[发明专利]一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置及方法

说明书

本发明公开一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置及方法，装置包括传感器布置框架、自动升降单元、霍尔效应传感器、热电偶、多层升降螺圈以及自耗电极，其中传感器布置框架套装于电弧炉炉体外侧；多层升降螺圈滑动安装于传感器布置框架上；多个霍尔效应传感器分别按层和列固定安装于多层升降螺圈上，多个热电偶纵向排列布置于电弧炉炉体壁上；多层升降螺圈通过支架与自动升降单元的执行机构连接；自耗电极悬置在炉体中、铸锭上部。本发明可以测得真空电弧重熔过程的实时电弧分布，基于此测量结果，可进一步研究如何控制电弧分布以改善真空电弧重熔工艺，提升产品铸锭质量。

技术领域

本发明涉及一种真空电弧重熔技术，具体为一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置及方法。

背景技术

作为高端合金真空感应熔炼-电渣重熔-真空电弧重熔(VIM-ESR-VAR)三联工艺的最后环节，真空电弧重熔工艺已经广泛用于制备高温合金、钛合金、不锈钢和高强度钢等锻件，并且对产品铸锭的质量起着决定性作用。但目前VAR过程的产品铸锭仍存在着黑斑，白斑，年轮等多种缺陷，这些缺陷极大地降低了铸锭的使用性能和工作寿命，甚至导致其直接报废。

大量的研究工作表明真空电弧重熔过程中铸锭与自耗电极之间电弧的空间分布与产品铸锭中的缺陷形成密切相关。例如，当电弧呈收缩型分布即在铸锭表面分布不均时，会极大增加高温合金铸锭中黑斑缺陷的形成几率。理想的工艺条件是扩散电弧分布，即电弧在时间平均水平上均匀地分布在整个铸锭表面上，使得热量也能平稳均匀地输入到铸锭表面。然而在目前的商用真空电弧重熔炉中，还不具备能够在操作过程中实时检测电弧分布的测量系统。为减少缺陷的形成，提高产品铸锭的质量，首先要设法获得电弧的空间分布情况。

现有的技术方案为：首先建立包括假定电弧位置与其在传感器处产生的磁感应强度值在内的数据集，通过对数据集的回归拟合得到电弧炉相关参数，由此确定了寻弧方程，即根据传感器示数可预测电弧位置。目前不论是工艺控制模型还是理论分析模型，均假定一个轴对称的高斯分布作为输入条件，因此金属等离子电弧三维空间分布对铸锭质量的影响未在真空电弧重熔制备高端合金工艺控制中体现。

现有技术存在以下不足：

1)随着真空电弧重熔过程的进行，电弧区域随之上涨，现有的技术方案无法实时跟踪电弧的轴向位置，这样预测出的电弧位置会有较大误差。

2)最后预测出来的是多电弧的质心位置，至于如何确定所有电弧的分布位置尚不明确。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明要解决的问题是提供一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置及方法，可以测得真空电弧重熔过程的实时电弧分布。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置，安装于电弧炉炉体外侧，包括传感器布置框架、自动升降单元、霍尔效应传感器、热电偶、多层升降螺圈以及自耗电极，其中传感器布置框架套装于电弧炉炉体外侧；多层升降螺圈滑动安装于传感器布置框架上；多个霍尔效应传感器分别按层和列固定安装于多层升降螺圈上，多个热电偶纵向排列布置于电弧炉炉体壁上；多层升降螺圈通过支架与自动升降单元的执行机构连接；自耗电极悬置在炉体中、铸锭上部。

传感器布置框架具有多根立柱，通过两端的端环形成镂空的圆柱形支架环设于电弧炉炉体外，升降螺圈通过滑动元件环设于立柱上。

多层升降螺圈包括多个规格相同的螺圈，同轴等距上下布置，相邻螺圈间设有撑杆。

自动升降单元具有液压缸10、支架以及控制单元，其中控制单元包括PLC控制器及液压控制回路，PLC控制器输出的控制信号送至液压控制回路，液压控制回路中的电磁阀安装于液压缸10供油管路中，液压缸10的活塞杆通过支架与多层升降螺圈连接。

所述电弧炉为同轴炉，即坩埚中的总电流与电极中的电流流向相反。