Способ контроля работы вакуумной электродуговой печи

 

Изобретение относится к области специальной электротехники, а именно к нагреву металлов дуговым разрядом, и может быть использовано для контроля работы печи при вакуумно-дуговом переплаве высокореакционных металлов и сплавов, например титана. В способе дополнительно измеряют скорость изменения отношения интенсивностей спектральных линий металла кристаллизатора и металла электрода за установленный интервал времени Δt и при установленной скорости достижения порогового значения снижают ток дуги и повышают напряженность магнитного поля соленоида. При снижении отношения интенсивностей спектральных линий по крайней мере в два раза за последующий интервал времени Δt₁ повышают ток дуги и снижают напряженность поля соленоида до рабочего режима, а при отсутствии такого снижения отношения интенсивностей спектральных линий выключают ток дуги за период времени Δt₂, при этом сумма трех интервалов времени Δt,Δt₁,Δt₂ и времени переходных процессов τ должна быть на порядок меньше времени прогорания стенки кристаллизатора. Предлагаемый способ повышает достоверность сигнала о взрывоопасной ситуации, обеспечивает устойчивость хода процесса плавки и повышение качества выплавляемого металла за счет исключения перерывов в процессе плавления, связанных с отключением печи по ложным сигналам. 2 ил.

Изобретение относится к области специальной электротехники, а именно к нагреву металлов дуговым разрядом, и может быть использовано для контроля работы печи при вакуумной дуговой плавке высокореакционных металлов и сплавов, в частности титана.

Во время плавки расходуемого электрода в вакуумной электродуговой печи между электродом и стенкой кристаллизатора происходит ионизация атомов газа и металлов, испарившихся из жидкой ванны или конденсата легколетучих примесей и легирующих компонентов, которые постоянно отлагаются на холодных участках кристаллизатора выше зоны плавки. Такая ионизация иногда вызывает образование кратковременно существующих дуг между электродом и кристаллизатором. При некоторых обстоятельствах (например, малый зазор между кристаллизатором и электродом вследствие кривизны или плохой центровки последнего) боковой разряд стабилизируется на определенном участке и может произойти сквозное проплавление водоохлаждаемой стенки кристаллизатора. Возникает аварийная ситуация, которая может привести к взрыву печи.

Известен способ обнаружения взрывоопасной ситуации при вакуумной дуговой плавке титановых сплавов, в котором измеряют напряжение дуги и сравнивают его с заданным. При превышении напряжения сверх заданной величины производят отключение печи (Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1978, с. 67).

Данный способ позволяет обнаружить взрывоопасную ситуацию, возникающую при перебросе дуги на кристаллизатор.

Однако способ недостаточно точен, т.к. напряжение дуги может изменяться не только при перебросе дуги на кристаллизатор, но и вследствие изменения состава выделяющихся газов, длины межэлектродного промежутка и других причин, не создающих аварийную ситуацию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ контроля вакуумной дуговой плавки, в котором по виду линий спектра при появлении минимум одной линии или минимум одной группы линий спектра, характерных для материала кристаллизатора, делают заключение об испарении материала кристаллизатора. Действительную интенсивность сравнивают с заданным значением интенсивности, при достижении которого плавку прекращают (заявка ФРГ 3120856, кл. Н 05 В 7/18, публ. 1982 г.) - прототип.

Недостатком прототипа является то, что при работе печи имеют место очень короткие во времени касания дугой корпуса кристаллизатора и возникновение ярких спектральных линий меди (материала корпуса кристаллизатора), сигнал от которых достигает значения заранее заданного порогового уровня электронного устройства. Это приведет к ложному отключению тока дуги и в результате к экономическим потерям. Прерывание процесса плавки может резко снизить качество выплавляемого металла.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение достоверности исключения аварийной ситуации работы вакуумной электродуговой печи и сохранение качества металла выплавляемого слитка в процессе плавки.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля работы вакуумной электродуговой печи дополнительно измеряют скорость изменения отношения интенсивностей спектральных линий металла кристаллизатора и металла электрода за установленный интервал Δt и при установленной скорости достижения порогового значения снижают ток дуги, повышают напряженность магнитного поля соленоида и при снижении отношения интенсивностей спектральных линий, по крайней мере, в два раза за последующий интервал времени Δt₁ повышают ток дуги и снижают напряженность магнитного поля соленоида до рабочего режима, а при отсутствии такого снижения отношения интенсивностей спектральных линий выключают ток дуги за период времени Δt₂, при этом сумма трех интервалов времени Δt,Δt₁,Δt₂ и времени переходных процессов τ должна быть на порядок меньше времени прогорания стенки кристаллизатора.

На фиг. 1 приведена схема вакуумной электродуговой печи, работа которой контролируется. Печь состоит из кристаллизатора 1, вставленного в соленоид 2, вакуумной камеры 3, переплавляемого электрода 4, электрододержателя 5, поддона 6, источника тока дуги 7, измерителя тока дуги 8, источника тока соленоида 9, измерителя тока соленоида 10.

Кристаллизатор печи состоит из медной гильзы и рубашки охлаждения, расположенных соосно одна в другой и с пространством между образующими стенками. Через это пространство пропускается под давлением вода для охлаждения кристаллизатора.

Максимальный рабочий ток дуги, например печи ДТВ 8,7-Г10 составляет 37,5 кА при напряжении 46-52 В. По ряду таких причин, как влияние магнитной гидродинамики, отклонение электрода от осевой линии кристаллизатора, магнитоакустические волны и высокочастотные поля в некоторых случаях приводят к перебросу дуги на медный корпус кристаллизатора: за 5-10 с кристаллизатор прожигается, вода попадает внутрь кристаллизатора, что приводит к аварийной ситуации.

На фиг.1 показана также блок-схема устройства, реализующего способ контроля работы печи. Суммарный спектр от смотровых окон 11 и 12 печи, расположенных на диаметрально противоположных сторонах от электрододержателя 5, поступает через световоды 13 и 14 на миниспектрометр 15. Разделенные по длине волны λ₁ и λ₂ спектры титана и меди поступают на фотоприемники 16 и 17, выход которых подключен к электронному устройству 18 с программным обеспечением для усиления и обработки сигнала. Электронное устройство 18 подключено к источникам тока дуги 7 и тока соленоида 9. По результатам сравнения полученного значения скорости изменения интенсивностей спектральных линий с напередзаданным пороговым значением анализируется ход процесса плавки и при превышении рабочим сигналом порогового значения делается вывод о возникновении взрывоопасной ситуации и формируются команды на изменение тока дуги и тока соленоида до рабочих значений. Процесс плавки продолжается.

На фиг. 2 приведены графики, показывающие скорости изменения отношения интенсивностей спектральных линий.

При работе вакуумной электродуговой печи всегда присутствуют спектры титана (выплавляемого металла) и меди (материала кристаллизатора). Отношение интенсивностей аналитических линий спектров будет увеличиваться плавно по мере заполнения кристаллизатора расплавленным титаном. Это связано с увеличением температуры и уменьшением расстояния от области излучения до смотрового окна печи (фиг.2а, прямая 1).

Экспериментально установлено, что при переходе дуги на медный корпус кристаллизатора в течение нескольких миллисекунд (мс) отношение интенсивностей спектральных уровней достигает порогового значения (фиг.1а, прямая 2), тогда как при нормальном процессе плавки отношение сигналов не может достичь порогового уровня за время, отведенное на принятие решения.

В связи с этим предусматривается проводить контроль за промежуток времени 1 мс в течение 10 мс (фиг.2б). При значительном росте отношения интенсивностей спектральных линий программой предусматривается повторение контроля за 10 мс. В случае устойчивого достижения порогового значения применяется решение о снижении тока дуги и увеличении магнитного поля соленоида. Вновь осуществляется контроль за период времени 10 мс и при уменьшении отношения интенсивностей спектральных линий по крайней мере в два раза принимается решение о восстановлении рабочих режимов печи. После этого ведется непрерывный контроль работы печи. В случае, когда при понижении тока дуги и увеличении напряженности магнитного поля соленоида отношение интенсивностей спектральных линий достигает порогового уровня, принимается решение о выключении тока дуги.

Если возникают короткие вспышки за промежуток времени контроля 1 мс, не повторяющихся в остальных промежутках времени в течение 10 мс, то этот результат измерения отбрасывается по теории ошибок как промах. На пути от электрической дуги до смотрового окна излучение может испытывать самообращение спектральных линий, резонансное поглощение и рассеяние частицами газов, пыли, которые существуют внутри печи. Это будет сказываться на вариациях отношения интенсивностей спектральных линий. Поэтому за наступление аварийной ситуации принимается 8 измерений из 10 за 10 мс, которые достигают порогового уровня. При превышении порогового уровня для 5-6 измерений из 10 за 10 мс предусматривается двукратный и трехкратный процесс измерений по 10 мс и по результату статистической выборки принимают решение.

Предлагаемый способ контроля работы вакуумной электродуговой печи по сравнению с известными повышает достоверность сигнала о возникновении угрозы взрыва за счет исключения ложных сигналов; обеспечивает устойчивость хода процесса плавки и качество выплавляемого металла за счет исключения перерывов в процессе плавления, связанных с отключением печи по ложным сигналам.

Формула изобретения

Способ контроля работы вакуумной электродуговой печи, включающий визуальное наблюдение за поведением дуги, измерение изменения тока дуги, регистрацию уровня спектральных оптических линий плавящегося металла расходуемого электрода и металла кристаллизатора, отличающийся тем, что дополнительно измеряют скорость изменения отношения интенсивностей спектральных линий металла кристаллизатора и металла электрода за установленный интервал времени Δt и при установленной скорости достижения порогового значения снижают ток дуги и повышают напряженность магнитного поля соленоида, причем при снижении отношения интенсивностей спектральных линий по крайней мере в два раза за последующий интервал времени Δt₁ повышают ток дуги и снижают напряженность магнитного поля соленоида до рабочего режима, а при отсутствии такого снижения отношения интенсивностей спектральных линий выключают ток дуги за период времени Δt₂, при этом сумма трех интервалов времени Δt, Δt₁, Δt₂ и времени переходных процессов τ должна быть на порядок меньше времени прогорания стенки кристаллизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2