РАСПЛ АВЫ
4 • 2004
УДК 621.365.2-982
© 2004 г. М. М. Тельманов, А. А. Филиппенков, И. В. Левин, А. Н. Ватолин, А. В. Войтенко, В. А. Войтенко, В. Г. Лисиенко, А. Г. Крашенинин
О НОВЫХ СПОСОБАХ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СЛИТКА ПРИ ВАКУУМНОМ ДУГОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ
Вакуумная дуговая печь рассмотрена как высокочастотный коаксиальный резонатор с высокой добротностью. Предложены способы контроля уровня заполнения кристаллизатора, межэлектродного промежутка, весовой скорости плавки по изменению частоты автогенератора. Рассмотрено влияние высокочастотного поля на повышение температуры торца расплавляемого электрода. Обсуждены новые способы контроля качества слитка при вакуумном дуговом переплаве.
Вакуумные дуговые печи (ВДП) широко используются в промышленности для производства чистых металлов и сплавов [1]. Несмотря на то, что метод электродугового переплава металлов используется давно, исследования дугового разряда интенсивно продолжаются, но тем не менее до настоящего времени не разработана до конца теория электрической дуги и не найдены надежные способы контроля параметров по строго функциональным и физически обоснованным зависимостям [2, 3]. В статье рассматриваются способы определения основных технологических параметров при плавке в вакуумных дуговых печах.
К основным параметрам необходимо отнести силу электрического тока, падение напряжения на дуге, длину межэлектродного промежутка, весовую скорость плавки, уровень заполнения кристаллизатора расплавом, напряженность магнитного поля соленоида. Особую важность имеют выявление причин образования боковой дуги и своевременный контроль взрывоопасной ситуации при производстве химически активных металлов. Из указанных параметров надежно контролируются только сила тока, напряжение на дуге, напряженность магнитного поля. Остальные параметры контролируются по случайным, статистическим моделям или вообще не контролируются, несмотря на то, что они в значительной степени влияют на структуру (качество) металла, расход электроэнергии и безопасность работы ВДП. Без точного знания всех параметров невозможно настроить печь на оптимальный режим работы и, более того, создать конструкцию высокоэффективных печей нового поколения с учетом методов современной физики.
Глубокий вакуум и высокая температура внутри печей не позволяют использовать внедренные в печь датчики и приборы для контроля уровня расплава, весовой скорости плавки, межэлектродного расстояния, образования боковой дуги. Отсутствие стабильных сигналов этих параметров не позволяет разработать надежные системы автоматического управления процессом плавки. При работе печей все параметры связаны между собой и, следовательно, каждый из выделенных объектов регулирования вносит возмущение в "соседний" канал управления.
В работах [4, 5] приводятся результаты исследований частоты капельных замыканий и падения напряжения на дуге от размеров межэлектродного расстояния. Установлено, что при длине межэлектродного расстояния более 15 мм контролировать этот параметр практически невозможно вследствие отсутствия реакции на частоту капельных замыканий. Приблизительно такая же зависимость изменения напряжения на дуге
Рис. 1. Вакуумная печь и блок-схема автоматического управления параметрами работы ВДП.
1 - поддон; 2 - кристаллизатор; 3 - расплавляемый электрод; 4 и 9 - штыри, расположенные в пучности электрического поля резонатора; 5 - вакуумная камера; 6 - электрододержатель; 7 - механизм подачи расплавляемого электрода; 8 - соленоид; 10 - электронная часть генератора; 11 - электронный блок с программным обеспечением, подключенный к блоку управления 12; 13 - блок питания дугового разряда; 14 - блок управления током дугового разряда при выведении усадочной раковины; 15 - блок питания тока соленоида; 16 и 17 - блоки управления и модуляции тока соленоида.
от межэлектродного расстояния. В то же время обе эти характеристики зависят от величины тока дуги и давления газов в межэлектродном промежутке.
На рис. 1 показана упрощенная схема вакуумной дуговой печи и измерительного устройства. Видно, что ВДП представляет собой коаксиальный резонатор с переменным сечением внешнего проводника. Теория и устройство коаксиальных резонаторов хорошо разработаны и широко применяются в области СВЧ, связи и локации, для получения информации о технологических параметрах с целью автоматизации технологических процессов [6].
На рис. 2 показана схема коаксиального резонатора с переменным сечением внешнего проводника, а на рис. 3 - распределение тока и напряжения высокой частоты (ВЧ) в резонаторе. Электрическая дуга включена в разрыв между торцом внутреннего проводника (расплавляемого электрода) и дном (поддоном печи) внешнего проводника и представляет собой генератор высокочастотного электромагнитного шума в широком спектре частот. Сами резонаторы, как первичные датчики, обладают для этого необходимыми свойствами: высокой добротностью Q на резонансной частоте, изменением резонансной частоты Д/ от изменения длины резонатора, волновым сопротивлением р.
], и
й =
ск
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 2. Схема коаксиального резонатора с переменным сечением внешнего проводника.
W1 и - волновые сопротивления кристаллизатора и вакуумной камеры соответственно; Ск - эквивалентная электрическая емкость коаксиального резонатора ВДП.
Рис. 3 Распределение тока J и напряжения и высокой частоты по длине I резонатора-ВДП. Распределение: 1 и 4 - тока J, 2 и 3 - напряжения и.
Численно добротность резонатора определяется отношением реактивной запасенной энергии Wр к мощности потерь Рсрп [6]:
74п / р Цса | И2йУ
Q = _V_« ^ (1)
Здесь И - амплитуда магнитного вектора в объем резонатора; ИТМ - компонента смещения магнитного вектора, касательная к поверхности резонатора; V - объем резонатора; й - толщина скин-слоя; 5 - внутренняя площадь резонатора; ц0 - магнитная постоянная; о - проводимость внутренних стенок резонатора.
Для производства металлов, например, титана используются ВДП с медными кристаллизаторами различных размеров. Расчетное значение добротности резонатора-ВДП с длиной кристаллизатора 400 см, диаметром 100 см и длиной расплавляемого электрода 400 см и диаметром 80 см составляет порядка 3 ■ 103 на частоте 30 МГц. Измеренные значения добротности Q варьируют в пределах 200-300, и это уменьшение Q связано с загрязнением внутренних стенок резонатора в процессе плавки электрода. Будем рассматривать кристаллизатор с электродом, как четвертьволновой отрезок. В этом случае резонансная длина волны X равна 41 (I - длина кристаллизатора) и резонансная частота урез = с/41 (с - скорость света в пространстве). Нижняя частота диапазона резонатора равна около 16 МГц, а при заполнении на 3/4 кристаллизатора расплавом резонансная частота составляет 55 МГц.
В этом случае коэффициент преобразования равен
= / нижи-./верх = ЗбМГЦ = 130 кГц/см. (2)
300 см 300 см
Полоса пропускания на уровне 0.7 резонансной кривой на частоте 19 МГц при добротности 300 составляет А/=fрез/Q = 43 кГц и на частоте 55 МГц - 120 кГц. Относительное изменение частоты резонатора А/ = 105 при изменении температуры кристаллизатора на 100°С [6].
В процессе плавки радиусы кристаллизатора Якр и электрода Яэл практически не изменяются в пределах погрешности измерений 1%. Следовательно, остаются постоян-
-в <1
1 2
/ 3
1 1 1 1 1 4 1
ккр, см
Рис. 4. Зависимость изменения длины электрода ДНэл от уровня заполнения кристаллизатора расплавом Нкр при Якр/Яэл = 2 (1, 2) и 1.25 (3, 4), а также при межэлектродном расстоянии 2 см (2, 4).
2 2
ными площади поперечного сечения: пЯкр = пЯэл . Можно считать, что объем и масса части расплавляемого электрода равны объему и массе расплавленного металла в кристаллизаторе:
" -ДЛэ„, (3)
где Дйкр и Дйэл - изменение высоты электрода и расплава в кристаллизаторе соответственно.
Так как изменение объемов и массы за единицу времени остаются равными при постоянстве Якр и Яэл в процессе плавки, то изменение высоты Дйкр и Дйэл находятся между собой в соотношении
П< • ДНкр = П
ДН
ДН
кр
Я
или ДНэЛ = ДНкр-
Яэл
(4)
По технологии устанавливают определенный межэлектродный промежуток I, который должен поддерживаться постоянным в процессе плавки всего расходуемого электрода. Так как всегда выполняется условие Яэл < Якр, то изменение высоты расплава в кристаллизаторе будет меньше изменения высоты расплавляемого электрода Дйэл. Для поддержания постоянства межэлектродного расстояния I необходимо, чтобы выполнялось условие
ДНэл =
\
Я2
Якр _ 1 Я2
V эл у
ДН
кр
(5)
где Дйкр пропорционально изменению резонансной частоты/рез коаксиального резонатора, т.е. Дйкр = к ■ Д/рез (к - коэффициент пропорциональности см/Гц).
На рис. 4 приведены зависимости Дйэл от изменения уровня расплава Дйкр в кристаллизаторе. Графики 1 и 2 получены для случая Яэл = 25 см и Якр = 50 см, а 3 и 4 - для Яэл = 40 см
7
5
3
1
1
Длина кристаллизатора-резонатора, см
Рис. 5. Зависимость частоты / коаксиального резонатора-ВДП от уровня заполнения кристаллизатора расплавом.
Изменение частоты /: 1 - самого резонатора, 2 - на выходе электронного блока линеаризации.
и Якр = 50 см. Зависимости 1 и 4 показывают изменения Мэл при постоянном межэлектродном расстоянии, равном 2 см. Резонансная частота /рез может быть измерена в любой момент времени с точностью 10-5. Зависимость частоты резонатора от уровня заполнения кристаллизатора расплавом (график 1) и после электронного блока линеаризации (график 2) показаны на рис. 5.
По графикам (рис. 5) нетрудно определить значения уровня заполнения кристаллизатора расплавом, межэлектродный промежуток и весовую скорость плавки по формуле
2 ЫЙ„_ ЛР
2п "л*- Л • (6)
где Руд - плотность переплавляемого металла, Р - масса жидкой ванны.
Задача определения межэлектродного расстояния и весовой скорости плавки требует точной информации о геометрических размерах кристаллизатора и расплавляемого электрода. Рассмотрим частный случай, когда кристаллизатор является усеченным конусом с малым радиусом гкр и большим радиусом Якр, а расплавляемый электрод-цилиндр, то
П Ял Лм = 3 п <( < + Якр Гкр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.