真空凝壳炉电源稳定性影响因素的分析

孙堂敏

(北京百慕航材高科技股份有限公司 北京100094)



真空凝壳炉电源稳定性影响因素的分析

孙堂敏①

(北京百慕航材高科技股份有限公司 北京100094)

针对真空熔炼钛合金精密铸件大功率电源电流不稳定的现状，通过调试上位机的工艺曲线及示波器电流变化曲线，分析了弧电压和弧电流之间的耦合关系及其对熔速控制的影响、坩埚比对电源稳定性的影响，得到了弧电流的平稳调节是减小耦合的主要手段的结论及提出了合理的坩埚比建议。该研究成果为真空凝壳炉安全操作提供了理论依据。

真空凝壳炉电源 弧电流 熔速 坩埚比 稳定性影响

1 引言

直流真空熔炼是稀有金属及高等级合金钢必定要采用的工艺，这种工艺配套的设备从结构上分为真空熔炼炉和给其供电的直流电源两大部分。就铸造钛合金而言，目前国内主流应用的真空熔炼炉分为以铸锭为主要目的的真空自耗电极熔炼炉和以铸件的真空浇铸凝壳炉两大类别，本文主要研究真空凝壳炉配套电源的特性。

早期的电弧炉以交流电弧炉为主，虽然具有短流程、高效率、无污染等优点，但是交流电弧炉本身存在着一系列难以克服的缺点[1][2]，早在19世纪末，国外就开始了对直流电弧炉的研究，但是直到20世纪80年代初，由于大电流可控硅整流器的控制系统的发展才为直流电弧炉的工业化提供了条件，并使电弧炉熔炼能力大大提高，且随着近年真空熔炼炉单炉可熔化金属重量的不断增大，对直流电源的输出容量、弧电流稳定要求越来越大。目前国内最大的真空凝壳炉为洛阳725所1吨真空凝壳炉，本文结合本单位的65kA/80V直流电源与500kg真空凝壳炉配套调试时，直流电源采用整流变压器二次侧晶闸管一次调压方案，根据弧电压和弧电流之间的耦合关系及对熔速控制的影响、不同坩埚比(电极直径与坩埚直径之比)的实验数据进行定性分析[3][4]。

2 真空凝壳炉的工作过程和对直流电源的要求

真空凝壳炉的工作过程为：在炉内的真空度达到不致被熔炼金属氧化的前提下，系统投入运行，直流电源输出在正负极之间有一定的电压通常为空载电压，操作人员控制伺服系统使电极杆下降，当电极杆下降到与坩埚底部的距离小到一定程度(30cm)时，电极底部与放于坩埚底部的起弧料之间发生电离而产生电弧，电极开始熔化，熔化的金属变为液体流入坩埚中。所以整个熔炼过程必须为短弧熔炼，且弧压与弧距成正比，需要此弧压不要大范围波动。另外真空凝壳炉考虑工艺和安全的目的，设置了熔速控制与电极进给控制两种方式。其中熔速控制系统和电极进给控制系统的相互作用对熔速控制的质量有直接的影响。直流电压隔离器把检测到的弧电压作为反馈，与给定弧电压比较后，通过伺服电机调节电极杆的升降来消除实际弧电压与给定弧定压的误差，于是达到了稳定弧压控制弧长的目的。而熔速控制系统是根据熔速大小调整可控硅的导通角，以控制弧电流来稳定熔化速度。由于弧电流的改变会引起弧电压的变化，电极传动系统(图1)和熔速控制系统(图2)两个系统看起来是相互独立的，实际却存在着极强的耦合影响。使用常规的控制方法，在现场经常观察到这样的现象，在工况较稳定时，这两套系统还能基本正常工作，一旦有扰动产生(如熔滴短路等)，两系统的协调关系就会被破坏，影响生产正常进行，这个时候需要直流电源具有很好的挖土机特性，即自动迅速把输出直流电压降低，保持输出电流不变。本文通过两方面探讨影响电源稳定性的因素，一方面是熔速调节的大滞后对电流调节的影响，另一方面是真空凝壳炉自身结构坩埚比对电源稳定性影响。

图1 电极进给控制原理图

图2 现存的熔速控制原理图

3 弧电压和弧电流之间的耦合关系及其对熔速控制的影响分析与验证

真空凝壳炉熔炼过程中，弧电压与弧电流的耦合关系如图3所示，电弧在稳定工作时，电弧电流变化比较平稳，电弧电压以静态特性工作。当电流突然变化时，电弧电压就偏离静态工作，沿着动态特性1或动态特性2的曲线变化，这是弧电流与弧电压的耦合作用就表现出来了。静态曲线中，如果电流从a点突然增加到b点，但是电弧的温度还没有来得及上升，电离程度还和a点相同，于是电弧在b点处的电压Vb就不再等于静态时的Ib×Rb，而是近似等于Ib×Ra。而Rb

图3 电源特性曲线

图4 无滞后环节的调节系统

图5 带滞后环节的调节系统

图6 无滞后环节的电流波形

图7 带滞后环节的电流波形

熔速对象的大滞后特点加剧了电流的波动，同时为了证明这一现象，设计了下边的两个试验方案如图4和图5，在给定端加上同幅度的阶跃信号，可控硅电源的电流输出波形分别见图6和图7。可以看出在其它条件相同的情况下，有滞后环节时电流的调节幅度大并且振荡比较剧烈。因为电弧电流增加以后，电极并没有被熔化，所以电弧电流就会继续增加，导致了过调严重，这就造成了振荡比较剧烈，所以说滞后环节增加了耦合的影响。经过本验证知道，影响电流调节的主要因素是给定端的扰动，目前国内大多解决给定端偏差的方法，多采用按输入进行补偿的顺馈控制方式，原理可以满足熔速控制的要求，通过对 PID控制器进行限幅，能够使电流的波动更小，调节平稳，但是真空凝壳炉大功率电源弧电压与弧电流的波动目前还是无法根除。所以在真空凝壳炉日常操作过程中，给定电位器调节应尽量平稳，在电极自动下降过程中熔速调节控制，减少人为驱动控制电极杆，这样有利于减少熔速调节的大滞后，电弧电压平稳后，电弧也就正常，整个熔炼过程才会安全。

4 坩埚比与熔炼用直流电源电压电流稳定性的关系分析与实验

4.1 坩埚比对电压电流稳定性的影响分析

真空凝壳炉的基本机构如图8所示。可以看出稳弧电流与熔化电流条件下，坩埚比(电极直径/坩埚直径)越小，则图8中的δ相对越大，由于坩埚外为冷却水，坩埚均由铜金属材料制成，在δ的空间内为空气，从温度场的分布来看，图8中弧区中心温度最高，越靠近坩埚温度越低，坩埚温度最低，原因一则坩埚自身散热，二则由于真空泵在不停的抽真空，更加速了δ区间内的散热，由此导致引起电极中心熔化速度快，而外壁熔化速度慢，使图8中的Δ变的较大，导致熔化过程中形成了一个类似于下端面为倒放碗状的锭子。当有稳弧线圈时，已熔化的金属溶液沿稳弧线圈作用的磁场旋转，形成一个正放的碗状溶池。间接导致电流闭环调节器调节速度快、调节特性强时，尽管可以稳定电流，但弧压大范围波动，当电流闭环调节器调节速度慢、调节特性弱时，虽可使弧压在波动范围降低，但电流稳定度不够，弧压的大范围波动将使操作人员无法判断有否侧弧产生，对安全生产造成很大危害，另应看到，这种状况不论对凝壳炉还是自耗炉都会影响弧光颜色，由于此时看到的仅是两个相对扣的碗状球面缝隙中透出的很小一部分弧光，而不是真正的弧，影响操作人员判断弧长，严重点易造成事故[5][6]。

图8 真空凝壳炉熔炼过程电极底部剖面

1-电极; 2-坩埚(结晶器); 3-水套; 4-坩埚轴; 5-冷却水; 6-稳弧线圈; 7-熔化金属液; 8-电弧

4.2 实验验证

为了验证上述分析，使用的国内制造60kA/80V凝壳炉电源，针对不同的坩埚比在500kg凝壳炉大、小水套中进行了试验，该电源系统应用四台15kA的6脉波可控整流直流电源并联构成24脉波，由两套独立的12脉波电源构成，图9与图10分别给出了多次实验中通过上位机工控系统采集的电压电流曲线。图9应用电极外径为Φ280mm，坩埚内径为Φ460mm，坩埚比σ为0.6087，δ为90mm，而图10应用锭子外径为Φ350mm，坩埚内径为Φ460mm，坩埚比σ为0.761，δ为55mm，图9使用电流为30kA，而图10为30kA、35kA、40kA 3个台阶，弧压前者平均值为48V，且大范围波动，而后者平均值仅42V，波动范围小，所用上位机工控系统显示电压前者波动频率很高，而后者虽有波动但频率很低，电流闭环调节器的参数又完全相同。

图9 坩埚比小熔炼工艺曲线

图10 坩埚比大熔炼工艺曲线

5 结论

1) 具体分析了弧电压和弧电流之间的耦合关系及其对熔速控制的影响，熔速对象的滞后特性则加剧了耦合作用，得出弧电流的平稳调节是减小耦合的主要手段的结论。

2)真空凝壳炉坩埚比对弧压和电流稳定性的影响很大，国内以往的坩埚比范围数据为0.6～0.75，从节能及稳定输出角度考虑应靠近0.75来选取。

3)锭子外沿至坩埚内壁的间距应以50mm～60mm为较佳值。

[1]李宏.谈我国真空熔炼用直流电源的发展[J].电源技术应用,2002,Vol.14(1):22～25.

[2]徐霞.国内外直流电弧炉发展概况[J].湖南冶金,1996,Vol.4(4):20～23.

[3]唐宗喜，黄泽河等.国内直流电弧炉开发考察[J].江西冶金,2007,Vol.33(3):60～63.

[4]马开道.稀有金属熔炼工艺及装备[M].北京:冶金工业出版社,2011.

[5]谢成木编著.钛及钛合金[M].北京:机械出版社,2005.

[6]莫畏,邓国珠,罗方承.钛冶金[M].北京:冶金工业出版社,1998.

Analysis of the Influencing Factors on the Stability of Vacuum Skull Furnace Melting Energy Supply

Sun Tangmin

(BAIMTEC Material Co., Ltd., Beijing 100083)

In view of the present situation of vacuum melting titanium alloy precision castings of high power current is not stable, through debugging the curve process of computer and oscilloscope current change, analyzing the influence the coupling relationship between arc voltage and arc current and the melting speed control on the stability of power supply of the crucible ratio, the stable control of arc current is the main way to reduce the coupling of the conclusions and put forward reasonable suggestion for the crucible ratio. The research results provide the theoretical basis for the safe operation of the vacuum skull furnace.

Energy supply of the vacuum skull furnace Current of electric arc Melting speed Crucible ratio Stability influence

孙堂敏，男，1984年出生，北京科技大学毕业，硕士研究生，工程师，现从事航空钛合金铸造电气设备的研制与维护

TF345.7

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10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.013

2013—09—18)