用于基于功率输入控制真空电弧重熔炉的系统和方法与流程

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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1示意性地示出了示例性真空电弧重熔(var)炉10。var炉10可配置成通过在var炉10的熔化室14内熔化由金属组成的电极12来重熔金属。在熔化室14内，电极12可定位在坩埚16内。在一些示例中，坩埚16可由铜形成，因为铜可提供期望的热特性和/或导电性；然而，坩埚16当然不限于由铜形成，而是可由为var过程提供期望的热特性和/或导电性的任何材料形成。

在一些示例中，坩埚16可由例如冷却系统20进行冷却。冷却系统20可例如包括冷却剂源22，冷却剂源22通过一个或多个冷却剂通道24使冷却剂流体输入坩埚16内。冷却剂可经由冷却剂输出部26离开坩埚16，其中可将冷却剂废弃或冷却，以使得冷却剂可作为冷却剂经由冷却剂源22重新进入坩埚16。冷却剂可例如为水或任何水基冷却剂；然而，冷却剂当然不限于为水或水基冷却剂，而是可为配置成在var过程中使用之前、期间和/或之后冷却坩埚16的任何适当冷却剂。

为了将电极12定位在var炉10内并相对于坩埚16定位，var炉10还可包括与电极12可操作地相关联的冲头件28。冲头件28和电极12可在真空室30内移动。真空室30可排除杂质和/或环境条件，从而在真空室30和熔化室14内生成真空密封。为了抽空真空室30，可包括真空源32。为了移动冲头件28，并且通过关联移动电极12，可包括冲头件驱动器34，从而相对于坩埚16定位电极12。冲头件驱动器34可为本领域已知的、可用于经由冲头件28定位电极12的任何合适驱动机构。例如，冲头件驱动器34可包括，但当然不限于包括伺服电动机、齿轮减速驱动器、任何已知的电动机、电磁阀活塞驱动器、液压驱动器、或其任何组合。

冲头件驱动器34可用于相对于锭38的熔池36定位电极12，锭38是坩埚16内电极12的金属的重熔件。在var炉10的操作期间，电源40可使相对较低的电压和高电流强度的电流通过冲头件28和电极12。在一些示例中，这样的电流可具有相对低的电压，大约是20伏至30伏，同时具有相对高的电流，例如1千安或更大。当电流通过电极12时，在电极12的尖端44与锭38的熔池36之间产生电弧42。电弧42在图2的放大图中示出。通过将电流施加至电极12以产生电弧42，可导致电极12缓慢熔化至熔池36中。

这种缓慢的熔化可容纳于真空室30和/或熔化室14的真空密封环境中。施加至电极12的电流可具有负电压，而锭38以及因而熔池36可保持处于地面电位。在一些示例中，锭38的温度可由冷却系统20控制，因此，通过冷却锭38，可保持受限的熔池36，同时锭38的冷却部分保持固体。

随着所施加的电流使金属从电极12熔化掉，熔化的金属随后沉积在锭38上。因此，由于熔化，电极12熔化的材料与添加到锭38的材料成比例。然而，由于电极12通常具有比坩埚16的直径更小的直径，并且依次比锭38的直径小，所以冲头件28可以以超过锭38的生长速率的速度朝向锭38驱动电极12。

冲头件驱动器34配置成随着进行重熔而朝向铸块38驱动冲头件28。在重熔期间，形成电弧间隙46，电弧间隙46可被限定为电极12的尖端44与锭38的熔池36之间的间隙。在整个var过程中，电弧间隙46应保持相对一致，以获得最佳性能。

然而，在使用var炉10的var过程期间物理地观察电弧间隙46可能不实际或不可能，因此，可基于更易于获得的其他数据来确定或导出电弧间隙46。例如，诸如在对电弧间隙46的描绘中，可基于由电弧42引起的滴流短路和/或滴流短路频率与电弧长度的相关性来确定电弧间隙46。由电弧42引起的滴流短路频率可通过使用滴流短路传感器48来确定，滴流短路传感器48可为由本领域已知的、能够确定电弧42引起的滴流短路频率的任何传感器。滴流短路传感器48可包括能够确定跨过电弧42的电压、跨过电弧42的电流、跨过电弧42的电阻和/或与电弧42和/或电弧间隙46相关的、可用于确定由电弧42引起的、时间段内的滴流短路频率的任何其它数据的一个或多个传感器。在一些示例中，滴流短路传感器48可基于对电弧42的电压测量来确定滴流短路。另外或替代地，这种电压测量可由滴流短路传感器48提供给控制器52，其中控制器52随后确定电弧42的滴流短路频率。滴流短路传感器48可用作包括控制器52的控制系统50的部分或与包括控制器52的控制系统50结合，该控制系统配置成控制var炉10的var过程，该控制系统在图3中示意性地示出，并在下文进行更详细的描述。

系统50可包括控制器52，控制器52至少包括处理器54。控制器52可为包括处理器的任何电子控制器或计算系统，控制器操作以执行操作、执行控制算法、存储数据、检索数据、收集数据和/或期望的任何其他计算任务或控制任务。控制器52可为单个控制器，或者可包括设置成与冲头件驱动器34、电源40、滴流短路传感器48以及可选地一个或多个输出装置56和/或一个或多个输入设备58中的一个或多个相互作用的多个控制器。一个或多个输入设备58可通过例如键盘、鼠标、触摸屏、轨迹板、轨迹球和/或语音识别系统来实现。例如，一个或多个输入设备58可包括用于将输入数据连接至控制器52的任何有线设备或无线设备。一个或多个输出设备28可包括听觉输出设备、视觉输出设备、触觉输出设备或其任何组合。

控制器52的功能可在硬件和/或软件中实现，并且可依赖于一个或多个数据图。为此，控制器52可包括存储器60或与存储器60相关联，存储器60可为内部存储器和诸如数据库或服务器的外部存储器之一或两者。存储器60可包括但不限于包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、便携式存储器等中的一个或多个。这种存储介质是非暂时性存储介质的示例。

为了在var炉10的var过程期间控制冲头件28的冲头件速度，控制器52可执行冲头件控制模块62。冲头件控制模块62可为由处理器54执行的机器可读指令，并例如存储在存储器60中。冲头件控制模块62可确定当前var过程所需的冲头件速度。在一些示例中，冲击速度可基于var过程期间电极12的期望熔化速度。例如，冲头件速度可由冲头件控制模块62动态地改变，从而改变电极12的熔化速率以实现所需的熔化速率。

基于确定的冲头件速度，冲头件控制模块62可通过向冲头件驱动器34提供冲头件速度指令来控制冲头件28的冲头件速度。在一些示例中，冲头件驱动器34可驱动致动器64，致动器64会基于冲头件速度指令定位和/或移动冲头件28。

为了在var炉10的var过程期间确定和/或估计当前的电弧间隙46，控制器52可执行间隙确定模块66。间隙确定模块66可从滴流短路传感器48接收输入。利用已知的滴流短路频率与电弧间隙长度之间的相关性，间隙确定模块66可确定电弧间隙46的实时长度。在一些示例中，间隙确定模块66可基于电弧间隙长度与滴流短路频率的相关性来确定实时电弧间隙长度，电弧间隙长度与滴流短路频率的相关性在一些示例中可通过电弧42的电压测量来确定。

当电极12的金属从电极12转移至锭38时，在电弧间隙46内形成熔融金属柱的形成和破裂，诸如图2所示的柱68。这样的柱在电极12与锭38之间形成低电阻桥，导致滴流短路。滴流短路可导致电弧42瞬间熄灭，这会导致电弧电压下降，这通过滴流短路传感器48来监测。这种电压下降可在一段时间内进行监测，以确定var过程的滴流短路短频率。如本领域已知的是，滴流短路频率和电弧间隙长度密切相关；因此，基于一个或多个这种相关性，间隙确定模块66可确定电弧间隙46的实时长度。

功率控制模块70可利用实时电弧间隙长度来控制和/或改变输入至电极12的功率水平。功率控制模块70可在基本功率水平下操作，基本功率水平基于预定的用于给定的var过程的功率水平，并且可存储在存储器60中或从一个或多个输入设备58输入。如果从间隙确定模块66接收的实时电弧间隙长度指示实时电弧间隙长度与当前var过程的期望电弧间隙长度不同，则功率控制模块70可相对于基本功率水平改变对电极12的输入功率。如果实时电弧间隙长度与期望的电弧间隙长度确实不同，则功率控制模块可向电源40提供指令以提高或降低功率水平，并因而降低或升高电弧间隙46的电弧间隔长度。例如，如果确定实时电弧间隙相对于期望的电弧间隙长度过小，则功率控制模块70可提高由电源40输入至电极12的电力输入，这会相对于时间从电极12熔化量更多的金属，并且通过更快地熔化更多的金属，会增大电弧间隙长度，从而满足期望的电弧间隙长度。替代地，如果确定当前电弧间隙相对于期望的电弧间隙长度过大，则功率控制模块70可通过降低由电源40输入至电极12的电力输入，这会相对于时间从电极12熔化量更少的金属，并且通过在一段时间熔化更少的金属，会减小电弧间隙长度，从而满足期望的电弧间隙长度。

为了适当地形成具有最佳冶金属性的锭38，可结合var炉10使用控制系统50。系统50可与用于控制利用var炉10的var过程的方法100一起使用或结合使用。方法100由图4的流程图给出例证。虽然下面给出的对方法100的描述参照系统50和var炉10的元件，但是可使用替代元件来执行方法100，并且不应被解释为限于经由系统50和/或其组件的执行。

如方框110所示，方法100可通过使用电源40在电极尖端44与熔池36之间产生电弧42开始。例如，通过使用冲头件驱动器34，可以以冲头件速度驱动冲头件，如方框120所示。冲头件速度可配置成实现电极12的期望熔化速度，如上所述。如框130所示、方法100还可包括使用滴流短路传感器48确定电弧42一段时间内的滴流短路频率。

如方框150所示，至少基于滴流短路频率，方法100可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44与熔池36之间的实时电弧间隙长度。

如方框160所示，方法100可包括基于实时电弧间隙长度来确定对电极12的输入功率水平，输入功率水平配置成在电力传输时在电极尖端44与熔池36之间产生期望的电弧间隙长度。在一些示例中，基于实时电弧间隙长度确定对电极12的输入功率水平可包括：如果实时电弧间隙长度比所需的电弧间隙长度大，则确定降低电力功率40的功率。附加地或替代地，基于实时电弧间隙长度确定对电极12的输入功率水平可包括：如果实时电弧间隙长度比期望的电弧间隙长度小，则确定增大电源40的功率。如方框170所示，基于输入功率水平，方法100可使用电源40来控制对电极12的功率输入。

工业实用性

一般来说，上述公开内容在各种行业中具有实用性，包括但不限于冶金纯化，具体为利用重熔过程的锭生产。通过利用本文公开的系统和方法，可在var过程期间实现更好的纯度和/或金属的结构完整性。另外，通过利用基于功率的电弧间隙控制系统和方法，当使用具有大内径的坩埚的var炉时，可实现本文公开的对电弧间隙的适当控制，从而生产较大直径的锭。

例如，如图1所示，坩埚16可具有与在坩埚中生产的锭38的直径相关的内径72。在一些示例中，内径72可大于750毫米。在一些这样的示例中，内径72可在1000毫米至1100毫米的范围内。当进行var过程以生成具有这种较大直径的锭时，控制冲头件速度以校正和/或维持电弧间隙46可能不实际和/或困难。因此，通过改变冲头件速度来校正电弧间隙的现有控制系统可能不足以在var过程期间控制电弧间隙，其中所生产的锭具有这种较大尺寸。因此，本文公开的系统和方法通过基于由电源40输入的功率来控制电弧间隙，而不是改变冲头件速度或除了改变冲头件速度之外，来提供对电弧间隙的更佳控制，转而提供对var过程本身的更佳控制。

应理解的是，本公开提供真空电弧重熔控制系统、var控制方法var炉，以及更具体地，提供配置成基于功率输入来控制电弧间隙的var控制系统和方法。虽然仅阐述了某些实施方式，但是对于本领域技术人员来说、从上述描述中替代和修改会显而易见。这些替代方案和其他替代方案视为等同，并且在本公开和所附权利要求的精神和范围内。