Способ контроля процесса плавки в вакуумной дуговой печи
METHOD FOR CONTROLLING MELTING PROCESS IN VACUUM ARC FURNACE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами в металлургической промышленности.
Известен способ контроля процесса вакуумной дуговой плавки (см. RU 2215959 С2, 11.2003), при котором возбуждают высокочастотные колебания на резонансной частоте кристаллизатора с плавящимся электродом как коаксиального резонатора и по изменению частоты в процессе плавки судят об уровне заполнения кристаллизатора жидким металлом, а по изменению амплитуды высокочастотных колебаний судят о межэлектродном промежутке (расстоянии) и капельном замыкании.
Недостатком этого известного способа является низкое качество контроля межэлектродного промежутка (расстояние) из-за нестабильности амплитуды высокочастотных колебаний.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ контроля процесса плавки в вакуумной дуговой печи. Согласно этому способу (RU 2556249 С2, 06.2015) для контроля процесса плавки организуют колебательный контур на базе последовательно соединенных кристаллизатора, навесного конденсатора и расходуемого электрода с дугой. В этом колебательном контуре возбуждают высокочастотные колебания и при текущем значении длины дуги в вакуумной дуговой печи судят по измеренной резонансной частоте колебательного контура. Недостатком данного способа можно считать низкую точность измерения межэлектродного промежутка ввиду температурного перепада между навесным конденсатором и расходуемым электродом с дугой.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения межэлектродного промежутка.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля процесса плавки в вакуумной дуговой печи, включающем измерение собственной резонансной частоты колебательного контура, возбужденного электромагнитными колебаниями и содержащего плавящийся электрод с дугой, с учетом которой определяют межэлектродный промежуток и по величине которого контролируют процесс плавки, возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют в колебательном контуре, представляющем собой открытый резонатор, в качестве отражателей которого используют торец плавящегося электрода, выполненного со сквозным отверстием, через которое вводят электромагнитные колебания, и ванну жидкого металла в кристаллизаторе.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение собственной резонансной частоты возбужденного электромагнитными колебаниями открытого резонатора, образованного плавящимися электродом со сквозным отверстием и ванной жидкого металла в кристаллизаторе, дает возможность измерить расстояние межэлектродного промежутка.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения межэлектродного промежутка на основе измерения собственной резонансной частоты открытого резонатора с плавящимся электродом и ванной жидкого металла, используемыми как отражатели с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Данное устройство содержит генератор электромагнитных колебаний 1, соединенный выходом с первым плечом микроволнового циркулятора 2, плоский отражатель 3, вогнутый отражатель 4, измеритель амплитудно-частотных характеристик 5.
Предлагаемый способ работает следующим образом. Суть предлагаемого технического решения заключается в образовании на базе объекта контроля (вакуумной дуговой печи) колебательной системы, использующей резонансные свойства открытого резонатора, отражателями которого могут являться торец плавящегося электрода со сквозным отверстием и поверхность ванны жидкого металла. В рассматриваемом случае торец плавящегося электрода используется как плоский отражатель открытого резонатора, а поверхность ванны жидкого металла - как вогнутый отражатель открытого резонатора. При этом сквозное отверстие плавящегося электрода используется для ввода электромагнитных колебаний в полость открытого резонатора и вывода этих колебаний из полости открытого резонатора.
Пусть электромагнитные колебания с помощью сквозного отверстия поступают в полость открытого резонатора. Тогда при резонансе для собственной резонансной частоты (круговой) с данного открытого резонатора можно записать
где q - целое число (практически q>3), с - скорость распространения электромагнитной волны между отражателями (свободное пространство), l - расстояние между вогнутым (ванной жидкого металла) и плоским (торцом расходуемого электрода) отражателями открытого резонатора.
cp
Принимая во внимание то, что в процессе переплава жаропрочных сплавов оптимальная (допустимая) длина межэлектродного промежутка может колебаться в диапазоне между минимумом и максимумом длины межэлектродного промежутка, принимаем какое-нибудь среднее значение расстояния между отражателями и обозначим как l. Тогда уравнение (1) можно переписать как
Отсюда следует, что измерением резонансной частоты данного открытого резонатора, при постоянных значениях q и с, можно судить об уменьшении и увеличении длины межэлектродного промежутка.
п
Как показывает практика, при переплаве межэлектродный промежуток заполняется ионизированным паром, например, алюминия, который может оказать влияние на характеристики распространения электромагнитной волны между отражателями. В данном случае к основным параметрам ионизированного газа, оказывающим непосредственное влияние на характеристики распространения электромагнитных волн, можно отнести диэлектрическую и магнитную проницаемости указанной среды. При этом магнитную проницаемость этого пара μ можно принимать равной единице (случай вакуума).
Как известно, диэлектрическая проницаемость ионизированного газа 8 отличается от единицы, и она может быть выражена как
э
2
ε=1-80,8N/f,
э
0
э
-1
где N - электронная плотность, см, f - используемая частота электромагнитной волны. Из приведенной формулы вытекает условие распространения электромагнитной волны, при котором собственная частота ионизированного газа (f=80,8N) должна быть больше используемой частоты f (коэффициент преломления имеет мнимую величину). В соответствии с этим для диэлектрической проницаемости ионизированного пара можно принимать
п
0
2
2
ε=1-f/f.
ф
Как видно из последней формулы диэлектрическая проницаемость ионизированного пара меньше единицы и зависит от частоты колебаний. Другими словами данный ионизированный пар можно отнести к диспергирующим средам с фазовой скоростью распространения электромагнитных волн. С учетом этого, для фазовой скорости ϑ распространения электромагнитной волны можно записать
Из формулы (3) видно, что при вычислении длины межэлектродного промежутка (см. формулу (2)) необходимо учесть скорость распространения электромагнитной волны, с учетом диэлектрической проницаемости ионизированного пара. Кроме того, эта формула дает возможность при определенных (известных) значениях конструктивных размеров плавящегося электрода и ванны жидкого металла выбрать частоту, обеспечивающую распространение волн между отражателями без особых потерь. Из вышеизложенного следует, что на основе колебательных характеристик данного колебательного контура (открытого резонатора) с учетом диэлектрических свойств ионизированного пара можно измерить длину межэлектродного промежутка.
В устройстве, реализующем данный способ, выходной сигнал микроволнового генератора 1 поступает к первому плечу микроволнового циркулятора 2. После этого микроволновым сигналом, снимаемым со второго плеча циркулятора и прошедшим через сквозное отверстие плавящегося электрода 3, возбуждают электромагнитные колебания в открытом резонаторе (колебательном контуре), организованном плавящимся электродом 3 и ванной жидкого металла 4. В данном техническом решении для подтверждения факта резонанса в данной колебательной системе и его отслеживания сигнал с резонатора поступает во второе плечо циркулятора. Согласно принципу действия циркулятора сигнал, пришедший с резонатора, снимается с третьего плеча циркулятора и далее поступает на вход измерителя амплитудно-частотных характеристик 5. Здесь можно зафиксировать резонанс в данной колебательной системе и произвести измерение собственной резонансной частоты открытого резонатора, связанной длиной межэлектродного промежутка.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе измерения собственной резонансной частоты открытого резонатора, образованного на базе объекта контроля посредством плавящегося электрода и ванной жидкого металла, можно обеспечить повышение точности измерения межэлектродного промежутка.
Данный способ успешно может быть применен в металлургической промышленности для управления технологическими процессами в вакуумной дуговой печи.