BR102017020731B1

BR102017020731B1 - Sistema de controle para um processo de refundição de arco a vácuo (var) para um metal, método para controlar um processo de refundição de arco a vácuo (var) e forno de refundição de arco a vácuo (var)

Info

Publication number: BR102017020731B1
Application number: BR102017020731-5A
Authority: BR
Inventors: Algirdas Underys
Original assignee: A. Finkl & Sons Co
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2022-11-22
Also published as: EP3315889A1; JP2018070993A; MX2017013614A; RU2017120069A3; KR20180048284A; CN108018432A; RU2732550C2; TW201817886A; CA2964592A1; TWI725178B; KR102035386B1; US10591217B2; RU2017120069A; EP3315889B1; US20180120029A1; CN108018432B; AU2017202846A1; BR102017020731A2; JP6869790B2; AU2017202846B2

Abstract

SISTEMAS E METODOS PARA CONTROLAR UM FORNO DE REFUNDIÇAO DE ARCO A VÁCUO BASEADO NA POTÊNCIA DE ENTRADA Um sistema de controle para um processo de refundição de arco a vácuo (VAR) para um metal inclui uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC), um acionamento de aríete, um sensor de gotejamento curto de tensão, e um controlador, que inclui um processador. 0 sensor de gotejamento curto pode ser configurado para medir uma frequência de gotejamento curto do arco elétrico durante o período de tempo medido. 0 controlador é configurado para determinar um comprimento da abertura de arco em tempo real entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco. O controlador é ainda configurado para controlar a potência de entrada para o eletrodo pela fonte de alimentação DC pela determinação de um nível de potência de entrada para fornecer ao eletrodo baseado no comprimento da abertura de arco em tempo real, o nível de potência de entrada configurado para gerar um comprimento da abertura de arco desejado, pela fonte de alimentação DC, no nível de potência de entrada.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se geralmente a refundição de arco a vácuo e, mais especificamente, a sistemas de controle utilizados em processos de refundição de arco a vácuo.

FUNDAMENTOS

[002] Processos de refundição de arco a vácuo (VAR) são geralmente usados na produção de lingotes de metal como um processo de fundição secundário. Ao utilizar processos VAR para lingotes de metal, o lingote resultante produzido no processo VAR pode ter homogeneidade química e/ou mecânica aumentada, o que é desejável para metais usados em aplicações industriais exigentes. Adicionalmente, uma vez que o tempo de solidificação de metais durante processos VAR pode ser muito mais rápido, o uso de processos VAR pode permitir um maior controle das características de microestrutura de um lingote de metal. Metais exemplificativos que são geralmente refundidos por meio de processos VAR podem incluir níquel, titânio, aço, e quaisquer ligas obtidas a partir de tais metais ou de outros metais, mas não se limitam a estes.

[003] Os processos VAR podem utilizar um forno VAR, o qual utiliza potência elétrica em corrente contínua (DC) para refundir metais dentro de uma câmara de vácuo. Um forno VAR pode incluir uma câmara de fundição e um aríete móvel que está conectado à fonte de alimentação DC. O metal a ser fundido pode começar o processo VAR como um eletrodo, o qual está conectado ao aríete móvel. O metal refundido pode ser refundido como um lingote em um cadinho de cobre refrigerado a água, dentro da câmara de fundição. Para propiciar uma atmosfera que contenha teor insignificante de oxigênio, o qual pode reagir com o metal sendo fundido, e para evacuar impurezas da câmara de fundição, os fornos VAR podem incluir uma fonte de vácuo. Além disso, em alguns fornos VAR, é incluído um sistema de refrigeração para extrair o calor da câmara de fundição.

[004] O controle de sistemas VAR pode ser baseado no controle da abertura de arco entre a extremidade do eletrodo e a poça de fundição formada durante refundição, em cima do lingote e/ou cadinho. Na prática VAR, foi observado que a manutenção de uma abertura de arco relativamente constante pode auxiliar em propiciar resultados consistentes de refundição durante o processo VAR. Consequentemente, o controle do processo VAR pode ser, ao menos parcialmente, baseado no controle da abertura de arco. Contudo, é frequentemente impraticável ou impossível ver fisicamente a abertura de arco durante o próprio processo e, portanto, a abertura de arco pode ser determinada ou obtida com base em outros dados que sejam mais acessíveis. Por exemplo, alguns métodos de controle determinaram que o comprimento da abertura de arco e a resistência do arco (por exemplo, a queda de tensão provocada pelo arco) têm uma correlação.

[005] Além disso, durante o processo de refundição, foi observado que curtos-circuitos de curta duração (por exemplo, poucos milissegundos) ocorrem durante refundição. Foi adicionalmente observado que a frequência dos curtos- circuitos tem uma correlação com a abertura de arco. Tal informação pode ser usada para controlar e/ou manter a abertura de arco. Em métodos de controle anteriores, a potência de entrada foi escolhida para obter a taxa de refundição desejada enquanto a velocidade do aríete foi alterada para controlar dinamicamente e/ou manter a abertura de arco.

[006] Contudo, durante processos VAR onde é desejado que o lingote resultante tenha um grande diâmetro (por exemplo, maior que 750 milímetros), o controle de velocidade do aríete pode ser difícil e/ou controlar a referida velocidade pode propiciar controle impreciso da abertura de arco, devido à quantidade cada vez maior de metal que necessita ser fundido para a mesma mudança na abertura de arco, à medida que o diâmetro do eletrodo aumenta. Portanto, são desejáveis sistemas de controle aperfeiçoados para processos VAR, nos quais a abertura de arco possa ser controlada independente do ajuste da velocidade do aríete.

SUMÁRIO

[007] De acordo com um aspecto da invenção, é fornecido um sistema de controle para um processo de refundição de arco a vácuo (VAR) para um metal. O processo VAR pode utilizar um forno VAR, o qual pode incluir um cadinho no qual é formado um lingote formado de metal, um aríete associado operativamente a um eletrodo formado do metal, uma câmara de vácuo, e uma fonte de vácuo associada à câmara de vácuo. O sistema pode incluir uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC), um acionamento de aríete, um sensor de gotejamento curto, e um controlador, o qual inclui um processador. A fonte de alimentação DC pode estar operativamente associada ao eletrodo e configurada para produzir um arco elétrico entre uma ponta do eletrodo e uma poça de fundição do lingote. O acionamento do aríete pode estar operativamente associado ao aríete e configurado para acionar o aríete. O sensor de gotejamento curto pode estar configurado para medir uma frequência de gotejamento curto do arco elétrico durante um período de tempo. O controlador pode estar operativamente associado à fonte de alimentação DC, ao acionamento de aríete, e ao sensor de gotejamento curto e configurado para controlar a velocidade do aríete usando um módulo de controle de aríete, o módulo de controle de aríete determinando uma velocidade do aríete para o processo VAR, a velocidade do aríete configurada para alcançar uma taxa de fundição desejada para o eletrodo, e fornecer instruções ao acionamento de aríete para acionar o aríete baseado na velocidade do aríete. O controlador pode ainda estar configurado para determinar um comprimento da abertura de arco em tempo real entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição, usando a frequência de gotejamento curto durante o período de tempo medido pelo sensor de gotejamento curto, usando um módulo de determinação de abertura, o módulo de determinação de abertura determinando o comprimento da abertura de arco em tempo real baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco. O controlador pode ainda ser configurado para controlar a potência de entrada para o eletrodo pela fonte de alimentação DC usando um módulo de controle de potência, o módulo de controle de potência configurado para determinar um nível de potência de entrada para o eletrodo baseado no comprimento da abertura de arco em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco desejado entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação DC, no nível da potência de entrada.

[008] De acordo com outro aspecto da invenção, é revelado um método para controlar um processo VAR. O processo VAR pode utilizar um forno VAR, o qual pode incluir um cadinho no qual é formado um lingote formado de metal, um aríete associado operativamente a um eletrodo formado do metal, uma câmara de vácuo, e uma fonte de vácuo associada à câmara de vácuo. O método pode incluir gerar um arco elétrico entre uma ponta de eletrodo do eletrodo e uma poça de fundição do lingote usando uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC) operativamente associada ao eletrodo; acionar o aríete a uma velocidade de aríete usando um acionamento de aríete operativamente associado ao aríete, a velocidade de aríete configurada para alcançar uma taxa de fundição para o eletrodo; e determinar uma frequência de gotejamento curto durante um período de tempo usando um sensor de gotejamento curto. O método pode ainda incluir determinar um comprimento da abertura de arco em tempo real entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição, usando a frequência de gotejamento curto durante o período de tempo medido, baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco. O método pode ainda incluir determinar um nível de potência de entrada para o eletrodo baseado no comprimento da abertura de arco em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco desejado entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação DC, no nível da potência de entrada e controlar a potência de entrada para o eletrodo pela fonte de alimentação DC baseado no nível da potência de entrada.

[009] De acordo com ainda outro aspecto da invenção, é revelado um forno VAR para executar um processo VAR para um metal. O forno VAR pode incluir um cadinho no qual é formado um lingote formado de metal, um aríete associado operativamente a um eletrodo formado do metal, uma câmara de vácuo, e uma fonte de vácuo associada à câmara de vácuo. O forno VAR pode incluir uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC), um acionamento de aríete, um sensor de gotejamento curto, e um controlador, o qual inclui um processador. A fonte de alimentação DC pode estar operativamente associada ao eletrodo e configurada para produzir um arco elétrico entre uma ponta de eletrodo do eletrodo e uma poça de fundição do lingote. O acionamento do aríete pode estar operativamente associado ao aríete e configurado para acionar o aríete. O sensor de gotejamento curto pode estar configurado para medir uma frequência de gotejamento curto do arco elétrico durante um período de tempo. O controlador pode estar operativamente associado à fonte de alimentação DC, ao acionamento de aríete, e ao sensor de gotejamento curto e configurado para controlar a velocidade de aríete do aríete pela determinação de uma velocidade do aríete para o processo VAR, a velocidade do aríete configurada para alcançar uma taxa de fundição desejada para o eletrodo, e fornecer instruções ao acionamento de aríete para acionar o aríete baseado na velocidade do aríete. O controlador pode ainda estar configurado para determinar uma comprimento da abertura de arco em tempo real entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição, usando a frequência de gotejamento curto do arco elétrico durante o período de tempo medido pelo sensor de gotejamento curto, pela determinação do comprimento da abertura de arco em tempo real baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco. O controlador pode ainda ser configurado para controlar a potência de entrada para o eletrodo pela fonte de alimentação DC pela determinação de um nível de potência de entrada para o eletrodo baseado no comprimento da abertura de arco em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco desejado entre a ponta do eletrodo e a poça de fundição quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação DC, no nível da potência de entrada.

[0010] Estes e outros aspectos e recursos da presente invenção serão mais bem entendidos quando lidos em conjunto com os desenhos anexos.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[0011] A FIG. 1 é uma representação esquemática de um forno de refundição de arco a vácuo (VAR) e elementos de um sistema de controle associado, de acordo com uma modalidade da invenção.

[0012] A FIG. 2 é uma vista amplificada de uma abertura de arco, entre um eletrodo e um lingote do forno VAR da FIG. 1, mostrando um arco elétrico posicionado dentro da abertura de arco, de acordo com a FIG. 1 e a presente invenção.

[0013] A FIG. 3 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema para controlar um processo VAR utilizando o forno VAR da FIG. 1, de acordo com as FIGS. 1 e 2 e uma modalidade da presente invenção.

[0014] A FIG. 4 é um fluxograma exemplificativo que ilustra um método para controlar um processo VAR utilizando um forno VAR, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0015] Embora a descrição detalhada a seguir seja dada em relação a algumas modalidades ilustrativas, deverá ser entendido que os desenhos não estão necessariamente à escala e que as modalidades reveladas são algumas vezes ilustradas diagramaticamente e em vistas parciais. Além disso, em alguns casos, detalhes que não são necessários para uma compreensão do assunto em questão ou que tornam outros detalhes demasiado difíceis de perceber podem ter sido omitidos. Deverá, portanto, ser entendido que esta revelação não está limitada às modalidades específicas reveladas e ilustradas neste documento, mas ao invés a uma leitura clara de toda a revelação e reivindicações, assim como quaisquer equivalentes àquelas.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0016] Voltando agora aos desenhos e com referência específica à FIG. 1, um forno de refundição de arco a vácuo (VAR) 10 é ilustrado esquematicamente. O forno VAR 10 pode ser configurado para refundir um metal pela fundição de um eletrodo 12, composto do metal, dentro de uma câmara de fundição 14 do forno VAR 10. Dentro da câmara de fundição 14, o eletrodo 12 pode estar posicionado dentro de um cadinho 16. Em alguns exemplos, o cadinho 16 pode ser formado de cobre, uma vez que o cobre pode fornecer características térmicas e/ou condutividade elétrica desejadas; contudo, o cadinho 16 não está certamente limitado a ser formado de cobre e pode ser formado de qualquer material que forneça as características térmicas e/ou de condutividade elétrica desejadas para um processo VAR.

[0017] Em alguns exemplos, o cadinho 16 pode ser refrigerado por, por exemplo, o sistema de refrigeração 20. O sistema de refrigeração 20 pode, por exemplo, incluir uma fonte de refrigerante 22, a qual introduz um fluido refrigerante dentro do cadinho 16 por meio de um ou mais canais de refrigeração 24. O refrigerante pode deixar o cadinho 16 por meio de uma saída de refrigerante 26, onde o mesmo pode ser descartado ou ser refrigerado, de modo que possa reentrar no cadinho 16 como um refrigerante por meio da fonte de refrigerante 22. O refrigerante pode ser, por exemplo, água ou qualquer refrigerante baseado em água; contudo, o refrigerante não é certamente limitado a ser água ou baseado em água e pode ser qualquer refrigerante adequado configurado para refrigerar o cadinho 16 antes, durante e/ou após uso em um processo VAR.

[0018] Para posicionar o eletrodo 12 dentro do forno VAR 10 e em relação ao cadinho 16, o forno VAR 10 pode ainda incluir um aríete 28, o qual está operativamente associado ao eletrodo 12. O aríete 28 e o eletrodo 12 podem mover-se dentro de uma câmara de vácuo 30 do forno VAR 10. A câmara de vácuo 30 pode ser evacuada de impurezas e/ou condições ambientais para criar uma vedação a vácuo dentro da câmara de vácuo 30 e câmara de fundição 14. Para evacuar a câmara de vácuo 30, pode ser incluída uma fonte de vácuo 32. Para mover o aríete 28 e, por associação, o eletrodo 12, pode ser incluído um acionamento de aríete 34 para posicionar o eletrodo 12 em relação ao cadinho 16. O acionamento de aríete 34 pode ser qualquer mecanismo de acionamento adequado na técnica que possa ser utilizado para posicionar o eletrodo 12 por meio do aríete 28. Por exemplo, o acionamento de aríete 34 pode incluir um servomotor, uma unidade de redução de engrenagens, qualquer motor conhecido, um impulsor de pistão de válvula solenoide, um motor hidráulico, ou qualquer combinação destes, mas certamente não está limitado a incluir apenas estes.

[0019] O acionamento de aríete 34 pode ser utilizado para posicionar o eletrodo 12 em relação a uma poça de fundição 36 de um lingote 38, o lingote 38 sendo uma refundição do metal do eletrodo 12 dentro do cadinho 16. Durante a operação do forno VAR 10, uma fonte de alimentação 40 pode passar uma corrente elétrica de relativamente baixa tensão e alta amperagem através do aríete 28 e do eletrodo 12. Em alguns exemplos, tal corrente pode ter uma tensão relativamente baixa de aproximadamente 20-30 volts, enquanto tendo uma corrente de amperagem relativamente elevada de, por exemplo, 1 ou mais quiloampères. Quando a corrente passa pelo eletrodo 12, um arco elétrico 42 é formado entre uma ponta 44 do eletrodo 12 e a poça de fundição 36 do lingote 38. O arco elétrico 42 está representado na vista amplificada da FIG. 2. Ao aplicar a corrente ao eletrodo 12 para criar o arco elétrico 42, pode ser provocado uma fundição lenta do eletrodo 12, dentro da poça de fundição 36.

[0020] Tal fundição lenta pode estar contida dentro do ambiente vedado de vácuo da câmara de vácuo 30 e/ou da câmara de fundição 14. A corrente aplicada ao eletrodo 12 pode ser de uma tensão negativa, enquanto o lingote 38 e, assim, a sua poça de fundição 36, podem ser mantidos a um potencial da terra. Em alguns exemplos, uma temperatura do lingote 38 pode ser controlada pelo sistema de refrigeração 20 e, portanto, ao refrigerar o lingote 38, a poça de fundição limitada 36 pode ser mantida enquanto a porção refrigerada do lingote 38 permanece sólida.

[0021] À medida que a corrente aplicada faz com que o metal funda do eletrodo 12, o metal fundido é em seguida depositado sobre o lingote 38. Consequentemente, devido à fundição, metais fundidos do eletrodo 12 são proporcionais aos materiais adicionados ao lingote 38. Contudo, uma vez que o eletrodo 12 tipicamente tem menor diâmetro que aquele do cadinho 16 e, por sua vez, do lingote 38, o aríete 28 pode acionar o eletrodo 12 na direção do lingote 38 a uma taxa que exceda a taxa de crescimento do lingote 38.

[0022] O acionamento de aríete 34 é configurado para acionar o aríete 28 na direção do lingote 38 à medida que ocorre a refundição. Durante refundição, é formada uma abertura de arco 46, a qual pode ser definida como uma abertura entre a ponta do eletrodo 12 e a poça de fundição 36 do lingote 38. A abertura de arco 46 deverá ser mantida relativamente consistente durante todo o processo VAR para desempenho ótimo.

[0023] Contudo, pode ser impraticável ou impossível ver fisicamente a abertura de arco 46 durante um processo VAR usando o forno VAR 10 e, portanto, a abertura de arco 46 pode ser determinada ou obtida baseada em outros dados que sejam mais acessíveis. Por exemplo, tal como na representação da abertura de arco 46, a determinação da abertura de arco 46 pode ser baseada em uma correlação de gotejamentos curtos e/ou uma frequência de gotejamento curto, provocado pelo arco elétrico 42, e comprimento de arco. A frequência de gotejamento curto provocada pelo arco elétrico 42 pode ser determinada usando sensor de gotejamento curto 48, o qual pode ser qualquer sensor capaz de determinar a frequência de gotejamento curto provocada pelo arco elétrico 42, conhecido na técnica. O sensor de gotejamento curto 48 pode incluir um ou mais sensores capazes de determinar a tensão através do arco elétrico 42, a corrente através do arco elétrico 42, a resistência através do arco elétrico 42, e/ou quaisquer outros dados associados ao arco elétrico 42 e/ou à abertura de arco 46, que possam ser úteis na determinação de uma frequência de gotejamento curto, durante um período de tempo, provocada pelo arco elétrico 42. Em alguns exemplos, o sensor de gotejamento curto 48 pode determinar gotejamentos curtos baseados em medições de tensão do arco elétrico 42. Adicional ou alternativamente, tais medições de tensão podem ser fornecidas a um controlador 52 pelo sensor de gotejamento curto 48, onde o controlador 52 determina então a frequência de gotejamento curto do arco elétrico 42. O sensor de gotejamento curto 48 pode ser usado como parte de ou em conjunto com um sistema de controle 50, que inclui o controlador 52, configurado para controlar um processo VAR do forno VAR 10, que está representado esquematicamente na FIG. 3 e descrito em maior detalhe abaixo.

[0024] O sistema 50 pode incluir o controlador 52, o qual inclui, ao menos, um processador 54. O controlador 52 pode ser qualquer controlador eletrônico ou sistema computacional que inclua um processador que opere para executar operações, executar algoritmos de controle, armazenar dados, recuperar dados, reunir dados, e/ou qualquer outra tarefa de computação ou controle desejada. O controlador 52 pode ser um único controlador ou pode incluir mais de um controlador posicionados para interagir com um ou mais dentre o acionamento de aríete 34, a fonte de alimentação 40, o sensor de gotejamento curto 48 e, opcionalmente, dispositivo(s) de saída 56 e/ou dispositivo(s) de entrada 58. O(s) dispositivos(s) de entrada 58 pode(m) ser implementado(s) por, por exemplo, um teclado, um mouse, uma tela sensível ao toque, uma almofada de rota seguida, uma bola de rota seguida, e/ou um sistema de reconhecimento de voz. Por exemplo, o(s) dispositivo(s) de entrada 58 pode(m) incluir qualquer dispositivo com fio ou sem fio para conectar dados de entrada ao controlador 52. O(s) dispositivo(s) de saída 56 pode(m) incluir um ou mais dentre um dispositivo de saída de áudio, um dispositivo de saída visual, um dispositivo de saída táctil, ou qualquer combinação destes.

[0025] A funcionalidade do controlador 52 pode ser implementada em hardware e/ou software e pode basear-se em um ou mais mapas de dados. Para este fim, o controlador 52 pode incluir ou estar associado a uma memória 60, a qual pode ser uma ou ambas de memória interna e memória externa, tal como um banco de dados ou servidor. A memória 60 pode incluir uma ou mais dentre memória apenas de leitura (ROM), memória de acesso aleatório (RAM), uma memória portátil, e similares, mas não está limitada a estas. Tais meios de memória são exemplos de meios de memória não-transitória.

[0026] Para controlar uma velocidade de aríete do aríete 28 durante um processo VAR do forno VAR 10, o controlador 52 pode executar um módulo de controle de aríete 62. O módulo de controle de aríete 62 pode ser instruções legíveis por máquina executadas pelo processador 54 e, por exemplo, armazenadas na memória 60. O módulo de controle de aríete 62 pode determinar uma velocidade de aríete necessária para o processo VAR corrente. Em alguns exemplos, a velocidade de aríete pode ser baseada em uma taxa de fundição desejada para o eletrodo 12, durante o processo VAR. Por exemplo, a velocidade de aríete pode ser dinamicamente alterada, pelo módulo de controle de aríete 62, para mudar a taxa de fundição do eletrodo 12 para alcançar a taxa de fundição desejada.

[0027] Com base na velocidade de aríete desejada, o módulo de controle de aríete 62 pode controlar a velocidade de aríete do aríete 28 ao fornecer instruções de velocidade de aríete ao acionamento de aríete 34. Em alguns exemplos, o acionamento de aríete pode acionar atuadores 64 que posicionarão e/ou moverão o aríete 28 com base nas instruções de velocidade de aríete.

[0028] Para determinar e/ou estimar a abertura de arco corrente 46 durante o processo VAR do forno VAR 10, o controlador 52 pode executar um módulo de determinação de abertura 66. O módulo de determinação de abertura 66 pode receber entrada proveniente do sensor de gotejamento curto 48. Utilizando correlações conhecidas entre frequência de gotejamento curto e comprimento da abertura de arco, o módulo de determinação de abertura 66 pode determinar um comprimento em tempo real da abertura de arco 46. Em alguns exemplos, o módulo de determinação de abertura 66 pode determinar o comprimento de abertura de arco em tempo real baseado em uma correlação do comprimento de abertura de arco e frequência de gotejamento curto, a qual, em alguns exemplos, pode ser determinada a partir de medições de tensão do arco 42.

[0029] Quando o metal do eletrodo 12 é transferido do eletrodo 12 para o lingote 38, a formação e a ruptura de colunas de metal são formadas dentro da abertura de arco 46, tais como as colunas 68 representadas na FIG. 2. Tais colunas formam uma ponte de baixa resistência entre o eletrodo 12 e o lingote 38, o que provoca o gotejamento curto. Um gotejamento curto pode fazer com que o arco elétrico 42 seja momentaneamente extinto, o que resultará em uma queda na tensão de arco, a qual é monitorada pelo sensor de gotejamento curto 48. Tais quedas em tensão podem ser monitoradas durante um período de tempo para determinar a frequência de gotejamento curto para o processo VAR. Como é conhecido na técnica, frequência de gotejamento curto e comprimento de abertura de arco estão intimamente correlacionados; portanto, com base em tal(is) correlação(ões), o módulo de determinação de abertura 66 pode determinar o comprimento em tempo real da abertura de arco 46.

[0030] O comprimento em tempo real da abertura de arco pode ser utilizado por um módulo de controle de potência 70 para controlar e/ou alterar o nível de potência introduzida no eletrodo 12. O módulo de controle de potência 70 pode operar em um nível de potência base, o qual pode ser baseado em um nível de potência predeterminado para um dado processo VAR e pode ser armazenado na memória 60 ou fornecido a partir do(s) dispositivo(s) de entrada 58. O módulo de controle de potência 70 pode alterar a potência de entrada para o eletrodo 12, em relação ao nível de potência base, se o comprimento em tempo real da abertura de arco, recebido do módulo de determinação de abertura 66, indicar que o comprimento em tempo real da abertura de arco difere do comprimento da abertura de arco desejado para o processo VAR corrente. Se o comprimento em tempo real da abertura de arco não diferir de um comprimento da abertura de arco desejado, então o módulo de controle de potência pode fornecer instruções à fonte de potência 40 para elevar ou baixar o nível de potência e, assim baixar ou elevar o comprimento de abertura de arco da abertura de arco 46. Por exemplo, se for determinado que a abertura de arco em tempo real é demasiado pequena, em relação ao comprimento da abertura de arco desejado, o módulo de controle de potência 70 pode elevar a potência de entrada para o eletrodo 12 pela fonte de alimentação 40, o que provocará fundição de uma maior quantidade de metal a partir do eletrodo 12, em relação ao tempo, e, em virtude de fundição de mais metal mais rapidamente, elevará o comprimento da abertura de arco para satisfazer o comprimento da abertura de arco desejado. Alternativamente, se for determinado que a abertura de arco corrente é demasiado grande, em relação ao comprimento da abertura de arco desejado, então o módulo de controle de potência 70 pode baixar o nível de potência fornecida ao eletrodo 12 pela fonte de alimentação 40, o que provocará fundição de menos metal a partir do eletrodo 12, em relação ao tempo, e, em virtude de fundição de menos metal durante um período de tempo, diminuirá o comprimento da abertura de arco para satisfazer o comprimento da abertura de arco desejado.

[0031] Para formar adequadamente o lingote 38 com ótimas propriedades metalúrgicas, o sistema de controle 50 pode ser utilizado em conjunto com o forno VAR 10. O sistema 50 pode ser utilizado em adição a ou em conjunto com um método 100 para controlar um processo VAR utilizando o forno VAR 10. O método 100 é exemplificado pelo fluxograma da FIG. 4. Embora a descrição do método 100 apresentado abaixo faça referência a elementos do sistema 50 e do forno 10, o método 100 pode ser executado utilizando elementos alternativos e não deverá ser considerado como limitado à execução por meio do sistema 50 e/ou seus componentes.

[0032] O método 100 pode começar pela geração do arco elétrico 42 entre a ponta do eletrodo 44 e a poça de fundição 36, usando a fonte de alimentação 40, como representado no bloco 110. Ao, por exemplo, utilizar o acionamento de aríete 34, o aríete pode ser acionado a uma velocidade de aríete, como representado no bloco 120. A velocidade de aríete pode ser configurada para alcançar uma taxa de fundição desejada para o eletrodo 12, como discutido acima. O método 100 pode ainda incluir a determinação de uma frequência de gotejamento curto do arco elétrico 42, durante um período de tempo, usando o sensor de gotejamento curto 48, como representado no bloco 130.

[0033] Com base em, ao menos, a frequência de gotejamento curto, o método 100 pode determinar um comprimento da abertura de arco em tempo real entre a ponta do eletrodo 44 e a poça de fundição 36, baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco, como representado no bloco 150.

[0034] O método 100 pode incluir a determinação de um nível de potência de entrada para o eletrodo 12 com base no comprimento da abertura de arco em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco desejado entre a ponta do eletrodo 44 e a poça de fundição 36 quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação 40, no nível da potência de entrada, como representado no bloco 160. Em alguns exemplos, a determinação de um nível de potência de entrada para o eletrodo 12 com base no comprimento da abertura de arco em tempo real pode incluir determinar uma diminuição em potência da fonte de alimentação 40, se o comprimento da abertura de arco em tempo real for maior que o comprimento da abertura de arco desejado. Adicional ou alternativamente, a determinação de um nível de potência de entrada para o eletrodo 12 com base no comprimento da abertura de arco em tempo real pode incluir determinar um aumento em potência da fonte de alimentação 40, se o comprimento da abertura de arco em tempo real for menor que o comprimento da abertura de arco desejado. Com base no nível de potência de entrada, o método 100 pode controlar a potência de entrada para o eletrodo 12, usando a fonte de alimentação 40, como representado no bloco 170.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

[0035] Em geral, a revelação acima mencionada encontra utilidade em diversas indústrias que incluem purificação metalúrgica e, em particular, produção de lingotes utilizando processos de refundição, mas não limitadas a estas. Ao utilizar os sistemas e métodos revelados neste documento, maior pureza e/ou integridade estrutural de um metal podem ser alcançadas durante um processo VAR. Além disso, ao utilizar os sistemas e métodos de controle de abertura de arco baseados em potência revelados neste documento, pode ser alcançado controle adequado de abertura de arco quando usando fornos VAR com cadinhos com grandes diâmetros internos, para produzir lingotes de maiores diâmetros.

[0036] Por exemplo, como mostrado na FIG. 1, o cadinho 16 pode ter um diâmetro interno 72 que se correlaciona com o diâmetro do lingote 38 produzido no cadinho. Em alguns exemplos, o diâmetro interno 72 pode ser maior que 750 milímetros. Em alguns de tais exemplos, o diâmetro interno 72 pode estar na faixa de 1.000-1.100 milímetros. Quando os processos VAR são executados para criar lingotes que têm tais maiores diâmetros, o controle de velocidade de aríete para corrigir e/ou manter a abertura de arco 46 pode ser impraticável ou difícil. Portanto, sistemas de controle anteriores que corrigem abertura de arco pela alteração de velocidade de aríete podem não ser adequados no controle de abertura de arco durante um processo VAR, onde os lingotes produzidos são de tais maiores dimensões. Consequentemente, os sistemas e métodos revelados neste documento fornecem maior controle da abertura de arco e, por sua vez, do próprio processo VAR, ao controlar a abertura de arco com base na potência de entrada pela fonte de alimentação 40, ao invés de, ou além de, alterar a velocidade de aríete.

[0037] Será entendido que a presente invenção fornece sistemas de controle de refundição de arco a vácuo, métodos de controle VAR de fornos VAR e, mais especificamente, sistemas e métodos de controle VAR configurados para controlar uma abertura de arco baseada na potência de entrada. Embora apenas algumas modalidades tenham sido apresentadas, alternativas e modificações serão evidentes a partir da descrição acima para aqueles versados na técnica. Estas e outras alternativas são consideradas equivalentes e dentro do espírito e âmbito desta invenção e das reivindicações apensas.

Claims

1. Sistema de controle (50) para um processo de refundição de arco a vácuo (VAR) para um metal, o processo VAR utilizando um forno VAR (10), o forno VAR (10) incluindo um cadinho (16) no qual é formado um lingote (38) formado de metal, um aríete (28) associado operativamente a um eletrodo (12) formado do metal, uma câmara de vácuo (30), e uma fonte de vácuo (32) associada à câmara de vácuo (30), o sistema caracterizado por compreender: uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC) (40) operativamente associada ao eletrodo (12) e configurada para produzir um arco elétrico (42) entre uma ponta do eletrodo (44) e uma poça de fundição do lingote (38); um acionamento de aríete (34) operativamente associado ao aríete (28) e configurado para acionar o aríete (28); um sensor de gotejamento curto (48) configurado para medir uma frequência de gotejamento curto do arco elétrico (42) durante um período de tempo; e um controlador (52), que inclui um processador (54), operativamente associado à fonte de alimentação DC (40), ao acionamento de aríete (34), e ao sensor de gotejamento curto (48), em que o controlador (52) é configurado para: determinar um comprimento da abertura de arco (46) em tempo real entre a ponta do eletrodo (44) e a poça de fundição (36), usando a frequência de gotejamento curto durante o período de tempo medido pelo sensor de gotejamento curto (48), usando um módulo de determinação de abertura (66), o módulo de determinação de abertura (66) determinando o comprimento da abertura de arco (46) em tempo real com base em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco (46), controlar a velocidade de aríete do aríete (28) usando um módulo de controle de aríete (62), o módulo de controle de aríete (62) determinando uma velocidade do aríete para o processo VAR, a velocidade do aríete configurada para alcançar uma taxa de fundição desejada para o eletrodo (12), e fornecer instruções ao acionamento de aríete (34) para acionar o aríete (28) com base na velocidade do aríete (28), e controlar a potência de entrada para o eletrodo (12) pela fonte de alimentação DC usando um módulo de controle de potência (70), o módulo de controle de potência (70) configurado para determinar um nível de potência de entrada para o eletrodo (12) baseado no comprimento da abertura de arco (46) em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco (46) desejado entre a ponta do eletrodo (44) e a poça de fundição (36) quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação DC, no nível da potência de entrada.

2. Sistema de controle (50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do módulo de controle de potência (70) ser configurado para instruir a fonte de alimentação (40) a diminuir o nível de potência se o comprimento da abertura de arco (46) em tempo real for maior que o comprimento da abertura de arco (46) desejado.

3. Sistema de controle (50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do módulo de controle de potência (70) ser configurado para instruir a fonte de alimentação (40) a elevar o nível de potência se o comprimento da abertura de arco (46) em tempo real for menor que o comprimento da abertura de arco (46) desejado.

4. Sistema de controle (50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um diâmetro interno do lingote (38) formado dentro do cadinho (16) ser maior ou igual a 750 milímetros.

5. Sistema de controle (50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um diâmetro do lingote (38) formado dentro do cadinho (16) estar dentro de uma faixa de 1.000-1.100 milímetros.

6. Método (100) para controlar um processo de refundição de arco a vácuo (VAR), o processo VAR utilizando um forno VAR (10), o forno VAR (10) incluindo um cadinho (16) no qual é formado um lingote (38) formado de metal, um aríete (28) associado operativamente a um eletrodo (12) formado do metal, uma câmara de vácuo, e uma fonte de vácuo 32. ) associada à câmara de vácuo (30), o método caracterizado por compreender: gerar um arco elétrico (42) entre uma ponta de eletrodo (44) do eletrodo (12) e uma poça de fundição (36) do lingote (38) usando uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC) (40) operativamente associada ao eletrodo (12); acionar o aríete (28) a uma velocidade de aríete usando um acionamento de aríete operativamente associado ao aríete, a velocidade de aríete configurada para alcançar uma taxa de fundição desejada para o eletrodo; determinar uma frequência de gotejamento curto do arco elétrico durante (42) um período de tempo usando um sensor de gotejamento curto (48); determinar um comprimento da abertura de arco (46) em tempo real entre a ponta do eletrodo (44) e a poça de fundição (36), usando a frequência de gotejamento curto durante o período de tempo, baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco (46); determinar um nível de potência de entrada para o eletrodo (12) baseado no comprimento da abertura de arco (46) em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco (46) desejado entre a ponta do eletrodo (44) e a poça de fundição (36) quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação DC, no nível da potência de entrada; e controlar a potência de entrada para o eletrodo (12) pela fonte de alimentação DC baseado no nível da potência de entrada.

7. Método (100), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato da determinação de um nível de potência para o eletrodo (12) pela fonte de alimentação DC (40) compreender diminuir o nível de potência se o comprimento da abertura de arco (46) em tempo real for maior que o comprimento da abertura de arco (46) desejado.

8. Método (100), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato da determinação de um nível de potência para o eletrodo (12) pela fonte de alimentação DC (40) compreender aumentar o nível de potência se o comprimento da abertura de arco (46) em tempo real for menor que o comprimento da abertura de arco (46) desejado.

9. Forno de refundição de arco a vácuo (VAR) (10) para executar o processo VAR para o metal, conforme definido na reivindicação 1, o forno VAR (10), caracterizado por compreender: o cadinho (16) no qual é formado o lingote formado de metal; o aríete (28) associado operativamente ao eletrodo formado do metal; a câmara de vácuo (30); a fonte de vácuo (32) associada à câmara de vácuo (30); a fonte de alimentação de corrente contínua (DC) (40) operativamente associada ao eletrodo (12) e configurada para produzir o arco elétrico (42) entre a ponta de eletrodo do eletrodo (12) e a poça de fundição do lingote (38); o acionamento do aríete (34) operativamente associado ao aríete e configurado para acionar o aríete (28); o sensor de gotejamento curto (48) configurado para medir a frequência de gotejamento curto do arco elétrico (42) durante um período de tempo; e o controlador (52), que inclui o processador (54), operativamente associado à fonte de alimentação DC (40), ao acionamento de aríete, e ao sensor de gotejamento curto, o controlador (52) configurado para: determinar um comprimento de abertura de arco (46) em tempo real entre a ponta do eletrodo (44) e a poça de fundição (36), usando a frequência de gotejamento curto do arco elétrico (42) durante o período de tempo medido pelo sensor de gotejamento curto, pela determinação do comprimento da abertura de arco em tempo real baseado em uma correlação entre a frequência de gotejamento curto e o comprimento da abertura de arco; controlar a velocidade de aríete (28) do aríete usando o módulo de controle de aríete (62), pela determinação de uma velocidade do aríete para o processo VAR, a velocidade do aríete configurada para alcançar uma taxa de fundição desejada para o eletrodo (12), e fornecer instruções ao acionamento de aríete (34) para acionar o aríete (28) baseado na velocidade do aríete; e controlar a potência de entrada para o eletrodo (12) pela fonte de alimentação DC usando o módulo de controle de potência (70), pela determinação de um nível de potência de entrada para o eletrodo (12) baseado no comprimento da abertura de arco (46) em tempo real, o nível de potência de entrada sendo configurado para gerar um comprimento da abertura de arco (46) desejado entre a ponta do eletrodo (44) e a poça de fundição (36) quando da transmissão de potência, pela fonte de alimentação DC, no nível da potência de entrada.

10. Forno VAR (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender ainda um sistema de refrigeração configurado para refrigerar o lingote (38) dentro do cadinho (16) durante o processo VAR.

11. Fo rno VAR (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de um diâmetro do lingote (38) formado dentro do cadinho (16) ser maior ou igual a 750 milímetros.

12. Forno VAR (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de um diâmetro do lingote formado dentro do cadinho estar dentro de uma faixa de 1.000-1.100 milímetros.

13. Forno VAR (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do módulo de controle de potência (70) ser configurado para instruir a fonte de alimentação (40) a diminuir o nível de potência se o comprimento da abertura de arco (46) corrente em tempo real for maior que o comprimento da abertura de arco (46) desejado.

14. Forno VAR (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do módulo de controle de potência (70) ser configurado para instruir a fonte de alimentação (40) a aumentar o nível de potência se o comprimento da abertura de arco (46) corrente em tempo real for menor que o comprimento da abertura de arco (46) desejado.