电极浸入深度在电渣重熔炉中的确定和控制

概述

一种用于控制电渣重熔炉的装置和方法，它的基本工作原理是：通过测量电极浸入深度和设定值之间的差异，调整电极驱动的速度，以保持电极浸入深度在设定范围内。同时，它还会监测阻抗或电压，并根据预先定义的关系计算电极浸入深度。

技术描述

本发明涉及电渣重熔（ESR）电极浸入深度控制系统和方法。

如图1所示，ESR炉10已被用于超过40年，以精炼金属和生产完全致密的均匀铸锭22。重熔是通过将可消耗金属电极14浸入电阻加热到高于金属熔点的熔渣浴18中来进行的。电极逐渐熔化，形成穿过熔渣的金属液滴，并在熔渣下的池20中收集。熔融池被包含在一个水冷模具16中，该模具的尺寸略大于电极。随着电极熔化，它必须由电极驱动器12以与填充率和熔化率相关的速度向下平移，如系统控制器24所指定。一个复杂因素是，少量熔渣在模具表面凝固，改变了填充模具所需的金属量，并改变了铸锭顶部熔渣的厚度。

为了生产具有良好表面质量的高质量均匀铸锭，需要最小化过程中的偏差，特别是浸入深度。为了优化过程效率和表面质量，必须将浸入深度保持在恒定的浅水平。较浅的浸入深度已被证明可以提高表面质量，从而提高过程产量。然而，浸入深度越浅，过程对输入或外部变量就越敏感，因此越难以控制。如果允许浸入深度变得太浅，电极表面部分与熔渣之间可能会形成间隙，导致电弧、大气暴露和有害的氧化反应。相反，过大的浸入深度或深度变化过大，可能会导致铸锭的表面和冶金质量不良。

再者，ESR工艺用于精炼金属、去除夹杂物和生产具有均匀凝固晶粒结构和良好表面质量的铸锭。浸入深度是一个重要的控制参数，因为它对控制熔化和凝固的热条件有重大影响。浸入深度的偏差将改变过程的热环境，引起熔化过程（速率、效率、配置、液滴位置和尺寸）以及凝固参数（速率、方向、熔融金属流动）的变化。因此，浸入深度波动将导致铸锭凝固晶粒结构、成分均匀性和性能的变化，并影响后续加工操作和最终产品质量。

目前还没有直接测量深度的系统或方法，因此必须从过程中的电信号推断出来。目前，大多数系统使用电压和电压摆幅来控制ESR浸入深度，电压摆幅是电压变化的量度。这些方法将被称为摆幅控制器。使用电压是因为通常它随着浸入深度的减小而升高。在简化水平上，熔渣可以被视为一个电阻器，因此，电压由欧姆定律给出：

$V=I[d(Ak)]$

其中，V是电压，I是电流，熔渣的电阻由括号内的表达式近似表示，其中d是电极与熔融金属池之间的距离，A是电极与熔渣接触的面积，k是熔渣的电导率。然而，这种处理方法存在许多简化，因此电压只是电极位置的粗略指标。此外，熔渣的热环境和化学成分将在熔化过程中发生变化，因此其电导率不是恒定的。由于熔渣在冷坩埚壁上析出，熔渣的数量也会在熔化过程中发生变化，进一步改变上述关系。

因此，虽然电压是熔渣中电极相对位置的有效即时指标，但仅靠电压不足以指示或维持恒定的浸入深度，因此电流控制器也使用电压摆幅。与电压不同，电压摆幅不能通过类似上述的方程直接与整个系统响应相关联，也不能用作深度的瞬时指标。然而，无论熔渣的数量、条件或性质如何，熔融熔渣内的等位线在熔渣表面附近都会被压缩。因此，人们认为电压变化或摆幅对熔化过程中或熔化之间或熔炉之间可能发生变化的因素的敏感度低于电压。因此，电压摆幅的变化可以更可靠地，但不是定量地，与浸入深度的长期变化相关。

现有的控制方法驱动电极以响应系统电压与电压设定值之间的误差，其中电压设定值周期性地调整以匹配摆幅设定值。控制器利用双向电极驱动在设定值周围振荡，本质上导致浸入深度的持续波动。由于电极在熔渣中上下移动，现有的控制系统需要更深的浸入深度才能稳定运行。通过在更大的深度运行以及引入深度的增加变化，表面质量可能会受到影响。最近开发的一种ESR控制系统采用了一种组合的设定单向运动和叠加的周期性波动作为电极驱动。该系统然后叠加一个已知幅值的周期性波动（而不是响应电压误差的电极运动）以提供相对于熔渣中的等位线的电极运动，从而生成电压摆幅信号。该系统在U.S. Pat中进行了描述。第5,737,355号，授予Damkroger，标题为“Directly Induced Swing for Closed Loop Control of Electroslag Remelting Furnace”。驱动由以下方程式描述：

$DriveSpeed = D_{avg} + D_t(t)$

其中，D_{avg} 是平均单向驱动速度，D_t(t) 是周期性波动。从长远来看，电压摆幅从设定值的正偏差被认为表明浸入太浅，并用于增加基本单向驱动速度。负偏差用于做相反的事情。

直接感应摆幅系统消除了系统自身驱动响应对电压摆幅的混淆效应。然而，它没有包含对误差的短期响应，这限制了它在非常接近熔渣表面的操作能力。直接感应摆幅的后期修改试图通过结合（通常有限的）电压误差响应来解决这个缺点，就像在原始摆幅控制器中使用的，导致了一种由以下方程式描述的策略：

$DriveSpeed = D_{avg} + D_i(t) + K_{e'}(V_{rms} - V_{sp})$

其中，D_{avg} 是平均速度，D_i(t) 是施加的模式，Ke‘ 是与电压误差成比例的速度，即测量电压V与电压设定值V之间的差。平均值通常是驱动速度的长期平均值。从长远来看，测量电压摆幅，并使用其设定值的偏差来调整电压设定值，通常使用线性增益因子。

美国专利号6,496,530，标题为“Impedance Spike Control of Electrode Depth in Electroslag Remelting”，授予Melgaard等人介绍了另一种控制电极深度的方法，该方法采用了称为阻抗尖峰的现象。

现有技术中已知的其他ESR控制系统在以下参考文献中进行了描述：美国专利号4,075,414和4,194,078，授予Thomas，公开了通过测量熔渣电阻和移动电极并监测电阻变化，以及通过测量电弧的电磁发射来控制浸入深度的方法。美国专利号4,303,797，授予Roberts，公开了根据炉几何形状、电压、电压变化、电流和/或电流变化来确定浸入深度的驱动速度。美国专利号4,476,565，授予Rashev等人，公开了通过在电极超出范围时检测电弧放电来维持深度。美国专利号4.483.708，授予Gfrerer等人，公开了通过确定电极浸入部分的重量来维持深度。美国专利号4,669,087，授予Rasheva等人，公开了通过监测电弧放电来控制深度。美国专利号5.331.661，授予Maguire等人，公开了监测功率相位角以进行深度控制。美国专利号5,568,506，授予Schlienger，公开了使用恒压电源和恒速驱动来保持深度。

虽然上述发明中的一些能够减少标准摆幅控制器上的浸入深度波动，但没有提供任何估计实际浸入深度的方法。本发明允许通过将实际浸入深度作为阻抗的函数来表征，并将其纳入电极定位控制策略，以更稳定的方式控制ESR炉。

实现方法

现有控制系统用于控制浸入深度的主要电极定位方法利用电压设定值与测量系统电压之间的差来生成驱动速度。如果电压高于设定值，则向下驱动电极，反之则向上驱动电极。通常，驱动信号的大小与误差成比例。然而，即使电压恒定，浸入深度在不同熔体或同一熔体随时间变化也不恒定。因此，电压设定值由与电极熔化和运动相关的电压变化的大小来确定。较高的变化通常表明深度较浅。因此，现有系统定义了电压变化设定值。如果变化太高，则降低电压设定值，反之如果变化太低，则提高设定值。然而，在ESR炉中，无法隔离影响电压变化的许多因素的贡献。特别是，浸入深度与变化之间没有直接关系。除了浸入深度之外，影响变化的其他因素包括：电极运动的大小、电极驱动速度和响应特性、熔渣体积、熔渣运动、熔渣成分、电极和熔渣热分布，以及其他有时不确定的炉特性。因此，现有系统不声称在特定深度运行。事实上，由于影响电压变化的因素，它们甚至无法保持一致的深度。其他发明已经提出使用类似于电压、相位角、感应摆幅或阻抗尖峰的电气特性作为深度的相对指标，但这些都没有提供一种知道深度是什么的方法。

本发明提供了一种方法，用于确定电渣重熔（ESR）炉中电极的尖端何时位于熔渣的表面，以及一种适当的关系来计算电极尖端在重熔过程中与表面的距离。有了这些信息，可以通过响应与所需深度的偏差，使用冲压驱动系统上下移动电极，将浸入深度控制到指定深度。通过提供熔渣中电极的已知深度，可以在熔体内部和熔体之间以及熔炉之间减少变化，从而在内部冶金结构和表面质量方面始终如一地生产出优质铸锭。

众所周知，ESR炉中的阻抗随着浸入深度的减小而增加。在相对较深的浸入深度的情况下，熔渣可以被视为一个电阻器，因此电压由欧姆定律给出：

$V=I[d(Ak)]$

其中，V是电压，I是电流，熔渣的电阻由括号内的表达式近似表示，其中d是电极与熔融金属池之间的距离，A是电极与熔渣接触的面积，k是熔渣的电导率。然而，随着电极尖端在熔渣中上升，上述简化的表达式不再成立。在电极从熔渣中抽出并重复测试时，如图2所示，阻抗的斜率在约15毫欧的阻抗处发生了戏剧性的变化。由于接触阻抗在电极从熔渣中抽出过程中的某个时刻必须成为总阻抗的一个因素，并且接触阻抗比熔融熔渣的阻抗大得多，阻抗斜率发生变化的点是部分不规则电极尖端首先失去与熔渣接触的点。这个点被定义为表面阻抗，对应于零浸入深度。

虽然图2中的表面阻抗约为15毫欧，但其他熔炉、熔化条件或时间的表面阻抗可能不同。确定浸入深度的关键是了解表面阻抗以及阻抗与深度之间的关系，在该点以上和以下的每个熔体。给定一组n个阻抗和浸入深度的测量点，在表面阻抗以上和以下，可以将许多数学准则和方法应用于阻抗数据以识别该信息。一个有效的实施例是使用双线性回归，约束条件是交点发生在两个连续数据点之间。这种回归的细节可以很容易地从标准回归方法中确定。

使用这种方法，对于n个点，按阻抗递减的顺序编号为1到n，该过程将从一组中的几个点和第二组中的其余点开始。将进行回归，并计算回归阻抗和测量阻抗之间的均方误差。然后，将下一个点从第二组移动到第一组，并重复回归和误差计算。这些步骤将重复进行，将连续点从第二组移动到第一组，直到第二组中只剩下几个点。两个数据集之间计算出最小误差的连续点中的任何一个都提供了对表面阻抗的良好估计。线的斜率给出深度-阻抗关系。可以采取进一步的步骤来确定分隔点之间线的交点处的阻抗，但是过程中的噪声通常使得该计算变得不必要。使用加权回归和采用误差表征的回归的变化也可以是有效的。回归的数据点可以通过故意移动电极或通过过程监测来获得。

虽然阻抗是识别表面的首选指标，但也可以使用从阻抗、电压和/或电流导出的其他相关电信号的斜率来确定表面。此外，时间、位置或其他相关指标可以代替深度在回归中用于确定表面阻抗。其他数学拟合或回归方法可以用于确定或估计线性模型中斜率变化的点或高阶模型中斜率变化的相应指标，以及该点周围的深度-阻抗关系。这些方法可以包括高阶拟合或指数关系，例如考虑曲率超过给定值或最大斜率变化的点。

虽然这些步骤在特定时间识别了表面阻抗，但由于电极不均匀或过程干扰引起的熔化过程的变化会改变施加到ESR过程的功率。功率波动改变了熔渣帽的温度。已经开发了几种关系来近似阻抗-温度关系，并且可以使用。一种这样的近似方法采用Arrhenius关系与温度。本发明使用该关系调整表面阻抗：

$r_s' =r_s * exp(-A_{elect}(T_s - T_s^*))$

其中，r_s’ 表示基于熔渣电阻率温度系数 A_elect 和估计熔渣温度 T_s 与标称温度 T_s^* 之间的熔渣温度差的温度调整表面阻抗。由于对熔渣温度的测量通常是不切实际的，因此可以计算出估计的熔渣温度。一种选择是使用结合输入功率和由于传导和辐射引起的损失的过程热模型。

本发明还体现了一种方法和装置，用于周期性地收集适当的数据集，确定数据集是否合适，并在合适的情况下重新计算表面阻抗，因为表面阻抗不是恒定的。它将随熔渣成分、炉特性和熔化条件而变化。首选的方法如下：