CN103181239B - 用于闭环控制在真空电弧炉中的电极间距的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于闭环控制在真空电弧炉（10）中的电极间距的方法以及设备，其中根据熔滴短路率闭环控制熔化电极的相对于熔化物的表面的电极间距。为此，基于至少一个熔滴短路标准（76）建立被探测的熔滴短路（80）的柱状图（70），所述柱状图（70）被划分为子区域（72），为了闭环控制目的，选择柱状图（70）的表示特征的子区域（74），并且基于能与被选择的子区域（74）相关联的熔滴短路（80）闭环控制电极间距。

Description

用于闭环控制在真空电弧炉中的电极间距的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于闭环控制在真空电弧炉中的电极间距的设备和方法，其中根据熔滴短路率闭环控制熔化电极的相对于熔化物表面的电极间距。

背景技术

真空电弧炉是一种用于制造具有重熔材料的提高的化学和机械性质的高质量的金属原料的次级熔化过程。真空电弧炉法尤其用于制造用于飞机制造以及用于航天医学和生物医学的应用领域的材料。

在真空电弧炉中，电极朝向坩埚延伸，并且通过在电极和坩埚之间施加电压将电极在真空环境或低压环境中熔化，其中液态材料聚集在坩埚底部上。这样的电弧熔炉尤其用于熔化所谓的难熔的活性元素，例如钛和锆，以及用于制造不锈钢和高温合金。在此被施加的电压一般在10伏特至30伏特之间变动，其中几千安培的直流电流或交流电流流过，以便保持连续的熔化过程。坩埚通常通过隔水来冷却，以便控制熔化率。在熔化过程中，必须将电极相对于熔化物向下引导，以便在熔化物表面和熔化电极之间得到均匀的熔化间距。因为由于工艺技术上的现实情况不能直接测量间距，已知有不同的方法来间接地确定和闭环控制电极间距。

因此从现有技术中已知的是，在特定的范围中确定短路的出现频率并且其数量通过间距闭环控制保持恒定。出现短路的频率被等同于电极间距。通过改进的间距闭环控制能够减少出现的材料污染、尤其是所谓的“白点”。在此涉及混晶区域，所述混晶区域在硬化时缺乏合金元素，例如铌或钛，但是富含其他材料，例如镍。基于凝固条件，所述混晶区域在电极的中央缩孔中形成为枝状晶或在坩埚壁上重熔时形成为搁板状物，并且能够在重熔期间掉落到熔化池中，其中所述混晶区域在那不再熔化。所述混晶区域能够到达预制构件中，并且能够负面地影响构件的可靠性和耐久性。为了避免这种“白点”能够遵守电极到坩埚熔化表面的定期的且不干扰的间距闭环控制，所述闭环间距控制结合坩埚冷却提高了熔化物的质量。由此，能够减少所谓的“唇部”的减小，也就是说在电极的尖部上的环形的减小，并减少潜在的凝固“白点”和潜在的枝状“白点”的所谓的两相区域的形成，以及控制凝固物在坩埚中的收缩缝的尺寸。因此，改进的间距闭环控制造成重熔物的更高的质量。

从DE3544005 C中已知一种用于控制在真空电弧炉中在熔化电极之间的间距的方法，其中考虑由于熔滴产生的在熔化电极和熔化物的表面之间的短路的出现频率作为控制标准。在此使用一种控制器，所述控制器将熔滴顺序给定值信号相对于熔滴顺序实际值进行比较，其中在预先给出的时间段中实际值通过确定熔滴率来确定。在整个重熔过程中应用所述方法，其中仅考虑特定地较宽限定的熔滴种类。

在存在的间距闭环控制法中，熔滴短路触发阈值>4V，尤其>8V并且借助于简单的施密特触发器(Schmitt-Trigger)检测出熔滴长度为0.1ms至200ms，并且考虑到几乎所有用于间距闭环控制的以测量技术检测到的短路。然而，根据实证研究得出，在重熔过程的不同阶段中占优势地出现不同种类的熔滴，其中根据重熔阶段和重熔条件，不同的出现的熔滴短路不同程度地适用于闭环控制电极间距。然而，由现有技术中已知的方法考虑不同类型的熔滴短路并且例如在特定的熔滴短路之间不作区分。例如在电极具有特定的直径时或在特定的合金中仅出现少的或不能利用的熔滴短路，这样不能使用从现有技术中已知的方法。一般来说，观察在4伏特至10伏特的范围中的且长于100μs的电压下降。然而，显示出的是，在特定的电极直径或特定的合金情况下通常仅出现在<0.1ms的范围内的熔滴短路或出现<8伏特或>1伏特的直流电压的电压下降，其中为了闭环控制目的一般不观察所述熔滴短路或电压下降。尤其在高的电流强度下，大的熔滴仅难得出现，以至于在所述情况下基于常规测量区域的闭环控制是不利的。基于至今使用的闭环控制技术，位于常规测量区域外的熔滴短路的探测，尤其是通过电压测量和电流测量进行的小的熔滴的探测，在电学方面看来困难的条件下可以在重熔方法期间仅不准确地进行，因为一方面使用的传感器不够灵敏，另一方面电网提供极其易受干扰的熔化电压，以至于小的熔滴的针对性的检测变得困难，尤其在具有位于重熔炉的周围环境中的许多高电流的负载的不均匀的电网中使针对性的检测变得困难。

在电极和熔化物表面之间的间距波动过小或过大时，重熔过程不稳定地进行，其中重熔物的质量下降，例如出现不均匀的块表面、数量增加的污染杂质、波动的熔化速率和增多的“白点”的数量。如果在电极和熔化物表面之间的间距过高，那么电弧熔焊侧面的冠状部的支脚，所述冠状部在支脚失去稳定性时易于翻倒到熔化池中。此外，具有变化的电弧间距的电极的唇部增大或减小，以至于能够产生增长，并且造成导致凝固错误的不受控制的摆动。因此，也能够造成合金元素的增加的损失。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种改进的闭环控制方法和一种闭环控制设备，其能够实现在真空电弧炉中的电极的高精确度的间距闭环控制，以至于能够达到重熔物的质量改善。

所述目的通过一种根据本发明的教导的方法和设备来实现。有利的改进方案在下文中给出。

根据本发明，提出一种用于闭环控制在真空电弧炉中的电极间距的方法，其中依据熔滴短路率闭环控制熔化电极的相对于熔化物的表面的电极间距。在所述方法的范围中，基于至少一个熔滴短路标准创建探测到的熔滴短路的柱状图，所述柱状图被划分为子区域，选择柱状图的用于闭环控制目的表示特征的子区域并且基于可与所选择的子区域相关联的熔滴短路闭环控制电极间距。

熔滴短路例如能够通过高准确度的电流/电压测量来探测，并且在柱状图中示出。柱状图根据至少一个熔滴短路标准来划分出现的熔滴短路的种类，并且示出关于这种短路标准的出现频率分布。所述柱状图被划分为多个子区域，所述子区域能够是等距的但是也能够是可变宽度的，尤其能够说明至少两个子区域。在分析出现频率分布之后，能够为了闭环控制目的，在这些子区域中选择柱状图的表示特征的子区域，并且能够基于可与所述子区域相关联的短路至少阶段性地闭环控制电极间距。因此，电极间距闭环控制不基于所有出现的熔滴短路非特定地进行，而是将熔滴短路分类，至少关于在柱状图中的一个标准示出，并且仅选出熔滴短路的关于所述一个或多个标准的出现的短路的一小部分的子区域，并且闭环控制基于出现的熔滴短路的所述子集进行。因此，设立过滤标准，并且仅考虑在电极的相应的重熔阶段中最佳地适合于电极间距闭环控制的熔滴短路用于闭环控制。这能够通过使用高灵敏度的电流和/或电压测量法以及使用能够实现熔滴短路的探测、尤其是由于小的熔滴造成的短路的探测的快速的计算机来实现。在其他子区域方面、尤其是在小的熔滴方面的闭环控制，在许多情况下造成变化的闭环控制特性，其中能够达到彻底改善的重熔结果。

子区域和熔滴短路标准的选择能够基于经验值进行，然而也能够自动地进行并且适应性地匹配于相应的重熔阶段。柱状图示出熔滴信号出现频率的统计学上的分布，所述分布例如能够以熔滴短路的持续时间、形状和振幅来划分。在此，也能够在明显低于或高于常规熔滴短路闭环控制的区域的区域中检测短路。在特定的熔化情况中，熔滴短路信号在其相对于通常考虑到的信号的出现和特性方面彼此不同，并且能够实现更好和更快的闭环控制，其中在特定的熔化情况中能够进行熔滴率的选择和加权。在特定的融化状态中，例如出现比位于常规的检测区域中的熔滴出现频率明显更高的熔滴。通过考虑所述明显经常出现的熔滴种类和将闭环控制集中于出现的熔滴子区域上，能够实现更快的反应和改进的间距闭环控制。例如，能够在小的熔滴和大的熔滴之间进行区分，其中小的熔滴相当于短的、快速的电压下降，并且粗的熔滴相当于强的、长的电压降低。熔滴出现频率例如反映在根据小的和大的熔滴的熔滴率的统计学上的分布。在此，小的熔滴短路例如能够少于大的熔滴短路5倍至100倍，其中在所有可设想的测量区域中需要熔滴特性的精确的在测量技术上的检测。也出现能根据经验确定的所谓的熔滴雨，所述熔滴雨中能够提取在电极间距上的有价值的信息。在重熔过程的每个阶段中，所述信息以不规则的时间间隔出现，例如每分钟出现一次，并且高出现频率地进行，以至于常规间距闭环控制法大多数时候被忽略。在此，不同的熔滴种类描述不同的物理过程，例如大的熔滴描述大约1cm3的大量电极材料，并且经过较长的时间段的大量小的熔滴描述通过电极材料的熔滴雨引起的持续的重熔。电弧产生与特定熔滴种类相关联的、类似于熔滴符号的电压符号。在熔滴变化时，尤其从大的熔滴变为小的熔滴时值得注意的是，即熔滴的出现频率与大小成比例地变化，其中滴下的材料表现为近似恒定的。

与使用具有用于识别熔滴短路的恒定的阈值级的施密特触发器——阈值控制器的常规控制法相反地，能够使用适应性的阈值级和能根据不同的熔滴特性设定的闭环控制法。在此，能够利用在不同物理过程的出现和不同熔滴符号的出现之间的相互关系，能够使根据熔化情况确定的符号与其他符号相比更好地利用于间距闭环控制，因为分别相符的物理过程表现出用于电极间距的更好的度量。为此，能够动态地选择熔滴柱状图的用于闭环控制所观察的区域。多个柱状图区域也能够同时被检测，并且共同地用于闭环控制——必要时加权地——被观察，或从多个区域中确定附加信息，以便改进闭环控制。

根据一个有利的改进方案，为了选择表示特征的子区域能够将优选相关于重熔过程的阶段的加权功能应用于不同的子区域，并且根据最大加权的表示特征的子区域来选择能预先确定的闭环控制特性、尤其是相应的闭环控制增强和相应的控制器特性，由此，电极间距的闭环控制基于所选择的控制器特性依据能与表示特征的子区域相关联的熔滴短路来进行。这样，在选择表示特征的子区域之后，不同的闭环控制参数、尤其是闭环控制增强、闭环特性(积分的、成比例的或微分的闭环控制特性)能够与所述子区域相关联。这样，根据每个标准，划分为不同的子区域并且一组特定的闭环控制参数又能够与每个子区域相关联。这样，小的高频的熔滴短路能够需要更快的闭环控制特性和例如积分的控制器特性，而慢的大的熔滴短路能够引起成比例闭环控制。因此，能够根据重熔过程的类型、程度和阶段达到闭环控制特性的改进的精确调节。

根据一个有利的改进方案，熔滴短路标准能够包括至少一个振幅下降值、短路出现频率、短路持续时间、熔滴时间间隔或振幅形状，其中标准参数能够被划分为至少两个子区域。这样，DC供给电压的电压下降能够被应用为熔滴短路标准。在此，例如能够在0伏特至2伏特的小的电压下降和2伏特至10伏特的大的电压下降之间进行区分。此外，熔滴短路的出现频率或频率能够考虑作为标准，并且例如能够在<0.1ms的快的滴落和在0.1ms至20ms的慢的滴落之间进行区分。最后，能够观察短路出现频率，也就是说，能够是在能预先确定的持续时间内、尤其在重熔过程的明显小于特定的阶段的持续时间内发生的熔滴短路的数量。与短路出现频率相关联地，能够考虑熔滴彼此间的时间间隔或一个短路标准的熔滴相对于另一短路标准的熔滴的间隔，例如短的和长的熔滴短路之间的出现频率。最后，通过观察电压下降和/或电流下降的形式，能够描述短路的振幅形状的特性，并且能够在尖锐的、大幅倾斜的短路和缓慢上升的或缓慢下降的短路之间进行区分。由此，能够构造多维的柱状图，其中二维或多维的熔滴短路区域能够选作表示特征的标准区域。所述柱状图能够以图形的形式——必要时多维地——示出，并且能够给予操作者关于电极间距以及关于重熔过程的质量的有价值的基准点。

根据本发明的一个有利的改进方案，柱状图能够描述至少两个熔滴短路标准，以至于子区域是二维的或多维的子区域。因此，柱状图能够考虑到多于唯一一个短路标准、例如两个或多个标准，并且表示用于选择熔滴短路标准的多维的选择区。这样，振幅下降值、短路出现频率以及短路持续时间例如能够考虑作为标准，并且能够在强的和弱的短路、持续长的和持续短的短路以及大量的和少量的短路之间进行区分，因此基于其能够考虑至少八个不同的用于闭环控制电极间距的闭环控制区域。表示特征的子区域例如能够通过在重熔过程期间经验值事先确定或者通过显著性标准、例如在子区域中出现的短路的数量提高或者与观察的标准相符的显著的短路的出现来选择。在此，唯一的表示特征的子区域能够在开始前或在出现第一熔滴短路时确定，并且在整个重熔过程期间观察所述子区域。二维的短路标准能够非常简单地近似三维地示出，并且示出能快速检测的、关于重熔过程的质量和阶段的复杂的信息。

然而，根据一个有利改进方案，在重熔过程的开始时或能预先确定的阶段中能够重新选择表示特征的子区域，其中优选地，相关于子区域的闭环控制仅在重熔过程的特定阶段中进行。这样，在电极接近熔化坩埚时首先不能实现基于熔滴短路的闭环控制，在重熔过程开始后才实现基于大的熔滴的短路闭环控制并且在例如重熔过程的开始的阶段后才实现相关于高频率的熔滴转换或其他特性。在此，新的子区域能够根据各个熔滴短路率的出现的显著性来选择。

被记录的熔滴短路的柱状图形成闭环控制法的基础，并且根据一个有利的改进方案，能够在重熔过程的至少一个阶段期间重复，尤其持续地重新创建，其中至少在重新创建的柱状图的子区域的相对于至今的柱状图具有能预先设定的偏差时，能够重新选择表示特征的子区域。这样，能够预先给出用于重熔过程的第一阶段的柱状图，并且在柱状图中进行出现的短路的划分。如果出现增加的其他短路种类，那么柱状图的划分或在柱状图中考虑到的标准的数量也能够适应性地改变，并且创建新的另一种柱状图，基于其进行另一闭环控制。这能够至少在重熔过程的阶段内进行，然而尤其持续地检查，是否至今的柱状图划分和柱状图的特性结构最佳地反映了给出的重熔过程，或是否应考虑新的标准。

如果将电压振幅下降值考虑作为熔滴短路标准，那么有利的是，检测在1mV至15伏特的、优选5mV至6伏特的、尤其1V至3伏特的范围中电压振幅下降值。>2伏特的大的电压振幅下降值表明大量电极材料的剥离或短路桥的形成。在低于3V、通常低于1V和有时<5mV的范围中的非常小的下降表明掉落的电极熔滴，所述电极熔滴优选应当用于在重熔阶段的中间进程的电极间距闭环控制。通过选择尽可能大的电压振幅下降值范围能够非常准确地进行基于电压下降的闭环控制，并且柱状图被划分为至少两个、尤其多个子区域。短路持续时间也能够考虑作为熔滴短路标准。

根据一个有利的改进方案适合于在0.3μs至300ms的、优选3μs至30ms的、尤其10μs至70μs的范围中检测短路持续时间。通过在微秒至毫秒范围中检测尤其短的短路持续时间，能够通过观察超短的熔滴短路实现极其准确的电极间距闭环控制，其中在重熔过程的所有阶段中能够达到电极间距闭环控制的准确性的提高。这样，熔滴类型特征以及“小的熔滴”率的测量技术上的分离在几乎所有熔化阶段中是有利的。

作为潜在的熔滴短路标准能够考虑熔滴短路的振幅形状，所述振幅形状例如能够在出现短路时从电压下降和/或电流下降的时间曲线分布中推导出的振幅形状。在此有利地适用于通过多刻度图、尤其是通过熔滴短路信号的小波变换来描述，其中多刻度图能够用作振幅形状标准。多刻度分析是借助于离散的小波描述的形状近似算法，其中互为正交的刻度函数能够被考虑用于分析函数的近似算法。通过考虑任意多个刻度函数能够达到持续改善的描述，其中分析函数能够通过有限数量的刻度函数近似计算。通过添加其他的刻度函数，使产生的错误整体地下降到更微小的刻度。振幅形状的通过多刻度图的描述能够实现紧凑的、能快速创建和比较的数字示图，以至于能够实现基于出现的振幅形状特性的简单的闭环控制。

通常，重熔过程在相关于供电网的非常易受干扰的环境中发生，其中许多高电流的负载造成在供电网中的扰动，并且电源电压由于邻近干扰的电负载被强烈污染。以极其易受干扰的电源电压为出发点，所述供电网电压也影响重熔电压并且因此影响基于重熔电压或重熔电流的熔滴短路的探测。通过适当的过滤措施，能够滤掉电网的干扰，以至于在探测熔滴信号时能够考虑供电网干扰，以便得到改进的质量的短路熔滴信号。借助于所述改进建议，例如能够通过电网干扰过滤器将电网侧的干扰从熔滴信号中滤掉，例如有规律地出现的干扰通过数字的或模拟的措施被滤掉，以至于仅须将在供电电压中或出现的电极电流中的由于熔滴短路产生的干扰相对于熔滴短路的出现来进行分析。由此，能够实现熔滴短路的准确探测进而实现改进的闭环控制。例如，能够使用基于相对于电网周期的电网干扰的阶段相互关系的过滤器，以便滤掉周期性出现的干扰。

在并列的方面，本发明提出一种用于闭环控制在真空电弧炉中的电极间距的设备，其中包括用于探测熔滴短路的熔滴短路探测设备和用于闭环控制熔化电极相对于熔化物表面的电极间距的电极间距闭环控制装置，其中闭环控制装置根据探测到的熔滴短路来闭环控制电极间距。所述设备此外包括用于在柱状图中根据至少一个能预先限定的熔滴短路标准来分配短路的熔滴短路柱状图装置和用于从熔滴短路柱状图中选择具有特性的子区域的子区域选择装置，其中所述闭环控制装置能够相关于能与表示特征的子区域相关联的熔滴短路来进行闭环控制。因此，本发明以本身已知的、基于探测的熔滴短路来闭环控制电极间距的闭环控制设备为出发点。熔滴短路柱状图装置根据能预先确定的或能自由选择的熔滴短路标准来进行熔滴短路的划分，并且将所述熔滴短路根据标准划分为一维的或多维的柱状图，其中每个标准能够至少被划分为两个子区域。为了闭环控制电极间距，子区域选择装置进行柱状图的子区域的选择，其中闭环控制装置执行基于选择的子区域的闭环控制。根据本发明的闭环控制设备适合于实现一种根据前述实施例之一的方法，并且在柱状图中表示出现的短路，其中能够基于柱状图的子区域闭环控制电极间距。原则上，存在的闭环控制设备能够通过在柱状图装置方面和选择装置方面的扩展而扩展或改装为根据本发明的闭环控制设备。

根据闭环控制设备的一个有利的改进方案，子区域选择装置能够包括用于限定柱状图的熔滴短路子区域的子区域限定单元和用于对柱状图的子区域加权的加权功能单元，以至于最重地被加权的子区域能够被选作表示特征的子区域。因此，子区域选择装置包括能够将相应的标准划分为子区域的子区域限定单元，其中所述划分能够根据重熔阶段不同地选择。此外，加权功能单元对各个子区域进行加权，以至于例如在一定的重熔阶段中或在重熔过程开始或结束时，不同的特征能够比其他的特征更重地被加权，以至于能够进行在所述子区域和标准方面加强的闭环控制。通过选择装置的在变化的限定单元和加权功能单元方面的扩展，能够达到闭环控制法的改善的准确性。

原则上，控制器能够基于选择的柱状图子区域进行具有恒定的闭环控制参数和闭环控制特性的闭环控制。在此，例如适用P、I、D、PI、PT、PID或其他种类的控制器，能够固定地预先给出所述控制器的闭环控制增强系数：成比例部分、应答时间、微分特性和积分特性。根据突出的实施例，设备能够包括闭环控制参数选择装置，所述闭环控制参数选择装置基于表示特征的子区域选择一组尤其是闭环控制增强和闭环控制特性的闭环控制参数并且能够分派给闭环控制装置。因此，例如动态地或预先给定地，柱状图的每个子区域能够与一组闭环控制参数和闭环控制特性相关联，并且在将所述子区域选作表示特征的控制子区域时，借助于预先确定的或能选择的闭环控制参数调节控制器，以至于能够使用基于不同熔滴短路的不同种类的闭环控制特性。例如，在基于短的、快的熔滴的闭环控制中，选择高的P部分和低的积分部分，而基于慢的、大的短路熔滴能够将闭环控制特性的低的P部分和高的I部分作为基础。由此，尤其能够在选择改变的柱状图子区域时，调节另一类的闭环控制特性，以至于能够在不同的重熔阶段中达到改进的闭环控制。

在重熔工作中的电网供电通常是具有干扰的并且受到周围的高电流的和快速切换的电负载的影响。所述干扰表现在电极电压和出现的电极电流的直流电压供电。为了改善的熔滴短路探测，所述设备能够有利地包括在熔滴短路探测时能够抑制供电网的出现的干扰的电网电压过滤单元。所述电网电压过滤单元例如能够确定周围的负载的电网电压和出现的电网电流，并且所述电网电压过滤单元能够算出熔滴短路信号或消除周期性出现的干扰，因为所述干扰不在统计学上如出现的短路电流一样无规律地分布。通过滤掉电网干扰能够确定实际的熔滴短路的改进的且更准确的探测，并且由此达到电极间距的提高的质量。

原则上，可设想的是，在重熔方法中、尤其在重熔新的材料或改变的设备部件投入使用时惯性地执行一次或多次根据本发明的适配的闭环控制方法，记录所选择的闭环控制特性并且在其他的重熔过程中，在确定性的“固定不变”的闭环控制顺序的范围中应用记下的闭环控制特性。由此，根据本发明的方法能够实现为用于预先给出固定不变的闭环控制流程的“示教”(Teach-In)，因此能够发现理想的控制器特性，以至于随后，固定不变的闭环控制程序保证了重熔产品的确定可达到的质量性质。

附图说明

本发明的其他优点在当前的附图说明中得到。在附图中示出本发明的实施例。附图、说明书和权利要求包含组合形式的大量特征。本领域技术人员也适当地单独考虑所述特征，以用于概括有意义的其他组合。附图示出：

图1示出真空电弧炉的示意图；

图2示出在真空电弧重熔法中出现的缺陷；

图3示出现有技术的电弧间距闭环控制设备；

图4示出具有出现的熔滴短路的电压信号；

图5示出在不同的时间刻度中的熔滴短路信号；

图6示出出现的短路的柱状图；

图7示出根据本发明的电极间距闭环控制法的流程图；以及

图8示出根据本发明的电极间距闭环控制设备的实施例。

在附图中，相同的或相同种类的组件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意地示出真空电弧炉10的结构。电弧炉10基本上包括水冷的炉膛22，其中容纳有熔化物32。高度可变的电极30能够借助于电极进给杆20和电极驱动设备12竖直地浸入到熔化物中，或被向上牵引。借助于X-Y定向设备26，能够将电极30的水平位置在水冷的炉膛22中定向。传感器设备28能够确定水平的和竖直的电极位置。以及检测驱动速度。水冷的炉膛22借助于产生真空设备24置于真空或低压下，以至于在没有环境污染的情况下能够通过周围环境将电极材料熔化为熔化物32。电极借助于馈电线18通过供电设备16通电，其中在电极端部上通过形成火花将电流传输到熔化物32中，并且从那里流回到供电设备16中。电极间距闭环控制设备控制驱动设备12的位置和竖直的进给速度，使得能够进行尽可能均匀的熔化过程。用于基于熔滴短路的闭环控制的前提是可靠地识别熔滴短路。与电弧电压重叠的脉冲式的短路能够借助于过滤器和触发器组合与供电电极电压分离。

图2示出由现有技术中已知的电极间距闭环控制设备，其中图1中示出的真空电弧炉通过传感器和执行器组装件与闭环控制设备连接。借助于传感器、例如电流和/或电压测量仪器、机械行程探测器等等记录重熔速率、熔滴率探测和电极位置，并且经由数据总线转发给用于电极进给的伺服控制器上。此外，将所述数据传输给执行电极进给闭环控制以及实时重熔闭环控制和例如炉膛22的冷却闭环控制的重熔闭环控制装置。最后，将数据传输给在重熔方法中例如控制炉温、真空和其他影响参数的炉和真空闭环控制装置。此外，数据总线经由I/O界面接收控制数据并将其发送给执行器以用于保持用于真空电弧重熔过程的真空、炉温、电极前进和其他调节参数。重熔闭环控制装置和炉和真空闭环控制装置经由内部网络与使用者控制台连接，所述使用者控制台包括存储器外围设备、数据服务器和记录装置，并且包含用于监控重熔过程的监控装置，借助于所述监控装置，能够向在内部网络或外部网络中的使用者例如远程控制地报告关于重熔方法的状态，能够记录参数，以及能够与系统中的其他参数相匹配。

在图3中示出典型的、能够在重熔方法中出现的材料缺陷。在图3中示出电极30的电极端部，所述电极端部通过相对于熔化物形成电弧而液化，其中各材料熔滴掉落到熔化物中，并且因而执行电极材料的重熔方法。在此，在电极内部的次级缩孔同样被重熔，并且其中包含的杂质转运到熔化物中。在电极端部的最外边缘上形成所谓的唇部或环部，其中存在的危险是，部件下落和产生潜在的离散的白点。此外，在熔化物的外边缘上相对于炉壁形成称为冠状部的喷射环，其中当在电极和喷射环之间的电极引导不准确时，产生短路的危险。所述喷射环包含不易挥发的氧化物和氮化物。在冷却熔化物时，产生相对于炉膛的收缩缝，以至于凝固的熔化物能够被轻易地从炉膛中移除。在固化过程期间，在液态的熔化物的两相区域中能够形成白点，所述白点能够是枝状的自然状态。不准确的电极引导促使产生这样的白点，在电极上的唇部能够增大以及熔化物的喷射环能够造成危险的短路和材料折断。由于这种原因，需要高准确性的电极间距闭环控制。

图4示出在两分钟的时间期间的重熔方法进程中电极电压的典型的电压曲线分布。在图4a中示出大量较小的有规律地出现的熔滴短路，其中各个大的熔滴短路信号80表明大的电极块的掉落。图4b示出高准确性的电极间距闭环控制的结果，其中中等尺寸的熔滴从电极掉落到熔化物中，并且出现电极短路的均匀分布。在图4c中确定非常小的熔滴短路的数量，如其在电极和熔化物表面之间的间距非常小时所期望。然而，没有出现长时间持续的高的短路，以至于得出精确的电极间距闭环控制，并且表明均匀的重熔过程。

图5示出受强烈干扰的电极信号，其中出现大量不同种类的短路、尤其是强化的、表明电极的大的材料块掉落的熔滴短路80。图5b示出在图5a中示出的熔滴短路信号82的部分A，其中除了显著的熔滴短路振幅以外出现大量小的熔滴短路，以至于相关于小的熔滴短路的闭环控制能够实现明显更准确的电极间距闭环控制。

在图6中示出根据两个熔滴短路标准的出现的熔滴短路的柱状图，一方面示出振幅下降值ΔV，另一方面以对数刻度示出短路持续时间Δt。在z方向上记下熔滴短路的数量n。在此，两个表示特征的子区域72标记为黑色，其中在子区域72中当振幅下降值恒定时仅记录少量表示特征的熔滴短路。在小的振幅下降值的二维的表示特征的子区域72中和在非常短的熔滴短路持续时间的范围中，也就是说小的高频率的熔滴短路，能够识别出熔滴短路的显著的面，所述面由于其均匀分布而极其适合于电极间距的闭环控制。闭环控制能够被取消，使得尝试将在所述子区域中出现的熔滴短路的数量尽可能保持恒定。由此，能够保证均匀的熔滴方法。柱状图能够通过不同的图形方式简单地为使用者示出，并且能够考虑到用于重熔过程的文件汇编以及用于质量控制。

在图7中示意地示出根据本发明的电极间距闭环控制方法的实施例。在此，在步骤S1中确定表示特征的熔滴短路子区域，并且因此限定待考虑的熔滴短路标准以及待考虑的子区域。在步骤S2中，进行基于短路率分布的表示特征的子区域的电极间距闭环控制，在此尝试保持在子区域中出现的短路恒定或根据预先给出的短路标准保持在子区域中出现的短路。在所述子区域中短路的增加或减少能够造成电极间距增加或减少。在电极间距闭环控制的范围内，在步骤S3中探测熔滴短路并且在步骤S4中建立柱状图。所述柱状图能够连续地或以特定的间隔重新建立，其中在步骤S5中进行对柱状图的子区域的加权，所述加权例如能够相关于熔化阶段、电极长度或使用的电流强度或电极电压。也能够考虑过程参数，例如材料种类、炉温或其他外部参数。在柱状图的加权后，在步骤S6中选择表示特征的子区域，并且在步骤S7中将其进行比较：表示特征的子区域是否改变。如果是这种情况，在步骤S7-1中选择用于在步骤S2中的电极间距控制器的新的控制参数。如果不是这种情况，检查是否熔化过程终止，并且如果不是，则在步骤S2中基于至今为止的子区域继续使用电极间距。如果电极重熔过程终止，方法终止并且从炉膛中撤回已熔化的电极。

最后，图8示出本发明的闭环控制设备的实施例。邻近于电机驱动设备12在炉膛22的下部区域上以及在电极30上连接有重熔供电设备16的馈电线18的端子。重熔供电设备16产生几千安培强电流以用于将电极30重熔为熔化物32，其中真空产生设备34保持炉腔22内部的真空或低压环境。电极驱动设备12竖直地移动附属有电机30的进给杆20，以至于保持到熔化物32的表面的尽可能相同的间距，以便达到电极材料的均匀的重熔。为了确定电极间距，借助于熔滴短路传感器60，在此情况下借助于电压测量设备，来监视电极30的被施加的电压，其中电压下降被视为熔滴短路，所述熔滴短路能够借助于熔滴短路率探测装置44识别。熔滴短路率探测装置44包括电网电压过滤单元58，所述电网电压过滤单元监视由供电网42提供的供电电压，并且将供电电压的干扰从馈电线18的接收的信号中滤掉。从经过滤的电流信号或电压信号中能够以高的准确性探测熔滴短路，并且在熔滴短路柱状图装置48中以柱状图示出。基于根据一个或多个熔滴短路特征的熔滴短路的分布，能够通过包括子区域限定单元52和加权功能54在内的子区域选择装置50对柱状图的之前用子区域限定单元52限定的子区域进行加权。基于被加权的子区域，闭环控制参数选择装置56选择闭环控制参数，例如闭环控制装置46的线性放大P、积分常数I或死时间T，并且将这些参数分派给闭环控制装置46。闭环控制装置46控制驱动设备12，使得在表示特征的子区域中熔滴短路的出现能够是恒定的或能够根据能预先选择的给定值进行匹配。由此，能够达到电极30的相对于熔化物32的表面的改进的间距闭环控制。

本发明的目的是，闭环控制通过液态的金属熔滴从电极的掉落来检查的熔滴信号速率、也就是说熔化电压波动，使得能够观察不同的熔滴短路信号并且根据适用性考虑将其用于电极间距闭环控制。在现有技术中，借助于进行恒定的阈值检测并且与不同的测量区域和熔滴短路特征无关地基于统计学上的标准进行闭环控制的施密特触发器来检测熔滴信号。例如，常规的电极间距控制器仅能够测量，熔化电压以特定的值下降几次，其中一般观察从4伏特至10伏特的大的范围。在特定的熔化情况中，尤其在高的熔化电流下出现在传统检测范围中不被考虑的扩展的测量范围中的熔滴。

本发明示出相关于例如持续时间、形状和振幅的熔滴信号出现频率的统计学上的分布，并且由此示出柱状图，其中选择一个或多个适合的区域，基于所述区域进行电极间距闭环控制。在此，加权功能能够对柱状图的各个区域不同地进行加权，其中所述加权功能能够相关于熔化状态和柱状图种类。在此，能够观察至今为止无法得到的和不考虑的熔滴短路信息，例如1μs至10μs的时间范围或10mV至4伏特的电压下降。熔滴短路信号在特定熔化情况中，根据熔化材料或真空或温度范围，明显彼此不同，其中至今为止不考虑的熔滴短路信号能够实现更好和更快的闭环控制。通过根据柱状图的子区域对不同的熔滴短路率进行选择和加权并且在考虑快速的和短的信号的情况下，能够在特定的熔化情况中实现改进的电极间距闭环控制。

Claims (23)

1.用于闭环控制真空电弧炉(10)中的电极间距的方法，其中根据熔滴短路率闭环控制熔化电极的相对于熔化物的表面的电极间距，

其特征在于，

基于至少一个熔滴短路标准(76)建立探测到的熔滴短路(80)的柱状图(70)，将所述柱状图(70)划分为子区域(72)，为了闭环控制目的选择所述柱状图(70)的表示特征的子区域(74)，并且基于能与所选择的子区域(74)相关联的所述熔滴短路(80)闭环控制电极间距。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

为了选择表示特征的子区域(74)，将加权功能应用到不同的所述子区域(72)上，并且根据最大加权的所述表示特征的子区域(74)选择能预先确定的控制器特性，由此基于所选择的控制器特性根据能与所述表示特征的子区域(74)相关联的熔滴短路(80)实现所述电极间距的闭环控制。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

为了选择表示特征的子区域(74)，依据重熔过程的阶段，将加权功能应用到不同的所述子区域(72)上，并且根据最大加权的所述表示特征的子区域(74)选择相应的闭环控制增强和相应的控制器特性。

4.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述熔滴短路标准(76)包括至少一个振幅下降值、短路出现频率、短路持续时间、熔滴时间间隔或振幅形状，其中标准参数被划分为至少两个子区域(72)。

5.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述柱状图(70)示出至少两个熔滴短路标准(76)，以至于子区域(72)是二维子区域或多维子区域(72)。

6.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在开始时或在重熔过程的能预先确定的阶段中重新选择表示特征的子区域(74)。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

仅在所述重熔过程的特定阶段中进行相关于子区域的闭环控制。

8.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在重熔过程的至少一个阶段期间，重复所述柱状图(70)，并且至少在重新建立的柱状图(70)的子区域(72)相对于至今为止的柱状图(70)具有能预先设定的偏差时，重新选择表示特征的子区域(74)。

9.根据权利要求8所述的方法，

其特征在于，

在重熔过程的至少一个阶段期间，持续地重新建立所述柱状图。

10.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

在1mV至15伏特的范围中检测电压振幅下降值作为熔滴短路标准(76)。

11.根据权利要求10所述的方法，

其特征在于，

在5mV至6伏特的范围中检测电压振幅下降值作为熔滴短路标准(76)。

12.根据权利要求11所述的方法，

其特征在于，

在1伏特至3伏特的范围中检测电压振幅下降值作为熔滴短路标准(76)。

13.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

在0.3μs至300ms的范围中检测短路持续时间作为熔滴短路标准(76)。

14.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，

在3μs至30ms的范围中检测短路持续时间作为熔滴短路标准(76)。

15.根据权利要求14所述的方法，

其特征在于，

在10μs至70μs的范围中检测短路持续时间作为熔滴短路标准(76)。

16.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

廓型振幅形状通过熔滴短路信号(82)的多刻度图来描述，其中所述多刻度图用作振幅形状标准。

17.根据权利要求16所述的方法，

其特征在于，

廓型振幅形状通过所述熔滴短路信号的小波变换来描述。

18.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在探测所述熔滴短路(80)时考虑供电网的干扰。

19.用于闭环控制在真空电弧炉(10)中的电极间距的设备(40)，所述设备包括用于探测熔滴短路(80)的熔滴短路探测装置(44)和用于闭环控制熔化电极(30)的相对于熔化物(32)的表面的电极间距的电极间距闭环控制装置(46)，其中所述闭环控制装置(46)根据探测到的所述熔滴短路(80)闭环控制所述电极间距，

其特征在于，

包括用于在柱状图(70)中根据至少一个能预先限定的熔滴短路标准(76)来分配短路的熔滴短路柱状图装置(48)和用于从熔滴短路柱状图(70)中选择表示特征的子区域(74)的子区域选择装置(50)，其中所述闭环控制装置(46)能够相关于能与所述表示特征的子区域(74)相关联的熔滴短路(80)进行闭环控制。

20.根据权利要求19所述的设备，

其特征在于，

所述子区域选择装置(50)包括用于限定所述柱状图(70)的熔滴短路子区域(72)的子区域限定单元(52)和用于对所述柱状图(70)的子区域(72)进行加权的加权功能单元(54)，以至于能够将最大加权的子区域(72)选择为表示特征的子区域(74)。

21.根据权利要求19或20所述的设备，

其特征在于，

所述设备包括闭环控制参数选择装置(56)，所述闭环控制参数选择装置基于所述表示特征的子区域(74)选择一组闭环控制参数，并且分派给所述闭环控制装置(46)。

22.根据权利要求21所述的设备，

其特征在于，

所述闭环控制参数选择装置基于所述表示特征的子区域(74)选择闭环控制增强和闭环控制特性，并且分派给所述闭环控制装置(46)。

23.根据权利要求19所述的设备，

其特征在于，

所述熔滴短路探测装置(44)包括电网电压过滤单元(58)，所述电网电压过滤单元能够抑制在熔滴短路探测时供电网(42)的干扰。