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)實踐，分析鋼包精煉過程電極折斷原因，并提出相關(guān)的技術(shù)要點，為實現(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，通過石墨電極對鋼水加熱實現(xiàn)熱補償。石墨電極的消耗占總生產(chǎn)成本的15%—20%，由于電極價格市場出現(xiàn)波動，當(dāng)其價格上漲時，這一消耗占比進一步增加。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廢，損失巨大。同時發(fā)生電極折斷時，處理難度很大，導(dǎo)致工作人員勞動強度增大，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，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，其抗折強度小于其它部位，從而形成薄弱處。由于運輸、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)可見或不可見的裂紋等缺陷，進一步降低了電極接頭強度，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)生高溫進而發(fā)生燒蝕；或者冶煉中產(chǎn)生的火焰進入縫隙處，使縫隙周邊部分被進一步蝕損，使本來就薄弱的接合處強度進一步降低。
圖1冶煉中存在縫隙的電極接口燒蝕
2.2作用于電極的機械力分析
2.2.1冶煉中產(chǎn)生的電動力
鋼包精煉爐冶煉中電極系統(tǒng)存在數(shù)萬安培的巨大電流。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)生強大的電動力。該力方向背向極心圓指向爐墻，外側(cè)電極（A相和C相）的具有向外運動的趨勢；中相（B相）電極具有向下運動的趨勢[1]，電極的這種運動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，進而又使電動力不斷發(fā)生變化，這種循環(huán)作用最終使整個電極系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的震動，如果電極橫臂發(fā)生的機械振動頻率與電磁力振動頻率接近或同步，就會使電極發(fā)生共振作用，使整個系統(tǒng)振動大幅度加劇，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)的電動力震動往往又因與電極自動調(diào)整運動相疊加而進一步加劇。電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過計算機對電極系統(tǒng)上電壓、電流的分析使電弧加熱電流始終保持在設(shè)定電流點的附近，以達到控制加熱速度的目[2]。劇烈波動的電壓、電流使得電極不斷上下運動調(diào)整，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)的強烈震動。
圖2冶煉中電極所受電動力
2.2.2 冶煉中渣層的影響
鋼液面上渣層分布對前文所述電動力產(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，埋弧效果好，電流、電壓均較為穩(wěn)定，電極幾乎不進行升降調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定。當(dāng)頂渣黏度過大時，在底吹氬氣的攪拌的作用下，渣面隨之波動，由于頂渣黏度過大，流動變形較為困難，不能及時復(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)頂渣黏度過低時，渣面波動過于活躍，也不能充分埋弧。同時黏度過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單的物質(zhì)，而很少采用價格較高的鋁酸鈣合成渣，如石灰塊主要成分為CaO，其熔點較高，在鋼水溫度（1500-1600℃）下不能熔化，因此在沒有熱渣頂兌的爐次，鋼液面上還常常形成一層堅硬的渣殼，這層渣殼導(dǎo)電率與鋼水存在很大差異，同時阻礙了電極的正常自動調(diào)整運動，在電極插入渣殼而又無法完全破開渣殼的階段，電極系統(tǒng)產(chǎn)生的劇烈震動可直接將頭部被渣殼固定住了的電極折斷。
2.2.3 其它機械外力
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，這時降下電極冶煉，電極就會被傾斜的爐蓋別斷，這種情況比較常見，而且往往造成三相電極同時折斷，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，可能在降電極時將電極碰斷。滑電極過程中，吊起的電極沒有準(zhǔn)確對中，當(dāng)夾持器夾緊時也可能將電極折斷。滑電極過長，轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臺時電極就會被鋼包撞斷。
3電極折斷的預(yù)防措施
通過對鋼包精煉爐生產(chǎn)過程電極折斷原因分析結(jié)合生產(chǎn)實踐，就電極安裝前的保護、電極的正確安裝、冶煉中的操作方法三個方面提出以下預(yù)防措施。
3.1電極安裝前的保護
電極安裝前做好保護，避免碰撞。吊運前認真確認吊具可靠、連接牢固，吊運過程保證天車穩(wěn)步慢行，未擰接前應(yīng)保留電極接頭保護套。
3.2電極的正確安裝
安裝電極前，應(yīng)認真吹掃電極接口處，保證接口處無任何雜物。擰接時發(fā)生錯扣，應(yīng)重新安裝，不應(yīng)繼續(xù)強行擰緊。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，對電極的保護。
由于各種原因，實際生產(chǎn)中可能存在同時使用不同廠家電極情況，在電極安裝中應(yīng)盡量保證一項使用的各根電極為統(tǒng)一廠家，統(tǒng)一型號的產(chǎn)品，避免性能不同的電極間出現(xiàn)熱膨脹率、強度、密度、尺寸不統(tǒng)一，或接口配合不良等問題增加電極接口處的折斷風(fēng)險。
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，如因精煉前等待時間過長等原因?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。針對此問題，可補加一定的石灰、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，防止電極受到過大的外力沖擊；如渣面已存在鋼殼，必須進行渣料覆蓋，禁止盲目下電極操作。
3.2.2 穩(wěn)定起弧操作
開始冶煉時應(yīng)使用較小電流、電壓，平穩(wěn)起弧，待爐料初步融化，達到一定埋弧效果時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)定時方可提高電壓、降低電流使用長弧加熱，以減少電極消耗和鋼水增碳。
3.2.3 加強底吹氬氣及過程渣況控制
通過底吹氬氣對鋼液、頂渣進行攪拌是鋼包精煉爐的基本功能之一。較大的氬氣量可實現(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，過大的氬氣量導(dǎo)致與電極直接接觸的鋼、渣具有過大的動能，直接沖擊電極；并導(dǎo)致渣面劇烈波動，電弧裸露及電極升降調(diào)節(jié)的頻繁、大幅度動作，從而增加電極折斷的風(fēng)險。在實際生產(chǎn)中可通過對冶煉噪音及電極升降幅度、頻率進行人工或自動分析進而了解爐內(nèi)渣況。人工分析方法為，噪音大、清脆、明亮，表明埋弧效果差，可能為渣層過薄，渣流動性過強，過底吹氬氣過大，應(yīng)盡快利用加熱間隙進行確認，查明具體原因，并采取相應(yīng)措施。噪音總體過于沉悶，并伴有周期性的較大噪音，表明渣過黏，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，集中突破渣層，導(dǎo)致周期性、暫時性的電弧裸露。當(dāng)噪音較為沉悶，長時間保持穩(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
冶煉時不得向爐內(nèi)投入超規(guī)格大塊物料，防止下電極時，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)在每次座包后進行專門確認，當(dāng)發(fā)現(xiàn)所用鋼包包沿沾有較多雜物時應(yīng)特別注意，降下爐蓋后如發(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、卡頓或松動及時維修。
滑電極過程中必須精確指揮天車，保證電極準(zhǔn)確對中后方可加緊。
滑電極后必須認真確認，發(fā)現(xiàn)電極過長必須及時處理。
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)、外各種機械力作用。通過做好電極安裝前的保護，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，及時維護設(shè)備等措施，電極折斷事故是可以預(yù)防的。
參考文獻
[1] 馬亞剛,史建宏,劉征.LF爐煉鋼過程中電極折斷現(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