精煉爐水冷電纜固定底板發熱問題的解決

(邢臺鋼鐵有限責任公司煉鋼廠，河北 邢臺 054027)

煉鋼廠精煉爐是生產特種鋼、精品鋼等高端鋼種的關鍵環節。精煉設備通過對鋼水進行大電流加熱及精煉處理可以使得鋼水品質有本質的提升，其中對鋼水加熱的大電流核心設備為變壓器、短網等部件。短網部件包括大電流撓性水冷電纜、導電橫臂及電極夾。短網部位設備在生產中通過上萬安培的電流，一旦出現問題，將會導致設備發熱，甚至造成設備重大損壞，對生產構成較大的影響。某煉鋼廠的3號精煉爐，在使用中發現C相水冷電纜在變壓器二次側固定處出現異常發熱的情況，對生產構成了隱患。文章以煉鋼廠3號精煉爐C相水冷電纜固定底板發熱的異常情況為例，介紹了該異常情況的解決過程，為該較為罕見的異常情況提供了解決方法與思路。

1 精煉爐短網系統簡介

某鋼廠3號精煉爐變壓器額定容量為16 000 kVA，額定電壓36 500/285V，額定電流32 410 A。變壓器低壓側采用內封三角形出線方式，如圖1所示。

圖1 變壓器低壓側出線方式

3號精煉爐短網主要由變壓器低壓側三角形布置的每相4根Φ65 mm水冷銅柱端子、12根Φ65 mm，長710 mm水冷補償器、12根Φ65 mm水冷銅管、6根Φ125 mm,長6 600 mm水冷電纜及3相導電橫臂、電極夾組成。結構形式見圖2。

圖2 精煉爐短網結構圖

其中9號部位的水冷電纜固定部件連接水冷電纜端面與水冷銅管端子端面，使用50 mm厚環氧樹脂絕緣為基礎，保證電纜通電部位與金屬支架之間的絕緣良好。水冷電纜質量較重，單根為317 kg，為了增加電纜安裝后的強度，在絕緣板與水冷端子的端面之間敷設4 mm后C型不銹鋼鋼板，鋼板扣在絕緣板表面，在鋼板背面中間部位進行焊接不銹鋼拉筋，以增強鋼板本身強度。鋼板與絕緣板之間使用不銹鋼螺栓緊固，將水冷電纜端面、水冷銅管端面及絕緣板、鋼板連接在一起，如圖3所示。

圖3 連接示意圖

2 問題現象

某鋼廠3號精煉爐2019年2月份的一次夜班生產加熱過程中，崗位人員發現C相水冷電纜與水冷端子固定處有打火現象。隨即通知維修人員，維修人員之后進行了拆檢，拆檢后發現水冷電纜與水冷銅端子接觸面都存在電擊燒蝕造成的大量深淺不一的坑洞，同時不銹鋼固定底板存在高溫變色、變形的情況，絕緣板外表有高溫灼燒形成的變色痕跡。針對故障現象初步判斷為固定水冷電纜的不銹鋼螺栓松動造成接觸面不良，在生產過程中大電流通過造成表面燒蝕嚴重。

為了避免事故進一步擴大，維修人員對水冷電纜及水冷銅端子進行了拆除并送機加工對接觸面進行了銑床加工，保障接觸面的平整光滑。對變形的不銹鋼底板、絕緣板進行了更換。上述工作累計造成停產3天。全部重新安裝完畢后進行了生產跟蹤，未出現打火的情況。使用紅外點溫槍對固定螺栓進行測溫，溫度在40 ℃左右，未見異常。

之后在連續跟蹤使用過程中，維修點檢人員偶爾聽到茲茲的聲音，未能明確發出聲音部位。維修人員利用檢修時間對整個變壓器、短網等各部位緊固之處進行了檢查緊固，未能發現明顯松動的部位。

在4月初為了更為直觀檢查高壓設備等關鍵設備的運行狀態和潛在隱患，新購進紅外成像儀替代常規的點溫槍對設備進行檢測。在對3號精煉爐短網的檢查中，發現C相水冷電纜固定底板溫度異常，尤其在不銹鋼底板中間位置。相較A、B兩相水冷電纜不銹鋼底板高了100 ℃左右，隨著電極加熱時間越長，該部位溫度持續升高，但是水冷電纜固定的螺栓溫度并不高，只有40～50 ℃，說明并不是螺栓松動造成的接觸不良導致的溫度升高。如圖4所示。

圖4 設備測溫裝置

之后對整個短網系統進行紅外成像觀察未發現明顯異常之處。因此懷疑事故原因是由于不銹鋼固定底板的材質不佳，導致在強電磁場環境中感應渦流發熱嚴重。為此重新制作316L不銹鋼固定底板一塊，使用磁鐵對新加工底板進行吸附試驗，在平面位置磁性幾乎可以忽略，在中間加強筋的焊接部位可以感受到微弱的磁性。對在線使用的底板進行試驗，中間焊接部位也可以感受到微弱磁性，因此可判斷應該不是材質導致的發熱。

新制作的底板安裝后的測溫中溫度依然居高不下也證實了確實非底板材質所致，如圖5所示。

圖5 底板測溫

3 問題分析及解決過程

排除了螺栓松動、底板材質的因素后，在未能明確原因的情況下，為了保證生產的連續性，維修人員對該設備實行了重點點檢維護。

在此期間有技術人員提出將固定底板兩側自上而下開豁口，降低感應渦流的影響，但是這種辦法只是權宜之計，不能從根本上解決問題，同時還會降低底板強度,故未采納。

又有技術人員提出，可能是接地系統不佳影響了電磁場均布，造成局部感應較強。對此，維修人員對整個短網及變壓器的接地情況進行了檢查，對接地阻值進行了測量，阻值為0.1Ω，符合要求。

之后將重點聚焦在水冷電纜及水冷補償器上。水冷電纜及水冷補償器在線使用已經長達10年，外表全部為橡膠層，中間通過冷卻水的形式。一旦內部出現問題極有可能造成阻值不平衡，電流不平衡，進而形成不平衡的電磁場，造成局部感應過熱。

基于上述分析，如何判斷水冷電纜或是補償器出現問題實際上卻是很困難，一方面生產還在連續進行，如果在線測量水冷電纜或是補償器的內阻，是不準確的。如果拆下測量，勢必影響生產進行，尤其是補償器的拆除需要將變壓器拉出原位才能進行拆裝，至少需要3天時間，造成損失較大。

對此煉鋼廠一方面重新設計定制了新型易拆裝補償器，另一方面陸續開始更換水冷電纜，利用檢修空隙先后完成了三相六根水冷電纜更換，每次更換完畢后都進行了熱成像觀察，底板發熱情況沒有改觀。更換下來的水冷電纜進行拆檢，外表橡膠雖然有老化裂紋情況，但內部銅絲沒有斷裂等異常情況。

在隨后的持續跟蹤中不銹鋼固定底板中間位置的溫度一直居高不下。

同時發現C相水冷電纜銅管的水溫也逐漸出現較AB兩相高10 ℃的異常情況。針對此情況，檢修時對水冷銅管的進出水進行了吹掃，發現從內部吹出不少黑色銅絲粉末等雜質。在一次長時間加熱使用成像儀測溫時，發現多根補償器表面溫度不一致情況，判斷為補償器內部出現異常所導致。

此后重點對補償器進行成像跟蹤，發現補償器表面橡膠套管溫度不一致部位愈發嚴重，如圖6所示。

圖6 補償器表面溫度測量

在新型水冷電纜補償器到貨后，對在線的12根水冷電纜補償器進行了更換。更換下來補償器進行了拆檢，發現內部連接銅網基本處于嚴重腐蝕老化狀態，部分內部由于高溫燒損發黑嚴重，同時銅網之間堵塞嚴重，也是造成冷卻效果差，在生產過程中大電流通過發熱愈發嚴重，形成惡性循環。

補償器全部更換完畢后，生產過程中使用成像儀測溫，發現不銹鋼固定底板溫度已經大幅下降，與A/B兩相對比一致，如圖7所示。補償器本體不再出現溫度不均的情況，見圖8。

圖7 不銹鋼固定底板溫度測量

圖8 補償器溫度測量

加熱時水冷銅管部位的震動消失，以往出現的異常聲音也消除，整個短網系統恢復了正常狀態，該隱患得到了徹底消除。

4 結 論

(1)本次底板異常發熱的根本原因在于水冷補償器的內部損壞造成。因此當精煉爐大電流短網系統出現類似問題時，應考慮相關設備的電流不平衡造成的電磁場異常感應的因素，并排查相關設備。

(2)對于水冷電纜及補償器可以考慮進行相關電流檢測，提前發現異常，避免隱患的持續發展最終導致其他鋼廠發生不銹鋼底板中部因溫度過高燒斷。

(3)回顧事故最初發生時，在打火情況之前底板應該已經開始溫度升高，繼而變形松動造成接觸不良的故障發生。因使用點溫槍只能對個別點位例如螺栓進行測溫，如果類似上述問題，測量螺栓溫度正常情況下，會遺漏其他部位的測量。因此有條件的電氣測溫建議使用熱成像儀較為全面可靠，避免遺漏異常點。