VAR爐電氣故障原因分析及處理

周健

摘 要：隨著工業發展，對高品質金屬材料的需求也越來越多。由于VAR爐清潔度較高，在熔鑄過程中能較好改善金屬內部結構和成份均勻性，所以對最終產品質量要求較高的領域正逐步開始大量應用VAR爐生產的鈦及鈦合金等產品。目前我國的航空，國防，醫學和核工業等領域用鈦的發展在很大程度上得力于VAR爐設備的使用與真空電弧重熔Vacuum Arc Remelting（VAR）爐熔煉技術的進步。在VAR爐使用過程中如何最大限度地延長VAR爐的使用壽命，減少故障率，保證其高效安全運轉成為人們最為關心的問題之一。該文主要就在VAR爐使用過程中碰到的電氣故障原因進行分析，并提出處理措施。

關鍵詞：VAR爐 電氣故障 晶閘管 預防措施 分析處理

中圖分類號：TF066 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0060-03

由于鈦的化學活性較低，使得鈦及以鈦為主要元素的合金化合物在進行熔鑄時無法應用如黑色金屬一類的常規操作方法。目前應用的鈦及鈦合金熔鑄方法除真空感應熔鑄、電渣熔鑄、電子束和等離子冷床爐熔鑄外最主要的應用方法就是真空自耗電弧熔鑄，簡稱VAR。采用VAR法進行熔鑄最大的優點是可以節約成本，并最大程度地提高金屬性能，而且VAR爐的操作較為簡便，可以較好地穩定控制產品質量，因此廣泛地應用在航空航天等材料制作過程中。雖然VAR爐具有許多的優點，但在工業化應用中依然存在問題，必須尋找方法加以有效控制。

1 VAR技術淺析

VAR爐主要由7部分組成，分別為：真空系統、直流電源、自動及手動控制系統、穩弧攪拌系統、檢測和自動記錄系統、電極驅動機械系統、銅坩堝及冷卻循環系統。VAR技術應用的一般流程為：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。

VAR爐及其電氣特點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。電極驅動系統主要由電機及機械傳動部分組成，在使用過程中能非常精準地控制熔速。另外穩弧系統避免了雜散電場的不對稱性對熔池的影響，改善金屬成份的均勻性，較好地控制產品質量。

2 實例分析

以VAR爐使用過程中出現的故障為例，探究VAR爐電氣故障的原因及處理措施。

2.1 故障現象

VAR爐在正常熔煉過程中，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，此時從設備上未發現任何異常現象，也并沒有收到報警提示。熔煉仍在繼續進行，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，假設為水冷電纜線損壞導致故障發生。根據故障發生后所表現出的現象，可以先假設推斷為水冷電纜線某處被燒斷或連接處接觸不良。通過對整套系統中的水冷電纜線的分析，選擇其中最容易被燒斷的4根電纜進行檢查，采用機械旋動和檢測外部磁場的方法對4根水冷電纜線進行逐條檢查判斷，判斷3根電纜并未被燒斷。

第二，假設整流電源故障。對最有可能出現故障的整流柜中的整流元件及控制板進行檢查判斷，如圖1。

在判斷分析過程中我們逐個檢查整流單元的元件，發現有3只可控硅異常，表現為可控硅兩端電壓為零（在正常熔煉工作中的可控硅，用萬用表直流電壓檔測量應有40 V電壓）。在停機后，針對該3只可控硅整流回路進行重點檢查，發現其中有兩只可控硅的快速熔斷器已經損壞，另外有一只可控硅經測量為控制極與陰極反向短路，判斷其也已損壞。除去這3個原件外，其余都未發現異常。除此之外又單獨對整流控制單元板元件進行了測試，按照其使用說明用其控制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，觸發信號正常，可以排除因控制單元板發生故障造成的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，重新啟動設備，在熔煉過程中無故障跡象，熔煉電流穩定工作在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檢測很重要。即經常觀查整流變壓器網側的三相電流是否平衡，當出現三相電流不平衡時，就意味著設備的主回路系統及其控制系統有故障（既少相整流，現象為設備達不到額定輸出狀態）。產生此種現象的原因較多。下面就其中幾項進行說明。

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

導致可控硅性能劣化損壞的另外一個主要因素是通態壓降損耗及連接損耗共同產生熱影響的結果。流過電流大的支路，會使可控硅結溫度超過最高允許的125 ℃而損壞，實踐證明可控硅器件的表面溫度最高不宜超過65 ℃。經綜合分析：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熱損壞占30%，因其他原因（過電壓、過電流或瞬態沖擊等）損壞的占10%。

多并聯可控硅不均流超過標準后，將致使整流器內磁場分布越來越不均勻，從而引起漏磁場局部集中現象加重，造成整流器內渦流損耗和雜散損耗增加。不斷增加的內渦流損耗和雜散損耗表現在可控硅內部為熱損，可加速可控硅老化，造成最終損壞。

（2）晶閘管本身損壞：晶閘管一般在正常使用條件下不易損壞，但使用日久難免發生。此時可用備件晶閘管更換。晶閘管損壞有3種現象，即主體擊穿、斷路和門極擊穿或斷路。具體檢測方法為斷開晶閘管的一端后，用萬用表電阻擋檢測晶閘管陽極和陰極兩端電阻值，正常應為無窮大。用萬用表電阻擋檢測晶閘管門極和陰極兩端電阻值，正常應在10～20 Ω左右。