真空自耗電弧爐熔滴控制研究

孫成仁++吳曉強(qiáng)

摘 要 隨著熔煉工藝不斷進(jìn)步，設(shè)備技術(shù)也越來(lái)越成熟，在特殊材料生產(chǎn)熔煉方面，產(chǎn)品性能一致性以及均勻性也有較好的提高。真空自耗電弧爐是利用弧光放電產(chǎn)生的電弧熱能熔煉金屬材料的先進(jìn)設(shè)備。真空自耗爐熔滴控制，主要是通過(guò)弧長(zhǎng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)熔滴控制的研究，不僅可以提高溶煉合金產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)于提高產(chǎn)品生產(chǎn)的重復(fù)性也有重要意義。

關(guān)鍵詞 熔滴控制；熔煉；弧長(zhǎng)控制；合金

中圖分類(lèi)號(hào) TG4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）16-0174-02

真空自耗電弧爐是利用弧光放電產(chǎn)生的電弧熱能熔煉金屬材料的先進(jìn)設(shè)備。它是在真空狀態(tài)下將自耗電極接負(fù)極，坩堝接正極，通電時(shí)兩極間產(chǎn)生弧光放電產(chǎn)生5 000K（約4 700℃）高溫使材料熔化。熔煉時(shí)，液態(tài)金屬以熔滴的形式滴落到坩堝熔池形成鑄錠，熔煉金屬的過(guò)程是精煉的過(guò)程，起到提純作用，達(dá)到了凈化金屬，改善結(jié)晶結(jié)構(gòu)；在電弧高溫加熱下的熔池受到電磁攪拌，促使易揮發(fā)雜質(zhì)擴(kuò)散速度加快，在熔池表面被真空去除掉，而合金的化學(xué)成份在充分?jǐn)嚢韬?，可達(dá)到均勻分布，從而提高了產(chǎn)品性能。電弧的作用下，自耗電極的不斷熔化消耗，熔池不斷上升，熔融金屬被水冷坩堝逐漸冷凝。這種爐子主要用于鈦、鋯、鉬活潑金屬，以及特鐵金屬的熔鑄。

1 真空自耗電電弧爐工作原理

真空自耗電弧爐主要由爐體（融化站）、電極桿及其傳動(dòng)系統(tǒng)、電極桿對(duì)中調(diào)節(jié)、觀(guān)察攝像裝置、爐體升降液壓系統(tǒng)、爐體框架（真空室、立柱導(dǎo)向聯(lián)接體）及其旋轉(zhuǎn)或熔煉室平移機(jī)構(gòu)、坩堝及穩(wěn)弧線(xiàn)圈、冷卻水套（下?tīng)t室）、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、直流整流電源、電氣控制系統(tǒng)，防爆墻等組成。其工作特點(diǎn)：爐體融化站相對(duì)坩堝提升和旋轉(zhuǎn)（或者爐體融化站提升和坩堝平移），電極裝入和鑄錠卸出均由吊裝工具完成。真空自耗電弧爐結(jié)構(gòu)示意圖示見(jiàn)圖1。熔滴形成于電極下端部位，在熔滴滴落過(guò)程中，會(huì)有物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，在這個(gè)過(guò)程中，去除掉一部分氣體雜質(zhì)。真空自耗電弧爐主要工藝特點(diǎn)是熔煉在水冷銅結(jié)晶器中進(jìn)行，這樣的熔煉工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的，可以有效防止熔煉金屬與耐火材料接觸導(dǎo)致對(duì)金屬沾污的弊端。另一方面，在對(duì)金屬熔煉時(shí)，因?yàn)樵诟叨人錉顟B(tài)下，其熔煉的金屬液體在凝固結(jié)晶時(shí)，可以使其質(zhì)地致密、無(wú)縮孔、組織均勻。真空自耗電弧爐熔煉是在直流大電流、低電壓的電弧作用下進(jìn)行的，首先是結(jié)晶器與自耗電極下端或者熔池與自耗電極下端形成一個(gè)電弧等離子區(qū)，在這個(gè)區(qū)域，因?yàn)橛蟹浅８邷囟犬a(chǎn)生，這樣就能使得自耗電極端部形成一個(gè)熔化區(qū)，而自耗電極中存在的氧化物、氮化物等非金屬夾雜物，在高溫真空的狀態(tài)下，因發(fā)生碳還原或離解而被去除，這也達(dá)到熔煉過(guò)程提純的目的。也正是因?yàn)檎婵兆院碾娀t工藝不僅對(duì)于熔煉金屬的氣體和非金屬夾雜物有很好去除作用，還對(duì)一些低熔點(diǎn)的有害雜質(zhì)的排除作用，使得熔煉的金屬的力學(xué)性能、塑性以及加工性能、物理性能、力學(xué)性能等都有明顯的提升，尤其是保持金屬材料的一致性、可靠性、穩(wěn)定性等具有重要的意義，也可以很好改善材料縱向和橫向性能的差異，提高熔煉產(chǎn)品

質(zhì)量。

2 真空自耗電弧爐的電氣特性

真空自耗電弧爐在進(jìn)行電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，為保證生產(chǎn)高質(zhì)量錠子，就需要熔煉過(guò)程必須保持穩(wěn)定的熔煉功率，基于此考慮，其供電電源采用恒流特性?xún)?yōu)異的直流電源，其電源主回路的參數(shù)高設(shè)定為：

1）空載時(shí)電壓為70V左右，在工作狀態(tài)時(shí)，電壓為20V～40V，保證穩(wěn)定的恒流特性；

2）調(diào)節(jié)電流范圍設(shè)計(jì)為1：10；

3）充許工作電流過(guò)載10%，過(guò)載時(shí)間為1min；

4）如果整流回路中各整流臂有十分之一的硅元件損壞，不能正常工作時(shí)，電氣系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)，但在額定電流仍能保持

運(yùn)行。

3 真空自耗電弧爐特點(diǎn)

真空自耗電弧爐的容量一般在15t～200t之間。在生產(chǎn)過(guò)程中，加熱、合金調(diào)整、脫氣、渣處理等工藝都是在真空狀態(tài)下持續(xù)進(jìn)行，通過(guò)采用蒸汽噴射真空泵與完全封閉式處理站相結(jié)合方法，滿(mǎn)足相關(guān)環(huán)保要求。真空自耗電弧爐特點(diǎn)具有以下特點(diǎn)。

1）真空自耗電弧爐在進(jìn)行熔煉時(shí)，因?yàn)槿蹮捊饘僭谡婵諣顟B(tài)下進(jìn)行的，所以可以對(duì)氫、氮、氧等氣體進(jìn)行有效的去除，脫氣效果非常好。

2）重熔時(shí)被熔煉材料不受污染，這主要因真空自耗電弧爐熔煉過(guò)程中，錠子和自耗電極之間不會(huì)產(chǎn)生熔渣及其他材料，保證了熔煉材料的純凈度。

3）保證錠子內(nèi)部結(jié)構(gòu)純潔。真空自耗電弧爐在熔煉作業(yè)時(shí)，如果被熔煉金屬中有非金屬夾雜物，其比重較輕，會(huì)懸浮于熔融金屬最上層，使得錠子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受到污染。

4）在真空狀態(tài)下，可以提高合金劑的添加大，因此，可以達(dá)到熔煉高級(jí)合金的效果，尤其是鈦合金的熔煉效果明顯。

5）不易產(chǎn)生偏析。這主要是因?yàn)殄V子是在水冷銅坩鍋中進(jìn)行冷卻，能夠達(dá)到快速冷卻降溫，這樣也保證了錠子內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，因此不產(chǎn)生偏析。

6）提高了設(shè)備生產(chǎn)率和降低了生產(chǎn)成本。

4 真空自耗爐熔滴控制的實(shí)現(xiàn)

真空自耗爐主要是通過(guò)弧長(zhǎng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)熔滴控制，因此，弧長(zhǎng)控制對(duì)于熔煉產(chǎn)品良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及錠子表面質(zhì)量具有重要的意義，先進(jìn)的熔滴短路弧長(zhǎng)控制可以使產(chǎn)品的生產(chǎn)具有很高的可重復(fù)性。而在熔煉過(guò)程中，不同的合金材料需要采取與之相對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，才能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴的

控制。

在鈦合金的熔煉生產(chǎn)中，無(wú)論使用何種熔煉方法，其根本的實(shí)現(xiàn)途徑仍是電-熱能量轉(zhuǎn)換，在這個(gè)轉(zhuǎn)換中，對(duì)于熔化率的控制也就是實(shí)現(xiàn)電功率的控制，也遵循P=I×U這一規(guī)律。在對(duì)所煉金屬錠子直徑、電極形狀、種類(lèi)、牌號(hào)等參數(shù)進(jìn)行確定后，熔化率也隨之確定。在熔煉過(guò)程中，熔化率與電流呈線(xiàn)性關(guān)系，其中弧電壓可調(diào)節(jié)的范圍很小，其變化也很少。但在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)，為了保證熔化率的穩(wěn)定，需要通過(guò)稱(chēng)重系統(tǒng)的反饋，實(shí)現(xiàn)電流輸出的穩(wěn)定控制。所以，真空自耗爐電源應(yīng)具有以下endprint

特點(diǎn)：

1）在短暫而頻繁的短路發(fā)生時(shí)，能夠使受控的輸出電流保持基本恒定。

2） 電壓保持合理的低紋波狀態(tài)。

3）針對(duì)負(fù)載阻抗特性處于寬范圍的情況下，能夠輸出高穩(wěn)定性和高精度的可控恒流，也可以說(shuō)自耗爐電源是一個(gè)可調(diào)恒流源。

4）具備電弧重燃能力。由于自耗爐中電源具有可控恒流源的特性，所以，生產(chǎn)過(guò)程中工藝菜單可以實(shí)現(xiàn)分段對(duì)輸出電流設(shè)點(diǎn)。在熔煉生產(chǎn)過(guò)程，由于自耗爐陰極與陽(yáng)極相對(duì)位置會(huì)不斷發(fā)生改變，需要采用對(duì)料桿升降的調(diào)節(jié)來(lái)確?；￠L(zhǎng)的穩(wěn)定，繼而達(dá)到恒熔速控制。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)錠子凝固受控，可以使熔池形狀和深度維持適當(dāng)?shù)姆秶?，進(jìn)一步保證熔煉產(chǎn)品的高質(zhì)量要求。

在早期對(duì)熔滴控制的研究上，是通過(guò)一個(gè)恒定的弧電壓的來(lái)保證一個(gè)恒定的弧長(zhǎng)，繼而得到一個(gè)恒定的功率，達(dá)到保證熔速恒定的目的。這種技術(shù)方案，有其可取之處，在理想的狀況下，當(dāng)熔化率、錠子幾何尺寸和電極幾何尺寸確定后，熔化率與料桿速率成正比。如果在保證弧長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)，在熔煉電流恒定狀態(tài)下，可以使弧電壓保持穩(wěn)定。這樣，我們通過(guò)對(duì)熔化率的確定，然后再依據(jù)電極的熔化速度和錠子的增長(zhǎng)速度，可以得出為了保證弧長(zhǎng)穩(wěn)定，需要求出錠子和電極間的間隙恒定值，通過(guò)此來(lái)控制料桿按一定運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)作就可以達(dá)到對(duì)熔滴控制目的。但是，也我們也應(yīng)注意到另一種情況的出現(xiàn)，即電弧的波動(dòng)，隨著電極長(zhǎng)度的變化和時(shí)間的變化，電極電阻也會(huì)發(fā)生改變，還有就是電弧電壓測(cè)量精確度，弧壓對(duì)弧長(zhǎng)的敏感度等，都會(huì)數(shù)值的計(jì)算造成一定影響。另一方面，電極、錠子尺寸、密度、結(jié)晶器形狀的不均勻與不準(zhǔn)確等其他因素影響，在進(jìn)行料桿基本速度的理論計(jì)算時(shí)，也需要用微調(diào)速度來(lái)

修正。

隨著真空自耗爐熔滴控制理論研究的不斷深入和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)鎳基高溫合金生產(chǎn)中，在固定弧長(zhǎng)和固定壓力Co下，熔滴短路頻率和熔煉電流上升的2.54冪成正比。實(shí)踐也證明，弧長(zhǎng)給定的情況下，其他合金的熔滴短路頻率和熔煉電流有類(lèi)似的

關(guān)系。

5 結(jié)論

隨著熔煉工藝不斷進(jìn)步，設(shè)備技術(shù)也越來(lái)越成熟，在特殊材料生產(chǎn)熔煉方面，產(chǎn)品性能一致性以及均勻性也有較好的提高。而社會(huì)對(duì)特殊材料性能需要，通過(guò)成熟的一次、二次熔煉多重工藝組合的方法也被廣泛應(yīng)用，從而可以滿(mǎn)足材料高性能要求。在材料的熔煉生產(chǎn)中，通過(guò)機(jī)械特性的評(píng)估和疲勞強(qiáng)度等性能的測(cè)試，真空自耗爐在金屬熔煉生產(chǎn)中具有明顯的設(shè)備優(yōu)勢(shì)。而隨著高性能材料越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，真空自耗爐也會(huì)具有更廣闊的發(fā)展前景，對(duì)真空自耗電弧爐熔滴控制方面的研究，可以更好為提高熔煉產(chǎn)品質(zhì)量

服務(wù)。

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