КОМПАКТНЫЙ УЗЕЛ ИНДУКЦИОННЫХ КАТУШЕК ДЛЯ СИСТЕМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА
COMPACT INDUCTION COIL ASSEMBLY FOR VACUUM ARC REMELTING SYSTEM

Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет и преимущество предварительной заявки на патент США № 62/573 229 от 17 октября 2017 г. Содержание вышеупомянутой заявки включено в этот документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе вакуумно-дугового переплава.
Уровень техники
Изложенное в этом разделе дает только дополнительную информацию касательно настоящего изобретения и может не составлять известный уровень техники.
Процесс вакуумно-дугового переплава (ВДП) обычно применяют при обработке высококачественных сплавов на основе титана, циркония, никеля и стали, помимо других сплавов. В общем, система ВДП постепенно расплавляет электрод с помощью электрического тока, который протекает через электрод и образует дугу до расплавленного металла, содержащегося в кристаллизаторе. Прикладываемый ток плавления меняют во время процесса, чтобы достичь требуемой геометрии ванны расплавленного металла. Иногда электрическая дуга может привести к тому, что капли металла разбрызгиваются на участки стенки кристаллизатора, находящиеся над расплавленным металлом. Эти участки холодные и могут привести к застыванию капель в виде пористой неоднородной массы, что может привести к неровностям поверхности слитка. Настоящее изобретение направлено на решение проблем, связанных с качеством поверхности слитка ВДП и внутренним качеством, а также других проблем.
Сущность изобретения
В этом разделе приведена сущность изобретения, причем он не является всеохватывающим описанием всего его объема и всех его признаков.
В одной форме настоящего изобретения предложена система вакуумно-дугового переплава для формирования слитка из электрода. Система содержит плавильный тигель в сборе, выполненный с возможностью вмещать в себя электрод и слиток, источник электромагнитной энергии, расположенный вокруг узла кристаллизатора, и подъемный механизм, предназначенный для перемещения источника электромагнитной энергии вдоль продольной оси узла кристаллизатора. В этой системе магнитное поле, генерируемое источником электромагнитной энергии, во время переплава локализовано в области дуги. В некоторых аспектах настоящего изобретения источник электромагнитной энергии представляет собой катушку в сборе, содержащую магнитный сердечник и несколько пар обмоток, намотанных вокруг сердечника. Катушка в сборе предназначена для того, чтобы генерировать магнитное поле от катушки на основе электрического тока, протекающего в нескольких парах обмоток. В некоторых аспектах настоящего изобретения сердечник выполнен из проницаемого ферромагнитного материала. Также, в одном аспекте настоящего изобретения катушка в сборе включает в себя три пары обмоток. В таком аспекте электрический ток в каждой из трех пар обмоток может быть смещен по фазе на 120°.
В некоторых аспектах настоящего изобретения система также содержит систему управления, выполненную с возможностью создавать двунаправленный ток в каждой катушке из нескольких пар обмоток. В одном варианте система управления создает электрический ток, синусоидально циркулирующий через обмотки с предварительно заданным смещением фазы, чтобы создать магнитное поле от катушки. В одном аспекте настоящего изобретения система управления включает в себя по меньшей мере одну мостовою схему управления для каждой пары обмоток.
В другой форме настоящего изобретения предложена система вакуумно-дугового переплава для формирования слитка из электрода. Система содержит плавильный тигель в сборе, выполненный с возможностью вмещать в себя электрод и слиток, катушку в сборе и подъемный механизм. Катушка расположена вокруг узла кристаллизатора и включает в себя магнитный сердечник и несколько пар обмоток, намотанных вокруг магнитного сердечника. Катушка в сборе предназначена для того, чтобы генерировать магнитное поле от катушки, образованное (т.е. вращаемое) электрическим током, получаемым каждой обмоткой из нескольких пар обмоток. Подъемный механизм соединен с катушкой в сборе и предназначен для перемещения катушки в сборе вдоль продольной оси узла кристаллизатора, так чтобы магнитное поле от катушки во время переплава было локализовано в области дуги. В некоторых аспектах настоящего изобретения подъемный механизм включает в себя платформу, на которой расположена катушка в сборе. В таких аспектах имеется по меньшей мере один мотор, предназначенный для перемещения платформы и катушки в сборе вдоль продольной оси узла кристаллизатора. В одном аспекте настоящего изобретения система также включает в себя систему управления, выполненную с возможностью приводить в действие по меньшей мере один мотор подъемного механизма и перемещать катушку в сборе, исходя из высоты слитка во время переплава.
В еще одной форме настоящего изобретения предложена система вакуумно-дугового переплава для формирования слитка из электрода. Система содержит плавильный тигель в сборе, выполненный с возможностью вмещать в себя электрод, слиток и источник электромагнитной энергии. Источник электромагнитной энергии расположен вокруг узла кристаллизатора, причем источник электромагнитной энергии и узел кристаллизатора выполнены с возможностью перемещаться друг относительно друга вдоль продольной оси узла кристаллизатора. Кроме того, магнитное поле, генерируемое источником электромагнитной энергии, локализовано в области дуги во время переплава.
В еще одной форме настоящего изобретения предложен способ вакуумно-дугового переплава слитка. Способ содержит следующее: генерируют вращающееся магнитное поле, перпендикулярное продольной оси слитка и локализованное в области дуги во время переплава. Вращающееся магнитное поле взаимодействует с током плавления для получения вращающейся дуги, направленной радиально наружу. В некоторых аспектах настоящего изобретения способ включает в себя следующее: перемещают источник электромагнитной энергии вдоль продольной оси слитка по мере формирования слитка, и источник электромагнитной энергии генерирует вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле может быть образовано электрическим током, циркулирующим синусоидально через катушку в сборе с предварительно заданным сдвигом по фазе для получения вращающегося магнитного поля. Также катушка в сборе включает в себя магнитный сердечник и несколько пар обмоток, намотанных вокруг сердечника. В некоторых аспектах настоящего изобретения способ включает в себя следующее: перемещают вращающееся магнитное поле вдоль оси, параллельной продольной оси слитка по мере формирования слитка. В других аспектах настоящего изобретения способ включает в себя следующее: перемещают узел кристаллизатора, содержащий слиток, относительно вращающегося магнитного поля по мере формирования слитка. В других аспектах способ включает в себя сочетание перемещения вращающегося магнитного поля вдоль оси, параллельной продольной оси слитка по мере формирования слитка и перемещения узла кристаллизатора, содержащего слиток, относительно вращающегося магнитного поля по мере формирования слитка.
Дополнительные области применимости станут очевидными из представленного в этом документе описания. Следует понимать, что описание и специфические примеры предназначены только для иллюстрации, и не предполагается, что они ограничивают объем настоящего изобретения.
Описание чертежей
Для того чтобы изобретение было понятным, теперь будут описаны его различные формы, приведенные в виде примера, при этом будут приведены ссылки на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 приведен вид в перспективе, показывающий систему ВДП, содержащую узел индукционных катушек и подъемный механизм, в соответствии с идеями настоящего изобретения;
на фиг. 2 приведен частичный вид в разрезе системы ВДП, показанной на фиг. 1;
на фиг. 3 приведен частичный вид сверху системы ВДП, показанной на фиг. 1;
на фиг. 4 приведено схематическое представление контроллера катушек в соответствии с идеями настоящего изобретения;
на фиг. 5 приведено схематическое представление контроллера подъемника в соответствии с идеями настоящего изобретения; и
на фиг. 6 приведен график трех синусоидальных сигналов тока в соответствии с идеями настоящего изобретения.
Описанные здесь чертежи даны только для иллюстрации и не предназначены для ограничения каким-либо образом объема настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Последующее изобретение по сути своей является всего лишь иллюстративным и не предназначено для ограничения изобретения, применения или использования. Следует понимать, что на чертежах соответствующие ссылочные позиции указывают на одинаковые или соответствующие детали и признаки.
Для того чтобы решить проблему с поверхностными неоднородностями получаемого слитка, система ВДП может включать в себя большие неподвижные катушки в конфигурации Гельмгольца, которые расположены вокруг кристаллизатора. Неподвижные катушки проходят вдоль всей длины кристаллизатора, и их используют для генерации поперечного магнитного поля. Такая система ВДП подробно описана в патенте США № 4 581 745, который принадлежит тому же правообладателю, что и настоящая заявка, и раскрытие которого включено в этот документ посредством ссылки.
Хотя система ВДП, имеющая катушки в конфигурации Гельмгольца, может снизить поверхностные неоднородности, катушки должны быть размещены на существенном расстоянии от кристаллизатора. Кроме того, из-за их размера катушкам требуется больше энергии для генерации требуемого магнитного поля.
В общем, система ВДП в соответствии с настоящим изобретением включает в себя источник электромагнитной энергии и подъемный механизм для перемещения источника электромагнитной энергии по мере увеличения расплавленного металла (т.е. слитка), так чтобы магнитное поле было локализованным. В одной форме источник электромагнитной энергии представляет собой компактный узел, и, как описано далее, в одной форме катушка включает в себя кольцевой магнитный сердечник, выполненный из высокопроницаемого материала и обмотанный изолированными проводами. Катушка предназначена для того, чтобы генерировать вращающееся магнитное поле, перпендикулярное вертикальной оси катушки. Это полученное вращающееся магнитное поле взаимодействует с током плавления, так чтобы перемещать дугу радиально, в направлении, перпендикулярном вертикальной оси электрода и слитка.
Хотя подъемный механизм показан и описан как перемещающий источник электромагнитной энергии относительно слитка, следует также понимать, что слиток можно перемещать относительно источника электромагнитной энергии, или могут перемещаться оба, источник электромагнитной энергии и слиток, оставаясь в рамках объема настоящего изобретения.
Теперь со ссылкой на сопровождающие чертежи будет описана одна форма системы ВДП в соответствии с настоящим изобретением.
Со ссылкой на фиг. 1 и 2, систему 100 ВДП, которую также можно назвать печью ВДП, используют для постепенного расплавления электрода 102 для образования слитка 104, содержащего ванну 103 расплавленного металла. В одной форме система ВДП включает в себя узел 106 кристаллизатора, катушку 108 (т.е. источник электромагнитной энергии), расположенную вокруг узла 106 кристаллизатора, и подъемный механизм 110 для перемещения катушки 108 вдоль внешней части узла 106 кристаллизатора.
Узел 106 кристаллизатора вмещает в себя электрод 102 и содержит слиток 104, образуемый из электрода 102. В одной форме узел 106 кристаллизатора включает в себя кристаллизатор 112 (в дальнейшем "кристаллизатор") и охлаждающий элемент 114, который ограничивает камеру 116 вокруг кристаллизатора 112 для охладителя, такого как вода, чтобы снижать температуру кристаллизатора 112. Также можно использовать другие подходящие системы для охлаждения кристаллизатора, и они подпадают под объем настоящего изобретения. Кристаллизатор 112 и охлаждающий элемент 114 могут быть выполнены из немагнитного материала, такого как медь и нержавеющая сталь.
Во время процесса переплава электрическая дуга, которая расплавляет электрод 102, проходит между электродом 102 и внутренней стенкой кристаллизатора 112, в общем, определяя область 105 электрической дуги, как показано. Преимущественно, как более подробно описано ниже, магнитное поле, генерируемое источником электромагнитной энергии, во время переплава локализовано в этой области 105 дуги (или, другими словами, ограничены этой областью 105 дуги, а не всем кристаллизатором 112 или существенной его частью), тем самым приводя к более высокому качеству поверхности слитка 104 и сокращая величину остатка электрода в конце процесса переплава.
Катушка 108 расположена рядом с узлом 112 кристаллизатора и перемещается вдоль продольной оси 2 узла 112 кристаллизатора, кристаллизатора 106 и слитка 104 по мере роста слитка 104. Катушка включает в себя сердечник 120 с несколькими обмотками 122, намотанными вокруг сердечника 120. Как дополнительно описано ниже, сердечник 120 и обмотки 122 предназначены для формирования поперечного магнитного поля, которое по существу ограничено зазором между электродом 102 и слитком 104. В одной форме сердечник 120 представляет собой кольцеобразный тороид с прямоугольным поперечным сечением, и он выполнен путем наложения слоев ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как закаленная электрическая сталь. Сердечник может быть выполнен в виде других подходящих форм и из других материалов, и его не следует ограничивать примерами, приведенными в этом документе.
Обмотки 122 могут представлять собой изолированный сплошной медный провод или полую медную трубку, намотанную вокруг сердечника 120. Обмотка разделена так, чтобы образовывать одну или несколько пар обмоток, где обмотки одной пары обмоток расположены с противоположных сторон сердечника 120. Например, со ссылкой на фиг. 3, катушка 108 включает в себя три пары обмоток (например, пару обмоток А-А', пару обмоток В-В' и пару обмоток С-С'), где обмотки каждой пары расположены с противоположных сторон сердечника. Каждая пара обмоток выполнена с возможностью принимать синусоидальный ток, причем ток в каждой паре обмоток сдвинут по фазе на 120°. Направление магнитного поля от каждой пары обмоток представлено стрелками на фиг. 3.
Для управления током, протекающим через катушку 108 и, таким образом, для управления магнитным полем, система 100 ВДП также содержит контроллер тока катушки. Со ссылкой на фиг. 4, контроллер 130 тока катушки включает в себя микроконтроллер 132, по меньшей мере одну мостовою схему управления для каждой пары обмоток (например, мостовые схемы 134А, 134В и 134С для пар обмоток A-A’, B-B’ и C-C’ соответственно), и один или несколько источников 136 постоянного тока. Мостовые схемы 134A, 134B и 134С управления можно обозначить все вместе как мостовые схемы 134 управления. Мостовые схемы 134 управления создают двунаправленный ток в соответствующих парах обмоток.
0
Микроконтроллер 132 запрограммирован так, чтобы управлять магнитным полем путем управления током, протекающим через пары обмоток. Более конкретно, максимальный ток, который также ограничивает максимальное магнитное поле, которое может быть создано, определяют на основе соотношения между напряжением питания от источника 136 постоянного тока и сопротивлением обмоток 122. Ток в каждой паре обмоток в любой момент определяют в соответствии с уравнениями 1-3, где V - напряжение источника питания, R - сопротивление каждой пары обмоток,  - угловая частота (т.е. ), и t - время.
Уравнение 1
Уравнение 2
Уравнение 3
0
Когда синусоидальный ток протекает через пары обмоток, задержку определяют как , где θ - увеличение угла в градусах, а  - частота вращения дуги, и она определяется как . Каждая пара обмоток генерирует магнитное поле, которое пропорционально мгновенному току, и результирующее магнитное поле, полученное из векторной суммы трех отдельных полей (т.е. индукция (B) магнитного поля), определяется в соответствии с уравнением 4, где B - поле в центре сердечника при максимальном токе, а ,  - единичные вектора. Как показано в уравнении 4, величина результирующего поля в центре в любой момент является константой и в 1,5 раза выше поля от отдельной пары обмоток.
Уравнение 4
Налагаемое снаружи магнитное поле преимущественно ограничено зазором между электродом и слитком и заставляет дугу, находящуюся между электродом и слитком, перемещаться к стенке кристаллизатора 112. При синусоидальном электрическом токе, протекающем через обмотки с соответствующими смещениями по фазе, генерируется вращающееся магнитное поле. Направлением вращения дуги (например, по часовой стрелке или против часовой стрелки) управляют на основе частоты, с которой подают энергию на обмотки, а скорость вращения зависит от частоты подачи электрической энергии на обмотки. Кроме того, управляя током, протекающим через пары обмоток, можно получить подходящее магнитное поле для управления положением дуги. То есть, магнитное поле взаимодействует с постоянным током плавления для создания силы (F), воздействующей на дугу, которая определена в уравнении 5, где J - плотность тока, а B - индукция магнитного поля.
Уравнение 5
Путем выбора соответствующих заданных значений (например, сопротивление обмотки, подаваемая энергия, фазовое смещение и др.) дуга проходит по окружности слитка, что, в свою очередь, помогает повысить гладкость поверхности слитка.
Вместо формирования магнитного поля по всей высоте кристаллизатора катушку 108 перемещают с помощью подъемного механизма 110 в соответствии с ростом слитка. Со ссылкой на фиг. 1 и 3, подъемный механизм 110 включает в себя платформу 150, на которой расположена катушка 108, и один или несколько приводных моторов 152, которые предназначены для постепенного перемещения платформы 150 с катушкой 108. В одной форме платформа 150 представляет собой изолированную пластину, которая прикреплена к четырем стойкам 154, причем каждой стойкой управляет приводной мотор 152 для перемещения платформы 150.
i
i
e
e
Для управления подъемным механизмом 110 система 100 ВДП также включает в себя контроллер привода подъемника. Со ссылкой на фиг. 5, в одной форме контроллер 160 привода подъемника включает в себя микроконтроллер 162, по одной мостовой схеме 164 управления для каждого приводного мотора 152, где мостовые схемы 164 соединены с источником постоянного тока (например, 12 В). Микроконтроллер 162 запрограммирован так, чтобы регулировать высоту подъемного механизма 110 на основе высоты слитка, которую можно определить на основе характеристик, связанных со слитком. Например, в одной форме система 100 ВДП оснащена тензодатчиками, и, таким образом, можно оценить высоту (h) слитка с использованием соотношения, приведенного в уравнении 6, в котором ρ - плотность слитка, A - площадь слитка, а  - скорость плавления. Как вариант, если система ВДП не включает в себя тензодатчики, то высоту слитка можно оценить из величины перемещения электрода 9 (т.е. хода поршня), которое получают из уравнения 7, в котором X - ход поршня, ρ - плотность электрода, а A - площадь электрода. Переменные в уравнениях 6 и 7 можно ввести в микроконтроллер 162, и они представлены на чертежах как входные параметры печи.
Уравнение 6
Уравнение 7
На основе вышеизложенного при работе система 100 ВДП включает в себя катушки 108, которая является компактной и перемещаемой с помощью подъемного механизма 110, так что катушка 108 перемещается по мере роста слитка. Катушка 108 предназначена для создания локализованного вращающегося магнитного поля для формирования вращающейся дуги между электродом и слитком. В частности, магнитное поле взаимодействует с плазмой дуги, ускоряя ее в радиальном направлении (т.е. перпендикулярно вертикальной оси электрода), тем самым, перемещая ее к кристаллизатору. Это действие, в свою очередь, оказывает положительное воздействие на качество поверхности слитка, так как тепловая энергия от дуги удаляет (расплавляет) брызги с кристаллизатора, и, следовательно, по мере своего роста слиток застывает на чистом кристаллизаторе, а не на оболочке, образованной брызгами.
Компактная конструкция катушки позволяет легко дооснастить существующие печи ВДП и требует минимального зазора вокруг узла кристаллизатора. Кроме того, благодаря компактному размеру катушки, напряжение и ток, необходимые для создания магнитного поля, являются сравнительно низкими по сравнению с системами, имеющими более крупные катушки, которые генерируют магнитное поле по всему кристаллизатору. Хотя была описана катушка, имеющая три пары обмоток, объем настоящего изобретения применим для нескольких пар обмоток, и его не следует ограничивать тремя.
Система ВДП в соответствии с настоящим изобретением выполнена с возможностью позиционировать и направлять дугу к поверхности слитка и, таким образом, существенно повышать качество поверхности слитка. Так как катушка поворачивает дугу, то внешнее поперечное поле прикладывают только к области дуги, а не к ванне расплавленного металла. Это, в свою очередь, помогает получить требуемую форму ванны расплавленного металла, ограничивая действие прикладываемого магнитного поля окрестностью дуги. Кроме того, изменяя поведение дуги в конце процесса, можно минимизировать величину остатка электрода.
В дополнение к управлению катушкой для поддержания целостности поверхности слитка и формы и веса остатка, система ВДП в соответствии с настоящим изобретением также может быть использована во время плавления для управления местоположением дуги и, таким образом, для воздействия на общую форму ванны, тем самым, улучшая структуру отвердевания. Дополнительное использование может осуществляться на ранних этапах вакуумно-дугового плавления, известного как запуск, для сокращения времени запуска и повышения общей целостности основания. На самом деле, можно предусмотреть любой подход, в котором можно применять устройство катушки и подход к управлению для управления положением дуги с течением времени, чтобы получить благоприятные эффекты, и он попадает под объем настоящего изобретения.
Контроллер тока катушки и контроллер подъемника вместе можно назвать системой управления системы ВДП. Хотя контроллер тока катушки и контроллер подъемника описаны как устройства, имеющие независимые микроконтроллеры, может быть выполнен один микроконтроллер для выполнения операций контроллера тока катушки и контроллера подъемника.
Алгоритм для контроллера тока катушки может быть встроен в существующие системы управления ВДП на основе программируемого логического контроллера с использованием текстового языка программирования. Как вариант, контроллер тока катушки может представлять собой отдельную систему.
Напряженность и вращение (об./мин.) поля являются программными параметрами, которые можно легко изменять во время различных этапов обычного плавления. Например, параметры могут быть подобраны для каждого из следующих этапов нагревания: этап запуска, установившийся режим и этап прибыли слитка. Напряженность поля и вращение (об./мин.) также можно регулировать, исходя из типа расплавляемого сплава, соответствующего зазора дуги и кругового расстояния.
В экспериментальной реализации системы ВДП в соответствии с настоящим изобретением катушка была расположена вокруг 203-мм (восьмидюймовой) печи ВДП с 25,4 мм (однодюймовым) зазором между катушкой и печью. Катушка имела внутренний диаметр 381 мм (15 дюймов), внешний диаметр 342 мм (17 дюймов) и высоту 76 мм (три дюйма). Катушка была образована путем наложения листов промышленной электрической стали толщиной 0,254 мм (0,01 дюйма) для образования сердечника, и вокруг сердечника было намотано три слоя изолированного медного провода толщиной 1 мм (18 калибра).
В результате эксперимента обнаружено, что электрический ток в диапазоне от 0 до 1,6 А и напряжение в диапазоне от 0 до 10 В являются достаточными для создания в центре кристаллизатора максимального магнитного поля, равного 20 Гс на пару обмоток, и фактического поля - 30 Гс. Дуга вращалась со скоростью от 2 до 5 об/мин, с приращением угла в диапазоне от 1 до 15 градусов, с переменой направления каждые 5 минут. График трех синусоидальных сигналов тока во время испытания показан на фиг. 6. В таких условиях испытаний для отслеживания высоты слитка подъемный механизм перемещали со скоростью в диапазоне от 0 до 0,5 м/мин. Эта экспериментальная реализация приведена для того, чтобы дополнительно проиллюстрировать работу узла ВДП в соответствии с настоящим изобретением, и не предназначена для ограничения узла ВДП описанными в эксперименте параметрами.
Описание изобретения является всего лишь примерным по своей сути, и, таким образом, изменения, не отклоняющиеся от сущности изобретения, подпадают под объем изобретения. Такие изменения не следует рассматривать как отклонение от сущности и объема изобретения.