真空自耗電弧爐充氬系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化

同樸超,孫 棟,吳 明,生 斌,劉 俊

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 特種鈦合金制備技術(shù)國家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室西安市特種鈦合金制備及仿真技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710018)

0 引言

近些年真空自耗電弧熔煉技術(shù)在鈦及鈦合金生產(chǎn)中取得了廣泛應(yīng)用,隨之獲得了高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品,用于滿足日益增長的航空及航天產(chǎn)業(yè)需要。對(duì)于一些含有大量高飽和蒸氣壓元素的鈦合金產(chǎn)品如TC2 的熔煉需要在氬氣保護(hù)環(huán)境中熔煉以避免所含的Mn、Al 等元素在高溫中揮發(fā)。因此,充氬熔煉控制系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到相關(guān)鈦合金熔煉產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

1 原有充氬熔煉功能概述

1.1 原有充氬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

真空自耗電弧爐充氬系統(tǒng)是依附于爐室和真空系統(tǒng)的裝置,通過設(shè)置獨(dú)立的管道、壓力傳感器、電磁閥等。如圖1 所示,在上位計(jì)算機(jī)上設(shè)定充氬壓力,控制系統(tǒng)通過比較實(shí)際值和設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)恒壓力控制。

圖1 原有充氬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 原有充氬系統(tǒng)不足

(1)熔煉安全:由于熔煉過程中氬氣不排出,氣體溫度會(huì)不斷升高,隨之爐室內(nèi)部氣體壓力也會(huì)增大,同時(shí)伴隨著物料自身放氣和熔煉揮發(fā)物,通過攝像觀察系統(tǒng)無法看清爐內(nèi)熔煉過程,如圖2 所示,充氬壓力在500、1 000、2 000 Pa 時(shí)熔池形態(tài),從圖中看出在2 000 Pa 時(shí)已無法看清熔池存在安全隱患,因此為保證熔煉過程穩(wěn)定性,一般充氬壓力控制在1 300 Pa 以內(nèi)。但是,該壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足工藝對(duì)Mn,Al 元素?fù)]發(fā)控制。

圖2 原系統(tǒng)不同壓力下充氬熔煉熔池情況(自上而下500、1000、2000 Pa)

(2)控制方式:原有控制系統(tǒng)為靜態(tài)模式,即充氬熔煉開始時(shí)關(guān)掉真空系統(tǒng)及真空閥門,將氬氣充填至設(shè)定壓力。由于爐內(nèi)氬氣無法流動(dòng),加之氬氣本身為易導(dǎo)熱介質(zhì)會(huì)傳導(dǎo)熱量到爐室、電極桿、動(dòng)密封等部位。經(jīng)過熱傳導(dǎo)計(jì)算估算,爐室溫度約為450～550 ℃左右[1]。因此,熔煉過程中需要對(duì)相關(guān)無冷卻水部位嚴(yán)密監(jiān)控,否則易造成設(shè)備損壞。

(3)工藝穩(wěn)定性:原有的充氬管道僅采用一個(gè)真空電磁閥控制,在氣體充到設(shè)定壓力時(shí)關(guān)閉。由于氣體慣性及控制系統(tǒng)滯后,壓力偏差可以達(dá)到幾十到數(shù)百Pa,另外使用非調(diào)速的真空系統(tǒng),在壓力升高時(shí)需要泄壓時(shí),直接啟動(dòng)真空系統(tǒng)泄壓存在精度差,難于控制等缺陷。

鑒于上述不足,需對(duì)充氬系統(tǒng)進(jìn)行改造以滿足工藝元素控制需求。

2 充氬系統(tǒng)改進(jìn)方案

2.1 改造技術(shù)要求

(1)充氬壓力可以控制在100 Pa～15 kPa 之間,精度5%;

(2)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)恒壓力動(dòng)態(tài)充氬,以保持熔煉過程的清晰和爐內(nèi)熱量的傳導(dǎo);

(3)具備流量控制和壓力控制兩種控制方式。

2.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)上述技術(shù)要求同時(shí)考慮現(xiàn)有的真空系統(tǒng)配置,由于原有的真空系統(tǒng)為定頻不可調(diào)節(jié)抽氣速度的泵組,要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)充氬,即要實(shí)現(xiàn)邊充邊抽模式,因此首先要升級(jí)為變頻可調(diào)節(jié)抽氣速度的泵組,對(duì)于充氣端需要增加比例調(diào)節(jié)閥和氣體質(zhì)量流量控制器以滿足可控充氣要求,另外需升級(jí)測量裝置和控制程序。其中抽氣系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)是本次改造的關(guān)鍵,系統(tǒng)組成如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后的充氬系統(tǒng)組成圖

2.3 抽氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于抽氣系統(tǒng)首要考慮的是保持或優(yōu)于原有系統(tǒng)的抽真空效率,以保證正常真空熔煉的需要,另外根據(jù)技術(shù)要求爐室壓力需保持在100 Pa～15 kPa,因此需要使用小羅茨泵工作,對(duì)此將原有抽氣速度為600 L/S 定頻機(jī)械羅茨泵,替換為WH2500 抽氣速度為694 L/S 變頻羅茨泵,通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)抽氣速率的調(diào)整。

由于極限壓力為100 Pa 根據(jù)抽速計(jì)算公式SP=Kq×(V/S) ×Ln(Pi/P)其中Kq為修正系數(shù)小羅茨泵工作即可達(dá)到,因此大羅茨泵和油增壓泵在充氬熔煉過程不予使用,因此不予更換?？紤]到系統(tǒng)精度,在大羅茨泵側(cè)并聯(lián)一個(gè)可比例調(diào)節(jié)電動(dòng)蝶閥,用于修正抽氣速度。

2.4 進(jìn)氣系統(tǒng)

對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng),根據(jù)要求由于涵蓋100 Pa～15 kPa 壓力區(qū)間,考慮到充氣速度和充氣精度,因此使用電磁閥直通快充和質(zhì)量流量控制器微充控制。考慮到現(xiàn)有8 t 電弧爐爐室的容積約為6 m3,初始時(shí)爐室壓力為0.2 Pa,假定第一次需要充到1 kPa 根據(jù)公式:X0=Pi/P(P為設(shè)定壓力,Pi為初始?jí)毫?當(dāng)X0≤0.1 時(shí)C0=15.7D2(C0為氣體體積流量,D為管道直徑)[2]計(jì)算,Φ20 mm 口徑管道95s 可以達(dá)到設(shè)定值,Φ10 mm 口徑管道382s 可以達(dá)到設(shè)定值,Φ30 mm 口徑管道42s 可以達(dá)到設(shè)定值。綜合考慮到后續(xù)精確調(diào)整壓力,同時(shí)兼顧充氣速度選取Φ20 mm口徑管道結(jié)合質(zhì)量流量控制器,控制器量程選為10 L/min。

2.5 控制系統(tǒng)改進(jìn)

2.5.1 整體架構(gòu)

由于電弧爐控制系統(tǒng)使用西門子S7-400PLC,根據(jù)抽氣系統(tǒng)因此需增加變頻器控制小羅茨泵轉(zhuǎn)速從而控制其抽氣量,其次,真空壓力測量需同時(shí)兼顧普通真空熔煉和充氬熔煉,經(jīng)選型,將原來Inficon PSG502-S 皮拉尼真空規(guī)管替換為Inficon CDG025D型電容薄膜規(guī),其特點(diǎn)是使用陶瓷測量元件、壽命長、不區(qū)分氣體介質(zhì),對(duì)于流量控制器需要響應(yīng)快精度高的要求,經(jīng)過比較使用七星華創(chuàng)CS200D 型質(zhì)量流量控制器可滿足需求且其帶有Profibus 通訊接口方便集成原系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò),比例調(diào)節(jié)閥使用MKS T3B 系列高速蝶閥,信號(hào)接口使用模擬量控制。上位控制系統(tǒng)使用Wonderware Intouch 開發(fā),具備狀態(tài)監(jiān)控、熔煉參數(shù)顯示、故障報(bào)警提示等功能?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)Profibus 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.5.2 流量和壓力控制

根據(jù)技術(shù)要求需要具備流量控制和壓力控制兩種模式,對(duì)于流量控制模式使用流量控制器自身的閉環(huán)裝置完成,通過上位機(jī)設(shè)定流量和比例閥開度,實(shí)現(xiàn)固定氣體流量控制。該控制模式一般用于熔煉初期使用。

當(dāng)熔煉進(jìn)入穩(wěn)定期,此時(shí)需要切換至壓力控制模式,為避免壓力超調(diào)采用串級(jí)PI 控制,如圖5 所示,當(dāng)設(shè)定壓力給定后首先壓力調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)計(jì)算將結(jié)果作為羅茨泵轉(zhuǎn)速設(shè)定,參考當(dāng)前階段比例閥的開度后,經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)模塊計(jì)算將結(jié)果輸出變頻器和流量控制器調(diào)節(jié)塊,流量控制器做閉環(huán)后輸出最終流量,通過壓力變送器反饋至壓力調(diào)節(jié)PI,從而實(shí)現(xiàn)恒壓力控制。

圖5 壓力控制原理圖

由于充氬壓力控制區(qū)間較大,在不同壓力區(qū)間內(nèi)PI 控制最優(yōu)參數(shù)不盡相同,為此將100 Pa～15 KPa 壓力區(qū)間分為高、中、低三個(gè)階段,100～800 Pa為低壓力范圍,800～2 000 Pa 為中壓力范圍,2～15 kPa 為高壓力范圍,通過在上位界面分壓力區(qū)間設(shè)置不同的比例及積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)高精度控制,如圖6所示。

圖6 不同壓力范圍的PI 設(shè)置

3 實(shí)際使用結(jié)果

設(shè)備改造完成后在TC2 牌號(hào)熔煉進(jìn)行測試,在穩(wěn)定期設(shè)定壓力為初期2 000 Pa 穩(wěn)定后上升到10 KPa 時(shí)保持。

3.1 動(dòng)態(tài)充氬

分別設(shè)置不同的比例閥開度,觀察熔化過程中熔池狀態(tài),其熔煉過程如圖7、圖8 所示。

圖7 比例閥開度7%時(shí)熔池?zé)o法看清

圖8 比例閥開度15%熔池清晰可見

3.2 壓力控制

動(dòng)態(tài)充氬過程壓力控制曲線如圖8 所示,從圖中可以看出從2 000 Pa～10 kPa 壓力控制區(qū)間內(nèi),2 000 Pa 時(shí)設(shè)定與實(shí)際最大偏差為80 Pa,10 kPa 時(shí)最大偏差500 Pa,因此壓力控制系統(tǒng)能較好地將實(shí)際壓力控制在設(shè)定壓力的5%偏差以內(nèi)。

4 結(jié)語

圖9 TC2 充氬壓力控制曲線

通過對(duì)真空自耗電弧爐充氬系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后,使充氬熔煉壓力控制范圍由原來的不足1 000 Pa 的靜態(tài)充氬模式,升級(jí)至最大10 kPa 動(dòng)態(tài)充氬模式,確保了熔煉含Mn,Al 等易揮發(fā)元素的鈦合金成分均勻性,通過變頻泵組及比例閥門結(jié)合質(zhì)量流量計(jì)可以使壓力精度控制在±5%之內(nèi),在熔煉時(shí)可清楚的觀察熔化過程,同時(shí)熔煉過程通過排出的氬氣將爐室內(nèi)部熱量帶到外部,保障了設(shè)備安全,達(dá)到了預(yù)期效果。