CN111089484A - 一种等离子冷床凝壳炉的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有色金属熔炼装备技术领域，涉及一种等离子冷床凝壳炉的控制系统及控制方法，所述控制系统包括，网络端口，网络端口通过工业以太网分别连接有工控机、控制器、若干等离子电源及若干驱动控制系统；通过本系统的结构布局设计，使得等离子冷床凝壳炉在接近大气压的惰性气氛下工作，通过该控制系统能够控制等离子冷场熔炼的送料、熔炼、精炼、结晶托锭过程，通过精准控制合金的化学成分，有效地防止Al、Sn、Mn、Cr等高挥发性元素的挥发，实现对高合金化和复杂合金化钛合金元素含量的精确控制，从而有效去除高低密度夹杂的铸锭，获得组织均匀的铸锭。

Description

一种等离子冷床凝壳炉的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于有色金属熔炼装备技术领域，涉及一种等离子冷床凝壳炉的控制系统及控制方法。

背景技术

在钛及钛合金的大规模工业冶炼中，电弧炉和冷床炉是生产高质量铸锭的必备设备。熔炼过程中电弧炉的输入功率与熔化和凝固速度相互耦合：输入功率小时熔池浅且不到边；输入功率大时会出现很深的熔池，沉入熔池底部的高密度夹杂物去除效果差，从熔池中心到坩埚壁有较大的温度梯度时，铸锭存在径向凝固差异大，铸锭的枝状结晶明显。因此电子束冷床炉必须在高真空条件下熔炼，而熔炼含高挥发性元素的钛合金就比较困难，合金的化学成分无法精确控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种等离子冷床凝壳炉的控制系统及控制方法，能够控制等离子冷场熔炼的送料、熔炼、精炼及结晶拖锭过程，从而获得组织均匀的铸锭。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一方面，本发明提供了一种等离子冷床凝壳炉的控制系统，包括系统本体，所述系统本体包括：向系统管理层传输数据的网络端口，所述网络端口通过工业以太网分别连接有工控机、控制器、若干等离子电源及若干驱动控制系统，

所述等离子电源包括，第一等离子电源、第二等离子电源、第三等离子电源，所述第一等离子电源与熔炼等离子炬连接，所述第二等离子电源与精炼等离子炬连接，所述第三等离子电源与结晶控制等离子枪连接，所述控制器连接有熔炼辅助系统；

所述驱动控制系统包括，控制炉室内送料装置的送料驱动控制系统、控制熔炼冷床倾斜角度的第一驱动控制系统、控制精炼冷床倾斜角度的第二驱动控制系统、控制拖锭系统的第三驱动控制系统、控制熔炼等离子炬进给的第四驱动控制系统、控制熔炼等离子炬角度的第五驱动控制系统、控制精炼等离子炬进给的第六驱动控制系统、控制精炼等离子炬摆动的第七驱动控制系统，控制结晶控制等离子枪进给的第八驱动控制系统。

进一步，所述熔炼辅助系统包括冷却系统、炉室真空系统、进料室真空机组、进料室及送料装置，所述进料室真空机组与进料室相连通，所述冷却系统、炉室真空系统均与炉室相连通。

进一步，所述第七驱动控制系统采用双轴驱动控制系统。

进一步，所述熔炼等离子炬、精炼等离子炬和结晶控制等离子枪的起弧方式均采用转移弧起弧。

进一步，所述熔炼等离子炬、精炼等离子炬、结晶控制等离子枪均可升降，且具有向周围四个方向调节的倾角。

进一步，所述熔炼等离子炬、精炼等离子炬的输入功率及送料装置的送料速度由对应的等离子电源及控制器调节。

进一步，所述等离子冷床凝壳炉包括炉室，所述炉室与熔炼室真空系统、冷却系统、充氩系统相连；

所述炉室的右侧为进料室，所述进料室内设有装料用的进料门；所述进料室与进料室真空机组相连通，所述进料室与炉室设有闸板阀，送料装置由闸板阀分进料室段送料装置和炉室段送料装置；

在炉室段送料装置的出料侧的下方设有熔炼冷床，所述熔炼冷床上方的炉体上设有熔炼等离子炬；所述熔炼冷床的溢出侧与精炼冷床相连，所述精炼冷床上方的炉体上设有精炼等离子炬；

所述精炼冷床的溢流侧与铸锭结晶器相连，所述铸锭结晶器的下方设有拖锭系统，所述铸锭结晶器上方的炉体上设有结晶控制等离子枪；所述结晶控制等离子枪前方的炉体上安装结晶凝固观察窗。

进一步，所述精炼冷床位于铸锭结晶器的右侧，且精炼冷床内熔融的金属液体溢流高于铸锭结晶器。

进一步，所述熔炼冷床可向精炼冷床倾斜，所述精炼冷床向铸锭结晶器倾斜。

另一方面，本发明还提供了一种等离子冷床凝壳炉的控制方法，具体包括如下步骤：

S1：向炉室内装入压制好的电极棒，启动炉室真空系统直至压升率满足要求；

S2：利用充氩系统向炉室充入氩气；

S3：熔炼等离子枪熔炼电极棒；

S4：精炼等离子枪熔炼经S3熔炼后的电极棒；

S5：结晶控制等离子枪对S4中的电极棒进行再次加热和搅拌，凝固后形成铸锭；

S6：拖锭系统按照计算的速度从铸锭结晶器中移出铸锭，得到去除高低密度夹杂的铸锭。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具体包括以下有益效果：通过本系统的结构布局设计，使得等离子冷床凝壳炉在接近大气压的惰性气氛下工作，通过该控制系统能够控制等离子冷场熔炼的送料、熔炼、精炼、结晶托锭过程，通过精准控制合金的化学成分，有效地防止Al、Sn、Mn、Cr等高挥发性元素的挥发，实现对高合金化和复杂合金化钛合金元素含量的精确控制，从而有效去除高低密度夹杂的铸锭，获得组织均匀的铸锭。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种等离子冷床凝壳炉的控制系统的连接框图；

图2为本发明提供的一种等离子冷床凝壳炉的结构示意图。

其中：1、冷却系统；2、炉室真空系统；3、拖锭系统；4、结晶控制等离子枪；5、精炼冷床；6、熔炼冷床；7、熔炼等离子炬；8、充氩系统；9、送料装置；10、闸板阀；11、进料室真空机组；12、进料室；13、进料门；14、系统本体；15、结晶凝固观察窗；16、精炼等离子炬；17、熔化观察窗；18、电极棒；19、铸锭结晶器；20、炉室；21、第一摄像观察系统；22、第二摄像观察系统；23、工业以太网；24、工控机；25、第一等离子电源；26、第二等离子电源；27、第三等离子电源；28、控制器；29、熔炼辅助系统；30、送料驱动控制系统；31、第一驱动控制系统；32、第二驱动控制系统；33、第三驱动控制系统；34、第四驱动控制系统；35、第五驱动控制系统；36、第六驱动控制系统；37、第七驱动控制系统；38、第八驱动控制系统；39、网络端口。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

参见图1所示，本发明提供了一种等离子冷床凝壳炉的控制系统，包括系统本体14，所述系统本体14包括：向系统管理层传输数据的网络端口39，网络端口39通过工业以太网23分别连接有工控机24、控制器28、若干等离子电源及若干驱动控制系统，

所述等离子电源包括，第一等离子电源25、第二等离子电源26、第三等离子电源27，第一等离子电源25与熔炼等离子炬7连接，第二等离子电源26与精炼等离子炬16连接，第三等离子电源27与结晶控制等离子枪4连接，控制器28连接有熔炼辅助系统29；

所述驱动控制系统包括，控制炉室内送料装置9的送料驱动控制系统30、控制熔炼冷床6倾斜角度的第一驱动控制系统31、控制精炼冷床5倾斜角度的第二驱动控制系统32、控制拖锭系统3的第三驱动控制系统33、控制熔炼等离子炬7进给的第四驱动控制系统34、控制熔炼等离子炬7角度的第五驱动控制系统35、控制精炼等离子炬16进给的第六驱动控制系统36、控制精炼等离子炬16摆动的第七驱动控制系统37，控制结晶控制等离子枪4进给的第八驱动控制系统38。

进一步，熔炼辅助系统29包括冷却系统1、炉室真空系统2、进料室真空机组11、进料室12及送料装置9，进料室真空机组11与进料室12相连通，冷却系统1、炉室真空系统2均与炉室20相连通。

进一步，第七驱动控制系统37采用双轴驱动控制系统。

进一步，熔炼等离子炬7、精炼等离子炬16和结晶控制等离子枪4的起弧方式均采用转移弧起弧。

进一步，熔炼等离子炬7、精炼等离子炬16、结晶控制等离子枪4均可升降，且具有向周围四个方向调节的倾角。

进一步，熔炼等离子炬7、精炼等离子炬16的输入功率及送料装置9的送料速度由对应的等离子电源及控制器28调节。

进一步，结合图2所示，等离子冷床凝壳炉包括炉室20，炉室20与熔炼室真空系统2、冷却系统1、充氩系统8相连；

炉室20的右侧为进料室12，进料室12内设有装料用的进料门13；进料室12与进料室真空机组11相连通，进料室12与炉室20设有闸板阀10，送料装置9由闸板阀10分进料室段送料装置和炉室段送料装置；

在炉室段送料装置的出料侧的下方设有熔炼冷床6，熔炼冷床6上方的炉体上设有熔炼等离子炬7；熔炼冷床6的溢出侧与精炼冷床5相连，精炼冷床5上方的炉体上设有精炼等离子炬16；

精炼冷床5的溢流侧与铸锭结晶器19相连，所述铸锭结晶器19的下方设有拖锭系统3，铸锭结晶器19上方的炉体上设有结晶控制等离子枪4；结晶控制等离子枪4前方的炉体上安装结晶凝固观察窗15。

进一步，精炼冷床5位于铸锭结晶器19的右侧，且精炼冷床5内熔融的金属液体溢流高于铸锭结晶器19。

进一步，熔炼冷床6可向精炼冷床5倾斜，精炼冷床5向铸锭结晶器19倾斜。

此外，本发明还提供了一种等离子冷床凝壳炉的控制方法，具体包括如下步骤：

S1：向炉室20内装入压制好的电极棒18，启动炉室真空系统2直至压升率满足要求；

S2：利用充氩系统8向炉室20充入氩气；

S3：熔炼等离子枪熔炼电极棒18；

S4：精炼等离子枪熔炼经S3熔炼后的电极棒18；

S5：结晶控制等离子枪4对S4中的电极棒18进行再次加热和搅拌，凝固后形成铸锭；

S6：拖锭系统3按照计算的速度从铸锭结晶器19中移出铸锭，得到去除高低密度夹杂的铸锭。

综上，本发明提供的这种等离子冷床凝壳炉的控制系统，其具体的工作过程如下：

首先，把压制好的电极棒18装入炉室20的送料装置9和进料室12，操作人员用系统本体14的工控机24启动炉室真空系统2并开始抽真空，到真空后测量压升率：如果压升率满足要求，则充氩系统8在控制器28的控制下给炉室20充入氩气，氩气到压力后停止充气；

其次，熔炼等离子枪通过送料驱动控制系统30进给到棒料的端部起弧熔炼电极棒18，控制器28通过熔炼等离子炬7的第一等离子电源25增大熔炼电流，送料驱动控制系统30控制炉室内的送料装置9开始送料，电极棒18在等离子束的高温高能轰击熔化后在熔炼冷床6中形成熔池，操作人员通过第一摄像观察系统21观察到熔炼冷床6中熔融的金属液体足够多时操作第一驱动控制系统31控制熔炼冷床6的倾斜角度，熔融的金属液体经过槽口溢流进入精炼冷床5中；

然后，精炼等离子枪利用第六驱动控制系统36控制熔炼精炼等离子炬16的进给，使精炼等离子炬16接近熔池液面，起弧，控制器28通过精炼等离子炬16的第二等离子电源26增大熔炼电流，同时第四驱动控制系统34控制熔炼等离子炬7回退到设定位置，第七驱动控制系统37控制精炼等离子炬16的摆动，使熔融的金属液体在精炼冷床5均质合金化，高密度杂质下沉到底部；

最后，操作人员通过第一摄像观察系统21观察到精炼冷床5中熔融的金属液体足够多时操作第二驱动控制系统32控制精炼冷床5的倾斜角度，金属液体经过精炼冷床5的槽口溢流进入铸锭结晶器19中。在铸锭形成初期：在铸锭结晶器19的底部凝固，形成铸锭底部；随着流入的金属溶液增多，铸锭逐步升高在升高的过程中由于铸锭结晶器19的冷却作用，铸锭底部溶液的流动性变差，易形成冷隔缺陷，因此需要通过第二摄像系统22观察铸锭结晶器19内金属液面状况，第八驱动控制系统38驱动结晶控制等离子炬4进给到铸锭结晶器19内的金属液面附近，起弧加热流入的金属，控制器28控制结晶控制等离子炬4到液面的距离和第三等离子电源27输出电流，对金属溶液再次加热和搅拌，确保其适当流动，保持扁平熔池，避免铸锭缺陷。在铸锭形成的稳定期：控制器28通过结晶控制等离子炬4的第三等离子电源27输出需要的电流，保持铸锭结晶器19内铸锭高度及熔池状态；可通过第二摄像系统22观察，在工控机24上调整必要的参数。凝固后形成铸锭由第三驱动控制系统33控制拖锭系统3按工控机24和控制器28计算的速度从铸锭结晶器19中缓慢移出，最终得到去除高低密度夹杂的铸锭。把高密夹杂物沉淀到熔炼冷床6和精炼冷床5的凝壳中。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种等离子冷床凝壳炉的控制系统，包括系统本体(14)，其特征在于，所述系统本体(14)包括：向系统管理层传输数据的网络端口(39)，所述网络端口(39)通过工业以太网(23)分别连接有工控机(24)、控制器(28)、若干等离子电源及若干驱动控制系统，

所述等离子电源包括，第一等离子电源(25)、第二等离子电源(26)、第三等离子电源(27)，所述第一等离子电源(25)与熔炼等离子炬(7)连接，所述第二等离子电源(26)与精炼等离子炬(16)连接，所述第三等离子电源(27)与结晶控制等离子枪(4)连接，所述控制器(28)连接有熔炼辅助系统(29)；

所述驱动控制系统包括，控制炉室内送料装置(9)的送料驱动控制系统(30)、控制熔炼冷床(6)倾斜角度的第一驱动控制系统(31)、控制精炼冷床(5)倾斜角度的第二驱动控制系统(32)、控制拖锭系统(3)的第三驱动控制系统(33)、控制熔炼等离子炬(7)进给的第四驱动控制系统(34)、控制熔炼等离子炬(7)角度的第五驱动控制系统(35)、控制精炼等离子炬(16)进给的第六驱动控制系统(36)、控制精炼等离子炬(16)摆动的第七驱动控制系统(37)，控制结晶控制等离子枪(4)进给的第八驱动控制系统(38)。

2.根据权利要求1所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述熔炼辅助系统(29)包括冷却系统(1)、炉室真空系统(2)、进料室真空机组(11)、进料室(12)及送料装置(9)，所述进料室真空机组(11)与进料室(12)相连通，所述冷却系统(1)、炉室真空系统(2)均与炉室(20)相连通。

3.根据权利要求1所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述第七驱动控制系统(37)采用双轴驱动控制系统。

4.根据权利要求1所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述熔炼等离子炬(7)、精炼等离子炬(16)和结晶控制等离子枪(4)的起弧方式均采用转移弧起弧。

5.根据权利要求4所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述熔炼等离子炬(7)、精炼等离子炬(16)、结晶控制等离子枪(4)均可升降，且具有向周围四个方向调节的倾角。

6.根据权利要求1所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述熔炼等离子炬(7)、精炼等离子炬(16)的输入功率及送料装置(9)的送料速度由对应的等离子电源及控制器(28)调节。

7.根据权利要求1所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述等离子冷床凝壳炉包括炉室(20)，所述炉室(20)与熔炼室真空系统(2)、冷却系统(1)、充氩系统(8)相连；

所述炉室(20)的右侧为进料室(12)，所述进料室(12)内设有装料用的进料门(13)；所述进料室(12)与进料室真空机组(11)相连通，所述进料室(12)与炉室(20)设有闸板阀(10)，送料装置(9)由闸板阀(10)分进料室段送料装置和炉室段送料装置；

在炉室段送料装置的出料侧的下方设有熔炼冷床(6)，所述熔炼冷床(6)上方的炉体上设有熔炼等离子炬(7)；所述熔炼冷床(6)的溢出侧与精炼冷床(5)相连，所述精炼冷床(5)上方的炉体上设有精炼等离子炬(16)；

所述精炼冷床(5)的溢流侧与铸锭结晶器(19)相连，所述铸锭结晶器(19)的下方设有拖锭系统(3)，所述铸锭结晶器(19)上方的炉体上设有结晶控制等离子枪(4)；所述结晶控制等离子枪(4)前方的炉体上安装结晶凝固观察窗(15)。

8.根据权利要求7所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述精炼冷床(5)位于铸锭结晶器(19)的右侧，且精炼冷床(5)内熔融的金属液体溢流高于铸锭结晶器(19)。

9.根据权利要求7所述的等离子冷床凝壳炉的控制系统，其特征在于，所述熔炼冷床(6)可向精炼冷床(5)倾斜，所述精炼冷床(5)向铸锭结晶器(19)倾斜。

10.根据权利要求1-9任一项所述的等离子冷床凝壳炉的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1：向炉室(20)内装入压制好的电极棒(18)，启动炉室真空系统(2)直至压升率满足要求；

S2：利用充氩系统(8)向炉室(20)充入氩气；

S3：熔炼等离子枪熔炼电极棒(18)；

S4：精炼等离子枪熔炼经S3熔炼后的电极棒(18)；

S5：结晶控制等离子枪(4)对S4中的电极棒(18)进行再次加热和搅拌，凝固后形成铸锭；

S6：拖锭系统(3)按照计算的速度从铸锭结晶器(19)中移出铸锭，得到去除高低密度夹杂的铸锭。

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