试探影响真空自耗电极熔炼炉供电直流电源稳定性的因素

　　1.引言

　　直流真空熔炼是稀贵金属及高等级合金钢必定要采用的工艺，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，随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主要目的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和电抗器交流调压、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方案，在国内由于整流变压器一次侧晶闸管交流调压，需要增加先将6kV或10kV甚至35kV降为晶闸管可以承受的几百伏电压后进行交流调压，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，使用中需要两级降压变压器，且随着近年真空熔炼炉单炉可熔化金属重量的不断增大，对直流电源的输出容量要求越来越大，由此决定了国内使用的直流供电电源基本状况可分为三个阶段：即1997年前，整流变压器二次侧晶闸管一次调压的方案几乎在国内没有使用，当时主要使用整流变压器一次侧饱和电抗器调压、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和电抗器调压、整流变压器二次侧二极管整流两种方案混合使用，2005年以后整流变压器二次侧晶闸管一次调压的方案可以说挤占了近95%的市场份额，由于饱和电抗器调压与晶闸管调压两种方案的响应时间相差近100个数量级，它们对供电直流电源输出电压电流稳定性有很大影响的坩埚比的敏感程度会有很大的不同，本文结合我们采用整流变压器二次侧晶闸管一次调压方案，为某研究院提供的65kA/80V直流电源与凝壳炉配套调试时，不同坩埚比的实验数据分析合理的坩埚比与弧压及弧流稳定性的关系，以期抛砖引玉，与同行探讨。

　　2.直流真空熔炼炉的工作过程和对直流电源的要求

　　无论是真空自耗电极熔炼炉还是凝壳炉，其工作流程的相同点就是工作时自耗电极，工作过程分起弧、熔炼阶段，而不同之处在于以熔化炼锭子为目的的自耗电极熔炼炉为提高化料成品率需要有化成品锭熔化快结束时的补缩工艺，且额定电流下工作时间长达1小时至数小时，而以精密铸造为目的的凝壳炉有熔化时间短一般几分钟～十几分钟，熔化需要电流密度大，熔炼过程中有凝壳的不同点，但他们的工作过程都可以图1所示原理来说明。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。系统工作过程为：在炉内的真空度达到不致被熔炼金属氧化的前提下，系统投入运行，直流电源输出在正负极之间有一定的电压通常为空载电压，随着操作人员的控制升降机构使电极杆下降，当电极杆下降到与坩埚底部的距离小到一定程度时，吊在电极杆下部的要熔化材料与放于坩埚底部的起弧料之间发生电离而产生电弧，电极开始熔化，随着时间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增加，而要熔化的金属电极长度逐渐减小，为了保证熔化时由被熔化电极下端而与坩埚中液态金属上表面之间距离所决定的弧压相对恒定，需要此弧压不要大范围波动，另一方面为保证在同样的时间内被熔化掉的金属量基本相同，又需要流过被熔化金属与液态金属之间的直流电流高度恒定，由于在熔化过程中一但发生被熔化金属熔液成流动柱形短接被熔化金属与已熔化后位于坩埚中的金属溶液(行业内称为掉块)形成直流电源输出短路，需要直流电源具有很好的挖土机特性，即自动迅速把输出直流电压降低，保持输出电流不变。再应看到，由于两种炉型铜坩埚之外都是冷却水，为防止过高的瞬态功率加到坩埚壁与被熔化金属之间形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炸，不希望弧压太高，且被熔化锭子与坩埚内壁之间要留有合适的距离，综上的分析，直流真空熔炼炉对直流供电电源的要求有以下几点：

　　1)要有合适空载起弧电压，最早国内应用了德国人的起弧电压为82V的数据，这几年我们经不断的改进与总结，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波动不能过大。

　　3)要有快速的保护性能。

　　3.影响直流电源输出电压电流大小与稳定性的因素分析

　　从图1所示的工艺过程示图可以看出，影响直流熔炼炉供电电源输出电压与电流稳定性的关键因素有：

　　1)直流供电电源自身的闭环调节性能; 2)弧压的高低;

3)坩埚的内径与被熔化金属锭子外径之差