電弧爐斷電極分析檢測與自動處理

劉仕良 朱興發 唐 琳

(蘇州振吳電爐有限公司 江蘇蘇州215128)

1 概述

近年來，隨著電弧爐煉鋼向大型化、超高功率、直流化方向發展，石墨電極質量也不斷提高，規格尺寸不斷加大，其制作技術已成為影響電爐煉鋼關鍵技術之一。在煉鋼過程中石墨電極的正常使用是電爐煉鋼穩定運行的一個重要保證，也是節約煉鋼成本的重要措施之一。特別是近幾年，隨著鋼企效益日趨下降，分析電弧爐電極折斷的原因，自動檢測并進行相應的處理顯得尤為重要。

2 電弧爐斷電極原因分析

電弧爐生產過程中，常因爐料、設備、操作及電極本身質量問題，或以上因素的交互影響而導致電極折斷。此外，由于白班與晚班的電費差異，很多鋼廠為了節省生產成本，往往選擇在電費較低的半夜進行生產，操作工人長時間上夜班也會因為疲倦而疏忽大意，導致折斷電極。本文根據電弧爐冶煉過程中的內外影響因素，將電極折斷的主要原因歸納如下。

2.1 操作原因

在電弧爐冶煉時，特別是熔煉初期，電弧爐三根電極下面會形成三個熱井，此時爐內廢鋼形成架橋結構。隨著熔煉的進行，廢鋼會突然向熱井中間塌料，對電極產生較大的側向撞擊力，電極很容易在夾持點附件或在連接螺紋處產生斷裂。

2.2 共振原因

交流電弧爐每一相都會產生磁場，都受到電磁力的作用，該電磁力的大小與電極電流、三相電極之間的距離以及短網的設計都有一定的關系。三相電極之間的電磁力以電極夾持器為支點產生力矩或相吸引或相排斥。因而在煉鋼過程中當某相電極磁場力頻率與該相的立柱上下往復機械運動產生的振動頻率接近或同步時，就會產生共振，從而導致電極折斷。

2.3 電極下方有不導電物體

在電極驅動下降過程中，當電極下端接觸到不導電物體后，電極調節器不能準確判斷電極已觸到不導電物，根據調節器的控制原理，電極仍會繼續下降，導致電極與廢鋼縱向擠壓折斷。因此爐料的好壞不僅會影響電弧爐金屬收得率，同時也直接關系到電弧爐熔煉過程中電極的運行安全，爐料問題導致折斷電極主要表現為兩方面:①爐料表面黏附有大量耐火材料、泥沙等不導電物;②起弧料為鉻鐵等導電性較差的物料，也會增加起弧時折斷電極的幾率。

2.4 電氣控制系統原因

電氣控制系統原因造成的故障通常表現為一定的重復性和必然性，對電極運行安全威脅最大，其主要表現為:

1)檢測信號接反:正常情況下，電弧爐三相電極各自都有對應的弧流傳感器、弧壓傳感器信號以及相互獨立的接地信號檢測反饋，若將其中任意兩相檢測信號接反，電爐在冶煉過程中，調節器就無法正常檢測信號并做出正確的反饋，因此導致控制系統錯亂，從而折斷電極。

2)相序接反:正常情況下，電極旋緊方向應與電極工作時電磁力方向一致，若在調試或檢修期間不慎將相序接反，極易導致電極在冶煉過程中從接頭處松脫。電極松脫后極易導致電極接頭處間隙加大，電阻加大，進而導致電極發熱、發紅，氧化加速并最終導致電極下段脫落。

2.5 電極質量不佳

電極本身質量問題主要表現為電極接頭螺紋有質量缺陷或電極體積密度或強度不夠。電極接頭在電極煉鋼時起著關鍵的作用，接頭連接區是電、熱、機械載荷較大且復雜的部位，也是電極最容易折斷的部位，因此電極接頭質量好壞是電極質量的關鍵點。

3 電弧爐斷電極自動檢測

從上面的分析可知電弧爐生產過程中，由于多方面的原因會發生電極折斷事故，而如果電極折斷后不能及時發現重新更換電極，至少會產生以下三方面的后果:①造成電弧爐間歇性停爐，而影響其生產效率及現場生產組織工作;②折斷的電極長時間浸泡在鋼水中會增加電弧爐鋼水含碳量，進而導致鋼水質量不合格;③更嚴重的會導致高壓短路跳閘或損壞電弧爐機械設備。

因此提出一種電弧爐斷電極實時在線自動檢測控制裝置，其目的旨在克服斷電極時不能被及時發現的問題，能實時在線檢測電極折斷情況、自動提升電極升降裝置、切斷高壓電源并發出聲、色、光三種報警信號提醒操作者。

圖1 電弧爐實時在線自動檢測控制電氣原理圖

電弧爐實時在線自動檢測控制電氣原理如圖 1 所示。圖中A、B、C 分別代表三相電極;TA1、TA2、TA3 分別為三相交流電流互感器;KC1、KC2、KC3 為三相過電流保護繼電器;PA1、PA2、PA3 為三只交流電流表;R1、R2、R3 為保護電阻;AC1、AC2、AC3 為三只電流變送器;PV1、PV2、PV3 為三只交流電壓表;AV1、AV2、AV3 為三只電壓變送器;LQ1、LQ2、LQ3 為三相液壓壓力變送器。圖2 為圖1 中各主要電氣元件之間的關系示意圖。

圖2 各主要電氣元件之間的關系示意圖

圖3 電弧爐斷電極實時在線自動檢測控制流程

電弧爐在正常煉鋼過程中A、B、C 三相的電流、電壓以及液壓系統壓力通常會在一個相對穩定值附近波動，不會出現較大的差異。假設電流穩定值為I1、電壓穩定值為V1，因此液壓站上三相的液壓系統壓力也基本穩定在某個值，假設液壓穩定值為Q1。

當出現某相斷電極時，該相電流立刻變成0(假設為I2)，同時該相電壓會馬上變大，接近變壓器檔位輸出電壓(假設為V2)，此外由于斷電極后，電弧爐自動進行PID 調節，電極會自動下降很長一段距離，而此時該相的液壓系統壓力值很低(假設為Q2)。因此如果同時檢測到某相電流I2變成0，電壓V2 接近變壓器二次檔位電壓，且電極升降缸液壓系統壓力Q2 比正常值Q1 偏小很多，且時間超過2s 以上，則認為該相電極折斷了。其診斷邏輯關系如圖3 所示。

4 自動處理

如果該裝置判斷某相斷電極了，則會發出信號給電氣系統自動切斷高壓電源，并提升三相電極，發出聲色光三種信號報警。

5 應用實例

以下為我公司為國內某一客戶設計的一臺30t 電弧爐(配變壓器為18000KVA，二次額定電壓為320V)。電弧爐在正常煉鋼過程中A、B、C三相的電流通常會在一個相對穩定值32000A 附近波動;由于變壓器本身阻抗、短網感抗等會產生一定壓降，因此A、B、C 三相的電壓一般為280 ～300V 左右;液壓系統壓力一般在6. 5MPa 左右(不同爐子會有一定差異，通常是相對穩定值)。電弧爐在正常煉鋼過程中，PLC 會通過交流電流互感器TA1 ～TA3 以及電流變送器AC1 ～AC3 實時檢測A、B、C 三相電極電流值;同時通過電壓變送器AV1 ～AV3 檢測A、B、C 三相電極電壓值;通過液壓壓力變送器LQ1 ～LQ3 檢測A、B、C 三相電極升降液壓缸的液壓壓力值。

當這三個數值在上述穩定值附近正常波動時，PLC 便在其內部進行PID 運算，其輸出結果用于控制A、B、C 三相比例閥，微調電極升降，使電弧爐達到最佳工作狀態。

當某相發生電極折斷時，為了方便敘述，假設A 相電極被折斷。此時就會出現:①A 相電流會立刻變成0;②由于電流變成0，變壓器本身阻抗、短網感抗等就不會再產生壓降，因此A 相電壓就會升高至變壓器檔位電壓320V;③由于電極被折斷，因此電極再往下降時，被折斷電極的下面沒有阻力，液壓缸只受導電橫臂自重作用，液壓壓力會由6.5MPa 降至一個較小數值。倘若這三種情況同時出現，且出現時間持續在2 秒以上，則會判斷電極折斷了，并且立刻發出信號給電氣系統自動切斷高壓電源，并提升三相電極，發出聲色光三種信號報警。目前該套控制系統已穩定運行三年以上，得到了客戶的好評。

6 結語

所提出的電弧爐斷電極實時在線自動檢測控制裝置及控制方法解決了電弧爐斷電極后不能及時發現的問題。其主要優點:①投資很少，只需增加三套電壓互感器、電流互感器、液壓壓力變送器及部分PLC 模塊;②可以實時在線檢測到電弧爐煉鋼過程的斷電極情況;③檢測到斷電極后能自動切斷高壓、自動提升三相電極、發出報警提醒操作者，從而不會因為斷電極而造成設備損壞。

［1］李圣華.電爐煉鋼技術的發展與超高功率石墨電極生產.炭素技術，1994(2).

［2］虞明全.石墨電極的消耗及生產.煉鋼，1997(4).

［3］李樹民. 電弧爐斷電極問題分析及對策. 工業加熱，2014(1).

［4］張德明.相序對交流電弧爐石墨電極松脫的影響及其機理.碳素技術，2005(6).

［5］王玨.電爐電極調節系統原理分析和故障處理. 南鋼科技與管理，2007(4).