為真空自耗電弧爐設(shè)備由恒電壓控制升級(jí)改造至恒熔速控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)2000kg 真空自耗電弧爐熔煉鈦合金的生產(chǎn)工藝、過(guò)程參數(shù)、產(chǎn)品要求進(jìn)行了詳細(xì)分析，選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采樣算法，為更好的掌握真空弧電壓、真空弧電流、鈦合金熔煉速度等工藝參數(shù)間的耦合關(guān)系提供了良好的依據(jù)。同時(shí)對(duì)真空自耗電弧爐的控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及熔煉技術(shù)發(fā)展做了綜述。在PLC 中建立弧電壓、弧電流，熔煉速率等的計(jì)算公式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定各級(jí)控制回路的設(shè)定值。

　　在鈦合金的熔煉方法中，真空自耗電極熔煉方法被廣泛應(yīng)用。它可以完成從回收鈦合金壓制錠到高純鈦合金致密鑄錠的生產(chǎn)，其熔煉過(guò)程極其復(fù)雜。早期開發(fā)研制并投入使用的真空自耗電極電弧爐在自動(dòng)熔煉控制方式上多為恒電壓控制，即在熔池形成后，通過(guò)對(duì)于電弧電壓及電弧電流的模擬量采集，通過(guò)PLC 程序運(yùn)算控制電極的升降運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)熔煉過(guò)程中達(dá)到弧壓恒定的控制目的，避免了操作人員手動(dòng)操作帶來(lái)的過(guò)分依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)，較難提高控制并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題。

　　近些年，基于真空自耗電弧爐在市場(chǎng)中多臺(tái)套、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電弧爐熔煉機(jī)理、生產(chǎn)工藝、技術(shù)要求和主要工藝參數(shù)進(jìn)行了大量的積累和深入的分析，結(jié)合電弧爐的工藝特點(diǎn)和需求，在原有恒電壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出恒熔速控制系統(tǒng)的實(shí)施方案，為某企業(yè)早期購(gòu)買我所的真空自耗電弧爐控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，將原有的恒電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)為恒熔速自動(dòng)控制系統(tǒng)。使用方考慮升級(jí)投入資金有限，基于原有觸摸屏與PLC 的操作方式，所以決定仍然采用PLC 作為恒熔速自動(dòng)控制過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集及處理單元，所有數(shù)據(jù)運(yùn)算及控制輸出也由其完成。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)改造及調(diào)試，設(shè)備現(xiàn)已投入生產(chǎn)并運(yùn)行正常。

　　1、真空自耗電弧爐的結(jié)構(gòu)及熔煉過(guò)程

　　真空電弧爐的主體熔煉室為立式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其主要組成部分包含：爐體、真空系統(tǒng)、水冷坩堝系統(tǒng)、電極升降控制系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)及電弧觀測(cè)系統(tǒng)等。

圖1 真空自耗電極電弧爐結(jié)構(gòu)圖

　　電弧爐的熔煉工藝流程如圖2 所示。

圖2 自耗電弧爐熔煉工藝流程圖

　　當(dāng)設(shè)備裝料完畢后進(jìn)行封爐，關(guān)閉放氣閥后就可以啟動(dòng)真空系統(tǒng)對(duì)熔煉室進(jìn)行抽空處理，真空系統(tǒng)的具體操作流程如圖3 所示。

圖3 真空系統(tǒng)工藝流程圖

　　當(dāng)熔煉室通過(guò)真空泵抽真空處理達(dá)到工藝要求后，準(zhǔn)備起弧熔煉，電極的升降控制由伺服控制系統(tǒng)完成，PLC 將模擬信號(hào)傳送至伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器主要負(fù)責(zé)對(duì)于伺服電機(jī)的控制，電極的垂直位移通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器獲得。直流電弧熔煉通常分三個(gè)階段完成，即起弧、熔煉、收弧補(bǔ)縮階段。系統(tǒng)具體的工作過(guò)程為：在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常用到的起弧方法是準(zhǔn)備一定厚度的金屬底墊置于銅質(zhì)坩堝底(目的是為了保護(hù)在起弧瞬間保護(hù)坩堝底)，在底墊上分散放置碎屑裝引弧劑，起弧前電極與引弧劑距離一般大于15cm。將直流電源合閘，空載電壓一般維持在60V 左右，通過(guò)自耗電極的緩慢下降，當(dāng)距離到達(dá)起弧條件時(shí)在接觸面瞬間發(fā)生弧光放電并觀察到電弧出現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒，此時(shí)加大電流，當(dāng)觀察有金屬熔池形成后，至此起弧過(guò)程完成。

　　起弧成功后，即可轉(zhuǎn)入正常熔煉過(guò)程。在正常熔煉過(guò)程中，有較多的雜質(zhì)被脫去，以便去除金屬中包含的非金屬殘留物，降低合金偏析程度以獲得理想的結(jié)晶組織。為了保證熔煉效果，需要注意合理的控制電弧電壓、電弧電流、熔煉速度和熔煉真空度，在適當(dāng)時(shí)候加入一定強(qiáng)度的穩(wěn)弧電流。由于在熔煉末期，電極端面面積變小。為了鑄錠后減少上端的切除體積，所以后熔煉末期需逐漸減小熔煉電流，弧壓逐漸降低，使熔池凹陷逐漸減小，冷卻后獲得端面幾乎平整的鑄錠。

　　2、結(jié)論

　　本文以真空自耗電弧爐控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目為背景，選用鈦合金熔煉過(guò)程中的生產(chǎn)目標(biāo)和生產(chǎn)過(guò)程為基礎(chǔ)、通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行控制算法的編寫，完成對(duì)于真空自耗電弧爐恒熔速控制系統(tǒng)升級(jí)。該設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)已正式投入生產(chǎn)運(yùn)行。

　　生產(chǎn)實(shí)踐表明：熔煉過(guò)程中電弧維持穩(wěn)定、弧電壓波動(dòng)范圍小、弧電流控制快速，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，正式運(yùn)行冶煉出的鈦合金產(chǎn)品完全符合工藝需求及技術(shù)指標(biāo)要求。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想可以作為其它有關(guān)金屬熔煉控制系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域參考。