CN111247259A - 用于真空电弧重熔系统的紧凑线圈组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于由电极形成铸锭的真空电弧重熔系统，该系统包括坩埚组件，其被配置为容纳电极和铸锭；电磁能量源，其围绕坩埚组件布置；以及提升机构，其可操作以沿着坩埚组件的纵向轴线移动电磁能量源。在重熔期间，由电磁能量源产生的磁场局限于电弧区，以及在一种形式中，电磁能量源是具有磁芯和围绕磁芯缠绕的多个线圈对的线圈组件，其中，线圈组件可操作以基于在多个线圈对中流动的电流从线圈产生磁场。

Description

用于真空电弧重熔系统的紧凑线圈组件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月17日提交的美国临时申请号62/573,229的优先权和权益。上述申请的公开内容在此通过引用而并入本文。

技术领域

本公开涉及一种真空电弧重熔系统。

背景技术

本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，而可能不构成现有技术。

真空电弧重熔(VAR)工艺通常用于加工高性能钛、锆、镍基合金和钢以及其它合金。通常，VAR系统通过电流逐渐熔化电极，该电流流过电极并形成电弧到容纳在坩埚内的熔融金属。在该过程中改变所施加的熔化电流，以获得所需的熔融金属池几何形状。有时，电弧可使金属珠溅射到熔融金属上方的坩埚壁的一部分上。这些部分是冷的，以及可将珠凝固成多孔的非均质块，这可在铸锭中引起表面不规则性。本公开解决了与VAR铸锭表面质量和内部质量相关的问题以及其它问题。

发明内容

本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

在本公开的一种形式中，提供了一种用于由电极形成铸锭的真空电弧重熔系统。该系统包括坩埚组件，其被配置为容纳电极和铸锭；电磁能量源，其围绕坩埚组件布置；以及提升机构，其可操作以沿着坩埚组件的纵向轴线移动电磁能量源。在该系统中，在重熔期间由电磁能量源产生的磁场局限于电弧区。在本公开的一些方面中，电磁能量源是线圈组件，该线圈组件包括磁芯和围绕该磁芯缠绕的多个线圈对。线圈组件可操作以基于在多个线圈对中流动的电流从线圈产生磁场。在本公开的一些方面中，磁芯由磁导率铁磁材料制成。此外，在本公开的一个方面中，线圈组件包括三个线圈对。在这种方面中，三个线圈对中的每一个中的电流可以是120°异相的。

在本公开的一些方面，该系统还包括控制系统，该控制系统被配置为使得双向电流在多个线圈对中的每个线圈中流动。在一个变型中，控制系统以具有预定相位角偏移的正弦方式循环通过线圈的电流，以从线圈产生磁场。在本公开的一个方面中，控制系统包括用于每个线圈对的至少一个H型桥板。

在本公开的另一种形式中，提供了一种用于由电极形成铸锭的真空电弧重熔系统。该系统包括坩埚组件、线圈组件和提升机构，其中坩埚组件被配置为容纳电极和铸锭。线圈组件围绕坩埚组件布置，以及包括磁芯和围绕磁芯缠绕的多个线圈对。线圈组件可操作以从线圈产生磁场，由多个线圈对中的每个线圈接收的电流(即，旋转)来形成。该提升机构与线圈组件可操作地接合，以及可操作以沿着坩埚组件的纵向轴线移动线圈组件，使得在重熔期间来自线圈的磁场局限于电弧区。在本公开的一些方面中，提升机构包括平台，线圈组件定位在该平台上。在这些方面中，包括至少一个电动机，该电动机可操作以沿着坩埚组件的纵向轴线移动平台和线圈组件。在本公开的一个方面中，系统还包括控制系统，被配置为驱动提升机构的至少一个电动机以及基于重熔期间铸锭的高度来移动线圈组件。

在本公开的又一种形式中，提供了一种用于由电极形成铸锭的真空电弧重熔系统。系统包括坩埚组件和电磁能量源，坩埚组件被配置为容纳电极和铸锭。电磁能量源围绕坩埚组件布置，其中电磁能量源和坩埚组件被配置为沿着坩埚组件的纵向轴线彼此相对移动。此外，在重熔期间，由电磁能量源产生的磁场局限于电弧区。

在本公开的又一种形式中，提供了一种真空电弧重熔铸锭的方法。该方法包括在重熔期间产生垂直于铸锭的纵向轴线且局限于电弧区的旋转磁场。旋转磁场与熔化电流相互作用以产生径向向外指向的旋转电弧。在本公开的一些方面中，该方法包括在形成铸锭时沿着铸锭的纵向轴线移动电磁能量源，以及电磁能量源产生旋转磁场。可以通过以具有预定相位角偏移的正弦方式使电流循环通过线圈组件以产生旋转磁场来形成旋转磁场。此外，线圈组件包括磁芯和围绕磁芯缠绕的多个线圈对。在本公开的一些方面中，该方法包括在形成铸锭时沿着与铸锭的纵向轴线平行的轴线移动旋转磁场。在本公开的其它方面中，该方法包括在形成铸锭时相对于旋转磁场移动容纳铸锭的坩埚组件。在其它方面中，该方法包括在形成铸锭时沿着平行于铸锭的纵向轴线的轴线移动旋转磁场，和在形成铸锭时相对于旋转磁场移动容纳铸锭的坩埚组件的组合。

从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅用于说明目的，而非旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图描述其以示例方式给出的各种形式，其中：

图1是示出根据本公开的教导的具有线圈组件和提升机构的VAR系统的透视图；

图2是图1的VAR系统的局部剖视图；

图3是图1的VAR系统的局部俯视图；

图4是示出根据本公开的教导的线圈控制器的示意图；

图5是示出根据本公开的教导的提升控制器的示意图；以及

图6是根据本公开的教导的三个正弦电流波形图。

本文描述的附图仅用于说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。应当理解，在所有附图中，对应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

为了解决所形成的铸锭的表面不规则性，VAR系统可以包括围绕坩埚布置的亥姆霍兹构造的大的固定线圈。固定线圈沿着坩埚的整个长度延伸，并且用于产生横向磁场。这种VAR系统在与本申请共同转让的美国专利号4,581,745中详细描述，其公开内容通过引用而并入本文。

虽然具有亥姆霍兹构造的线圈的VAR系统可以减少表面不规则性，但是线圈必须放置在离坩埚很远的位置。另外，由于它们的大尺寸，线圈需要更多的电力以产生所需的磁场。

总体上，本公开的VAR系统包括电磁能量源和用于使电磁能量源与越来越多的熔融金属(即，铸锭)一起移动的提升机构，使得磁场局部化。在一种形式中，电磁能量源是紧凑线圈组件，并且如本文进一步描述的，在一种形式中，线圈组件包括环形磁芯，该磁芯由高磁导率材料制成并且缠绕有绝缘导线。线圈组件可操作以产生垂直于线圈组件的法向轴线的旋转磁场。产生的旋转磁场与熔化电流相互作用，以在垂直于电极和铸锭的法向轴线的方向上径向移动电弧。

尽管提升机构被图示和描述为相对于铸锭移动电磁能量源，但还应当理解，可以相对于电磁能量源移动铸锭，或者电磁能量源和铸锭均可移动，而这仍然在本公开的范围内。

现在将参照附图描述本公开的VAR系统的一种形式。

参照图1和图2，VAR系统100，其也可以称为VAR炉，用于逐渐熔化电极102以形成铸锭104，其具有熔融金属池103。在一种形式中，VAR系统包括坩埚组件106、围绕坩埚组件106布置的线圈组件108(即，电磁能量源)和用于沿着坩埚组件106的外部移动线圈组件108的提升机构110。

坩埚组件106容纳电极102并保持由电极102形成的铸锭104。在一种形式中，坩埚组件106包括坩埚112(下文称为“坩埚”)和冷却构件114，该冷却构件限定围绕坩埚112的腔室116，用于接收冷却剂(例如水)，以降低坩埚112的温度。也可使用用于冷却坩埚的其它合适的系统，而这些系统处于本公开的范围内。坩埚112和冷却构件114可以由诸如铜和不锈钢的非磁性材料制成。

在重熔过程期间，用于熔化电极102的电弧在电极102和坩埚112的内壁之间延伸，如图所示，其大致限定了电弧区105。有利地，如以下更详细地描述的，由电磁能量源产生的磁场在重熔期间局限于该电弧区105(或者换句话说，限制于该电弧区105而不是沿着整个坩埚112或其相当大的部分)，从而导致铸锭104改善的表面质量并减少重熔过程结束时的电极残留物的量。

线圈组件108定位成邻近坩埚112组件，以及在铸锭104扩大时沿着坩埚112的纵向轴线2移动坩埚组件6和铸锭104。线圈组件包括磁芯120，多个线圈122围绕磁芯120缠绕。如下面进一步描述的，磁芯120和线圈122可操作以形成基本上限制在电极102和铸锭104之间的间隙的横向磁场。在一种形式中，磁芯120是具有矩形横截面的环形环体，并且通过堆叠高磁导率铁磁材料(例如退火电工钢)的层来构造。磁芯可以配置成其它合适的形状和材料，并且不应限于本文提供的示例。

线圈122可以是绝缘的实心铜导线或围绕磁芯120缠绕的中空铜管。分离绕组以形成一个或多个线圈对，其中线圈对的线圈布置在磁芯120的相对侧上。例如，参考图3，线圈组件108包括三个线圈对(例如，线圈对A-A'；线圈对B-B'；以及线圈对C-C')，其中每一对的线圈布置在磁芯的相对侧上。每个线圈对配置成接收正弦电流，每一对中的电流为120°异相。来自每一对的磁场的方向由图3中的箭头表示。

为了控制通过线圈组件108的电流，并因此控制磁场，VAC系统100还包括线圈电流控制器。参考图4，线圈电流控制器130包括微控制器132、用于每个线圈对的至少一个H型桥(例如，分别用于线圈对A-A'、B-B'和C-C'的H型桥134A、134B和134C)、以及一个或多个DC电源136。H型桥134A、134B和134C可统称为H型桥134。H型桥134使得双向电流在各个线圈对中流动。

微控制器132编程为通过控制通过线圈对的电流来控制磁场。更具体地，最大电流是基于来自DC电源136的电源电压和线圈122的电阻的比率来确定的，该最大电流也限制能够产生的最大磁场。在任何时刻每个线圈对中的电流由以下的等式1-3给出，其中V_o是电源电压，R是每个线圈对的电阻，ω是角频率(即ω＝2πf)，以及t是时间。

等式1……

等式2……

等式3……

在正弦电流循环通过线圈对时，停顿时间由

给出，其中θ为以度为单位的增量角，而f是电弧的旋转频率并由

限定。每个线圈对产生与瞬时电流成比例的磁场，并且从三个单独场的矢量和(即，磁通密度(B))获得的合成磁场由等式4给出，其中B_o是磁芯的中心处在最大电流下的磁场，而

是单位向量。如等式4所示，在任何时刻在中心处的合成场的幅度是恒定的，并且是来自单独线圈对的场的1.5倍。

等式4……

外部施加的磁场主要限制在电极和铸锭之间的间隙，并使得电极和铸锭之间的电弧向坩埚112的壁移动。通过以具有适当相位角偏移的正弦方式循环通过线圈的电流，产生了旋转磁场。基于线圈通电的顺序来控制电弧的旋转方向(例如，顺时针或逆时针)，而旋转速率取决于线圈的通电频率。此外，通过控制通过线圈对的电流，可以产生合适的磁场以控制电弧的位置。也就是说，磁场与熔化DC电流相互作用以产生电弧上的力(F)，其在等式5中定义，其中J是施加的电流密度，B是磁通密度。

等式5……F＝JxB

通过选择适当的工艺设定点(例如，线圈电阻、电源、相位角偏移等)，电弧沿铸锭的圆周扫掠，这又帮助改善铸锭表面的平滑度。

代替形成穿过坩埚的整个高度的磁场，线圈组件108根据铸锭的扩大由提升机构110移动。继续参考图1和图3，提升机构110包括平台150和一个或多个驱动电动机152，其中，线圈组件108定位在平台150上，驱动电动机152可操作以逐渐移动具有线圈组件108的平台150。在一种形式中，平台150是附接到四个柱154的绝缘板，其中每个柱由驱动电动机152控制以用于移动平台150。

为了控制提升机构110，VAR系统100还包括提升驱动控制器。参考图5，在一种形式中，提升驱动控制器160包括微控制器162、用于每个驱动电动机152的一个H型桥164，其中H型桥164连接到DC电源(例如，12V)。微控制器162编程为基于铸锭熔体的高度来调节提升机构110的高度，铸锭熔体的高度可基于与铸锭相关的特性确定。例如，在一种形式中，VAR系统100配备有负荷传感器，因此可使用等式6中给出的关系来估计铸锭高度(h)，其中ρ_i是铸锭的密度，A_i是铸锭的面积，

是熔化速率。可替代地，如果VAR系统不包括负荷传感器，则可从公式7提供的电极的行程量(即冲压行程)来估计铸锭高度，其中X为冲压行程，ρ_e是电极的密度，A_e是电极的面积。公式6和7中的变量可以输入到微控制器162中，并在附图中表示为炉输入。

等式6……

等式7……..

基于上述内容，在操作中，VAR系统100包括紧凑且可通过提升机构110移动的磁芯组件108，使得磁芯组件108随着铸锭扩大而行进。磁芯组件108可操作以产生局部化旋转磁场，用于在电极和铸锭之间形成旋转电弧。具体地，磁场与电弧等离子体相互作用以使其径向地(即，垂直于电极的法向轴线)加速，从而将其朝向坩埚移动。因为来自电弧的热能去除(熔化)坩埚上的溅泼，所以这种作用又对铸锭表面质量具有积极影响，因此在铸锭扩大时，它在裸坩埚上凝固，而不是在溅泼表层上凝固。

线圈组件的紧凑设计使得能够容易地对现有VAR炉进行改型翻新，以及需要围绕坩埚组件的最小间隙。此外，由于线圈组件的紧凑尺寸，与具有产生遍及坩埚的磁场的较大线圈的系统相比，产生磁场所需的电压和电流相对较小。虽然线圈组件被描述为具有三个线圈对，但是本公开的范围适用于多个线圈对并且不应限于三个。

本公开的VAR系统配置成朝向铸锭的表面定位和控制电弧，并且因此显著改善铸锭表面质量。由于线圈横穿电弧，外部横向场仅施加到电弧区而不施加到熔融金属池。这又通过所施加的磁场对电弧附近的限制效应而有助于获得期望的熔融金属池形状。此外，通过在过程结束时改变电弧行为，可以使电极残余物的量最小化。

除了控制线圈组件来管理铸锭的表面完整性以及残余物形状和重量，本公开的VAR系统还可用于在熔化期间控制电弧位置，以及因此影响总体池形状，从而改善凝固结构。可以在真空电弧熔化的早期阶段(即所谓的启动)期间来进一步使用，以减少启动时间以及提高基座的整体完整性。实际上，可以设想其中线圈布置和控制方法可以用于随时间来管理电弧位置以产生有益效果的任何方法，并且其在本公开的范围内。

线圈电流控制器和提升控制器可统称为VAR系统的控制系统。虽然线圈电流控制器和提升控制器描述为具有独立的微控制器，但是一个微控制器可以被配置为执行线圈电流控制器和提升控制器的操作。

用于线圈电流控制器的算法可以结合到使用基于文本的编程语言的现有的基于PLC的VAR控制系统中。可替代地，线圈电流控制器可以是独立的系统。

场强和旋转(RPM)是在典型熔体的不同阶段期间可以容易地改变的软件参数。例如，可以为以下加热阶段中的每一个定制参数：启动阶段、稳定状态和热顶阶段。场强和旋转(RPM)也可以基于被熔化合金的类型、相关的电弧间隙和环距离进行调节。

在本公开的VAR系统的实验性实施方式中，线圈组件围绕203mm(八英寸)VAR炉布置，在线圈组件和炉之间设置有25.4mm(一英寸)的间隙。线圈组件具有381mm(15英寸)的内径、432mm(17英寸)的外径和76mm(三英寸)的高度。通过堆叠0.254mm(0.01英寸)厚的工业级电工钢片以形成磁芯，以及将三层1mm(18号)绝缘铜导线缠绕磁芯，来形成线圈组件。

在一个实验发现中，0至1.6A范围内的电流和0至10V范围内的电压足以在坩埚中心处产生每个线圈对20G的最大磁场和30G的净场。以2至5RPM旋转电弧，增量角在1至15度范围内，每5分钟反向。测试期间的三个正弦电流波形图在图6中示出。在这些试验条件下，为了跟踪铸锭高度，以0至0.5min/min的范围移动提升机构。提供该实验性实施方式以进一步示出本公开的VAR组件的操作，并且不旨在将该VAR组件限制为实验中描述的参数。

本公开的描述本质上仅是示例性的，因此，不偏离本公开的实质的变型旨在处于本公开的范围内。这些变型不应认为是偏离本公开的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于由电极形成铸锭的真空电弧重熔系统，所述系统包括：

坩埚组件，被配置为容纳所述电极和所述铸锭；以及

电磁能量源，所述电磁能量源围绕所述坩埚组件布置，其中，所述电磁能量源和所述坩埚组件被配置为沿着所述坩埚组件的纵向轴线彼此相对移动，

其中，在重熔期间，由所述电磁能量源产生的磁场局限于所述铸锭的电弧区。

2.根据权利要求1所述的真空电弧重熔系统，其中，所述电磁能量源是包括磁芯和围绕所述磁芯缠绕的多个线圈对的线圈组件，其中，所述线圈组件可操作以基于在所述多个线圈对中流动的电流从所述线圈产生磁场。

3.根据权利要求2所述的真空电弧重熔系统，其中，所述线圈组件包括三个线圈对。

4.根据权利要求3所述的真空电弧重熔系统，其中，所述三个线圈对中的每一个中的电流是120°异相的。

5.根据权利要求1所述的真空电弧重熔系统，还包括控制系统，被配置为使得双向电流在所述多个线圈对中的每个线圈中流动。

6.根据权利要求5所述的真空电弧重熔系统，其中，所述控制系统以具有预定相位角偏移的正弦方式循环通过所述线圈的电流，以从所述线圈产生所述磁场。

7.根据权利要求5所述的真空电弧重熔系统，其中，所述控制系统包括用于每个线圈对的至少一个H型桥板。

8.根据权利要求1所述的真空电弧重熔系统，其中，所述磁芯由磁导率铁磁材料制成。

9.根据权利要求1所述的真空电弧重熔系统，还包括：

线圈组件，所述线圈组件包括磁芯和围绕所述磁芯缠绕的多个线圈对；以及

提升机构，可操作以沿着所述坩埚组件的纵向轴线移动所述电磁能量源；

其中，所述提升机构包括平台和至少一个电动机，所述线圈组件定位在所述平台上，所述至少一个电动机可操作以沿着所述坩埚组件的纵向轴线移动所述平台和所述线圈组件。

10.根据权利要求9所述的真空电弧重熔系统，还包括控制系统，被配置为驱动所述提升机构的所述至少一个电动机以及基于重熔期间所述铸锭的高度来移动所述线圈组件。

11.一种真空电弧重熔铸锭的方法，包括在重熔期间产生垂直于所述铸锭的纵向轴线且局限于所述铸锭的电弧区的旋转磁场，所述旋转磁场与熔化电流相互作用以产生径向向外指向的旋转电弧。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括在形成所述铸锭时沿着所述铸锭的纵向轴线移动电磁能量源，其中，所述电磁能量源产生所述旋转磁场。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述产生旋转磁场进一步包括以具有预定相位角偏移的正弦方式循环通过线圈组件的电流，以产生所述旋转磁场，其中所述线圈组件包括磁芯和围绕所述磁芯缠绕的多个线圈对。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括在形成所述铸锭时沿着与所述铸锭的纵向轴线平行的轴线移动所述旋转磁场。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括在形成所述铸锭时相对于所述旋转磁场移动容纳所述铸锭的坩埚组件。

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