趙明哲，楊五存
（天津鐵廠有限公司 河北 涉縣）
摘要：本文根據(jù)天津鐵廠有限公司煉鋼廠鋼包精煉爐生產(chǎn)實(shí)踐，分析鋼包精煉過(guò)程電極折斷原因，并提出相關(guān)的技術(shù)要點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)及節(jié)能降耗提供參考。
關(guān)鍵詞：鋼鐵冶金；LF鋼包精煉；石墨電極；節(jié)能降耗
1 引言
鋼包精煉爐生產(chǎn)中，通過(guò)石墨電極對(duì)鋼水加熱實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償。石墨電極的消耗占總生產(chǎn)成本的15%—20%，由于電極價(jià)格市場(chǎng)出現(xiàn)波動(dòng)，當(dāng)其價(jià)格上漲時(shí)，這一消耗占比進(jìn)一步增加。石墨電極的消耗包括正常條件下的燒損和剝落，以及非正常的電極折斷。一旦電極發(fā)生折斷將導(dǎo)致一根甚至幾根電極直接報(bào)廢，損失巨大。同時(shí)發(fā)生電極折斷時(shí)，處理難度很大，導(dǎo)致工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度增大，甚至生產(chǎn)中斷，更有甚者，因處理不當(dāng)引發(fā)人員傷亡事故。由此可見(jiàn)，電極折斷危害極大，必須設(shè)法減少和避免此類事故。
2 電極折斷的原因
鋼包精煉爐生產(chǎn)中石墨電極的折斷主要是在各種機(jī)械力作用下，電極接頭等薄弱處發(fā)生斷裂。
2.1電極薄弱處的形成原因
電極折斷的根本原因在于電極存在薄弱處。每相電極均是由2至3段通過(guò)螺紋連接而成，接合處由于存在材料的非連續(xù)性，其抗折強(qiáng)度小于其它部位，從而形成薄弱處。由于運(yùn)輸、安裝、使用等環(huán)節(jié)發(fā)生碰撞導(dǎo)致?lián)p傷，常使電極在安裝前即出現(xiàn)可見(jiàn)或不可見(jiàn)的裂紋等缺陷，進(jìn)一步降低了電極接頭強(qiáng)度，增大了生產(chǎn)中折斷的可能性。如圖1所示，電極安裝不當(dāng)，接口處有雜物、接頭未對(duì)正或未擰緊導(dǎo)致連接處存在縫隙，導(dǎo)致相連的電極間存在很大的接觸電阻，冶煉時(shí)由于巨大電流的作用，電極接頭及相連的兩根電極接觸處產(chǎn)生高溫進(jìn)而發(fā)生燒蝕；或者冶煉中產(chǎn)生的火焰進(jìn)入縫隙處，使縫隙周邊部分被進(jìn)一步蝕損，使本來(lái)就薄弱的接合處強(qiáng)度進(jìn)一步降低。
圖1冶煉中存在縫隙的電極接口燒蝕
2.2作用于電極的機(jī)械力分析
2.2.1冶煉中產(chǎn)生的電動(dòng)力
鋼包精煉爐冶煉中電極系統(tǒng)存在數(shù)萬(wàn)安培的巨大電流。如圖2所示，由于電磁感應(yīng)作用，在電極、導(dǎo)電橫臂間產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力。該力方向背向極心圓指向爐墻，外側(cè)電極（A相和C相）的具有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；中相（B相）電極具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)[1]，電極的這種運(yùn)動(dòng)加之鋼液面上爐料分布不均勻，甚至由于渣面結(jié)殼，電極直接插入鋼水中，使電極上電壓、電流大幅波動(dòng)，進(jìn)而又使電動(dòng)力不斷發(fā)生變化，這種循環(huán)作用最終使整個(gè)電極系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的震動(dòng)，如果電極橫臂發(fā)生的機(jī)械振動(dòng)頻率與電磁力振動(dòng)頻率接近或同步，就會(huì)使電極發(fā)生共振作用，使整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)大幅度加劇，使電極接頭反復(fù)產(chǎn)生微量的彎曲，導(dǎo)致電極發(fā)生疲勞折斷。
電極系統(tǒng)產(chǎn)的電動(dòng)力震動(dòng)往往又因與電極自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)相疊加而進(jìn)一步加劇。電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)電極系統(tǒng)上電壓、電流的分析使電弧加熱電流始終保持在設(shè)定電流點(diǎn)的附近，以達(dá)到控制加熱速度的目[2]。劇烈波動(dòng)的電壓、電流使得電極不斷上下運(yùn)動(dòng)調(diào)整，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)烈震動(dòng)。
圖2冶煉中電極所受電動(dòng)力
2.2.2 冶煉中渣層的影響
鋼液面上渣層分布對(duì)前文所述電動(dòng)力產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，渣層熔化充分，黏度適中，且具有一定發(fā)泡效果時(shí)，埋弧效果好，電流、電壓均較為穩(wěn)定，電極幾乎不進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定。當(dāng)頂渣黏度過(guò)大時(shí)，在底吹氬氣的攪拌的作用下，渣面隨之波動(dòng)，由于頂渣黏度過(guò)大，流動(dòng)變形較為困難，不能及時(shí)復(fù)位，電極頭部易離開渣層，或與鋼液接觸，起不到充分的埋弧作用。當(dāng)頂渣黏度過(guò)低時(shí)，渣面波動(dòng)過(guò)于活躍，也不能充分埋弧。同時(shí)黏度過(guò)低的頂渣一般也更難以具有足夠的發(fā)泡性，渣層厚度較薄，埋弧效果不足。
通常，在轉(zhuǎn)爐出鋼后，在鋼液面上加入白灰、螢石等渣料，這些爐料經(jīng)底吹高壓氬氣翻騰作用后往往仍然不能均勻的分布在鋼液面上，有時(shí)甚至在鋼液面上成堆分布；由于成本限制，一般作為精煉爐渣料均為組分較為簡(jiǎn)單的物質(zhì)，而很少采用價(jià)格較高的鋁酸鈣合成渣，如石灰塊主要成分為CaO，其熔點(diǎn)較高，在鋼水溫度（1500-1600℃）下不能熔化，因此在沒(méi)有熱渣頂兌的爐次，鋼液面上還常常形成一層堅(jiān)硬的渣殼，這層渣殼導(dǎo)電率與鋼水存在很大差異，同時(shí)阻礙了電極的正常自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)，在電極插入渣殼而又無(wú)法完全破開渣殼的階段，電極系統(tǒng)產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)可直接將頭部被渣殼固定住了的電極折斷。
2.2.3 其它機(jī)械外力
生產(chǎn)中由于各種原因，石墨電極往往因遭受各種外力的沖擊碰撞而折斷。因精煉所用鋼包包沿一側(cè)沾有渣、鋼等雜物，爐蓋降下后向一側(cè)傾斜，這時(shí)降下電極冶煉，電極就會(huì)被傾斜的爐蓋別斷，這種情況比較常見(jiàn)，而且往往造成三相電極同時(shí)折斷，必須特別注意。電極、導(dǎo)電橫臂、爐蓋系統(tǒng)存在變形、卡頓或松動(dòng)，可能在降電極時(shí)將電極碰斷?；姌O過(guò)程中，吊起的電極沒(méi)有準(zhǔn)確對(duì)中，當(dāng)夾持器夾緊時(shí)也可能將電極折斷?；姌O過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)電極就會(huì)被鋼包撞斷。
3電極折斷的預(yù)防措施
通過(guò)對(duì)鋼包精煉爐生產(chǎn)過(guò)程電極折斷原因分析結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，就電極安裝前的保護(hù)、電極的正確安裝、冶煉中的操作方法三個(gè)方面提出以下預(yù)防措施。
3.1電極安裝前的保護(hù)
電極安裝前做好保護(hù)，避免碰撞。吊運(yùn)前認(rèn)真確認(rèn)吊具可靠、連接牢固，吊運(yùn)過(guò)程保證天車穩(wěn)步慢行，未擰接前應(yīng)保留電極接頭保護(hù)套。
3.2電極的正確安裝
安裝電極前，應(yīng)認(rèn)真吹掃電極接口處，保證接口處無(wú)任何雜物。擰接時(shí)發(fā)生錯(cuò)扣，應(yīng)重新安裝，不應(yīng)繼續(xù)強(qiáng)行擰緊。安裝后電極接口處不應(yīng)有縫隙。
可在電極吊具上安裝彈簧緩沖裝置，如圖3所示，保證天車配合不當(dāng)時(shí)，對(duì)電極的保護(hù)。
由于各種原因，實(shí)際生產(chǎn)中可能存在同時(shí)使用不同廠家電極情況，在電極安裝中應(yīng)盡量保證一項(xiàng)使用的各根電極為統(tǒng)一廠家，統(tǒng)一型號(hào)的產(chǎn)品，避免性能不同的電極間出現(xiàn)熱膨脹率、強(qiáng)度、密度、尺寸不統(tǒng)一，或接口配合不良等問(wèn)題增加電極接口處的折斷風(fēng)險(xiǎn)。
圖3 帶有彈簧緩沖裝置的電極吊具
3.2冶煉中的操作方法
3.2.1 針對(duì)頂渣結(jié)殼的處理措施
鋼水到站接通氬氣管后，應(yīng)打開高壓底吹將鋼液面渣殼頂破，并促使未融化的爐料盡量分布均勻，如因精煉前等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因?qū)е略娼Y(jié)殼，甚至少量鋼液從渣殼破口處溢出結(jié)成鋼殼。針對(duì)此問(wèn)題，可補(bǔ)加一定的石灰、螢石等渣料，使鋼液面上形成比較均勻疏松的渣料層，在渣殼熔化前起到緩沖作用，防止電極受到過(guò)大的外力沖擊；如渣面已存在鋼殼，必須進(jìn)行渣料覆蓋，禁止盲目下電極操作。
3.2.2 穩(wěn)定起弧操作
開始冶煉時(shí)應(yīng)使用較小電流、電壓，平穩(wěn)起弧，待爐料初步融化，達(dá)到一定埋弧效果時(shí)先提高電流到正常水平，使用短弧加熱，利用短弧加快電極燒蝕，產(chǎn)生一定量的Co氣體，以幫助埋弧，至埋弧穩(wěn)定時(shí)方可提高電壓、降低電流使用長(zhǎng)弧加熱，以減少電極消耗和鋼水增碳。
3.2.3 加強(qiáng)底吹氬氣及過(guò)程渣況控制
通過(guò)底吹氬氣對(duì)鋼液、頂渣進(jìn)行攪拌是鋼包精煉爐的基本功能之一。較大的氬氣量可實(shí)現(xiàn)鋼、渣的充分接觸，可利用鋼液的物理熱幫助化渣，也可使熔化的各種渣料快速混合，從而提高化渣速度。但是，過(guò)大的氬氣量導(dǎo)致與電極直接接觸的鋼、渣具有過(guò)大的動(dòng)能，直接沖擊電極；并導(dǎo)致渣面劇烈波動(dòng)，電弧裸露及電極升降調(diào)節(jié)的頻繁、大幅度動(dòng)作，從而增加電極折斷的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)對(duì)冶煉噪音及電極升降幅度、頻率進(jìn)行人工或自動(dòng)分析進(jìn)而了解爐內(nèi)渣況。人工分析方法為，噪音大、清脆、明亮，表明埋弧效果差，可能為渣層過(guò)薄，渣流動(dòng)性過(guò)強(qiáng)，過(guò)底吹氬氣過(guò)大，應(yīng)盡快利用加熱間隙進(jìn)行確認(rèn)，查明具體原因，并采取相應(yīng)措施。噪音總體過(guò)于沉悶，并伴有周期性的較大噪音，表明渣過(guò)黏，總體埋弧較好，但在冶煉產(chǎn)生的Co及底吹氬氣積累到一定量時(shí)，集中突破渣層，導(dǎo)致周期性、暫時(shí)性的電弧裸露。當(dāng)噪音較為沉悶，長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，表明渣況、底吹均較為合理。
3.2.4 避免及減輕外力作用
冶煉時(shí)不得向爐內(nèi)投入超規(guī)格大塊物料，防止下電極時(shí)，電極與大塊物料碰撞導(dǎo)致折斷。
要特別注意鋼包包沿處粘鋼、粘渣情況，應(yīng)在每次座包后進(jìn)行專門確認(rèn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)所用鋼包包沿沾有較多雜物時(shí)應(yīng)特別注意，降下?tīng)t蓋后如發(fā)現(xiàn)爐蓋傾斜，可將爐蓋略微提升以保證爐蓋平正，并及時(shí)通知相關(guān)人員處理該鋼包。
經(jīng)常檢查電極系統(tǒng)各種機(jī)械、電氣裝置，冶煉中注意電極、導(dǎo)電橫臂、爐蓋系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)變形、卡頓或松動(dòng)及時(shí)維修。
滑電極過(guò)程中必須精確指揮天車，保證電極準(zhǔn)確對(duì)中后方可加緊。
滑電極后必須認(rèn)真確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)電極過(guò)長(zhǎng)必須及時(shí)處理。
4 結(jié)論
鋼包精煉爐生產(chǎn)中石墨電極的折斷主要原因是內(nèi)、外各種機(jī)械力作用。通過(guò)做好電極安裝前的保護(hù)，正確安裝，優(yōu)化冶煉操作，特別是穩(wěn)定冶煉初期起弧及化渣工況，確保渣況、底吹氬氣控制滿足精煉要求，及時(shí)維護(hù)設(shè)備等措施，電極折斷事故是可以預(yù)防的。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬亞剛,史建宏,劉征.LF爐煉鋼過(guò)程中電極折斷現(xiàn)象的分析[J].工業(yè)加熱,2012,41(4):9
[2] 肖勇.LF鋼包精煉爐電極調(diào)節(jié)器原理及應(yīng)用[J].云南冶金，2006，35(201):68