真空自耗电弧炉熔滴控制研究

孙成仁++吴晓强

摘 要 随着熔炼工艺不断进步，设备技术也越来越成熟，在特殊材料生产熔炼方面，产品性能一致性以及均匀性也有较好的提高。真空自耗电弧炉是利用弧光放电产生的电弧热能熔炼金属材料的先进设备。真空自耗炉熔滴控制，主要是通过弧长控制来实现，对熔滴控制的研究，不仅可以提高溶炼合金产品的质量，对于提高产品生产的重复性也有重要意义。

关键词 熔滴控制；熔炼；弧长控制；合金

中图分类号 TG4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）16-0174-02

真空自耗电弧炉是利用弧光放电产生的电弧热能熔炼金属材料的先进设备。它是在真空状态下将自耗电极接负极，坩埚接正极，通电时两极间产生弧光放电产生5 000K（约4 700℃）高温使材料熔化。熔炼时，液态金属以熔滴的形式滴落到坩埚熔池形成铸锭，熔炼金属的过程是精炼的过程，起到提纯作用，达到了净化金属，改善结晶结构；在电弧高温加热下的熔池受到电磁搅拌，促使易挥发杂质扩散速度加快，在熔池表面被真空去除掉，而合金的化学成份在充分搅拌后，可达到均匀分布，从而提高了产品性能。电弧的作用下，自耗电极的不断熔化消耗，熔池不断上升，熔融金属被水冷坩埚逐渐冷凝。这种炉子主要用于钛、锆、钼活泼金属，以及特铁金属的熔铸。

1 真空自耗电电弧炉工作原理

真空自耗电弧炉主要由炉体（融化站）、电极杆及其传动系统、电极杆对中调节、观察摄像装置、炉体升降液压系统、炉体框架（真空室、立柱导向联接体）及其旋转或熔炼室平移机构、坩埚及稳弧线圈、冷却水套（下炉室）、真空系统、冷却系统、压缩空气系统、直流整流电源、电气控制系统，防爆墙等组成。其工作特点：炉体融化站相对坩埚提升和旋转（或者炉体融化站提升和坩埚平移），电极装入和铸锭卸出均由吊装工具完成。真空自耗电弧炉结构示意图示见图1。熔滴形成于电极下端部位，在熔滴滴落过程中，会有物理化学反应产生，在这个过程中，去除掉一部分气体杂质。真空自耗电弧炉主要工艺特点是熔炼在水冷铜结晶器中进行，这样的熔炼工艺相对于传统的，可以有效防止熔炼金属与耐火材料接触导致对金属沾污的弊端。另一方面，在对金属熔炼时，因为在高度水冷状态下，其熔炼的金属液体在凝固结晶时，可以使其质地致密、无缩孔、组织均匀。真空自耗电弧炉熔炼是在直流大电流、低电压的电弧作用下进行的，首先是结晶器与自耗电极下端或者熔池与自耗电极下端形成一个电弧等离子区，在这个区域，因为有非常高温度产生，这样就能使得自耗电极端部形成一个熔化区，而自耗电极中存在的氧化物、氮化物等非金属夹杂物，在高温真空的状态下，因发生碳还原或离解而被去除，这也达到熔炼过程提纯的目的。也正是因为真空自耗电弧炉工艺不仅对于熔炼金属的气体和非金属夹杂物有很好去除作用，还对一些低熔点的有害杂质的排除作用，使得熔炼的金属的力学性能、塑性以及加工性能、物理性能、力学性能等都有明显的提升，尤其是保持金属材料的一致性、可靠性、稳定性等具有重要的意义，也可以很好改善材料纵向和横向性能的差异，提高熔炼产品

质量。

2 真空自耗电弧炉的电气特性

真空自耗电弧炉在进行电气设备设计时，为保证生产高质量锭子，就需要熔炼过程必须保持稳定的熔炼功率，基于此考虑，其供电电源采用恒流特性优异的直流电源，其电源主回路的参数高设定为：

1）空载时电压为70V左右，在工作状态时，电压为20V～40V，保证稳定的恒流特性；

2）调节电流范围设计为1：10；

3）充许工作电流过载10%，过载时间为1min；

4）如果整流回路中各整流臂有十分之一的硅元件损坏，不能正常工作时，电气系统会发出相应的告警信号，但在额定电流仍能保持

运行。

3 真空自耗电弧炉特点

真空自耗电弧炉的容量一般在15t～200t之间。在生产过程中，加热、合金调整、脱气、渣处理等工艺都是在真空状态下持续进行，通过采用蒸汽喷射真空泵与完全封闭式处理站相结合方法，满足相关环保要求。真空自耗电弧炉特点具有以下特点。

1）真空自耗电弧炉在进行熔炼时，因为熔炼金属在真空状态下进行的，所以可以对氢、氮、氧等气体进行有效的去除，脱气效果非常好。

2）重熔时被熔炼材料不受污染，这主要因真空自耗电弧炉熔炼过程中，锭子和自耗电极之间不会产生熔渣及其他材料，保证了熔炼材料的纯净度。

3）保证锭子内部结构纯洁。真空自耗电弧炉在熔炼作业时，如果被熔炼金属中有非金属夹杂物，其比重较轻，会悬浮于熔融金属最上层，使得锭子内部结构不受到污染。

4）在真空状态下，可以提高合金剂的添加大，因此，可以达到熔炼高级合金的效果，尤其是钛合金的熔炼效果明显。

5）不易产生偏析。这主要是因为锭子是在水冷铜坩锅中进行冷却，能够达到快速冷却降温，这样也保证了锭子内部结构均匀，因此不产生偏析。

6）提高了设备生产率和降低了生产成本。

4 真空自耗炉熔滴控制的实现

真空自耗炉主要是通过弧长控制来实现熔滴控制，因此，弧长控制对于熔炼产品良好的内部结构以及锭子表面质量具有重要的意义，先进的熔滴短路弧长控制可以使产品的生产具有很高的可重复性。而在熔炼过程中，不同的合金材料需要采取与之相对应的弧长，才能较好的实现对熔滴的

控制。

在钛合金的熔炼生产中，无论使用何种熔炼方法，其根本的实现途径仍是电-热能量转换，在这个转换中，对于熔化率的控制也就是实现电功率的控制，也遵循P=I×U这一规律。在对所炼金属锭子直径、电极形状、种类、牌号等参数进行确定后，熔化率也随之确定。在熔炼过程中，熔化率与电流呈线性关系，其中弧电压可调节的范围很小，其变化也很少。但在实现生产过程中，我们也发现，为了保证熔化率的稳定，需要通过称重系统的反馈，实现电流输出的穩定控制。所以，真空自耗炉电源应具有以下endprint

特点：

1）在短暂而频繁的短路发生时，能够使受控的输出电流保持基本恒定。

2） 电压保持合理的低纹波状态。

3）针对负载阻抗特性处于宽范围的情况下，能够输出高稳定性和高精度的可控恒流，也可以说自耗炉电源是一个可调恒流源。

4）具备电弧重燃能力。由于自耗炉中电源具有可控恒流源的特性，所以，生产过程中工艺菜单可以实现分段对输出电流设点。在熔炼生产过程，由于自耗炉阴极与阳极相对位置会不断发生改变，需要采用对料杆升降的调节来确保弧长的稳定，继而达到恒熔速控制。同时，为了实现锭子凝固受控，可以使熔池形状和深度维持适当的范围，进一步保证熔炼产品的高质量要求。

在早期对熔滴控制的研究上，是通过一个恒定的弧电压的来保证一个恒定的弧长，继而得到一个恒定的功率，达到保证熔速恒定的目的。这种技术方案，有其可取之处，在理想的状况下，当熔化率、锭子几何尺寸和电极几何尺寸确定后，熔化率与料杆速率成正比。如果在保证弧长稳定时，在熔炼电流恒定状态下，可以使弧电压保持稳定。这样，我们通过对熔化率的确定，然后再依据电极的熔化速度和锭子的增長速度，可以得出为了保证弧长稳定，需要求出锭子和电极间的间隙恒定值，通过此来控制料杆按一定运动速度动作就可以达到对熔滴控制目的。但是，也我们也应注意到另一种情况的出现，即电弧的波动，随着电极长度的变化和时间的变化，电极电阻也会发生改变，还有就是电弧电压测量精确度，弧压对弧长的敏感度等，都会数值的计算造成一定影响。另一方面，电极、锭子尺寸、密度、结晶器形状的不均匀与不准确等其他因素影响，在进行料杆基本速度的理论计算时，也需要用微调速度来

修正。

随着真空自耗炉熔滴控制理论研究的不断深入和实践，发现镍基高温合金生产中，在固定弧长和固定压力Co下，熔滴短路频率和熔炼电流上升的2.54幂成正比。实践也证明，弧长给定的情况下，其他合金的熔滴短路频率和熔炼电流有类似的

关系。

5 结论

随着熔炼工艺不断进步，设备技术也越来越成熟，在特殊材料生产熔炼方面，产品性能一致性以及均匀性也有较好的提高。而社会对特殊材料性能需要，通过成熟的一次、二次熔炼多重工艺组合的方法也被广泛应用，从而可以满足材料高性能要求。在材料的熔炼生产中，通过机械特性的评估和疲劳强度等性能的测试，真空自耗炉在金属熔炼生产中具有明显的设备优势。而随着高性能材料越来越广泛的应用，真空自耗炉也会具有更广阔的发展前景，对真空自耗电弧炉熔滴控制方面的研究，可以更好为提高熔炼产品质量

服务。

参考文献

[1]马开道.稀有金属真空熔铸技术及其设备设计[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[2]邹武装.钛及钛合金真空自耗熔炼过程中关键参数控制分析[J].钛工业进展，2011（5）：41-44.

[3]邹伟，高颀.真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现[J].自动化仪表，2010（4）：37-40.

[4]宁皓妍，马贵彪.真空自耗电弧炉及设计优化[J].真空，2016（2）：45-48.

[5]王伟.真空自耗电弧炉熔滴控制原理与实现[C]//2016全国特种冶金技术学术会议论文集，2016.endprint