桂大興，孫寶德，董安平

（1.上海鑫藍(lán)海自動(dòng)化科技有限公司，上海 201203；2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

0 前言

真空感應(yīng)熔煉是在高真空環(huán)境下經(jīng)中頻電源對(duì)銅制線圈通電產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)形成渦電流，對(duì)固態(tài)金屬進(jìn)行感應(yīng)加熱而熔煉的一種特種冶煉技術(shù)[1-3]。得益于真空感應(yīng)熔煉技術(shù)良好的真空氣氛，可以在熔煉過程中將鎳基高溫合金中氧、氮有效去除，因此真空感應(yīng)熔煉技術(shù)成為目前生產(chǎn)高性能高溫合金的主要方法[4-7]，并在全球得到廣泛應(yīng)用。近年來，受下游各業(yè)對(duì)高端材料的需求增長的影響，國內(nèi)真空感應(yīng)熔煉技術(shù)得到快速發(fā)展[8-12]。

由于傳統(tǒng)冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及特冶高端材料的旺盛需求，真空感應(yīng)熔煉裝備逐漸向“大型化、多功用、高性能、智能化”發(fā)展。上海鑫藍(lán)海公司已經(jīng)為寶武集團(tuán)寶武特冶、鞍鋼集團(tuán)長城特鋼和中航上大等業(yè)內(nèi)知名企業(yè)提供了大噸位（6t 以上）的真空感應(yīng)熔煉爐，主要用于研發(fā)和制備變形高溫合金和高溫母合金等高端特殊材料。中大型高端真空感應(yīng)熔煉爐一定是集研發(fā)與生產(chǎn)、數(shù)字智能化、覆蓋兼容廣和安全保障于一體的成套裝備。多功用、高性能和智能化是大型真空熔煉裝備技術(shù)設(shè)計(jì)的根本點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。做到這些才能與國外先進(jìn)的特冶裝備相媲美，才能走到世界真空冶煉技術(shù)的前列。

1 真空感應(yīng)熔煉裝備詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1 真空感應(yīng)熔煉爐概述

真空感應(yīng)熔煉爐，英文Vacuum Induction Melting furnace,國際行業(yè)簡(jiǎn)稱VIM。主要用于冶煉精密合金、電磁材料、合金鋼與高溫合金材料。在真空環(huán)境下進(jìn)行熔煉更容易降低或去除金屬中的氮、氫、氧和碳等不利元素，調(diào)整合金元素等化學(xué)成分，從而提高材料的韌性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性能、高溫蠕變性能以及磁性合金的磁導(dǎo)率等多種性能。按照爐子結(jié)構(gòu)來劃分，真空感應(yīng)爐分為周期式和半連續(xù)式兩種，按照生產(chǎn)的產(chǎn)品來劃分，真空感應(yīng)爐分為變形合金熔煉爐和高溫母合金熔煉爐。

1.2 大型真空感應(yīng)爐的工藝布局結(jié)構(gòu)形式

大型真空感應(yīng)爐通常都采用半連續(xù)式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)24h 全天候不間斷生產(chǎn)。在國外，高溫母合金采用專業(yè)化爐，3t 爐就已經(jīng)很大，在國內(nèi)也有采用母合金專用爐，有的采用一爐多用真空熔煉爐，既可以進(jìn)行變形熔煉又可以高溫母合金熔煉。母合金一般直徑在70mm～120mm 之間，高度不超過1400mm，相對(duì)尺寸不大，但是鋼錠數(shù)量較多。母合金真空熔煉爐最先進(jìn)的是采用定點(diǎn)澆鑄工藝，相較于分流盤澆鑄更加精準(zhǔn)和干凈，減少熱態(tài)鋼水與耐材接觸。母合金專用爐在澆鑄過程中，實(shí)時(shí)控制坩堝的前進(jìn)位移和傾翻角度。大型變形熔煉真空爐或一體化真空爐結(jié)構(gòu)形式比較龐大，功能多而集中，生產(chǎn)兼容性較好，適應(yīng)范圍廣，相對(duì)靈活。如6tVIM錠型覆蓋面就很廣，可以生產(chǎn)單支鋼錠重量種類多，500kg 到6t 不等，高度也可調(diào)整，從2m 到4.5m 全覆蓋。圖1 為大型高溫合金專用真空熔煉爐（3t）工藝布局圖，占用面積一般20m×18m；圖2 為大型真空感應(yīng)熔煉爐或一體化爐（6t）工藝布局圖，占地面積一般28m×24m。

圖1 VIM3000 真空感應(yīng)爐工藝布置（高溫母合金專用爐）

圖2 VIM6000 真空感應(yīng)爐工藝布置（變形熔煉或多用爐）

大型真空感應(yīng)熔煉爐屬于典型的非標(biāo)定制化設(shè)計(jì)，因地制宜，根據(jù)熔煉工藝量身打造，形式和結(jié)構(gòu)也豐富多樣化。主要由真空獲得系統(tǒng)、電源和熔煉系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、加料（上加料+側(cè)加料）系統(tǒng)、測(cè)溫（浸入式+紅外線）與取樣系統(tǒng)、視窗與攝像系統(tǒng)、翻爐澆鑄裝置、流槽澆鑄系統(tǒng)、短網(wǎng)裝置等組成。

1.3 真空獲得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)是真空熔煉裝備的重要單元，大型多功能真空感應(yīng)熔煉爐真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)較龐大而復(fù)雜，根據(jù)工藝路線進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。真空系統(tǒng)主要包括真空機(jī)組、真空管路、真空閥門、流量變送器、真空過濾系統(tǒng)、真空壓力傳感器、溫度傳感器、安全裝置、除塵系統(tǒng)、軟連接等單元。真空機(jī)組的配置是根據(jù)用戶工藝指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。VIM真空系統(tǒng)是由三級(jí)泵組成的，分別是機(jī)械泵、羅茨泵和油擴(kuò)散（增壓）泵。真空系統(tǒng)的主要參數(shù)是極限真空度和壓升率或漏率。極限真空度主要用來衡量真空腔室的制作焊接水平，該指標(biāo)一般取0.07Pa～0.1Pa，考核極限真空度是不受抽氣時(shí)間的限制，只要真空計(jì)表征顯示出來即可。壓升率或漏率的單位分別是Pa/h 和Pa.L/s，該指標(biāo)主要考核各種密封連接（動(dòng)密封和靜密封）的可靠性，通常?。?～3）Pa/h 或（30～50）Pa.L/s。習(xí)慣上采用壓升率來進(jìn)行檢測(cè)腔室，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行抽氣和保壓試驗(yàn)。以6t 大型真空感應(yīng)熔煉爐為例，真空設(shè)計(jì)條件：熔煉室抽氣速率30min 內(nèi)達(dá)到0.1Pa，工作真空度1Pa；鑄模室抽氣速率是20min 內(nèi)達(dá)到5Pa；加料室抽氣速率是5min 內(nèi)達(dá)到5Pa。真空獲得機(jī)組的配置：熔煉室高真空配置3 臺(tái)EDWARDS 系列30B5M 油增壓泵，單臺(tái)抽氣速率12500L/s，1 臺(tái)ZIP-2500 羅茨泵和1 臺(tái)ZJP-600羅茨泵,2 臺(tái)前級(jí)2-H150D 機(jī)械泵;低真空配3 臺(tái)ZIP-2500 羅茨泵和3 臺(tái)ZJP-600 羅茨泵,6 臺(tái)前級(jí)2-H150D 機(jī)械泵。6tVIM為例說明真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，原理圖如圖3 所示。

圖3 VIM6000 真空獲得系統(tǒng)原理示意

1.4 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（設(shè)備水系統(tǒng)和電源水系統(tǒng)）

VIM爐熔煉和澆鑄全流程工藝都是在真空和高溫環(huán)境下不間斷進(jìn)行的。一方面由于在熔煉過程中，爐內(nèi)環(huán)境溫度較高，大型坩堝口徑大而散熱面積較大，導(dǎo)致熱輻射強(qiáng)烈，需要及時(shí)對(duì)真空腔室和一些元器件進(jìn)行水冷處理，確保設(shè)備運(yùn)行安全；另一方面在澆鑄凝固過程中，金屬從液態(tài)到結(jié)晶放出大量的熱量，需要對(duì)腔室和錠模進(jìn)行冷卻。熔煉電源和感應(yīng)線圈系統(tǒng)，也需要去離子水對(duì)電氣元器件進(jìn)行水冷處理，這是一個(gè)獨(dú)立的水冷系統(tǒng)。電源是由整流單元、攪拌單元、電容站和輸出單元等模塊組成，感應(yīng)線圈內(nèi)需要冷卻的有銅線圈感應(yīng)器、磁軛、法拉第環(huán)和水冷電纜，但是大噸位真空感應(yīng)熔煉爐磁軛可以做成干式，無需水冷，這樣能夠減少泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高效能。真空感應(yīng)爐水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式有二，一是采用開式水循環(huán)，即設(shè)備水冷系統(tǒng)是由用戶戶外冷卻塔直接給設(shè)備供水；二是采用閉式水循環(huán)系統(tǒng)，即在室內(nèi)通過集水箱給設(shè)備供水，形成閉式水路循環(huán)。設(shè)備水系統(tǒng)如圖4，電源水系統(tǒng)如圖5。

圖4 設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（閉式）原理圖示意

圖5 電源冷卻水系統(tǒng)原理圖示意

1.5 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)主要是針對(duì)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。如真空閥門和安全閥門的啟閉、氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)等。氣動(dòng)系統(tǒng)是由氣源（介質(zhì)、壓力和流量）、蓄能器（空氣罐,100L）、氣動(dòng)三聯(lián)件（調(diào)壓、干燥、過濾）、集氣匯流排、球閥、消音器等元件組成?？刂圃硪妶D6。

圖6 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖示意

1.6 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型多功用真空熔煉爐液壓系統(tǒng)很龐大，管線覆蓋面積廣，閥組多，執(zhí)行點(diǎn)數(shù)多。以6tVIM為例，液壓系統(tǒng)分三個(gè)獨(dú)立的液壓?jiǎn)卧獊碓O(shè)計(jì)，也就是三個(gè)液壓站及其閥組。用于所有（除傾翻油缸外）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸和液壓馬達(dá)）的動(dòng)作，稱為1號(hào)液壓?jiǎn)卧?；用于傾翻澆鑄，確保澆鑄安全，稱為2 號(hào)液壓?jiǎn)卧挥糜诖驙t襯或爐外烘烤站，稱為3號(hào)液壓?jiǎn)卧? 號(hào)液壓?jiǎn)卧畲?，油箱體積800L,采用雙泵雙電機(jī)，一用一備，系統(tǒng)工作壓力設(shè)計(jì)值8MPa～12MPa，極限壓力按24MPa 設(shè)計(jì)。2 號(hào)液壓?jiǎn)卧?，油箱體積300L,采用雙泵雙電機(jī)，一用一備，系統(tǒng)工作壓力設(shè)計(jì)值8MPa～12MPa，極限壓力按24MPa 設(shè)計(jì)。2 號(hào)液壓?jiǎn)卧菍ｉT用來熔煉和澆鑄，熔煉時(shí)，通過后傾水平油缸進(jìn)行搖爐，避免材料熔化搭橋，澆鑄時(shí)，傾翻油缸前傾進(jìn)行鋼水澆鑄，傾翻油缸配置保險(xiǎn)閥，防止軟管爆裂引起事故，此處保險(xiǎn)閥必須安裝在油缸進(jìn)油口。值得注意的是，傾翻油缸采用單向無桿腔作用和有桿腔自重回落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即在遠(yuǎn)程或本地澆鑄時(shí)，油缸進(jìn)油通過液壓比例閥控制坩堝傾翻的速度和方向，澆鑄完成后液壓缸靠坩堝自重回落至熔煉位置。所以，傾翻油缸回油管線是無油的，回油管必須接到油箱T1 口，即液面之上，回油管排氣。3 號(hào)液壓?jiǎn)卧拖潴w積300L,采用單泵單電機(jī)，此系統(tǒng)使用頻率不高且是單獨(dú)控制，主要作用就是爐襯頂出和打制，或離線初步烘烤。

1.7 熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置設(shè)計(jì)

熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置由液壓傾翻機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)裝置（角度計(jì)）、短網(wǎng)系統(tǒng)（電源接口裝置）和熔煉坩堝裝置組成。傾翻機(jī)構(gòu)用于熔煉與澆鑄，在熔煉狀態(tài)，可以搖爐防止原材料搭橋，在澆鑄時(shí)實(shí)現(xiàn)爐體快慢速傾翻，在人機(jī)界面HMI 上實(shí)時(shí)顯示坩堝位置和角度，有利于遠(yuǎn)程澆鑄，位置顯示和攝像視頻雙重確認(rèn)保障設(shè)備安全。傾翻角度檢測(cè)裝置（角度計(jì)）正常安裝在傾翻回轉(zhuǎn)軸上，與傾翻隨動(dòng)。坩堝傾翻角度設(shè)計(jì)范圍一般-10°～+100°，傾翻前端口的設(shè)計(jì)最大限度減少金屬熔液流動(dòng)的位移，保證鋼液流向錠模，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)澆鑄。由于大噸位坩堝，澆鑄時(shí)間較長，以免溫度損失較大，傾翻澆鑄時(shí)可以選擇帶電模式，對(duì)鋼水進(jìn)行適度溫度補(bǔ)償。爐內(nèi)短網(wǎng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，大噸位坩堝通常采用雙側(cè)進(jìn)出線，根據(jù)攪拌形式不同水冷電纜數(shù)量亦不同，三相攪拌時(shí)水冷電纜設(shè)計(jì)數(shù)量是3 的倍數(shù)，單相攪拌時(shí)水冷電纜設(shè)計(jì)數(shù)量是2 的倍數(shù)。真空熔煉爐熔煉電壓小于600V，通常有575V 和460V。爐內(nèi)所有短網(wǎng)需要做真空絕緣處理，進(jìn)行輝光放電測(cè)試。

大爐型真空爐通常配置兩個(gè)或多個(gè)坩堝，坩堝大小可以按不同規(guī)格，坩堝之間能夠快速進(jìn)行互換，便于生產(chǎn)靈活調(diào)度，充分提高設(shè)備的利用率?！耙粻t多用，一機(jī)多爐”。6t 真空爐也可配置500kg、3t 等規(guī)格坩堝，材料研發(fā)和生產(chǎn)于一爐，減少設(shè)備投入成本。大型真空爐采用兼容性設(shè)計(jì)，更換坩堝即可以生產(chǎn)高溫鉬合金，也可以變形熔煉。坩堝漏鋼檢測(cè)和接地系統(tǒng)是大家非常重視的。直流注入式漏爐報(bào)警是最流行的設(shè)計(jì)方法，測(cè)量爐襯與感應(yīng)線圈之間的電阻值，設(shè)定安全阻值后，計(jì)算機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)預(yù)警并切斷電源。一個(gè)接地/滲漏探測(cè)器來檢測(cè)坩堝的安全，連續(xù)監(jiān)測(cè)“接地/滲漏”的探測(cè)系統(tǒng)配有指示燈、毫安表、靈敏度可調(diào)控制器和試驗(yàn)電路用的按鈕等。熔融金屬通過爐底接地探針與大地連接，確保鋼水接地以免危險(xiǎn)。本裝置會(huì)在如下四種情況時(shí)做出顯示，并切斷主電源。

（1）爐襯過薄或龜裂，直流注入式保護(hù)。

（2）金屬熔液滲過爐襯到爐子線圈，直流注入式保護(hù)。

（3）爐襯過于潮濕，直流注入式保護(hù)。

（4）爐子或電源系統(tǒng)接地不良,直流注入式保護(hù)。熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置外形結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 熔煉及其坩堝傾翻裝置

1.8 電源系統(tǒng)（熔煉+攪拌）設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)包括整流與逆變模塊、電容站、輸出隔離變壓器和攪拌系統(tǒng)。以6tVIM為例，1600kW～2000kW,200Hz～300Hz 單相輸出固態(tài)中頻電源，由2200kVA，3 相，50Hz 輸入變壓器供電。熔煉電源在熔煉階段（不含攪拌）滿功率運(yùn)行時(shí)能保證大于0.9 的功率因素。穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)，要求在空載、輕載、重載情況下都能可靠、平穩(wěn)起動(dòng)。高次諧波分量少，減少對(duì)電網(wǎng)的影響。系統(tǒng)須具有頻率自動(dòng)跟蹤的功能,在熔化的全過程中始終保持實(shí)時(shí)最大功率輸出，熔化速度通過選擇功率控制。具有完備的保護(hù)電路安全連鎖報(bào)警系統(tǒng)，工作可靠性高。

為了提高合金錠的內(nèi)在質(zhì)量，便于鋼液充分脫氣和合金均勻化，大型真空感應(yīng)爐熔煉電源需要攪拌功能。電磁攪拌是最流行的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外都習(xí)慣用電磁攪拌的模式。電磁攪拌有三相工頻攪拌和單相攪拌（UDS），三相工頻攪拌技術(shù)非常成熟，容量適應(yīng)性好，可以適用小爐型，更適應(yīng)大爐型；UDS 技術(shù)是由美國發(fā)明的，屬于一項(xiàng)新技術(shù)，但市場(chǎng)接受率較低和攪拌優(yōu)勢(shì)不明顯，更適合小爐型攪拌，UDS 技術(shù)還需要有待改進(jìn)，但制造成本較低。6t 以上的真空感應(yīng)爐目前為止都采用三相工頻攪拌。三相工頻攪拌的感應(yīng)線圈是3 組，UDS攪拌的感應(yīng)線圈是2 組（美國Inductotherm 公司采用2 組）或3 組（美國AJAX 公司采用2 組或3組），2 組見多。線圈電磁攪拌示意如圖8。

圖8 電磁攪拌仿真效果圖（左2 組，右3 組）

1.9 加料裝置（上加料+振動(dòng)側(cè)加料）設(shè)計(jì)

大噸位真空熔煉爐一般配置上加料和振動(dòng)側(cè)加料兩種加料方式，以提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)生產(chǎn)靈活性，上加料主要用于大塊長料和返回大料等，振動(dòng)側(cè)加料裝置一次加料可以2t～3t，料形尺寸一般在300mm×300mm×300mm 以內(nèi)，效率非常高，解放了勞動(dòng)力。上加料與浸入式測(cè)溫裝置兼容多功能合并設(shè)計(jì)，見測(cè)溫裝置詳細(xì)描述。

為了提高生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增加側(cè)加料系統(tǒng)是行之有效的，振動(dòng)側(cè)加料系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)大坯料的加料，而且能夠連續(xù)、有序、可控地進(jìn)行合金加料。側(cè)加料室內(nèi)置振動(dòng)落料槽，由驅(qū)動(dòng)裝置穿過隔離閥進(jìn)入到熔煉室并定位在感應(yīng)爐體上方。通過磁線圈進(jìn)行電磁振動(dòng)，振幅可調(diào)節(jié)。加料室密封蓋開放式設(shè)計(jì)，便于加料和合金工藝布局，真空密封圈設(shè)有金屬罩以防止加料時(shí)損壞密封。在側(cè)加料室尾部設(shè)置一個(gè)直徑100mm 的觀察窗，意外情況下觀察料倉是否回到原位。

振動(dòng)側(cè)加料具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）可更快的加入大部分返回料以及新料（如鎳板、棒料及碎屑料）。

（2）開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)10min 內(nèi)裝載，實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量。

（3）加料速度可控，可以根據(jù)熔速調(diào)整加料速度，從而幫助提高熔煉速度。

（4）減少出現(xiàn)搭橋的風(fēng)險(xiǎn)，保證加料過程安全性。

（5）采用多套加料系統(tǒng)，加料靈活，保證設(shè)備使用過程更高的可靠性。

振動(dòng)側(cè)加料如圖9 所示。

圖9 振動(dòng)側(cè)加料裝置

1.10 測(cè)溫與取樣裝置設(shè)計(jì)

測(cè)溫裝置與上加料是兼容式設(shè)計(jì)，上加料室內(nèi)集成了裝料、測(cè)溫和取樣多功能于一體，位于熔煉室頂部，是一個(gè)獨(dú)立的腔體，由擺動(dòng)隔離閥與熔煉室隔開，包括了一個(gè)用于進(jìn)出加料室裝載料桶的懸臂托架。腔體內(nèi)的裝料、測(cè)溫計(jì)、取樣組件由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以快慢調(diào)速，通過位置傳感器來實(shí)現(xiàn)精確定位。上加料室吊鉤裝有高強(qiáng)防脫鉤裝置。裝料時(shí)料桶經(jīng)行車調(diào)運(yùn)至懸臂托架上并旋轉(zhuǎn)至腔體內(nèi)，料桶吊環(huán)與提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，料筒底部設(shè)計(jì)成“葉瓣型”，當(dāng)遇高溫可以自動(dòng)打開料筒底部“葉瓣”，從而將材料加入到熔池中。測(cè)溫和取樣也是借用加料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)此功能。

測(cè)溫裝置同時(shí)采用浸入式熱電偶和遠(yuǎn)紅外光學(xué)測(cè)溫兩種形式，相互校準(zhǔn)，隨時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)。浸入式熱電偶裝置是運(yùn)用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)溫桿組件，熱電偶桿內(nèi)置二合一（測(cè)溫或取樣）B 型鉑銠絲探測(cè)器。熱電偶測(cè)溫裝置的升降采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，自動(dòng)方式時(shí)，測(cè)溫桿的下降速度先快速，在靠近金屬液時(shí)轉(zhuǎn)為慢速，可以根據(jù)工藝要求調(diào)整運(yùn)行速度。

光學(xué)高溫計(jì)裝置，即雙色光學(xué)高溫計(jì)（溫度范圍700～1800℃），固定在測(cè)溫室頂上，隨時(shí)打開氣動(dòng)隔離閥實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。

浸入式熱電偶的定位裝置確保其不會(huì)擋住光學(xué)高溫計(jì)與鋼液熔池的視線，從而使光學(xué)高溫計(jì)能夠手動(dòng)與浸入式熱電偶相校準(zhǔn)。完成校準(zhǔn)后，兩者之間最大偏差±5℃。具備光學(xué)測(cè)溫觀察鏡片吹氬除塵功能，保證長期測(cè)溫準(zhǔn)確性。安裝氣動(dòng)隔離閥，在不破真空的情況下快速更換光學(xué)測(cè)溫計(jì)觀測(cè)窗。浸入式熱電偶測(cè)溫和雙色光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫兩套裝置，光學(xué)高溫計(jì)用于合金熔煉過程中的溫度控制和記錄，熱電偶測(cè)溫用于合金澆注溫度的控制、測(cè)定和記錄。兩套測(cè)溫系統(tǒng)可同時(shí)使用并互不干涉。上加料、浸入式測(cè)溫和取樣裝置巧妙集成設(shè)計(jì)，集多功能于一身，減少操作繁瑣，便于維護(hù)。上加料、測(cè)溫與取樣裝置見圖10 所示。

圖10 測(cè)溫與取樣（上加料）裝置

1.11 流槽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流槽系統(tǒng)是真空感應(yīng)爐澆鑄系統(tǒng)最重要的一環(huán)。流槽設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，因工藝、材料和產(chǎn)品不同而異。流槽形式有短流槽（≤900mm）和長流槽（一般小于2800mm），短流槽一般用于高溫母合金的制備和小型真空爐，長流槽基本上適合于大噸位真空爐（大于3t）。為了不影響熔煉室的真空環(huán)境，單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)真空腔體便于熱流槽放置于轉(zhuǎn)運(yùn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過位移編碼器準(zhǔn)確定位熱流槽在爐體前的澆鑄位置。流槽設(shè)計(jì)適用于底部澆注和頂部澆注。流槽室中間包上方配備多片旋轉(zhuǎn)玻璃的觀察窗和照明，用于觀察澆注，配備高清攝像頭，在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程澆鑄操作。

一般情況下，短流槽有利于澆鑄質(zhì)量，減少溫降和耐材接觸污染。但是，受真空爐結(jié)構(gòu)和鑄錠尺寸等因素，大爐型真空爐一般流槽都在2m 以上，控制在2.8m 以內(nèi)較好。

短流槽設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)：

（1）采用短流槽設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更低的過熱度，有效減少夾雜物的生成和受耐材污染。

（2）短流槽結(jié)構(gòu)減少耐材用量和減少加熱能耗，長期來說降低生產(chǎn)成本。

（3）短流槽結(jié)構(gòu)可以加快裝入時(shí)間和縮短抽空時(shí)間，從而減少熱量損失，進(jìn)一步降低所需的過熱度即可防止出現(xiàn)凍鋼。

（4）爐體傾翻澆注方向與流槽方向一致，增強(qiáng)鋼水流速，減少噴濺與損耗，且澆注速度更快。

短流槽與長流槽澆鑄對(duì)比見圖11、12。

圖11 短流槽澆鑄設(shè)計(jì)

圖12 長流槽澆鑄設(shè)計(jì)

1.12 PLC 控制和HMI 人機(jī)交互系統(tǒng)

真空感應(yīng)熔煉爐自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)是由上位機(jī)（HMI）和下位機(jī)(PLC)兩部分組成。大型真空感應(yīng)爐采用兩套（一用一備）在線控制。上位機(jī)采用PC 機(jī)的人機(jī)界面控制和數(shù)據(jù)采集的集成控制系統(tǒng)。PC 機(jī)實(shí)時(shí)并連續(xù)記錄時(shí)間、溫度、真空度、功率等與工藝相關(guān)的參數(shù)，并將記錄內(nèi)容以不同的文件格式（如word、excel、圖表）輸出或打印。下位機(jī)PLC 可以與個(gè)人電腦或企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接（提供必要的硬件和軟件）。下位機(jī)采用西門子品牌SIMATIC S7-1500 系列的PLC 系統(tǒng)作為控制接口、信號(hào)處理和邏輯控制的單元。PLC 系統(tǒng)運(yùn)維可設(shè)置為手動(dòng)、自動(dòng)和維修模式。程序控制、記錄等功能切換操作簡(jiǎn)便，相應(yīng)保護(hù)和明顯的顯示功能，避免誤操作。手動(dòng)程序和自動(dòng)程序配備一鍵切換選擇開關(guān)，為了數(shù)據(jù)安全，更改配方工藝設(shè)置有權(quán)限密碼功能，更改前需要輸入相應(yīng)權(quán)限密碼。溫度、真空度監(jiān)控曲線均為自動(dòng)監(jiān)控，無需人為控制，顯示或隱藏監(jiān)控曲線，方便操作員監(jiān)控和判斷生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)情況。自動(dòng)狀態(tài)下，一鍵啟動(dòng)自動(dòng)抽真空。軟件能同時(shí)存儲(chǔ)不同零件的工藝參數(shù)，啟用密碼鎖定?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置不同層級(jí)的賬號(hào)權(quán)限，如操作人員、工藝人員和管理人員等，保證不同權(quán)限人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，保障數(shù)據(jù)安全。操作者通過軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作控制、設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)監(jiān)控、工藝程序編制等。設(shè)備具備故障分析和監(jiān)測(cè)功能。

計(jì)算機(jī)過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)自動(dòng)化控制如下：

（1）熔煉過程控制；（2）澆鑄過程控制；（3）真空壓力控制；（4）惰性氣體控制；（5）液壓系統(tǒng)控制；（6）冷卻水系統(tǒng)控制；（7）數(shù)據(jù)的采集和設(shè)定；（8）故障顯示、報(bào)警等；（9）自動(dòng)進(jìn)行抽空以及泄漏率檢查。

計(jì)算機(jī)上位機(jī)HMI 控制如下，如圖13 所示。

圖13 HMI 自動(dòng)控制系統(tǒng)

（1）主界面

主要顯示爐體的狀態(tài)，查看各個(gè)限位開關(guān)處在的位置（鑄錠室爐門）、壓力、真空泵狀態(tài)、電源供電狀態(tài)、熔煉溫度等狀態(tài)信息。在主屏幕中通過按鈕來操作真空泵組，熔煉室在自動(dòng)抽空模式下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高真空系統(tǒng)正常在設(shè)定壓力（15Pa 或以下）自動(dòng)啟動(dòng)，也可以手動(dòng)通過初級(jí)真空泵組來啟動(dòng)抽空，真空閥和真空泵啟動(dòng)的先后順序進(jìn)行條件聯(lián)鎖控制，若操作順序有誤，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行保護(hù)并提示。

（2）真空控制界面

真空控制界面屏顯示所有真空腔體和系統(tǒng)壓力，PLC 系統(tǒng)按自動(dòng)順序?qū)γ總€(gè)腔體進(jìn)行泄漏率檢測(cè)，并記錄最新一次的泄漏率數(shù)值。

（3）液壓控制界面

液壓控制屏顯示液壓泵的工作狀態(tài)，顯示現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行信息，主要包括液位、油溫和流體加熱器是否開啟等。

（4）水系統(tǒng)控制界面

水系統(tǒng)控制高、低壓匯水排全部循環(huán)水路，顯示每個(gè)回路的流量、溫度和壓力。

（5）熔煉電源控制

熔煉電源控制屏實(shí)時(shí)顯示和控制電流、電壓、頻率及功率等信息，遠(yuǎn)程操作電源熔煉功能。設(shè)置熔化功率曲線，電源系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的功率曲線自動(dòng)給定。

另外還有惰性氣體（氬氣）控制界面、報(bào)警和歷史記錄以及工藝曲線生成圖。

主要用于工藝數(shù)據(jù)分析，記錄的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的曲線，從而追溯工藝數(shù)據(jù)。

2 大型真空感應(yīng)熔煉裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分析

真空感應(yīng)熔煉裝備技術(shù)伴隨材料新工藝、工業(yè)基礎(chǔ)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷走向自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化。在歐美，高端材料一度受軍工需求帶動(dòng)，加之工業(yè)配套基礎(chǔ)完備，真空熔煉技術(shù)發(fā)展迅速且盛行。上世紀(jì)70 年代，中國從英國Inductotherm 曾經(jīng)引進(jìn)了3 臺(tái)1.5t 真空爐，其中一臺(tái)至今仍放置在長城特鋼公司，現(xiàn)在看來這臺(tái)設(shè)備還是比較落后的，沒有任何自動(dòng)化控制。自從90年代工業(yè)計(jì)算機(jī)在美國問世，各行各業(yè)經(jīng)過30 年的發(fā)展至今，已發(fā)生翻天覆地的變化，幾乎所有領(lǐng)域都離不開計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)成為各行各業(yè)的發(fā)展基石，真空熔煉裝備也不例外。特別是近10 年來，真空熔煉裝備技術(shù)也突飛猛進(jìn)，基本3～5年就有大的技術(shù)變化，其中計(jì)算機(jī)控制軟件、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、模擬與仿真孿生技術(shù)和工廠MES 系統(tǒng)無紙化等，大型熔煉裝備正向智能化方向前行。

隨著我國航空航天和國防軍工等核心競(jìng)爭(zhēng)力領(lǐng)域的發(fā)展，高端材料的研發(fā)及其相繼產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)鋼鐵冶金的全面迭代升級(jí)，“雙碳”環(huán)保節(jié)能政策的推行，國外先進(jìn)冶金技術(shù)的借鑒，這些因素直接加速真空感應(yīng)熔煉工藝技術(shù)在我國冶金工業(yè)中占有主導(dǎo)地位。

近些年，我國真空感應(yīng)熔煉爐的市場(chǎng)需求量日益增大，特別是大型化的真空熔煉裝備逐年增多，噸位規(guī)格從6t～30t 不等。大型真空爐在世界范圍內(nèi)的保有量還是較大的，日本現(xiàn)在最大的真空爐是24t 級(jí)。在我國，6t 以上真空爐很少，數(shù)量只在15 臺(tái)以內(nèi)，其中大半還是老舊設(shè)備，撫順特鋼2014 年引進(jìn)了一臺(tái)20t 真空感應(yīng)熔煉爐，2020 年又引進(jìn)1 臺(tái)30t 真空爐，且國內(nèi)僅此最大的2 臺(tái)。與國外發(fā)達(dá)國家相比，中國正處于產(chǎn)能提升之際，大噸位、高性能、智能化的真空熔煉爐捉襟見肘，缺口大。上海鑫藍(lán)海公司這兩年就向?qū)毼浼瘓F(tuán)寶武特冶、鞍鋼集團(tuán)長城特鋼和中航上大設(shè)計(jì)了3臺(tái)6t 多功用、高性能的真空感應(yīng)熔煉裝備，可以想見，我國未來大型化真空熔煉爐需求量一定會(huì)猛增，甚至超過國外平均保有量，這是國家高質(zhì)量、低碳排、可持續(xù)戰(zhàn)略發(fā)展之需。

真空熔煉裝備大型化是理所當(dāng)然的，自動(dòng)化和智能化是技術(shù)方向，云計(jì)算、孿生技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)等新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)必將賦能中國制造?？傊?，中國大型真空熔煉裝備國產(chǎn)化技術(shù)日趨先進(jìn)，與歐美技術(shù)相生相長，借鑒之后擅長發(fā)揚(yáng)，將青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。