試探影響真空自耗電極熔煉爐供電直流電源穩(wěn)定性的因素

　　1.引言

　　直流真空熔煉是稀貴金屬及高等級合金鋼必定要采用的工藝，這種工藝配套的設(shè)備從大的方面分為真空熔煉爐和給其供電的直流電源兩大部分，隨著是鑄造產(chǎn)品和煉錠子的不同，真空熔煉爐分為以化錠子為主要目的的真空自耗電極熔煉爐和以澆鑄模型件的真空澆鑄凝殼爐兩大類別，而它們的供電電源又分為整流變壓器一次高壓側(cè)飽和電抗器交流調(diào)壓、整流變壓器二次側(cè)整流管整流和整流變壓器一次側(cè)晶閘管可控調(diào)壓、整流變壓器二次側(cè)整流管整流及整流變壓器二次晶閘管一次調(diào)壓三種方案，在國內(nèi)由于整流變壓器一次側(cè)晶閘管交流調(diào)壓，需要增加先將6kV或10kV甚至35kV降為晶閘管可以承受的幾百伏電壓后進行交流調(diào)壓，然后再將調(diào)壓后的電壓經(jīng)整流變壓器降為幾十伏，由整流管整流，使用中需要兩級降壓變壓器，且隨著近年真空熔煉爐單爐可熔化金屬重量的不斷增大，對直流電源的輸出容量要求越來越大，由此決定了國內(nèi)使用的直流供電電源基本狀況可分為三個階段：即1997年前，整流變壓器二次側(cè)晶閘管一次調(diào)壓的方案幾乎在國內(nèi)沒有使用，當時主要使用整流變壓器一次側(cè)飽和電抗器調(diào)壓、整流變壓器二次側(cè)二極管整流;1997年～2004年之間，整流變壓器二次側(cè)晶閘管一次調(diào)壓和整流變壓器一次側(cè)飽和電抗器調(diào)壓、整流變壓器二次側(cè)二極管整流兩種方案混合使用，2005年以后整流變壓器二次側(cè)晶閘管一次調(diào)壓的方案可以說擠占了近95%的市場份額，由于飽和電抗器調(diào)壓與晶閘管調(diào)壓兩種方案的響應(yīng)時間相差近100個數(shù)量級，它們對供電直流電源輸出電壓電流穩(wěn)定性有很大影響的坩堝比的敏感程度會有很大的不同，本文結(jié)合我們采用整流變壓器二次側(cè)晶閘管一次調(diào)壓方案，為某研究院提供的65kA/80V直流電源與凝殼爐配套調(diào)試時，不同坩堝比的實驗數(shù)據(jù)分析合理的坩堝比與弧壓及弧流穩(wěn)定性的關(guān)系，以期拋磚引玉，與同行探討。

　　2.直流真空熔煉爐的工作過程和對直流電源的要求

　　無論是真空自耗電極熔煉爐還是凝殼爐，其工作流程的相同點就是工作時自耗電極，工作過程分起弧、熔煉階段，而不同之處在于以熔化煉錠子為目的的自耗電極熔煉爐為提高化料成品率需要有化成品錠熔化快結(jié)束時的補縮工藝，且額定電流下工作時間長達1小時至數(shù)小時，而以精密鑄造為目的的凝殼爐有熔化時間短一般幾分鐘～十幾分鐘，熔化需要電流密度大，熔煉過程中有凝殼的不同點，但他們的工作過程都可以圖1所示原理來說明。圖中1為要熔化的錠子稱作電極，2為坩堝(又稱為結(jié)晶器)，3為水套，4為爐室密封蓋，5為冷卻水，6為抽真空管道，7為穩(wěn)弧線圈，8為熔化時的電弧，9為已熔化后的金屬溶液。系統(tǒng)工作過程為：在爐內(nèi)的真空度達到不致被熔煉金屬氧化的前提下，系統(tǒng)投入運行，直流電源輸出在正負極之間有一定的電壓通常為空載電壓，隨著操作人員的控制升降機構(gòu)使電極桿下降，當電極桿下降到與坩堝底部的距離小到一定程度時，吊在電極桿下部的要熔化材料與放于坩堝底部的起弧料之間發(fā)生電離而產(chǎn)生電弧，電極開始熔化，隨著時間的推移要熔化的金屬變?yōu)橐后w流入坩堝中，坩堝內(nèi)的液態(tài)金屬高度不斷增加，而要熔化的金屬電極長度逐漸減小，為了保證熔化時由被熔化電極下端而與坩堝中液態(tài)金屬上表面之間距離所決定的弧壓相對恒定，需要此弧壓不要大范圍波動，另一方面為保證在同樣的時間內(nèi)被熔化掉的金屬量基本相同，又需要流過被熔化金屬與液態(tài)金屬之間的直流電流高度恒定，由于在熔化過程中一但發(fā)生被熔化金屬熔液成流動柱形短接被熔化金屬與已熔化后位于坩堝中的金屬溶液(行業(yè)內(nèi)稱為掉塊)形成直流電源輸出短路，需要直流電源具有很好的挖土機特性，即自動迅速把輸出直流電壓降低，保持輸出電流不變。再應(yīng)看到，由于兩種爐型銅坩堝之外都是冷卻水，為防止過高的瞬態(tài)功率加到坩堝壁與被熔化金屬之間形成側(cè)弧擊穿坩堝使冷卻水進入坩堝內(nèi)，在高溫下電解水引起氫氣爆炸，不希望弧壓太高，且被熔化錠子與坩堝內(nèi)壁之間要留有合適的距離，綜上的分析，直流真空熔煉爐對直流供電電源的要求有以下幾點：

　　1)要有合適空載起弧電壓，最早國內(nèi)應(yīng)用了德國人的起弧電壓為82V的數(shù)據(jù)，這幾年我們經(jīng)不斷的改進與總結(jié)，對自耗爐已降為50V，對凝殼爐已降為65V。

　　2)要有很硬的穩(wěn)流特性，在穩(wěn)流時輸出直流電壓波動不能過大。

　　3)要有快速的保護性能。

　　3.影響直流電源輸出電壓電流大小與穩(wěn)定性的因素分析

　　從圖1所示的工藝過程示圖可以看出，影響直流熔煉爐供電電源輸出電壓與電流穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素有：

　　1)直流供電電源自身的閉環(huán)調(diào)節(jié)性能; 2)弧壓的高低;

　　3)坩堝的內(nèi)徑與被熔化金屬錠子外徑之差的大小;

　　4)爐內(nèi)真空度的高低;

　　5)坩堝冷卻水溫的高低;

　　6)穩(wěn)弧電流的大小。

　　根據(jù)我們對近百臺真空熔煉爐與電源的調(diào)試體會，上述因素對直流電源電壓電流穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在：

　　(1)直流電源自身調(diào)節(jié)性能首先取決于所用供電直流電源的方案，采用整流變壓器一次飽和電抗器一次側(cè)調(diào)壓，整流變壓器二次側(cè)晶閘管相控整流的方案，因?qū)匐姶耪{(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)響應(yīng)時間為秒級，因而直流電流的穩(wěn)定性不可能做的很高，表現(xiàn)出應(yīng)用時輸出直流電壓與電流的波動都比較大，采用整流變壓器二次側(cè)晶閘管可控整流的方案，因閉環(huán)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時間為毫秒級，因而在閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定好后，具有很好的快速調(diào)節(jié)性能，當弧壓波動較大時，它可以提供很好的穩(wěn)流特性，但需直流電源輸出電壓快速變化來保持電流穩(wěn)定。

　　(2)爐內(nèi)真空度越高，被熔化電極與已熔化完的金屬之間電阻的影響越小，電流的波動就越小，真空度不好與波動可視同等效為該等效電阻波動，所以電壓與電流就波動。

　　(3)坩堝冷卻水溫的高低雖然不直接參與影響直流電源輸出電壓與電流的穩(wěn)定性，但卻影響熔化時所需的電流大小，由于熔化時被熔化金屬溶為液態(tài)流入坩堝中，坩堝外為流動的冷卻水，水溫過低靠近坩堝內(nèi)壁的金屬冷卻的快，而遠離坩堝內(nèi)壁的金屬溶液冷卻的慢，對自耗電極熔煉爐有可能導致錠子外壁氣孔增大，使用時剝皮較多，對凝殼爐水溫太低將導致較厚的凝殼，而要解決此問題，則需要加熱功率大于冷卻功率，也就是說需要較大的熔化電流，在水溫較低時需要保證靠近坩堝外壁的金屬溶液散熱速率要慢。由此可見，并非坩堝的冷卻水溫越低越好，一般建議冷卻水溫進口溫度不低于+5℃，而出口水溫不高于60℃。

　　(4)所謂弧壓是指熔化過程中加在被熔化電極已熔化位于坩堝中的金屬溶液上端面之間電壓的高低，同樣的電流下弧壓越高熔化功率越大，熔化速率越快;另應(yīng)看到，弧壓越高，則等效電弧長度越長，圖2給出了熔煉時電弧的分布斷面示意圖，同時標出了要熔化金屬錠子外沿與坩堝內(nèi)壁之間的距離δ，同時畫出了有穩(wěn)弧線圈且通有穩(wěn)流電流時，金屬溶液在磁場作用下旋轉(zhuǎn)造成的中心低靠近坩堝部分液面高的形狀，從此圖可見，弧壓越高，則熔化速度越快，要求被熔化錠子下降的速率越快，由于電極桿升降一般由伺服電機拖動，所以伺服電機不斷啟停，很難100%保證熔化速度與電極桿的下降速率完全匹配保證弧壓穩(wěn)定，造成弧壓相對波動較大，引起電流變化，因而弧壓越高電流就易波動，對閉環(huán)穩(wěn)流的調(diào)節(jié)性能要求就要迅速。

　　另應(yīng)看到，在圖2中δ一定時，過高的弧壓將會造成圖3所示的側(cè)弧，有可能使坩堝熔化導致嚴重事故，因而正確的熔煉要求是短弧熔煉，低弧壓大電流熔煉，據(jù)此應(yīng)保證弧長L小于圖2中的δ。

　　(5)穩(wěn)弧線圈與穩(wěn)弧電流的大小，為了保證不出現(xiàn)圖3所示的問題，爐體設(shè)計中采用穩(wěn)弧線圈中以直流電流產(chǎn)生磁場來約束電流的方向，穩(wěn)弧線圈一般繞在水套外壁使電弧不要分散，圖2中同時給出了穩(wěn)弧線圈與通過電流的流動方向，顯見其產(chǎn)生的磁場方向與圖中電流方向一致，所以可約束電弧的發(fā)散，自然穩(wěn)弧電流越大，其對電弧的束縛力就越大，過大的穩(wěn)弧電流有可能造成電極桿出現(xiàn)控心熔煉，即圖2中的ΔL很大，造成弧長太長反而不利于電流穩(wěn)定，但過小的穩(wěn)弧電流有可能在δ一定時，使圖2中ΔL為負值，產(chǎn)生圖3中那樣人希望的側(cè)弧。

　　4.坩堝比與熔煉用直流電源電壓電流穩(wěn)定性的關(guān)系分析與實驗

　　坩堝比指真空熔煉爐要熔煉金屬錠子的直徑與坩堝內(nèi)徑之比，若以d1表示錠子直徑，d2表示坩堝內(nèi)徑，σ表示坩堝比，則坩堝比可表示為

　　σ=d1/d2(1)

　　參考圖2坩堝比近似表示了σ的大小，σ越小，則δ越大。

　　4.1 坩堝比對電壓電流穩(wěn)定性的影響分析

　　同樣穩(wěn)弧電流與熔化電流條件下，坩堝比越小，則圖2中的δ越大，由于坩堝外為冷卻水，坩堝均由銅金屬材料制成，在δ的空間內(nèi)為空氣，從溫度場的分布來看，圖2中弧區(qū)中心溫度最高越靠近坩堝溫度越低坩堝溫度最低，所以δ越大，一則坩堝自身散熱，二則由于熔化時為保持熔煉爐內(nèi)的高度真空度與爐體配套的真空系統(tǒng)中幾臺泵在不停的抽真空，更加速了δ區(qū)間內(nèi)的散熱，由此導致了錠子靠近坩堝的外部區(qū)域溫度低，而錠子中心內(nèi)部溫度高，引起錠子中心熔化速度快，而外壁熔化速度慢，使圖2中的ΔL變的較大，導致熔化過程中形成了一個類似于下端面為倒放碗狀的錠子，當有穩(wěn)弧線圈時，已熔化的金屬溶液沿穩(wěn)弧線圈作用的磁場旋轉(zhuǎn)，形成一個正放的碗狀溶池。其刨面圖如圖4所示，間接導致電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度快調(diào)節(jié)特性硬時，盡管可以穩(wěn)定電流，但弧壓大范圍波動，當電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)特性軟時，雖可使弧壓在波動范圍降低，但電流穩(wěn)定度不夠，弧壓的大范圍波動將使操作人員無法判斷有否側(cè)弧產(chǎn)生，對安全生產(chǎn)造成很大危害，另應(yīng)看到，這種狀況不論對凝殼爐還是自耗爐都會影響弧光顏色，由于此時看到的僅是從圖4中兩個相對扣的碗狀球面縫隙中透出的很小一部分弧光，而不是真正的弧，影響操作人員對弧壓的判斷且無法壓低弧壓進行低弧壓熔煉，其原因在于盡管中心弧長很長，但稍以壓弧邊上便短路，使弧壓無法壓低。

　　4.2 實驗驗證

　　為了驗證上述分析，我們應(yīng)用研制的國內(nèi)首套60kA/80V凝殼爐電源，針對不同的坩堝比在500kg和150kg凝殼爐中進行了試驗，該電源系統(tǒng)應(yīng)用四臺15kA的6脈波可控整流直流電源并聯(lián)構(gòu)成24脈波，由兩套獨立的12脈波電源構(gòu)成，圖5與圖6分別給出了多次實驗中通過計算機采集系統(tǒng)采集的最有代表性的典型電壓電流波形，其中圖5應(yīng)用錠子外徑為Φ280，坩堝內(nèi)徑為Φ460，坩堝比σ為0.6087，而圖6應(yīng)用錠子外徑為Φ350，坩堝內(nèi)徑為Φ460，坩堝比σ為0.761，使用電流前者為30kA，而后者為30kA、35kA、40kA 3個臺階，弧壓前者平均值為48V，且大范圍波動，而后者平均值僅42V，波動范圍小，所用模擬電壓前者波動頻率很高，而后者雖有波動但頻率很低，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)又完全相同，實驗驗證

　　5.結(jié)論

　　綜上分析，我們可得下述幾點結(jié)論：

　　1)真空熔煉用直流電源以整流變壓器二次相控整流電流閉環(huán)控制的方案效果最好。

　　2)影響真空熔煉用直流電源輸出電壓與電流穩(wěn)定性的因素很多，坩堝比對弧壓和電流穩(wěn)定性的影響很

　　大，國內(nèi)以往的坩堝比范圍數(shù)據(jù)為0.6～0.75，從節(jié)能及穩(wěn)定輸出角度考慮應(yīng)靠近0.75來選取。

　　3)無論是自耗爐還是凝殼爐，錠子外沿至坩堝內(nèi)壁的間距應(yīng)以50～60mm為較佳值。

　　參考文獻

　　[1] 李宏 淺談我國真空熔煉用直流電源的發(fā)展(J)，電源技術(shù)應(yīng)用，2010，NO.

　　[2] 李 宏著 常用電力電子變流設(shè)備的調(diào)試與維修基礎(chǔ)(M)，北京，科學出版社，2011

　　[3] 馬開道 稀有金屬熔煉工藝及裝備(M)，北京，冶金工業(yè)出版社，2011

　　作者簡介：

　　李宏，男，現(xiàn)年52歲,西安石油大學電子工程學院教授，發(fā)表論文200多篇，出版專(編)著15部，獲中國人民解放軍空軍科技進步三等獎1項?，F(xiàn)兼任中國電工技術(shù)學會電力電子學會理事、中國電工技術(shù)學會電氣節(jié)能研究會理事、中國電源學會特種電源專業(yè)委員會常務(wù)委員、中國電工技術(shù)學會電力電子學會學術(shù)委員會委員、陜西省電源學會常務(wù)理事、主要研究方向為電力電子技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、特種電源技術(shù)及專用集成電路的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)。主持設(shè)計與電力電子有關(guān)的工程項目近110個，研制開發(fā)的電力電子成套裝置380多臺套，運行于國內(nèi)電力、冶金、化工、石油、機械、電子、核工業(yè)、軍工等行業(yè)，并已出口到東南亞，還裝備了中國人民解放軍空軍導彈部隊及陸軍科研所，開發(fā)的晶閘管、GTR、IGBT專用驅(qū)動控制板累計在全國銷售15000多塊，主編的實用電力電子技術(shù)資料在全國28個省市銷售近30000多冊