真空凝殼爐電源穩定性影響因素的分析

孫堂敏

(北京百慕航材高科技股份有限公司 北京100094)

?

真空凝殼爐電源穩定性影響因素的分析

孫堂敏①

(北京百慕航材高科技股份有限公司 北京100094)

針對真空熔煉鈦合金精密鑄件大功率電源電流不穩定的現狀，通過調試上位機的工藝曲線及示波器電流變化曲線，分析了弧電壓和弧電流之間的耦合關系及其對熔速控制的影響、坩堝比對電源穩定性的影響，得到了弧電流的平穩調節是減小耦合的主要手段的結論及提出了合理的坩堝比建議。該研究成果為真空凝殼爐安全操作提供了理論依據。

真空凝殼爐電源 弧電流 熔速 坩堝比 穩定性影響

1 引言

直流真空熔煉是稀有金屬及高等級合金鋼必定要采用的工藝，這種工藝配套的設備從結構上分為真空熔煉爐和給其供電的直流電源兩大部分。就鑄造鈦合金而言，目前國內主流應用的真空熔煉爐分為以鑄錠為主要目的的真空自耗電極熔煉爐和以鑄件的真空澆鑄凝殼爐兩大類別，本文主要研究真空凝殼爐配套電源的特性。

早期的電弧爐以交流電弧爐為主，雖然具有短流程、高效率、無污染等優點，但是交流電弧爐本身存在著一系列難以克服的缺點[1][2]，早在19世紀末，國外就開始了對直流電弧爐的研究，但是直到20世紀80年代初，由于大電流可控硅整流器的控制系統的發展才為直流電弧爐的工業化提供了條件，并使電弧爐熔煉能力大大提高，且隨著近年真空熔煉爐單爐可熔化金屬重量的不斷增大，對直流電源的輸出容量、弧電流穩定要求越來越大。目前國內最大的真空凝殼爐為洛陽725所1噸真空凝殼爐，本文結合本單位的65kA/80V直流電源與500kg真空凝殼爐配套調試時，直流電源采用整流變壓器二次側晶閘管一次調壓方案，根據弧電壓和弧電流之間的耦合關系及對熔速控制的影響、不同坩堝比(電極直徑與坩堝直徑之比)的實驗數據進行定性分析[3][4]。

2 真空凝殼爐的工作過程和對直流電源的要求

真空凝殼爐的工作過程為：在爐內的真空度達到不致被熔煉金屬氧化的前提下，系統投入運行，直流電源輸出在正負極之間有一定的電壓通常為空載電壓，操作人員控制伺服系統使電極桿下降，當電極桿下降到與坩堝底部的距離小到一定程度(30cm)時，電極底部與放于坩堝底部的起弧料之間發生電離而產生電弧，電極開始熔化，熔化的金屬變為液體流入坩堝中。所以整個熔煉過程必須為短弧熔煉，且弧壓與弧距成正比，需要此弧壓不要大范圍波動。另外真空凝殼爐考慮工藝和安全的目的，設置了熔速控制與電極進給控制兩種方式。其中熔速控制系統和電極進給控制系統的相互作用對熔速控制的質量有直接的影響。直流電壓隔離器把檢測到的弧電壓作為反饋，與給定弧電壓比較后，通過伺服電機調節電極桿的升降來消除實際弧電壓與給定弧定壓的誤差，于是達到了穩定弧壓控制弧長的目的。而熔速控制系統是根據熔速大小調整可控硅的導通角，以控制弧電流來穩定熔化速度。由于弧電流的改變會引起弧電壓的變化，電極傳動系統(圖1)和熔速控制系統(圖2)兩個系統看起來是相互獨立的，實際卻存在著極強的耦合影響。使用常規的控制方法，在現場經常觀察到這樣的現象，在工況較穩定時，這兩套系統還能基本正常工作，一旦有擾動產生(如熔滴短路等)，兩系統的協調關系就會被破壞，影響生產正常進行，這個時候需要直流電源具有很好的挖土機特性，即自動迅速把輸出直流電壓降低，保持輸出電流不變。本文通過兩方面探討影響電源穩定性的因素，一方面是熔速調節的大滯后對電流調節的影響，另一方面是真空凝殼爐自身結構坩堝比對電源穩定性影響。

圖1 電極進給控制原理圖

圖2 現存的熔速控制原理圖

3 弧電壓和弧電流之間的耦合關系及其對熔速控制的影響分析與驗證

真空凝殼爐熔煉過程中，弧電壓與弧電流的耦合關系如圖3所示，電弧在穩定工作時，電弧電流變化比較平穩，電弧電壓以靜態特性工作。當電流突然變化時，電弧電壓就偏離靜態工作，沿著動態特性1或動態特性2的曲線變化，這是弧電流與弧電壓的耦合作用就表現出來了。靜態曲線中，如果電流從a點突然增加到b點，但是電弧的溫度還沒有來得及上升，電離程度還和a點相同，于是電弧在b點處的電壓Vb就不再等于靜態時的Ib×Rb，而是近似等于Ib×Ra。而Rb

圖3 電源特性曲線

圖4 無滯后環節的調節系統

圖5 帶滯后環節的調節系統

圖6 無滯后環節的電流波形

圖7 帶滯后環節的電流波形

熔速對象的大滯后特點加劇了電流的波動，同時為了證明這一現象，設計了下邊的兩個試驗方案如圖4和圖5，在給定端加上同幅度的階躍信號，可控硅電源的電流輸出波形分別見圖6和圖7。可以看出在其它條件相同的情況下，有滯后環節時電流的調節幅度大并且振蕩比較劇烈。因為電弧電流增加以后，電極并沒有被熔化，所以電弧電流就會繼續增加，導致了過調嚴重，這就造成了振蕩比較劇烈，所以說滯后環節增加了耦合的影響。經過本驗證知道，影響電流調節的主要因素是給定端的擾動，目前國內大多解決給定端偏差的方法，多采用按輸入進行補償的順饋控制方式，原理可以滿足熔速控制的要求，通過對 PID控制器進行限幅，能夠使電流的波動更小，調節平穩，但是真空凝殼爐大功率電源弧電壓與弧電流的波動目前還是無法根除。所以在真空凝殼爐日常操作過程中，給定電位器調節應盡量平穩，在電極自動下降過程中熔速調節控制，減少人為驅動控制電極桿，這樣有利于減少熔速調節的大滯后，電弧電壓平穩后，電弧也就正常，整個熔煉過程才會安全。

4 坩堝比與熔煉用直流電源電壓電流穩定性的關系分析與實驗

4.1 坩堝比對電壓電流穩定性的影響分析

真空凝殼爐的基本機構如圖8所示。可以看出穩弧電流與熔化電流條件下，坩堝比(電極直徑/坩堝直徑)越小，則圖8中的δ相對越大，由于坩堝外為冷卻水，坩堝均由銅金屬材料制成，在δ的空間內為空氣，從溫度場的分布來看，圖8中弧區中心溫度最高，越靠近坩堝溫度越低，坩堝溫度最低，原因一則坩堝自身散熱，二則由于真空泵在不停的抽真空，更加速了δ區間內的散熱，由此導致引起電極中心熔化速度快，而外壁熔化速度慢，使圖8中的Δ變的較大，導致熔化過程中形成了一個類似于下端面為倒放碗狀的錠子。當有穩弧線圈時，已熔化的金屬溶液沿穩弧線圈作用的磁場旋轉，形成一個正放的碗狀溶池。間接導致電流閉環調節器調節速度快、調節特性強時，盡管可以穩定電流，但弧壓大范圍波動，當電流閉環調節器調節速度慢、調節特性弱時，雖可使弧壓在波動范圍降低，但電流穩定度不夠，弧壓的大范圍波動將使操作人員無法判斷有否側弧產生，對安全生產造成很大危害，另應看到，這種狀況不論對凝殼爐還是自耗爐都會影響弧光顏色，由于此時看到的僅是兩個相對扣的碗狀球面縫隙中透出的很小一部分弧光，而不是真正的弧，影響操作人員判斷弧長，嚴重點易造成事故[5][6]。

圖8 真空凝殼爐熔煉過程電極底部剖面

1-電極; 2-坩堝(結晶器); 3-水套; 4-坩堝軸; 5-冷卻水; 6-穩弧線圈; 7-熔化金屬液; 8-電弧

4.2 實驗驗證

為了驗證上述分析，使用的國內制造60kA/80V凝殼爐電源，針對不同的坩堝比在500kg凝殼爐大、小水套中進行了試驗，該電源系統應用四臺15kA的6脈波可控整流直流電源并聯構成24脈波，由兩套獨立的12脈波電源構成，圖9與圖10分別給出了多次實驗中通過上位機工控系統采集的電壓電流曲線。圖9應用電極外徑為Φ280mm，坩堝內徑為Φ460mm，坩堝比σ為0.6087，δ為90mm，而圖10應用錠子外徑為Φ350mm，坩堝內徑為Φ460mm，坩堝比σ為0.761，δ為55mm，圖9使用電流為30kA，而圖10為30kA、35kA、40kA 3個臺階，弧壓前者平均值為48V，且大范圍波動，而后者平均值僅42V，波動范圍小，所用上位機工控系統顯示電壓前者波動頻率很高，而后者雖有波動但頻率很低，電流閉環調節器的參數又完全相同。

圖9 坩堝比小熔煉工藝曲線

圖10 坩堝比大熔煉工藝曲線

5 結論

1) 具體分析了弧電壓和弧電流之間的耦合關系及其對熔速控制的影響，熔速對象的滯后特性則加劇了耦合作用，得出弧電流的平穩調節是減小耦合的主要手段的結論。

2)真空凝殼爐坩堝比對弧壓和電流穩定性的影響很大，國內以往的坩堝比范圍數據為0.6～0.75，從節能及穩定輸出角度考慮應靠近0.75來選取。

3)錠子外沿至坩堝內壁的間距應以50mm～60mm為較佳值。

[1]李宏.談我國真空熔煉用直流電源的發展[J].電源技術應用,2002,Vol.14(1):22～25.

[2]徐霞.國內外直流電弧爐發展概況[J].湖南冶金,1996,Vol.4(4):20～23.

[3]唐宗喜，黃澤河等.國內直流電弧爐開發考察[J].江西冶金,2007,Vol.33(3):60～63.

[4]馬開道.稀有金屬熔煉工藝及裝備[M].北京:冶金工業出版社,2011.

[5]謝成木編著.鈦及鈦合金[M].北京:機械出版社,2005.

[6]莫畏,鄧國珠,羅方承.鈦冶金[M].北京:冶金工業出版社,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

孫堂敏，男，1984年出生，北京科技大學畢業，碩士研究生，工程師，現從事航空鈦合金鑄造電氣設備的研制與維護

TF345.7

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.013

2013—09—18)