坩埚检测系统在80 L真空感应炉中的开发及应用研究

侯茸豪

摘 要：为提高真空感应炉坩埚使用寿命及安全性，论述了如何将直流电阻的测试原理成功应用于真空感应炉坩埚检测系统。坩埚检测系统的分析主要基于陶瓷坩埚的温度变化，在设计中采用两路冗余检测系统检测并持续记录坩埚电阻值变化，并将其记录值可视化处理，在坩埚电阻过低时进行告警。该系统的可靠性在实际生产应用中得到了验证，因为利用客观测得的数据来获取坩埚状态信息，该设备中使用的坩埚实现了最佳使用效率，大幅降低了生产成本，极大地提高了安全性，研究成果可为相关应用与研究提供参考。

关键词：真空感应炉;陶瓷坩埚;直流电阻;PLC;人机界面

0    引言

坩埚检测系统的测量方法采用了直流电阻的测试原理，即通过测量两个安装于不同部位的非磁性不锈钢电极来监控坩埚状态。第一个电极直接与金属熔液接触，另一个网状电极则安装在感应炉线圈内的炉衬中。坩埚检测系统的分析主要基于陶瓷坩埚的温度变化，因为随着温度升高，陶瓷坩埚的电阻将会呈对数递减规律。此外，随着裂纹逐渐扩大及层状腐蚀缩短熔炼液与电极网之间的电阻距离，系统的敏感度将会提高，电势差降低，因此测得的电阻值更低。

此检测系统采用了两路冗余设计方案，既能降低系统故障概率，又可有效进行测得结果比对，设备控制系统可持续记录坩埚电阻值并向操作人员报告坩埚的状态。人机界面中预留了坩埚电阻下限报警设置，操作人员可以根据实际使用坩埚类型及经验电阻测得数据对此进行设定。一旦在熔炼时发生坩埚电阻低于预警值的情况，则人机界面会自动进行告警。

1    如何更有效率地利用陶瓷坩埚

1.1    陶瓷坩埚在真空感应炉中的作用

在使用真空感应炉进行有色金属熔炼的工艺过程中，陶瓷坩埚在装料阶段用于装载固体炉料;在随后熔化、精炼及浇铸阶段又成为将金属及合金成分熔炼为高温金属熔液的熔池器皿。

1.2    用于真空感应炉中陶瓷坩埚的特点

在有色金属冶炼生产过程中，陶瓷坩埚壁内外温差极大，通常在1 000 ℃以上。真空感应炉在间歇作业时，陶瓷坩埚壁会重复经受温度变化的影响。上料时还会受到冷料块的冲击，熔化阶段则会持续受到密度极大的金属熔液的静压力及真空感应炉的自我搅拌作用导致金属熔液对坩埚的冲刷。因工作条件很差，陶瓷坩埚必须有较小的线膨胀系数、较高的高温机械强度才可以减少裂纹的产生。图1为刚打结完毕的氧化铝坩埚，图2则为仅使用过一次的同一坩埚的对比图片。

鉴于陶瓷坩埚的良好化学稳定性、绝缘性、放气量小等特性与文章论述内容相关性不大，此处不再赘述。

坩埚是在真空感应炉设备中易损且需频繁维护的部件，可以说陶瓷坩埚的寿命直接决定了真空感应炉的生产效率，所以在日常的使用中，对陶瓷坩埚的维护尤为重要。

2    坩埚检测系统的设计方案

对于坩埚使用寿命的判定，通常都是由操作人员根据经验以目视检查来进行的。坩埚检测系统的出现可以使得坩埚设备通过客观的可测量数据来量化坩埚的使用状况，并以此进行评估。

2.1    测量原理

陶瓷坩埚的电阻值会随温度上升而发生极大的变化。如图3所示，随着温度的上升，不同材料的坩埚材料电阻率呈对数下降趋势，因此坩埚壁因侵蚀造成的温度升高会导致出现明显的电阻降低及电压降。

此外，因裂纹造成的局部温度上升也可被可靠记录，通过持续在每一炉熔炼生产后进行记录并分析坩埚的电阻值，即可获取有效的坩埚状态。

坩埚检测系统的分析主要基于陶瓷坩埚的温度变化。此外，随着裂纹逐渐扩大及层状侵蚀缩短熔炼金属液与另一探测电极之间的电阻距离，系统的敏感度也会提高，电势差相应降低，而测得的电阻值也会更低。

2.2    坩埚检测系统原理设计

文章中提到的坩埚检测系统设计基于直流电阻测量原理，所需的测量电流由电压源提供，该电源安装于真空感应炉外部的控制柜内。

坩埚检测系统的原理图如图4所示，测量过程在两个采用不同构造的电极之间执行。为了避免强交变电磁场对测量的影响，电极均需使用非磁性不锈钢材质。接地的电极5直接与熔融状态的金属液进行接触，另外一个电极4则安装于永久炉衬2与坩埚1之间。作为电压源与测量装置的检测系统6则用于记录金属熔液与电极4之间距离的电阻值。

2.3    数据的记录

如果要使坩埚检测系统可靠工作，则该系统必须具备可安全记录低电阻并提供准确解决方案的功能。据此，本文论述的坩埚检测系统使用了冗余电阻检测方案，操作人员可在人机界面对测试系统中两套使用不同测试电流范围的测试仪表进行切换，而设备的控制系统则会对从测试仪表处输入的模拟信号进行转换，并持续在人机界面进行显示，以告知操作人员当前坩埚的可能状态。

2.4    测量设备的选择

鉴于真空感应炉强交变磁场的恶劣测量工作环境及被测量电阻的一端电极需与金属熔液直接相连接，如何选取合适的测量仪表显得尤为重要。

2.4.1    测量设备的耐压等级

因为通常情况下真空感应炉有效线圈内的电压在直流573 V至更高电压，此电压值取决于设备配套的中频感应电源输出电压。如果发生坩埚破裂，炉衬失效，此时可能会导致熔池内金属熔液带电。所以，此时需要考虑测量仪表的输入侧可承受电压等级，如有必要则根据标称电压加装相应的耦合装置。

2.4.2    中频感应电源对测量设备的影响

真空感应炉中使用中频感应电源对线圈内的金属进行感应加热，故所选用的测量仪表应能够应用于带电连接到配有整流器或变送器的非接地系统，且可靠精确地进行绝缘电阻的测量。此测量仪表需能自动消抑电压波动对电阻测量的影响，而且也需要能够实时自適应系统泄漏电容;其测量技术必须能够满足不同的要求，以保证最佳的响应时间及相对不确定性。