孫超

摘 要：真空熔煉爐主要以生產(chǎn)真空熔煉、高溫合金、鈦合金等特種材料為主的冶煉設(shè)備，但目前我國國產(chǎn)真空感應(yīng)爐的自動(dòng)化水平相對較低，而在生產(chǎn)過程中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為重要的組成部分，直接影響到收率及品質(zhì)，因此，分析和研究先進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以達(dá)到保障真空熔煉爐的穩(wěn)定高效，且具有重要的理論和實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：真空熔煉爐；控制系統(tǒng)；分析與應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）18-184-2

0 引言

真空熔煉爐是電爐中的一種，其主要結(jié)構(gòu)由加料倉、熔煉室、測溫室、澆鑄室及模室組成；其主要原理是將特制坩堝置于主腔室的磁感應(yīng)線圈中，利用輸出電源將電能轉(zhuǎn)換為磁能完成對坩堝中物料的加熱及熔煉的過程。目前，真空熔煉爐已廣泛應(yīng)用于高溫合金、貯氫材料、磁性材料等功能材料的生產(chǎn)上，同時(shí)也在航天、航空、軍工、化工等高精尖端行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

真空熔煉爐主要的特點(diǎn)有加熱速度快，設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)率高，生產(chǎn)合金成分均勻，燒損較少，收率較高等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)真空熔煉爐設(shè)備比較落后，真空度無法達(dá)到工藝要求，無法精確達(dá)到工藝設(shè)定功率，設(shè)備使用效率較低，自動(dòng)化程度偏低等問題。由于自動(dòng)化程度偏低，在熔煉過程中容易造成功率無法精確達(dá)到工藝要求，造成成分不均勻，溫度不達(dá)標(biāo)，從而影響了生產(chǎn)產(chǎn)品的收率及品質(zhì)。國外真空熔煉爐的自動(dòng)化程度相當(dāng)國內(nèi)較高，但與其他熔煉設(shè)備相比較自動(dòng)化進(jìn)程仍然比較緩慢。其主要原因是真空熔煉爐的熔煉過程是多輸入、多輸出、非線性、鋼水成分、溫度難以在線檢測，并且坩堝內(nèi)的反應(yīng)復(fù)雜多變，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，由自動(dòng)化水平低，基本上依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，這不但增加了生產(chǎn)成本，而且產(chǎn)品質(zhì)量不能保證，因此，為保障熔煉工藝過程的穩(wěn)定運(yùn)行，必須提高真空感應(yīng)爐熔煉的自動(dòng)化程度。

1 真空熔煉爐熔煉的工藝簡介

真空感應(yīng)爐熔煉工藝基本一致，均可分為上料、熔化、精煉、澆鑄和出爐等幾個(gè)階段。下面重點(diǎn)介紹一下生產(chǎn)某合金的工藝流程及工藝控制點(diǎn)

1.1 上料

在上料過程中，重點(diǎn)是要保障原料能夠按照工藝配方加入真空熔煉爐料倉內(nèi)，且加料順序要按照不同原料的熔點(diǎn)依次加入加料倉中，在工藝要求中，應(yīng)先將金屬原料按熔點(diǎn)由低到高依次加入坩堝內(nèi)，在裝料過程中特別要注意要求原料的加入要下緊上松，可以防止?fàn)t料“架橋”現(xiàn)象的發(fā)生，這樣可以避免在熔化期加料所耗費(fèi)的時(shí)間，縮短整個(gè)真空熔煉的周期提高了真空熔煉的安全系數(shù)，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。

1.2 熔化期

熔化期的主要任務(wù)是將各種金屬原料熔化成液態(tài)， 同時(shí)熔化初期也是真空熔煉的核心部分之一，在真空熔煉中，熔化期的溫度及真空度會(huì)直接影響到合金的收率及質(zhì)量，在熔化期一定要按照工藝要求設(shè)定的真空度進(jìn)行熔煉，真空度高于設(shè)定值會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的渣子，因此在熔煉熔化期確保真空度及溫度是重點(diǎn)。在熔化的過程中還會(huì)出現(xiàn)金屬熔化放氣的現(xiàn)象，這樣真空度會(huì)迅速下降，為了保證熔化期的真空度，真空系統(tǒng)在熔化期要連續(xù)高效工作才能保證生產(chǎn)流暢進(jìn)行。熔化速度是通過功率的高低來控制的，在真空熔煉過程中，只有精確和穩(wěn)定的控制輸出功率才能保障生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，真空熔煉爐在熔化期的熔化速度過快，會(huì)產(chǎn)生金屬的燒損與噴濺，這樣就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的偏析和收率的降低。因此，熔化期的核心控制點(diǎn)就是要確保真空度，和熔化溫度，防止由于真空度偏低所帶來的合金氧化，和熔化速度過快帶來的飛濺所造成的成分偏析現(xiàn)象。

1.3 精煉期

精煉期的主要任務(wù)是脫除液態(tài)合金的有害元素，如硫、氧、硅等有害元素；去除微量有害雜質(zhì)；降低碳，硅含量（當(dāng)它們?yōu)橛泻υ兀?，使鋼液成分合格。同時(shí)我們所研究的真空感應(yīng)爐不同于國產(chǎn)設(shè)備，在精煉期有電磁攪拌功能，在經(jīng)過充分的電磁攪拌后才能使合金均勻化，合金液體不均勻會(huì)直接影響到后續(xù)工序的結(jié)晶及合金的性能，精煉期過短會(huì)導(dǎo)致合金結(jié)晶不符合微觀結(jié)構(gòu)，性能較差，時(shí)間過長則會(huì)使設(shè)備的功耗大，組分揮發(fā)多，除此之外，精煉期的溫度與保溫時(shí)間將增加爐體與合金接觸處的夾雜帶入量，因此，精確的控制精煉時(shí)間和溫度才能保證生產(chǎn)合金的質(zhì)量正常。

1.4 澆鑄出爐

只有當(dāng)鋼液的成分和溫度合乎要求后才可出鋼。小鋼錠或鑄件可直接澆注，大型感應(yīng)爐可采用中間包澆注。真空感應(yīng)爐在出鋼澆注時(shí)，為了保證鋼錠的質(zhì)量，鋼液必須達(dá)到一定的溫度，同時(shí)也需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)。出鋼溫度過低會(huì)超成澆注不成或鋼錠疏松和產(chǎn)生表面缺陷；而出鋼溫度過高，則會(huì)損壞坩堝，導(dǎo)致金屬二次氧化嚴(yán)重，且合金中雜質(zhì)增加，金屬偏析嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生內(nèi)裂，嚴(yán)重影響合金質(zhì)量。因此，鋼水溫度的測量對熔煉過程十分重要。在真空下澆注時(shí)，鋼液具有良好的流動(dòng)性。當(dāng)鋼液中含有Ti、Nb、Mo、Al、Co、W等元素時(shí)，將影響鋼液的流動(dòng)性，應(yīng)選擇稍高的澆注溫度和真空度。澆注完畢后，鑄錠在真空下凝固，根據(jù)鑄錠的大小和鋼種來確定保持時(shí)間。

2 真空熔煉爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中頻熔煉爐系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)包括：中頻電源功率控制、各種故障判斷及處理、振動(dòng)加料器控制、澆注出爐控制以及和上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信等。本文通過編輯的梯形圖分別對中頻電源功率控制、振動(dòng)加料器控制和澆注出爐控制加以說明?？刂浦饕遣捎肞LC來完成的，本文引用的PLC是美國的羅克韋爾SLC500，所用的程序也是基于該P(yáng)LC編程的，程序軟件為RSlogix500。

SLC500控制器結(jié)構(gòu)及主要功能如下：

SLC500系列PLC有固定式和模塊式兩種硬件結(jié)構(gòu)。固定式集處理器、電源、輸入/輸出（I/O）于一體，按輸入/輸出方式（直流、交流；電壓等級(jí)；源流、匯流；繼電器、可控硅和晶體管輸出等）及I/O點(diǎn)數(shù)的不同共有24種不同型號(hào)。固定式控制器還提供一個(gè)兩槽擴(kuò)展框架以增加其輸入/輸出的靈活性。模塊式SLC系統(tǒng)可根據(jù)需要從5種處理器、7種電源及50余種I/O模塊或特殊功能模塊中選擇不同的組合，形成一個(gè)應(yīng)用靈活、功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。SLC500系列的所有模塊都通過了CSA認(rèn)證，大部分模塊通過了危險(xiǎn)環(huán)境認(rèn)證，適用于很多工業(yè)應(yīng)用場合。

中頻電源功率控制梯形圖如1所示。

如圖1所示：0024行B13：14的作用是通過觸摸屏或者電腦輸入給定功率，如果控制信號(hào)等于1，則經(jīng)過觸摸屏輸入給定功率，不等于1則經(jīng)過電腦輸入給定功率，給定的功率信號(hào)送到右側(cè)的運(yùn)算器。0025行B13：10的作用是通過觸摸屏或者電腦輸入給定功率，如果控制信號(hào)等于1，則經(jīng)過電腦輸入給定功率，不等于1則經(jīng)過觸摸屏輸入給定功率，給定的功率信號(hào)送到右側(cè)的運(yùn)算器，運(yùn)算后送到目的地址N12：46。0026段程序的作用是，如果有特殊情況需要停止給定功率，可以通過該段程序讓給定功率迅速降低至零。0027段程序的作用是在不充氬氣的情況下才允許有功率，而0028段程序則是在充氬氣的情況下將功率迅速降低至零的。

圖1 中頻電源功率控制梯形圖

圖2 貯氫真空熔煉爐加料控制梯形圖

在圖2中，0007段程序的作用是通過電腦或者觸摸屏輸入啟動(dòng)振動(dòng)加料器信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)判斷是將振動(dòng)給料器送入還是撤出熔煉室并動(dòng)作。0010段程序的作用是振動(dòng)給料器動(dòng)作以后根據(jù)加料多少來調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率大小的，如果料多就增大振動(dòng)頻率，相反則降低振動(dòng)頻率。0011段程序是確定加料完畢后，通過緊急控制繼電器停止振動(dòng)給料器繼續(xù)振動(dòng)。之后再通過第0007段程序撤出振動(dòng)給料器。

3 結(jié)束語

經(jīng)過分析后達(dá)到了真空熔煉爐供電系統(tǒng)，加料系統(tǒng)等配合工藝的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了真空熔煉爐熔煉功率的穩(wěn)定輸出，加料系統(tǒng)的精確控制，保障了整個(gè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，提高了熔煉收率和質(zhì)量。