用于基于功率输入控制真空电弧重熔炉的系统和方法技术方案

用于金属的真空电弧重熔(VAR)过程的控制系统包括直流(DC)电源、冲头件驱动器、电压滴流短路传感器和包括处理器的控制器。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。控制器配置成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与熔池之间的实时电弧间隙长度。控制器还配置成基于实时电弧间隙长度，通过确定输入至电极的输入功率水平来控制由直流电源输入至电极的功率，输入功率水平配置成通过直流电源以输入功率水平产生期望电弧间隙长度。

System and method for controlling vacuum arc remelting furnace based on power input

The control system for the vacuum arc remelting (VAR) process for metal consists of a DC (DC) power supply, a punch driver, a voltage drop short circuit sensor and a controller including a processor. The drip short circuit sensor can be configured to measure the short circuit frequency of the arc in the time period. The controller is configured to determine the real arc gap length between the electrode tip and the weld pool based on the correlation between the drop short circuit frequency and the arc gap length. The controller is also configured based on the length of the real time arc gap, and the input power input to the electrode is controlled by determining the input power level of the input to the electrode. The input power level is configured to generate the desired arc gap length at the input power level by the DC power supply.

【技术实现步骤摘要】
用于基于功率输入控制真空电弧重熔炉的系统和方法
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。
技术介绍
真空电弧重熔(vacuumarcremelting，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。
技术实现思路
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(dripshort)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。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。具体实施方式以下参照附图，并具体参照图1，图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属的真空电弧重熔(VAR)过程的控制系统，所述真空电弧重熔过程使用真空电弧重熔炉，所述真空电弧重熔炉包括坩埚、冲头件、真空室和真空源，其中所述坩埚中形成有由金属形成的锭，所述冲头件与由所述金属形成的电极可操作地相关联，所述真空源与所述真空室相关联，所述控制系统包括：直流(DC)电源，与所述电极可操作地相关联，并配置成在所述电极的电极尖端与所述锭的熔池之间产生电弧；冲头件驱动器，与所述冲头件可操作地相关联，并配置成驱动所述冲头件；滴流短路传感器，配置成在时间段内测量所述电弧的滴流短路频率；以及控制器，包括处理器，所述控制器与所述直流电源、所述冲头件驱动器和所述滴流短路传感器可操作地相关联，所述控制器配置成：使用间隙确定模块，使用由所述滴流短路传感器测量的、所述时间段内的所述滴流短路频率，确定所述电极尖端与所述熔池之间的实时电弧间隙长度，所述间隙确定模块基于所述滴流短路频率与所述电弧间隙长度之间的相关性来确定所述实时电弧间隙长度，使用冲头件控制模块来控制所述冲头件的冲头件速度，所述冲头件控制模块确定用于所述真空电弧重熔过程的冲头件速度，所述冲头件速度配置成实现用于所述电极的期望熔化速率，以及所述冲头件控制模块基于所述冲头件速度向所述冲头件驱动器提供驱动所述冲头件的指令，以及使用功率控制模块控制通过所述直流电源输入至所述电极的功率，所述功率控制模块配置成基于所述实时电弧间隙长度来确定对所述电极的输入功率水平，所述输入功率水平配置成在通过所述直流电源以所述输入功率水平传输电力时在所述电极尖端与所述熔池之间产生期望电弧间隙长度。...

【技术特征摘要】
2016.11.01 US 15/340,6711.一种用于金属的真空电弧重熔(VAR)过程的控制系统，所述真空电弧重熔过程使用真空电弧重熔炉，所述真空电弧重熔炉包括坩埚、冲头件、真空室和真空源，其中所述坩埚中形成有由金属形成的锭，所述冲头件与由所述金属形成的电极可操作地相关联，所述真空源与所述真空室相关联，所述控制系统包括：直流(DC)电源，与所述电极可操作地相关联，并配置成在所述电极的电极尖端与所述锭的熔池之间产生电弧；冲头件驱动器，与所述冲头件可操作地相关联，并配置成驱动所述冲头件；滴流短路传感器，配置成在时间段内测量所述电弧的滴流短路频率；以及控制器，包括处理器，所述控制器与所述直流电源、所述冲头件驱动器和所述滴流短路传感器可操作地相关联，所述控制器配置成：使用间隙确定模块，使用由所述滴流短路传感器测量的、所述时间段内的所述滴流短路频率，确定所述电极尖端与所述熔池之间的实时电弧间隙长度，所述间隙确定模块基于所述滴流短路频率与所述电弧间隙长度之间的相关性来确定所述实时电弧间隙长度，使用冲头件控制模块来控制所述冲头件的冲头件速度，所述冲头件控制模块确定用于所述真空电弧重熔过程的冲头件速度，所述冲头件速度配置成实现用于所述电极的期望熔化速率，以及所述冲头件控制模块基于所述冲头件速度向所述冲头件驱动器提供驱动所述冲头件的指令，以及使用功率控制模块控制通过所述直流电源输入至所述电极的功率，所述功率控制模块配置成基于所述实时电弧间隙长度来确定对所述电极的输入功率水平，所述输入功率水平配置成在通过所述直流电源以所述输入功率水平传输电力时在所述电极尖端与所述熔池之间产生期望电弧间隙长度。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述功率控制模块配置成在所述实时电弧间隙长度比所述期望电弧间隙长度大的情况下，降低所述直流电源的功率。3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述功率控制模块配置成在所述实际电弧间隙长度比所述期望电弧间隙长度小的情况下，提高所述直流电源的功率。4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述坩埚的内径对应于所述锭的锭直径，以及所述内径大于或等于750毫米。5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述坩埚的内径对应于所述锭的锭直径，以及所述内径在1000毫米至1100毫米的范围内。6.一种用于控制真空电弧重熔(VAR)过程的方法，所述真空电弧重熔过程使用真空电弧重熔炉，所述真空电弧重熔炉包括坩埚、冲头件、真空室和真空源，其中所述坩埚中形成有由金属形成的锭，所述冲头件与由所述金属形成的电极可操作地相关联，所述真空源与所述真空室相关联，所述方法包括：使用与所述电极可操作地相关联的直流(DC)电源，在所述电极的电极尖端与所述锭的熔池之间产生电弧；使用与所述冲头件可操作地相关联的冲头件驱动器，以冲头件速度驱动所述冲头件，所述冲头件速度配置成实现用于所述电极的期望熔化速率；使用滴流短路传感器确定时间段内所述电弧的滴流短路频率；基于所述滴流短路频率与所述电弧间...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔吉达斯·恩德斯，
申请(专利权)人：芬可乐父子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US