大電流母排的管理與維護(hù)

劉 進(jìn)

（武漢鋼鐵有限公司冷軋廠，湖北武漢 430082）

1 清洗段大電流母排的作用及原理

在鋼企冷軋工藝中，為保證鋼板后工序的產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)帶鋼表面進(jìn)行清洗。在微觀下帶鋼表面會(huì)有細(xì)小凹點(diǎn)，這些凹點(diǎn)中污漬依靠刷輥和堿液無法清除干凈。為解決這個(gè)問題，對(duì)帶鋼表面清潔度要求較高的涂鍍生產(chǎn)線和連退生產(chǎn)線，都會(huì)采用電解清洗的方式。

冷軋產(chǎn)線完整的清洗區(qū)域通常包括堿洗段、刷洗段、電解清洗段、漂洗段和烘干段等。其中最關(guān)鍵的是電解清洗段，電解清洗基本決定了整條生產(chǎn)線的帶鋼清洗質(zhì)量。電解清洗的原理是將帶鋼浸泡在充滿熱堿溶液的電解槽中。電解槽采用碳鋼或不銹鋼材料，內(nèi)部有襯膠層。電解槽中放置電解極板，系統(tǒng)通過整流裝置給電極板輸出大電流，使電極板帶有極性。大電流通過電解液使帶鋼形成另一極。水的電極反應(yīng)在帶鋼表面生成許多小氣泡，氣泡變大將帶鋼表面的油脂和鐵粉雜質(zhì)剝離帶出，達(dá)到清洗帶鋼的目的。

電解清洗整流裝置采用大電流小電壓模式。首先利用變壓器將三相交流電壓降低為所需低電壓，然后用雙向可控硅進(jìn)行整流，輸出直流大電流。大電流母排電壓一般約為DC 37 V，電流則可以達(dá)到上萬安培。大電流母排是整流裝置和電極板的電氣連接載體，大電流母排的日常維護(hù)和檢修十分重要。

2 清洗段大電流母排管理的重要性

大電流母排的管理通常是指大電流母排本體及相關(guān)電極板部分的運(yùn)行與維護(hù)。雖然大電流母排通常不易出現(xiàn)設(shè)備問題和事故，但不能忽視。業(yè)內(nèi)人員將大電流母排設(shè)備維護(hù)的特點(diǎn)稱為“一般不出事，一出就是大事”。一旦出現(xiàn)問題通常會(huì)引發(fā)火險(xiǎn)、火災(zāi)、爆鳴和爆炸等大事故。

從電解清洗原理可知，電解主要是分解電解液中的水。無論帶鋼是作為陰極或陽極，都會(huì)電解出大量氣體，即2H2O=2H2↑+O2↑。當(dāng)帶鋼作為陰極，電極板作為陽極時(shí)，會(huì)析出氫氣，水電離出的OH-參與的電極反應(yīng)式：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-；當(dāng)帶鋼作為陽極，電極板作為陰極時(shí)，會(huì)析出氧氣，水電離出的H+參與的電極反應(yīng)式：2H2O-4e-=O2↑+4H+。

綜上可知，電解槽在持續(xù)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量氫氣和氧氣，氫氣析出量大于氧氣析出量。氫氣的爆炸極限是4.0%～75.6%（體積百分濃度），即如果氫氣在空氣中的體積百分濃度在4.0%～75.6%時(shí)，會(huì)形成一種易爆性混合物，遇到火源就會(huì)爆炸。即使不發(fā)生爆炸，在大量氧氣助燃下，也會(huì)引起火災(zāi)，造成巨大損失。

大電流母排產(chǎn)生的熱能，可以根據(jù)焦耳定律計(jì)算，Q=I2Rt，其中，Q 為產(chǎn)生的熱量，J；I 為電流，A；R 為電阻，Ω；t 為時(shí)間，s。通常大電流母排正常工作時(shí)電流約為5000 A，而且是持續(xù)供電。實(shí)際應(yīng)用過程中，I 和t 取決于生產(chǎn)工藝，清洗段大電流母排的發(fā)熱量主要取決于母排電阻。無疑，大電流母排各部位連接處電阻最高。以母排連接處電阻1 Ω 計(jì)算，大電流母排僅以5000 A 的電流工作60 s，連接處就會(huì)產(chǎn)生1.5×108J 的熱量。如果母排連接處不緊密，R 可能增大至幾百甚至上千歐姆，相應(yīng)熱量也會(huì)增大幾百至上千倍。如此大的熱量若不能及時(shí)散發(fā)，會(huì)引起母排連接處超溫發(fā)紅，點(diǎn)燃周邊可燃物，引起火災(zāi)。如果此時(shí)附近氫氣含量達(dá)到爆炸極限，則會(huì)引起爆鳴。

我國(guó)各大鋼廠已不止一次出現(xiàn)大電流母排超溫、打火導(dǎo)致電解槽氫氣爆鳴的重大事故。嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生爆炸，巨大的破壞力可以將電解槽蓋掀翻。

3 清洗段大電流母排的運(yùn)行管理及維護(hù)

3.1 大電流母排的運(yùn)行管理

為了生產(chǎn)安全，現(xiàn)在的產(chǎn)線設(shè)計(jì)都會(huì)在電解槽頂部增加一臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)，抽出電解槽析出的氫氣，降低空氣中的氫氣濃度。電解槽抽出的氣體由一臺(tái)大功率排放風(fēng)機(jī)通過專用排放管道排放到大氣中。在日常點(diǎn)檢過程中，一定要關(guān)注稀釋風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)輪有無脫落或破裂。廢氣排放風(fēng)機(jī)運(yùn)行是否正常，風(fēng)機(jī)流量是否正常。在PLC 控制程序中，稀釋風(fēng)機(jī)和排放風(fēng)機(jī)與電解整流柜有連鎖。如果稀釋風(fēng)機(jī)或排放風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)切斷大電流母排的電流輸出，確保氫氣濃度不會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備管理部門要明確規(guī)章制度，禁止出現(xiàn)非法短接連鎖信號(hào)的情況。

另一種安全隱患是電解槽無電解液。電解槽內(nèi)的襯膠一般是橡膠成分，一旦電解槽沒有電解液，而大電流母排持續(xù)輸出電流，會(huì)導(dǎo)致溫度迅速上升，點(diǎn)燃電解槽內(nèi)的襯膠，引發(fā)火災(zāi)。在自動(dòng)控制中，系統(tǒng)檢測(cè)到電解槽內(nèi)沒有電解液是不允許輸出電流的。但要防止操作工不了解情況，擅自將電解整流柜的控制改為手動(dòng)或者模擬電解槽液位信號(hào)，強(qiáng)行輸出大電流導(dǎo)致故障。

在帶鋼電解清洗中最常用的是中間導(dǎo)電體法，即帶鋼不直接和電源連接。如果電解槽中帶鋼無張力，帶鋼垂落直接觸碰到電極板，則會(huì)出現(xiàn)大電流燒蝕或熔斷帶鋼。在控制系統(tǒng)中，必須嚴(yán)禁清洗段帶鋼張力未建立時(shí)，大電流母排輸出電流。有的機(jī)組還將機(jī)組速度加入連鎖，在清洗段帶鋼速度為零時(shí)，大電流母排禁止輸出，進(jìn)一步確保生產(chǎn)安全。

3.2 大電流母排的點(diǎn)檢

從上文可知，大電流母排各部位連接處是日常點(diǎn)檢的關(guān)鍵點(diǎn)。在維護(hù)過程中，要盡量減少母排連接處的電阻值，從而降低母排連接處的溫度。日常點(diǎn)檢中有一個(gè)實(shí)用技巧：定期觀察并記錄大電流母排的直流電壓值和電流值。根據(jù)歐姆定律U=IR，在直流輸出電壓值相同情況下，輸出的電流值也應(yīng)該一致。如果根據(jù)觀察趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)直流輸出電壓一定而輸出的電流值越來越小，則表明電阻有逐漸增大的趨勢(shì)。點(diǎn)檢員必須查明具體原因，檢查母排連接處是否不緊密，電極板是否松動(dòng)。

大電流母排點(diǎn)檢必須使用點(diǎn)溫槍或紅外成像儀，定期測(cè)量母排連接處和極板的溫度。這兩處溫度的通用點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)為≤70℃，點(diǎn)檢員必須定期做好記錄，觀察溫升是否有逐漸上升的趨勢(shì)。也可在母排聯(lián)結(jié)處關(guān)鍵點(diǎn)上，貼上感溫標(biāo)簽。日常根據(jù)感溫標(biāo)簽的顏色，可大致判斷母排是否超溫。

母排接地也是大電流母排維護(hù)中需要高度重視的問題。一旦母排搭上外部防護(hù)網(wǎng)，接地電流會(huì)很大，母排急劇發(fā)熱，溫度可以達(dá)到1000 ℃以上，引燃周邊可燃物，造成火險(xiǎn)、火災(zāi)等重大事故。2017 年，某鋼廠曾經(jīng)出現(xiàn)大電流母排搭碰到防護(hù)網(wǎng)外殼，燒熔鐵制防護(hù)網(wǎng)，點(diǎn)燃防護(hù)網(wǎng)上的絕緣膠皮，引起火災(zāi)。

要定期對(duì)大電流母排進(jìn)行目測(cè)點(diǎn)檢，關(guān)注大電流母排是否有搭接接地，母排上是否有結(jié)晶物和堿液殘留。結(jié)晶物會(huì)影響母排散熱，母排連接處的結(jié)晶物和堿液還會(huì)對(duì)銅排產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，影響母排導(dǎo)電性能。結(jié)晶物和堿液過多，會(huì)降低母排絕緣，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)引起母排接地，增大安全風(fēng)險(xiǎn)。目測(cè)點(diǎn)檢內(nèi)容還應(yīng)包括母排是否有打火放電現(xiàn)象、母排周邊有無漏堿漏液、母排上有無雜物、母排是否發(fā)黑變色、母排是否有銅綠、連接螺栓是否銹蝕，以及母排防護(hù)網(wǎng)罩是否良好等。

3.3 大電流母排的檢修

大電流母排的檢修通常至少半年一次。檢修內(nèi)容有清潔母排，去除母排殘留物，清洗母排絕緣部件，檢測(cè)母排對(duì)地絕緣，檢查母排和極板連接的可靠性，檢查極板是否腐蝕等。

母排連接螺栓要確保牢固，母排連接接觸面要保持干凈平整。檢修時(shí)根據(jù)點(diǎn)檢情況，定期清潔大電流母排上的結(jié)晶及堿液，更換生銹的螺栓。如果發(fā)現(xiàn)母排表面凸凹不平，或有難以去除的氧化層，則要用砂輪機(jī)或者細(xì)砂紙對(duì)母排連接接觸面進(jìn)行打磨。連接時(shí)在接觸面涂上導(dǎo)電膏，以增強(qiáng)導(dǎo)電性能。

母排連接螺栓一般為高強(qiáng)度鍍鋅螺栓，緊固時(shí)要用力矩扳手，確保連接力度又不傷害螺栓。螺栓緊固的力矩標(biāo)準(zhǔn)以生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品手冊(cè)為準(zhǔn)。通常企業(yè)參照的標(biāo)準(zhǔn)為Q/STB 12.521.5—2000。也可參考GB 3098.13 來制定，擰緊力可取最小破壞力矩的80%。按標(biāo)準(zhǔn)緊固后，必須在螺栓上做好防松標(biāo)記，方便點(diǎn)檢時(shí)巡查。

母排對(duì)地絕緣的檢查為每年一次，檢查前必須脫開電解整流柜的輸出端，對(duì)地絕緣的通用標(biāo)準(zhǔn)為1 kΩ 以上。各產(chǎn)線可根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況加以調(diào)整。如果母排對(duì)地絕緣不佳，則必須對(duì)母排螺栓的絕緣套管、母排的絕緣墊進(jìn)行檢查、清洗或更換。

4 結(jié)語

鋼企的大電流母排管理不算復(fù)雜。相對(duì)其他設(shè)備，大電流母排運(yùn)行平穩(wěn)且故障率低，平時(shí)即使有一些小問題也不會(huì)立即爆發(fā)，因而設(shè)備管理者易忽視。但是一旦大電流母排設(shè)備隱患累積過多導(dǎo)致發(fā)生事故，后果卻非常嚴(yán)重。目前，很多鋼企對(duì)于大電流母排引起的事故開始警惕，將其列入專項(xiàng)管理，提升到安全生產(chǎn)的高度。了解大電流母排設(shè)備的運(yùn)行原理和維護(hù)細(xì)節(jié)，會(huì)有助于人們更好預(yù)防大電流母排發(fā)生各類事故。