祁毅力，張 瀾，陳 強，曹軼軻，趙 康

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 特種鈦合金制備技術(shù)國家地方聯(lián)合實驗室西安市特種鈦合金制備及仿真技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710018）

0 引言

鈦元素化學(xué)性質(zhì)活躍，能在高溫下與氧、氫、氮及其他氣態(tài)化合物發(fā)生反應(yīng)。大量氣態(tài)化合物被鈦吸收而生成鈦的化合物，引起鈦材料的嚴(yán)重缺陷。在一定條件下的真空熔煉，可以使鈦及鈦合金的脫氣、分解、揮發(fā)和脫氧過程比大氣條件下進行得更加充分，能夠獲得更好的精練效果。因此，目前工業(yè)化生產(chǎn)鈦及鈦合金的主要方式為真空熔煉，所使用的主流設(shè)備是真空自耗電弧爐[1-2]，它具有加熱速度快、溫度均勻、熱效率高等優(yōu)點。在真空自耗電弧爐的工作過程中，電極桿和爐體之間需要采用動密封來保持真空狀態(tài)，避免氣體泄漏。其中，電極桿動密封的質(zhì)量和性能直接影響電弧爐的使用效果和壽命。

1 動密封的原理和功能

電極桿動密封是在電極桿和爐體之間采用的一種密封裝置，用于保持爐室內(nèi)的真空狀態(tài)，并避免氣體泄漏。電極桿動密封通常由密封壓蓋、尼龍?zhí)?、波紋管等部分組成。當(dāng)電極桿在工作過程中移動時，動密封保持靜止?fàn)顟B(tài)。電極桿動密封的密封性和耐磨性對電弧爐的使用壽命有著至關(guān)重要的影響。為保證鈦合金鑄錠的品質(zhì)和使用性能，在其熔煉過程中要保證真空狀態(tài)的穩(wěn)定性[3]，因此爐室內(nèi)的真空環(huán)境變得尤為重要。其中，動密封[4]作為真空自耗電弧爐關(guān)鍵的真空連接組件，在靜態(tài)爐室與動態(tài)電極桿之間的密封方面發(fā)揮著重要作用。

在正常熔煉過程中為保證過程參數(shù)的穩(wěn)定性，伺服電機控制電極桿以一定的速度上升、下降，調(diào)節(jié)自耗電極與熔池的距離，從而保持熔化電壓和熔化速度的穩(wěn)定。在此過程中，動密封中的密封組件相對爐室一直處于運動狀態(tài)，由于爐室與外界存在壓力差，這種工作條件對動密封的性能造成很大的考驗。若其密封能力降低，將直接影響真空系統(tǒng)的抽空效率及鈦合金鑄錠的質(zhì)量。在實際生產(chǎn)過程中，動密封內(nèi)部的密封組件由于長期的摩擦運動會造成一定的磨損，從而導(dǎo)致抽空時長增加、漏率過大、熔煉過程中掉真空污泥等現(xiàn)象，因此，要及時更換密封組件來保證設(shè)備的可靠性以及真空度。

2 密封組件結(jié)構(gòu)

VARP8-920 型真空自耗電弧爐動密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般由上、下鋼套組件、柔性波紋管以及連接爐體的絕緣尼龍?zhí)兹蠹?gòu)成。其中上鋼套和稱重單元固定，可隨電極桿電動調(diào)節(jié)推桿移動；下鋼套和絕緣密封套配合與爐體配合，起到爐體連接密封作用；波紋管連接上、下鋼套，同時在電極桿微調(diào)距離時對動密封起到保護作用。在電弧爐動密封的組裝過程中上鋼套由上尼龍?zhí)?、中尼龍?zhí)住⑾履猃執(zhí)滓来卫诏B及配合相應(yīng)密封圈鑲嵌入上鋼套筒體內(nèi)，其中上、下尼龍?zhí)灼鹈芊庾饔?，中尼龍?zhí)字紊?、下尼龍?zhí)?，并儲存真空潤滑脂。電弧爐動密封與電極桿的裝配精度和技術(shù)要求較高。

圖1 動密封結(jié)構(gòu)

由于真空自耗電弧爐動密封在承擔(dān)密封真空作用的同時，還要充當(dāng)電極桿x-y 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的支撐點，因此其波紋管[5]的柔韌性決定了熔化過程稱重系統(tǒng)的精確性。由于動密封波紋管的壁薄約0.3 mm，因此在拆卸安裝過程中容易出現(xiàn)受力不均勻而損壞波紋管的情況，造成動密封報廢。

3 動密封更換方法對比

傳統(tǒng)的真空自耗電弧爐動密封更換作業(yè)流程為：首先將動密封波紋管處進行支撐固定，然后拆除下壓環(huán)，使?fàn)t體和波紋管連接摘除，方便動密封和爐體脫離。同時摘除電極桿上的銅排、水冷電纜、限位等裝置，將電極桿整體拆卸下來，在地面上完成動密封拆卸、組裝[6]。在此過程中，雖然減少了高空作業(yè)并擴大了作業(yè)空間。但是存在拆卸部位較多、吊裝精度要求較高、人員工作強度增大等缺陷，拆卸一次需要耗時約24 h，安裝還需要耗時36 h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

總結(jié)真空自耗電弧爐的多次維修經(jīng)驗，改進真空自耗電弧爐動密封拆裝工藝。本文針對傳統(tǒng)動密封拆裝方式存在的缺陷，提出耗時少、工作量低、對電弧爐電極桿傷害較小的“下抽式”電極桿更換法，從而實現(xiàn)快速安全的動密封更換，提高工作效率、降低勞動強度、節(jié)約經(jīng)濟成本。

4 動密封更換的注意事項

4.1 工裝準(zhǔn)備及前期工作

在更換電極桿動密封時，需要停止電弧爐的運行，并按照操作規(guī)程和安全標(biāo)準(zhǔn)進行操作。在拆卸舊密封之前，需要對電極桿、爐體和動密封等部分進行檢查，確保沒有損壞和雜質(zhì)。清理爐室內(nèi)壁與動密封下沿噴濺及異物、電極桿真空脂及異物，做到爐壁清潔無噴濺異物，防止異物和金屬噴濺劃傷動密封絕緣套。由于電極桿在長期使用過程中下端金屬噴濺較多，且表面凹凸不平，因此需要對其進行打磨、拋光，以提升其表面光潔度，減少摩擦力。

4.2 動密封拆解

利用電極桿夾持自制工裝，將其上升至爐室頂端，托住動密封組件（圖2）。拆除上壓環(huán)與下壓環(huán)，解除動密封與爐體的固定裝置，確?？p隙干凈無異物，減小爐體與動密封的摩擦力。測量上、下鋼套距離，自制合適的定位工裝安裝在上、下鋼套之間，用于上、下鋼套間力的傳遞，并作用在絕緣密封套上，使其脫離爐體。該工裝可以在電極桿動密封的拆除過程中對動密封波紋管起到保護作用，同時在頂出動密封時有效保護動密封波紋管，防止其受力擠壓變形。

圖2 自制工裝

用兩根2 m 左右的長方木支撐在電極桿電纜銅排與動密封之間，使電極桿自身的重力作用在動密封上，利用上、下鋼套之間的定位工裝使其受力均勻分布。通過多人配合緩慢下降電極桿，對動密封施加壓力，使其作用力依次通過方木—上鋼套—自制工裝傳遞至下鋼套和絕緣密封套上，進而使動密封與爐室脫離。在動密封脫離爐體的過程中，動密封與爐室脫離后，移除枕木及工裝，并進行電極桿對中，防止波紋管剮蹭。由于電極桿與動密封之間摩擦力減小，需用自制工裝夾持到電極桿上，脫托住動密封組件，以防止動密封墜落，損傷動密封形態(tài)，同時借助電極桿自身的重力勻速下降電極桿，將動密封落至地面，同時拆除專用工裝，使動密封與電極桿脫離。

4.3 清理更換密封組件

在動密封整體拆卸完成后，由于經(jīng)過長時間的熔煉工作，動密封內(nèi)外壁真空污泥較多，首先要清洗表面和內(nèi)部污泥，以方便分解動密封。拆除動密封壓環(huán)，倒置動密封，用墊鐵墊高上鋼套，同時保證與上尼龍?zhí)子虚g隙，以便上尼龍?zhí)酌撾x。使用專用工具配合千斤頂，快速頂出上、中、下3 個尼龍?zhí)住Ｓ们鍧崉┣謇韯用芊鈨?nèi)壁以及上、中、下套的真空污泥和金屬噴濺，同時檢查上、中、下3 個尼龍?zhí)子袩o破損，并測量配合尺寸，如果有破損或者間隙過大的，需要更換新的尼龍?zhí)祝ㄓ帽痉椒ú鹦痘静粫p傷尼龍?zhí)祝?。待清理干凈后，重新更換導(dǎo)向帶、密封圈、斯特封以及刮塵環(huán)，并確認無誤后依次按順序組裝待用。

4.4 動密封安裝

安裝前，再次清理電極桿表面、爐室頂孔以及爐壁，確認無異物。同時對電極桿、爐室頂孔涂抹潤滑油，以減小后續(xù)動密封安裝過程中的摩擦力?？稍跔t室內(nèi)頂部兩端觀察孔位置懸掛手動導(dǎo)鏈。將組裝好的動密封吊至電極桿下端，擺正位置，整體下降電弧爐爐頭使電極桿對準(zhǔn)動密封。拉動導(dǎo)鏈，使其始終保持平衡，將動密封緩慢上移，切記蠻拉硬拽，損傷新的密封組件。同時移動電極桿下端，每過一處密封都要觀察密封圈位置及其表面形變情況，及時調(diào)整平衡和上升速度，減少密封圈的劃傷以及位移。如果密封圈發(fā)生移位，要及時將密封圈調(diào)整復(fù)位并觀察表面是否破損，有破損則需更換新的密封圈。待動密封整體通過電極桿下端時，還需要再次確認密封圈無損傷，方可進行下一步工序。再次利用電極桿夾持工裝托住動密封，以防止動密封脫落。拆除導(dǎo)鏈?zhǔn)蛊渑c動密封脫離，騰出爐室內(nèi)空間，方便觀察動密封上升情況。

慢速提升電極桿，同時觀察動密封與爐室頂孔四周間隙，及時調(diào)整電極桿中心位置，確保動密封波紋管順利通過爐室頂孔，防止剮蹭損傷波紋管和爐室頂孔。夾持專用工裝托住絕緣密封套，利用電極桿上升的動力緩慢將絕緣密封套頂至預(yù)定位置，并隨時觀察上升情況，防止偏斜損傷絕緣套和密封圈。檢查絕緣密封套是否到位，并安裝定位下壓環(huán)，同時對其緊固定位，防止位移。觀察上壓環(huán)情況，由于波紋管伸縮變形情況不一，需要對動密封上鋼套進行調(diào)整，以方便上壓環(huán)的安裝并固定。待所有部件組裝完畢后需加裝真空脂，使其達到更好的密封和潤滑效果。同時上下移動電極桿，確保動密封真空脂注滿，排空氣體保證密封效果。清理現(xiàn)場，安裝作業(yè)完成。并進行試車檢驗抽空效率，是否達到預(yù)抽真空。

5 安裝效果總結(jié)

采取“下抽式”動密封更換方法，可以在不整體拆卸電極桿情況下，通過自制專用工具，在不損壞動密封波紋管前提下，利用電極桿自身的重力，借助專用工具使其慢慢向下頂出動密封。此方法保護了動密封波紋管和其內(nèi)部的密封套，最大限度地降低了易損件的破壞，使其可以循環(huán)利用，有效降低了維修強度和維修時間，提高了維修效率。采用本文方法，使動密封更換由原來的60 h、5 人次，縮短至4 h 以內(nèi)、3 人次即可完成，在提高動密封組件維護、縮短檢修拆卸時間的同時，還能保證其他機構(gòu)的完整性，并極大降低了人員勞動強度。