真空自耗电弧炉熔滴控制研究

极接 负 极 ， 坩 埚接 正 极 ， 通 电时 两极 间 产生 弧 光放 电产 生５ Ｏ ０ ０ Ｋ（ 约４ ７ ０ ０ ℃ ）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 。
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
一
图 １ 真空 自 耗 电弧 炉结构 示 意 图
２ 真 空 白耗 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 ７ ０ Ｖ左 右 ， 在 工 作状 态 时 ，电压 为２ ０ Ｖ ～４ ０ Ｖ ， 保 证稳 定 的恒 流特 性 ； ２ ）调节 电流 范 围设计 为 １：１ ０； ３ ）充许 工作 电流 过载 １ ０ ％ ，过载 时 间为 ｌ ｍ ｉ ｎ； 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
质量 。
１ 真 空 白耗 电电弧 炉 工作原 理
真 空 白耗 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 白耗 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 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 白耗 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 白耗 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
科 学实践交流
真空 自耗 电弧炉 熔滴控制研 究
孙 成仁 ， 吴晓 强 青 海聚 能钛 业 股份 有 限公 司 ，青海 西宁
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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 Ｔ Ｏ ４ 文献 标识 码 Ａ 文章 编 号 ２ ０ ９ ５ — ６ ３ ６ ３（ ２ ０ １ ７ ）１ ６ － ０ １ ７ ４ － ０ ２
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
状 态 下 ，因 发 生 碳 还 原 或 离 解 而 被 去 除 ，这 也 达 到熔ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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