CN103045877B

CN103045877B - 一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置及控制方法

Info

Publication number: CN103045877B
Application number: CN201210555388.2A
Authority: CN
Inventors: 杜亚宁; 彭常户; 李会武; 王锦群; 兰贤辉; 方向明; 任源; 刘俊; 刘海明
Original assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Current assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103045877A

Abstract

本发明公开了一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，自耗电极设置在炉室底部，自耗电极上方设置辅助电极，辅助电极上端与电极杆连接，电极杆上端与传动轴相连；传动轴上端设置有差速器/减速机；差速器/减速机连接进给电机、快速电机；可编程控制器包括输出模块、输入模块、CPU和通信端口；电极杆和炉室的外壳分别引出弧压测量引线，另一端与信号变送器连接，再与可编程控制器的输入模块连接；电压表与信号变送器并联；位移传感器还与输入模块连接；输出模块、输入模块均与电机控制器连接。本发明还涉及利用该起弧装置控制起弧的方法，电机驱动电极杆实现引弧。起弧成功率和弧距控制精度高，成品率高。

Description

一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置及控制方法

技术领域

本发明属于金属熔炼装备技术领域，涉及一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，本发明还涉及利用该起弧装置控制起弧的方法。

背景技术

目前的真空自耗电极电弧炉在熔炼和炉内焊接的起始阶段：整流电源输出熔化（焊接）电流和自耗电极移动的配合复杂，熔炼起始阶段电极杆的进给控制对弧距确定和后期熔炼的稳定性很重要。手动操作不能及时给定电流和电极杆速度及移动方向，一次起弧成功率和弧距控制精度低，进入稳定熔化的时间长且存在安全隐患。并且，长弧距的持续使电能加热熔化自耗电极的效率低，熔后凝固的块分散在炉室底部，导致铸锭底部融合效果差，底部切削量大使成品率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，可以自动精确及时控制给定电压和电极杆速度及移动方向。

本发明的另一目的是提供一种用于真空自耗电弧炉自动起弧的控制方法，解决了现有技术中存在的一次起弧成功率和弧距控制精度低、进入稳定熔化的时间长且存在安全隐患的问题，提高了成品率。

本发明所采用的技术方案是，一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，包括机械部分与电气控制***；机械部分包括炉室，自耗电极设置在炉室底部，自耗电极的下端面与炉室底部端面形成熔炼起弧区；自耗电极上方设置辅助电极，自耗电极与辅助电极之间是炉内焊接起弧区；辅助电极上端与电极杆连接，电极杆上端与传动轴相连；传动轴上端设置有差速器/减速机；差速器/减速机连接进给电机成为单电机驱动***或差速器/减速机与进给电机、快速电机分别连接构成双电机驱动***；位移传感器通过齿轮/同步带组件与传动轴连接；电气控制***包括可编程控制器，可编程控制器包括输出模块、输入模块、CPU和通信端口；电极杆和炉室的外壳分别引出弧压测量引线，两根弧压测量引线的另一端与信号变送器连接，信号变送器与可编程控制器的输入模块连接；电压表与信号变送器并联；位移传感器还与输入模块连接；输出模块、输入模块均与电机控制器连接；可编程控制器的通信端口还分别连接有工控机和熔化电源。

本发明所采用的另一技术方案是，用于真空自耗电弧炉自动起弧装置的控制方法，按照以下步骤进行：

步骤1、

在起弧前在炉内焊接起弧区或熔炼起弧区放好引弧料，炉室抽至真空，操作电极杆升降：

其中，对于单电机驱动***驱动：电极杆的升降和弧压弧距调节进给都用进给电机通过驱动减速机，使传动轴旋转带动电极杆和辅助电极升降，使辅助电极与自耗电极相距5mm～30mm；

对于双电机驱动***驱动，先开启快速电机和差速器/减速机，使传动轴旋转带动电极杆和辅助电极升起，使辅助电极与自耗电极相距5mm～30mm，启动熔化电源和电极杆自动进给，由进给电机通过差速器/减速机和传动轴驱动电极杆升降完成弧距弧压控制；

然后在工控机上设定起弧参数：起弧电压U₀=20V~36V，弧压变化量U₀₁=2V~5V，短路电压U₁=10V~18V，起弧电流I₀=2A~10kA，电流变化量I₀₁=0.5kA~1.5kA，起弧时间T₀=2min~30min，弧距D₀=10mm~60mm；

步骤2、

引弧：刚启动熔化电源，电极杆从静止开始加速下降，直到与自耗电极10短路，即实测弧压U低于设定的短路电压U₁，电极杆停止下降，快速上升拉出电弧，起弧后实际电流I从0增加到设定范围内值，即I∈（I₀-I₀₁，I₀+I₀₁），起弧结束；

弧压弧距调节：在设定的起弧时间T₀内检测实测弧压U与/或实测弧距D是否在设定范围，即是否U∈（U₀-U₀₁，U₀+U₀₁），是否D＜D₀；U、D满足其一即执行：

若在设定范围，即U∈（U₀-U₀₁，U₀+U₀₁），D＜D₀，则电极杆保持静止；若小于设定范围，即U＜U₀-U₀₁，则电极杆由进给电机驱动以10mm/min~20mm/min速度向上移动；若大于设定范围，即U＞U₀+U₀₁，D＞D₀，则电极杆由进给电机驱动以10mm/min~20mm/min速度向下移动，完成自动起弧；若起弧时间超出设定的起弧时间T₀的范围且实测弧压U小于起弧电压U₀，电极杆暂停移动，直到熔化过程使实测电压U升高至设定电压U₀。

本发明的有益效果是可以自动精确的控制给定电压和电极杆速度及移动方向，一次起弧成功率高，同比减少起弧时间1%，节能0.5%，在其他参数相同时，成品率提高了0.5%-2%。

附图说明

图1是本发明用于真空自耗电弧炉自动起弧装置的结构示意图。

图2是本发明的流程图。

图中，1.电极杆，2.传动轴，3.差速器/减速机，4.进给电机，5.快速电机，6.齿轮/同步带组件，7.炉室，8.辅助电极，9.炉内焊接起弧区，10.自耗电极，11.熔炼起弧区，12.位移传感器，13.弧压测量引线，14.电机控制器，15.输出模块，16.输入模块，17.可编程控制器，18.信号变送器，19.电压表，20.工控机，21.熔化电源。

U实测弧压，I实测电流，U₀起弧电压，I₀起弧电流，U₁短路电压，T₀起弧时间，D₀弧距，D起弧后的实测弧距，U₀₁弧压变化量，I₀₁电流变化量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，结构如图1所示，包括机械部分与电气控制***。

机械部分包括炉室7，炉室7是一个可打开的有冷却可抽空的封闭腔体，自耗电极10在炉室7底部，自耗电极10的下端面与炉室7底部端面形成熔炼起弧区11；自耗电极10上方设置辅助电极8，自耗电极10与辅助电极8之间是炉内焊接起弧区9；辅助电极8上端与电极杆1连接，炉室7与电极杆1既密封又绝缘还要确保电极杆1在炉室7内移动时连接处阻尼非常小；电极杆1上端与传动轴2相连；传动轴2上端的差速器/减速机3可根据电极杆1载重只连接进给电机4，成为单电机驱动***；传动轴2上端的差速器/减速机3还可以与进给电机4与快速电机5分别连接，成为双电机驱动***。位移传感器12通过齿轮/同步带组件6与传动轴2连接，测量电极杆1的位移信号。

电气控制***包括可编程控制器17，可编程控制器17包括输出模块15、输入模块16、CPU和通信端口。电极杆1和炉室7的外壳分别引出弧压测量引线13，两根弧压测量引线13的另一端与信号变送器18连接，信号变送器18与可编程控制器17的输入模块16连接；电压表19与信号变送器18并联；位移传感器12还与输入模块16连接；输出模块15、输入模块16均与电机控制器14连接；可编程控制器17的通信端口还分别连接有工控机20、熔化电源21。

焊接前自耗电极10与炉室7一起作为熔化电源21的正极，辅助电极8与电极杆1连接作为熔化电源21的负极；焊接后，即辅助电极8与自耗电极10焊接在一起后，电极杆1、辅助电极8、自耗电极10成为熔化电源21的负极，炉室7成为熔化电源21的正极。

在本发明的真空自耗电弧炉自动起弧装置中，实际弧压U的检测通过分别与电极杆1和炉室7的外壳相连的弧压测量引线13到信号变送器18的调理进入可编程控制器17的输入模块16，再经过运算得出，与信号变送器18并联的电压表19可直观显示弧压。实测弧距D通过可编程控制器17及其输入模块16从位移传感器12读取和运算得出。实测电流I通过可编程控制器17的通信端口从熔化电源21的控制器上直接读取。电机控制器14同时与可编程控制器17的信号输出模块15和信号输入模块16连接，执行可编程控制器17对电机的控制命令并向可编程控制器17反馈电机和本机的状态。

本发明用于真空自耗电弧炉自动起弧的控制方法中采用用于真空自耗电弧炉自动起弧装置进行控制，用于真空自耗电弧炉自动起弧装置的结构包括机械部分与电气控制***：

机械包括炉室7，炉室7是一个可打开的有冷却可抽空的封闭腔体，自耗电极10在炉室7底部，自耗电极10的下端面与炉室7底部端面形成熔炼起弧区11；自耗电极10上方设置辅助电极8，自耗电极10与辅助电极8之间是炉内焊接起弧区9；辅助电极8上端与电极杆1连接；炉室7与电极杆1既密封又绝缘，还要保证电极杆1在炉室7内移动时连接处阻尼非常小，此处密封、绝缘，移动阻尼小的结构属于现有技术。电极杆1上端与传动轴2相连；传动轴2上端的差速器/减速机3可根据电极杆1载重只连接进给电机4，成为单电机驱动***；传动轴2上端的差速器/减速机3还可以与进给电机4与快速电机5分别连接，成为双电机驱动***。位移传感器12通过齿轮/同步带组件6与传动轴2连接，测量电极杆1的位移信号。

并且按照以下步骤进行：

步骤1

在起弧前在炉内焊接起弧区9或熔炼起弧区11放好引弧料，炉室7抽至真空，先操作电极杆1升降：

对于双电机驱动***驱动，先开启快速电机5和差速器/减速机3，使传动轴2旋转带动电极杆1和辅助电极8升起，使辅助电极8与自耗电极10相距5mm～30mm，启动熔化电源21和电极杆5自动进给，由进给电机4通过差速器/减速机3和传动轴2驱动电极杆1升降完成弧距弧压控制。

对于单电机驱动***驱动：电极杆1的快速升降和弧压弧距调节进给都用进给电机4通过驱动减速机3，使传动轴2旋转带动电极杆1和辅助电极8升降。

然后在工控机20上设定起弧参数：起弧电压U₀=20V~36V及弧压变化量U₀₁=2V~5V，短路电压U₁=10V~18V、起弧电流I₀=2A~10kA和电流变化量I₀₁=0.5kA~1.5kA，起弧时间T₀=2min~30min、弧距D₀=10mm~60mm；

步骤2

引弧，如图2流程起弧部分所示：刚启动熔化电源21，由于正极与负极相距5mm～30mm，处于开路状态，实测弧压U远大于起弧电压U₀，电极杆1从静止开始加速下降，直到与正极短路，即实测弧压U低于设定的短路电压U₁，电极杆1停止下降，快速上升拉出电弧，起弧后实际电流I从0增加到设定范围内值，即I∈（I₀-I₀₁，I₀+I₀₁），起弧结束；

弧压弧距调节，如图2安全弧距部分所示，在设定的起弧时间T₀内检测实测弧压U与/或实测弧距D是否在设定范围，即是否U∈（U₀-U₀₁，U₀+U₀₁），是否D＜D₀；U、D满足其一即执行：

若在设定范围，即U∈（U₀-U₀₁，U₀+U₀₁），D＜D₀，则电极杆1保持静止；若小于设定范围，即U＜U₀-U₀₁，则电极杆1由进给电机4驱动以10mm/min~20mm/min速度向上移动；若大于设定范围，即U＞U₀+U₀₁，D＞D₀，则电极杆1由进给电机4驱动以10mm/min~20mm/min速度向下移动，完成自动起弧；若起弧时间超出设定的起弧时间T₀的范围且实测弧压U小于起弧电压U₀，为了保证***稳定性，则电极杆1暂停移动，直到熔化过程使实测电压U升高至设定电压U₀。

熔炼时，弧距过长引起电弧的不稳定和杂散，铸锭表面不光滑、气孔多，有螺纹和条状等缺陷；弧距过短容易发生短路，以至自耗电极和铸锭粘上等事故。因此，起始阶段适合弧距的控制非常重要，适合弧距的既可以尽早形成熔池，又可使熔炼过程稳定，铸锭表面缺陷少，成品率高。

本方法中对于这两种电极杆驱动方式，起弧成功率高，弧压稳定并能快速跟随设定的参数，在后续的熔炼过程电极杆进给平稳，弧压控制效果好。使用此方法起弧，减少边弧产生，降低熔炼安全隐患；底垫烧损情况，延长坩埚和底垫寿命，弧距可控，在同样熔化电流，真空度参数下，能尽早形成熔池，提高铸锭的成品率。

实施例1

采用本发明装置的情况下，给钛材进行起弧，工控机上设定起弧参数：起弧电压U₀=20V~26V，弧压变化量U₀₁=2V~3V，短路电压U₁=10V~13V、起弧电流I₀=2A~4kA和电流变化量I₀₁=0.5kA~1.0kA，起弧时间T₀=2min~15min、弧距D₀=10mm~30mm。然后根据上述步骤进行控制。

实施例2

采用本发明装置的情况下，给钛材进行起弧，工控机上设定起弧参数：起弧电压U₀=24V~30V，弧压变化量U₀₁=2V~4V，短路电压U₁=12V~16V、起弧电流I₀=3A~7kA和电流变化量I₀₁=0.5kA~1.2kA，起弧时间T₀=10min~20min、弧距D₀=10mm~40mm。然后根据上述步骤进行控制。

实施例3

采用本发明装置的情况下，给钛材进行起弧，工控机上设定起弧参数：起弧电压U₀=28V~36V，弧压变化量U₀₁=2V~5V，短路电压U₁=14V~18V、起弧电流I₀=6A~10kA和电流变化量I₀₁=1.0kA~1.5kA，起弧时间T₀=18min~30min、弧距D₀=30mm~60mm。然后根据上述步骤进行控制。

Claims

1.一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，其特征在于，包括机械部分与电气控制***；

所述机械部分包括炉室（7），自耗电极（10）设置在炉室（7）底部，自耗电极（10）的下端面与炉室（7）底部端面形成熔炼起弧区（11）；所述自耗电极（10）上方设置辅助电极（8），所述自耗电极（10）与辅助电极（8）之间是炉内焊接起弧区（9）；所述辅助电极（8）上端与电极杆（1）连接，电极杆（1）上端与传动轴（2）相连；传动轴（2）上端设置有差速器/减速机（3）；差速器/减速机（3）连接进给电机（4）成为单电机驱动***或差速器/减速机（3）与进给电机（4）、快速电机（5）分别连接构成双电机驱动***；位移传感器（12）通过齿轮/同步带组件（6）与传动轴（2）连接；

所述电气控制***包括可编程控制器（17），可编程控制器（17）包括输出模块（15）、输入模块（16）、CPU和通信端口；所述电极杆（1）和炉室（7）的外壳分别引出弧压测量引线（13），两根弧压测量引线（13）的另一端与信号变送器（18）连接，信号变送器（18）与可编程控制器（17）的输入模块（16）连接；电压表（19）与信号变送器（18）并联；位移传感器（12）还与输入模块（16）连接；输出模块（15）、输入模块（16）均与电机控制器（14）连接；可编程控制器（17）的通信端口还分别连接有工控机（20）和熔化电源（21）；

其控制方法按照以下步骤进行：

步骤1、

在起弧前在炉内焊接起弧区（9）或熔炼起弧区（11）放好引弧料，炉室（7）抽至真空，操作电极杆（1）升降：

其中，对于单电机驱动***驱动：电极杆（1）的升降和弧压弧距调节进给都用进给电机（4）通过驱动减速机（3），使传动轴（2）旋转带动电极杆（1）和辅助电极（8）升降，使辅助电极（8）与自耗电极（10）相距5mm～30mm；

对于双电机驱动***驱动，先开启快速电机（5）和差速器/减速机（3），使传动轴（2）旋转带动电极杆（1）和辅助电极（8）升起，使辅助电极（8）与自耗电极（10）相距5mm～30mm，启动熔化电源（21）和电极杆（5）自动进给，由进给电机（4）通过差速器/减速机（3）和传动轴（2）驱动电极杆（1）升降完成弧距弧压控制；

然后在工控机（20）上设定起弧参数：起弧电压U₀=20V～36V，弧压变化量U₀₁=2V～5V，短路电压U₁=10V～18V，起弧电流I₀=2A～10kA，电流变化量I₀₁=0.5kA～1.5kA，起弧时间T₀=2min～30min，弧距D₀=10mm～60mm；

步骤2、

引弧：刚启动熔化电源（21），电极杆（1）从静止开始加速下降，直到与自耗电极（10）短路，即实测弧压U低于设定的短路电压U₁，电极杆（1）停止下降，快速上升拉出电弧，起弧后实际电流I从0增加到设定范围内值，即I∈（I₀-I₀₁，I₀+I₀₁），起弧结束；

若在设定范围，即U∈（U₀-U₀₁，U₀+U₀₁），D＜D₀，则电极杆（1）保持静止；若小于设定范围，即U＜U₀-U₀₁，则电极杆（1）由进给电机（4）驱动以10mm/min～20mm/min速度向上移动；若大于设定范围，即U＞U₀+U₀₁，D＞D₀，则电极杆（1）由进给电机（4）驱动以10mm/min～20mm/min速度向下移动，完成自动起弧；若起弧时间超出设定的起弧时间T₀的范围且实测弧压U小于起弧电压U₀，电极杆（1）暂停移动，直到熔化过程使实测电压U升高至设定电压U₀。

2.根据权利要求1所述的一种用于真空自耗电弧炉自动起弧装置，其特征在于，所述炉室（2）为可打开有冷却可抽空的封闭腔体。