真空自耗电弧炉熔滴控制原理与实现

真空自耗电弧炉（简称自耗炉）可以熔炼钛、钼、锆、铌、钨等活性或难熔金属及其合金，二十世纪五十年代末开始用其熔炼不锈钢、工磨具钢、轴承钢、高温合金等材料。自耗炉熔炼的材料具有同质性高、致密性好、没有宏观偏析，几乎没有微观偏析等优点，因而被广泛应用于航空、航天、能源、交通等领域的材料生产。

1.真空自耗炉熔炼原理

如图1所示，真空自耗炉是在真空度小于60μbar情况下，利用直流产生的电弧放电产生高温，迅速熔化预制好的金属自耗电极而实现金属重熔的。真空重熔是一种在完全惰性条件下进行的工业精炼过程。

精炼发生在电极下端（阴极）和锭子顶部的金属熔池（阳极）之间，钢液在水冷铜坩埚中凝固再结晶。钢锭逐渐形成的过程。

自耗炉的主要优势在于水冷铜结晶器中锭子的受控凝固，从而产生出冶金特性优异的优质均匀的材料。通过炉内抽真空和4000 - 5000oC电弧温度下氧化物的分解实现脱气和清除原材料中的非金属。经过自耗炉重熔的材料残留气体含量低、清洁度高、冷、热加工性能优越、横向机械性能大大提高。 

2.真空自耗炉的恒熔速熔炼

要想通过真空自耗重熔获得高品质的材料必须实现锭子的受控凝固。其重要一环就是自耗电极的受控恒熔速熔化。

研究表明，当电弧放电产生的温度足够高时，在自耗电极（阴极）底部会形成1-2mm厚的熔化金属薄膜，在表面张力和重力的作用下逐渐形成熔滴，然后在阴极和阳极之间的缝隙搭桥形成短路，流过短路熔滴的强大电流产生洛伦兹力，在高密度电流和洛伦兹力的作用下发生熔滴爆裂，细小的金属液滴全方位喷射，最终大部分传递到金属熔池。如图2所示。

如图3所示，当熔滴搭桥短路时我们可以通过弧压采集到一个电脉冲信号，实践表明，该信号的形态与弧隙长度、熔滴的大小、黏度等参数密切相关。我们知道，在正常熔炼过程中会同时产生大量的短路熔滴，从而可以获得足够多的类似电脉冲信号。

不幸的是熔滴短路脉宽和时间间隔等特征形态是无序变化的，如图4 所示。但针对不同金属熔炼过程中对这类信号进行统计分析后发现它与熔速呈有规律的单调非线性关系。这样我们就可以针对不同的精炼产品，分段设置工艺菜单，并佐以适当的补偿，实现恒熔速控制。

3.真空自耗炉熔滴控制的实现

弧长控制对于获得所需的锭子表面质量和良好的内部结构极为重要。不同合金的熔炼要采用相应的弧长。当适当的工艺参数确定以后，先进的熔滴短路弧长控制可以使产品的生产具有很高的可重复性。

无论哪种熔炼方式，究其根本实际上就是电－热能量转换，熔化率控制实际上也就是电功率控制，要遵循P＝I*U这一规律。当所炼材料种类、牌号、锭子直径、电极形状等参数确定后熔化率就确定了，在熔炼过程中弧电压是在微调状态，变化很小，所以熔化率与电流是线性关系。在实际熔炼中通过称重系统的反馈来控制电流输出的稳定以保证熔化率的恒定，因此真空自耗炉电源应满足以下要求：

   1.对于阻抗特性宽范围的负载，能够提供高精度和高稳定性的可控恒流输出，也就是说自耗炉电源是一个可调恒流源。

   2.即使在频繁而短暂的短路期间也能够使受控的输出电流保持基本恒定。

   3.具有电弧重燃能力。

   4.输出电压保持合理的低纹波。

在自耗炉中电源具有可控恒流源的特性，可以在工艺菜单中分段给输出电流设点。由于在熔炼过程中阴极和阳极间的相对位置在不断变化，我们需要不断调节料杆的升降来保证弧长的稳定，以实现恒熔速控制，以保持适当的熔池形状和深度，实现锭子的受控凝固以保证熔炼产品的高质量。

早期的控制认为只要建立一个恒定的弧电压并保持弧长恒定就能保证功率的恒定，进而保持恒熔速。理想情况下当熔化率、锭子几何尺寸和电极几何尺寸确定时，料杆的速率和熔化率成正比，也就是说当熔炼电流恒定时保持弧长稳定就是保持弧电压稳定，我们只要确定了熔化率，根据锭子的增长速度和电极的熔化速度可以求出为保持锭子和电极间的间隙恒定，即弧长稳定，控制料杆维持需要的运动速度就可以了。

然而由于电弧的波动、电极电阻随时间和电极长度的变化而变化、弧压对弧长的不敏感，在实际应用中并不能精确测量到电弧电压。另外由于锭子、电极的尺寸和密度以及结晶器形状的不准确和不均匀等因素，理论计算的料杆基本速度需要用微调速度来修正。

随着理论研究的进一步深入和不断的实践，料杆速度控制、带电压修正的料杆速度控制、带熔滴短路修正的料杆速度控制以及使用功率系数补偿的带熔滴短路修正的料杆速度控制。

下面介绍使用功率系数补偿的带熔滴短路修正的料杆速度控制方法。我们首先根据熔化率、锭子、电极几何尺寸等参数计算出理论上保持弧长稳定的料杆运行的基本速度，然后对反馈的脉冲形态进行处理，分析出短路熔滴的特征量，结合工艺菜单的设定计算出料杆的微调速度，它与基本速度的代数和作为料杆速度控制的设定目标。

框图中的熔滴处理模块首先对采集的电压信号进行信号调理，模数转换，然后送入DSP进行熔滴特征信息的辨识和提取，再把提取的特征信息送入由32位嵌入式计算机为核心的熔滴分析模块，该模块具有数理统计和自学习功能的功能，根据工艺菜单的设定，选择需要精炼材料所对应的熔滴特征，反馈给熔滴PID控制环，计算出微调速度，形成闭环控制。美国桑迪亚国家实验室Frank Zanner在熔炼IN718镍基高温合金过程中发现，在固定弧长和固定压力Co压力下熔滴短路频率与电流上升的2.54幂成正比，后人通过大量的实践表明，在给定弧长情况下，其他合金的熔滴短路频率和熔炼电流也存在类似的关系。

4.结语

真空自耗熔炼工艺和设备技术已经非常成熟，可以满足特殊材料性能日益增长的均匀性和一致性需求。同时成熟的一次、二次熔炼多重工艺组合被广泛应用，可以达到高技术材料所需的高性能要求。机械特性的评估和疲劳强度的测试显示，真空自耗炉熔炼的材料具有更大的优势。我们相信，随着高性能材料越来越广泛的应用，真空自耗炉也会具有更广阔的发展前景。