余 強(qiáng)，姜驍箐，姜周華

(1東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽110819；2.東大中烏冶金技術(shù)工程有限公司,沈陽110819；3.東北大學(xué)冶金學(xué)院, 沈陽110819)

?

多功能真空感應(yīng)爐的開發(fā)

余 強(qiáng)1，姜驍箐2，姜周華3

(1東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽110819；2.東大中烏冶金技術(shù)工程有限公司,沈陽110819；3.東北大學(xué)冶金學(xué)院, 沈陽110819)

本文開發(fā)了一臺(tái)多功能真空感應(yīng)爐及其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).本系統(tǒng)具有真空下感應(yīng)加熱、加料、測溫、取樣、頂吹、底吹、中間包加熱和多種鑄錠等多種功能.控制系統(tǒng)采用上位機(jī)監(jiān)控管理級(jí)和下位機(jī)PLC過程控制級(jí)組成兩級(jí)控制系統(tǒng).上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用WinCC組態(tài)軟件編程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)主要控制功能，選用西門子S7-300PLC系列產(chǎn)品S7 314C PN/DP作為CPU，并采取現(xiàn)場總線分布式控制結(jié)構(gòu).為了更好脫碳和脫氮，增加了頂?shù)讖?fù)吹的功能可用于冶煉超低碳、氮鋼，可用于冶煉超純鋼.實(shí)際試驗(yàn)表明，冶煉出的超純鐵素體不銹鋼、鎳基高溫合金和超高強(qiáng)度鋼完全達(dá)到了預(yù)定的成分和質(zhì)量要求.

真空感應(yīng)爐；計(jì)算機(jī)控制；PLC；頂?shù)讖?fù)吹

1 多功能真空感應(yīng)爐的技術(shù)特點(diǎn)

真空感應(yīng)爐是冶煉高品質(zhì)特殊鋼和特種合金的主要方法之一[1].隨著用戶對(duì)材料性能要求的不斷提高以及為了降低成本，真空感應(yīng)熔煉采用初級(jí)原材料替代超純?cè)系囊?，真空感?yīng)爐從單一的真空下熔化功能需要進(jìn)一步擴(kuò)展，技術(shù)也在不斷地發(fā)展[2-3].為此，東北大學(xué)在傳統(tǒng)真空感應(yīng)爐基礎(chǔ)上開發(fā)了多功能的真空感應(yīng)爐.與傳統(tǒng)的真空感應(yīng)爐相比，本文設(shè)計(jì)的多功能真空感應(yīng)爐具有如下特點(diǎn)：

(1)真空脫氣功能：在感應(yīng)加熱熔煉的同時(shí),從坩堝底部的透氣磚底吹氬氣，加強(qiáng)溶池?cái)嚢?，提高脫氣效果并促進(jìn)鋼中夾雜物上浮，此外真空可以顯著地提高碳的脫氧能力，在真空下利用碳進(jìn)行脫氧就成為生產(chǎn)低氧鋼、潔凈鋼的重要手段.

(2)頂?shù)讖?fù)吹功能：通過頂吹氧、底吹氮?dú)饣驓鍤猓M(jìn)一步降低一氧化碳分壓，可以促進(jìn)碳的進(jìn)一步氧化以及促進(jìn)鋼液中有害氣體的排除，能滿足超低碳、氮鋼的冶煉.在精煉時(shí)，將氬氣通過坩堝底部的多孔透氣磚不斷吹入熔池中，氬氣在熔池中形成大量細(xì)小而分散的氣泡，這些上浮的氬氣泡，不僅能夠吸收鋼液中的氣體，還能黏附懸浮于鋼液中的夾雜物，并把這些黏附的夾雜帶至鋼液表面被渣層吸收.通過頂部氧槍向爐內(nèi)吹氧使氧和鐵水里的碳產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到脫碳目的.

(3)中間包加熱功能：坩堝和鑄錠臺(tái)車中間加入中間包以達(dá)到去除夾雜物，穩(wěn)定注流的作用.增加中間包加熱功能，可以保持鋼水出鋼溫度，從而順利完成澆注.

2 多功能真空感應(yīng)爐設(shè)備開發(fā)

2.1 爐體構(gòu)成

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的多功能真空感應(yīng)爐的爐體主要分為以下幾部分：

(1)爐體外殼—真空室.爐體內(nèi)壁采用不銹鋼制成，并經(jīng)過精細(xì)拋光，便于清除熔煉灰塵.外壁為碳鋼.真空室底部裝有不銹鋼制作的防漏鋼盤、監(jiān)測探頭和防漏鋼黏結(jié)耐火材料.大真空室蓋上設(shè)小真空室，以滿足真空不被破壞的情況下，更換測溫槍.

(2)坩堝—熔煉包.熔煉裝置包括側(cè)板和支架等，采用不銹鋼和銅件制作而成.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用爐外液壓帶動(dòng)，手動(dòng)翻轉(zhuǎn)，金屬材料的烘烤方式采用石墨爐芯、中頻電源加熱.

(3)中間包.中間包具備加熱功能，這也是本文設(shè)計(jì)的多功能真空感應(yīng)爐的眾多特點(diǎn)之一.加熱溫度不低于 500 ℃，其中冷爐狀態(tài)下加熱時(shí)間不大于 120 min，熱爐狀態(tài)下加熱時(shí)間不大于 60 min.發(fā)熱元件設(shè)置在中間包包蓋上，中間包包蓋固定不動(dòng).中間包采用氣動(dòng)推桿旋轉(zhuǎn).中間包可以轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)加熱的時(shí)候，中間包旋轉(zhuǎn)至中間包蓋下面的加熱位進(jìn)行加熱，當(dāng)需要澆注時(shí)，將中包旋轉(zhuǎn)至澆注工位進(jìn)行澆注.利用計(jì)算機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制，采用兩個(gè)熱電偶檢測溫度，一個(gè)安裝在中間包包蓋上，用于溫度控制，另外一個(gè)安裝在中間包電阻絲附近，用于保護(hù)加熱電阻絲.這樣，無論哪一個(gè)達(dá)到最大溫度值，中間包都將停止加熱.

(4)鑄錠系統(tǒng).中間包的下方為多工位真空鑄造系統(tǒng).可以澆注2支以上鋼錠，設(shè)有兩組鑄型選擇模式，滿足 75 kg 鋼錠2個(gè)， 150 kg 鋼錠1個(gè)的澆鑄要求.鏈條傳動(dòng)采用臺(tái)車式.帶動(dòng)鑄錠臺(tái)車的電機(jī)采用交流變頻調(diào)速，用編碼器來監(jiān)測臺(tái)車的行程，以確定臺(tái)車的位置.

圖1 多功能真空感應(yīng)爐

2.2 頂部設(shè)備

(1)升降槍裝置.本文設(shè)計(jì)的多功能真空感應(yīng)爐采用一套升降系統(tǒng)，即升降槍來同時(shí)完成測溫、取樣、頂吹氧氣的功能，機(jī)械傳動(dòng)采用交流電機(jī)，用變頻器來控制電機(jī)的升降速度，并利用編碼器來確定升降槍的位置.升降槍的槍頭可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行更換，從而能夠在不破壞熔煉室真空度的情況下進(jìn)行熔煉過程中的測溫、取樣以及頂吹氧氣.其中，測溫裝置由熱電偶、密封組件及測溫保護(hù)管組成并采用大屏幕快速測溫顯示儀表.

(2)加料裝置.真空感應(yīng)爐的加料倉有兩個(gè)，分別為大加料倉和小加料倉.大加料倉主要用于二次加料(主要為純鐵或合金)，純鐵形狀一般為條形，其加料倉單次加料量為50 kg(以DT4純鐵計(jì))，以滿足最大容量的需要.大加料倉設(shè)有小真空室，小真空室內(nèi)設(shè)有加料斗，加料斗拴在鋼絲繩上，鋼絲繩的另一端拴在棍子上，類似于卷揚(yáng)機(jī)的方式，使得鋼絲繩帶著加料斗上下運(yùn)動(dòng).

小加料倉主要用于冶煉終點(diǎn)時(shí)補(bǔ)加合金之需要.合金加料倉設(shè)有6個(gè)小料倉，每個(gè)小料倉可裝合金料不小于2 kg(以金屬錳計(jì))，由旋轉(zhuǎn)操作結(jié)構(gòu)控制加料動(dòng)作.并且由配合以加料斗及其機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)，操縱機(jī)構(gòu)安裝在爐體側(cè)面，通過觀察窗可觀察加料斗位置及加料狀況.

2.3 供氣系統(tǒng)

(1)氣動(dòng)系統(tǒng).氣動(dòng)系統(tǒng)用于各個(gè)氣動(dòng)閥門的動(dòng)力供給工作，由進(jìn)口油霧器、管接頭、換向閥以及不銹鋼管路附件等組成.

(2)底吹系統(tǒng).底吹系統(tǒng)主要供給氬氣和氮?dú)?，氬氣和氮?dú)饪勺詣?dòng)切換.氬氣或氮?dú)馔ㄟ^底吹透氣塞吹入，底吹透氣塞采用狹縫式，避免鋼水倒灌.底吹系統(tǒng)中每路氣體主要控制設(shè)備有：氣體(氬、氮)的快速關(guān)斷閥、流量調(diào)解閥、手動(dòng)截止閥等.快速關(guān)斷閥、流量調(diào)解閥采用電控氣動(dòng)方式.底吹系統(tǒng)中主要的檢測設(shè)備有：氣體流量計(jì)，用來檢測氣體的流量；壓力傳感器，用來檢測進(jìn)氣壓力.

(3)頂吹氧系統(tǒng).頂吹氧系統(tǒng)主要控制設(shè)備有：氣體的快速關(guān)斷閥、流量調(diào)解閥、手動(dòng)截止閥等.快速關(guān)斷閥、流量調(diào)解閥采用電控氣動(dòng)方式.主要檢測設(shè)備與底吹系統(tǒng)相同.

(4)真空充氣裝置.為滿足真空充氣或在事故條件下的需要，在爐體上設(shè)有手動(dòng)放氣閥，用以對(duì)爐室充入空氣或氮?dú)饣驓鍤?

2.4 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)設(shè)備組成.一臺(tái)H-150滑閥泵，一臺(tái)ZJP-1200羅茨泵，一臺(tái)ZL-800油增壓泵，一臺(tái)2X-30旋片泵，一套復(fù)合真空計(jì)含高精度指針真空壓力表以及輔助的旋片泵和閥門及管道.它的原理圖如圖2所示：

圖2 真空系統(tǒng)原理圖

2.5 水冷系統(tǒng)

水系統(tǒng)包括內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)及設(shè)備水系統(tǒng).整個(gè)冷卻水的管道和閥門全部采用304不銹鋼制作.

(1)內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)，采用全密閉的自循環(huán)水-水冷卻方式，利用外水冷卻內(nèi)循環(huán)水，用內(nèi)循環(huán)水來冷卻設(shè)備的各個(gè)部位，內(nèi)循環(huán)水為純凈水，這樣既不能結(jié)垢，也不能堵塞設(shè)備，使設(shè)備運(yùn)行更加安全可靠.內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)主要由水泵、水箱、換熱器、管路組成；采用兩臺(tái)水泵，一臺(tái)工作，另外一臺(tái)備用.不單獨(dú)配備循環(huán)水啟動(dòng)柜，水泵、加熱器控制主回路安裝在控制柜中.

(2)設(shè)備水系統(tǒng)，由分、集水器、管路、檢測元件等部分組成.采用流量開關(guān)、壓力表以及壓力傳感器對(duì)各支路的冷卻水進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)冷卻水的流量和壓力超過或低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警.

2.6 熔煉電源系統(tǒng)

其電氣設(shè)備主要由中頻電源控制柜、補(bǔ)償電容、同軸進(jìn)電電極、銅排和水冷電纜組成.電源采用IGBT中頻電源，根據(jù)爐體大小配備不同的功率，三相380V交流電經(jīng)中頻電源逆變成 1 000 Hz 中頻電流，經(jīng)補(bǔ)償電容和水冷銅排以及同軸電纜，供給真空感應(yīng)爐感應(yīng)線圈.感應(yīng)爐的原理是利用中頻電源產(chǎn)生的交變電流送給感應(yīng)線圈，使得坩堝里的金屬材料產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流來熔化爐料的；也就是說，中頻電源是控制精煉溫度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是感應(yīng)加熱設(shè)備里必不可少的一部分.

3 多功能真空感應(yīng)爐控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)功能要求

(1)熔煉功率控制.根據(jù)工藝要求，要能夠控制中頻電源的輸出功率.功率控制的方式采用就地及遠(yuǎn)程控制.中頻電源的輸出電流、電壓、功率，通過隔離端子進(jìn)入PLC.此外，在中頻電源進(jìn)線側(cè)安裝三相智能功率表，具有RS 485、 ModbusRTU通訊協(xié)議接口，將中頻電源功率通過Profibus擴(kuò)展的 RS 485 總線連接到PLC.

(2)頂部設(shè)備升降控制.通過絕對(duì)值編碼器準(zhǔn)確定位來控制頂槍的位置，并用 Profibus總線把位置信號(hào)傳入PLC；速度控制，通過變頻器控制頂槍的升降速度.

(3)頂?shù)讖?fù)吹控制.底吹氣體的控制與檢測：底吹系統(tǒng)中安裝兩組壓力、流量檢測元件，分別對(duì)氮?dú)?，氬氣的流量和壓力進(jìn)行檢測，并通過變送器轉(zhuǎn)換為4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)入PLC.氣體流量控制：PLC模擬量輸出4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過變送器接到氣體流量調(diào)解閥，從而合理地調(diào)節(jié)底吹氣體的供氣強(qiáng)度.頂吹氧氣的檢測方式與底吹系統(tǒng)相同.

(4)熔煉溫度檢測.采用兩種檢測方法：(a)快速熱電偶檢測方法.此法直接、準(zhǔn)確，但卻是非連續(xù)檢測.測溫裝置由熱電偶、密封組件、測溫保護(hù)管及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成.熱電偶安裝在測溫槍槍頭，依靠交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降測溫，并采用大屏幕快速熱電偶測溫儀表，儀表具有 RS 485 、 ModbusRTU通訊協(xié)議接口，溫度信號(hào)通過Profibus擴(kuò)展的 RS 485 總線連接到PLC.(b)紅外測溫方法.此法可實(shí)現(xiàn)鋼水溫度的連續(xù)檢測，用于精煉溫度控制的溫度反饋.雙色紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、分色片或?yàn)V光片、紅外探測器、信號(hào)處理器以及顯示輸出部分組成.雙色測溫儀的原理是測量物體在兩個(gè)不同光譜范圍發(fā)出的輻亮度, 并將這兩個(gè)輻亮度之比換算成物體的溫度.

(5)氣動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控.氣動(dòng)系統(tǒng)由油霧器，管接頭，換向閥以及不銹鋼管路附件等組成.在氣源進(jìn)氣端口安裝壓力檢測元件，將氣源壓力通過隔離端子轉(zhuǎn)換為4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)入PLC.

(6)真空系統(tǒng).利用PLC數(shù)字量輸出模塊，通過中間繼電器，再經(jīng)過接觸器，控制滑閥泵，羅茨泵，油增壓泵，旋片泵的開啟與閉合.

真空度檢測.采用復(fù)合真空檢測儀，包括真空電阻硅、電離硅，具有 RS 485 通訊功能，感應(yīng)爐的真空度通過Profibus擴(kuò)展的 RS 485 總線連接到PLC.

(7)水冷系統(tǒng).內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)控制：在水箱出水處安裝溫度傳感器來檢測內(nèi)水泵出水溫度，通過變送器轉(zhuǎn)化為4～ 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)入PLC.流量開關(guān)包括：內(nèi)水泵出水流量開關(guān)、內(nèi)水泵出水溫度開關(guān)和內(nèi)水泵出水壓力開關(guān)，傳感器將這些信號(hào)送給PLC數(shù)字量輸入模塊，當(dāng)冷卻水的流量、溫度和壓力超過或低于設(shè)定值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警.

設(shè)備水系統(tǒng)控制：冷卻水總水壓，冷卻水總水溫，坩堝冷卻水水壓，坩堝冷卻水水溫，轉(zhuǎn)軸回水溫度，包蓋冷卻水溫度等由壓力傳感器或溫度傳感器檢測的信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)換為4～ 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)入PLC.其余設(shè)備冷卻部位采用流量開關(guān)檢測.傳感器將信號(hào)送給PLC數(shù)字量輸入模塊，當(dāng)冷卻水的流量和壓力超過或低于設(shè)定值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警.

3.2 控制系統(tǒng)基本組成

本文設(shè)計(jì)的多功能真空感應(yīng)爐采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻感應(yīng)熔煉、測溫、取樣、頂吹、底吹、合金加料及真空系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和調(diào)整.由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控管理站，PLC作為下位機(jī)，構(gòu)成一個(gè)過程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，并預(yù)留與上級(jí)數(shù)據(jù)管理工作站的接口，如圖3所示.

下位機(jī)采用性價(jià)比較高的西門子可編程控制器(PLC)，CPU選擇S7 314C PN/DP，利用西門子 STEP 7 V5.5 編程軟件編程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、過程自動(dòng)控制及系統(tǒng)自診斷與故障報(bào)警判斷.上位機(jī)與PLC采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的交換.

上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用西門子的WinCC V6.2組態(tài)軟件編程，用來顯示各種信號(hào)、參量、畫面、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)等，同時(shí)可以進(jìn)行故障報(bào)警、提供報(bào)表打印，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，發(fā)出指令，組成監(jiān)控系統(tǒng).

絕對(duì)值編碼器通過Profibus總線，將信號(hào)傳入PLC，在線測溫表、真空測量儀、中頻電源功率表及四臺(tái)變頻器通過Profibus擴(kuò)展的 RS 485 總線連接到PLC.

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

3.3 上位機(jī)監(jiān)控程序總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)作為控制系統(tǒng)工程師工作站，既可以完成系統(tǒng)編程與運(yùn)行監(jiān)控，又可以作為操作員站，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話、系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控.

WinCC主要控制模塊包括：變量管理器、圖形編輯器、報(bào)警記錄、變量記錄、全局腳本、用戶管理器、報(bào)表編輯器、交叉索引和冗余等.

根據(jù)工藝要求，本設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面由熔煉趨勢圖、報(bào)警信息、水系統(tǒng)、設(shè)備參數(shù)設(shè)定、吹氣系統(tǒng)等模塊構(gòu)成，其模塊組成結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

圖4 上位機(jī)畫面結(jié)構(gòu)圖

3.4 典型上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)開機(jī)后，將自動(dòng)進(jìn)入生產(chǎn)過程監(jiān)控畫面，如圖5所示.主監(jiān)控畫面大致可分為四個(gè)部分，中間主體部分為整個(gè)真空感應(yīng)爐組成，真空部分的泵和閥都在此操作，以及由編碼器檢測出的頂部設(shè)備的位置顯示.下欄為監(jiān)控的數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力及熔煉數(shù)據(jù)等.右邊部分為趨勢圖及報(bào)警信息.

主監(jiān)控畫面最上面有一行按鈕，單擊可進(jìn)入其他模塊的監(jiān)控畫面.其中歷史趨勢圖里還包括：鋼水溫度歷史趨勢圖、頂吹氣體歷史趨勢圖、底吹氣體歷史趨勢圖和真空系統(tǒng)歷史趨勢圖.

設(shè)備參數(shù)設(shè)定畫面(見圖6)主要用于鑄錠系統(tǒng)工位位置設(shè)定，底吹系統(tǒng)的報(bào)警上下限和報(bào)警延遲時(shí)間的設(shè)定.寫參數(shù)的作用是將設(shè)定好的參數(shù)保存在本地電腦中，讀參數(shù)的作用是從本地電腦中讀取已經(jīng)保存好的參數(shù).

圖5 主監(jiān)控畫面

圖6 設(shè)備參數(shù)設(shè)定畫面

4 應(yīng)用效果

4.1 模擬VOD冶煉超純鐵素體不銹鋼

AISI409L鐵素體不銹鋼的成品化學(xué)成分要求，見表1.

本試驗(yàn)中將在200 kg真空爐內(nèi)熔煉出實(shí)際生產(chǎn)中AOD出鋼后鋼液成分，然后再進(jìn)行模擬VOD的操作工藝過程.即：配料 → 真空爐熔煉不銹鋼母液 → 模擬VOD精煉→出鋼.

表1 AISI409L鐵素體不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

①w[Ti]=6×w[C+N]～0.65

表2 409 L不銹鋼入VOD前母液成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

根據(jù)某鋼材生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際情況，AOD爐出鋼后鋼液的化學(xué)成分見表2，真空爐熔煉其成分按此表控制.其原材料配比見表3.

將表3所示的爐料一次性加入200 kg真空感應(yīng)爐坩堝內(nèi)，關(guān)閉真空室，打開真空泵進(jìn)行抽氣.當(dāng)真空度達(dá)到1 kPa左右時(shí)，感應(yīng)電源開始送電.當(dāng)爐料全部熔清，溫度達(dá)到 1 600 ℃左右時(shí)，取樣全分析，當(dāng)成分基本滿足VOD入爐鋼液成分要求時(shí)，初煉結(jié)束，在送電開始，為了保證底吹透氣磚暢通和鋼液脫氣，在整個(gè)熔煉過程中要保持一定的底吹A(chǔ)r流量，可控制在0.1～0.5 L/min.

表3 冶煉409不銹鋼母液的原料配比(出鋼量120 kg)

第一步：真空吹氧脫碳

當(dāng)鋼液成分滿足工藝要求后，鋼液溫度在 1 560～1 600 ℃ 之間，真空室壓力在 10 kPa以下時(shí)，下降氧槍，開始吹氧.同時(shí)，大幅度降低感應(yīng)電源功率，若精煉期間鋼水溫度在 1 700 ℃ 后，應(yīng)關(guān)閉感應(yīng)電源.

氧槍高度距鋼液面約200～300 mm，流量(標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下)1.2～2.4 m3/h.壓力在0.5～0.6 MPa，底吹A(chǔ)r(標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下)流量 0.12 m3/h.

吹煉過程中將廢氣與氣體分析儀相連接，以判斷熔池碳含量的變化情況.隨著熔池碳含量的降低相應(yīng)降低吹氧流量.

停吹氧時(shí)機(jī)的確定對(duì)VOD操作非常關(guān)鍵.真空吹氧的臨界碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通常為0.05%～0.08%，繼續(xù)吹氧會(huì)造成Cr的大量氧化，而C的下降卻不明顯.

第二步：VCD處理

當(dāng)吹氧結(jié)束后，要將真空泵的抽氣能力加大，使真空度達(dá)到100 Pa以下,進(jìn)行真空碳脫氧(VCD)，即自由脫碳.處理時(shí)間在10 min以上，此階段結(jié)束后進(jìn)行測溫、取樣.

第三步：還原、造渣及合金化

添加Al 1 kg、FeSi粉3 kg、石灰15～20 kg 和螢石1～2 kg 進(jìn)行還原，使?fàn)t渣堿度保持在2～3.5 min 后，再取樣分析，根據(jù)鋼水成分進(jìn)行真空下成分微調(diào)，添加的合金要盡量減少增碳和增氮.因此可添加FeSi、金屬M(fèi)n和金屬Cr.合金化后在底吹A(chǔ)r強(qiáng)攪拌下再進(jìn)行終點(diǎn)脫氣 5 min，還原期的溫度要控制在 1 630 ℃以下，并逐漸使鋼水溫度下降到終點(diǎn) 1 580 ℃.冶煉結(jié)束，在真空下進(jìn)行澆注，澆注溫度為 1 550～1 570 ℃.

對(duì)鋼錠進(jìn)行取樣分析獲得的鋼樣成分見表4.可見，除了主體化學(xué)成分滿足要求外，C+N的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.009%(即90×10-6)，達(dá)到了超純的效果，說明真空感應(yīng)爐的脫碳和碳氮效果非常理想.同時(shí)，全氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 0.002 8%，硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 0.001 1%，說明鋼錠的純凈度很高.

表4 AISI409L鐵素體不銹鋼鋼錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在此基礎(chǔ)上還試驗(yàn)了超級(jí)鐵水體不銹鋼447J1(00Cr30Mo2)[4]，C+N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%，效果也非常理想.

4.2 冶煉高溫合金和超高強(qiáng)度鋼

采用本設(shè)備還進(jìn)行了鎳基高溫合金(GH4169)、超高強(qiáng)度鋼(Aermet 100和S53)等航空用材料的試驗(yàn)，也達(dá)到了理想的效果.

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目研制開發(fā)的多功能真空感應(yīng)爐具有真空下感應(yīng)加熱、加料、測溫、取樣、頂吹、底吹、中間包加熱和多種鑄錠等功能.

采用上位機(jī)監(jiān)控管理級(jí)和下位機(jī)PLC過程控制級(jí)組成兩級(jí)控制系統(tǒng)，滿足了各種檢測和控制的要求，尤其是滿足了頂吹和底吹的要求.

實(shí)際試驗(yàn)表明，冶煉出的超純鐵素體不銹鋼、鎳基高溫合金和超高強(qiáng)度鋼完全達(dá)到了預(yù)定的成分和質(zhì)量要求.

[1]李正邦. 特種冶金新技術(shù)[J]. 特殊鋼， 2002, 23(6): 1-4. (Li Zhengbang. New technology in special metallurgy[J]. Special Steel, 2002, 23(6): 1-4.)

[2]楊乃恒. 真空冶金技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 真空與低溫， 2001, 7(6): 1-6. (Yang Naiheng. Present situation and development of vacuum metallurgical technology[J]. Vacuum & Cryogenics, 2001, 7(6): 1-6.)

[3]姜周華, 董艷伍， 李花兵， 等. 特殊鋼特種冶金技術(shù)的新發(fā)展[J]. 中國冶金, 2011, 21(12): 1-10. (Jiang Zhouhua, Dong Yanwu, Li Huabing,etal. Development of special melting technology forspecial steel[J].China Metallurgy, 2011, 21(12): 1-10.)

[4]康喜范. 鐵素體不銹鋼[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2012: 329-356. (Kang Xifan. Ferritic stainless steel[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press, 2012: 329-356.)

Develop of a multi-functional vacuum induction furnace

Yu Qiang1, Jiang Xiaoqing2, Jiang Zhouhua3

(1.School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819,China;2. NEU Zhongwu Metallurgical Technology Engineering Co., Ltd, Shenyang 110819,China;3. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

A multi-functional vacuum induction furnace and a series of computer controlling system for the furnace were developed by the authors. The system has multiple functions including vacuum induction heating, feeding, temperature measurement, sampling, top blowing, bottom blowing, tundish heating and a variety of ingot casting etc.The controlling system is composed of two controlling systems including the PC upper computer management level and the PLC bottom process controlling level.The PC utilizes an industrial controlling computer with a WinCC to configure the software programming and to realize Human-Computer Interaction. The PLC is used to implement the main control function, chosen Siemens S7-300 series of products taken S7 314C PN/DP as CPU. The system adopts distributed structure and uses advanced field bus to achieve automatic control. In order to well decarbonize and denitrofy, the authors increased the top and bottom blowing smelting capability. Test showed that smelted ultra pure ferritic stainless steel, nickel based superalloy and super high strength steel can meet the predeterminate composition and quality requirements1.

vacuum induction furnace; computer control system; PLC; the top and bottom blowing

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.006

TF 133；TP 2

A

1671-6620(2016)03-0187-08