭熔炼后期真空度、电压异常波动的原因。

当电极杆存在缺陷位置通过动密封时，造成密封效果变差，瞬时有少量空气进入炉腔内，炉内真空度产生波动（炉内压力升高）。瞬时进入炉内的空气在扩散过程中进入自耗电极与坩埚之间的间隙，空气扩散至正常熔炼电弧附近时，正常电弧边缘由于空气离子的存在导电性增加（阻抗降低），熔炼电流则选择空气密度较高、阻抗较低的区域通过，进而在该区域产生边弧及辉光放电现象。同时，熔池的另外一侧由于熔炼电流的偏移而导致电弧缩小甚至消失，此时便出现电压异常波动（降低）。发生上述边弧现象后，手动调节缩短弧距使得其自耗电极下端与熔池表面间的阻抗降低，重新使熔炼电流在该区域择优通过，熔炼逐渐恢复正常。从监控视频可以看到，每次发生边弧的位置基本固定，这是由于电极杆缺陷位置固定，每次从该侧进入空气后，在其对应的一侧熔池发生边弧。

由于700kg钛合金铸锭出现真空度（炉压升高）、熔炼电压异常波动，而700kg锆合金熔炼只出现真空度波动，熔炼电压没有明显波动。通过计算可知，钛合金铸锭在熔炼过程中出现真空度与电压异常波动时，熔炼电弧区距动密封与电极杆疑似缺陷泄漏点距离约1000mm，而同样情况，锆合金铸锭是1950mm。由于后者距离明显大于前者，在空气进入炉内后由于扩散，在接近后者的熔炼电弧区域时，已经达不到临界导电的密度，因此未发生明显的电压异常现象，但是炉内真空度产生了明显波动（炉压升高）。同时因该牌号钛合金锭型小、上部空间大以及相对波动小，真空度波动程度相对要弱。空炉在试验过程中没有发现明显真空异常，同样是空间大，泄漏空气进入后产生的影响小。