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真空电弧重熔炉 技术文档专题

2020-09-11 12:00:32

  真空电弧重熔炉 内容一:

  一种摆放真空电弧重熔炉结晶器的支架

  第一、技术领域

  本实用新型属于冶炼设备技术领域,涉及一种摆放真空电弧重熔炉结晶器的支架。

  第二、背景技术

  真空电弧重熔炉结晶器由于自身高度及重量,大多数支架为单一支架,即使用角钢和槽钢焊接完成,结构单一,承载能力较差,两组结构为一体,一字排开,因此支架的数量和占用的空间完全取决于结晶器的数量,结晶器的数量越多,支架的数量也就越多,支架占用的空间也就越大。以XX厂为例,该厂配有真空自耗熔炼炉12台,每台真空自耗熔炼炉配备双炉头,每个炉头需配备2个结晶器来保证工作的稳定性,共计结晶器48个。因此该厂的结晶器支架占用了大量的车间空间。员工将一个结晶器从炉头中吊出后进行脱锭处理并安放至结晶器支架需要15分钟,当一台炉子的2个结晶器全部放置并检查完毕需耗时40分钟。真空自耗熔炼炉越多,涉及到的结晶器就越多,在吊运和检查结晶器时需要花费大量人力、物力,严重影响工作效率。总体而言,单一支架具有以下缺点:结构单一、承载能力差。数量多,占用空间大。工人吊运结晶器难度大,耗费时间多,工作效率低。检测维修时间较长。无保护措施。

  第三、发明内容

  本实用新型的目的在于提供一种摆放真空电弧重熔炉结晶器的支架,能解决结构单一、承载能力差。数量多,占用空间大的问题,且工作效率高。

  按照本实用新型提供的技术方案:一种摆放真空电弧重熔炉结晶器的支架,包括置纳框架,所述置纳框架上安装悬挂板,所述置纳框架一侧安装楼梯;所述置纳框架包括立柱,所述立柱通过顶部设置竖梁进行连接,所述竖梁中部横向连接横梁。

  作为本实用新型的进一步改进,所述悬挂板包括悬挂卡口,所述悬挂卡口设置在所述悬挂板两侧,所述悬挂卡口中间为走道面板。

  作为本实用新型的进一步改进,所述走道面板为扁豆型花纹板。

  作为本实用新型的进一步改进,所述悬挂板四周安装护栏。

  作为本实用新型的进一步改进,所述所述竖梁与所述横梁形成置纳腔,所述悬挂卡口设置在所述置纳腔的上方。

  作为本实用新型的进一步改进,所述所述悬挂卡口为半腰槽型。

  作为本实用新型的进一步改进,所述悬挂卡口边缘包裹橡皮垫。

  作为本实用新型的进一步改进,所述立柱之间设置斜撑。

  作为本实用新型的进一步改进,所述横梁位于处于中间位置的所述立柱的顶部。

  作为本实用新型的进一步改进,所述悬挂卡口上设置隔离挡板。

  本实用新型与现有技术相比,具有如下优点:

  本实用新型,承载能力较强,结构紧凑节省空间,提高工作效率,检测维修方便。

  第四、附图说明

  图1为本实用新型的正视结构示意图。

  图2为本实用新型的侧视结构示意图。

  图3为本实用新型置纳框架的结构示意图。

  图4为本实用新型悬挂板的结构示意图。

  第五、具体实施方式

  下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

  图1中,包括悬挂板1、悬挂卡口1-1、走道面板1-2、楼梯2、立柱3、竖梁4、横梁5、置纳腔6、护栏7、楼梯栏杆8、斜撑9等。

  如图1-2所示,本实用新型是一种摆放真空电弧重熔炉结晶器的支架,包括置纳框架,置纳框架上安装悬挂板1,置纳框架一侧安装楼梯2。

  如图3所示,置纳框架包括立柱3,立柱3为阵列设置,立柱3底部通过立柱底板及螺栓连接地面。如图3所示,位于同一纵向的立柱3通过顶部设置竖梁4进行连接,竖梁4中部横向连接横梁5。竖梁4与横梁5形成置纳腔6。

  如图4所示,悬挂板1包括悬挂卡口1-1,悬挂卡口1-1为半腰槽型,悬挂卡口1-1设置在悬挂板1两侧,置纳腔6的上方。悬挂卡口1-1中间为走道面板1-2,走道面板1-2为扁豆型花纹板,防止检查人员在工作时滑倒。

  悬挂板1四周安装护栏7,保证检查人员的安全。

  横梁5位于处于中间位置的立柱3的顶部。

  楼梯2两侧安装楼梯栏杆8。

  悬挂卡口1-1边缘包裹橡皮垫,防止结晶器在吊挂过程中撞到悬挂板1。

  立柱3之间设置斜撑9来增加置纳框架的强度。

  悬挂卡口1-1上设置隔离挡板,阻止结晶器表面与其直接接触,造成表面锈迹现象。

  本实用新型的工作过程如下:

  将结晶器吊至悬挂板1上方后将结晶器上部卡入悬挂卡口1-1,结晶器下部悬挂在置纳腔6中。检查人员先检查结晶器下部,然后检查人员从楼梯2走入悬挂板1上,对结晶器上部进行检查。

  真空电弧重熔炉 内容二:

  一种真空电弧重熔炉

  第一、技术领域

  本发明涉及一种用于金属熔炼领域的真空熔炼炉。

  第二、背景技术

  真空电弧重熔是一种利用电弧作热源,在真空条件下熔炼金属的真空熔炼技术。

  在无渣及真空条件下,金属电极在直流电弧的高温作用下迅速熔化并在水冷铜结 晶器内进行再凝固。当液态金属以薄层形式形成熔滴通过近5000K的电弧区域向结晶器中 过渡以及在结晶器中保持和凝固的过程中,发生一系列的物理化学反应,使金属得到精炼, 从而达到净化金属、改善结晶结构、提高性能的目的。

  但是采用这样的真空熔炼技术,在熔炼过程中会在熔炼腔内产生不可控的磁场搅 拌,无法对熔炼腔内正在熔炼的晶体进行人工控制,晶体熔炼的精度和质量无法保证。

  第三、发明内容

  本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种真空电弧重熔炉,它的结构 紧凑,能够在进行真空熔炼的过程中,最大程度的减少不可控磁场搅拌,提高了金属熔炼的 精度。

  实现上述目的的一种技术方案是:一种真空电弧重熔炉,包括可活动炉头和静态 熔炼站。

  所述可活动炉头通过支撑机构与驱动支架连接;

  一根导电料杆自上而下贯穿所述可活动炉头的中央,并与所述可活动炉头连接;

  所述导电料杆与驱动支架连接;

  所述静态熔炼站包括铜制结晶器和不锈钢水冷套;

  所述铜制结晶器可移动的放置在所述不锈钢水冷套中,所述不锈钢水冷套固定在 所述活动炉头的下方;

  所述不锈钢水冷套为桶形;所述不锈钢水冷套上部设有一个冷却水入水口;所述 不锈钢水冷套的底部设有一个冷却水出水阀门;

  所述不锈钢水冷套的外侧表面缠绕有电缆。

  进一步的,所述不锈钢水冷套与整流供电系统和辅助水系统连接。

  进一步的,所述电缆为单芯尼龙护套电缆。

  进一步的,所述电缆在所述不锈钢水冷套的外侧表面的缠绕方法是采用双绕组线 圈绕法进行绕制。

  本发明的一种真空电弧重熔炉,包括可活动炉头和静态熔炼站;通过支撑机构与 驱动支架连接;一根导电料杆自上而下贯穿所述可活动炉头的中央,并与所述可活动炉头 连接;所述静态熔炼站包括铜制结晶器和不锈钢水冷套;所述铜制结晶器可移动的放置在 所述不锈钢水冷套中,所述不锈钢水冷套固定在所述活动炉头的下方;所述不锈钢水冷套 的外侧表面缠绕有电缆。本发明的一种真空电弧重熔炉在熔炼过程中,在静态熔炼站的不 锈钢水冷套外侧表面缠绕的电缆通过电流,从而产生磁场,向熔炼腔内正在熔炼的金属施 加横向力,从而实现对熔炼腔内的磁场搅拌进行人工控制,提升了熔炼精度,增加了产品的 可用量。

  第四、附图说明

  图1为本发明的一种真空电弧重熔炉的结构示意图。

  第五、具体实施方式

  为了能更好地对本发明的技术方案进行理解,下面通过具体地实施例并结合附图 进行详细地说明:

  请参阅图1,本发明的一种真空电弧重熔炉,包括可活动炉头1和静态熔炼站6。

  可活动炉头1通过支撑机构8与驱动支架3连接。

  导电料杆2自上而下贯穿可活动炉头1的中央,并与可活动炉头1连接。导电料杆2 同时与驱动支架3连接。

  静态熔炼站6包括铜制结晶器4和不锈钢水冷套5。

  铜制结晶器4可移动的放置在不锈钢水冷套5中,不锈钢水冷套5固定在活动炉头1 的下方。

  不锈钢水冷套5为桶形;不锈钢水冷套5上部设有一个冷却水入水口;不锈钢水冷 套5的底部设有一个冷却水出水阀门。

  不锈钢水冷套5的外侧表面缠绕有电缆51。不锈钢水冷套5与整流供电系统和辅助 水系统7连接。电缆51为单芯尼龙护套电缆。电缆51在不锈钢水冷套5的外侧表面的缠绕方 法是采用双绕组线圈绕法进行绕制。

  启动本发明的真空电弧重熔炉之前,先将电极放入铜制结晶器4内。特种钢和合金 钢电极是之前在大气下或真空下浇注好的;对于像钛那样的活性金属,电极事先由海绵钛 压制好或由电子束炉、等离子炉熔炼出来。可活动炉头1通过驱动支架3的牵引放置至铜制 结晶器4,上形成一个密封的真空熔炼室,电极被夹紧到导电料杆2上,导电料杆2可提升电 极。

  一旦真空熔炼室形成,就可激活直流电源。控制系统自动调节可消耗电极(负极) 与铜制结晶器4底板之间的大电流电弧,在底板上迅速地形成一个金属熔池。熔炼电极与金 属熔池(电弧间隙)之间要保持精确的电弧长度,并且建立可控制的熔化率。金属熔滴通过 电弧间隙滴入熔池,并暴露于真空环境及温度极高的电弧区。以消除不溶气体、挥发残余杂 质,改善了氧化物清洁度。采用铜制结晶器4放置在不锈钢水冷套5中,使金属熔滴形成的金 属熔池以定向方式凝固。如果熔速和弧长控制得好,这种可控的定向凝固将防止严重偏析 并减少微偏析,从而提高凝固锭子的性能。到了熔炼后期,由于控制好了热封顶,将大大增 加产品的可用量。

  不锈钢水冷套5外侧表面的电缆51采用双绕组线圈绕法,利用并联绕组降低损耗 压降的办法进行绕制。设计理念依据以毕奥-萨伐尔定律为基础进行研发。在静磁学中,毕 奥-萨伐尔定律(英文:Biot-SavartLaw)描述电流元在空间任意点P处所激发的磁场。

  定律文字描述:电流元Idl在空间某点P处产生的磁感应强度dB的大小与电流元I dl的大小成正比,与电流元Idl所在处到P点的位置矢量和电流元Idl之间的夹角的正弦 成正比,而与电流元Idl到P点的距离的平方成反比。毕奥-萨伐尔定律是由H.C.奥斯特实 验引起的,这个实验表明,长直载流导线对磁极的作用力是横向力。为了揭示电流对磁极作 用力的普遍定量规律,J.B.毕奥和F.萨伐尔认为电流元对磁极的作用力也应垂直于电流元 与磁极构成的平面,即也是横向力。他们通过长直和弯折载流导线对磁极的作用力的实验, 得出了作用力与距离和弯折角的关系。

  有了以上理论基础,我们根据实际情况,首先得出钢液搅拌所需的磁场力大小,根 据磁场力计算得出电压,电流,最终确定电缆51规格。

  本发明采用电极称重系统数据来提高过程控制精度;冶炼炉采用同轴导电设计的 专有技术,最大程度地减少了不可控磁场的搅拌;完全计算机化的控制保证了产品质量的 一致性,同时设备操作非常方便。

  本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明, 而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上所述实施例的变 化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

  真空电弧重熔炉 内容三:

  用于基于功率输入控制真空电弧重熔炉的系统和方法

  第一、技术领域

  本公开大体涉及真空电弧重熔,更具体地,涉及在真空电弧重熔 过程中使用的控制系统。

  第二、背景技术

  真空电弧重熔(vacuum arc remelting,VAR)过程通常作为二次 熔炼过程用于生产金属锭。通过对金属锭采用VAR过程,在VAR过 程中生产的所得锭可具有提高的化学均匀性和/或机械均匀性,这对于 苛刻工业应用中使用的金属很受期待。另外,由于在VAR过程期间金 属固化时间会校短,所以使用VAR过程可允许更好地控制锭金属的微 观结构特征。通常通过VAR过程重熔的示例性金属可包括但不限于包 括镍、钛、钢以及衍生自这些金属或其它金属的任何合金。

  VAR过程可使用VAR炉,VAR炉使用直流(DC)电力来重熔真 空室内的金属。VAR炉可包括熔化室和可移动的冲头件,其中可移动 冲头件连接至DC电源。待重熔的金属可作为连接至可移动冲头件的 电极来开始VAR过程。重熔的金属可在熔化室内在水冷铜坩埚中重熔为锭。为了提供含有可忽略的氧含量的环境和从熔化室排出杂质,VAR 炉可包括真空源,其中氧含量可与熔化金属反应。另外,在一些VAR 炉中,包括冷却系统以从熔化室中提取热量。

  VAR系统的控制可基于控制电极尖端部与在重熔期间在坩埚和/ 或坩埚顶部形成的熔池之间的电弧间隙。在VAR实践中,已观察到的 是,在VAR过程期间保持相对恒定的电弧间隙可有助于提供始终如一 的重熔结果。因此,VAR过程的控制可至少部分地基于控制电弧间隙。 然而,在该过程本身期间,物理地观察电弧间隙通常不切实际或无法 做到,因此,可基于更易于获得的其它数据来确定或导出电弧间隙。 例如,一些控制方法确定了电弧长度和电弧电阻(例如,由电弧引起 的电压降)具有相关性。

  另外,已观察到的是,在重熔过程期间,在重熔期间发生短时间 短路(例如,几毫秒)。另外,观察到的是,短路的频率与电弧间隙有 关。这种信息可用于控制和/或维持电弧间隙。在现有控制方法中,已 选择功率输入来获得所需熔化速率,同时改变冲头件的速度以动态控 制和/或维持电弧间隙。

  然而,在期望所得锭具有大直径(例如,大于750毫米)的VAR 过程期间,由于随着电极直径的增大而对于电弧间隙的相同变化需要 熔化的金属越来越多,所以冲头件速度控制可能很难和/或控制所述速 度可导致电弧间隙的不准确控制。因此,需要用于VAR过程的改进控 制系统,在该改进控制系统中可独立于冲头件速度的调节来控制电弧 间隙。

  第三、发明内容

  根据本公开的一方面,公开了一种用于金属的真空电弧重熔 (VAR)过程的控制系统。VAR过程可使用VAR炉,VAR炉可包括坩 埚、冲头件、真空室和真空源,其中金属形成的锭在坩埚中形成,冲 头件与由金属形成的电极可操作地相关联,真空源与真空室相关联。 该系统可包括直流(DC)电源、冲头件驱动器、滴流短路(drip short) 传感器和包括处理器的控制器。DC电源可与电极可操作地相关联, 并且配置成在电极的电极尖端与锭的熔池之间产生电弧。冲头件驱动 器可与冲头件可操作地相关联,并且配置成驱动冲头件。滴流短路传 感器可配置成测量电弧在时间段内的滴流短路频率。控制器可与直流 电源、冲头件驱动器和滴液短路传感器可操作地相关联,并配置成使 用冲头件控制模块来控制冲头件的冲头件速度,冲头件控制模块确定 用于VAR过程的冲头件速度,并且向冲头件驱动器提供指令以基于冲 头件速度驱动冲头件,其中冲头件速度配置成实现电极的期望熔化速 率。所述控制器还可配置成使用间隙确定模块利用由滴流短路传感器 测量的时间段内的滴流短路频率,来确定电极尖端与熔池之间的实时 电弧间隙长度,间隙确定模块基于滴流短路频率和电弧间隙长度之间 的相关性来确定实时电弧间隙长度。控制器还可配置成使用功率控制 模块来控制由DC电源输入至电极的电力,功率控制模块配置成基于 实时电弧间隙长度确定对电极的输入功率水平,输入功率水平配置成 在输入功率水平下,通过DC电源,在电力传输时,在电极末端与熔 池之间产生期望的电弧间隙长度。

  根据本公开的另一方面,公开了一种用于控制VAR过程的方法。 VAR过程可使用VAR炉,VAR炉可包括坩埚、冲头件、真空室和真 空源,其中金属形成的锭在坩埚中形成,冲头件与由金属形成的电极 可操作地相关联,真空源与真空室相关联。该方法可包括使用与电极 可操作地相关联的直流(DC)电源,在电极的电极尖端与锭的熔池之 间产生电弧;使用与冲头件可操作地相关联的冲头件驱动器,以冲头 件速度驱动冲头件,冲头件速度配置成实现电极的期望熔化速率;以 及使用滴流短路传感器确定电弧在时间段内的滴流短路频率。该方法 还可包括基于滴流短路频率与电弧间隙长度之间的相关性,使用时间 段内的滴流短路频率来确定电极尖端与熔池之间的实时电弧间隙长 度。该方法还可包括基于实时电弧间隙长度来确定对电极的输入功率 水平,输入功率水平配置为在电力传输时,由直流电源,以输入功率 水平,在电极尖端与熔池之间产生期望的电弧间隙长度,以及基于输 入功率水平,控制由直流电源输入至电极的电力。

  根据本公开的另一方面,公开了一种用于执行金属的VAR过程的 VAR炉。VAR炉可包括坩埚、冲头件、真空室和与真空室相关联的真 空源,其中坩埚形成有由金属形成的锭,冲头件与由金属形成的电极 可操作地连接。VAR炉可包括直流(DC)电源、冲头件驱动器、滴流 短路传感器和控制器,其中控制器包括处理器。DC电源可与电极可 操作地相关联,并且配置成在电极的电极尖端与锭的熔池之间产生电 弧。冲头件驱动器可与冲头件可操作地相关联,并配置成驱动冲头件。 滴流短路传感器可配置成在时间段内测量电弧的滴流短路频率。控制 器可操作地与直流电源、冲头件驱动器和滴流短路传感器相关联,并 且配置成通过确定用于VAR过程的冲头件速度以及对冲头件驱动器 提供指令以基于冲头件速度驱动冲头件,其中,冲头件速度配置成实 现电极所需的熔化速率。控制器还可配置成通过基于滴流短路频率与 电弧间隙长度之间的相关性来确定实时电弧间隙长度,使用通过由滴流短路传感器测量的时间段内电弧的滴流短路频率来确定电极端与熔 池之间的实时电弧间隙长度。控制器还可配置成通过基于实时电弧间 隙长度来确定对电极的输入功率水平来通过DC电源控制对电极的功 率输入,输入功率水平配置成在输入功率水平下通过直流电源传输电 力时在电极尖端与熔池之间生成所需电弧间隙长度。

  当结合附图阅读时,会更好地理解本公开的这些方面和特征以及 其它方面和特征。

  第四、附图说明

  图1是根据本公开的实施方式的真空电弧重熔(VAR)炉和相关 联的控制系统的元件的示意图。

  图2是根据图1和本公开的位于图1的VAR炉的锭与电极之间的 电弧间隙的放大图,示出了设置在电弧间隙内的电弧。

  图3是根据图1和图2以及本公开的实施方式的用于控制利用图 1的VAR炉的VAR过程的系统的示意框图。

  图4是示出根据本公开的实施方式的用于控制利用VAR炉的VAR 过程的方法的示例流程图。

  尽管将针对某些示例性实施方式给出以下详细描述,但应理解的 是,附图不一定按比例绘制,并且所公开的实施方式有时以示意性方 式和局部视图示出。另外,在某些情况下,可能已省略对于理解所公 开的主题不必要的或使其他细节太难察觉的细节。因此,应理解的是, 本公开不限于本文公开和示出的具体实施方式,而是限于对整个公开 和权利要求以及其任何等同物的公平解读。

  第五、具体实施方式

  以下参照附图,并具体参照图1,图1示意性地示出了示例性真 空电弧重熔(VAR)炉10。VAR炉10可配置成通过在VAR炉10的 熔化室14内熔化由金属组成的电极12来重熔金属。在熔化室14内, 电极12可定位在坩埚16内。在一些示例中,坩埚16可由铜形成,因 为铜可提供期望的热特性和/或导电性;然而,坩埚16当然不限于由 铜形成,而是可由为VAR过程提供期望的热特性和/或导电性的任何 材料形成。

  在一些示例中,坩埚16可由例如冷却系统20进行冷却。冷却系 统20可例如包括冷却剂源22,冷却剂源22通过一个或多个冷却剂通 道24使冷却剂流体输入坩埚16内。冷却剂可经由冷却剂输出部26 离开坩埚16,其中可将冷却剂废弃或冷却,以使得冷却剂可作为冷却 剂经由冷却剂源22重新进入坩埚16。冷却剂可例如为水或任何水基 冷却剂;然而,冷却剂当然不限于为水或水基冷却剂,而是可为配置 成在VAR过程中使用之前、期间和/或之后冷却坩埚16的任何适当冷 却剂。

  为了将电极12定位在VAR炉10内并相对于坩埚16定位,VAR 炉10还可包括与电极12可操作地相关联的冲头件28。冲头件28和 电极12可在真空室30内移动。真空室30可排除杂质和/或环境条件, 从而在真空室30和熔化室14内生成真空密封。为了抽空真空室30,可包括真空源32。为了移动冲头件28,并且通过关联移动电极12, 可包括冲头件驱动器34,从而相对于坩埚16定位电极12。冲头件驱 动器34可为本领域已知的、可用于经由冲头件28定位电极12的任何 合适驱动机构。例如,冲头件驱动器34可包括,但当然不限于包括伺 服电动机、齿轮减速驱动器、任何已知的电动机、电磁阀活塞驱动器、 液压驱动器、或其任何组合。

  冲头件驱动器34可用于相对于锭38的熔池36定位电极12,锭 38是坩埚16内电极12的金属的重熔件。在VAR炉10的操作期间, 电源40可使相对较低的电压和高电流强度的电流通过冲头件28和电 极12。在一些示例中,这样的电流可具有相对低的电压,大约是20伏至30伏,同时具有相对高的电流,例如1千安或更大。当电流通过 电极12时,在电极12的尖端44与锭38的熔池36之间产生电弧42。 电弧42在图2的放大图中示出。通过将电流施加至电极12以产生电 弧42,可导致电极12缓慢熔化至熔池36中。

  这种缓慢的熔化可容纳于真空室30和/或熔化室14的真空密封环 境中。施加至电极12的电流可具有负电压,而锭38以及因而熔池36 可保持处于地面电位。在一些示例中,锭38的温度可由冷却系统20 控制,因此,通过冷却锭38,可保持受限的熔池36,同时锭38的冷 却部分保持固体。

  随着所施加的电流使金属从电极12熔化掉,熔化的金属随后沉积 在锭38上。因此,由于熔化,电极12熔化的材料与添加到锭38的材 料成比例。然而,由于电极12通常具有比坩埚16的直径更小的直径, 并且依次比锭38的直径小,所以冲头件28可以以超过锭38的生长速 率的速度朝向锭38驱动电极12。

  冲头件驱动器34配置成随着进行重熔而朝向铸块38驱动冲头件 28。在重熔期间,形成电弧间隙46,电弧间隙46可被限定为电极12 的尖端44与锭38的熔池36之间的间隙。在整个VAR过程中,电弧 间隙46应保持相对一致,以获得最佳性能。

  然而,在使用VAR炉10的VAR过程期间物理地观察电弧间隙 46可能不实际或不可能,因此,可基于更易于获得的其他数据来确定 或导出电弧间隙46。例如,诸如在对电弧间隙46的描绘中,可基于 由电弧42引起的滴流短路和/或滴流短路频率与电弧长度的相关性来 确定电弧间隙46。由电弧42引起的滴流短路频率可通过使用滴流短 路传感器48来确定,滴流短路传感器48可为由本领域已知的、能够 确定电弧42引起的滴流短路频率的任何传感器。滴流短路传感器48 可包括能够确定跨过电弧42的电压、跨过电弧42的电流、跨过电弧 42的电阻和/或与电弧42和/或电弧间隙46相关的、可用于确定由电 弧42引起的、时间段内的滴流短路频率的任何其它数据的一个或多个 传感器。在一些示例中,滴流短路传感器48可基于对电弧42的电压 测量来确定滴流短路。另外或替代地,这种电压测量可由滴流短路传 感器48提供给控制器52,其中控制器52随后确定电弧42的滴流短 路频率。滴流短路传感器48可用作包括控制器52的控制系统50的部 分或与包括控制器52的控制系统50结合,该控制系统配置成控制VAR 炉10的VAR过程,该控制系统在图3中示意性地示出,并在下文进 行更详细的描述。

  系统50可包括控制器52,控制器52至少包括处理器54。控制器 52可为包括处理器的任何电子控制器或计算系统,控制器操作以执行 操作、执行控制算法、存储数据、检索数据、收集数据和/或期望的任 何其他计算任务或控制任务。控制器52可为单个控制器,或者可包括 设置成与冲头件驱动器34、电源40、滴流短路传感器48以及可选地 一个或多个输出装置56和/或一个或多个输入设备58中的一个或多个 相互作用的多个控制器。一个或多个输入设备58可通过例如键盘、鼠 标、触摸屏、轨迹板、轨迹球和/或语音识别系统来实现。例如,一个 或多个输入设备58可包括用于将输入数据连接至控制器52的任何有 线设备或无线设备。一个或多个输出设备28可包括听觉输出设备、视 觉输出设备、触觉输出设备或其任何组合。

  控制器52的功能可在硬件和/或软件中实现,并且可依赖于一个 或多个数据图。为此,控制器52可包括存储器60或与存储器60相关 联,存储器60可为内部存储器和诸如数据库或服务器的外部存储器之 一或两者。存储器60可包括但不限于包括只读存储器(ROM)、随机 存取存储器(RAM)、便携式存储器等中的一个或多个。这种存储介 质是非暂时性存储介质的示例。

  为了在VAR炉10的VAR过程期间控制冲头件28的冲头件速度, 控制器52可执行冲头件控制模块62。冲头件控制模块62可为由处理 器54执行的机器可读指令,并例如存储在存储器60中。冲头件控制 模块62可确定当前VAR过程所需的冲头件速度。在一些示例中,冲击速度可基于VAR过程期间电极12的期望熔化速度。例如,冲头件 速度可由冲头件控制模块62动态地改变,从而改变电极12的熔化速 率以实现所需的熔化速率。

  基于确定的冲头件速度,冲头件控制模块62可通过向冲头件驱动 器34提供冲头件速度指令来控制冲头件28的冲头件速度。在一些示 例中,冲头件驱动器34可驱动致动器64,致动器64会基于冲头件速 度指令定位和/或移动冲头件28。

  为了在VAR炉10的VAR过程期间确定和/或估计当前的电弧间 隙46,控制器52可执行间隙确定模块66。间隙确定模块66可从滴流 短路传感器48接收输入。利用已知的滴流短路频率与电弧间隙长度之 间的相关性,间隙确定模块66可确定电弧间隙46的实时长度。在一 些示例中,间隙确定模块66可基于电弧间隙长度与滴流短路频率的相 关性来确定实时电弧间隙长度,电弧间隙长度与滴流短路频率的相关 性在一些示例中可通过电弧42的电压测量来确定。

  当电极12的金属从电极12转移至锭38时,在电弧间隙46内形 成熔融金属柱的形成和破裂,诸如图2所示的柱68。这样的柱在电极 12与锭38之间形成低电阻桥,导致滴流短路。滴流短路可导致电弧 42瞬间熄灭,这会导致电弧电压下降,这通过滴流短路传感器48来 监测。这种电压下降可在一段时间内进行监测,以确定VAR过程的滴 流短路短频率。如本领域已知的是,滴流短路频率和电弧间隙长度密 切相关;因此,基于一个或多个这种相关性,间隙确定模块66可确定 电弧间隙46的实时长度。

  功率控制模块70可利用实时电弧间隙长度来控制和/或改变输入 至电极12的功率水平。功率控制模块70可在基本功率水平下操作, 基本功率水平基于预定的用于给定的VAR过程的功率水平,并且可存 储在存储器60中或从一个或多个输入设备58输入。如果从间隙确定 模块66接收的实时电弧间隙长度指示实时电弧间隙长度与当前VAR 过程的期望电弧间隙长度不同,则功率控制模块70可相对于基本功率 水平改变对电极12的输入功率。如果实时电弧间隙长度与期望的电弧 间隙长度确实不同,则功率控制模块可向电源40提供指令以提高或降 低功率水平,并因而降低或升高电弧间隙46的电弧间隔长度。例如, 如果确定实时电弧间隙相对于期望的电弧间隙长度过小,则功率控制 模块70可提高由电源40输入至电极12的电力输入,这会相对于时间 从电极12熔化量更多的金属,并且通过更快地熔化更多的金属,会增 大电弧间隙长度,从而满足期望的电弧间隙长度。替代地,如果确定 当前电弧间隙相对于期望的电弧间隙长度过大,则功率控制模块70 可通过降低由电源40输入至电极12的电力输入,这会相对于时间从 电极12熔化量更少的金属,并且通过在一段时间熔化更少的金属,会 减小电弧间隙长度,从而满足期望的电弧间隙长度。

  为了适当地形成具有最佳冶金属性的锭38,可结合VAR炉10使 用控制系统50。系统50可与用于控制利用VAR炉10的VAR过程的 方法100一起使用或结合使用。方法100由图4的流程图给出例证。 虽然下面给出的对方法100的描述参照系统50和VAR炉10的元件, 但是可使用替代元件来执行方法100,并且不应被解释为限于经由系 统50和/或其组件的执行。

  如方框110所示,方法100可通过使用电源40在电极尖端44与 熔池36之间产生电弧42开始。例如,通过使用冲头件驱动器34,可 以以冲头件速度驱动冲头件,如方框120所示。冲头件速度可配置成 实现电极12的期望熔化速度,如上所述。如框130所示、方法100还可包括使用滴流短路传感器48确定电弧42一段时间内的滴流短路 频率。

  如方框150所示,至少基于滴流短路频率,方法100可基于滴流 短路频率与电弧间隙长度之间的相关性来确定电极尖端44与熔池36 之间的实时电弧间隙长度。

  如方框160所示,方法100可包括基于实时电弧间隙长度来确定 对电极12的输入功率水平,输入功率水平配置成在电力传输时在电极 尖端44与熔池36之间产生期望的电弧间隙长度。在一些示例中,基 于实时电弧间隙长度确定对电极12的输入功率水平可包括:如果实时 电弧间隙长度比所需的电弧间隙长度大,则确定降低电力功率40的功 率。附加地或替代地,基于实时电弧间隙长度确定对电极12的输入功 率水平可包括:如果实时电弧间隙长度比期望的电弧间隙长度小,则 确定增大电源40的功率。如方框170所示,基于输入功率水平,方法 100可使用电源40来控制对电极12的功率输入。

  工业实用性

  一般来说,上述公开内容在各种行业中具有实用性,包括但不限 于冶金纯化,具体为利用重熔过程的锭生产。通过利用本文公开的系 统和方法,可在VAR过程期间实现更好的纯度和/或金属的结构完整 性。另外,通过利用基于功率的电弧间隙控制系统和方法,当使用具 有大内径的坩埚的VAR炉时,可实现本文公开的对电弧间隙的适当控 制,从而生产较大直径的锭。

  例如,如图1所示,坩埚16可具有与在坩埚中生产的锭38的直 径相关的内径72。在一些示例中,内径72可大于750毫米。在一些 这样的示例中,内径72可在1000毫米至1100毫米的范围内。当进行 VAR过程以生成具有这种较大直径的锭时,控制冲头件速度以校正和/或维持电弧间隙46可能不实际和/或困难。因此,通过改变冲头件速 度来校正电弧间隙的现有控制系统可能不足以在VAR过程期间控制 电弧间隙,其中所生产的锭具有这种较大尺寸。因此,本文公开的系 统和方法通过基于由电源40输入的功率来控制电弧间隙,而不是改变 冲头件速度或除了改变冲头件速度之外,来提供对电弧间隙的更佳控 制,转而提供对VAR过程本身的更佳控制。

  应理解的是,本公开提供真空电弧重熔控制系统、VAR控制方法 VAR炉,以及更具体地,提供配置成基于功率输入来控制电弧间隙的 VAR控制系统和方法。虽然仅阐述了某些实施方式,但是对于本领域 技术人员来说、从上述描述中替代和修改会显而易见。这些替代方案 和其他替代方案视为等同,并且在本公开和所附权利要求的精神和范 围内。

  真空电弧重熔炉 内容四:

  电渣重熔炉电极控制系统

  第一、技术领域

  本实用新型涉及电渣重熔过程控制技术领域,具体来讲,涉及一种电渣重熔炉电极控制系统。

  第二、背景技术

  通常,在电渣熔铸过程中,对熔铸质量、消耗的电能和生产效率影响最大的环节是对电极的控制。由于随着熔化的进行,电极不断缩短而铸锭逐渐上涨,为了保证熔速和电流稳定在设定值需要实时调节电极高度。若电极下降速度过慢,会产生电弧放电,电流波动很大,电渣过程被破坏;若电极下降速度过快,就会造成电极与金属熔池的短路现象。因而,电极位置控制是重熔过程中一个重要的控制参数,也是所有电渣炉必不可少的控制环节。另外,由于电网参数波动和冶炼条件的改变,冶炼电流、冶炼电压的稳定性也难以得到保证。

  电渣重熔工艺可获得结晶组织均匀致密的锭坯,广泛应用于特种金属和合金钢的生产。目前,很多企业使用的多是中小型单相电渣重熔炉,其优点是造价低,操作灵活方便,缺点是控制系统落后,控制精度及稳定性较差,直接影响电渣锭的质量和生产效率,制约了其经济效益的进一步提高。

  由于电渣炉自耗电极底部在熔化过程中形成的固液相变界面无法直接测量,导致自耗电极位置很难精确判断。传统的自耗电极位置控制,有的是通过操作人员在炉前观看和实际手动操作来完成,有的是采用基于常规比例积分微分(PID)控制的自动控制系统、有的采用模糊控制代替常规PID控制,但都无法达到迅速跟踪,精确控制的目的。

  第三、实用新型内容

  本实用新型的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如,本实用新型的目的之一在于提供一种能够提高电渣重熔炉电极控制的及时性和精确度的系统。

  为了实现上述目的,本实用新型的一方面提供了一种电渣重熔炉电极控制系统。所述电极控制系统包括:数据采集单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、反馈单元和电极驱动单元,其中,数据采集单元实时采集电渣重熔炉的电信号,将其转化为数字值;第一数据处理单元接收所述数字值,将所述数字值与设定目标值进行比较,利用第一过程控制算法得到控制信号;反馈单元包括用于实时采集电极位置信息的位移传感装置;第二数据处理单元根据所述电极位置信息确定电极的实际熔速值,并将实际熔速值与设定目标熔速值进行比较,然后利用第二过程控制算法对所述设定目标值进行调整;电极驱动单元根据所述控制信号驱动电极升高或降低。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述电极控制系统还可包括反馈信号转换单元,所述反馈信号转换单元对所述电极位置信息进行模数转换,并将转换后的信号提供至第二数据处理单元。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述数据采集单元可包括信号隔离变送模块和采集模块,所述信号隔离变送模块将电渣重熔炉的电信号转换为标准信号,所述采集模块将所述标准信号转换为所述数字值。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述电极控制系统还可包括信号隔离切换模块和电位器,所述电位器被配置为能够设置用于驱动电极升降的手动控制信号,所述信号隔离切换模块分别将电位器和第一数据处理单元与电极驱动单元连接,并能够选择将所述控制信号或所述手动控制信号输入至电极驱动单元。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述电极控制系统还可包括输出信号转换单元,所述输出信号转换单元对所述控制信号进行数模转换,并将转换后的信号提供至电极驱动单元。

  本实用新型的另一方面提供了一种电渣重熔炉电极控制系统。所述电极控制系统包括:数据采集单元、数据处理单元和电极驱动单元,其中,数据采集单元实时采集电渣重熔炉的电信号,将其转化为数字值;数据处理单元接收所述数字值,将所述数字值与设定目标值进行比较,利用过程控制算法得到控制信号;电极驱动单元根据所述控制信号驱动电极升高或降低。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述数据采集单元可包括信号隔离变送模块和采集模块,所述信号隔离变送模块将电渣重熔炉的电信号转换为标准信号,所述采集模块将所述标准信号转换为所述数字值。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述电极控制系统还可包括信号隔离切换模块和电位器,所述电位器被配置为能够设置用于驱动电极升降的手动控制信号,所述信号隔离切换模块分别将电位器和数据处理单元与电极驱动单元连接,并能够选择将所述控制信号或所述手动控制信号输入至电极驱动单元。

  在本实用新型的一个示例性实施例中,所述电极控制系统还可包括输出信号转换单元,所述输出信号转换单元对所述控制信号进行数模转换,并将转换后的信号提供至电极驱动单元。

  与现有技术相比,本实用新型的有益效果包括:结构简单、安装操作方便、智能化程度高,能够提高电渣重熔炉自耗电极控制的及时性和精度。

  第四、附图说明

  图1示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统的结构示意图。

  图2示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统的结构示意图。

  第五、具体实施方式

  在下文中,将结合附图和示例性实施例详细地描述本实用新型的电渣重熔炉电极控制系统。以下术语中出现的第一、第二等除非明确说明,否则其不表示严格的顺序,通常其仅用于相互区别不同部件或单元。例如,第一数据处理单元、第二数据处理单元、第一过程控制算法和第二过程控制算法中的第一、第二并不表示顺序,而是仅用于区别这两组术语。

  图1示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统的结构示意图。如图1所示,在本实用新型的一个示例性实施例中,电渣重熔炉电极控制系统可包括:数据采集单元、数据处理单元和电极驱动单元。

  其中,数据采集单元能够实时采集电渣重熔炉的电信号,并将其转化为数字值。例如,电信号可以为二次电流信号和二次电压信号。二次电流信号可以通过二次电流互感器得到。二次电压信号可通过变压器得到。

  此外,数据采集单元可包括信号隔离变送模块和采集模块。信号隔离变送模块可以将电渣重熔炉的电信号转换为标准信号。例如,电流、电压等电信号也可以采用信号分配器(例如,杭州美控MK-502H全隔离双输出信号分配器),将原电渣炉的控制系统已经变换的标准信号变为双路互相隔离的信号;分别供本实用新型的电极控制系统以及电渣重熔炉的原控制系统使用。这样相当于将本实用新型的电极控制系统直接并联在电渣重熔炉的原控制系统上,从而有利于实现对现有的电渣重熔炉进行改进。然而,本实用新型不限于此,也可仅通过本实用新型的电极控制系统接收电渣重熔炉的电信号(例如,二次电电流信号和二次电压信号),并对电渣重熔炉的电极进行控制。例如,数据采集单元直接分别从二次电流互感器和变压器接收二次电流信号和二次电压信号。采集模块可以将标准信号转换为所述数字值,例如,进行A/D转换。例如,采集模块可以为USB采集模块,例如,可以为研华USB-4702,或USB-4704或USB-4711等。

  数据处理单元能够接收数据采集单元所转化得到的数字值,将该数字值与设定目标值进行比较,利用过程控制算法(例如,比例积分微分算法,简称PID算法)得到控制信号。这里,设定目标值可以通过重熔工艺曲线确定,也可由操作者通过经验或历史记录确定。例如,在电流实际值小于设定目标值的情况下,则通过第一数据处理单元处理后,输出控制信号至电极驱动器将电极向熔池中插入;如果电流实际值大于设定目标值,则通过第一数据处理单元处理后,输出控制信号至电极驱动器抬起电极。例如,数据处理单元可以为触屏工控一体机。另外,数据处理单元还可包括能够存储和记录历史数据的存储单元。历史数据可以包括输入的数字值、设定的目标值和/或输出的控制信号等在一段时间内或全部时间段的数据。此外,本示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统还可包括与数据处理单元连接且用于输出打印的打印模块。

  电极驱动单元能够根据所述控制信号驱动电极升高或降低。电极驱动器可以采用电机、液压等驱动方式。

  此外,本示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统还可在上述结构之上进一步包括:信号隔离切换模块和电位器。其中,电位器可以被配置为能够设置用于驱动电极升降的手动控制信号;信号隔离切换模块可以分别将电位器和数据处理单元与电极驱动单元连接,并能够选择将控制信号和手动控制信号的其中一个信号输入至电极驱动单元。

  此外,本示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统还可在上述结构之上进一步包括输出信号转换单元。这里,输出信号转换单元能够对所述控制信号进行数模转换,并将转换后的信号提供至电极驱动单元。此外,输出信号转换单元可以与数据采集单元的采集模块一体化形成。例如,输出信号转换单元的功能可通过作为采集模块的USB采集模块来实现。

  另外,在本实用新型的另一个示例性实施例中,电渣重熔炉电极控制系统的各个单元或部件中的一个或多个可进行集成或一体化形成。

  图2示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统的结构示意图。如图2所示,在本实用新型的一个示例性实施例中,电渣重熔炉电极控制系统可包括:数据采集单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、反馈单元和电极驱动单元。

  其中,数据采集单元能够实时采集电渣重熔炉的电信号(例如,二次电流信号和二次电压信号等),并将其转化为数字值。例如,电信号可以为二次电流信号和二次电压信号。二次电流信号可以通过二次电流互感器得到。二次电压信号可通过变压器得到。

  此外,数据采集单元可包括信号隔离变送模块和采集模块。信号隔离变送模块可以将电渣重熔炉的电信号转换为标准信号。例如,电流、电压等电信号也可以采用信号分配器(例如,MK-502H全隔离双输出信号分配器),将原电渣炉的控制系统已经变换的标准信号变为双路互相隔离的信号;分别供本实用新型的电极控制系统以及电渣重熔炉的原控制系统使用。这样相当于将本实用新型的电极控制系统直接并联在电渣重熔炉的原控制系统上,从而有利于实现对现有的电渣重熔炉进行改进。然而,本实用新型不限于此,也可仅通过本实用新型的电极控制系统接收电渣重熔炉的电信号(例如,二次电电流信号和二次电压信号),并对电渣重熔炉的电极进行控制。例如,数据采集单元直接分别从二次电流互感器和变压器接收二次电流信号和二次电压信号。采集模块可以将标准信号转换为所述数字值,例如,进行A/D转换。例如,采集模块可以为USB采集模块,例如,可以为研华USB-4702,或USB-4704或USB-4711等。

  第一数据处理单元能够接收数据采集单元所转化得到的数字值,将该数字值与设定目标值进行比较,利用第一过程控制算法(例如,PID算法)得到控制信号。这里,设定目标值可以通过重熔工艺曲线确定,也可由操作者通过经验或历史记录确定。例如,在电流实际值小于设定目标值的情况下,则通过第一数据处理单元处理后,输出控制信号至电极驱动器将电极向熔池中插入;如果电流实际值大于设定目标值,则通过第一数据处理单元处理后,输出控制信号至电极驱动器抬起电极。这里,第一数据处理单元可以为触屏工控一体机。此外,本示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统还可包括与第一数据处理单元连接且用于输出打印的打印模块。

  反馈单元可以包括用于实时采集电极位置信息的位移传感装置(例如,编码器)。此外,电极控制系统还可进一步包括反馈信号转换单元。反馈信号转换单元能够对反馈单元实时采集的电极位置信息进行模数转换,并将转换后的信号提供至第二数据处理单元。例如,反馈信号转换单元可以与数据采集单元的采集模块一体化形成。

  第二数据处理单元能够根据反馈单元实时采集的电极位置信息确定电极的实际熔速值,并将实际熔速值与设定目标熔速值进行比较,然后利用第二过程控制算法(例如,PID算法)对第一数据处理单元中的设定目标值进行调整。其中,设定目标熔速值可根据正常熔炼速度或经验数据人为设定。例如,进入正常熔炼后,5分钟内电极下降10cm,以可此作为设定熔速目标值。随后,由电极位移得出的实际熔速与设定熔速目标值相比较,熔速偏差经PID算法得调整值,对第一过程控制算法中的所述设定目标值进行调整。例如,若实际熔速大,则经过第二过程控制算法处理后,降低设定目标值(例如,设定电流值);若实际熔速小,则经过第二过程控制算法处理后,升高设定目标值(例如,设定电流值),从而通过第二数据处理单元、反馈单元和第一数据处理单元的结合实现对电极位置的嵌套反馈循环控制,进而提高电渣重熔炉自耗电极控制的及时性和精度。

  另外,第一过程控制算法和第二过程控制算法可以相同或不同。此外,第一数据处理单元可以与第二数据处理单元一体化形成。另外,第一数据处理单元和/或第二数据处理单元还可包括能够存储和记录历史数据的存储模块。历史数据可以包括第一数据处理单元中的输入的数字值、设定的目标值和/或输出的控制信号,以及第二数据处理单元中的实际熔速值和设定目标熔速值等中的一项或多项参数在一段时间内或全部时间段的数据。

  电极驱动单元能够根据所述控制信号驱动电极升高或降低。电极驱动器可以采用电机、液压等驱动方式。

  此外,本示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统还可在上述结构之上进一步包括:信号隔离切换模块和电位器。其中,电位器可以被配置为能够设置用于驱动电极升降的手动控制信号;信号隔离切换模块可以分别将电位器和第一数据处理单元与电极驱动单元连接,并能够选择将控制信号和手动控制信号的其中一个信号输入至电极驱动单元。

  此外,本示例性实施例的电渣重熔炉电极控制系统还可在上述结构之上进一步包括输出信号转换单元。这里,输出信号转换单元能够对所述控制信号进行数模转换,并将转换后的信号提供至电极驱动单元。此外,输出信号转换单元可以与数据采集单元的采集模块一体化形成。例如,输出信号转换单元的功能可通过作为采集模块的USB采集模块来实现。

  另外,在本实用新型的另一个示例性实施例中,电渣重熔炉电极控制系统的各个单元或部件中的一个或多个可进行集成或一体化形成。

  综上所述,本实用新型的电渣重熔炉电极控制系统的优点包括以下方面:

  (1)结构简单,安装操作方便,投入成本低;

  (2)对电渣炉自耗电极位置跟踪迅速、控制精度高;

  (3)智能化程度高且使用效果好,提高了熔铸质量和生产效率。

  尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本实用新型,但是本领域技术人员应该清楚,在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下,可对本实用新型的示例性实施例进行各种修改和改变。

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