（检测技术与自动化装置专业论文）真空自耗炉实验数学模型与控制系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 真空自耗电弧炉是钛冶炼及生产高质量合金钢的十分重要和不可替代的设 备。随着我国航空航天工业的发展及民用对钛台金的需求扩大，真空自耗电弧炉 的自主研制及配套怒个覆要的谍题。 在参与宝钛有限公词研稍的z h t l 0 0 疆真空自耗电弧炉自动控制系统设计和 现场调试的基确上，本论文对实践工作进行了总结与提高。 真空自耗电弧炉的熔速是影响生产质羹的主要因素之，而熔速控制其有强 藕合、菲线往、大滞后等诸多不乖j 特点。嘏据糯场经验和深入分祈，论文的主要 内容有： 提滋了弧壤压秘孤窀瀛之阂动态藕合是影嫡控锈燕常避彳亍韵主要矛盾，熔速 对象懿滞后是掘剥弧毫漉波动鑫冬主要爨因，稳定弧逄流是熊决闯题酌稚本磁路这 样一个双点。 针对妇犍稳定弧逛淀的目题，探讨了基予熔速绘定迄瀛关系模型懿蹶控方案， 理论分叛和实验验涯论涯了方象魄可嚣牲。 结合生产现场的实际蠖况，刊髑统计实验蜘方法建立了熔遽给定电流愆关系 模型。 控制系统采用荫门予公司s 7 3 0 0 系列霹缡程控测器组成分枣式蟾体系结构。 其中主要的特点是利用栋重模块成功地实现了熔速参数躲测量，改善了现场的控 制条件。 目前该系统在北京6 2 1 航空航天材料研究所完成现场调试，已投入运行。 关键词：真空自耗电弧炉，实验模型，解耦控制，熔速控制 英文摘要 a b s t r a c t v a c u u ma l e r e m e l t i n g f i l r n a c ei sav e r y i m p o r t a n t a n dc a l l tb es u b s t i t u t e d e q u i p m e n to nt i t a n i u mm e l ta n dp r o d u c i n gg o o dq u a l i t ya l l o ys t e e l m a n u f a c t u r ea n d a r r a n g eo fv a c u u ma r cr e m e l t i n gf u r n a c ei sai m p o r t a n tq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o na l o n g 、 ，i md e v e l o p m e n to na v i a t i o n si n d u s t r ya n di n c r e a s e dd e m a n do nt i t a n i u m a l l o y w ep a r t i c i p a t e di na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m ( a c s ) a n dl o c a l ed e b u g g i n go f z h t l0 0m o d e lv a c u u ma r cr e m e l t i n gf u m a c ew h i c hw a sm a n u f a c t u r e dt h el i m i t e d c o r p o r a t i o n o f b a o j i c i t y t l l i sp a p e r i sas u m m a r i z i n ga n da d v a n c e o f p r a c t i c e r e m e l t i n gr a t e o fv a c u u n q t 黜r e m e l t i n gf u r n a c ei so d eo ff a c t o r s i n f l u e n c i n g p r o d u c t i o nq u a l i t y c o n t r o lo fr e m e l t i n gr a t eh a ss o m ed i s a d v a n t a g e dc h a r a c t e r i s t i cs u c h a ss t r o n gc o u p l i n g ，n o n l i n e a r i t y , d e l a y p a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s a c c o r d i n g t oe x p e r i e n c ea n dd e e pa n a l y s e so nf i e l d i tp u t sf o r w a r dp o i m st h a td y n a m i c c o u p l i n gb e t w e e na r cv o l t a g ea n da 糙c u r r e n ti s m o s tc o n t r a d i c t i o nw h i c ha f f e c t sn o r m a lc o n t r o l ，d e l a yo f r e m e l t i n gr a t eo b j e c ti sm o s t r e a s o nw h i c ha g g r a v a t ea r cc u r r e n tf l u c t u a t i o n a r ce t a , r e n ts t a b i l i z a t i o ni sf i m d a m e n t w a y s w h i c hs o l v et h ep r o b l e m 。 w ed i s c u s ss e q u e n t i a lc o n t r o lb a s e dr e m e l t i n gr a t e - - c u r r e n tm o d e la i m e da th o w t o s t a b i l i z ea r cc u r r e n t t ti s p r o v e df e a s i b l ed u r i n gt h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a p p r o v i n g b u i l dr e m e l t i n gr a t e - c u r r e n tm o d e lu s i n gm e t h o do f s l a t e x p e r i m e n tc o m b i n i n g w i t hf a c to f m a n u f a c t u r ef i e l d c o n t r o l s y s t e ma d o p t c o n t r o l l e rc a n p r o g r a m m e dw h i c hc o m p o s e d i s t r i b u t e d s t r u c t u r eb e l o n gt os i e m e n s c o r p s 7 3 0 0s e r i e s 。i t sm a i n f e a t u r ei st h a tm e a s u r e m e n to f r e m e l t i n gr a t ep a r a m e t e rh a sc o m eo u tm a k i n g u s eo f w e i g h i n gm o d e lw h i c hi m p r o v e s c o n t r o lc o n d i t i o no n 蠡e t d 。 n o wt h i ss y s t e mh a sb e e nd e b u g g e da t6 21 s p a c e f l i g h tb u r e a ub e i j i n g ，w h i c hi s r u n n i n g k e y w o r d s ：v a c u u m 甜cr e m e l t i n gf u r n a c e ，e x p e r i m e n t a lm o d e l ，d e c o u p t i n gc o n t r o l ， r e m e l t i n g r a t ec o n t r o l i i l 1 概述 l 概述 l 。1 真空自耗电弧炉的发展概况 1 1 1 小规模试验阶段 1 8 7 9 譬，威廉- 嚣门予制造爨世爨上 第一台电弧炉1 1 】( 如图1 1 ) ，当时用了2 0 r n i n 洛纯了2 。3 醺豹凌钢，可觅当时兹瞧弧 炉容量很小，根本无法应用于实际生产。 在诧之前曾经有入试验了用电弧熔炼的方 法熔炼白金丝，仅仅在实验室取得了成功1 2 j 。 这些初步的成功就给电弧熔炼和难熔金属 数熔炼提供了一含愚爨。妻至t j 2 0 世纪锈， 电弧炉在工业领域的使用还处于尝试阶段。 溺开始煞囊空毫弧炉大都采雳踅流墅，炉 容量很小。要扩大容量，整流器造价会很 高，而且由于技术条件静限翎，根本不可 能制造大容量整浚装置【3 1 ，所以当时赢流 型电弧炉没有得到发展。后来飘然出现了 交滚电弧炉，瞧囊予当辩的电力或本太毫， 导致电弧炉发展十分缓慢【4 】。 i 。1 2 夭燕毫弧炉除羧 直到1 9 4 9 年以后，随着电力成本大大 降低和大黧真空浆的出现，真密电弧炉才 l 7 图l 。t1 8 7 9 年酉| 、w 3 子发髑的宅孤妒 f i 9 1 1a r cf l l l t l a c e i n v e n t e db ys i e m e n si n 1 8 7 9 1 控制电弧使用的自动调节装餐： 2 ，顶电援供承装嚣；3 冰冷金媾电掇； 4 形成电弧的空间；5 坩埚；6 ，金属液： 7 + 底电极铂帽；8 底电极 正式应用至l 工业领域 5 1 。限于当时的整流技术，早期的电弧炉以交滤电弧炉势主【6 】。 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 以竞骚弱缺点 3 1 ：盘予交滚电弧每秒涟零点i 0 0 或1 2 0 次，在零熹难选毫援媳灭，然 后静在下半周重新点燃，因而交流电弧稳定性差；交流电弧炉功率因数低，无功 功率频繁滚动，引莛毫灏电压闵变；三稳溆孤弧长的交纯在辩间上的不一致，造 成三相负荷不对称，对电网的干扰和冲击大，同时在炉内造成热负荷的不均匀性 而形成热点，对耐火材料侵蚀严重。直流电孤炉与交流栩比较具有以下优点 7 , g l ： 电极消耗少；电糍低；耐火材料消耗少；对电网的闪烁冲击，l 、；噪声低：投资回 收期短；经济效髓明显簿。早在1 9 世纪末，国外就开始了对直流电弧炉的研究， 毽是塞至1 2 0 整纪8 0 年l 弋视，由于大毫流可羧硅整流器弱捺裁系统豹发震才为囊滚 重庆大学硕士学位论文 电弧炉的工业化提供了条件9 1 ，并使电弧炉熔炼能力大大提高。近几年，直流电弧 炉的发展更为迅速，目前，国外新建的或改造的电弧炉项目中，8 0 以上均采用直 流电弧炉。我国的直流电弧炉1 9 9 1 年成为攻关项目，上钢五厂、成都无缝钢管厂 和重庆特钢厂于次年投产了直流型电弧炉【8 l 1 2 自耗电弧炉的应用领域 炼钢用的电弧炉基本都是非自耗电弧炉【l ，以直流电弧炉为例，就是用石墨 电极作为阴极发射极，废钢作为阳极，通过电弧的作用，把废钢熔融后再进行结 晶，从而实现了钢的提纯和结构均匀化。非自耗炉的优点是能源利用率高，由于 等离子体的流向是从阴极流向阳极区的，所以传热效率很高【1 1 1 。尽管如此，对于 钛及钛合金却不能使用此方法熔炼，因为钛是高活性金属，非自耗电极的挥发损 失会对金属钛造成污染，使其性能下降 1 2 1 。钛熔炼的主要方法是真空白耗电弧熔 炼，就是把要熔炼的钛及合金原料制作成标准性状的电极，通过电弧的高温熔化， 再在铜坩埚内冷却结晶形成均匀、致密的金属钛合金，同时电弧的超高温还可以 去除原料中的气体和其他杂质。因此，真空自耗熔炼方法主要应用于难熔高活性 金属和超高温金属的熔炼u 。真空白耗电弧熔炼一般采用短弧熔炼，而非自耗电 弧熔炼在熔炼期则采用长弧熔炼。相对于非自耗熔炼，由于自耗熔炼使用的是阴 极加热l l ”，所以热效率没有非自耗熔炼的高，这也是采取短弧熔炼的主要原因。 1 _ 3 国内外新型真空自耗电弧炉的研制 国外早在6 0 年代就开始使用真空自耗电弧炉熔炼钛 2 1 ，我国1 9 7 1 年研制出了国 内第一台真空白耗电弧炉，直到目前为止国内的真空自耗电弧炉的容量最大只有 6 t 。随着对材料的质量要求越来越高，真空白耗电弧炉进行了不断的优化。新型的 真空自耗电弧炉应该具有以下几个特性1 1 4 , 1 5 】： “同轴性”。就是让阳极电缆线靠近阴极电缆线，并且二者都接在炉体上部， 保持近距离平行，使大电流产生的磁场相互抵消，从而减弱或消除感应磁场对熔 炼产品质量的影响并提高点效率。 “再现性”。通过先进的电控系统和称重传感器来确保熔炼过程中电参数的稳 定，最终获得质量稳定的产品。 “灵活性”。一台炉子可以加工多种锭型并留有发展余地，有利于提高生产率。 由于钛具有很多优异的特性，最近几年钛的需求量越来越大【1 6 】，对质量的要 求也越来越高。真空自耗电弧炉随之也发展的很快，其主要新的技术有f 1 7 】： 采用电极自动称重系统。在熔炼过程中可连续监测剩余电极的重量，并以此 来对电弧进行自动控制； 2 1 概述 熔炼过程强诗冀援送纾控铡，蠖控铡更侠捷，提瀛了系统懿稳定经； 采用同轴供电的结构，减少了大电流磁场造成的偏弧； 毫极可在x - y 方淀调节，改善了电掇的阊牟寝发，减少了安全隐您； 传动机构使用了高性能的伺服电机鞠变频器，简化了电极传动系统； 大溅可控硅电源的使用，使电流控制更加哭敏，熔化过程更加稳定： 承冷锅增甥积毅炉底技术的傻用，大大延长了爨予寿命； 闭锁阀技术的研制成功，使生产效率大大提高口剐。 除了麸功髭上改遴癸，还在大羹仡方露发震魄较迅速，遴过大登纯可戬增翻 能源利用率，并提高了成品率。虽然近年来出现了各种释样的先进新设备【l3 1 ，其 往能优越予真空囱耗炉，可是大都不成熟或者投资和运作费用十分昂贵，只用来 做特殊用途。目前世界上有8 5 的钛熔炼使用的是囊空自耗熔燎方法 1 9 , 2 0 ，即使在 将来的一段时期，真空自耗熔炼还将是熔炼钛及其合金的主要方法。 国际上最具代表牲的美国c o n s a r c 公司耪德国豹a l d 公司疑生产懿囊空鑫耗毫 弧炉都具备了以上的特点，并且自动化水平很高。我国相对走在前边的两家研制 爨：宝建铰竖有羧公司稀鸯金j i 嚣装备磺裁掰和沈鞠真空设备研键辑，在这方面与 国外相比还比较落后，主要表现为炉子容量小和自动化水平低。国产的真空自耗 电弧炉最大容量只有6 t ，而国外已经研制出了3 0 t 的大型真空自耗炉f 2 霹；再者国产的 自糕炉基本都以手动为主，或学只实现了部分功能的自动化，这样导致的结果是 生产过程中人为干预太多，从而影响了产品质量的稳定性。 上边提到的宝鸡穗蠢金属装备璎铡瑟坐落予中国“钛蠛”宝鸡，是专门疆铡辕设 备的机构，从1 9 9 4 年开始学习国外技术，经过十年左右的探索，最近终于研制出 了国内第一台其鸯溶速控涮功熊匏囊空鸯耗窀孤妒，基零达囊了国际承平，露前 正在试运行阶段。本课题就是以此电弧炉为研究对象。 l 。4 存在的问题及研究现状 1 ，4 1 存在的问题 莲羞镊枣场蕊捷遮发展，慰囊燮豹要袋瞧越袋越嵩。壶予囊空鑫轻熔滚工艺 较为苛刻，而国产真空自耗电弧炉控制方式落后，功能不完备，是制约产品质量 瀚羹要强豢。虽然中国瀚铗矿储量露超界之茸( 占疆界爵探瞬德量鹬6 4 ) ，但是 钛加工业比美国、德国、英国等落后很多，钛产量只占徽界总产量5 左右【2 1 并 且晶质较低。因此钛加工业的发展潜力很大，提高熔炼铖的重疆设备一真空自耗 炉的自动化水平是发展秘改进的方自之一。以下几方嚣楚曩蓠存在的一些主要运 题。 熔邃控翱 重庆大学硕士学位论文 研究表明：真空电弧熔炼的锭子经常出现树龄环形花纹，这是成分偏析的反 映，是熔炼速度波动而造成的结果【2 ”。熔速控制的目的是让熔速严格按工艺要求 进行，保证熔化速度的均匀性，从而保证产品的质量。 控制熔化速度存在的困难主要是：熔化速度受电压、电流、弧长、材质等多 因素的影响 2 2 , 2 3 1 ，相互间存在较强的耦合性；熔速对象具有严重的非线性、大惯 性、大滞后和时变的特性，在熔化初期自耗电极温度低、熔化速度慢，而随着熔 化电极温度的升高，熔化速度在相同电流电压下，会越来越快。这些情况综合在 一起，给熔速自动控制带来极大困难。采用常规p 1 d 调节根本无法使系统稳定， 现场发现，常规p i d 调节会导致电弧剧烈波动，熔炼过程无法稳定进行，需人工 不断地干预。 自动化水平 目前国内对真空自耗电弧炉自动控制系统的研究处于起步阶段，主要表现在： 系统体系尚不成熟，功能不齐全，限制了国产真空自耗炉的自动化水平；许多工 作还需手动操作来完成，这带来有很多缺点 2 4 1 ：第一、人为干预太多，致使工艺不 稳定，从而影响到产品质量。第二、控制效果不理想，安全隐患比较大。因为电 弧具有超高温，如果发生电弧偏离很容易击穿坩埚壁而引起重大事故，世界上每 年都有自耗炉爆炸事件发生。第三、电弧熔炼操作很不容易掌握，培养一个合格 的操作人员需要一年左右的时间，生产效率低。第四、占用劳力多，一般都要求 两人操作，一人控制，一人观察炉内情况。构建一个高效的自动化系统是实现综 合自动化，提高生产效率和产品质量，改善生产局面的关键 2 副。 传动系统 电弧长度是熔化过程必须要严格控制指标，既是熔化正常进行的必要条件， 也是决定炉子安全的主要因素。电弧太长容易引起侧弧，击穿铜坩埚壁发生爆炸； 电弧太短则容易发生短路，对电网造成很大冲击；合理的电弧长度不仅可以使熔 化顺利进行，在一定意义上还降低了能耗。性能优良的传动系统是提高电极控制 精度的重要保证。 1 4 2 国内外研究现状 熔速控制问题的研究 1 ) 基于模型的熔速控制方式 国外的熔速控制自耗炉出现较早，目前已经比较成熟，在熔化稳定期可以达 到预期效果。最近的资料显示先进测量技术在自耗炉上的应用，使得可以建立准 确的电极温度分布暂态模型【2 6 , 2 7 ，准确预估电极温度分布，从而准确预估熔速变 化。比以前的熔速控制方法效果好，并且是全过程控制，而不是原来的只在熔化 期才采用熔速控制。产品质量改善了许多，此方法已经在美国c a r p e n t e r t e c h n o l o g y 4 1 概述 公嚣褥妥了验证。 国内的真空臼耗电弧炉因为不具备熔速控制功能，所以这方面的研究很少。 东北大学在对菜锱厂一凑空自耗电弧炉豹改造过程中提出了模羹趣常麓p i d 静方 法进l 亍控制f 2 8 】，取得较为满意的效果。这里的模型是基于实践的经验模型，针对不 同的炉体须进行单独地研究。 2 1 智能熔速控铡方式 神经网络 2 9 , 3 0 , 3 1 j 、遗传算法【3 2 、模糊控制 3 3 , 3 4 1 以及智能专家系统等等高级智 2 算法在魄弧炉炼钢中郄己残功镬臻，解决了诸多传统方法无法察决熬闻嚣，澎 如电弧闪变、三相交流电的强耦合、以及能源的合理利用等等用传统方法都很难 解决。箍着真空舀耗炉的大型纯，智能控翻系统穗开始在真空囱耗炉中使用，美 国c o n s a r c 公司硪制的颛型真空自耗炉使用章申经网络算法取得了良好成效。 3 ) 熔速控制新理论 现在掇出了掇据熔波形状瓷叁动调节熔速盼豪理论，控毒l 熔遗瑟与堪埚蹙之 间保持9 0 1 1 0 。的夹角【3 扪，并使熔池深度为自耗电极直径的1 ，3 1 2 之间3 t 37 1 。保 持溶洼麓形状不变，扶褥可以得到结擒曼热沟匀一蘩豹铸锭娜l 。遽速工艺趋线也 可以自动给定，到时可以实现自耗炉的完全自动化。实际中的熔池表面，并非标 准的抛物磷，再加上测麓技术的限制，确定熔泡与增埚肉壁的之间的夹角以及熔 池的深度；# 常困难，目魏还处于试验除段。 控制系统的组成方式 1 ) 模拟控制嚣缝成系统，摸投控刳器是一耪旱期戆控制器，疑意菪置产塞载炉基 本还是以这种控制器为主。它的优点是造价相对比较便宜，缺点是控制性能不够 努，难予缀成功畿完备豹综合爨动亿系统。 2 ) 单机p l c 实现局部自动化，p l c 控制器具有功能强【3 9 1 ，可靠性高的特点，是 目前工业器普遍采用的一种控制器，圆p l c 自身工作方式的特点，单机的运算能力 相对较弱，难以满足大型炉智自控制的运算要求。霈向网络化方向发鼹，组成集 散型的系统结构。 3 ) 集数控刳系统。宝鸡铰娩有羧公司最近弓l 避了套德国1 0 t 囊空爨耗窀援炉， 是目前世界上最先进的自耗炉。采用的是西门子公司的p l c 和工业计算机组成的集 教控麓系统，骰翔了控稍系统瀚模块纯，赢麓静p l c 只完成数摇采集稻篱单静预处 理，大量的运算则交给工业计算机来究成，通过现场总线技术进行数掇传送。p l c 的裔稳定能和工业计算机的大激运算能力结合在一起，使得p l c 的运算能力弱的缺 点褥以弥 b ，控制效果良好。这样徽还可以方便维护，方便蠢级，往往只嚣簧对 其中的某些模块进行相应的处理即可，不会破坏系统的稳定性。这是目前国内真 空炉控裁系统菱羧懿基零趋势【4 0 l 。 5 重庆大学硕士学位论文 电极传动控制方法的研究 ， 电极给进的控制方式分为两种： 1 1 电压比较法【l ”。因为电弧长度和电弧电压存在近似线性的关系，通过调节 电弧电压就可以达到控制电弧长度的目的。电压比较法的优点是控制方式比较简 单，但是控制精度差。目前国内的自耗炉都是采用此种方法来进行弧长控制。 2 1 脉冲信号控制法h “。信号取自熔滴在下落时瞬间短路造成的电弧电压脉冲， 实验证明：电弧电压的脉冲频率、幅值在一定范围内与弧长成反比例关系，通过 脉冲频率来调节电弧长度。这种方法在稳定熔炼期可以准确调节，开始阶段不宜 使用。国内的电弧炉都是采用电压比较法来控制的，而国外则采用了电压比较和 脉冲控制结合的方法。 电弧长度是真空白耗熔炼严格控制的参数，是保证正常熔炼和安全生产一个 关键因素，自耗电极的移动是调节弧长，控制熔速的重要执行手段。 1 5 本文研究的主要内容 分析电弧的特性及其对熔炼过程的影响： 通过实验方法建立熔速对象近似模型； 分析熔速控制的主要难点； 研究讨论相应的控制策略； 设计控制系统，完成硬件和软件的设计。 2 真空自耗电弧妒酶稿关工艺及控裁要求 2 粪空自耗电弧炉的相关工艺及控潮要求 2 1 电弧的结构特点及加热原理 2 1 1 耄弧豹结构 真窳自耗电弧熔炼的热能来囱电弧，熔滚过程静电孤行为宣接影响刻熔炼产 这里淘羚发蓦| 两产生瓤光赦宅。 孽鬈曼弧箜结复薹意豳 阴极斑点的大小与电弧放电所在空 间的气体介质的压力有着密切的关系。气体介质压力高，阴极斑点的面积就小。 电弧髑潮气抟余质纛力减少，阴板斑点覆积堪大，瑟量毫遮游臻。峦奄投溃覆游 至铺表两，使电极端蕊熔成圆礁澎。斑点越大，温度越低。在熔炼过程中阴极斑 点在阴极表面游动，它的大小直接反映电弧的稳定性，斑点越小越易游动，电弧 越不稳定。斑点的濑魔与电极材料的熔点和熔化电流密度鸯关，电极材鞑熔点越 高，熔炼毫漉密度越太，斑点静滋凄裁越商。 弧柱区：它饿于阴极区和阳极区之间璺钟形分布，怒一个电子和离子混合 组成的中性的高温等离子体。它是电弧的主体，它的亮度最高，温度也最高。随 着溶艨瞧滚静增撩，弧柱甄瑟穰璞大，趣弧弱寒密度疆热，溢痊嚣裹，燃烧曼稳 定。熔炼过程中物藤的分解、挥发等都是在此媛迸行的。弧桂断面积的大小与周 围气体介质压力有关，气体介质压力大，弧柱断面积变小，反之亦然。弧柱断砸 积的大小还受夕 器磁场的影响，当对电弧施加一个纵向磁场时，在磁场避靛 乍用 下，电弧受囊压缩，致使奄孤瑟瑟积交小，电弧长度穗应矮嬲，提毫了魄弧的稳 定性，实际中是通过使用稳弧线圈来实现纵向磁场的。 阳极区：阳极区位于阳极波面，它也宥一个斑点。由于阳极区气体介质压 力较爨，鞭稷褒点瑟辍扩大瑟“遮 娃”瀵失。强极斑点是集中蔽牧亲叁鬻极麴毫子帮 弧柱区的离子的地方，电位降很大。在高速运动的电子和负离子流的连续轰击下， 7 重庆大学硕士学位论文 把阳极斑点加热到很高的温度，它的温度主要取决于阳极区气体介质的压力，压 力增加时阳极斑点的面积缩小。熔炼条件的变化会引起阳极斑点大小和温度的改 变，从而使金属熔池的温度梯度、熔池深度和体积发生变化，最终会改变钛锭的 凝固结晶和提纯效果。 2 1 2 电弧的特- | 生 电弧的静态特性 在低电流区域，增加电流的同时电压具有下降的倾向( 下降特性) 。在中等电流 区域、会逐渐形成恒电压( 恒定 电压特性1 。若电流进一步增大，电压 电压呈上升倾向( 上升特性) ( 见 图2 2 ) 。这是电弧固有的特性， 主要由电弧柱的热损失特性所 造成。 1 ) 低电流区。此时电弧的阴 极电压降、阳极电压降和电弧电 流无关为一常数，电弧的截面积 随电流的增加而急速增加，电弧 电阻下降，所以电弧电压随电弧 电流的增加而下降。 图2 2 电弧的电压电流静态特性 f i g 2 2t h ev a s t a t i cf e a t u r eo f t h ea r c 2 ) 中等电流区。随着电流的继续增加，电弧的阴极电压降、阳极电压降和电弧 电流仍然无关为一常数，但是此时截面积随电流的增加的速度没有刚开始时快， 阻抗的减小和电流的增加趋势基本一样，这时电弧电压几乎保持不变。 3 ) 大电流区。由于此时电弧截面积基本达到了极限值，不再随电弧电流增加而 增大，电弧阻抗基本稳定下来，阴极和阳极的电压降不变，于是电弧电压就会随 着电弧电流的增加而增加。 以上介绍的电弧静态特性对，正常熔炼时，电弧都是以这个静态特性曲线工 作。 电弧的动态特性( 图2 3 ) 曲线a d 为对应某一弧长的电弧静态特性。如果j 从a 点以很快的速度连续 增加到d 点后稳定下来，随着电流增加，弧柱空间的温度也将随之升高，但温度的 上升总比电流增加的慢些，这种滞后现象称为热惯性。当电流增加到b 点，由于受 到热惯性影响，电弧空间的温度还没有达到对应的l 的稳定温度，由于弧柱的温 度低，弧柱的导电度也低，阴极斑点和弧柱断面增加较慢，维持放电的电压降提 高到b 点，同理对应l 电流将提高到c 点，于是在电流提高的过程中，电弧电压将 2 真空自耗电弧炉的相关工艺及控制要求 比实际的静态特性高。同样道理，在电流从d 点快速下降过程中，电弧电压会偏离 静态特性并低于静 态时的电压。传统 的真空自耗电弧炉 的电流给定都是手 动给定，再者电弧 电压给定也在手动 控制下，速度调节 都比较慢，所以不 会出现动态特性对 控制影响。高性能 的电极杆传动装置 的出现，使得电弧 j +电流( k a ) 图2 3 电弧的电流电压动态特性 f i 9 2 - 3v ad y n a m i c f e a t u r eo f t h ea r c 电压的调节非常迅速，这样动态特性对控制的影响就暴露出来了。当电流调节到 预期值时，电弧电压偏离了静态曲线，所以就要再次调整电弧电压来调整电弧长 度，这样就会引起剧烈的震荡，使控制无法进行下去。 2 1 3 电弧的加热原理 由于电弧柱处于超高温状态，所以以前人们认为电弧柱传热中占主导地位的 是辐射传热，而对流传热是次要的。最近的研究表明因为电弧等离子体内的气体 分子大部分都高温分解，所以光的穿透率很高，热辐射率很小。而等离子体的高 速运动，使得对流传热作用很强。麻省理工大学的研究发现，不管是有效加热， 还是热损失，对流传热都占主导地位，辐射传热不到总量的1 0 t 1 1 。 对于炼钢用直流电弧炉，在熔炼期因为电弧是被完全包围在废钢之中的，所 以传热效率非常高。此时一般采用大电压( 长电弧) 小电流的方式加热，可以减少电 网损失。待炉料全部熔化，电弧则暴露出来，这个时候就采用小电压( 短电弧) 大电 流的加热方式，以维持高的热效率。真空自耗炉类似于后一种情况，因为电极自 身不断熔化，而熔化后的电极则在坩埚中结晶，所以电弧始终是暴露的，所以自 耗炉全部采用短弧熔炼的方法。 2 2 真空自耗电弧熔炼 2 2 1 真空自耗熔炼原l e i l 5 , 1 2 i 从钛化合物制取金属钛的过程都是在低于熔点的温度下进行的，只能得到多 孔的金属海绵钛。海绵钛很少直接使用，基本都必须要首先熔炼成致密钛，方可 重庆大学硕士学位论文 进步加工成钛材。此外为了制取钛合金材料，就必须要在熔铸时添加合金组元， 调熬成分，嗣取含有一定成分范围的钛合金锭。然而镰是一释离活穗金属，在熔 融状态下能和很多元素发生化学反应。因此，钛熔炼必须在真空中或在惰性气氛 僳护下进行。在真空熔炼的过程中，可同时除去一些杂质，掇高钛的纯度。真空 自糕熔炼方法是钛熔炼豹主要方法，具# 实现原瑗如下： 真空自耗电弧熔炼是在低压或惰性气体氛围中，钛电极棒在直流电弧的高温 佟瘸下逐速熔化势在隶冷锈臻螟两簿凝霞翡过程。当液态金瓣钛通过邀弧瓣趣毒 温曛时杂质和有害气体在高温电离的作用下快速挥发，从而达到了去除杂质的目 的，同时以熔滴的形式通过高温区两镉瑶精中过渡，在铜瑶蛹串保持液态辩随蜃 的凝固过程中，_ 不仅实观了钛的致密化，弑且还起到提纯金属的作用使金属具有 更好的性能。因此过程的实质是借助于直流电弧的热能把已知化学成分的金属自 耗魄投在囊空或蒋蛙气氛中遂行重获熔炼。熔薅本身是个定怒连续过程，在薅溢热 热形成的熔池区内，液态钛合金和杂质不断地扩散，有助于均匀化，随后凝固成 锭。真空露耗毫潍熔滚是在囊空高滋下进行熬，每次熔炼都稻当予避毒亍一次囊空 蒸馏，和次区域熔炼，对钛起到一次精制提纯作用。钛重熔过程中主要会出现 两种缺陷：微观偏桥和宏观缩孔。 凝固对的偏板 钛锭内部各部分化学成分不均匀或含有夹杂物的现象称为偏析，它往往导致 钛榜援裁性能不均匀。程壤掺严重豹壤嚣下甚至锼钛锭擐废或进行霉次熔铸处理。 偏析是在钛锭熔化和结晶过稔中形成的，熔化不充分，或者熔化速度变化剧烈， 导致结晶不均匀，觚丽瘩瑗了偏辑斡缺陷。 凝固中斡收缩 收缩分为两种，一种是集中收缩，在钦锭中袋现为帽孔中的缩孔，热封顶工艺 藏筵受了减少或港豫缀季l 两慕取戆搂耀。爨一穆蹩分数牧缩弹镰锭中豹徽缭藐， 称为疏松，主要是由于熔化过程不稳定造成的。缩孔和疏松的严重影响产晶质量 和产晶戒稀率。 2 2 2 真空白耗电弧熔炼工艺 工艺过程 l 蠡糍窀辍弹揍 焊接的任务是将组焊好的自耗电极在真空或氯气保护下焊接在辅助电极上， 要达到焊鬣、焊牢、霹缝能透过工作电流，并且不发生氧化。当采糟专用设备焊 接对，只要把组焊好的自耗患极与辅助电极放入专用设备内蜉接后，再烙皇耗电 极取出装入炉内，组装好，并调整剿使其位于坩蜗中心处。在没有专用设备时， 1 0 2 囊奎自耗电弧炉的螺关工艺及控制要求 观将自耗电极装入炉内，并调整到使气位于坩埚中心，进行炉体组装，预抽真空 度合格后，强舆空下进行瞧炉对焊，使疆耗电极与辅助电极焊接在一起。重熔电 强多采霉炉肉对溽，褥阕鞠冒完或。 2 ) 引弧期 电弧引燃的方法是在底结晶器上丽赢接放置一些弓f 弧剂( 海绵钛) ，并使引弧荆 葶彗錾耗亳极魏黉距襄不小予1 5 n m l ，一般为2 0 - - 3 0 m m 。为了蹶裂逡越弧，鍪须掇空 载电压( 即开路电压) 提高到8 0 v 左右。强空载电压下，借助于自耗电极与引弧剂之 间瞬间接触而产生弧光放电进而达到稳定的电弧燃烧，造成一定髓的金属熔池， 为过渡到正常熔炼刨造条件。 弓l 弧蘩怒奄甄最不稳定麓，为了不攒耀搿稿底，邀弧电流要欷小些f 一般2 k a 左右) ，但是小电流容易造成断弧，所以一旦起弧，立即控制电弧为短弧工作状态， 电弧长度反映在电弧电压上，一般为2 8 v 左右。要求引弧期要尽凝短，所以搅拌 磁场晓正鬻熔炼是要强，尽狡建立熔浚，可鞋疆少镑锭魏凌除量。 3 ) 正常熔炼期 当引弧期结束以后，逐渐增加熔炼电流，迅速转入正常熔炼期。熔炼期操作 是否准确赢按影响到熔炼产涵的质量。特熔池覆盖凇埚底焉，迅速将电流升到工 艺要求翡设怒毽，进行歪鬻熔炼。雨融黉控制簿毫羼、真空褒、络炼速率等王艺 参数。熔炼电流一经确定，熔炼是否溅常就取决于电弧的长度。电弧过长，热量 不集中，表现为金属熔池聚滞，表面有飘浮的杂质税膜，使金属的玷污程度增加， 并且容易发生边弧，造成攀羧；弧长避短，会造或毫弧频繁短懿嚣镶潞遗渥疲惫 剧变化，熔化速度随之波动很大，同时会发生严重喷溅；弧长芷常时，熔池十分 清晰活跃，溶液徐徐波动并将杂质膜推向结晶器壁。 4 ) 热封顶期 又称 缩麓。葑顶豹鼹静是为了减少铸锭头部的缩藐，漆低钛锭的韬头爨， 提高锭坯的成材率。从正常熔炼进入封顶后，热封顶的电流逐渐降低，分别从正 常熔炼电流的1 ，3 减低最聪达1 1 0 ；热封项时间一般占总熔炼时间的1 4 1 3 。为 了确定最佳辩矮嚣始嚣阂，传统叁耗梦一般采援奄壤轷行程或平均速熔法谤冀确 定预留电极爨，而新型自耗炉可以准确地确定剩余薰量。 控制过程 鑫耗宅瓤妒豹示意工氅控潮遭疆热蒸2 4 。雩 弧戆潮开始毫滚袋小，为了貉壹 电弧损坏坩埚，接着要加快熔化采用大电流，待熔化稳定后，减小电流到正常熔 化电流，如图2 4 中引弧期的三段；熔化过程中，为了维持炉内的热平衡要逐渐降 低溶化速度，电漉逐濒减小；羚缩裁毫溅蹬撵下降，保持嬉漕不凝霆帮可。整个 重庆大学硕士学位论文 过程中，电弧电压随电弧电流的变化而改变。 1 ) 在不具备称重装置的条件下，无法测量熔化速度，因此熔化速度全靠人的经 验来调节电弧电流和电弧电压来进行控制。这种控制熔化速度的方法很不合理， 甚至是不符合工艺要求的，只能大概确定整个熔化过程的平均熔化速度，而不能 准确控制熔化过程中实时熔化速度。 电 电 1 ) 熔速不参与控制2 ) 熔速参与控制 图2 4 真空自耗熔炼工艺示意图 f i 9 2 4v a c u u m a r cr e m e l t i n g p r o c e s s 2 ) 具有熔速控制功能的自耗炉的出现，使上边的问题得到了解决，熔化过程中 电流和电压的调节由熔化速度来控制，代替了靠经验调节电弧电流和电弧电压的 方式。改善了熔化速度的均匀性，大大提高了产品的质量。通过实时测量电极的 剩余重量，可以间接得到熔速这个最重要的工艺参数，为实现真正意义上的自动 化自耗炉创造了条件。在熔炼期，参数的调整是根据电极重量为基准，这比以时 间为基准更准确合理。 工艺参数的确定 1 ) 熔炼电压的确定 电弧电压是真空电弧熔炼重要参数之一，主要反映电弧长度及其稳定性，及 对产品脱气效果的影响，也就是说，是控制工艺过程和和产品质量的重要参数。 现代工业生产中的真空白耗电弧炉，由于所用电弧电流都比较大，电弧的静态特 性均属于上升特性。因此可以从真空电弧的静态特性曲线( 图2 2 ) 上获得电弧电压 的计算公式： u 6 = a + 卢1 5( 2 1 ) 其中：a ，卢为特征常数，其数值视金属和气体介质种类而异。就其物理意义讲， a 值相当于阴极电位降和阳极电位降之和；口相当于电弧柱电位降系数。真空状 态下，几种金属的a 、口见下表2 1 ： 2 真空自耗电弧炉的相关工艺及控制要求 表2 1 几种金属的特征常数 t 曲l e2 1c h a r a c t e r v a l u eo f s o m ek i n d so f m e t a l 电极金属种类 f et im o 瑾1 92 01 55 卢 0 5 x 1 0 31 1 0 33 2 x 1 0 3 同时电弧电压又是电弧长度的函数， 2 - 3 ) 【2 0 】在一定范围内可近似表示为： 弧长度就是这个道理。 一般采用短弧熔炼时，熔炼 电压u 很小，对于难熔及活性金。 属及其合金波动于3 0 4 0 伏之 间，炉子工作电压与重熔金属的 种类和气体介质种类有关，用氩 气保护的熔炼，u 值比真空熔炼 时高1 0 伏左右。真空电弧熔炼点 电压的具体数值随金属种类、弧 长和炉子结构特征而异。 电弧电流给定时，电弧电压与弧长的关系( 图 厶= 丘，实际生产中用电弧电压来控制电 图2 5 钛的电弧电压和弧长的关系示意图 f i g 2 5r e l a t i o no f v o l t a g ea n da r co f t i t a n i u m u 口= ur+u疆+uk + u 。k + u5 = l ( r t + r + r k + r 1 1 k ) + = l r + = a u n + ( 2 2 ) 式中 u 。熔炼电压 b 母线电阻 软线电阻 最电极电阻及炉子其它部分电阻总和 电弧电阻 通过作短路实验可以确定系统中的尺值，并以此确定电压降仉。因为顺时 短路的电压降u 。被峰值电流j 除之商即为系统的总电阻咒。这时炉子的工作电 压u 可用下式表示： 重庆大学硕士学位论文 卟卟乩+ 等l ( 2 3 ) 其中： l ，短路电压 j 短路电流 旦：f r j 一 因为熔化电流很大( 5 1 0 k a ) ，所以电弧电压给定时必须要考虑电阻电压降，即 电压给定( u 。) = 理论电弧电压( ) + 电阻电压降( a u ) 。实际生产中，常常会因为不 考虑电阻电压而出现熔炼电压不正常的情况，严格的工艺一般要求电弧电压由电 弧电流的大小来确定。 2 ) 熔炼电流的确定 以前的真空自耗电弧炉熔炼电流的确定很困难，主要依靠电极的几何尺寸来 确定。另外考虑材料的性状，对电弧电流进行修正或限幅，数据的确定很大程度 上靠的是经验，这样就为操作人员带来了困难。首先是参数的经验手册并不能满 足所有的原材料，因为材质不一样，即使同样的尺寸，电弧电流和电弧电压也给 出的是一个范围，这就使工艺参数不稳定，导致熔化过程不稳定。熔速参与控制 就解决了这个问题，电弧电流由熔化速度来确定，根据实时的熔化速度的变化来 调节电弧电流，既要保证电弧电流的平稳变化，也要保证电弧电压的稳定。熔化 电流跟随熔化速度变化来调节要合理得多，因为在整个熔化过程中，炉内的温度 不断升高，要使炉内保持热平衡，熔化曲线就应该具有下降的趋势。然而，根据 电极几何尺寸决定的电弧电流，往往在整个熔化过程中保持不变，这样随着炉内 温度的升高，熔化速度就会有增大的趋势，显然这样的控制结果不仅使熔化速度 不合理，产品质量受到影响，而且还浪费了能源。要确定熔化电流，就必须要弄 清楚熔化速度与电弧电流之问的关系，也就是本文要研究的重点。 3 ) 其他参数确定方法 a 熔炼真空度的确定 真空度对熔炼过程产品质量以及安全操作的影响主要影响了电弧稳定性和弧 长、金属损耗、金属纯度和蒸发损失。从理论上讲真空度的确定取决于所熔炼金 属的种类、化学组成、蒸汽压的大小、电弧的稳定性和产品质量等许多因素，不 一定纯粹追求高真空度。从电弧的稳定性和杜绝辉光放电条件而言，1 0 m m h g 为 了防止熔炼重金属的突然放气致使真空度降到辉光放电的临界压力区间，实际的 真空度要比5 1 0 m m h g 高一些。根据不同的真空度要求，变频调节的真空系统才 是合理的，然而目前国内生产的真空炉还不具备此功能。 2 真空白耗电弧炉的相关工艺及控制要求 b 冷却水流量的确定 。 按道理冷却水流量应该根据炉内放热量的多少来调节，但是炉内散热情况很 复杂，目前的做法是提供有余度的冷却水流量，以免坩埚被烧坏。这样不利于炉 内的动态热平衡，也是影响熔速变化的一个原因。 2 3 本章小结 本章中，讨论了电弧的特性及加热原理，分析了真空白耗熔炼工艺的特征，为 实现真空自耗熔炼自动控制提出了相应的要求。 3 熔化速度实验模型的研究 3 熔化速度实验模型的研究 3 1 熔速模型对生产的指导意义 熔化速度是影响产品质量的关键因素，合理的熔化速度可以减少甚至消除铸 锭的内部偏析，提高一次成品率，大大降低能源和材料浪费。然而以前的真空自 耗炉不能测量到熔化过程中的熔速，也就不可能实现熔速控制。具有熔速控制功 能的自耗炉就解决了这一问题，这一功能的实现，也为工艺的改进提供了依据。 通过对产品的分析，可以制定更加合理的熔化速度曲线。 熔炼电流的大小直接影响熔化速度，目前在真空自耗炉上通常采用控制电流 间接开环控制熔速。在这种控制方式下，熔化速度这个重要的参数不能作为给定 直接体现在控制系统中，由此带来问题是： 电弧电流的变化一熔速变化是个大滞后的过程，必然使过程难于控制，导 致控制的品质下降。 电弧电流和电弧电压间在动态情况下存在极强的耦合关系，弧电压又将影 响弧长，从而引起炉内的工况进一步的改变。一旦产生扰动，会导致电弧电压和 电弧电流的剧烈波动，使正常熔化无法再进行。 由于电弧电流无法准确实现需要的熔化速度，只能靠估计来调节熔化电流， 一次成品率比较低，往往需要二次或三次重熔，导致浪费严重，加工成本增加。 改善真空自耗炉控制性能的较好方法是将熔速直接作为给定量，参与系统的 控制。它具有如下明显的优点： 钛锭的熔化具有大惯性的特性，一般扰动很难引起钛锭熔化的频繁波动， 为系统的平稳调节创造了条件。 改善了控制条件，研究表明在材料和工况一定的情况下，熔化速度基本只 和电弧电流有关【l ”。因此用熔化速度作给定值对稳定电流并避免弧电压和电流之 间的耦合关系有积极作用，同时在一定程度上减弱了电弧电流变化一熔速变化通 道的滞后影响。 3 2 实验中要解决的基本问题 为保证产品质量，首要的问题就是要确保熔化速度符合工艺要求，而弧电压( 或 弧长) 、弧电流、电极进给速度、电极材料的结构以及真空度都是影响熔化速度的 关键参数。它们间的相互关系是相当复杂的，无法建立其机理模型。 如前所述，在材料和工况一定的情况下，熔化速度基本只和电弧电流有关。 考虑到弧电流与电极直径、锭型大小、材质的物性( 熔点、成分、粘度、导热性等1 重庆大学硕士学位论文 有关1 2 i ，建立不同坯号钛锭的弧电流与溶化速度的实验模型是实验的基本目的。 为此要解决如下的问题。 熔炼过程中并不能直