ZRL-005型真空熔煉爐系統設計

張聞華，靳麗巖

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

ZRL-005真空熔煉爐通過對裝有鎂合金等材料的坩堝在真空狀態下的高頻感應加熱實現合金材料快速熔化，對坩堝充氬氣實現合金材料噴射，并通過高速旋轉的輥子實現鎂合金的甩帶和冷卻。設備整體結構包括熔化部分、測溫系統、真空室、集料筒、單輥及驅動、升降傳動、真空系統、噴射氣路、水冷系統及電控系統等部分，通過設備各系統的有機結合實現對鎂合金材料的熔化、甩帶過程。

1 主要使用性能指標及參數

單爐次熔化鎂合金量：≤0.5 kg

極限真空度：1×10-3～1×10-2Pa

高頻感應加熱功率：25 kW

遠紅外檢測、數字顯示記錄坩堝溫度

坩堝具有上（熔化）下（噴射）位置調節功能

紫銅輥在0～3000 r/mim無級調速

真空腔和坩堝內的氬氣壓力可以分別調節

快速凝固鎂合金薄帶收集器與真空室真空度一致

單輥及驅動的主要技術指標：

調頻器可在0～60 Hz任一頻率下調整單輥轉速恒定，且無級可調

輥面寬度為80 mm

輥子直徑280 mm

輥面跳動＜60 μm

輥面使用溫度＜60℃

具有多種故障報警功能

2 工作原理

ZRL-005真空熔煉爐采用兩級真空泵對工作腔體抽真空，達到工作真空度后利用感應加熱對碳鋼坩堝進行快速感應加熱，通過坩堝的熱量傳導使鎂合金工件加熱熔化。啟動升降電機使坩堝到達下部工作位，并由光電開關控制坩堝下噴嘴與輥面間距達到1～2 mm，控制旋轉電機及變頻器使銅單輥達到設定的旋轉速度，開啟自動充氣電磁閥使氬氣按設定壓力充入坩堝內，熔融的鎂合金材料被氬氣通過坩堝下部的噴嘴噴出，噴射到旋轉的銅單輥上，并被甩到集料桶內自然冷卻完成鎂合金甩帶和冷凝過程。

3 結構特征

ZRL-005真空熔煉爐的結構組成圖如圖1所示。

3.1 熔化部分

熱源采用高頻感應電源，輸出功率25 kW，工作頻率300～500 kHz。坩堝及噴嘴由Q235鋼制成，實現坩堝的感應加熱。

熔化過程中，坩堝處于上位，工作氣為氬氣環境，壓力控制在P1≈4×102Pa，合金熔化結束后，坩堝通過傳動機構向下移動并停留在高速旋轉的輥面上方，坩堝的升、降位置通過光電傳感器控制，噴嘴距離輥面距離為1～2 mm。噴射氣體為高純氬氣，噴射壓力P2≈2×104Pa.，通氣噴射獲得快速凝固薄帶。

圖1 ZRL-005真空熔煉爐結構組成

3.2 測溫系統

測溫系統采用DT-141A型非接觸式光纖遠紅外傳感測溫儀，由光纖探頭與電子處理單元分離式結構探測熱源輻射的紅外波密度[1]。信號經光纖傳導進入光電轉換單元，經緩沖放大、線性化處理后，得到與被測溫度信號呈線性關系的電壓信號。然后，經控溫線路密封端子從真空室傳輸出來，送入顯示調節儀。測溫范圍400～1200℃，顯示溫度為坩堝表面溫度。通過實際調試加熱功率、加熱時間、坩堝表面溫度和坩堝內熔體溫度之間的關系，即可通過控制坩堝表面溫度與加熱時間，精確控制熔體溫度。

3.3 真空室

真空室為六面結構，采用不銹鋼材料，集料筒亦為全不銹鋼結構，與真空室一起抽真空。在真空抽氣管路中配置性能可靠的閥門、管道。

3.4 單輥及驅動

該設備快速凝固裝置采用柔性、非接觸式磁力傳動傳輸動力，以避免傳動軸密封處真空泄漏，并能夠獲得高轉速。

采用VDF-022B型恒轉矩變頻器調控2 kW普通三相交流電機的頻率實現0～3000 r/min無級調速。電機及主動磁半聯軸器置于真空室外。“真空系統非接觸性磁聯軸器”的特征為嵌入式，可以滿足柔性聯軸器的補償偏移的能力。從動磁半聯軸器在主動磁半聯軸器內部，實現了從動磁半聯軸器中的磁條和主動磁半聯軸器中的磁條最大面積地相互對應，兩個半聯軸器之間的磁場強度最大，傳輸的扭矩也最大。從動、主動半聯軸器及隔條所用材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。當真空度達到1×10-2Pa，聯軸器在3 000 r/min時，可長時間平穩工作。隔罩產生的熱量由循環冷卻水帶出，磁聯軸器系統的工作溫度可以保持在30℃以內。能頻繁“啟動”和“停止”工作，并且可以實現一定程度的“軟啟動”和“軟停車”。

3.5 真空系統

真空系統由真空泵機組、真空控制部分和測量組件組成[2]。

真空泵采用兩級機組，一級采用成都南光2X-15型旋片泵，二級采用沈陽真龍KT-200型油擴散泵，真空測量由ZJ-52T電阻真空規管和ZJ-27型熱陰極電離真空規管檢測，數字式ZDF-5227A型復合真空計顯示。

3.6 噴射氣路

設備利用真空計測量真空，在真空度達到1×10-2Pa時，關閉真空泵，并與真空腔隔離，隨即沖入高純氬氣，在壓力表上設置充氣壓力數值，通過壓力變送器檢測壓力值，使真空腔內的壓力維持在4×102Pa左右，再啟動高頻加熱電源開始加熱熔化鎂合金。中間配備儲氣罐，緩沖氬氣壓力，實現限量和限壓噴射。

3.7 水冷系統

水冷系統主要用于對加熱線圈、擴散泵、水冷擋板、密封等部分提供冷卻水，包括總進水管、回水管及各路分配管路，總進水管上裝有水壓表，具有水壓低限報警功能。

4 控制設計

4.1 感應加熱

ZRL-005真空熔煉爐采用感應加熱即在被加熱金屬工件外繞上一組感應線圈，當線圈中流過某一頻率的交流電流時，就會產生相同頻率的交變磁通，交變磁通又在金屬工件中產生感應電動勢，從而產生感應電流（渦流），產生熱量，實現對工件的加熱。感應加熱首先將電能轉化為磁場能，然后由磁場能再轉化為電能，最后由電能轉化為熱能使金屬加熱、熔化。采用SP-25高頻感應電源，功率25 kW，工作頻率300～500 kHz熱源對Q-235坩堝進行加熱。測溫系統采用DT-141A型非接觸式光纖遠紅外傳感測溫儀和顯示調節器組成，采用光纖探頭與電子處理單元分離式結構探測熱源輻射的紅外波密度。信號經光纖傳導進入光電轉換單元，經緩沖放、線性處理后得到與被測溫度信號呈線性關系的電壓信號，然后經控溫線路密封端子從真空室傳輸出來，送入顯示調節器。測量溫度為坩堝溫度，溫度范圍為450～1 300℃，坩堝內溶液溫度可根據經驗數據用加熱時間、坩堝表面溫度和加熱功率查表得出。

在顯示調節器上設置溫度及溫度上下限，在觸摸屏上啟動加熱，通過紅外傳感測溫儀測量的溫度反饋到顯示調節器，程序控制保溫時間，通過控制溫度的上限和下限使溫度恒定在設定值。

加熱程序如圖2所示。

4.2 升降控制

坩堝具有在上位加熱熔化，下位充氣噴射熔融鎂合金的功能，此過程采用同步齒輪減速電機驅動，通過齒輪齒條結構傳動，實現坩堝上下運動。升降結構如圖3所示。

4.3 單輥及驅動

在控制面板上配有多段選擇開關，通過旋轉開關位置，選擇不同的頻率，來控制變頻器的頻率。采用臺達VFD-022B型恒轉矩變頻器調控2 kW三相交流電機的頻率來實現0～3000 r/min的無級調速。單輥及驅動的控制電路圖如圖4所示。

圖2 加熱程序圖

圖3 升降結構圖

圖4 單輥及驅動的控制電路圖

4.4 真空系統控制

真空機組的啟動控制為：啟動2X-15旋片真空泵，啟動DDC-JQ50A電磁真空帶充氣閥及粗抽閥GID-63型高真空蝶閥，實現對真空腔體抽低真空，啟動擴散泵前級閥GID-63型高真空蝶閥對KT-200擴散泵抽真空并啟動擴散泵加熱，當擴散泵預熱60 min后，關閉粗抽閥GID-63型高真空蝶閥，啟動GID-200型高真空蝶閥，實現對真空腔體抽高真空。

測量范圍1.0×10-5～1.0×105Pa，可在真空計上設定壓力范圍。利用程序控制電磁閥的開啟，使壓力保持在一定范圍。

圖5 真空機組圖

4.5 充氣控制

充氣控制采用手動控制和自動控制兩種方式實現對坩堝內部和真空腔體兩部分進行充氣過程。手動控制采用手動調節控制閥門和微調閥，主要實現對真空腔體的快速充氣和分壓充氣。自動控制采用PLC控制，由壓力變送器檢測壓力值，通過控制開啟關閉自動充氣閥和抽真空閥，實現對坩堝和真空腔體內壓力的控制，達到使用的壓力范圍。

5 硬件設計

通過對快速凝固設備生產工藝的分析，決定控制系統以PLC為控制核心[3]，在此選用了三菱FX2N型PLC作為控制器，觸摸屏采用臺灣威綸MT508S液晶屏為操作界面，實現參數編輯和實時監控。實現友好的人機界面，操作直觀方便。執行機構由大量的斷路器、中間繼電器、接觸器以及熱繼電器通過PLC來控制各個閥門、電機、加熱電源等部件的開啟，運行安全可靠，坩堝電機的升、降通過光電傳感器控制升降位置，通過改變變頻器的頻率來改變輥軸電機的轉速。系統抽真空到400 Pa時需對真空室充氬氣，由于真空計測量氬氣不精確，設備配備了沈陽科學研究所的HB2126H壓力變送器，量程范圍：100～1×105Pa壓力傳感器和壓力表，使得充氣壓力檢測的數據非常精確。設備還配備了完善的安全保護功能。并采用日本橫河川儀AX100系列記錄儀表，可對真空度、溫度等關鍵數據進行實時監視記錄。記錄儀可實時記錄長達6個月的數據。電氣原理框圖如圖6所示。

圖6 電氣原理框圖

6 軟件設計

軟件部分采用模塊化設計，便于功能的添加和刪除。軟件的執行按熔煉、甩帶的工藝順序執行。在設計過程中，采用了必要的互鎖安全保護措施，并加以適當的延時，以保證設備運行的安全性、穩定性及可靠性。通過傳感器對設備關鍵的數據進行檢測并加以判斷，如冷卻水壓、加熱電流、充氣壓力等，當這些數據出現異常系統將發出聲光報警，并自動進行故障緊急處理，防止出現造成太大的損失。設備在使用過程中有完全的誤操作保護功能，每個部件的開啟和關閉都設有嚴格的條件，當條件不滿足時不允許開啟或關閉，如加熱時不能關閉氣氛壓力維持機構、抽真空時不運行開啟充氣等設定。觸摸屏開發的KND-Ⅲ型單輥快速凝固設備操作平臺，能實時顯示設備的運行狀態并進行控制，人性化界面設計，直觀簡潔，方便操作。控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

7 結束語

該設備經過調試達到自動啟動真空機組對設備抽真空，實現鎂合金材料高頻感應加熱熔化，移動工位使坩堝到設定位置，啟動單輥達到設定轉速，控制充氣壓力達到設定值，實現鎂合金的熔化、甩帶。該設備運行平穩、可靠，目前已交付用戶使用，運行良好。

[1]王魁漢.溫度測量實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]侯煒強.多晶硅鑄錠爐生產工藝控制技術和設備組成[J].電子工藝技術，2008，29（5）：291-2293.

[3]楊新社，賈育秦.可編程自動控制器的發展現狀及趨勢[J].電子工藝技術，2007，28（2）：106-107.