DE3120856A1

DE3120856A1 - Verfahren zur ueberwachung des schmelzvorgangs in vakuumlichtbogenoefen

Info

Publication number: DE3120856A1
Application number: DE19813120856
Authority: DE
Inventors: Pierre Dr.-Ing. 8755 Alzenau-Michelbach Flécher; Otto Dr.-Ing. 6466 Gründau Stenzel
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1981-05-26
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1982-12-23
Also published as: GB2099145A; FR2507051A1; US4435818A

Description

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25·.- Mai 1981 81506

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verfahren zur überwachung des Schmelzvorgangs in Vakuumlichtbogenöfen "

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überwachung des Schmelzvorgangs in Vakuumlichtbogenöfen im Hinblick auf die Sicherheit gegen Tiegeldurchbrüche beim überspringen von Lichtbögen zum Tiegel.

Durch die DE-AS 10 66 039 ist es bekannt, eine Analyse der in Schmelzöfen vorhandenen Metallschmelzen dadurch vorzunehmen> daß man zwischen der Schmelze und einer Elektrode einen Lichtbogen erzeugt und dessen Licht spektral zerlegt. Aus der Spektralanalyse werden alsdann Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Bades gezogen. Durch diese Maßnahme soll beispielsweise die Zusammensetzung der Schmelze gezielt beeinflußt werden. Bei einem im Ausführungsbeispiel beschriebenen offenen Lichtbogenofen werden

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beispielsweise die durch die Ofenelektroden selbst erzeugten Lichtbögen zur Spektralanalyse verwendet. Die beschriebenen öfen besitzen eine spektrale Ausmauerung, so daß die Gefahr eines Ourchbrennens des metallischen Ofenmantels nicht gegeben ist.

Durch die DE-AS 12 27 5.81 ist es bekannt, bei einem Elektronenstrahlschmelzofen die oberhalb der Metallschmelze vorhandene, durch den Elektronenbeschuß angeregte elektromagnetische Strahlung spektralanalytisch auszuwerten und dadurch die Arbeitpparameter des Ofens zu steuern. Elektronenstrahlschmelzöfen besitzen im allgemeinen eine wassergekühlte Metallkokille und werden unter Vakuum betrieben, da die Elektronen nur unter Vakuum einen ausreichend langen Weg zwischen der Elektronenkanone und der Metallschmelze zurücklegen können.

Vakuum-Lichtbogenöfen werden zum Umschmelzen von Blöcken aus hochwertigen Stählen, Superlegierungen und reaktiven Metallen wie Titan und Zirkonium verwendet, um schädliche Reaktionen mit dem Tiegelmaterial zu verhindern und um eine bessere Blockstruktur zu erzielen, muß der Tiegel gekühlt werden. Als Kühlmittel kommen hauptsächlich Wasser oder Natrium/Kalium in Frage, Bei den hohen Temperaturen und Leistungsdichten, die üblicherweise im Lichtbogen vorliegen, können Instabilitäten auftreten, die zu einem überspringen des Lichtbogens von der Schmelze auf den Tiegel führen, so <5aß der Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Tiegelwand brennt. Dies kann bis zu einem Durchschmelzen des Tiegels (Tiegelbruch) führen, wenn die elektrische Leistung nicht rechtzeitig abgeschaltet wird. Die derzeit übliche Tiegelbruch-Überwachung auf elektrischer Basis ist zu träge und nicht

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zuverlässig genug. Wird die überwachung andererseits zu empfindlich eingestellt, so schaltet die Regelung den Ofen unnötig bei jeder kleinen Schwankung ab.

Durch die US-PS 2 907 807 ist eine derartige überwachung auf elektrischer Basis bekannt. Hierbei wird das Auftreten eines überstromes entweder aufgrund der Ausbildung einer Glimmentladung oder eines Kurzschlusses zwischen den Ofenteilen unterschiedlicher Polarität erfaßt und im Hinblick auf eine Unterbrechung des Schmelzbetriebes ausgewertet. Die bekannte Anordnung ist jedoch nicht im Stande/ das Vorhandensein eines Lichtbogens zwischen der Abschmelzelektrode und dem wassergekühlten Tiegel so rechtzeitig zu erfassen, daß ein Tiegeldurchbruch mit Sicherheit verhindert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein überwachungsverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die mögliche Ursache eines Tiegeldurchbruchs bereits im Anfangsstadium erfaßt und zur Auslösung einer die Ursache unterdrückenden Regelhandlung herangezogen wird. Dabei geht es darum, den gegenüber der Tiegelwand brennenden Lichtbogen zum Erlöschen zu bringen. Im Extremfall bedeutet dies, daß der Schmelzbetrieb unterbrochen bzw. der Ofen stillgesetzt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen t'berwachungsverfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man in an sich bekannter Weise den Lichtbogen durch einen Strahlungsempfänger spektralanalytisch überwacht und in den

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Schmelzprozeß beim Auftreten von Spektrallinien, die auf eine Verdampfung des Tiegelmaterials schliessen lassen, in der Weise eingreift, daß der auf dem Tiegel brennende Lichtbogen zum Erlöschen gebracht wird.

Im Gegensatz zum Stande der Technik wird nicht die Zusammensetzung der Schmelze aufgrund des Ergebnisses der Spektralüberwachung gezielt beeinflußt, sondern es wird in den Schmelzprozeß dann eingegriffen, wenn sich unter den Spektrallinien solche zeigen, welche die Anwesenheit von Tiegelmaterial in der Dampfatmosphäre des Ofens signalisieren. Berührt nämlich der Lichtbogen intensiv die Kokillenwand, so schmilzt bzw. verdampft zunächst an der Oberfläche Kokillenmaterial. Die verdampften Atome werden im Lichtbogen durch die hohen Temperaturen optisch angeregt und emittieren ein für das Material charakteristisches optisches Spektrum. In aller Regel unterscheidet sich das Spektrum des Kokillenmaterial von dem Spektrum der Schmelze selbst, so daß ausgewählte optische Linien beider Systeme für die automatische überwachung herangezogen werden können.

Auf die angegebene Weise wird ein an der falschen Stelle brennender Lichtbogen bereits dann signalisiert, wenn er noch keinen oder zumindest keinen merklichen Schaden angerichtet hat. Dadurch wird eine äußerst flinke optische Überwachung erreicht, die auch nur dann anspricht, wenn der Tiegel tatsächlich angegriffen wird.

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Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in Verbindung mit einem Vakuumlichtbogenofen mit einer Vakuumkammer, einer Regeleinrichtung, einem Tiegel und mindestens einer Abschmelzelektrode, zwischen der und einer im Tiegel befindlichen Schmelze mindestens ein Lichtbogen herstellbar ist, auf den ein Strahlungsempfänger mit selektiven Eigenschaften ausgerichtet ist. Diese, an sich bekannte, Anordnung ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsempfänger eine optische Auswerteeinrichtung nachgeschaltet ist, die beim Auftreten mindestens einer Spektrallinie oder mindestens einer Gruppe von Spektrallinien, die für den Tiegelwerkstoff charakteristisch ist, ein Ausgangssignal erzeugt, und daß der Ausgang der Auswerteinrichtung der Regeleinrichtung aufgeschaltet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes iu den übrigen ünteransprüchen genannt.

Ein Äusführungsbelspiel des Erfindungsgegenstandes wird nach folgend anhand der einzigen Figur näher erläutert:

In der Figur sind die wesentlichen Teile eines Vakuumlichtbogenofens während des Umschmelzprozesses gezeigt, nämlich eine Abschmelzelektrode 1 aus dem umzuschmelzenden Material und ein wassergekühlter Tiegel 2, in dem aus dem durch den Umschmelzprozeß gereinigten Elektrodenmaterial ein Block 3 aufgebaut wird. Am oberen Ende des Blockes 3 befindet sich ein Schmelzsee 4, der mit einer etwa parabelförmigen Erstarrungsfront 5 in den Block 3 übergeht. Zwischen dem unteren Ende der Abschmelzelektrode 1 und dem Schmelzsee 4 brennt ein Lichtbogen (oder mehrere Lichtbögen), der die Schmelzwärme für den Um-

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schmelzprozeß liefert. Der Tiegel 2 ist mit einem Kühlmittelkanal 7 versehen, durch den ein flüssiges Kühlmittel umgewälzt wird. Die bisher beschriebenen Teile der Vorrichtung bzw. das Einsatzmaterial und das Endprodukt sind ebenso wie das Zwischenstadium "Schmelzsee" Stand der Technik und werden daher nicht näher erläutert. Desgleichen ist das für das spezielle Umschmelzverfahren benötige aber für das Verständnis nicht erforderliche vakuumdichte Ofengehäuse 8 ebenso nur gestrichelt dargestellt wie der zu einem Vakuum-Pumpsatz führende"Saugstutzen 9.

In dem Ofengehäuse 8 ist ein Strahlungsempfänger 10 angeordnet, der auf die obere öffnung 11 des Tiegels 2 ausgerichtet ist, in der sich die Abschmelzelektrode 1 befindet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Block 3 nach Maßgabe seines Aufbaus nach unten abgezogen und die Abschmelzelektrode 1 nach Maßgabe ihres Verbrauchs nachgeführt, so daß sich der Lichtbogen stets an der gleichen Stelle befindet, an der er von dem Strahlungsempfänger 10 beobachtet wird.

Das von dem Strahlungsempfänger 10 erfaßte Strahlungssignal wird mittels eines Lichtleiters 12 einer Auswerteeinrichtung 13 zugeführt, die aus einem Analysator 14 und einem Stellglied 15 besteht, dessen Ausgang der Regeleinrichtung 17 für den Ofen aufgeschaltet ist.

Der Analysator 14 besitzt zwei auswechselbare Schmalbandfilter bzw. Monochromatoren 14a und 14b, auf die das Meßlicht aufgeteilt wird. Die Monochromatoren sind jeweils auf eine charakteristische Linie des Tiegel- bzw. Blockmaterials eingestellt.

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Das durchgelassene Licht wird von je einer Fotodiode 14c bzw. 14d in ein elektrische Signal umgewandelt und einem Quotientenbildner 14e zugeleitet. Das Ergebnis wird mit einem Referenzwert verglichen. Sobald ein vorgegebener Schwellenwert erreicht ist, spricht das Stellglied 15 innerhalb weniger Millisekunden an. Durch den Quotientenbildner 14e werden in weiten Grenzen die Intensitätsschwankungen der Signale, bedingt durch ungünstige Beobachtungswinkel, Verschmutzung der Fenster etc. automatisch korrigiert, da nicht die absolute Intensität der Linien maßgeben ist, sondern nur ihre Relation zueinander.

Beispiel;

Bei einer Vorrichtung gemäß der Figur bestand die Abschmelzelektrode 1 aus Titan und der Tiegel 2 aus Kupfer. Kupfer hat ausgeprägte Linien im grünen und im roten Bereich, die für die überwachung herangezogen wurden. Titan hat zwar auch Linien im selben Bereich, die jedoch aufgelöst werden konnten. Im grünen Bereich wurde ein Schmalbandfilter in Form eines Gitter-Monochromators verwendet. Im roten Bereich wurde ein Verlauf-Monochromator mit einer Auflösung von 10 nm benutzt. Bei einer mittleren Wellenlänge von 810 nm betrug das Signalverhältnis von KupfertTitan etwa 22:1.

In der nachstehenden Tabelle sind die Intensitäten (in willkürlichen Einheiten) in Abhängigkeit von bestimmten Wellenlängen für die Werkstoffe Kupfer und Titan angegeben:

- 10 -

'25. -Kai 1381 81506

- 10 -

	Cu	WeIlenlänge	T?	Intensität	WeIlenl3nge
Intensität	(nm)	(willk. Einh.	(nm)
(willk. Einh.		>100)
>100)	510.0	190	511.3
350	510.5	270	512,0
1500	512,4	270	514.5
250	515.3	230	514.7
2000	521,8	210	515.2
2500	529,2	1100	517,3
1650	' 570.0	1300	519.2
1500	578.2	120	520.6
1500	580,5	1400	521
15a •	793.3	30	794,9
• 1500	798.8	26	796,1
1200	809.2	60	797.8
2000		9	797.9
		30	799.6
		7	800,3
		55	802,4
		30	806,8
		8	*8267**

Varianten:

Für die überwachung von komplizierten Schmelzen oder bei sich häufig ändernder Schmelzenzusanunensetzung kann der Auswerteeinrichtung ein Rechner zugeordnet werden, in den die zu beobachtenden Linien eingegeben werden können. Hierbei wird das Licht

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_: ; .3120855

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in der Auswerteeinrichtung mit einem Polychromator, beispielsweise mit einem Prisma, auf eine Diodenkamera nach Maßgabe der unterschiedlichen Wellenlängen verteilt. Die Diodenkamera besteht in an sich bekannter Weise aus einer großen Zahl von bei-* spielsweise 500 bis 2000 Fotodioden, in denen das Licht in elektrische Signale umgewandelt wird. Eine in der Kamera vorhandene Abfrage-Elektronik registriert die Spektren. Diese werden wiederum in einem Spektralanalysator ausgewertet. Der Spektralanalysator besteht aus einem Analog-Digital-Wandler, einem Datenspeicher, einem Programmspeicher, einem Quotientenbildner und einem programmierbaren Rechner. Die Ergebnisse einer solchen Analyse werden in analoger Weise für die Steuerung dexRegeleinrichtung des Ofens benutzt.

-A-

Leerseite

Claims

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PAT EN TAN SPRÜCHE:

M .J Verfahren zur überwachung des Schmelzvorgangs in Vakuumlichtbogenöfen im Hinblick auf die Sicherheit gegen Tiegeldurchbrüche beim überspringen von Lichtbögen zum Tiegel, dadurch gekennzeichnet, daß man in an sich bekannter Weise den Lichtbogen durch einen Strahlungsempfänger spektralanalytisch überwacht und in den Schmelzprozeß beim Auftreten von Spektrallinien, die auf eine Verdampfung des Tiegelmaterials schließen lassen, in der Weise eingreift, daß der auf dem Tiegel brennende Lichtbogen zum Erlöschen gebracht wird.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem Vakuumlichtbogenofen mit einer Vakuumkammer, einer Regeleinrichtung, einem Tiegel und mindestens einer Abschmelzelektrode, zwischen der und einer im Tiegel befindlichen Schmelze mindestens ein Lichtbogen herstellbar ist, auf den ein Strahlungsempfänger mit selektiven Eigenschaften ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsempfänger (10) eine optische Auswerteeinrichtung (13) nachgeschaltet ist, die beim Auftreten mindestens einer Spektrallinie oder-mindestens einer Gruppe von Spektrallinien, die für den Tiegelwerkstoff charakteristisch ist, ein Ausgangssignal erzeugt, und daß der Ausgang der Auswerteeinrichtung (13) der Regeleinrichtung (17) aufgeschaltet ist.

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3. Anordnung nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auswerteeinrichtung (13) einen Monochromator (14a) enthält, der für Spektrallinien durchlässig ist, die für den Tiegelwerkstoff charakteristisch sind.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auswerteeinrichtung (13) einen Polychromator enthält, dem ein Diodenarray in der Weise zugeordnet ist, daß einzelne Wellenlängenbereiche des zerlegten Lichts jeweils auf einzelne Dioden geleitet werden.
5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennζeichnet, daß der optischen Auswerteeinrichtung (13) für die Strahlung des Tiegelwerkstoffs ein zweiter Monochromator (14b) zugeordnet ist, der für die Strahlung des umzuschmelzenden Materials sensibilisiert ist, uud daß die Ausgänge der beiden Auswerteeinrichtungen über einen Quotientenbildner (14e) der Regeleinrichtung (17) aufgeschaltet sind.