90 MV·A磷爐電極把持器故障分析及處理

余思民

（云南天安化工有限公司 云南安寧）

一、黃磷爐電極把持器

公司從俄羅斯引進兩臺90 MV·A黃磷生產電爐，單臺年產3萬t黃磷。電極把持器（圖1）是黃磷爐電極系統的核心部件，作用是夾持、升降和壓放自焙電極，同時夾緊導電銅瓦貼緊電極殼，將強大的電流通過導電銅瓦傳遞給電極完成磷礦熔煉。自焙電極自重＞35 t，電極直徑1 700 mm、殼體冷軋鋼板厚度3.2 mm，內壁縱向焊有18條肋板，電極保護套以上區間是空殼，保護套區間是電極焙燒區，出保護套區間是焙燒好的電極。電極上下夾持環各安裝固定8組夾持油缸，油缸參數：工作油壓4.9 MPa、活塞直徑320 mm，每組油缸內裝9只對合組合碟形彈簧尺寸Φ300 mm×Φ128 mm×18 mm，壓平變形量6 mm。上下環夾持油缸和夾持顎板圓周分布見圖2，當壓放電極時，上環夾持油缸通入4.9 MPa油壓打開上環夾持顎板，下環夾持油缸夾持電極，將電極壓放油缸升到高位后，上環夾持油缸卸除油壓恢復電極夾持，然后下環夾持油缸通入4.9 MPa油壓打開下環夾持顎板，電極壓放油缸下壓完成電極壓放，若電極壓放量不夠重復上述過程。不壓放電極時，自焙電極由上下環夾持油缸同時夾持電極，把持器升降油缸完成整個把持器（包括電極）的升降操作。

工作環境受磷煙氣、爐料輻射熱（＞250℃）、電極電流所產生的強磁場或渦流影響，在生產過程中，電極把持器要能保證將電流導向電極的同時并能夾住自焙電極不滑落、不變形。當電極壓放時在電極殼與銅瓦之間又能產生均勻滑動，不會因過松產生打弧燒穿電極殼和銅瓦。

圖1 電極把持器結構

圖2 上下夾持環油缸分布示意

二、存在問題及分析

設備安裝時，因把持器結構復雜，未理解掌握其關鍵數據，2011年前檢修調試電極把持器時往往以檢修拆卸時測定的數據作為依據。電極把持器在磷爐生產過程中經常出現電極下滑和電極殼變形的重大事故，給生產造成很大損失。

1.電極下滑

2#磷爐3#電極發生下滑事故。停產檢修時，上下環夾持油缸通入4.9 MPa油壓，檢測夾持顎板與直徑1700 mm基準電極殼之間的間隙值見表1。從表1可以看出，夾持顎板與電極殼之間的間隙較大，夾持力不夠導致電極下滑。

表1 夾持顎板與基準電極殼間隙測量值 mm

（1）電極受力分析（圖3）及電極不下滑條件。P1和P2分別為電極上下環夾持油缸夾持力，P3為導電顎板產生的夾持力（很小，可忽略不計），f1、f2、f3為對應產生的摩擦力。不壓放電極時，電極夾持力為 P1、P2、P3；壓放電極時，電極夾持力為P1和P3或P2和P3。圖3中一段為空電極殼，二段為熔融態的電極，三段為焙燒好的電極。分析圖2、圖3可知，電極不下滑必須滿足上環夾持油缸夾持電極時產生的摩擦力之和8f1要大于等于自焙電極自重G（35000 kg），或下環夾持油缸夾持電極時產生的摩擦力之和8f2要大于等于自焙電極自重G，即8f1=8f2≥G。

圖3 電極受力分析

（2）電極夾持力計算。上下環夾持油缸推動油缸內碟簧產生位移變形而產生夾持力，碟簧是在不壓放電極（油缸不施加油壓）和壓放電極（油缸施加4.9 MPa油壓）之間循環工作。為便于分析問題，先計算各種工況時的電極夾持力。

①不壓放電極時電極夾持力。不壓放電極時，油缸不施加油壓，上下環夾持油缸同時夾持電極。夾持油缸內碟簧的載荷P1、P2就是電極受到的正壓力N，即N=P1=P2。根據摩擦力計算公式f=ζN，查手冊得摩擦系數 ζ=0.15、f=f1=f2，將 8f1=8f2≥G 代入 f=ζN計算，N=291 667 N。

②壓放電極時電極夾持力。壓放電極時，上下環夾持油缸分別通入4.9 MPa油壓打開夾持顎板，通過電極壓放油缸升降電極。此時，電極的夾持力P1＇、P2＇即夾持油缸內蝶簧受到的載荷。根據壓力計算公式F=P×S（F——碟簧載荷，N；P——油壓壓強，MPa；S——油缸活塞面積，mm），取值P=4.9 MPa、夾持油缸活塞直徑D=320 mm，數據代入計算得F=393 882 N，即 F=P1＇=P2＇=393 882 N。

（3）電極夾持顎板與電極間隙計算。運用碟簧壓平時的載荷計算公式，建立電極夾持力與碟簧壓縮量之間的關系，從而求證電極夾持顎板與電極間的間隙。首先計算查用單片碟簧特性曲線（圖4）的相關條件。

①簧壓平時的載荷。

圖4 單片碟簧特性曲線

式中 Pe——碟簧壓平時的載荷計算值，N

E——彈性模量，MPa

μ——泊松比

t——碟簧厚度，mm

h0——碟簧壓縮量，mm

D——碟簧外徑，mm

K1、K4——計算系數

K1=1/π×[（C-1）/C]2/{[（C+1）/（C-1）]-2/lnC}，其中C=D/d，為直徑比。代入 D=300 mm、d=128 mm，計算 K1=0.746。公式（1）取值 K4=1、t=18 mm、μ=0.3、E=2.06 ×105N/mm2、h0=6 mm、K1=0.746，代入數據計算得Pe=471 944 N。

②特性曲線比值。根據前文計算，不壓放電極時碟簧的載荷P1=P2=291 667 N，壓放電極時碟簧的載荷 P1＇=P2＇=393 882 N。則不同工況時碟簧載荷的比值為P1/Pe=0.618，P1＇/Pe=0.8346。由已知條件，碟環壓平時單片壓縮量h0=6 mm、碟環厚度t=18 mm，則 h0/t=0.333。

③電極夾持顎板與電極間隙。根據P1/Pe、P1＇/Pe、h0/t比值數據查單片碟簧特性曲線，得到f1/h0=0.62，f1＇/h0=0.81，代入h0=6 mm，計算得到不壓放電極時單片碟簧的壓縮量f1=3.78 mm，壓放電極時單片碟簧的壓縮量f1＇=4.86 mm。每組夾持器油缸由9片碟簧對合組合而成，根據對合組合特性得到：

式中 hn——碟簧對合組合時的壓縮量，mm

n——碟簧數量

f——單片碟簧變形量，mm

將f1=3.78 mm、n=9代入（2）式，計算得到9片碟簧對合組合時的壓縮量h1=34 mm。結果表明在夾持油缸沒有通入油壓時碟簧組合的變形量必須大于等于34mm，夾持顎板在夾緊位置時電極才不會下滑。將f1＇=4.86 mm 代入（2）式，計算得到9片碟簧對合組合時的壓縮量 h1＇=43.7 mm。結果表明在夾持油缸通入4.9 MPa油壓時碟簧組合的變形量達到43.7 mm，夾持顎板才能松開電極。

油缸通入4.9 MPa油壓時碟簧組合的變形量減去夾緊電極時碟簧組合的變形量，即43.7-34=9.7 mm，也就是夾持油缸通入4.9 MPa油壓時夾持顎板與基準電極殼的間隙要＜9.7 mm電極才不會下滑。從表1數據可以看出，8組夾持顎板與基準電極殼間隙值均＞9.7 mm，即夾持顎板沒有夾緊電極導致電極下滑事故發生。

2.電極殼變形

2#磷爐2#電極運行中位于保護套上端部（在空殼段）的電極殼出現凹曲變形。停爐檢修時油缸通入4.9 MPa油壓，測量上（下）環夾持顎板與基準電極殼的間隙值（表2）。初步分析電極殼變形情況，磷爐運行時由上下夾持環各8組夾持油缸通過夾持顎板環抱電極殼夾持電極，電極殼變形可能原因：①電極殼受到夾持油缸施加的側向均布外力過大失穩變形；②夾持油缸施加非均布外力產生彎曲變形。

從表2上（下）環間隙值可以看出，上環間隙最大與最小偏差7 mm，下環間隙最大與最小偏差8 mm，偏差值較大。根據碟簧性能分析，各組油缸內組合碟簧的壓縮量不同，作用在電極上的夾持力也就不同。由前文計算可知，夾持油缸通入4.9 MPa油壓時碟簧組合的壓縮量為43.7 mm、夾持顎板與基準電極殼的間隙值要＜9.7 mm電極才不會下滑，此時作用在電極上的夾持力最大是393 882 N。從測出的已知間隙值條件計算出單片碟簧壓縮量h0和夾持力P1、P2（表2），可定性判斷電極殼變形原因。8組上環夾持油缸傳遞的夾持力P1最大值與最小值相差61 352 N、8組下環夾持油缸傳遞的夾持力P2最大值與最小值相差70 005 N，夾持顎板夾持力很不平衡，可認為電極殼受到的夾持力已不是均布外力。因此排除側向均布外力過大失穩變形的可能，剩下的一種變形就是非均布外力造成的彎曲變形，從變形形狀看也符合擠壓彎曲變形的特征。

三、處理措施

（1）間隙調整前，向夾持油缸通入4.9 MPa油壓，檢查碟簧壓縮量是否相等，若不相等就更換碟簧，確保碟簧的彈力相等。

表2 電極殼變形時相關數據測量值

（2）在夾持油缸通入4.9 MPa油壓條件下，上下環各8組夾持顎板與基準電極殼之間的間隙均調整到9±0.5 mm，保證夾持力均衡且均布，電極不下滑、不變形。

2011年初磷爐大檢修時，按上述方法檢修調整電極把持器夾持油缸顎板間隙。通過近3年生產實踐，電極下滑和電極殼變形故障消除。這表明公司工程技術人員對電極下滑和電極殼變形的故障原因分析判斷準確、調整方法合理，已掌握國外進口大型磷爐電極把持器檢修的核心技術。