СПОСОБ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЛАВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR CONTROL OF SPARK GAP DURING VACUUM ARC MELTING AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков из титановых сплавов.
Основными параметрами управления вакуумной дуговой плавкой (ВДП) являются: поддержание стабильного тока дуги, межэлектродного промежутка и давления в печи. Правильно выбранные и постоянно поддерживаемые перечисленные параметры в стационарном режиме плавления оказывают решающее значение на структурную и химическую однородность металла. Из этих параметров наиболее трудно управляемым является межэлектродный промежуток, т.к. непосредственно произвести его измерение чрезвычайно сложно. Поэтому современные системы управления ВДП в качестве показателя определения величины межэлектродного промежутка используют косвенные параметры, например, падение напряжения на дуге и частоту капельных замыканий. Качественное управление процессом ВДП требует поиска и использования данных, содержащих достоверную информацию о величине межэлектродного промежутка.
Известен способ вакуумного дугового переплава слитков из титановых сплавов, включающий измерение напряжения на дуге с получением контролируемого сигнала напряжения, анализ его изменения, регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка. Измерение напряжения производят с частотой не более 1000 Гц с последующим выделением сигналов напряжения на дуге с частотой 300 и/или 600 и/или 900 Гц и определением по ним величины межэлектродного промежутка (патент RU 2278176 С1, публ. 20.06.2006).
Недостатком известного способа является зависимость частоты контролируемого сигнала от частоты работы системы импульсно-фазового управления источника питания печи ВДП. Изменение частоты работы системы импульсно-фазового управления источника приведет к ошибке в определении величины дугового промежутка при низких значениях силы тока.
Наиболее близким аналогом для заявляемого изобретения является способ контроля и регулирования межэлектродного промежутка в процессе вакуумной дуговой плавки, включающий измерение напряжения на дуге с получением контролируемого сигнала напряжения, анализ его изменения и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка (патент RU 2227167, публ. 20.04.2004) - прототип.
Недостатком данного способа является сложная схема устройства для осуществления контроля межэлектродного промежутка в процессе вакуумной дуговой плавки.
Известно устройство в способе вакуумного дугового переплава слитков с поддержанием величины межэлектродного промежутка по параметрам частоты капельных замыканий. Патент US 4578795 от 25.03.1986, О.Стензел и Ф.-В. Томас - прототип. Устройство контроля включает датчик напряжения, компаратор, микропроцессор, регулятор-контроллер и привод.
Недостатком известного устройства являются возможные ошибки оценки межэлектродного промежутка из-за шумов, которые накладываются на сигналы коротких капельных замыканий и вызывают погрешности при оценке межэлектродного промежутка.
Целью настоящего изобретения является создание способа контроля межэлектродного промежутка в пределах 5÷60 мм и управления перемещением электрододержателя в процессе вакуумной дуговой плавки и устройства для его осуществления.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля и регулирования межэлектродного промежутка в процессе вакуумной дуговой плавки, включающем измерение напряжения на дуге, получение контролируемого сигнала напряжения, анализ его изменения, определение по нему фактической величины межэлектродного промежутка и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка, измерение напряжения производят с частотой не менее 40 кГц, а в качестве контролируемого сигнала напряжения используют выделенные импульсы напряжения с обратной полярностью напряжения и длительностью 0,1÷5 мс.
Указанный результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство контроля и регулирования межэлектродного промежутка в процессе вакуумной дуговой плавки, содержащее аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ и привод электрода с пропорционально-интегральным регулятором, снабжено блоком сопряжения и нормализации входного сигнала, характеризующего напряжение на дуге, до определенной величины при полосе пропускания 50 кГц, а ЭВМ выполнена с возможностью выделения импульсов напряжения с обратной полярностью и длительностью в заданном диапазоне при частоте не менее 40 кГц.
Блок-схема устройства приведена на фиг.1, а на фиг.2 - диаграмма записи напряжения на дуге.
Устройство содержит: блок 1 - устройство, нормализующее сигнал напряжения дуги с полосой пропускания не менее 50 кГц; блок 2 (АЦП) - быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с частотой опроса не ниже 40 кГц; блок 3 (ЭВМ) - промышленный компьютер, реализующий алгоритм компьютерной обработки (программным способом определяется величина межэлектродного промежутка и управление перемещением расходуемого электрода); блок 4 - электропривод перемещения расходуемого электрода; блок 5 - вакуумная дуговая печь.
Устройство работает следующим образом. При поступлении сигнала напряжения блок 1 нормализует входной сигнал до определенной величины, одновременно выполняя роль фильтра с полосой пропускания не менее 50 кГц. Далее, через АЦП сигнал поступает в промышленный компьютер и подвергается компьютерной обработке по определенному алгоритму, вычисляется величина межэлектродного промежутка и выдается команда на привод 4 перемещения расходуемого электрода вакуумной дуговой печи 5.
Способ контроля и управления реализуется следующим образом. Производится постоянное измерение напряжения на дуге с частотой не менее 40 кГц. Данная частота оптимизирована для использования регуляторов, работающих по импульсам коротких замыканий, т.к. минимальная длительность импульсов должна быть не менее 0,1 мс, при которых фиксируются сигналы напряжения с обратной полярностью. Более короткие импульсы не несут полезной информации. Для обеспечения такой частоты опроса (40 кГц) блок нормализации имеет полосу пропускания 50 кГц.
Преобразованный в блоках 1 и 2 сигнал поступает в систему компьютерной обработки, где по заданному алгоритму происходит выделение из сигнала характеристических импульсов. Под характеристическими импульсами понимаются присутствующие в сигнале напряжения печи импульсы с обратной полярностью (когда анодом является слиток, а катодом - расходуемый электрод), т.е. импульсы с напряжением менее 0 В, и длительностью в диапазоне 0,1÷5,0 мс (фиг.2). Из характеристических импульсов проводится отсечка «шумовых» импульсов, которые не являются информативными. Из оставшихся импульсов в соответствии с распределением Вейбулла осуществляется отборка наиболее значимых в информативном плане импульсов, которые в последующем усредняются на определенном временном интервале. Усреднению подвергается длительность отобранных импульсов. Полученный таким образом сигнал по заранее определенным экспериментальным данным позволяет рассчитать величину фактического межэлектродного промежутка с точностью ±5 мм. В дальнейшем для формирования управляющего сигнала на привод перемещения расходуемого электрода используется алгоритм стандартного ПИ-регулятора (пропорционально-интегральный регулятор). Коэффициенты ПИ-регулятора подобраны экспериментальным путем с учетом реальных скоростей плавки на токах менее 10 кА. ПИ-регулятор сравнивает величину фактического межэлектродного промежутка с требуемой уставочной величиной промежутка и формирует сигнал управления приводом перемещения расходуемого электрода вакуумной дуговой печи.
Пример конкретного выполнения.
Плавление расходуемого электрода осуществляли в вакуумной дуговой электропечи ДТВ8.7-Г10, оснащенной системой регулирования плавки.
На расходуемом электроде сплава Ti-10V-2Fe-3Al диаметром 690 мм, длиной 2100 мм фрезой был выполнен маркер (продольная канавка 120 мм) для фиксации начала выведения усадочной раковины (ВУР). Электрод загрузили в кристаллизатор диаметром 770 мм. После загрузки и центровки электрода произвели его приварку к огарку. Печь вакуумировали и включили источник питания. Далее проводился процесс выплавки слитка в течение 36 часов по заданной технологии с контролем и управлением перемещения электрододержателя на основе сигналов характеристических импульсов. После завершения плавки установочная величина межэлектродного промежутка должна составлять 24 мм; фактически измеренный межэлектродный промежуток составил 22 мм.
Предлагаемый способ контроля и управления вакуумной дуговой плавкой по сравнению с известными позволяет эффективно контролировать и регулировать межэлектродный промежуток в пределах 5÷60 мм независимо от частоты работы системы импульсно-фазового управления источника питания печи ВДП при упрощенной аппаратной схеме устройства для осуществления контроля межэлектродного промежутка в процессе вакуумной дуговой плавки.