1.导言
直流真空熔炼是稀贵金属及高等级合金钢必定要选用的工艺，这种工艺配套的设备从大的方面分为真空熔炼炉和给其供电的直流电源两大部分，跟着是铸造产品和炼锭子的不同，真空熔炼炉分为以化锭子为首要意图的真空自耗电极熔炼炉和以浇铸模型件的真空浇铸凝壳炉两大类别，而它们的供电电源又分为整流变压器一次高压侧饱满电抗器沟通调压、整流变压器二次侧整流管整流和整流变压器一次侧晶闸管可控调压、整流变压器二次侧整流管整流及整流变压器二次晶闸管一次调压三种计划，在国内因为整流变压器一次侧晶闸管沟通调压，需求添加先将6kV或10kV乃至35kV降为晶闸管能够接受的几百伏电压后进行沟通调压，然后再将调压后的电压经整流变压器降为几十伏，由整流管整流，运用中需求两级降压变压器，且跟着近年真空熔炼炉单炉可熔化金属分量的不断增大，对直流电源的输出容量要求越来越大，由此决议了国内运用的直流供电电源根本情况可分为三个阶段：即1997年前，整流变压器二次侧晶闸管一次调压的计划几乎在国内没有运用，其时首要运用整流变压器一次侧饱满电抗器调压、整流变压器二次侧二极管整流;1997年～2004年之间，整流变压器二次侧晶闸管一次调压和整流变压器一次侧饱满电抗器调压、整流变压器二次侧二极管整流两种计划混合运用，2005年今后整流变压器二次侧晶闸管一次调压的计划能够说挤占了近95%的市场份额，因为饱满电抗器调压与晶闸管调压两种计划的呼应时刻相差近100个数量级，它们对供电直流电源输出电压电流安稳性有很大影响的坩埚比的灵敏程度会有很大的不同，本文结合咱们选用整流变压器二次侧晶闸管一次调压计划，为某研讨院供给的65kA/80V直流电源与凝壳炉配套调试时，不同坩埚比的试验数据剖析合理的坩埚比与弧压及弧流安稳性的联系，以期抛砖引玉，与同行讨论。
2.直流真空熔炼炉的作业进程和对直流电源的要求
无论是真空自耗电极熔炼炉仍是凝壳炉，其作业流程的相同点便是作业时自耗电极，作业进程分起弧、熔炼阶段，而不同之处在于以熔化炼锭子为意图的自耗电极熔炼炉为进步化料制品率需求有化制品锭熔化快结束时的补缩工艺，且额定电流下作业时刻长达1小时至数小时，而以精细铸造为意图的凝壳炉有熔化时刻短一般几分钟～十几分钟，熔化需求电流密度大，熔炼进程中有凝壳的不同点，但他们的作业进程都能够图1所示原理来阐明。图中1为要熔化的锭子称作电极，2为坩埚(又称为结晶器)，3为水套，4为炉室密封盖，5为冷却水，6为抽真空管道，7为稳弧线圈，8为熔化时的电弧，9为已熔化后的金属溶液。体系作业进程为：在炉内的真空度到达不致被熔炼金属氧化的前提下，体系投入运转，直流电源输出在正负极之间有必定的电压一般为空载电压，跟着操作人员的操控升降组织使电极杆下降，当电极杆下降到与坩埚底部的间隔小到必定程度时，吊在电极杆下部的要熔化资料与放于坩埚底部的起弧料之间发生电离而发生电弧，电极开端熔化，跟着时刻的推移要熔化的金属变为液体流入坩埚中，坩埚内的液态金属高度不断添加，而要熔化的金属电极长度逐步减小，为了确保熔化时由被熔化电极下端而与坩埚中液态金属上外表之间间隔所决议的弧压相对安稳，需求此弧压不要大规模动摇，另一方面为确保在相同的时刻内被熔化掉的金属量根本相同，又需求流过被熔化金属与液态金属之间的直流电流高度安稳，因为在熔化进程中一但发生被熔化金属熔液成活动柱形短接被熔化金属与已熔化后坐落坩埚中的金属溶液(职业界称为掉块)构成直流电源输出短路，需求直流电源具有很好的挖土机特性，即主动敏捷把输出直流电压下降，坚持输出电流不变。再应看到，因为两种炉型铜坩埚之外都是冷却水，为避免过高的瞬态功率加到坩埚壁与被熔化金属之间构成侧弧击穿坩埚使冷却水进入坩埚内，在高温下电解水引起氢气爆破，不期望弧压太高，且被熔化锭子与坩埚内壁之间要留有适宜的间隔，综上的剖析，直流真空熔炼炉对直流供电电源的要求有以下几点：
1)要有适宜空载起弧电压，最早国内运用了德国人的起弧电压为82V的数据，这几年咱们经不断的改善与总结，对自耗炉已降为50V，对凝壳炉已降为65V。
2)要有很硬的稳流特性，在稳流时输出直流电压动摇不能过大。
3)要有快速的维护功能。
3.影响直流电源输出电压电流巨细与安稳性的要素剖析
从图1所示的工艺进程示图能够看出，影响直流熔炼炉供电电源输出电压与电流安稳性的关键要素有：
1)直流供电电源本身的闭环调理功能; 2)弧压的凹凸;
3)坩埚的内径与被熔化金属锭子外径之差的巨细;
4)炉内真空度的凹凸;
5)坩埚冷却水温的凹凸;
6)稳弧电流的巨细。
依据咱们对近百台真空熔炼炉与电源的调试领会，上述要素对直流电源电压电流安稳性的影响表现在：
(1)直流电源本身调理功能首要取决于所用供电直流电源的计划，选用整流变压器一次饱满电抗器一次侧调压，整流变压器二次侧晶闸管相控整流的计划，因属电磁调理，调理呼应时刻为秒级，因此直流电流的安稳性不或许做的很高，表现出运用时输出直流电压与电流的动摇都比较大，选用整流变压器二次侧晶闸管可控整流的计划，因闭环调理器的呼应时刻为毫秒级，因此在闭环调理器的参数整定好后，具有很好的快速调理功能，当弧压动摇较大时，它能够供给很好的稳流特性，但需直流电源输出电压快速改变来坚持电流安稳。
(2)炉内真空度越高，被熔化电极与已熔化完的金属之间电阻的影响越小，电流的动摇就越小，真空度欠好与动摇可视同等效为该等效电阻动摇，所以电压与电流就动摇。
(3)坩埚冷却水温的凹凸虽然不直接参与影响直流电源输出电压与电流的安稳性，但却影响熔化时所需的电流巨细，因为熔化时被熔化金属溶为液态流入坩埚中，坩埚外为活动的冷却水，水温过低接近坩埚内壁的金属冷却的快，而远离坩埚内壁的金属溶液冷却的慢，对自耗电极熔炼炉有或许导致锭子外壁气孔增大，运用时剥皮较多，对凝壳炉水温太低将导致较厚的凝壳，而要处理此问题，则需求加热功率大于冷却功率，也便是说需求较大的熔化电流，在水温较低时需求确保接近坩埚外壁的金属溶液散热速率要慢。由此可见，并非坩埚的冷却水温越低越好，一般主张冷却水温进口温度不低于+5℃，而出口水温不高于60℃。
(4)所谓弧压是指熔化进程中加在被熔化电极已熔化坐落坩埚中的金属溶液上端面之间电压的凹凸，相同的电流下弧压越高熔化功率越大，熔化速率越快;另应看到，弧压越高，则等效电弧长度越长，图2给出了熔炼时电弧的散布断面示意图，一起标出了要熔化金属锭子外沿与坩埚内壁之间的间隔δ，一起画出了有稳弧线圈且通有稳流电流时，金属溶液在磁场作用下旋转构成的中心低接近坩埚部分液面高的形状，从此图可见，弧压越高，则熔化速度越快，要求被熔化锭子下降的速率越快，因为电极杆升降一般由伺服电机拖动，所以伺服电机不断启停，很难100%确保熔化速度与电极杆的下降速率彻底匹配确保弧压安稳，构成弧压相对动摇较大，引起电流改变，因此弧压越高电流就易动摇，对闭环稳流的调理功能要求就要敏捷。
另应看到，在图2中δ必守时，过高的弧压将会构成图3所示的侧弧，有或许使坩埚熔化导致严重事故，因此正确的熔炼要求是短弧熔炼，低弧压大电流熔炼，据此应确保弧长L小于图2中的δ。
(5)稳弧线圈与稳弧电流的巨细，为了确保不呈现图3所示的问题，炉体规划中选用稳弧线圈中以直流电流发生磁场来捆绑电流的方向，稳弧线圈一般绕在水套外壁使电弧不要涣散，图2中一起给出了稳弧线圈与经过电流的活动方向，显见其发生的磁场方向与图中电流方向共同，所以可捆绑电弧的发散，天然稳弧电流越大，其对电弧的捆绑力就越大，过大的稳弧电流有或许构成电极杆呈现控心熔炼，即图2中的ΔL很大，构成弧长太长反而不利于电流安稳，但过小的稳弧电流有或许在δ必守时，使图2中ΔL为负值，发生图3中那样人期望的侧弧。
4.坩埚比与熔炼用直流电源电压电流安稳性的联系剖析与试验
坩埚比指真空熔炼炉要熔炼金属锭子的直径与坩埚内径之比，若以d1表明锭子直径，d2表明坩埚内径，σ表明坩埚比，则坩埚比可表明为
σ=d1/d2(1)
参阅图2坩埚比近似表明了σ的巨细，σ越小，则δ越大。
4.1 坩埚比对电压电流安稳性的影响剖析
相同稳弧电流与熔化电流条件下，坩埚比越小，则图2中的δ越大，因为坩埚外为冷却水，坩埚均由铜金属资料制成，在δ的空间内为空气，从温度场的散布来看，图2中弧区中心温度最高越接近坩埚温度越低坩埚温度最低，所以δ越大，一则坩埚本身散热，二则因为熔化时为坚持熔炼炉内的高度真空度与炉体配套的真空体系中几台泵在不断的抽真空，更加快了δ区间内的散热，由此导致了锭子接近坩埚的外部区域温度低，而锭子中心内部温度高，引起锭子中心熔化速度快，而外壁熔化速度慢，使图2中的ΔL变的较大，导致熔化进程中构成了一个类似于下端面为倒放碗状的锭子，当有稳弧线圈时，已熔化的金属溶液沿稳弧线圈作用的磁场旋转，构成一个正放的碗状溶池。其刨面图如图4所示，直接导致电流闭环调理器调理速度快调理特性硬时，虽然能够安稳电流，但弧压大规模动摇，当电流闭环调理器调理速度慢，调理特性软时，虽可使弧压在动摇规模下降，但电流安稳度不行，弧压的大规模动摇将使操作人员无法判别有否侧弧发生，对安全出产构成很大损害，另应看到，这种情况不管对凝壳炉仍是自耗炉都会影响弧光色彩，因为此刻看到的仅是从图4中两个相对扣的碗状球面缝隙中透出的很小一部分弧光，而不是真实的弧，影响操作人员对弧压的判别且无法压低弧压进行低弧压熔炼，其原因在于虽然中心弧长很长，但稍以压弧边上便短路，使弧压无法压低。
4.2 试验验证
为了验证上述剖析，咱们运用研发的国内首套60kA/80V凝壳炉电源，针对不同的坩埚比在500kg和150kg凝壳炉中进行了试验，该电源体系运用四台15kA的6脉波可控整流直流电源并联构成24脉波，由两套独立的12脉波电源构成，图5与图6分别给出了屡次试验中经过计算机收集体系收集的最有代表性的典型电压电流波形，其间图5运用锭子外径为Φ280，坩埚内径为Φ460，坩埚比σ为0.6087，而图6运用锭子外径为Φ350，坩埚内径为Φ460，坩埚比σ为0.761，运用电流前者为30kA，而后者为30kA、35kA、40kA 3个台阶，弧压前者平均值为48V，且大规模动摇，而后者平均值仅42V，动摇规模小，所用模仿电压前者动摇频率很高，而后者虽有动摇但频率很低，电流闭环调理器的参数又彻底相同，试验验证
5.定论
综上剖析，咱们可得下述几点定论：
1)真空熔炼用直流电源以整流变压器二次相控整流电流闭环操控的计划作用最好。
2)影响真空熔炼用直流电源输出电压与电流安稳性的要素许多，坩埚比对弧压和电流安稳性的影响很
大，国内以往的坩埚比规模数据为0.6～0.75，从节能及安稳输出视点考虑应接近0.75来选取。
3)无论是自耗炉仍是凝壳炉，锭子外沿至坩埚内壁的距离应以50～60mm为较佳值。
参阅文献
[1] 李宏 浅谈我国真空熔炼用直流电源的开展(J)，电源技能运用，2010，NO.
[2] 李 宏著 常用电力电子变流设备的调试与修理根底(M)，北京，科学出书社，2011
[3] 马开道 稀有金属熔炼工艺及配备(M)，北京，冶金工业出书社，2011
作者简介：
李宏，男，现年52岁,西安石油大学电子工程学院教授，宣布论文200多篇，出书专(编)著15部，获我国人民解放军空军科技进步三等奖1项。现兼任我国电工技能学会电力电子学会理事、我国电工技能学会电气节能研讨会理事、我国电源学会特种电源专业委员会常务委员、我国电工技能学会电力电子学会学术委员会委员、陕西省电源学会常务理事、首要研讨方向为电力电子技能、电气传动技能、特种电源技能及专用%&&&&&%的开发和运用技能。掌管规划与电力电子有关的工程项目近110个，研发开发的电力电子成套设备380多台套，运转于国内电力、冶金、化工、石油、机械、电子、核工业、军工等职业，并已出口到东南亚，还配备了我国人民解放军空军导弹部队及陆军科研所，开发的晶闸管、GTR、IGBT专用驱动操控板累计在全国出售15000多块，主编的有用电力电子技能资料在全国28个省市出售近30000多册
