大噸位雙爐室真空自耗電弧爐的研制

李會武，彭常戶，杜亞寧，張 嘉

(西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

0 引 言

真空自耗電弧爐是制取稀有金屬優質鑄錠的關鍵設備。近年來，我國航空、航天產業發展迅速，成果喜人，同時對稀有金屬材料的性能和規格也不斷提出了更高的要求。在此情況下，開發研制高效、先進的大噸位真空自耗電弧爐以獲取高清潔度、高均質、大規格的錠坯顯得極為迫切和重要[1]。

對于大噸位真空自耗電弧爐，目前主要采用2種結構型式，一種為雙工位不帶閉鎖閥結構，一種為雙工位帶閉鎖閥結構。國內研制的電弧爐普遍采用雙工位不帶閉鎖閥結構，但這種結構的電弧爐生產效率較低。因為每當熔煉完成后，鑄錠需要繼續冷卻且爐內維持真空環境，爐室無法移開。只有當鑄錠充分冷卻后，爐室才能移至另一工位開始抽空，也就是說，這種結構僅僅節省了裝、出料的時間。進口電弧爐則采用雙工位帶閉鎖閥的結構，如德國ALD和美國Consarc的電弧爐。這種結構型式的電弧爐由于2個工位均帶有真空閉鎖閥，熔煉結束后的一定時間后，關閉閉鎖閥，鑄錠可以繼續在真空環境中冷卻，而爐室就可移至另一工位進行抽空，這樣不僅節省了2個工位的裝、出料時間，而且省去了等待鑄錠冷卻的時間，因此具有較高的生產效率。但閉鎖閥自身也存在一定的缺陷，因為實際生產過程中發現，由于閉鎖閥長時間受到高溫烘烤，故障率非常高，而一旦閉鎖閥出現問題，將直接導致整臺電弧爐無法正常生產。

因此，為了有效解決國產電弧爐產品噸位小、生產效率低、性能不穩定、自動化程度低、安全可靠性較差等問題，根據國內行業現狀，結合西部超導材料科技股份有限公司(以下簡稱西部超導)多年來的生產經驗，在充分考慮項目實施可行性和實用性的基礎上，提出了雙爐室真空自耗電弧爐結構，研制出了國內首臺大噸位雙爐室真空自耗電弧爐——SZHL8真空自耗電弧爐，相信對于提升我國稀有金屬特種冶煉設備的研制水平、促進高性能材料的研發生產具有重要意義。

1 主體方案

SZHL8真空自耗電弧爐采用雙爐室雙工位的主體結構，即每個工位上都有獨立配套的爐室，2套爐室共用1套熔煉電源。相比國外普遍采用的單爐室雙工位帶閉鎖閥結構，其實用性和技術優勢更加明顯。首先，采用雙爐室結構，省掉了2臺閉鎖閥，降低了電弧爐的整體故障率；其次，2臺爐室各自獨立，裝料、出料、抽空、檢修等輔助工序互不影響，即使其中一套爐室發生故障，另一套爐室仍可繼續投入使用，因此生產效率更高。圖1為SZHL8真空自耗電弧爐的結構示意圖。

2 技術特點和性能指標

2.1 設備主要技術特點

SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐在研制過程中開發了以下創新技術：①大電流整流電源切換裝置；②水冷導電法蘭；③防溢流封閉式冷卻水循環系統；④電弧爐智能熔速控制系統；⑤充氬熔煉實時控制系統。除此之外，SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐還采用了熔煉過程自動精確進給及裝、出料快速提升的電極桿驅動技術,氣動夾頭遠程控制及可靠導電技術,大電流同軸導電技術,高精度電極自動稱重技術,熔煉過程電弧及熔池攝像觀察系統,電極桿X-Y雙向調節技術,電弧爐熔煉工藝預設及計算機全自動操作技術等多項關鍵技術，確保了電弧爐的先進性、可靠性和實用性。

2.2 主要性能指標

SZHL8真空自耗電弧爐的主要技術指標如下：

(1)自耗電極與鑄錠產品規格

自耗電極直徑 最大830 mm

圖1 SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of SZHL8 double chambers type VAR

自耗電極長度 最大5 200 mm(帶輔助電極)

鑄錠直徑 最大900 mm

鑄錠長度 最大2 800 mm

鑄錠質量 最大8 000 kg

(2)熔煉電源參數

電流 2×20 kA=40 kA DC(2臺各20 kA)

空載電壓 72 V

工作電壓 15 ～45 V

(3)電極桿參數

電極桿快速提升速度 1 500 mm/min

電極桿熔煉下降速度 0 ～40 mm/min

(4)爐體參數

爐體升降行程 2 500 mm

爐體旋轉速度 0 ～3 600 mm/min

(5)真空系統參數

極限真空度 7×10-2Pa

工作真空度 5×10-1Pa

壓升率 ≤0.133 Pa/min

建立真空時間 ≤25 min(從大氣到工作真空度)

(6)稱重參數

稱重精度 ±0.125%

(7)X-Y調節部分參數

X-Y向調節角度 ±0.5°

X-Y向調節速度 最大270 mm/min

(8)穩弧與攪拌系統參數

穩弧電流 直流(DC)或交流(AC)連續調節

磁感應強度 0～0.007 T

時間 0～300 s

3 主要解決的技術難點

3.1 雙爐室共用整流電源技術

目前，國、內外真空自耗電弧爐普遍采用2臺整流電源并聯供電的結構，即通過導電銅排將2臺整流電源并聯在一起，使用時可以2臺整流電源交替使用，也可以2臺整流電源一起使用。但由于一套電源僅供一套爐室使用，導致電源在大部分時間處于閑置狀態，電源的利用效率不高。SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐采用了一種大直流電源切換裝置(見圖2)，它包括2臺整流電源、陰極母排、陽極母排、連接銅排及2臺刀閘開關。整流電源共用方法采用陽極母排與水冷電纜直連，陰極母排通過連接銅排與2臺刀閘開關及水冷電纜連接。通過2臺刀閘開關的閉合或打開，使整流電源在2臺電弧爐或雙爐室之間切換，大大提高了整流電源的使用效率，降低了設備成本。

圖2 雙爐室共用整流電源切換裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of power supply switching device fordouble furnace chambers

3.2 水冷爐室結構優化

爐室是容納自耗電極的真空室，它上連電極傳動裝置，下連坩堝，中間與真空系統相連，是電弧爐的關鍵部件[2]。SZHL8真空自耗電弧爐在爐室設計中采用了以下創新性的設計：首先，爐室頂部采用不銹鋼隔熱屏代替國內外目前普遍采用的通水冷卻，有效排除了由于頂部水套滲漏帶來的危險，大大降低了爐室的制造難度。其次，爐室底部采用水冷導電法蘭，包括水冷上法蘭、銅法蘭、O型密封圈和內法蘭。水冷上法蘭留有冷卻水進水口，內部加工有冷卻水槽，冷卻水通過進水口進入法蘭內部冷卻水槽，從而有效帶走銅法蘭導電產生的熱量。采用水冷法蘭結構，使導電法蘭在熔煉過程中能夠得到充分冷卻，有效保護了O型密封圈，從而解決了法蘭導電與密封的矛盾。最后，爐室抽空管道采用分體結構，中間用法蘭連接，這種結構同樣大大降低了爐室的加工難度，同時由于靠近爐室的真空管道可以做成水套冷卻形式，從而可以在熔煉過程中有效保護真空管道。圖3為SZHL8真空自耗電弧爐所用水冷爐室結構圖。

圖3 SZHL8真空自耗電弧爐水冷爐室結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of water cooling chamber forSZHL8 VAR

3.3 坩堝冷卻系統

金屬在熔煉過程中，需要在坩堝內進行大量的熱交換，大約80%的熱量由坩堝冷卻系統帶走[2]。為了對坩堝進行充分而適當的冷卻，需要在熔煉過程中對坩堝冷卻水溫及流量進行控制。SZHL8真空自耗電弧爐在坩堝冷卻水進水管道采用了增壓泵和自動調節閥門，根據坩堝冷卻出水管道的流量和水溫控制閥門開度，使冷卻水保持一定的流速對坩堝壁進行冷卻。此外，為了防止熔煉過程中異常斷電造成坩堝無法正常冷卻，系統設有緊急供水裝置，可在斷電后自動打開閥門對坩堝進行冷卻。由于斷電后排污泵無法啟動，為防止水箱溢流淹沒地下室，系統還設有防溢流裝置，使熔化站的出水自動排往污水管網，大大增加了系統的安全性。

3.4 智能熔速控制系統

熔速控制是保證鑄錠組織均勻、致密、無縮孔及表面缺陷且成分均勻的重要環節，SZHL8真空自耗電弧爐采用自行研發設計的智能熔速控制系統，實踐證明其實用性和穩定性優勢突出。該熔速控制系統采用雙閉環PID控制，在電流控制環節，設計模糊fuzzy調節器，通過熔速環最大變化率的設定，并根據實時熔速變化情況，自適應的選擇比例增益，實現穩定的電流控制，保持熔速的穩定性；在熔速計算環節采用了數字平滑濾波和遞推濾波，確保計算出的熔速兼顧靈敏性和穩定性；另外，為了真實反映真空下電極質量的變化，并排除熔煉過程中爐室真空度波動對質量的影響，以得到準確真實的熔化速率，系統設計有稱重傳感器和壓力傳感器分別檢測及采集自耗電極質量和爐內壓力，濾波后再通過運算實現電極質量的動態補償。圖4為智能熔速控制系統控制策略框圖。該系統解決了熔煉過程中電極分布不均和氣隙對熔速影響的問題，保證了熔速控制的平穩進行。

圖4 智能熔速控制系統控制策略框圖Fig.4 Block diagram of intelligent melt rate control system

3.5 充氬熔煉實時控制系統

充氬熔煉(分壓控制熔煉)目前僅在一些最新進口的真空自耗電弧爐上配置，用于避免一些高飽和蒸氣壓元素(例如Mn，Al)在熔煉過程中的損耗。SZHL8真空自耗電弧爐設計有一套可在預定壓力下(最大至30 kPa)進行熔煉的控制系統，解決了由于爐室壓力低、溫度高而導致的合金中某些易揮發元素損失，致使鑄錠成分不合格的問題。SZHL8真空自耗電弧爐的實際壓力通過控制真空旁通管路和真空泵組的聯動以及調節氬氣流量來實現。在氣氛熔煉時通過上位計算機設定保護氣氛壓力及充氣、排氣范圍，由傳感器、PLC、電磁閥和真空系統組成控制系統對這些參數和變量進行采集、運算、控制，實現充氬熔煉過程中的壓力控制自動調節和手動控制。圖5為充氬熔煉控制系統硬件配置示意圖。

圖5 充氬熔煉控制系統硬件配置示意圖Fig.5 Schematic diagram of hardware configuration of argon melting control system

4 應用情況

SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐于2011年4月正式投產使用。經過近1年的連續生產，截至2011年12月31日，共熔煉各類鑄錠約1 200爐次。通過對所生產的鑄錠進行取樣和統計分析，結果表明SZHL8電弧爐所生產的鑄錠成分均勻，成品率達91.8%以上，與國外進口電弧爐性能相當甚至更優。從電弧爐使用情況來看，SZHL8電弧爐運行穩定，故障率低，其生產效率相比國外進口電弧爐較高，可見其技術水平已達國內外領先水平。雙爐室真空自耗電弧爐的優越性已經在生產實踐中得到充分的體現和驗證，相信在不久的將來，該型式的真空電弧爐必將得到越來越廣泛的認可和采用。