真空熔炼炉控制系统的分析与应用

孙超

摘 要：真空熔炼炉主要以生产真空熔炼、高温合金、钛合金等特种材料为主的冶炼设备，但目前我国国产真空感应炉的自动化水平相对较低，而在生产过程中，自动化控制系统作为重要的组成部分，直接影响到收率及品质，因此，分析和研究先进自动化控制系统，可以达到保障真空熔炼炉的稳定高效，且具有重要的理论和实际意义。

关键词：真空熔炼炉；控制系统；分析与应用

中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-184-2

0 引言

真空熔炼炉是电炉中的一种，其主要结构由加料仓、熔炼室、测温室、浇铸室及模室组成；其主要原理是将特制坩埚置于主腔室的磁感应线圈中，利用输出电源将电能转换为磁能完成对坩埚中物料的加热及熔炼的过程。目前，真空熔炼炉已广泛应用于高温合金、贮氢材料、磁性材料等功能材料的生产上，同时也在航天、航空、军工、化工等高精尖端行业得到广泛的应用。

真空熔炼炉主要的特点有加热速度快，设备连续生产率高，生产合金成分均匀，烧损较少，收率较高等优点。目前，国内真空熔炼炉设备比较落后，真空度无法达到工艺要求，无法精确达到工艺设定功率，设备使用效率较低，自动化程度偏低等问题。由于自动化程度偏低，在熔炼过程中容易造成功率无法精确达到工艺要求，造成成分不均匀，温度不达标，从而影响了生产产品的收率及品质。国外真空熔炼炉的自动化程度相当国内较高，但与其他熔炼设备相比较自动化进程仍然比较缓慢。其主要原因是真空熔炼炉的熔炼过程是多输入、多输出、非线性、钢水成分、温度难以在线检测，并且坩埚内的反应复杂多变，难以建立精确的数学模型，由自动化水平低，基本上依靠人工经验进行操作，这不但增加了生产成本，而且产品质量不能保证，因此，为保障熔炼工艺过程的稳定运行，必须提高真空感应炉熔炼的自动化程度。

1 真空熔炼炉熔炼的工艺简介

真空感应炉熔炼工艺基本一致，均可分为上料、熔化、精炼、浇铸和出炉等几个阶段。下面重点介绍一下生产某合金的工艺流程及工艺控制点

1.1 上料

在上料过程中，重点是要保障原料能够按照工艺配方加入真空熔炼炉料仓内，且加料顺序要按照不同原料的熔点依次加入加料仓中，在工艺要求中，应先将金属原料按熔点由低到高依次加入坩埚内，在装料过程中特别要注意要求原料的加入要下紧上松，可以防止炉料“架桥”现象的发生，这样可以避免在熔化期加料所耗费的时间，缩短整个真空熔炼的周期提高了真空熔炼的安全系数，同时也提高了生产效率。

1.2 熔化期

熔化期的主要任务是将各种金属原料熔化成液态， 同时熔化初期也是真空熔炼的核心部分之一，在真空熔炼中，熔化期的温度及真空度会直接影响到合金的收率及质量，在熔化期一定要按照工艺要求设定的真空度进行熔炼，真空度高于设定值会出现氧化现象，产生大量的渣子，因此在熔炼熔化期确保真空度及温度是重点。在熔化的过程中还会出现金属熔化放气的现象，这样真空度会迅速下降，为了保证熔化期的真空度，真空系统在熔化期要连续高效工作才能保证生产流畅进行。熔化速度是通过功率的高低来控制的，在真空熔炼过程中，只有精确和稳定的控制输出功率才能保障生产产品的质量，真空熔炼炉在熔化期的熔化速度过快，会产生金属的烧损与喷溅，这样就会导致产品的偏析和收率的降低。因此，熔化期的核心控制点就是要确保真空度，和熔化温度，防止由于真空度偏低所带来的合金氧化，和熔化速度过快带来的飞溅所造成的成分偏析现象。

1.3 精炼期

精炼期的主要任务是脱除液态合金的有害元素，如硫、氧、硅等有害元素；去除微量有害杂质；降低碳，硅含量（当它们为有害元素），使钢液成分合格。同时我们所研究的真空感应炉不同于国产设备，在精炼期有电磁搅拌功能，在经过充分的电磁搅拌后才能使合金均匀化，合金液体不均匀会直接影响到后续工序的结晶及合金的性能，精炼期过短会导致合金结晶不符合微观结构，性能较差，时间过长则会使设备的功耗大，组分挥发多，除此之外，精炼期的温度与保温时间将增加炉体与合金接触处的夹杂带入量，因此，精确的控制精炼时间和温度才能保证生产合金的质量正常。

1.4 浇铸出炉

只有当钢液的成分和温度合乎要求后才可出钢。小钢锭或铸件可直接浇注，大型感应炉可采用中间包浇注。真空感应炉在出钢浇注时，为了保证钢锭的质量，钢液必须达到一定的温度，同时也需要氩气保护。出钢温度过低会超成浇注不成或钢锭疏松和产生表面缺陷；而出钢温度过高，则会损坏坩埚，导致金属二次氧化严重，且合金中杂质增加，金属偏析严重，甚至产生内裂，严重影响合金质量。因此，钢水温度的测量对熔炼过程十分重要。在真空下浇注时，钢液具有良好的流动性。当钢液中含有Ti、Nb、Mo、Al、Co、W等元素时，将影响钢液的流动性，应选择稍高的浇注温度和真空度。浇注完毕后，铸锭在真空下凝固，根据铸锭的大小和钢种来确定保持时间。

2 真空熔炼炉控制系统的设计

中频熔炼炉系统的控制环节包括：中频电源功率控制、各种故障判断及处理、振动加料器控制、浇注出炉控制以及和上位计算机实现通信等。本文通过编辑的梯形图分别对中频电源功率控制、振动加料器控制和浇注出炉控制加以说明。控制主要是采用PLC来完成的，本文引用的PLC是美国的罗克韦尔SLC500，所用的程序也是基于该PLC编程的，程序软件为RSlogix500。

SLC500控制器结构及主要功能如下：

SLC500系列PLC有固定式和模块式两种硬件结构。固定式集处理器、电源、输入/输出（I/O）于一体，按输入/输出方式（直流、交流；电压等级；源流、汇流；继电器、可控硅和晶体管输出等）及I/O点数的不同共有24种不同型号。固定式控制器还提供一个两槽扩展框架以增加其输入/输出的灵活性。模块式SLC系统可根据需要从5种处理器、7种电源及50余种I/O模块或特殊功能模块中选择不同的组合，形成一个应用灵活、功能强大的控制系统。SLC500系列的所有模块都通过了CSA认证，大部分模块通过了危险环境认证，适用于很多工业应用场合。

中频电源功率控制梯形图如1所示。

如图1所示：0024行B13：14的作用是通过触摸屏或者电脑输入给定功率，如果控制信号等于1，则经过触摸屏输入给定功率，不等于1则经过电脑输入给定功率，给定的功率信号送到右侧的运算器。0025行B13：10的作用是通过触摸屏或者电脑输入给定功率，如果控制信号等于1，则经过电脑输入给定功率，不等于1则经过触摸屏输入给定功率，给定的功率信号送到右侧的运算器，运算后送到目的地址N12：46。0026段程序的作用是，如果有特殊情况需要停止给定功率，可以通过该段程序让给定功率迅速降低至零。0027段程序的作用是在不充氩气的情况下才允许有功率，而0028段程序则是在充氩气的情况下将功率迅速降低至零的。

图1 中频电源功率控制梯形图

图2 贮氢真空熔炼炉加料控制梯形图

在图2中，0007段程序的作用是通过电脑或者触摸屏输入启动振动加料器信号，然后根据信号判断是将振动给料器送入还是撤出熔炼室并動作。0010段程序的作用是振动给料器动作以后根据加料多少来调节振动频率大小的，如果料多就增大振动频率，相反则降低振动频率。0011段程序是确定加料完毕后，通过紧急控制继电器停止振动给料器继续振动。之后再通过第0007段程序撤出振动给料器。

3 结束语

经过分析后达到了真空熔炼炉供电系统，加料系统等配合工艺的进行，实现了真空熔炼炉熔炼功率的稳定输出，加料系统的精确控制，保障了整个生产的顺利进行，提高了熔炼收率和质量。