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        ZHTF01型1.5T真空自耗電弧爐的研制

        2016-04-29 00:00:00李楠趙輝
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年33期

        摘 要:文章介紹了ZHTF01型1.5T真空自耗電弧爐的結(jié)構(gòu)、特點及其工作原理,這是我所為丹陽天工有限公司自行設(shè)計制造的真空自耗電弧爐。

        關(guān)鍵詞:自耗電弧爐;電極桿;坩堝

        1 概述

        真空電弧爐是在真空狀態(tài)下利用電弧來加熱熔煉金屬的一種電爐。真空自耗電弧爐,其電極由被熔煉材料制成,在熔煉過程中靠加熱自身使其溶化后,滴入結(jié)晶器中冷凝成錠子的電弧爐。

        2 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)及構(gòu)成

        2.1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

        (1)最大熔化重量:1500kg(Ti)

        (2)最大電流:15kA

        (3)空爐極限真空度:7×10-1Pa

        (4)工作真空度:6.6Pa~0.66Pa

        (5)升壓率:1Pa/min

        (6)工作真空排氣時間:30min

        (7)真空系統(tǒng)配置:2×H-150+Z-400+ZJ-600+ZJ-1200

        (8)電極升降速度:熔煉:0~38mm/min,無級調(diào)速

        快速:400 mm/min

        (9)電極桿最大行程:約2250mm

        (10)坩堝:Φ500×2000 Φ440×2700 Φ380×2200

        (11)爐室升降行程:約2000mm

        (12)冷卻水壓力≥0.4MPa 水溫<33℃ 流量50m3/h

        (13)應(yīng)急水壓力:0.1MPa 水溫<33℃ 流量30m3/h

        (14)壓縮空氣壓力:0.3~0.5MPa 用量150l/min 空壓儲氣罐0.6m3 壓力0.7MPa

        2.2 設(shè)備的構(gòu)成

        該設(shè)備主要由以下幾部分構(gòu)成:(1)主傳動系統(tǒng);(2)真空爐室及動密封;(3)坩堝及穩(wěn)弧系統(tǒng);(4)真空系統(tǒng);(5)爐室升降裝置;(6)觀察攝像系統(tǒng);(7)壓縮空氣系統(tǒng);(8)冷卻水系統(tǒng);(9)自動熔煉控制系統(tǒng)。

        3 設(shè)備主要部分工作過程和結(jié)構(gòu)特點

        3.1 主傳動系統(tǒng)

        主傳動系統(tǒng)包括電極桿、傳動系統(tǒng)。電極桿為雙層水冷結(jié)構(gòu),傳動采用數(shù)字控制交流伺服電機(jī),驅(qū)動滾珠絲杠,以滿足熔煉時的快速反應(yīng);電極桿的運行速度及電極桿的位置可在操作室進(jìn)行數(shù)字顯示。爐頭的主要作用是實現(xiàn)自耗電極的進(jìn)給。爐頭的進(jìn)給系統(tǒng)懸掛在爐頭的龍門結(jié)構(gòu)上,并被安放在稱重系統(tǒng)上。它由電極桿和機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)組成,電極桿帶有導(dǎo)向系統(tǒng)并由滾珠絲杠驅(qū)動。電極夾緊裝置安裝在電極桿的最下端。位于電極桿十字頭的兩個氣缸驅(qū)使外部雙層水冷壁的外殼產(chǎn)生相對于內(nèi)部鋼管的同軸運動,它們通過兩道滑動密封實現(xiàn)真空密封。以上所描述的動作,依次為,釋放在圓形斜面內(nèi)滾動的鋼珠,通過壓縮空氣作用在氣缸活塞的任意一邊來夾緊或釋放機(jī)械加成型的輔助電極卡頭。圓形斜面與雙層水冷壁的銅管和不銹鋼管間是絕緣的,以防止電流流經(jīng)鋼珠組件。電流沿著電極桿外部雙層水冷壁流入,經(jīng)過下端的接觸法蘭流入相互壓緊的假電極的接觸法蘭面。通過壓縮空氣的氣壓來連續(xù)保證可靠的接觸,并且互鎖的夾持在任何情況下都不會突然松開,甚至是在壓縮空氣和電源都沒有的情況下。電極進(jìn)給系統(tǒng)是完全機(jī)電式的,由最優(yōu)速度匹配的電機(jī),差動齒輪箱和一個滾珠絲杠組成。這個系統(tǒng)非常可靠,完全沒有像液壓驅(qū)動系統(tǒng)常有的維修問題。

        3.2 真空系統(tǒng)

        真空電弧爐配有一臺油增壓泵和一組羅茨泵和一臺旋片柱塞泵,羅茨泵和維持泵都安裝在鋼結(jié)構(gòu)架上。真空系統(tǒng)預(yù)先用真空管道聯(lián)接,并將控制線接至一個集線盒上,方便安裝。為了保護(hù)真空系統(tǒng)免受污染,在爐頭柱體的旋轉(zhuǎn)軸處的主管道上安裝一個金屬過濾網(wǎng)。當(dāng)爐子在升起位置時,這個金屬過濾網(wǎng)容易接近,并可隨時進(jìn)行更換和清潔。為了避免真空系統(tǒng)有效抽速的降低,真空系統(tǒng)應(yīng)盡可能靠近爐室安裝。真空系統(tǒng)的控制是通過人機(jī)界面發(fā)出命令來實現(xiàn)的。在爐子被抽空后,將進(jìn)行自動檢漏。最大允許的壓力增加和測試時間將被預(yù)先編好程序。檢漏的結(jié)果自動輸出到打印機(jī)。如果檢漏結(jié)果超出設(shè)定值,操作人員可決定是否啟動下一步的熔煉開始執(zhí)行程序。

        3.3 稱重系統(tǒng)

        稱重系統(tǒng)作為電極進(jìn)給系統(tǒng)的一個組成部分是熔速精確計算必須的裝置。除稱重系統(tǒng)參與控制以外的所有基于其他參數(shù)基礎(chǔ)上的熔速計算方法結(jié)果都不如稱重系統(tǒng)參與控制的結(jié)果,并且精度較低。當(dāng)然,稱重系統(tǒng)在設(shè)計上也必須最大程度地滿足嚴(yán)格的機(jī)械和電氣指標(biāo)要求,以達(dá)到所需的精度,這其中包括:消除電極進(jìn)給系統(tǒng)中摩擦力的影響,所設(shè)計的系統(tǒng),使摩擦力成為封閉的內(nèi)力或通過固定的柔性連接減弱其對稱重系統(tǒng)的影響。創(chuàng)建一個精確的帶有導(dǎo)向系統(tǒng)的水平稱重平臺,抵消水平分力,僅留下垂直分力用于稱重系統(tǒng)的測量。

        3.4 爐室升降裝置

        爐室升降裝置主要是為了裝出料。當(dāng)抽空熔煉時,坩堝與爐室之間應(yīng)密封壓緊,以利于導(dǎo)電,為此,爐室采用液壓驅(qū)動,油缸升降,并采用直線導(dǎo)軌副定位導(dǎo)向的方式。

        3.5 電動推桿系統(tǒng)

        上平臺上放置有X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及電極桿的驅(qū)動裝置。X-Y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)電極桿與坩堝壁之間的間隙。X-Y調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是由兩個電動推桿組成,電動推桿的伸出和縮回與稱重系統(tǒng)的浮動架、爐室上的動密封聯(lián)合作用完成自耗電極與坩堝的全方位對中調(diào)節(jié),保證自耗電極與坩堝的對中,其調(diào)節(jié)方式為控制箱和手操盒。

        3.6 壓縮空氣系統(tǒng)

        壓縮空氣系統(tǒng)主要是為真空擋板閥等提供動力,其主要由空壓機(jī)、儲氣罐、調(diào)壓閥、過濾器、電磁閥及管道等組成。

        3.7 冷卻水系統(tǒng)

        冷卻水系統(tǒng)主要用于坩堝、爐殼、電極桿、水冷電纜及電源的冷卻,采取帶壓供給、自流排出的方式。由水箱、閥門及管道等構(gòu)成。用戶需提供水站以及到設(shè)備用水點的管道閥門等設(shè)施。自耗爐冷卻方式為水冷,爐殼為雙層水套的冷卻結(jié)構(gòu)。在水套中所用的導(dǎo)管確保了結(jié)晶器外表面冷卻水的流速以滿足冷卻條件。坩堝冷卻水系統(tǒng)配備增壓水泵,增壓泵的法蘭直接連到對應(yīng)的水套上,使水在水套內(nèi)循環(huán)加壓,不管是否有新水補(bǔ)進(jìn)來,都能達(dá)到結(jié)晶器壁對水流速度的要求。除了結(jié)晶器冷卻回路外,爐室、電極拉桿、電纜和真空系統(tǒng)也有冷卻回路。為了避免爐子冷卻水的污染和節(jié)約新鮮水的消耗,采用了一套有水/水熱交換器,蓄水罐和相應(yīng)水循環(huán)泵的冷卻塔系統(tǒng)。

        3.8 自動熔煉控制系統(tǒng)

        電控系統(tǒng)用于控制整個工作過程。自動熔煉控制系統(tǒng)允許自耗爐在啟動程序開始后全自動地進(jìn)行操作。邏輯控制功能、工藝參數(shù)的閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)采集和管理通過專用計算機(jī)系統(tǒng)處理,這些計算機(jī)系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線和特殊的界面通訊。整個控制系統(tǒng)包括:(1)一臺可編程控制器,控制所有爐子的功能、抽空順序、安全聯(lián)鎖、特殊功能和故障檢測,并不斷與其他計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行操作模式和設(shè)備狀態(tài)的信息通訊。(2)一套安裝在西門子的PLC控制程序,為電極進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器產(chǎn)生設(shè)定點信號?;¢g距控制參數(shù)的設(shè)定點從計算機(jī)上獲得,實際的控制參數(shù)是根據(jù)工藝過程中所測的電氣參數(shù)來計算的。(3)一套安裝在西門子的PLC熔煉的熔速和電流控制程序,針對熔煉開始和熱封頂階段。熔速和對應(yīng)的熔煉電流設(shè)定值來自于分級的高級操作界面計算機(jī),實際的熔速是通過檢測稱重系統(tǒng)連續(xù)測量電極重量值來計算的。

        4 結(jié)束語

        該設(shè)備經(jīng)過安裝調(diào)試后,各項性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求,各部分使用情況良好,設(shè)備生產(chǎn)過程中無污染,安全環(huán)保,得到用戶好評。

        參考文獻(xiàn)

        [1]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

        [2]達(dá)道安.真空設(shè)計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

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