CN101135651A - 在熔化期间检测杂质进入的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测和表征高温金属熔化物中的污染物的设备。该设备包括用于可视地监控炉膛或者铸模内的熔化金属槽以便即时检测污染物进入该槽中的装置。此外，本发明用于表征槽中的污染物大小和位置。

Description

在熔化期间检测杂质进入的系统

技术领域

本发明涉及一种用于检测和表征由浓缩蒸气物质进入熔化金属池中所导致的高温金属熔化物的污染的系统。

背景技术

本发明通常涉及诸如那些具有高于1000℃的熔化温度的金属之类的高温金属的熔化处理，尤其涉及如使用电子束热源的金属冷热精炼的情况那样的、其中将热直接施加到熔化物表面的那些处理。这种熔炼(practice)通常用于诸如钛合金和镍基超级合金之类的、活性的和高熔点金属的生产、回炉和精炼。在电子束中，冷炉精炼炉料在水冷铜炉中的高强度电子束或者多个电子束下熔化。该熔化处理在真空下执行，并且具有如下特征：高功率密度、非常高的可达到熔化温度、并且能够接受包括条、压缩块、海绵体、碎片和屑片在内的大范围炉料。熔化金属薄层凝固在炉膛表面，以产生保护该炉膛的“结壳(skull)”，来防止与铜的交叉污染，并且包含液态金属池。通过挥发性杂质的蒸发、高密度污染物结壳中的沉淀和截留、以及低密度杂质在该熔化池的超热表层中的溶解，来实现熔料的精炼。熔化的金属可以连续地从金属炉膛流入辅助炉膛以便进行进一步精炼，或者该熔化金属可以直接浇铸到该金属在其中固化的铸模中。对这个处理中的熔化、精炼和固化阶段的仔细控制产生了非常清洁、事实上没有缺点的铸件。

然而，这种方法的一个缺点是由于高温和真空环境，在熔化处理期间生成大量的金属蒸气。这些蒸气凝结在炉膛的内表面，并且形成具有落回到熔化物中的可能性和倾向的固体沉积物。因为金属蒸气通常富有熔化物中更多的挥发性元素，所以这就呈现了主要的污染风险。例如，已知从包含标称6％铝的钛合金中沉淀的蒸气包含达70％那么多的铝。如果该冷凝物重新进入熔化物，则这种组分的不一致可能导致显著的局部属性变化并且导致最终产品中的潜在关键性缺陷。

已知在正常熔炼实践期间出现过凝结的蒸气金属从沉积表面脱落并且落入熔池中的情况。减轻污染影响的步骤可以包括暂时停止浇铸和/或将额外的热引向受影响的区域以促进污染物的溶解和熔化物化学性质的均化。就熔炉操作员而言，这些需要即时操作。必须在受污染区域的固化之前实施任何补救措施，因此即时的检测、表征和响应是必需的。当前，对污染物进入项的检测依赖于控制熔化处理的熔炉操作员的视觉观察。假定污染物颗粒相对于熔池可能是小的，而且操作者的注意力可能是在几个额外的任务之间分配，则很可能这些进入项的一部分未被操作者检测到。因为在这个处理过程的晚期仅仅有非常有限的能力来精练和均化熔化物，所以最关注的是那些直接落入固化铸模中而未被检测的污染物。

发明内容

因此，本发明提供了一种用于在炉膛或者铸模中恒定地、连续地可视监控金属熔池的系统。还提供了用于瞬时检测凝结的蒸气材料从炉膛进入熔池的装置。还提供了即时向熔炉操作员通知有关污染物进入项的存在的即时通知，以便如有必要，可以及时的方式采取校正操作。还提供了所有进入熔化物中的污染物的数目、大小和位置的表征和记录，并且使这个数据可随后用于产品质量检查。

根据本发明的用于检测和表征高温金属熔化物中的污染物的设备包括：可视监控装置，用于可视地监控炉膛或者铸模内的熔化金属槽以便瞬时检测凝结的污染物进入该槽。提供了用于提供瞬时信号的提供装置，该瞬时信号表征槽内的污染物的大小和位置。

所述可视监控装置包括红外摄像仪。

来自红外摄像仪的瞬时信号是熔化金属槽的选定观察区域的灰阶热成像。该瞬时信号被导向视频记录器和监控器。

还可以将该瞬时信号导向用于分析该信号以确定污染物的数目、大小、位置和持续时间的装置。提供了用于存储污染物的数目、大小、位置和持续时间的装置。

附图说明

图1是用于检测和表征高温金属熔化物中的污染物的系统的示意框图。

具体实施方式

参见附图，检测系统包含具有相关联的透镜组件2的摄像机1、数字转换器3、高速分析仪4以及具有可选监控器6的视频记录器5。这个系统集成到熔炉数据获取系统(DAS)7中，该熔炉数据获取系统提供了与操作员接口8的接口，并且另外提供了自动化的系统操作。

该摄像机可以是在波谱的近红外(NIR)区域(400nm-1100nm)中操作的任何摄像机。该摄像机以这样的方式附于安装到熔炉上的观察孔的光学外壳上，以便创建真空密封并且提供与熔池表面垂直的自由视角。该光学外壳包含固焦透镜、抑制所关注波段之外的辐射的红外滤波器、以及减少检测器处的辐射强度的固定光圈挡片和中性滤光片。含铅玻璃窗口用于防止X-射线辐射损害检测器阵列，而且可任意设置的石英窗被放置在该外壳的正前方，以保护该光学器件免受由于来自熔炉的热和蒸气而导致的老化。不断地用诸如氩气之类的流动气体冲洗该外壳的前端，以防止金属蒸气沉积在该窗口上。

照相机系统产生所观察区域的灰阶热成像。视频信号要么直接由高速串行总线(即火线)要么通过帧抓取器输出到数字图像分析仪和视频记录器和监控器。在当前配置中为Acuity Powervision System(NH的Nashua)的分析仪执行对视频图像的实时高速检测。定义了该视频图像内的感兴趣区域(ROI)，并且屏蔽在该ROI之外的所有图像区域以进行检测。在当前应用中，ROI是包含在固化铸模中的液态金属池。分析仪表征ROI内的像素的灰阶强度，并且建立背景强度等级。确定定义在背景和前景像素之间的边界的检测阈值。然后，连续地检查该ROI以便获得具有低于阈值等级的强度的特征(像素组)，即所谓的前景像素，其代表熔化金属池中的较低温度、固体污染物。该分析器以至少每秒4次扫描的速度进行操作，以确保有足够的污染物进入项分辨率，并且能够从该图像中提取包括污染物进入项的数目、大小、位置和持续时间在内的大范围信息。将这个数据发送到熔炉数据获取系统。

由DAS连续地处理、编译和存储来自分析仪的数据。对图像数据进行滤波以抑制瞬变检测、忽略非常小的项目、以及减少无用报警的出现。如果发生污染，则DAS向熔炉操作员提供即时可听到的报警，以及指示该进入项的尺寸和位置的视觉提示。操作员然后能快速地估算该进入项，并且如有必要，采取规定行动来补救该污染。

与DAS的集成使得能够通过中心操作员接口来控制该冷凝物检测系统并且与其通信，并且消除了冗余的数据输入(entry)和设置任务。还允许基于熔炉和熔化物参数自动执行系统功能。例如，DAS提供了ROI所基于的铸模几何形状，在熔化处理开始时自动地启动图像检查，并且当在浇铸结束断开熔化功率时关闭该检测系统。这事实上导致了检测系统的透明操作。来自图像分析仪的存储数据变为用于客户和质量检查的永久记录。

上述描述具体参考了结合固化铸模的应用，然而，利用少量的修改，本发明可以应用于在EBM工艺处理中的熔化和/或精炼炉膛。

还应当意识到，由图像分析仪产生的数据可以输出到在这样配置的熔炉中的计算机控制的射束制导系统，以自动地将额外的射束能量引向熔化物中受影响的区域，以便增强污染物的溶解和扩散。

Claims (6)

1.一种用于检测和表征在高温金属熔化物中的污染物的设备，包含：

可视监控装置，用于可视地监控在炉膛或者铸模内的熔化金属槽以便即时检测凝结的污染物进入到该槽中；

提供装置，用于提供表征所述槽内的污染物的大小和位置的瞬时信号。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述可视监控装置包括红外摄像仪。

3.如权利要求2所述的设备，其中，来自所述红外摄像仪的所述瞬时信号是熔化金属槽的选定观察区域的灰阶热成像。

4.如权利要求3所述的设备，其中，将所述瞬时信号导向视频记录器和监控器。

5.如权利要求4所述的设备，其中，还将所述瞬时信号导向用于分析所述信号以确定污染物的数目、大小、位置和持续时间的装置。

6.如权利要求5所述的设备，其中，将污染物的所述数目、大小、位置和持续时间导向用于将其存储的装置。