地坑式电加热退火炉故障处理

刘晓华

（宝钛集团有限公司 陕西宝鸡）

为满足退火产能不断增长的需求，公司新制造安装了一台地坑式电加热退火炉，该炉具有密封性好、炉温均匀度高、造价相对低廉等优点，主要用于消应力退火及压校型退火。该退火炉于2013年3月初完成安装调试投入试运行，经空炉标温达到±14℃厂控标准要求，但是在试运行期间发生加热体、电控元件频繁损坏退火料温未到工艺要求温度等问题造成退火过程中断，无法完成正常退火生产任务。

1.故障现象1

退火过程中频繁出现加热体引出极接地或烧断、2及5区无电流、加热体烧断、固态继电器损坏、400 A快熔断等现象，造成退火过程中断。

（1）原因分析

①加热体引出极接地或烧断。分析是由于炉丝与引出极焊接强度不够、炉丝引出极与炉体绝缘不好导致。

②炉底加热体烧断。由于装炉料件采用耐火砖间隔，尤其底部耐火砖承受重量大，吊装及高温时易碎，碎砖末掉入炉底板下造成加热体散热不良易烧断。

③固态继电器等电控元件损坏。由于升温时间长，电气元件发热严重，而且操作室温度高，升温时超过45℃，不利于电气元件散热，易造成电气系统过热保护或损坏。

（2）应对措施

①强化加热体引出极焊接质量，增加引出极与炉体绝缘措施。

②装炉时采用耐火砖垫料，要求底部采用厚度200 mm钢块，中间采用100 mm双面不锈钢复合板块间隔，杜绝碎砖末对底部加热体不良影响。

③操作间加装空调降低室内环境温度。

（3）效果

①增强了炉丝接头强度，减少了炉丝接头断路的故障率；增加了引出极绝缘强度，降低了引出极接地故障率。

②底部采用钢块垫料后，彻底杜绝了碎砖末对加热体影响，消除了底部加热体经常烧断现象，并大大减轻了炉工清理炉膛的工作量和劳动强度。

③操作室安装空调后，电控元件过温频繁损坏现象有所减少，但5区固态继电器及快熔损坏现象仍然时有发生。

图1 加热体功率分布图

2.故障现象2

上述改进措施虽解决了加热体引出极接地、电气元件散热不良损坏及底部加热体烧断的问题，但是侧墙加热体频繁烧断，5区电控元件损坏的加热体频繁烧断问题仍未解决。

（1）故障分析

从故障现象看，可以排除退火工艺、装炉量、热偶位置、环境温度等因素影响，经对侧墙加热体烧断情况汇总分析，侧墙烧断的加热体部位基本都是在公共极，尤其是2、5区引出公共极及固态继电器等电控元件频繁损坏，应考虑是否与电流过大超过元件额定电流造成过流损坏，因此，从加热体功率分布、加热体实际通过电流等方面查找原因。图1为加热体功率分布图，图1中地坑炉总功率900 kW，分为6个区，平均每个区功率在150 kW左右，其中2、5区位于炉体中部，功率较其他区略大10～20 kW，加热体连接为YY型接法，以减少相电流。

图2为加热体YY型接法示意图，表1为升温时各区电流表数值。由表1可见，升温时2、5区电流比其他区大30～40 A。

图2 加热体YY型接法示意图

表1 升温时各区电流表数值

采用空炉升温（不盖炉盖），观察各区侧墙加热体电流、温升状况。检查发现，在空炉升温至500℃左右时，2、5区加热体公共引出极工作异常，加热体发红程度明显超过正常（正常应该为暗红），分析原因如下：

①按照相电流180 A计算，分布到炉墙和炉底加热带的电流应为1/2相电流，即不超过90 A，公共引出极加热带的电流等同于相电流在140～180 A，但是从500℃公共极加热体发红程度判断通过电流至少在300 A以上，因此初步判断2、5区公共极电流过大是造成公共极加热体频繁烧断、固态继电器及快熔损坏的主要原因。

②地坑炉加热体组件为铁铬铝合金带（0Cr25Al5）绕制而成，截面为40 mm×4 mm，一般加热体发热功率要求不能超过1.4～1.7 W/cm2；检查地坑炉工作异常的公共极加热体是由三组40 mm×4 mm加热带叠焊在一起，并且公共极加热体与电极杆连接不良，电极杆连接处发热严重，加热带明显有过烧迹象，初步判定是由于叠焊焊接质量差及加热体与电极杆连接不良导致电流过大，加热带过烧易断。

（2）应对措施

针对公共极加热体电流大易烧断这一薄弱点，将各区公共引出极加热体更换为Φ18 mm耐热钢棒，其允许最大通过电流在200 A以上，不易烧断；耐热钢棒与加热带确保焊接可靠，耐热钢棒与引出电极连接采取在耐热钢棒处焊接25 mm×25 mm×3 mm的连接片，中间打孔通过螺栓与引出电极可靠连接，加大接触面积以减少接触电流。

（3）效果

上述改进后，空炉升温观察各处加热体工作正常，消除了500℃以上公共极加热体发红异常现象，并经过连续十炉退火试验，未再发生加热体及快熔、固态继电器等损坏情况。

3.故障现象3

设备硬件故障排除退火过程正常，各温控仪表按照设定退火工艺参数升温到位，保温，但是退火后材料颜色、板型等目视检查判断，明显未达到工艺设定温度（设定600℃，实际检测在300℃左右）

（1）原因分析

①热偶与加热体距离过近，加热体温度对热偶影响大。

②热偶安装位置偏高，热气流往上走，造成热偶周围空间到温快。

③料与料之间距离偏小（50 mm），影响热气流对流交换。

④退火工艺设定为600℃直升，热电偶测量的是空间温度，材料吸热需要一定的时间过程，空间温度到但是材料实际温度未达到。

（2）应对措施

①热偶与加热体交汇部分安装隔热陶瓷套管，减少加热体温度对热偶影响。

②采取更换直角偶的方式改变热偶安装位置偏高的弊端，使用直角偶将使热偶测温点下延400 mm。

③增加装炉料间距离（100 mm）。

④在退火工艺中增加350℃保温平台，并规定升温速率，要求不超过50℃/h，到达350℃保温3 h，延长材料吸热时间，提高材料温度。

（3）效果

采取以上措施后，经实际检测炉内各部实际料温均达到工艺设定温度值，完全满足生产工艺性能要求，图3为600℃成品退火增加350℃保温平台前后温度对比图。

4.结语

对于设备试运行中出现的各种故障排除完后并不代表故障处理的结束，要在了解设备原理基础上针对故障元件查找可能造成设备故障的直接和间接原因，进行整改或制订相应的预防措施，防止此类设备故障再发生，使设备处于良性运行状态，最大限度的降低设备故障率。设备工艺路线制订需采取设备硬件调试与技术工艺相结合的办法进行，要在通用技术工艺的基础上针对不同的设备性能状况制订不同的技术工艺参数。以电加热退火炉为例，由于电功率、加热体分布、有效空间、密封状况、装炉吨位的不同，应该结合设备实际状况对升温速率、保温时间、冷却方式等退火工艺参数进行相应调整，寻求最佳退火工艺路线，以满足达到材料性能要求，发挥设备最佳有效性能。

图3 600℃成品退火增加350℃保温平台前后温度对比图

1 郑小年.数控机床故障诊断与维修.武汉,华中科技大学出版社，2005,W12.11-14

2 杨自厚.自动控制原理.冶金工业出版社，1986