李楠+赵辉
摘 要：文章介绍了ZHTF01型1.5T真空自耗电弧炉的结构、特点及其工作原理，这是我所为丹阳天工有限公司自行设计制造的真空自耗电弧炉。
关键词：自耗电弧炉；电极杆；坩埚
1 概述
真空电弧炉是在真空状态下利用电弧来加热熔炼金属的一种电炉。真空自耗电弧炉，其电极由被熔炼材料制成，在熔炼过程中靠加热自身使其溶化后，滴入结晶器中冷凝成锭子的电弧炉。
2 设备的主要技术参数及构成
2.1 设备的主要技术参数
（1）最大熔化重量：1500kg（Ti）
（2）最大电流：15kA
（3）空炉极限真空度：7×10-1Pa
（4）工作真空度：6.6Pa～0.66Pa
（5）升压率：1Pa/min
（6）工作真空排气时间：30min
（7）真空系统配置：2×H-150+Z-400+ZJ-600+ZJ-1200
（8）电极升降速度：熔炼：0～38mm/min，无级调速
快速：400 mm/min
（9）电极杆最大行程：约2250mm
（10）坩埚：Φ500×2000 Φ440×2700 Φ380×2200
（11）炉室升降行程：约2000mm
（12）冷却水压力≥0.4MPa 水温<33℃ 流量50m3/h
（13）应急水压力：0.1MPa 水温<33℃ 流量30m3/h
（14）压缩空气压力：0.3～0.5MPa 用量150l/min 空压储气罐0.6m3 压力0.7MPa
2.2 设备的构成
该设备主要由以下几部分构成：（1）主传动系统；（2）真空炉室及动密封；（3）坩埚及稳弧系统；（4）真空系统；（5）炉室升降装置；（6）观察摄像系统；（7）压缩空气系统；（8）冷却水系统；（9）自动熔炼控制系统。
3 设备主要部分工作过程和结构特点
3.1 主传动系统
主传动系统包括电极杆、传动系统。电极杆为双层水冷结构，传动采用数字控制交流伺服电机，驱动滚珠丝杠，以满足熔炼时的快速反应；电极杆的运行速度及电极杆的位置可在操作室进行数字显示。炉头的主要作用是实现自耗电极的进给。炉头的进给系统悬挂在炉头的龙门结构上，并被安放在称重系统上。它由电极杆和机电驱动系统组成，电极杆带有导向系统并由滚珠丝杠驱动。电极夹紧装置安装在电极杆的最下端。位于电极杆十字头的两个气缸驱使外部双层水冷壁的外壳产生相对于内部钢管的同轴运动，它们通过两道滑动密封实现真空密封。以上所描述的动作，依次为，释放在圆形斜面内滚动的钢珠，通过压缩空气作用在气缸活塞的任意一边来夹紧或释放机械加成型的辅助电极卡头。圆形斜面与双层水冷壁的铜管和不锈钢管间是绝缘的，以防止电流流经钢珠组件。电流沿着电极杆外部双层水冷壁流入，经过下端的接触法兰流入相互压紧的假电极的接触法兰面。通过压缩空气的气压来连续保证可靠的接触，并且互锁的夹持在任何情况下都不会突然松开，甚至是在压缩空气和电源都没有的情况下。电极进给系统是完全机电式的，由最优速度匹配的电机，差动齿轮箱和一个滚珠丝杠组成。这个系统非常可靠，完全没有像液压驱动系统常有的维修问题。
3.2 真空系统
真空电弧炉配有一台油增压泵和一组罗茨泵和一台旋片柱塞泵，罗茨泵和维持泵都安装在钢结构架上。真空系统预先用真空管道联接，并将控制线接至一个集线盒上，方便安装。为了保护真空系统免受污染，在炉头柱体的旋转轴处的主管道上安装一个金属过滤网。当炉子在升起位置时，这个金属过滤网容易接近，并可随时进行更换和清洁。为了避免真空系统有效抽速的降低，真空系统应尽可能靠近炉室安装。真空系统的控制是通过人机界面发出命令来实现的。在炉子被抽空后，将进行自动检漏。最大允许的压力增加和测试时间将被预先编好程序。检漏的结果自动输出到打印机。如果检漏结果超出设定值，操作人员可决定是否启动下一步的熔炼开始执行程序。
3.3 称重系统
称重系统作为电极进给系统的一个组成部分是熔速精确计算必须的装置。除称重系统参与控制以外的所有基于其他参数基础上的熔速计算方法结果都不如称重系统参与控制的结果，并且精度较低。当然，称重系统在设计上也必须最大程度地满足严格的机械和电气指标要求，以达到所需的精度，这其中包括：消除电极进给系统中摩擦力的影响，所设计的系统，使摩擦力成为封闭的内力或通过固定的柔性连接减弱其对称重系统的影响。创建一个精确的带有导向系统的水平称重平台，抵消水平分力，仅留下垂直分力用于称重系统的测量。
3.4 炉室升降装置
炉室升降装置主要是为了装出料。当抽空熔炼时，坩埚与炉室之间应密封压紧，以利于导电，为此，炉室采用液压驱动，油缸升降，并采用直线导轨副定位导向的方式。
3.5 电动推杆系统
上平台上放置有X-Y调节机构及电极杆的驱动装置。X-Y调节机构用于调节电极杆与坩埚壁之间的间隙。X-Y调节系统主要是由两个电动推杆组成，电动推杆的伸出和缩回与称重系统的浮动架、炉室上的动密封联合作用完成自耗电极与坩埚的全方位对中调节，保证自耗电极与坩埚的对中，其调节方式为控制箱和手操盒。
3.6 压缩空气系统
压缩空气系统主要是为真空挡板阀等提供动力，其主要由空压机、储气罐、调压阀、过滤器、电磁阀及管道等组成。
3.7 冷却水系统
冷却水系统主要用于坩埚、炉壳、电极杆、水冷电缆及电源的冷却，采取带压供给、自流排出的方式。由水箱、阀门及管道等构成。用户需提供水站以及到设备用水点的管道阀门等设施。自耗炉冷却方式为水冷，炉壳为双层水套的冷却结构。在水套中所用的导管确保了结晶器外表面冷却水的流速以满足冷却条件。坩埚冷却水系统配备增压水泵，增压泵的法兰直接连到对应的水套上，使水在水套内循环加压，不管是否有新水补进来，都能达到结晶器壁对水流速度的要求。除了结晶器冷却回路外，炉室、电极拉杆、电缆和真空系统也有冷却回路。为了避免炉子冷却水的污染和节约新鲜水的消耗，采用了一套有水/水热交换器，蓄水罐和相应水循环泵的冷却塔系统。
3.8 自动熔炼控制系统
电控系统用于控制整个工作过程。自动熔炼控制系统允许自耗炉在启动程序开始后全自动地进行操作。逻辑控制功能、工艺参数的闭环控制、数据采集和管理通过专用计算机系统处理，这些计算机系统通过现场总线和特殊的界面通讯。整个控制系统包括：（1）一台可编程控制器，控制所有炉子的功能、抽空顺序、安全联锁、特殊功能和故障检测，并不断与其他计算机系统进行操作模式和设备状态的信息通讯。（2）一套安装在西门子的PLC控制程序，为电极进给驱动系统的转速控制器产生设定点信号。弧间距控制参数的设定点从计算机上获得，实际的控制参数是根据工艺过程中所测的电气参数来计算的。（3）一套安装在西门子的PLC熔炼的熔速和电流控制程序，针对熔炼开始和热封顶阶段。熔速和对应的熔炼电流设定值来自于分级的高级操作界面计算机，实际的熔速是通过检测称重系统连续测量电极重量值来计算的。
4 结束语
该设备经过安装调试后，各项性能指标均达到设计要求，各部分使用情况良好，设备生产过程中无污染，安全环保，得到用户好评。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2]达道安.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，2004.
