大噸位雙爐室真空自耗電弧爐的研制

李會(huì)武，彭常戶(hù)，杜亞寧，張 嘉

(西部超導(dǎo)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(yōu)質(zhì)鑄錠的關(guān)鍵設(shè)備。近年來(lái)，我國(guó)航空、航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，成果喜人，同時(shí)對(duì)稀有金屬材料的性能和規(guī)格也不斷提出了更高的要求。在此情況下，開(kāi)發(fā)研制高效、先進(jìn)的大噸位真空自耗電弧爐以獲取高清潔度、高均質(zhì)、大規(guī)格的錠坯顯得極為迫切和重要[1]。

對(duì)于大噸位真空自耗電弧爐，目前主要采用2種結(jié)構(gòu)型式，一種為雙工位不帶閉鎖閥結(jié)構(gòu)，一種為雙工位帶閉鎖閥結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)研制的電弧爐普遍采用雙工位不帶閉鎖閥結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)的電弧爐生產(chǎn)效率較低。因?yàn)槊慨?dāng)熔煉完成后，鑄錠需要繼續(xù)冷卻且爐內(nèi)維持真空環(huán)境，爐室無(wú)法移開(kāi)。只有當(dāng)鑄錠充分冷卻后，爐室才能移至另一工位開(kāi)始抽空，也就是說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)僅僅節(jié)省了裝、出料的時(shí)間。進(jìn)口電弧爐則采用雙工位帶閉鎖閥的結(jié)構(gòu)，如德國(guó)ALD和美國(guó)Consarc的電弧爐。這種結(jié)構(gòu)型式的電弧爐由于2個(gè)工位均帶有真空閉鎖閥，熔煉結(jié)束后的一定時(shí)間后，關(guān)閉閉鎖閥，鑄錠可以繼續(xù)在真空環(huán)境中冷卻，而爐室就可移至另一工位進(jìn)行抽空，這樣不僅節(jié)省了2個(gè)工位的裝、出料時(shí)間，而且省去了等待鑄錠冷卻的時(shí)間，因此具有較高的生產(chǎn)效率。但閉鎖閥自身也存在一定的缺陷，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于閉鎖閥長(zhǎng)時(shí)間受到高溫烘烤，故障率非常高，而一旦閉鎖閥出現(xiàn)問(wèn)題，將直接導(dǎo)致整臺(tái)電弧爐無(wú)法正常生產(chǎn)。

因此，為了有效解決國(guó)產(chǎn)電弧爐產(chǎn)品噸位小、生產(chǎn)效率低、性能不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度低、安全可靠性較差等問(wèn)題，根據(jù)國(guó)內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀，結(jié)合西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)西部超導(dǎo))多年來(lái)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在充分考慮項(xiàng)目實(shí)施可行性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，提出了雙爐室真空自耗電弧爐結(jié)構(gòu)，研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)大噸位雙爐室真空自耗電弧爐——SZHL8真空自耗電弧爐，相信對(duì)于提升我國(guó)稀有金屬特種冶煉設(shè)備的研制水平、促進(jìn)高性能材料的研發(fā)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，即每個(gè)工位上都有獨(dú)立配套的爐室，2套爐室共用1套熔煉電源。相比國(guó)外普遍采用的單爐室雙工位帶閉鎖閥結(jié)構(gòu)，其實(shí)用性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯。首先，采用雙爐室結(jié)構(gòu)，省掉了2臺(tái)閉鎖閥，降低了電弧爐的整體故障率；其次，2臺(tái)爐室各自獨(dú)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(fā)生故障，另一套爐室仍可繼續(xù)投入使用，因此生產(chǎn)效率更高。圖1為SZHL8真空自耗電弧爐的結(jié)構(gòu)示意圖。

2 技術(shù)特點(diǎn)和性能指標(biāo)

2.1 設(shè)備主要技術(shù)特點(diǎn)

SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐在研制過(guò)程中開(kāi)發(fā)了以下創(chuàng)新技術(shù)：①大電流整流電源切換裝置；②水冷導(dǎo)電法蘭；③防溢流封閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；④電弧爐智能熔速控制系統(tǒng)；⑤充氬熔煉實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。除此之外，SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐還采用了熔煉過(guò)程自動(dòng)精確進(jìn)給及裝、出料快速提升的電極桿驅(qū)動(dòng)技術(shù),氣動(dòng)夾頭遠(yuǎn)程控制及可靠導(dǎo)電技術(shù),大電流同軸導(dǎo)電技術(shù),高精度電極自動(dòng)稱(chēng)重技術(shù),熔煉過(guò)程電弧及熔池?cái)z像觀察系統(tǒng),電極桿X-Y雙向調(diào)節(jié)技術(shù),電弧爐熔煉工藝預(yù)設(shè)及計(jì)算機(jī)全自動(dòng)操作技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，確保了電弧爐的先進(jìn)性、可靠性和實(shí)用性。

2.2 主要性能指標(biāo)

SZHL8真空自耗電弧爐的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)自耗電極與鑄錠產(chǎn)品規(guī)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SZHL8 double chambers type VAR

自耗電極長(zhǎng)度 最大5 200 mm(帶輔助電極)

鑄錠直徑 最大900 mm

鑄錠長(zhǎng)度 最大2 800 mm

鑄錠質(zhì)量 最大8 000 kg

(2)熔煉電源參數(shù)

電流 2×20 kA=40 kA DC(2臺(tái)各20 kA)

空載電壓 72 V

工作電壓 15 ～45 V

(3)電極桿參數(shù)

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(shù)

爐體升降行程 2 500 mm

爐體旋轉(zhuǎn)速度 0 ～3 600 mm/min

(5)真空系統(tǒng)參數(shù)

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(shí)間 ≤25 min(從大氣到工作真空度)

(6)稱(chēng)重參數(shù)

稱(chēng)重精度 ±0.125%

(7)X-Y調(diào)節(jié)部分參數(shù)

X-Y向調(diào)節(jié)角度 ±0.5°

X-Y向調(diào)節(jié)速度 最大270 mm/min

(8)穩(wěn)弧與攪拌系統(tǒng)參數(shù)

穩(wěn)弧電流 直流(DC)或交流(AC)連續(xù)調(diào)節(jié)

磁感應(yīng)強(qiáng)度 0～0.007 T

時(shí)間 0～300 s

3 主要解決的技術(shù)難點(diǎn)

3.1 雙爐室共用整流電源技術(shù)

目前，國(guó)、內(nèi)外真空自耗電弧爐普遍采用2臺(tái)整流電源并聯(lián)供電的結(jié)構(gòu)，即通過(guò)導(dǎo)電銅排將2臺(tái)整流電源并聯(lián)在一起，使用時(shí)可以2臺(tái)整流電源交替使用，也可以2臺(tái)整流電源一起使用。但由于一套電源僅供一套爐室使用，導(dǎo)致電源在大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，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(jiàn)圖2)，它包括2臺(tái)整流電源、陰極母排、陽(yáng)極母排、連接銅排及2臺(tái)刀閘開(kāi)關(guān)。整流電源共用方法采用陽(yáng)極母排與水冷電纜直連，陰極母排通過(guò)連接銅排與2臺(tái)刀閘開(kāi)關(guān)及水冷電纜連接。通過(guò)2臺(tái)刀閘開(kāi)關(guān)的閉合或打開(kāi)，使整流電源在2臺(tái)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(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

爐室是容納自耗電極的真空室，它上連電極傳動(dòng)裝置，下連坩堝，中間與真空系統(tǒng)相連，是電弧爐的關(guān)鍵部件[2]。SZHL8真空自耗電弧爐在爐室設(shè)計(jì)中采用了以下創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)：首先，爐室頂部采用不銹鋼隔熱屏代替國(guó)內(nèi)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(lái)的危險(xiǎn)，大大降低了爐室的制造難度。其次，爐室底部采用水冷導(dǎo)電法蘭，包括水冷上法蘭、銅法蘭、O型密封圈和內(nèi)法蘭。水冷上法蘭留有冷卻水進(jìn)水口，內(nèi)部加工有冷卻水槽，冷卻水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入法蘭內(nèi)部冷卻水槽，從而有效帶走銅法蘭導(dǎo)電產(chǎn)生的熱量。采用水冷法蘭結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)電法蘭在熔煉過(guò)程中能夠得到充分冷卻，有效保護(hù)了O型密封圈，從而解決了法蘭導(dǎo)電與密封的矛盾。最后，爐室抽空管道采用分體結(jié)構(gòu)，中間用法蘭連接，這種結(jié)構(gòu)同樣大大降低了爐室的加工難度，同時(shí)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(guò)程中有效保護(hù)真空管道。圖3為SZHL8真空自耗電弧爐所用水冷爐室結(jié)構(gòu)圖。

圖3 SZHL8真空自耗電弧爐水冷爐室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of water cooling chamber forSZHL8 VAR

3.3 坩堝冷卻系統(tǒng)

金屬在熔煉過(guò)程中，需要在坩堝內(nèi)進(jìn)行大量的熱交換，大約80%的熱量由坩堝冷卻系統(tǒng)帶走[2]。為了對(duì)坩堝進(jìn)行充分而適當(dāng)?shù)睦鋮s，需要在熔煉過(guò)程中對(duì)坩堝冷卻水溫及流量進(jìn)行控制。SZHL8真空自耗電弧爐在坩堝冷卻水進(jìn)水管道采用了增壓泵和自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)，根據(jù)坩堝冷卻出水管道的流量和水溫控制閥門(mén)開(kāi)度，使冷卻水保持一定的流速對(duì)坩堝壁進(jìn)行冷卻。此外，為了防止熔煉過(guò)程中異常斷電造成坩堝無(wú)法正常冷卻，系統(tǒng)設(shè)有緊急供水裝置，可在斷電后自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)對(duì)坩堝進(jìn)行冷卻。由于斷電后排污泵無(wú)法啟動(dòng)，為防止水箱溢流淹沒(méi)地下室，系統(tǒng)還設(shè)有防溢流裝置，使熔化站的出水自動(dòng)排往污水管網(wǎng)，大大增加了系統(tǒng)的安全性。

3.4 智能熔速控制系統(tǒng)

熔速控制是保證鑄錠組織均勻、致密、無(wú)縮孔及表面缺陷且成分均勻的重要環(huán)節(jié)，SZHL8真空自耗電弧爐采用自行研發(fā)設(shè)計(jì)的智能熔速控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明其實(shí)用性和穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)突出。該熔速控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID控制，在電流控制環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)模糊fuzzy調(diào)節(jié)器，通過(guò)熔速環(huán)最大變化率的設(shè)定，并根據(jù)實(shí)時(shí)熔速變化情況，自適應(yīng)的選擇比例增益，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流控制，保持熔速的穩(wěn)定性；在熔速計(jì)算環(huán)節(jié)采用了數(shù)字平滑濾波和遞推濾波，確保計(jì)算出的熔速兼顧靈敏性和穩(wěn)定性；另外，為了真實(shí)反映真空下電極質(zhì)量的變化，并排除熔煉過(guò)程中爐室真空度波動(dòng)對(duì)質(zhì)量的影響，以得到準(zhǔn)確真實(shí)的熔化速率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有稱(chēng)重傳感器和壓力傳感器分別檢測(cè)及采集自耗電極質(zhì)量和爐內(nèi)壓力，濾波后再通過(guò)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電極質(zhì)量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。圖4為智能熔速控制系統(tǒng)控制策略框圖。該系統(tǒng)解決了熔煉過(guò)程中電極分布不均和氣隙對(duì)熔速影響的問(wèn)題，保證了熔速控制的平穩(wěn)進(jìn)行。

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

3.5 充氬熔煉實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

充氬熔煉(分壓控制熔煉)目前僅在一些最新進(jìn)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(guò)程中的損耗。SZHL8真空自耗電弧爐設(shè)計(jì)有一套可在預(yù)定壓力下(最大至30 kPa)進(jìn)行熔煉的控制系統(tǒng)，解決了由于爐室壓力低、溫度高而導(dǎo)致的合金中某些易揮發(fā)元素?fù)p失，致使鑄錠成分不合格的問(wèn)題。SZHL8真空自耗電弧爐的實(shí)際壓力通過(guò)控制真空旁通管路和真空泵組的聯(lián)動(dòng)以及調(diào)節(jié)氬氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在氣氛熔煉時(shí)通過(guò)上位計(jì)算機(jī)設(shè)定保護(hù)氣氛壓力及充氣、排氣范圍，由傳感器、PLC、電磁閥和真空系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)對(duì)這些參數(shù)和變量進(jìn)行采集、運(yùn)算、控制，實(shí)現(xiàn)充氬熔煉過(guò)程中的壓力控制自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)控制。圖5為充氬熔煉控制系統(tǒng)硬件配置示意圖。

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

4 應(yīng)用情況

SZHL8雙爐室真空自耗電弧爐于2011年4月正式投產(chǎn)使用。經(jīng)過(guò)近1年的連續(xù)生產(chǎn)，截至2011年12月31日，共熔煉各類(lèi)鑄錠約1 200爐次。通過(guò)對(duì)所生產(chǎn)的鑄錠進(jìn)行取樣和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明SZHL8電弧爐所生產(chǎn)的鑄錠成分均勻，成品率達(dá)91.8%以上，與國(guó)外進(jìn)口電弧爐性能相當(dāng)甚至更優(yōu)。從電弧爐使用情況來(lái)看，SZHL8電弧爐運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，其生產(chǎn)效率相比國(guó)外進(jìn)口電弧爐較高，可見(jiàn)其技術(shù)水平已達(dá)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。雙爐室真空自耗電弧爐的優(yōu)越性已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到充分的體現(xiàn)和驗(yàn)證，相信在不久的將來(lái)，該型式的真空電弧爐必將得到越來(lái)越廣泛的認(rèn)可和采用。