坩堝檢測系統(tǒng)在80 L真空感應(yīng)爐中的開發(fā)及應(yīng)用研究

侯茸豪

摘 要：為提高真空感應(yīng)爐坩堝使用壽命及安全性，論述了如何將直流電阻的測試原理成功應(yīng)用于真空感應(yīng)爐坩堝檢測系統(tǒng)。坩堝檢測系統(tǒng)的分析主要基于陶瓷坩堝的溫度變化，在設(shè)計(jì)中采用兩路冗余檢測系統(tǒng)檢測并持續(xù)記錄坩堝電阻值變化，并將其記錄值可視化處理，在坩堝電阻過低時(shí)進(jìn)行告警。該系統(tǒng)的可靠性在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，因?yàn)槔每陀^測得的數(shù)據(jù)來獲取坩堝狀態(tài)信息，該設(shè)備中使用的坩堝實(shí)現(xiàn)了最佳使用效率，大幅降低了生產(chǎn)成本，極大地提高了安全性，研究成果可為相關(guān)應(yīng)用與研究提供參考。

關(guān)鍵詞：真空感應(yīng)爐;陶瓷坩堝;直流電阻;PLC;人機(jī)界面

0? ? 引言

坩堝檢測系統(tǒng)的測量方法采用了直流電阻的測試原理，即通過測量兩個(gè)安裝于不同部位的非磁性不銹鋼電極來監(jiān)控坩堝狀態(tài)。第一個(gè)電極直接與金屬熔液接觸，另一個(gè)網(wǎng)狀電極則安裝在感應(yīng)爐線圈內(nèi)的爐襯中。坩堝檢測系統(tǒng)的分析主要基于陶瓷坩堝的溫度變化，因?yàn)殡S著溫度升高，陶瓷坩堝的電阻將會呈對數(shù)遞減規(guī)律。此外，隨著裂紋逐漸擴(kuò)大及層狀腐蝕縮短熔煉液與電極網(wǎng)之間的電阻距離，系統(tǒng)的敏感度將會提高，電勢差降低，因此測得的電阻值更低。

此檢測系統(tǒng)采用了兩路冗余設(shè)計(jì)方案，既能降低系統(tǒng)故障概率，又可有效進(jìn)行測得結(jié)果比對，設(shè)備控制系統(tǒng)可持續(xù)記錄坩堝電阻值并向操作人員報(bào)告坩堝的狀態(tài)。人機(jī)界面中預(yù)留了坩堝電阻下限報(bào)警設(shè)置，操作人員可以根據(jù)實(shí)際使用坩堝類型及經(jīng)驗(yàn)電阻測得數(shù)據(jù)對此進(jìn)行設(shè)定。一旦在熔煉時(shí)發(fā)生坩堝電阻低于預(yù)警值的情況，則人機(jī)界面會自動進(jìn)行告警。

1? ? 如何更有效率地利用陶瓷坩堝

1.1? ? 陶瓷坩堝在真空感應(yīng)爐中的作用

在使用真空感應(yīng)爐進(jìn)行有色金屬熔煉的工藝過程中，陶瓷坩堝在裝料階段用于裝載固體爐料;在隨后熔化、精煉及澆鑄階段又成為將金屬及合金成分熔煉為高溫金屬熔液的熔池器皿。

1.2? ? 用于真空感應(yīng)爐中陶瓷坩堝的特點(diǎn)

在有色金屬冶煉生產(chǎn)過程中，陶瓷坩堝壁內(nèi)外溫差極大，通常在1 000 ℃以上。真空感應(yīng)爐在間歇作業(yè)時(shí)，陶瓷坩堝壁會重復(fù)經(jīng)受溫度變化的影響。上料時(shí)還會受到冷料塊的沖擊，熔化階段則會持續(xù)受到密度極大的金屬熔液的靜壓力及真空感應(yīng)爐的自我攪拌作用導(dǎo)致金屬熔液對坩堝的沖刷。因工作條件很差，陶瓷坩堝必須有較小的線膨脹系數(shù)、較高的高溫機(jī)械強(qiáng)度才可以減少裂紋的產(chǎn)生。圖1為剛打結(jié)完畢的氧化鋁坩堝，圖2則為僅使用過一次的同一坩堝的對比圖片。

鑒于陶瓷坩堝的良好化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、放氣量小等特性與文章論述內(nèi)容相關(guān)性不大，此處不再贅述。

坩堝是在真空感應(yīng)爐設(shè)備中易損且需頻繁維護(hù)的部件，可以說陶瓷坩堝的壽命直接決定了真空感應(yīng)爐的生產(chǎn)效率，所以在日常的使用中，對陶瓷坩堝的維護(hù)尤為重要。

2? ? 坩堝檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

對于坩堝使用壽命的判定，通常都是由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以目視檢查來進(jìn)行的。坩堝檢測系統(tǒng)的出現(xiàn)可以使得坩堝設(shè)備通過客觀的可測量數(shù)據(jù)來量化坩堝的使用狀況，并以此進(jìn)行評估。

2.1? ? 測量原理

陶瓷坩堝的電阻值會隨溫度上升而發(fā)生極大的變化。如圖3所示，隨著溫度的上升，不同材料的坩堝材料電阻率呈對數(shù)下降趨勢，因此坩堝壁因侵蝕造成的溫度升高會導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的電阻降低及電壓降。

此外，因裂紋造成的局部溫度上升也可被可靠記錄，通過持續(xù)在每一爐熔煉生產(chǎn)后進(jìn)行記錄并分析坩堝的電阻值，即可獲取有效的坩堝狀態(tài)。

坩堝檢測系統(tǒng)的分析主要基于陶瓷坩堝的溫度變化。此外，隨著裂紋逐漸擴(kuò)大及層狀侵蝕縮短熔煉金屬液與另一探測電極之間的電阻距離，系統(tǒng)的敏感度也會提高，電勢差相應(yīng)降低，而測得的電阻值也會更低。

2.2? ? 坩堝檢測系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

文章中提到的坩堝檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于直流電阻測量原理，所需的測量電流由電壓源提供，該電源安裝于真空感應(yīng)爐外部的控制柜內(nèi)。

坩堝檢測系統(tǒng)的原理圖如圖4所示，測量過程在兩個(gè)采用不同構(gòu)造的電極之間執(zhí)行。為了避免強(qiáng)交變電磁場對測量的影響，電極均需使用非磁性不銹鋼材質(zhì)。接地的電極5直接與熔融狀態(tài)的金屬液進(jìn)行接觸，另外一個(gè)電極4則安裝于永久爐襯2與坩堝1之間。作為電壓源與測量裝置的檢測系統(tǒng)6則用于記錄金屬熔液與電極4之間距離的電阻值。

2.3? ? 數(shù)據(jù)的記錄

如果要使坩堝檢測系統(tǒng)可靠工作，則該系統(tǒng)必須具備可安全記錄低電阻并提供準(zhǔn)確解決方案的功能。據(jù)此，本文論述的坩堝檢測系統(tǒng)使用了冗余電阻檢測方案，操作人員可在人機(jī)界面對測試系統(tǒng)中兩套使用不同測試電流范圍的測試儀表進(jìn)行切換，而設(shè)備的控制系統(tǒng)則會對從測試儀表處輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并持續(xù)在人機(jī)界面進(jìn)行顯示，以告知操作人員當(dāng)前坩堝的可能狀態(tài)。

2.4? ? 測量設(shè)備的選擇

鑒于真空感應(yīng)爐強(qiáng)交變磁場的惡劣測量工作環(huán)境及被測量電阻的一端電極需與金屬熔液直接相連接，如何選取合適的測量儀表顯得尤為重要。

2.4.1? ? 測量設(shè)備的耐壓等級

因?yàn)橥ǔＧ闆r下真空感應(yīng)爐有效線圈內(nèi)的電壓在直流573 V至更高電壓，此電壓值取決于設(shè)備配套的中頻感應(yīng)電源輸出電壓。如果發(fā)生坩堝破裂，爐襯失效，此時(shí)可能會導(dǎo)致熔池內(nèi)金屬熔液帶電。所以，此時(shí)需要考慮測量儀表的輸入側(cè)可承受電壓等級，如有必要?jiǎng)t根據(jù)標(biāo)稱電壓加裝相應(yīng)的耦合裝置。

2.4.2? ? 中頻感應(yīng)電源對測量設(shè)備的影響

真空感應(yīng)爐中使用中頻感應(yīng)電源對線圈內(nèi)的金屬進(jìn)行感應(yīng)加熱，故所選用的測量儀表應(yīng)能夠應(yīng)用于帶電連接到配有整流器或變送器的非接地系統(tǒng)，且可靠精確地進(jìn)行絕緣電阻的測量。此測量儀表需能自動消抑電壓波動對電阻測量的影響，而且也需要能夠?qū)崟r(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)泄漏電容;其測量技術(shù)必須能夠滿足不同的要求，以保證最佳的響應(yīng)時(shí)間及相對不確定性。