真空熔煉爐控制系統的分析與應用

孫超

摘 要：真空熔煉爐主要以生產真空熔煉、高溫合金、鈦合金等特種材料為主的冶煉設備，但目前我國國產真空感應爐的自動化水平相對較低，而在生產過程中，自動化控制系統作為重要的組成部分，直接影響到收率及品質，因此，分析和研究先進自動化控制系統，可以達到保障真空熔煉爐的穩定高效，且具有重要的理論和實際意義。

關鍵詞：真空熔煉爐；控制系統；分析與應用

中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）18-184-2

0 引言

真空熔煉爐是電爐中的一種，其主要結構由加料倉、熔煉室、測溫室、澆鑄室及模室組成；其主要原理是將特制坩堝置于主腔室的磁感應線圈中，利用輸出電源將電能轉換為磁能完成對坩堝中物料的加熱及熔煉的過程。目前，真空熔煉爐已廣泛應用于高溫合金、貯氫材料、磁性材料等功能材料的生產上，同時也在航天、航空、軍工、化工等高精尖端行業得到廣泛的應用。

真空熔煉爐主要的特點有加熱速度快，設備連續生產率高，生產合金成分均勻，燒損較少，收率較高等優點。目前，國內真空熔煉爐設備比較落后，真空度無法達到工藝要求，無法精確達到工藝設定功率，設備使用效率較低，自動化程度偏低等問題。由于自動化程度偏低，在熔煉過程中容易造成功率無法精確達到工藝要求，造成成分不均勻，溫度不達標，從而影響了生產產品的收率及品質。國外真空熔煉爐的自動化程度相當國內較高，但與其他熔煉設備相比較自動化進程仍然比較緩慢。其主要原因是真空熔煉爐的熔煉過程是多輸入、多輸出、非線性、鋼水成分、溫度難以在線檢測，并且坩堝內的反應復雜多變，難以建立精確的數學模型，由自動化水平低，基本上依靠人工經驗進行操作，這不但增加了生產成本，而且產品質量不能保證，因此，為保障熔煉工藝過程的穩定運行，必須提高真空感應爐熔煉的自動化程度。

1 真空熔煉爐熔煉的工藝簡介

真空感應爐熔煉工藝基本一致，均可分為上料、熔化、精煉、澆鑄和出爐等幾個階段。下面重點介紹一下生產某合金的工藝流程及工藝控制點

1.1 上料

在上料過程中，重點是要保障原料能夠按照工藝配方加入真空熔煉爐料倉內，且加料順序要按照不同原料的熔點依次加入加料倉中，在工藝要求中，應先將金屬原料按熔點由低到高依次加入坩堝內，在裝料過程中特別要注意要求原料的加入要下緊上松，可以防止爐料“架橋”現象的發生，這樣可以避免在熔化期加料所耗費的時間，縮短整個真空熔煉的周期提高了真空熔煉的安全系數，同時也提高了生產效率。

1.2 熔化期

熔化期的主要任務是將各種金屬原料熔化成液態， 同時熔化初期也是真空熔煉的核心部分之一，在真空熔煉中，熔化期的溫度及真空度會直接影響到合金的收率及質量，在熔化期一定要按照工藝要求設定的真空度進行熔煉，真空度高于設定值會出現氧化現象，產生大量的渣子，因此在熔煉熔化期確保真空度及溫度是重點。在熔化的過程中還會出現金屬熔化放氣的現象，這樣真空度會迅速下降，為了保證熔化期的真空度，真空系統在熔化期要連續高效工作才能保證生產流暢進行。熔化速度是通過功率的高低來控制的，在真空熔煉過程中，只有精確和穩定的控制輸出功率才能保障生產產品的質量，真空熔煉爐在熔化期的熔化速度過快，會產生金屬的燒損與噴濺，這樣就會導致產品的偏析和收率的降低。因此，熔化期的核心控制點就是要確保真空度，和熔化溫度，防止由于真空度偏低所帶來的合金氧化，和熔化速度過快帶來的飛濺所造成的成分偏析現象。

1.3 精煉期

精煉期的主要任務是脫除液態合金的有害元素，如硫、氧、硅等有害元素；去除微量有害雜質；降低碳，硅含量（當它們為有害元素），使鋼液成分合格。同時我們所研究的真空感應爐不同于國產設備，在精煉期有電磁攪拌功能，在經過充分的電磁攪拌后才能使合金均勻化，合金液體不均勻會直接影響到后續工序的結晶及合金的性能，精煉期過短會導致合金結晶不符合微觀結構，性能較差，時間過長則會使設備的功耗大，組分揮發多，除此之外，精煉期的溫度與保溫時間將增加爐體與合金接觸處的夾雜帶入量，因此，精確的控制精煉時間和溫度才能保證生產合金的質量正常。

1.4 澆鑄出爐

只有當鋼液的成分和溫度合乎要求后才可出鋼。小鋼錠或鑄件可直接澆注，大型感應爐可采用中間包澆注。真空感應爐在出鋼澆注時，為了保證鋼錠的質量，鋼液必須達到一定的溫度，同時也需要氬氣保護。出鋼溫度過低會超成澆注不成或鋼錠疏松和產生表面缺陷；而出鋼溫度過高，則會損壞坩堝，導致金屬二次氧化嚴重，且合金中雜質增加，金屬偏析嚴重，甚至產生內裂，嚴重影響合金質量。因此，鋼水溫度的測量對熔煉過程十分重要。在真空下澆注時，鋼液具有良好的流動性。當鋼液中含有Ti、Nb、Mo、Al、Co、W等元素時，將影響鋼液的流動性，應選擇稍高的澆注溫度和真空度。澆注完畢后，鑄錠在真空下凝固，根據鑄錠的大小和鋼種來確定保持時間。

2 真空熔煉爐控制系統的設計

中頻熔煉爐系統的控制環節包括：中頻電源功率控制、各種故障判斷及處理、振動加料器控制、澆注出爐控制以及和上位計算機實現通信等。本文通過編輯的梯形圖分別對中頻電源功率控制、振動加料器控制和澆注出爐控制加以說明。控制主要是采用PLC來完成的，本文引用的PLC是美國的羅克韋爾SLC500，所用的程序也是基于該PLC編程的，程序軟件為RSlogix500。

SLC500控制器結構及主要功能如下：

SLC500系列PLC有固定式和模塊式兩種硬件結構。固定式集處理器、電源、輸入/輸出（I/O）于一體，按輸入/輸出方式（直流、交流；電壓等級；源流、匯流；繼電器、可控硅和晶體管輸出等）及I/O點數的不同共有24種不同型號。固定式控制器還提供一個兩槽擴展框架以增加其輸入/輸出的靈活性。模塊式SLC系統可根據需要從5種處理器、7種電源及50余種I/O模塊或特殊功能模塊中選擇不同的組合，形成一個應用靈活、功能強大的控制系統。SLC500系列的所有模塊都通過了CSA認證，大部分模塊通過了危險環境認證，適用于很多工業應用場合。

中頻電源功率控制梯形圖如1所示。

如圖1所示：0024行B13：14的作用是通過觸摸屏或者電腦輸入給定功率，如果控制信號等于1，則經過觸摸屏輸入給定功率，不等于1則經過電腦輸入給定功率，給定的功率信號送到右側的運算器。0025行B13：10的作用是通過觸摸屏或者電腦輸入給定功率，如果控制信號等于1，則經過電腦輸入給定功率，不等于1則經過觸摸屏輸入給定功率，給定的功率信號送到右側的運算器，運算后送到目的地址N12：46。0026段程序的作用是，如果有特殊情況需要停止給定功率，可以通過該段程序讓給定功率迅速降低至零。0027段程序的作用是在不充氬氣的情況下才允許有功率，而0028段程序則是在充氬氣的情況下將功率迅速降低至零的。

圖1 中頻電源功率控制梯形圖

圖2 貯氫真空熔煉爐加料控制梯形圖

在圖2中，0007段程序的作用是通過電腦或者觸摸屏輸入啟動振動加料器信號，然后根據信號判斷是將振動給料器送入還是撤出熔煉室并動作。0010段程序的作用是振動給料器動作以后根據加料多少來調節振動頻率大小的，如果料多就增大振動頻率，相反則降低振動頻率。0011段程序是確定加料完畢后，通過緊急控制繼電器停止振動給料器繼續振動。之后再通過第0007段程序撤出振動給料器。

3 結束語

經過分析后達到了真空熔煉爐供電系統，加料系統等配合工藝的進行，實現了真空熔煉爐熔煉功率的穩定輸出，加料系統的精確控制，保障了整個生產的順利進行，提高了熔煉收率和質量。