直流真空熔炼是稀贵金属和高级合金钢熔炼时的常用技术，与该技术相匹配的装备主要包括两个主要部分：供电直流电源和真空熔炼炉。而真空熔炼炉中比较常见的类型有两类：浇铸模型件的真空浇铸凝壳炉和以熔锭为主的真空自耗电极电弧炉。
1 直流真空熔炼炉的工作原理以及直流电源的标准
真空自耗电极凝壳炉和真空自耗电极电弧炉具有相同的工作流程，即工作过程中自耗电极主要包括起弧和熔炼两个阶段，两者的不同点主要体现在对熔化炼锭的要求不同。自耗电极熔炼炉在对化料成品率进行提高的过程中，在成品锭熔化快要结束时，需要补缩技术加入其中，且额定电流的工作时间需达到1h以上。凝壳炉熔化的主要目的是精密铸造，其工作时间较短，通常在十几分钟内即可完成，熔化过程中电流的密度需要非常大。其工作原理详见图1。
图1 真空熔炼炉的结构和工作原理图示
综上所述，直流真空熔炼炉使用的直流供电电源一定要满足以下三点要求：
（1）具有最佳的空载起弧电压。国内最早使用的起弧电压为82V，这是由德国人创造的，经过不断的研究和探索，现如今我国已将凝壳炉降到65V，将自耗炉降到50V。
（2）稳流特性需要较硬。在稳流特性比较好的情况下，直流电压会比较稳定。
（3）保护性能一定要快速。在出现特殊情况时，能快速及时地切断熔炼电源供电。
2 直流电源输出电压、电流的大小及稳定性
通过分析图1可发现，电流稳定性对直流熔炼炉供电电源输出的电压起到了至关重要的促进作用，主要表现在以下6点：
（1）对直流供电电源本身的闭环具有一定的调节作用。
（2）影响弧压的变化。
（3）影响被熔化金属锭与坩锅内径之间的误差。
（4）影响炉内真空度。
（5）影响坩锅冷却水温。
（6）影响熔炼电流的大小。
经过分析电源对真空熔炼炉造成的影响，直流电源电压电流稳定性受到的影响主要通过以下5点表现出来：
（1）直流电源本身的调节性能主要受供电直流电源方法的直接影响，经常使用的方法包括整流变压器二次侧晶闸管相控整流和整流变压器一次饱和电抗器一次侧调压两种策略。由于隶属于电磁调节的范畴，所以调节的响应时间一般使用秒级来计算，所以就给直流电流的稳定性造成了严重的影响，使用过程中输出的直流电压与电流的波动非常明显。在使用整流变压器二次侧晶闸管对整流进行控制时，闭环调节器的反应时间通常使用毫秒级来表示，所以当闭环调节器的参数稳定以后，调节器快速调节的性能就得到了较好的体现。弧压出现较强烈的波动时，调节器稳流特性得到了较好的体现，电流的稳定主要是通过直流电源输出电压快速变化而实现的。
（2）当炉内真空度逐渐提高时，已熔化金属和被熔化电极之间的电阻就会逐渐减小，波动与真空度可认为是等效电阻波动，因此电流和电压也会出现波动。
（3）坩锅冷却水进水温度对直流电源输出的电压和电流的稳定性不会造成严重的影响，但却会给熔化电流的大小造成一定的制约。在熔化的过程中，被熔化金属在流入坩锅时，主要是以液态的形式完成的。坩锅外面流动的水是比较冷的，当水温越低时，与坩锅内壁相接处的金属就实现快速的冷却，而坩锅中间的金属就会冷却得比较慢。
（4）弧压主要是指在熔化时，位于坩锅中的金属溶液上端面与被熔化电极之间的电压大小。对于相同的电流来说，熔化功率越大，则电流下弧压就会越高，此时熔化速率也就会越迅速。弧压越高，就会使等效电弧的长度出现不断的延长，详见图2。坩锅内壁与熔化金属锭之间的距离使用δ来表示，将有稳弧线圈标注清楚。在受到磁场的作用下，金属溶液在旋转的过程中，靠近坩锅位置的液面会比较高，中心位置液面会比较低。分析图2可发现，熔化速度越快就会使弧压不断升高。当图2中的δ达到一定值时，当弧压值达到较好的数值时，就会出现图3侧弧情况，还会使坩锅熔化较快，导致一些意外事故发生，所以熔炼的正确情况为短弧熔炼，熔炼时，采取大电流低弧压的形式，这就要求弧长L的取值一定要比图2中δ的取值小，从而实现最佳的效果。
图2 熔化时电弧的分布图示
图3 弧压太高导致侧弧出现的图示
（5）稳弧电流和稳弧线圈的大小。要想使图3的情况不再出现，在设计炉体时，对电流的方向进行控制时，在稳弧线圈里面使用直流电流产生磁场来对其进行控制，在水套外壁缠绕稳弧线圈，从而使电弧更加紧密。在图2中，电流的流动方向和稳弧线圈全部标注清晰，从而使电流方向与磁场方向出现相同的情况，因此对电弧的发散起到了一定的约束作用，从而使稳弧电流不断增大，电弧的约束力就会增加，稳弧电流不断地增加就会使电极杆发生控心熔炼的情况，也就是图2中的△L不断增加。
3 坩锅比与熔炼直流电源电压、电流稳定性的关系
坩锅比主要是指真空熔炼炉需要熔炼的金属锭直径与坩锅内径之间的比值，如果使用d1来表示金属锭的直径，使用d2来表示坩锅的内径，使用σ来表示增锅比，坩锅比就可以使用公式（1）进行体现。
σ=d1/d2（1）
经分析图2可发现，坩锅比与σ的大小比较接近，δ逐渐地增大，则σ就会不断地减小。
3.1 坩锅比对电压电流稳定性造成的影响
当熔化电流和稳弧电流出现数值比较接近时，坩锅比会不断地减小，图2中的δ就会不断增大。坩锅外面全部都是冷却水，坩锅的主要材质是铜金属，δ里面是空气，从温度场的角度进行分析，图2中弧区中心温度越高，接近坩锅位置的温度就会越低，坩锅温度也会比较低，因此δ就会比较大。
（1）坩锅自身会将一些热量散失掉。
（2）在熔化时，为了使熔炼炉内真空度和炉体配套真空系统得到满足，需使用泵持续的进行真空抽取，这就使δ区的散热得到不断增快，所以金属锭接近坩锅外部区域的温度就会不断地降低，而金属锭的中心温度则会不断提高，使金属锭的中心熔化速度不断地加快，然而外壁熔化的速度就会表现得比较慢。
3.2 实验操作
在对上述情况进行认真核对时，使用了60kA/80V的凝壳炉电源，这是我国首套自发研制的设备，对500kg凝壳炉和150kg凝壳炉中坩锅比进行了认真的试验，其电源系统主要是由两台30kA的6脉波可控整流直流电源进行并联，从而实现12脉波的电源效果，对多次试验中电脑获取的最具有代表性的电压电流波形进行分析，金属锭的外径为中Φ270，坩锅内径则达到了中Φ450，其坩锅比σ则大约为0.6左右。金属锭外径为中Φ340，坩锅内径则达到了中Φ460，其坩锅比σ则大约为0.7。前者电流为30kA，后者电流则使用了3个台阶，即30kA、35kA和40kA。前者的弧压平均值大约为47V，并出现了大面积的波动；后者的弧压平均值大约为41V，并出现了小面积的波动。前者的模拟电压波动频率比较高，后者的模拟电压波动频率比较低。
4 结语
综上所述，在真空熔炼时，使用直流电源来对整流变压器二次相控的整流电流进行闭环管理的方法非常好。在真空熔炼时，对直流电源输出电流和电压的稳定性造成影响的因素非常多，其中对电流稳定性和弧压造成影响的最大因素就是坩锅比。国内坩锅比的数值范围一般在0.6～0.75之间，从稳定输出和节能的角度进行分析，坩锅比的最佳值应该比较接近0.75。对于凝壳炉或者是自耗炉来说，坩锅内壁到外沿的最佳间距值为5～6cm。
参考文献
[1]李宏．常用电力电子变流设备的调试与维修基础[M]．北京：科学出版社，2011.
[2]李宏，谭建琦．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[J]．真空，2012，（6）.
收稿日期：2017-12-10
作者简介：李增锋（1974-），男，辽宁沈阳人，洛阳中钛航宇科技有限公司工程师，研究方向：生产管理。
