地坑式電加熱退火爐故障處理

劉曉華

（寶鈦集團有限公司 陜西寶雞）

為滿足退火產能不斷增長的需求，公司新制造安裝了一臺地坑式電加熱退火爐，該爐具有密封性好、爐溫均勻度高、造價相對低廉等優點，主要用于消應力退火及壓校型退火。該退火爐于2013年3月初完成安裝調試投入試運行，經空爐標溫達到±14℃廠控標準要求，但是在試運行期間發生加熱體、電控元件頻繁損壞退火料溫未到工藝要求溫度等問題造成退火過程中斷，無法完成正常退火生產任務。

1.故障現象1

退火過程中頻繁出現加熱體引出極接地或燒斷、2及5區無電流、加熱體燒斷、固態繼電器損壞、400 A快熔斷等現象，造成退火過程中斷。

（1）原因分析

①加熱體引出極接地或燒斷。分析是由于爐絲與引出極焊接強度不夠、爐絲引出極與爐體絕緣不好導致。

②爐底加熱體燒斷。由于裝爐料件采用耐火磚間隔，尤其底部耐火磚承受重量大，吊裝及高溫時易碎，碎磚末掉入爐底板下造成加熱體散熱不良易燒斷。

③固態繼電器等電控元件損壞。由于升溫時間長，電氣元件發熱嚴重，而且操作室溫度高，升溫時超過45℃，不利于電氣元件散熱，易造成電氣系統過熱保護或損壞。

（2）應對措施

①強化加熱體引出極焊接質量，增加引出極與爐體絕緣措施。

②裝爐時采用耐火磚墊料，要求底部采用厚度200 mm鋼塊，中間采用100 mm雙面不銹鋼復合板塊間隔，杜絕碎磚末對底部加熱體不良影響。

③操作間加裝空調降低室內環境溫度。

（3）效果

①增強了爐絲接頭強度，減少了爐絲接頭斷路的故障率；增加了引出極絕緣強度，降低了引出極接地故障率。

②底部采用鋼塊墊料后，徹底杜絕了碎磚末對加熱體影響，消除了底部加熱體經常燒斷現象，并大大減輕了爐工清理爐膛的工作量和勞動強度。

③操作室安裝空調后，電控元件過溫頻繁損壞現象有所減少，但5區固態繼電器及快熔損壞現象仍然時有發生。

圖1 加熱體功率分布圖

2.故障現象2

上述改進措施雖解決了加熱體引出極接地、電氣元件散熱不良損壞及底部加熱體燒斷的問題，但是側墻加熱體頻繁燒斷，5區電控元件損壞的加熱體頻繁燒斷問題仍未解決。

（1）故障分析

從故障現象看，可以排除退火工藝、裝爐量、熱偶位置、環境溫度等因素影響，經對側墻加熱體燒斷情況匯總分析，側墻燒斷的加熱體部位基本都是在公共極，尤其是2、5區引出公共極及固態繼電器等電控元件頻繁損壞，應考慮是否與電流過大超過元件額定電流造成過流損壞，因此，從加熱體功率分布、加熱體實際通過電流等方面查找原因。圖1為加熱體功率分布圖，圖1中地坑爐總功率900 kW，分為6個區，平均每個區功率在150 kW左右，其中2、5區位于爐體中部，功率較其他區略大10～20 kW，加熱體連接為YY型接法，以減少相電流。

圖2為加熱體YY型接法示意圖，表1為升溫時各區電流表數值。由表1可見，升溫時2、5區電流比其他區大30～40 A。

圖2 加熱體YY型接法示意圖

表1 升溫時各區電流表數值

采用空爐升溫（不蓋爐蓋），觀察各區側墻加熱體電流、溫升狀況。檢查發現，在空爐升溫至500℃左右時，2、5區加熱體公共引出極工作異常，加熱體發紅程度明顯超過正常（正常應該為暗紅），分析原因如下：

①按照相電流180 A計算，分布到爐墻和爐底加熱帶的電流應為1/2相電流，即不超過90 A，公共引出極加熱帶的電流等同于相電流在140～180 A，但是從500℃公共極加熱體發紅程度判斷通過電流至少在300 A以上，因此初步判斷2、5區公共極電流過大是造成公共極加熱體頻繁燒斷、固態繼電器及快熔損壞的主要原因。

②地坑爐加熱體組件為鐵鉻鋁合金帶（0Cr25Al5）繞制而成，截面為40 mm×4 mm，一般加熱體發熱功率要求不能超過1.4～1.7 W/cm2；檢查地坑爐工作異常的公共極加熱體是由三組40 mm×4 mm加熱帶疊焊在一起，并且公共極加熱體與電極桿連接不良，電極桿連接處發熱嚴重，加熱帶明顯有過燒跡象，初步判定是由于疊焊焊接質量差及加熱體與電極桿連接不良導致電流過大，加熱帶過燒易斷。

（2）應對措施

針對公共極加熱體電流大易燒斷這一薄弱點，將各區公共引出極加熱體更換為Φ18 mm耐熱鋼棒，其允許最大通過電流在200 A以上，不易燒斷；耐熱鋼棒與加熱帶確保焊接可靠，耐熱鋼棒與引出電極連接采取在耐熱鋼棒處焊接25 mm×25 mm×3 mm的連接片，中間打孔通過螺栓與引出電極可靠連接，加大接觸面積以減少接觸電流。

（3）效果

上述改進后，空爐升溫觀察各處加熱體工作正常，消除了500℃以上公共極加熱體發紅異常現象，并經過連續十爐退火試驗，未再發生加熱體及快熔、固態繼電器等損壞情況。

3.故障現象3

設備硬件故障排除退火過程正常，各溫控儀表按照設定退火工藝參數升溫到位，保溫，但是退火后材料顏色、板型等目視檢查判斷，明顯未達到工藝設定溫度（設定600℃，實際檢測在300℃左右）

（1）原因分析

①熱偶與加熱體距離過近，加熱體溫度對熱偶影響大。

②熱偶安裝位置偏高，熱氣流往上走，造成熱偶周圍空間到溫快。

③料與料之間距離偏小（50 mm），影響熱氣流對流交換。

④退火工藝設定為600℃直升，熱電偶測量的是空間溫度，材料吸熱需要一定的時間過程，空間溫度到但是材料實際溫度未達到。

（2）應對措施

①熱偶與加熱體交匯部分安裝隔熱陶瓷套管，減少加熱體溫度對熱偶影響。

②采取更換直角偶的方式改變熱偶安裝位置偏高的弊端，使用直角偶將使熱偶測溫點下延400 mm。

③增加裝爐料間距離（100 mm）。

④在退火工藝中增加350℃保溫平臺，并規定升溫速率，要求不超過50℃/h，到達350℃保溫3 h，延長材料吸熱時間，提高材料溫度。

（3）效果

采取以上措施后，經實際檢測爐內各部實際料溫均達到工藝設定溫度值，完全滿足生產工藝性能要求，圖3為600℃成品退火增加350℃保溫平臺前后溫度對比圖。

4.結語

對于設備試運行中出現的各種故障排除完后并不代表故障處理的結束，要在了解設備原理基礎上針對故障元件查找可能造成設備故障的直接和間接原因，進行整改或制訂相應的預防措施，防止此類設備故障再發生，使設備處于良性運行狀態，最大限度的降低設備故障率。設備工藝路線制訂需采取設備硬件調試與技術工藝相結合的辦法進行，要在通用技術工藝的基礎上針對不同的設備性能狀況制訂不同的技術工藝參數。以電加熱退火爐為例，由于電功率、加熱體分布、有效空間、密封狀況、裝爐噸位的不同，應該結合設備實際狀況對升溫速率、保溫時間、冷卻方式等退火工藝參數進行相應調整，尋求最佳退火工藝路線，以滿足達到材料性能要求，發揮設備最佳有效性能。

圖3 600℃成品退火增加350℃保溫平臺前后溫度對比圖

1 鄭小年.數控機床故障診斷與維修.武漢,華中科技大學出版社，2005,W12.11-14

2 楊自厚.自動控制原理.冶金工業出版社，1986