ZHTF01型1.5T真空自耗電弧爐的研制

摘 要：文章介紹了ZHTF01型1.5T真空自耗電弧爐的結構、特點及其工作原理，這是我所為丹陽天工有限公司自行設計制造的真空自耗電弧爐。

關鍵詞：自耗電弧爐；電極桿；坩堝

1 概述

真空電弧爐是在真空狀態下利用電弧來加熱熔煉金屬的一種電爐。真空自耗電弧爐，其電極由被熔煉材料制成，在熔煉過程中靠加熱自身使其溶化后，滴入結晶器中冷凝成錠子的電弧爐。

2 設備的主要技術參數及構成

2.1 設備的主要技術參數

（1）最大熔化重量：1500kg（Ti）

（2）最大電流：15kA

（3）空爐極限真空度：7×10-1Pa

（4）工作真空度：6.6Pa～0.66Pa

（5）升壓率：1Pa/min

（6）工作真空排氣時間：30min

（7）真空系統配置：2×H-150+Z-400+ZJ-600+ZJ-1200

（8）電極升降速度：熔煉：0～38mm/min，無級調速

快速：400 mm/min

（9）電極桿最大行程：約2250mm

（10）坩堝：Φ500×2000 Φ440×2700 Φ380×2200

（11）爐室升降行程：約2000mm

（12）冷卻水壓力≥0.4MPa 水溫<33℃ 流量50m3/h

（13）應急水壓力：0.1MPa 水溫<33℃ 流量30m3/h

（14）壓縮空氣壓力：0.3～0.5MPa 用量150l/min 空壓儲氣罐0.6m3 壓力0.7MPa

2.2 設備的構成

該設備主要由以下幾部分構成：（1）主傳動系統；（2）真空爐室及動密封；（3）坩堝及穩弧系統；（4）真空系統；（5）爐室升降裝置；（6）觀察攝像系統；（7）壓縮空氣系統；（8）冷卻水系統；（9）自動熔煉控制系統。

3 設備主要部分工作過程和結構特點

3.1 主傳動系統

主傳動系統包括電極桿、傳動系統。電極桿為雙層水冷結構，傳動采用數字控制交流伺服電機，驅動滾珠絲杠，以滿足熔煉時的快速反應；電極桿的運行速度及電極桿的位置可在操作室進行數字顯示。爐頭的主要作用是實現自耗電極的進給。爐頭的進給系統懸掛在爐頭的龍門結構上，并被安放在稱重系統上。它由電極桿和機電驅動系統組成，電極桿帶有導向系統并由滾珠絲杠驅動。電極夾緊裝置安裝在電極桿的最下端。位于電極桿十字頭的兩個氣缸驅使外部雙層水冷壁的外殼產生相對于內部鋼管的同軸運動，它們通過兩道滑動密封實現真空密封。以上所描述的動作，依次為，釋放在圓形斜面內滾動的鋼珠，通過壓縮空氣作用在氣缸活塞的任意一邊來夾緊或釋放機械加成型的輔助電極卡頭。圓形斜面與雙層水冷壁的銅管和不銹鋼管間是絕緣的，以防止電流流經鋼珠組件。電流沿著電極桿外部雙層水冷壁流入，經過下端的接觸法蘭流入相互壓緊的假電極的接觸法蘭面。通過壓縮空氣的氣壓來連續保證可靠的接觸，并且互鎖的夾持在任何情況下都不會突然松開，甚至是在壓縮空氣和電源都沒有的情況下。電極進給系統是完全機電式的，由最優速度匹配的電機，差動齒輪箱和一個滾珠絲杠組成。這個系統非常可靠，完全沒有像液壓驅動系統常有的維修問題。

3.2 真空系統

真空電弧爐配有一臺油增壓泵和一組羅茨泵和一臺旋片柱塞泵，羅茨泵和維持泵都安裝在鋼結構架上。真空系統預先用真空管道聯接，并將控制線接至一個集線盒上，方便安裝。為了保護真空系統免受污染，在爐頭柱體的旋轉軸處的主管道上安裝一個金屬過濾網。當爐子在升起位置時，這個金屬過濾網容易接近，并可隨時進行更換和清潔。為了避免真空系統有效抽速的降低，真空系統應盡可能靠近爐室安裝。真空系統的控制是通過人機界面發出命令來實現的。在爐子被抽空后，將進行自動檢漏。最大允許的壓力增加和測試時間將被預先編好程序。檢漏的結果自動輸出到打印機。如果檢漏結果超出設定值，操作人員可決定是否啟動下一步的熔煉開始執行程序。

3.3 稱重系統

稱重系統作為電極進給系統的一個組成部分是熔速精確計算必須的裝置。除稱重系統參與控制以外的所有基于其他參數基礎上的熔速計算方法結果都不如稱重系統參與控制的結果，并且精度較低。當然，稱重系統在設計上也必須最大程度地滿足嚴格的機械和電氣指標要求，以達到所需的精度，這其中包括：消除電極進給系統中摩擦力的影響，所設計的系統，使摩擦力成為封閉的內力或通過固定的柔性連接減弱其對稱重系統的影響。創建一個精確的帶有導向系統的水平稱重平臺，抵消水平分力，僅留下垂直分力用于稱重系統的測量。

3.4 爐室升降裝置

爐室升降裝置主要是為了裝出料。當抽空熔煉時，坩堝與爐室之間應密封壓緊，以利于導電，為此，爐室采用液壓驅動，油缸升降，并采用直線導軌副定位導向的方式。

3.5 電動推桿系統

上平臺上放置有X-Y調節機構及電極桿的驅動裝置。X-Y調節機構用于調節電極桿與坩堝壁之間的間隙。X-Y調節系統主要是由兩個電動推桿組成，電動推桿的伸出和縮回與稱重系統的浮動架、爐室上的動密封聯合作用完成自耗電極與坩堝的全方位對中調節，保證自耗電極與坩堝的對中，其調節方式為控制箱和手操盒。

3.6 壓縮空氣系統

壓縮空氣系統主要是為真空擋板閥等提供動力，其主要由空壓機、儲氣罐、調壓閥、過濾器、電磁閥及管道等組成。

3.7 冷卻水系統

冷卻水系統主要用于坩堝、爐殼、電極桿、水冷電纜及電源的冷卻，采取帶壓供給、自流排出的方式。由水箱、閥門及管道等構成。用戶需提供水站以及到設備用水點的管道閥門等設施。自耗爐冷卻方式為水冷，爐殼為雙層水套的冷卻結構。在水套中所用的導管確保了結晶器外表面冷卻水的流速以滿足冷卻條件。坩堝冷卻水系統配備增壓水泵，增壓泵的法蘭直接連到對應的水套上，使水在水套內循環加壓，不管是否有新水補進來，都能達到結晶器壁對水流速度的要求。除了結晶器冷卻回路外，爐室、電極拉桿、電纜和真空系統也有冷卻回路。為了避免爐子冷卻水的污染和節約新鮮水的消耗，采用了一套有水/水熱交換器，蓄水罐和相應水循環泵的冷卻塔系統。

3.8 自動熔煉控制系統

電控系統用于控制整個工作過程。自動熔煉控制系統允許自耗爐在啟動程序開始后全自動地進行操作。邏輯控制功能、工藝參數的閉環控制、數據采集和管理通過專用計算機系統處理，這些計算機系統通過現場總線和特殊的界面通訊。整個控制系統包括：（1）一臺可編程控制器，控制所有爐子的功能、抽空順序、安全聯鎖、特殊功能和故障檢測，并不斷與其他計算機系統進行操作模式和設備狀態的信息通訊。（2）一套安裝在西門子的PLC控制程序，為電極進給驅動系統的轉速控制器產生設定點信號。弧間距控制參數的設定點從計算機上獲得，實際的控制參數是根據工藝過程中所測的電氣參數來計算的。（3）一套安裝在西門子的PLC熔煉的熔速和電流控制程序，針對熔煉開始和熱封頂階段。熔速和對應的熔煉電流設定值來自于分級的高級操作界面計算機，實際的熔速是通過檢測稱重系統連續測量電極重量值來計算的。

4 結束語

該設備經過安裝調試后，各項性能指標均達到設計要求，各部分使用情況良好，設備生產過程中無污染，安全環保，得到用戶好評。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]達道安.真空設計手冊[M].北京：國防工業出版社，2004.