真空自耗電弧爐熔煉電壓故障處理

張利軍 薛祥義 白 鈺 劉 娣 李明生

西安西工大超晶科技發展有限責任公司 西安市

1.故障現象

1t真空自耗電弧爐（以下簡稱電弧爐）熔煉供電系統為兩個同等規格的整流柜，單個最大輸出DC 10000A，并聯方式供電，每個整流柜各承擔負荷的50%。熔煉工位為雙工作工位，兩個工位規格、穩弧線圈均相同。熔煉電流6500A，熔煉電壓27～33V，穩弧（攪拌）AC 18A。

電弧爐熔煉生產某牌號鈦合金Φ360mm×1450mm（700kg）規格成品鑄錠時（以下簡稱700kg鈦合金），在熔煉后期（自耗電極剩余200～100kg階段）熔煉電壓出現波動（降低），同時爐內真空異常波動（爐腔內部壓力升高），嚴重時出現跳閘，導致熔煉中斷。在電壓異常波動時，觀察熔煉監控視頻，發現熔池一側出現亮白色邊弧，對應另一側熔池位置弧光減弱甚至消失，由白色逐漸轉變為紅色甚至暗紅色，此時自耗電極熔化速度明顯降低，但熔煉電流沒有發生明顯波動。故障發生后，立即進行人工干預，手動調節壓低電極桿，即縮小熔池表面與自耗電極下端面之間電弧起弧距離，熔煉電弧逐漸恢復正常。

2.故障分析

（1）工藝參數制訂欠合理，穩弧（攪拌）電流過大，熔煉電流相對較小。在進入最后階段時，由于熔煉熱量累積，熔池深度增加，此時熔池溶液在攪拌過程中產生的飛濺物增多、飛濺程度加大，導致熔池上部電極與坩堝壁出現瞬間短路放電，造成電壓異常波動。此時爐內真空度檢測輸出信號受到電壓波動干擾，使顯示儀表輸出數值（曲線）出現異常波動（實際爐內真空度則未產生波動）。

整個熔煉過程都是使用相同的穩弧（攪拌）電流18A，如果（1）是故障原因，則應該是在熔煉過程的中后期任意時刻都有可能出現。但統計發現，出現熔煉電壓異常波動均是在同一位置，且波動曲線也非常相似。熔煉電壓及真空度波動過程中，產生的邊弧每次都在熔池的同一側。如果是因熔池飛濺發生的短路放電現象，應在熔池周邊的任意位置，而不是相對固定一側位置。如果真空度顯示儀表輸出數值（曲線）出現異常波動是其檢測輸出信號受到熔煉電壓異常波動干擾所致（而實際的爐內真空度則未產生波動），則真空度顯示儀表輸出數值（曲線）波動應無規律性。但實際情況是熔煉電壓出現異常波動時，儀表顯示爐內壓力均升高，同時熔煉電流等檢測輸出信號沒有受到電壓波動干擾，因此可判定在熔煉電壓出現異常波動時，爐內真空度實際也發生了變化（爐壓升高），真空度檢測輸出信號并沒有受到電壓波動干擾，而是真實反應了爐內真空度的變化情況。

在熔煉階段后期出現首次電壓、真空度異常波動后，要求操作人員隨即將穩弧（攪拌）電流由18A調到10A，但是同樣故障依然出現，據此，排除原因（1）。

（2）穩弧線圈的上部存在缺陷或故障。每次熔煉過程中，當熔煉電弧通過穩弧線圈位置時，由于穩弧線圈的缺陷或故障導致穩弧磁場發生突然的異常改變，造成熔煉電壓異常波動，真空度異常同（1）。

分別在東、西兩個工位（兩套穩弧線圈）里進行某牌號成品鑄錠的熔煉，均在熔煉階段后期出現了熔煉電壓、真空度異常波動現象，但在該位置熔煉其他鑄錠時未發現熔煉電壓、真空度異常波動，而且和（1）一樣，真空度異常波動無法得到合理解釋，所以該推測基本可以排除。

（3）主工作電源整流柜故障。以往一般熔煉時間相對較短（很少超過3h），目前某牌號成品熔煉時間約4h，由于工作時間過長，使得整流柜內部熱量累積或其他原因致使后期出現工作異常，造成熔煉電壓異常波動，真空度異常，原因同（1）。

兩臺整流柜并聯工作時（各自輸出電流3250A），在熔煉后期出現了熔煉電壓、真空度的異常波動；采用1號整流柜單獨進行某牌號成品鑄錠的熔煉，單臺整流柜單獨工作（單獨輸出電流6500A），在熔煉后期出現了熔煉電壓、真空度的異常波動；采用2號整流柜單獨進行某牌號成品鑄錠的熔煉，情況同1號柜。通過以上試驗，基本可排除工作電源整流柜問題，而且和（1）一樣，真空度異常波動無法得到合理解釋。

（4）電極桿的某個部位存在缺陷（劃傷、變形或彎曲）。在熔煉過程中缺陷所在部位電極桿進入動密封過程中，造成密封效果變差，瞬時有少量空氣進入爐腔內，造成爐內真空度波動（爐內壓力升高），同時由于自耗電極與坩堝壁之間瞬間增加了一定數量的空氣，該處導電性能增加，出現輝光放電現象，產生邊弧（同時發生電弧轉移現象），進而使電壓異常波動。

對所有該規格鈦合金成品鑄錠熔煉記錄曲線進行了查閱、測量、統計、計算與分析，確定其成品熔煉過程中，電極桿的全部位移在1000mm，測量記錄曲線后統計發現，熔煉過程中熔煉電壓、真空度異常波動，主要出現在電極桿位移至700～850mm，或850～1000mm。理論計算該位置曲線內自耗電極質量在200～100kg，與實際稱重相吻合。由此推算出電極桿疑似存在缺陷的位置（自耗電極裝爐后、開始熔煉前，該缺陷應在動密封以上700～850mm處）。在依據推算確定的電極桿缺陷相對位置，對前期生產的鋯合金Φ360mm×1050mm（700kg）規格成品鑄錠（以下簡稱700kg鋯合金）的熔煉過程進行了位移推算。該規格鋯合金鑄錠熔煉過程中電極桿疑似缺陷位置通過動密封在0～200mm或200～400mm的行程范圍內。依據推算結果在相應的熔煉曲線上找到了真空異常波動（爐內壓力升高）的記錄，與推算的位置基本吻合。

通過以上驗證分析得出，電極桿缺陷是造成700kg鈦合金成品鑄錠熔煉后期真空度、電壓異常波動的原因。

當電極桿存在缺陷位置通過動密封時，造成密封效果變差，瞬時有少量空氣進入爐腔內，爐內真空度產生波動（爐內壓力升高）。瞬時進入爐內的空氣在擴散過程中進入自耗電極與坩堝之間的間隙，空氣擴散至正常熔煉電弧附近時，正常電弧邊緣由于空氣離子的存在導電性增加（阻抗降低），熔煉電流則選擇空氣密度較高、阻抗較低的區域通過，進而在該區域產生邊弧及輝光放電現象。同時，熔池的另外一側由于熔煉電流的偏移而導致電弧縮小甚至消失，此時便出現電壓異常波動（降低）。發生上述邊弧現象后，手動調節縮短弧距使得其自耗電極下端與熔池表面間的阻抗降低，重新使熔煉電流在該區域擇優通過，熔煉逐漸恢復正常。從監控視頻可以看到，每次發生邊弧的位置基本固定，這是由于電極桿缺陷位置固定，每次從該側進入空氣后，在其對應的一側熔池發生邊弧。

由于700kg鈦合金鑄錠出現真空度（爐壓升高）、熔煉電壓異常波動，而700kg鋯合金熔煉只出現真空度波動，熔煉電壓沒有明顯波動。通過計算可知，鈦合金鑄錠在熔煉過程中出現真空度與電壓異常波動時，熔煉電弧區距動密封與電極桿疑似缺陷泄漏點距離約1000mm，而同樣情況，鋯合金鑄錠是1950mm。由于后者距離明顯大于前者，在空氣進入爐內后由于擴散，在接近后者的熔煉電弧區域時，已經達不到臨界導電的密度，因此未發生明顯的電壓異常現象，但是爐內真空度產生了明顯波動（爐壓升高）。同時因該牌號鈦合金錠型小、上部空間大以及相對波動小，真空度波動程度相對要弱。空爐在試驗過程中沒有發現明顯真空異常，同樣是空間大，泄漏空氣進入后產生的影響小。

3.處理措施

拆下修復或更換電極桿。將拆卸下來的電極桿進行缺陷區域表面熱噴涂，然后按照圖紙要求重新進行精密機械加工。