微机在稀有金属真空电弧熔炼中的应用张乃禄李力王树青张水利（宝鸡有色金属加工厂，宝鸡７２ １０１４）摘要真空自耗电弧炉是熔炼钛、锆等稀有金属的主要工业手段，如何提高熔炼工艺水平 ，保证产品质量，提高经济效益，已成为稀有金属行业广泛关注的问题。将微机应用于其熔炼过程 控制具有非常重要意义。本文结合研制的微机控制系统，对工艺、设备特点、系统硬件，软件及应 用技术进行讨论。关键词稀有金属真空熔炼微机过程控制真空自耗电弧炉（ＶＡＲ）是目前熔炼钛 及稀有金属的主要工业方法，以完成从海绵状原料到高纯致密铸锭的生产，其熔炼过程是一个极复 杂的冶炼过程［１～２］。随着微机和自动检测与控制技术的进步，真空自耗电弧炉熔炼过程自动 调节与控制得到很大发展。以美国ＣＯＮＳＡＲＣ公司和德国ＬＥＹＢＯＬＤ公司为代表的真空自 耗电弧炉微机自动熔炼控制系统，已广泛应用于各主要工业国家［３］，国内这方面的研究甚少［ ４～５］，熔炼尚停留在依赖人工经验和常规仪表控制，人为因素较大，难以提高和控制产品质量 。因此，将工业微机应用于稀有金属及钛的真空熔炼过程具有重要的意义。本研究结合自行设计的 ６ｔ真空自耗电弧炉及工艺特点，介绍以工业微机为核心的熔炼过程自动化控制系统在稀有金属熔 炼过程中的应用。１稀有金属真空熔炼工艺特点真空自耗电弧炉（ＶＡＲ）是最早作为高活性钛及 合金熔炼与重熔的主要工业方法之一，其主要特点是在真空状态下，把待熔炼材作为自耗电极，使 它与熔池之间产生电弧，电弧的热量使自耗电极熔化，熔液在水冷坩埚中凝固成形。真空熔炼通常 分为三个阶段完成，即启弧、熔炼、补缩。启弧时，通过控制熔化电流和弧距，形成稳定的放电电 弧，建立熔池。熔炼阶段，即进入正常熔炼，需要严格控制熔炼过程的工艺参数，确保熔炼过程处 于最佳状态。为了减少铸锭头部缩孔和疏松，促进头部气体和夹杂物的排除，减少切头量，在熔炼 的后期需进行多级补缩，低电流保温。因此，用人工方法和常规仪表控制很难达到要求，若采用微 机进行熔炼过程监督控制，实现熔炼主要工艺参数检测与控制，尤其是实现熔化弧长、熔化速率、 电弧电压、熔化电流、补缩电流全过程优化控制，将最大限度确保铸锭的质量。２控制系统的方案 设计与系统组成本系统在方案设计上，结合真空自耗电弧炉实验情况，提出常规模拟控制系统与微 机自动化熔炼控制系统并存，采用单微机监督和控制系统（ＳＣＣ）［６］。在微机控制系统中， 熔化速率控制依据工艺设定的熔化速率曲线与实际检测的速率，由微机处理控制模拟调节熔化电源 来进行，熔化弧长（弧压）依据工艺设定弧长（弧压）控制模拟调节系统与电动执行机构，实现熔 化速率与弧长控制。根据系统方案设计，控制系统组成如图１所示。真空熔炼炉周围具有很强的磁 场和大电流干扰，为此主机选用工业“太极２８６”，监示器选用美国ＩＢＭ工业增强型ＣＲＴ， 并配置了ＰＣ总线控制扩展箱。２块ＭＳ１２３０Ａ模块实现１６路模拟信号的双通道输入检测， １６路Ａ／Ｄ分辨为１２位。４块ＭＳ４２０２光隔Ｉ／Ｏ板，完成开关量和数字量的输入输出功 能。ＭＳ４４０４脉冲计数板，完成计数功能。微机过程控制系统能否发挥作用的关键是可靠性和 抗干扰能力。系统采用多点供电，针对现场强电磁场干扰，采用独特的屏蔽接地，并对系统主机、 接口箱、信号传输采取强屏蔽，模拟信号均采用电流传输（４ｍＡ～２０ｍＡ或０～２０ｍＡ）和 电磁隔离，数字信号和开关量及脉冲信号采用接点转换隔离。在软件上采用数字滤波等特殊措施。 图１微机系统组成图Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕ ｔｅｒｓｙｓｔｅｍ３控制策略分析与软件设计真空自耗电弧炉熔炼过程中，主要实现对熔化电弧 长度、熔化速率及与之相应的熔化电流、电弧电压等参数的控制。确定控制策略、建立控制模型与 控制器非常关键，国外大都采用熔化速率与弧长控制，为此我们提出熔化速率与弧长、熔化电流与 弧长、熔化电流与弧压控制三种控制模式，控制器采用复合ＰＩＤ－Ｆｕｚｚｙ结构。系统控制器 设计基于如下考虑：ＰＩＤ在小偏差范围内，控制精度高、稳定性好；模糊Ｆｕｚｙ控制在模型不 完善和偏差扰动较大时，具有良好的效果。两者结合补充各自不足，可达到最佳效果。即大偏差范 围，由Ｆｕｚｚｙ控制；小偏差范围，由ＰＩＤ控制。通过各模糊变量的赋值表及模糊关系，可离 线计算得到控制表，微机实时查询控制。同时，对不同的控制对象（熔化速率、熔化电流、弧长、 弧压），Ｆｕｚｚｙ控制的量化因子Ｋｅ、Ｋｃ、比例因子Ｋｖ需要调整。应用软件采用模块化结 构设计，选用Ｑｕｉｃｋ－Ｃ语言作为开发环境，主程序流程如图２所示［７］。图２主程序流程 图Ｆｉｇ．２Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ控制器软件实现流程如图３所示。 图３Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器软件实现流程图Ｆｉｇ．３ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＦｕｚｚｙ－ ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｅｒ′ｓｐｒｏｇｒａｍ４系统调试与仿真在仿真实验中，模拟回路（三路 电源，一路弧长）采用一阶模型。其中电流为Ｇ（ｓ）＝１／（１＋２ｓ），弧长调节回路为Ｇ（ ｓ）＝１／（１＋５ｓ），熔炼对象为二阶模型：Ｇ（ｓ）＝１／［（１＋２．３ｓ）＊（１＋５ ｓ）］Ｇ（ｓ）＝０．２２／ｓ，控制设定机构为：Ｇ（ｓ）＝０．２２／ｓ，Ｇ（ｓ）＝１．４ ｓ，控制器参数：Ｋｐ＝２．０，Ｋｉ＝１．５，Ｔｓａｍ＝２．０，Ｔｃｏｎ＝０．５。Ｋｅ、 Ｋｃ、Ｋｎ初值为：Ｋｅ＝１３，Ｋｃ＝１３，Ｋｎ＝５。仿真效果良好。５结束语通过生产运行 表明：将微机应用于稀有金属真空电弧熔炼，可实现熔炼电极称重，熔化速率检测，熔化速率与熔 化弧长自动控制，以及熔化过程主要工艺参数采集、显示、打印记录。对改善和提高生产工艺水平 ，保证铸锭质量具有显著效果。这一系统研究在真空熔炼及相关领域具有广泛的应用前景。参考文 献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ１ＷｉｚｋｌｅｒＯ，ＢａｋｉｓｈＲ．ＶａｃｕｕｍＭｅｔａｌｕｒｇ ｙ（真空冶金学）．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＳｈａｎｇｈａｉＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ，１９８２；３５０～３７４２ＦｒａｎｋＪ，Ｚａｎｎｅｒ．ＶａｃｕｕｍＡＲＣＲ ｅｍｅｌｔｉｎｇ－ａｎＯｖｅｒｖｉｅｗ．８ｔｈＩＣＶＭ，１９８６；５１２～５５２３Ｔｈ ｏｎａｓＷ．ＵｓｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｉｎＶａｃｕｕｍＭｅｌｔｉｎｇａｎｄＣａｓｔ－ｉ ｎｇＦｕｒｎａｃｅ．８ｔｈＩＣＶＭ，１９８６；１４６９～１４８７４ＺｈａｎｇＮａｉｌｕ （张乃禄），ＲｅｎＹｕａｎ（任源），ＷｕＸｉａｏｍｉｎ（吴效民）ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｕｔ ｅｒＧｒｏｕｐＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇＦｕｒｎａ ｃｅｆｏｒＲａｒｅＭｅｔａｌｓ．ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅ ｅｒｉｎｇ（稀有金属材料与工程），１９９４；２３（４）：７７５ＬｉｕＨａｉｍｉｎｇ（刘 海明）ｅｔａｌ．ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇ（稀 有金属材料与工程），１９９５；２４（２）：７６６ＷａｎｇＣｈａｎｇｌｉ（王常力）．Ｄｅ ｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＩｎｄｕｓ－ｔｒｉａｌＣｏｍｐｕｔｅｒＳｙｓｔ ｅｍ（工业控制计算机系统设计与应用）．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｄｕｓ ｔｒｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，１９９３７ＧｏｎｇＺｈａｏｙｕ（宫照宇），Ｍｉｃ ｒｏｓｏｆｔＱｕｉｃｋ－Ｃ（１－３）．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＢｅｉｊｉｎｇＮａｔｉｏｎａｌＤ ｅｆｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，１９８９（收稿日期１９９７年７月１９日）（ 编辑石应江）ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｔｏＶａｃｕｕｍＡｒｃＲｅｍｅｌ ｔｉｎｇ（ＶＡＲ）ｏｆＲａｒｅＭｅｔａｌｓＺｈａｎｇＮａｉｌｕ，ＬｉＬｉ，ＷａｎｇＳｕ ｑｉｎｇ，ＺｈａｎｇＳｈｕｉｌｉ（ＢａｏｊｉＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＷｏｒｋｓ， Ｂａｏｊｉ７２１０１４）ＡｂｓｔｒａｃｔＶａｃｕｕｍＡｒｃＲｅｍｅｌｔｉｎｇ（ＶＡＲ） ｉｓａｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｏｆｍｅｌｔｉｎｇｔｉｔａｎｉｕｍａｎｄｚｉｒｃｏｎｉｕｍｅ ｔｃ．ｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｗｉｔｈｒｅｑｕｒｅｄｔｏｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｏｆｒａｒｅ ｍｅｔａｌｓｔｈｅｍａｊｏｒｉｓｓｕｅｓａｒｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｅｌｔ ｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｓｕｒａｎｃｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔ ｒｏｌｉｓｏｆｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｉｎｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔ ｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｓｙｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒｅ，ｓ ｏｆｔｗａｒｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏ ｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎ ｄｅｔａｉｌ．ｋｅｙｗｏｒｄｓｒａｒｅｍｅｔａｌｓ，ｖａｃｕｕｍｍｅｌｔｉｎｇ，ｃｏｍ ｐｕｔｅｒ，ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏ微机在稀有金属真空电弧熔炼中的应用@张乃禄@李力 @王树青@张水利$宝鸡有色金属加工厂稀有金属,真空熔炼,微机,过程控制真空自耗电弧炉是 熔炼钛、锆等稀有金属的主要工业手段，如何提高熔炼工艺水平，保证产品质量，提高经济效益， 已成为稀有金属行业广泛关注的问题。将微机应用于其熔炼过程控制具有非常重要意义。本文结合研制的微机控制系统，对工艺、设备特点、系统硬件，软件及应用技术进行讨论。１ＷｉｚｋｌｅｒＯ，ＢａｋｉｓｈＲ．ＶａｃｕｕｍＭｅｔａｌｕｒｇｙ（真空冶金学）．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＳｈａｎｇｈａｉＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，１９８２；３５０～３７４
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