VAR爐電氣故障原因分析及處理

周健

摘 要：隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)金屬材料的需求也越來(lái)越多。由于VAR爐清潔度較高，在熔鑄過(guò)程中能較好改善金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成份均勻性，所以對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域正逐步開(kāi)始大量應(yīng)用VAR爐生產(chǎn)的鈦及鈦合金等產(chǎn)品。目前我國(guó)的航空，國(guó)防，醫(yī)學(xué)和核工業(yè)等領(lǐng)域用鈦的發(fā)展在很大程度上得力于VAR爐設(shè)備的使用與真空電弧重熔Vacuum Arc Remelting（VAR）爐熔煉技術(shù)的進(jìn)步。在VAR爐使用過(guò)程中如何最大限度地延長(zhǎng)VAR爐的使用壽命，減少故障率，保證其高效安全運(yùn)轉(zhuǎn)成為人們最為關(guān)心的問(wèn)題之一。該文主要就在VAR爐使用過(guò)程中碰到的電氣故障原因進(jìn)行分析，并提出處理措施。

關(guān)鍵詞：VAR爐 電氣故障 晶閘管 預(yù)防措施 分析處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TF066 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0060-03

由于鈦的化學(xué)活性較低，使得鈦及以鈦為主要元素的合金化合物在進(jìn)行熔鑄時(shí)無(wú)法應(yīng)用如黑色金屬一類(lèi)的常規(guī)操作方法。目前應(yīng)用的鈦及鈦合金熔鑄方法除真空感應(yīng)熔鑄、電渣熔鑄、電子束和等離子冷床爐熔鑄外最主要的應(yīng)用方法就是真空自耗電弧熔鑄，簡(jiǎn)稱(chēng)VAR。采用VAR法進(jìn)行熔鑄最大的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約成本，并最大程度地提高金屬性能，而且VAR爐的操作較為簡(jiǎn)便，可以較好地穩(wěn)定控制產(chǎn)品質(zhì)量，因此廣泛地應(yīng)用在航空航天等材料制作過(guò)程中。雖然VAR爐具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但在工業(yè)化應(yīng)用中依然存在問(wèn)題，必須尋找方法加以有效控制。

1 VAR技術(shù)淺析

VAR爐主要由7部分組成，分別為：真空系統(tǒng)、直流電源、自動(dòng)及手動(dòng)控制系統(tǒng)、穩(wěn)弧攪拌系統(tǒng)、檢測(cè)和自動(dòng)記錄系統(tǒng)、電極驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)、銅坩堝及冷卻循環(huán)系統(tǒng)。VAR技術(shù)應(yīng)用的一般流程為：混料—壓制電極—電極焊接成自耗電極—熔煉—鑄錠表面處理—檢驗(yàn)。

VAR爐及其電氣特點(diǎn)是由硅整流變壓器和整流單元組合提供熔煉需要的DC電源，熔煉電壓為30～45 V。電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)部分組成，在使用過(guò)程中能非常精準(zhǔn)地控制熔速。另外穩(wěn)弧系統(tǒng)避免了雜散電場(chǎng)的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)熔池的影響，改善金屬成份的均勻性，較好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

2 實(shí)例分析

以VAR爐使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障為例，探究VAR爐電氣故障的原因及處理措施。

2.1 故障現(xiàn)象

VAR爐在正常熔煉過(guò)程中，熔煉電壓突然從30 V上升到32 V，熔煉電流從7 900 A下降至7 000 A，此時(shí)從設(shè)備上未發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，也并沒(méi)有收到報(bào)警提示。熔煉仍在繼續(xù)進(jìn)行，但熔煉速度有明顯下降。

2.2 故障排查和原因分析及處理

第一，假設(shè)為水冷電纜線(xiàn)損壞導(dǎo)致故障發(fā)生。根據(jù)故障發(fā)生后所表現(xiàn)出的現(xiàn)象，可以先假設(shè)推斷為水冷電纜線(xiàn)某處被燒斷或連接處接觸不良。通過(guò)對(duì)整套系統(tǒng)中的水冷電纜線(xiàn)的分析，選擇其中最容易被燒斷的4根電纜進(jìn)行檢查，采用機(jī)械旋動(dòng)和檢測(cè)外部磁場(chǎng)的方法對(duì)4根水冷電纜線(xiàn)進(jìn)行逐條檢查判斷，判斷3根電纜并未被燒斷。

第二，假設(shè)整流電源故障。對(duì)最有可能出現(xiàn)故障的整流柜中的整流元件及控制板進(jìn)行檢查判斷，如圖1。

在判斷分析過(guò)程中我們逐個(gè)檢查整流單元的元件，發(fā)現(xiàn)有3只可控硅異常，表現(xiàn)為可控硅兩端電壓為零（在正常熔煉工作中的可控硅，用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)量應(yīng)有40 V電壓）。在停機(jī)后，針對(duì)該3只可控硅整流回路進(jìn)行重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)其中有兩只可控硅的快速熔斷器已經(jīng)損壞，另外有一只可控硅經(jīng)測(cè)量為控制極與陰極反向短路，判斷其也已損壞。除去這3個(gè)原件外，其余都未發(fā)現(xiàn)異常。除此之外又單獨(dú)對(duì)整流控制單元板元件進(jìn)行了測(cè)試，按照其使用說(shuō)明用其控制36 V電路中燈泡，觀察其明亮程度，可以判斷出整流控制單元板基本正常，觸發(fā)信號(hào)正常，可以排除因控制單元板發(fā)生故障造成的VAR爐故障。

基于上述檢查情況，確定更換損壞熔斷器和可控硅。

在更換新的兩只快速熔斷器和一只晶閘管后，重新啟動(dòng)設(shè)備，在熔煉過(guò)程中無(wú)故障跡象，熔煉電流穩(wěn)定工作在8 500 A，可判斷故障基本排除。

2.3 整流元件損壞的原因分析

主回路晶閘管及其控制系統(tǒng)檢測(cè)很重要。即經(jīng)常觀查整流變壓器網(wǎng)側(cè)的三相電流是否平衡，當(dāng)出現(xiàn)三相電流不平衡時(shí)，就意味著設(shè)備的主回路系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)有故障（既少相整流，現(xiàn)象為設(shè)備達(dá)不到額定輸出狀態(tài)）。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因較多。下面就其中幾項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。

（1）晶閘管觸發(fā)不良：晶閘管在工作一定時(shí)期后有可能因其自身某些參數(shù)的改變，致本來(lái)可能觸發(fā)良好的到后來(lái)觸發(fā)不開(kāi)，形成少一相整流。此時(shí)可在該相晶閘管的脈沖觸發(fā)變壓器線(xiàn)路板盒 JDG-RCP 中的限流電阻 R1 上并接一電阻（50～100 Ω/2W）一試，其作用是加大觸發(fā)電流。

導(dǎo)致可控硅性能劣化損壞的另外一個(gè)主要因素是通態(tài)壓降損耗及連接損耗共同產(chǎn)生熱影響的結(jié)果。流過(guò)電流大的支路，會(huì)使可控硅結(jié)溫度超過(guò)最高允許的125 ℃而損壞，實(shí)踐證明可控硅器件的表面溫度最高不宜超過(guò)65 ℃。經(jīng)綜合分析：自耗爐整流可控硅因橋臂均流惡化造成的損壞占60%，因冷卻水管路端部被腐蝕堵塞致使可控硅過(guò)熱損壞占30%，因其他原因（過(guò)電壓、過(guò)電流或瞬態(tài)沖擊等）損壞的占10%。

多并聯(lián)可控硅不均流超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)后，將致使整流器內(nèi)磁場(chǎng)分布越來(lái)越不均勻，從而引起漏磁場(chǎng)局部集中現(xiàn)象加重，造成整流器內(nèi)渦流損耗和雜散損耗增加。不斷增加的內(nèi)渦流損耗和雜散損耗表現(xiàn)在可控硅內(nèi)部為熱損，可加速可控硅老化，造成最終損壞。

（2）晶閘管本身?yè)p壞：晶閘管一般在正常使用條件下不易損壞，但使用日久難免發(fā)生。此時(shí)可用備件晶閘管更換。晶閘管損壞有3種現(xiàn)象，即主體擊穿、斷路和門(mén)極擊穿或斷路。具體檢測(cè)方法為斷開(kāi)晶閘管的一端后，用萬(wàn)用表電阻擋檢測(cè)晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端電阻值，正常應(yīng)為無(wú)窮大。用萬(wàn)用表電阻擋檢測(cè)晶閘管門(mén)極和陰極兩端電阻值，正常應(yīng)在10～20 Ω左右。

（3）串接在各只晶閘管上的快速熔斷器損壞：一般此種故障很少發(fā)生，通常發(fā)生此種故障時(shí)，伴隨發(fā)生缺相報(bào)警。但當(dāng)使用日久時(shí)，在快速熔斷器上的斷相微動(dòng)開(kāi)關(guān)有可能因塵土等原因，在熔斷時(shí)不能動(dòng)作，致不發(fā)出報(bào)警信號(hào)使設(shè)備少相運(yùn)行，解決辦法為更換。少相故障還可用鉗形表做快速檢測(cè)，具體為用鉗形表卡測(cè)整流變壓器二次側(cè)至整流柜整流主回路間的銅母排電流是否基本相等，如某相無(wú)電流，即可判斷該相有故障。

2.4 預(yù)防措施

（1）經(jīng)常檢測(cè)冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。風(fēng)量減小將導(dǎo)致冷卻量不足，致使溫度檢測(cè)元件超溫動(dòng)作，使設(shè)備停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。產(chǎn)生的原因一般為冷風(fēng)流通部位塵埃的積量過(guò)大或某個(gè)風(fēng)機(jī)損壞。

（2）經(jīng)常檢測(cè)冷卻水管路是否暢通。水流量的減小導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻量不足，致設(shè)備超溫報(bào)警后停機(jī)。尤其水冷卻系統(tǒng)測(cè)溫元件多，每只晶閘管處及主回路雙孔銅排處都有，且都是并聯(lián)水路，局部的水路受阻既有可能發(fā)生上述報(bào)警過(guò)程。在冷卻水質(zhì)較差的情況下，將在水冷卻系統(tǒng)管路中迅速產(chǎn)生結(jié)垢或固體顆粒堆積過(guò)多等造成水流量下降致使設(shè)備超溫。經(jīng)常檢查冷卻水系統(tǒng)連接處狀況。因膠管兩端的連接水嘴所處電位不同，致其在設(shè)備運(yùn)行時(shí)通過(guò)水路產(chǎn)生一定的電流，使水嘴發(fā)生電解腐蝕，在冷卻水質(zhì)較差時(shí)，此現(xiàn)象將會(huì)非常迅速地發(fā)生。另外還應(yīng)經(jīng)常檢查水路中的膠管及卡緊膠管用的喉箍卡緊情況。

（3）整流變壓器閥側(cè)至整流柜的主回路銅排連接緊固性不良。此種現(xiàn)象導(dǎo)致銅排的連接部位發(fā)熱快速氧化，使連接部位更加接觸不良。具體表現(xiàn)為接觸部位發(fā)紅、打火，直流輸出狀態(tài)不穩(wěn)定；整流柜直流輸出回路銅排連接不良，現(xiàn)象同上，但對(duì)整流元件造成的過(guò)流發(fā)熱損壞更加嚴(yán)重。

（4）改善橋臂組件接觸電阻不良造成的影響：自耗爐整流柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，各支路間空隙小，可控硅的拆裝非常困難，可控硅組件各元器件難以定位、難以壓裝，造成可控硅壓裝質(zhì)量上的差異，引起同一橋臂可控硅的接觸電阻分散性大，導(dǎo)致橋臂均流情況較差。同時(shí)由于可控硅損壞率高，很難保證更換的可控硅在參數(shù)上與其他器件保持一致，使橋臂不均流現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致可控硅加速老化。均流與可控硅的壓降有關(guān)，壓降大小直接與熱損耗有關(guān)，熱損耗大，造成可控硅結(jié)溫度高，元件性能劣化加快。

（5）發(fā)生可控硅損壞不應(yīng)急于拆卸組件，應(yīng)對(duì)組件接觸電阻情況再確認(rèn)，看是否與組裝時(shí)測(cè)得接觸電阻發(fā)生變化與否，以便分析可控硅損壞原因。對(duì)拆卸的組件表面按安裝要求進(jìn)行表面處理，不能有原導(dǎo)電膏在上面。同時(shí)注意更換的快速熔斷器的電阻值必須符合要求，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致橋臂新的不均流發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)故障案例分析可以看出，對(duì)初期的水冷電纜燒斷的結(jié)論未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格分析，只對(duì)最容易發(fā)生腐蝕的3根進(jìn)行了檢驗(yàn)，未檢驗(yàn)其他，導(dǎo)致在故障處理過(guò)程中走了許多的彎路，在以后的故障處理工作中，必須吸取其中經(jīng)驗(yàn)，杜絕此類(lèi)現(xiàn)象的再次發(fā)生。通過(guò)此案例，使我們對(duì)VAR爐的工作原理，控制系統(tǒng)和主電路都有了較為明確的認(rèn)識(shí)，為以后的正常使用打下了較為堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，另外在故障調(diào)查過(guò)程中，要對(duì)故障原因進(jìn)行詳細(xì)分析，避免二次檢修的現(xiàn)象發(fā)生，以免造成人力以及物力的二次浪費(fèi)。

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