DE3817855A1

DE3817855A1 - Einrichtung fuer die erfassung und auswertung von prozessgroessen, die waehrend des umschmelzens einer elektrode zu einem metallblock im vakuumlichtbogenofen auftreten

Info

Publication number: DE3817855A1
Application number: DE3817855A
Authority: DE
Inventors: Otto Dr Ing Stenzel; Felix Dipl Ing Mueller; Gerhard Dr Ing Brueckmann; Alok Dr Choudhury
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1988-05-26
Publication date: 1989-01-26
Also published as: DE3817855C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Erfassung und Auswertung von Prozeßgrößen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Umschmelzen von Elektroden in Blöcke können verschiedene Fehler auftreten. Die bekanntesten dieser Fehler sind Lunker, Baumringe, Seigerungen, Withe Spots, Freckels, nichtmetallische Einschlüsse und Gefügestörungen. Werden in einem Block einer oder mehrere dieser Fehler an bestimmten Stellen entdeckt, so wird in der Regel der ganze Block verworfen, weil davon ausgegangen wird, daß außer an den entdeckten Stellen auch noch an unentdeckten Stellen ähnliche Fehler vorhanden sind. Dieser Schluß ist jedoch oft unzutreffend, weil der Fehler durch eine einmalige Störung einer Prozeßgröße auftrat, die während des weiteren Schmelzvorgangs nicht mehr aufgetreten ist. Wäre der Ort des aufgetretenen Fehlers bekannt, so brauchte nur die oft sehr kleine fehlerhafte Stelle des Blocks herausgeschnitten zu werden. Der Rest des Blocks könnte dann durchaus noch seiner eigentlichen Bestimmung zugeführt werden.

Es ist bestimmt ein Verfahren zur Regelung des Abschmelzvorgangs von selbst verzehrenden Elektroden bekannt, bei dem das jeweilige Ist-Gewicht der Elektrode sowie die elektrischen Eigenschaften der Strecke zwischen Elektrode und Schmelzbadspiegel die Regelung beeinflussen (DE-AS 19 34 218). Hierbei werden nicht nur die elektrischen Daten über dem Lichtbogenspalt für die Regelung herangezogen, sondern es wird dieser Regelung eine weitere Regelung der Leistungsaufnahme eines metallurgischen Ofens überlagert. Es handelt sich somit um eine Regelung mit mehreren Einflußgrößen. Eine Zuordnung von Fehlern, die beim Schmelzvorgang auftreten, zu einem bestimmten Ort des fertigen Blocks ist mit diesem Verfahren nicht möglich.

Es ist ferner ein Verfahren für die Automatisierung von Elektrodenschmelz prozessen bekannt, bei dem der Zustand des Schmelzprozesses nach einem komplexen Kriterium bestimmt wird, das die Menge der verbrauchten Energie, den Oberschwingungsgehalt und die Schwankungen des Lichtbogenstroms, die räumliche Lage der Elektroden und die Temperatur der heißesten Zone der Zustellung berücksichtigt (D. A. Gitgarz, Die Anwendung von Mikroprozessoren für die Steuerung von Lichtbogen- und Induktionsschmelzöfen, Elektrie 35, 1981, S. 545-547). Auch mit diesem Verfahren ist eine örtliche Zuordnung von Fehlern bei einem Block nicht möglich.

Weiterhin ist es bekannt, den Vakuumschmelzprozeß bzw. den Wiedereinschmelzungsprozeß mit Hilfe eines Computers zu regeln, damit eine möglichst hohe Reinheit von Metallen oder Metall-Legierungen erzielt wird (F. Hugo, R. Schumann, W. Zenker, H. Bittenbrünn, J. Mosch: Computer control of vacuum melting and remelting processes, Metallurgical Plant and Technology, 1/1985, S. 42 bis 52). Hierbei wird insbesondere die Verwendbarkeit eines Mikroprozessors für die automatische Schmelzratenregelung, die Hochofenregelung, die Datenverarbeitung und die Fehlerdiagnostik her vorgehoben. Eine Möglichkeit, Fehler in einem Block zu lokalisieren, ist hierbei jedoch nicht aufgezeigt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, den Ort eines Fehlers in einem Block, der durch Umschmelzen von Elektroden entstanden ist, anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Abnehmer von durch Elektrodenschmelzen erzeugten Metallblöcken in die Lage versetzt werden, an genau bezeichneten Stellen des Blocks beispielsweise Ultraschallprüfungen vorzunehmen, um Fehler aufzuspüren. Hierdurch wird die Ausschußrate von fertig bearbeiteten Teilen, z. B. von Turbinenscheiben, wesentlich vermindert. Außerdem wird das Risiko der Schädigung von Blöcken beim Schmieden verringert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einflüsse von Unregelmäßigkeiten während des Elektrodenschmelzens auf das Blockwachstum;

Fig. 2 eine Elektrode mit eingeschlossenem Fehler;

Fig. 3A, 3B eine schematische Darstellung des Elektrodenschmelzvorgangs zur Erläuterung der Errechnung der Elektroden-Restlänge;

Fig. 4 eine Schaltung zur Signalauswertung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Erfassen und Auswerten einer Vielzahl von Störungen während des Schmelz vorgangs.

In der Fig. 1 ist die Abhängigkeit des Elektrodengewichts G _E von der Position P _E der Elektrodenhalterung dargestellt, wobei gleichzeitig die gegossene oder erschmolzene Elektrode 1 innerhalb eines Gefäßes 2 mit ein geschlossenen Fehlern 3, 4 abgebildet ist. Zu Beginn des Schmelzvorgangs hat die Elektrode noch ihr volles Gewicht G _EA, und zwar in der Position P _EA, während der Block noch gar nicht vorhanden ist und somit das Gewicht G _BA Null hat. Mit der Abnahme des Elektrodengewichts G _E ist während des Umschmelzens eine Zunahme des Blockgewichts G _B verbunden. Wenn man davon ausgeht, daß der Block 1 weitgehend lunkerfrei geschmolzen wird, kann man über das Gewicht des Blocks 1 und die geometrischen Maße der Kokille sehr genau die entsprechende Blockhöhe für die Signalgebung ermitteln. Aus der Elektrodenposition P _E und dem jeweiligen Elek trodengewicht G _E läßt sich zu jedem Zeitpunkt des Schmelzvorgangs die gesamte Dichte der Restelektrode ermitteln. Bei einem Lunker in der Elektrode ist eine lineare Korrelation von Elektrodenposition bzw. Elektroden abnahme und Elektrodengewichtabnahme nicht mehr zu erwarten.

Der theoretische Verlauf der Gewichtsabnahme bei einer lunkerfreien Elektrode ist in der Fig. 1 mit der Geraden 5 bezeichnet. Bei merklicher Abweichung der Gewichtsabnahme vom linearen Verlauf kann davon ausgegangen werden, daß bei der Elektrode z. B. ein Stück abgefallen ist.

Mit der Meßkurve 6 ist ein möglicher realer Verlauf der Gewichtsabnahme der Elektrode dargestellt. Zu Beginn des Schmelzvorgangs ist das Gewicht der Elektrode wieder G _EA, und zwar bei der Position P _EAR. Im Bereich 7 verläuft die Gewichtsabnahme zunächst linear, um dann im Bereich 8 merklich vom linearen Verlauf abzuweichen. Diese merkliche Abweichung läßt auf eine Verdickung oder auf eine Dichteänderung der Elektrode schließen. Geht die Meßkurve 6 nun wieder über eine umgekehrte Abweichung 9 in einen linearen Bereich 10 über, so zeigt dies eine Verjüngung oder eine Dichteänderung an. Ein kurzes Zurückschnellen der Meßkurve 6 in Richtung der Ausgangsposition, das mit dem Bereich 11 bezeichnet ist, weist auf einen Kurzschluß mit Elektrodenrückzug hin. Im Anschluß hieran geht die Meßkurve 6 wieder in einen linearen Bereich 12 zurück, von dem sie in einen Bereich 13 gelangt, der das Auftreten eines großen waagerechten Lunkers indiziert. Sodann verläuft die Kurve 6 entlang eines weiteren linearen Bereichs 14, der in den Störbereich 15 springt, der auf das Herunterfallen eines Elektrodenstücks hinweist. Die weiteren Bereiche 16-19 der Kurve 6 deuten auf einen fast-normalen Abbrand der Elektrode hin.

In der Fig. 2 ist die Elektrode 1 noch einmal gezeigt, wobei man wieder den Fehler 4 erkennt, bei dem es sich um einen Lunker handelt. Denkt man sich diese Elektrode mit der Länge l _EA in mehrere gleiche Scheiben 70-82 unterteilt und nimmt man ferner an, daß die Elektrode von unten nach oben abgeschmolzen wird, so ist erkennbar, daß im Bereich der Scheiben 70-74 keine feste Beziehung zwischen der Höhe des abgeschmolzenen Teils und dessen Gewicht besteht, denn das Gewicht der Scheibe 70 ist wesentlich geringer als das Gewicht der gleich hohen Scheibe 73. Erst im oberen Bereich der Elektrode 1, der durch die Scheiben 76-82 charakterisiert wird, besteht wieder ein fester Zusammenhang zwischen dem Gewicht des abgeschmolzenen Elektrodenteils und der Höhe, sofern die Elektrode - was im allgemeinen zutrifft - horizontal gleichmäßig abschmilzt.

Das Abweichen des Verhältnisses des Gewichts der Elektrode 1 zur Länge dieser Elektrode 1 von einer vorgegebenen Funktion läßt somit einen Rückschluß auf Fehler, insbesondere Lunker, in der Elektrode 1 zu.

Es ist deshalb wichtig, dieses Gewichts-/Längen-Verhältnis zu überwachen. Das Gewicht der noch nicht geschmolzenen Restelektrode wird im allgemeinen durch ein Meßgerät erfaßt, das mit einer Elektrodenstange zu der Elektrode 1 in Verbindung steht. Dagegen ist es meßtechnisch schwierig, die Restlänge der Elektrode 1 zu erfassen, weil an derjenigen Stelle, wo die Elektrode 1 abgeschmolzen wird, sehr hohe Temperaturen auftreten. Vorzugsweise wird deshalb die Elektrodenlänge errechnet.

In der Fig. 3A ist eine Elektrode 1 zu Beginn des Abschmelzvorgangs dargestellt und mit geometrischen Bezugsgrößen versehen. Mit l _EA ist hierbei die Länge der Elektrode 1 am Anfang des Abschmelzvorgangs bezeichnet, während d den Durchmesser der Elektrode 1 angibt und l _STA auf den Abstand zwischen dem Ansatz der Elektrodenstange 20 und dem Boden des Gefäßes 2 hinweist.

Der Abstand zwischen dem Boden des Gefäßes 2 und der Unterseite der Elektrode 1 ist mit c angegeben. Der Abstand l _STA wird in der Regel durch einen Positionsanzeiger 21 angegeben, der mit der Elektronenstange 20 in Verbindung steht und der anzeigt, wie weit die Elektrode 1 bereits abgesenkt wurde.

Die Fig. 3B zeigt dieselbe Anordnung wie die Fig. 3A, wobei jedoch ein großer Teil der Elektrode 1 bereits abgeschmolzen und zum Block 22 geworden ist. Das spezifische Gewicht der Elektrode 1 ist mit ρ _E bezeichnet, während das spezifische Gewicht des Blocks 22 mit p _B bezeichnet ist. Geht man von einem zylindrischen Gefäß 2 aus, so läßt sich die gesuchte Restlänge l _Ex der Elektrode 1 über folgende Gleichungen ermitteln:

a) l _Ex = l _STx - c - Hx

Hx eingesetzt in Gleichung a) ergibt:

Nun gilt aber

wobei V _{Block x} das Volumen des Blocks mit der Höhe Hx und G _{Block x} das Gewicht dieses Blocks ist.

V _{Block x} ist somit G _{Block x} · ρ _B

Setzt man dies in Gleichung c) ein, so erhält man

G _{Block x} entspricht jedoch dem Gewicht der Elektrode 1 zu Beginn des Abschmelzvorgangs minus dem Gewicht G _EX der Restelektrode:

G _{Block x} = G _EA - G _Ex

Setzt man dies in Gleichung d) ein, so erhält man

Diese Gleichung enthält nur noch Größen, die bekannt sind - c, D, π, ρ _B, G _EA - oder die fortlaufend gemessen bzw. angezeigt werden - G _Ex, l _STx.

In der Fig. 4 ist prinzipiell dargestellt, daß die Größen l _Ex und G _Ex einem Vergleicher 83 zugeführt sind, in dem eine ideale G _Ex/l _Ex-Zuordnung ab gespeichert ist, d. h. eine Zuordnung, die bei einer fehlerfreien Elektrode 1 gegeben ist. Diese ideale Zuordnung wird mit der tatsächlichen Zuordnung verglichen, und bei einer Abweichung der realen Zuordnung von der idealen Zuordnung, die einen bestimmten Betrag übersteigt, wird ein Signal S _F abgegeben und angezeigt oder verarbeitet. Es ist auch möglich, das Signal S _F durch einen Differenzierer 84 zu differenzieren, damit die Abweichung deutlich erkennbar wird.

In der Fig. 5 ist eine Einrichtung zur Erfassung und Verarbeitung mehrerer Daten schematisch dargestellt, mit der es möglich ist, die wichtigsten Ereignisse beim Schmelzen einer Elektrode festzuhalten und aufgrund eines Ereignis-Diagramms oder -Katalogs die Fehlereinschlüsse im Endprodukt "Block" zu kennzeichnen. Die Darstellung der Fig. 5 ist sehr allgemein gehalten und beschränkt sich nicht auf Vakuumlichtbogenöfen, bei denen die Erfindung vorzugsweise zur Anwendung kommt. Mit 30 ist ein Schmelztiegel bezeichnet, in dem das von einer Elektrode 31 kommende Schmelzgut 32 aufgefangen wird. Der Schmelztiegel 30 ist mit einer elektrischen Heizein richtung 33 umgeben, die aus einer nicht dargestellten Energiequelle über die Leitungen 34, 35 gespeist wird. Die elektrische Heizleistung wird mittels eines KW-Zählers erfaßt, der ein Strommeßgerät 37 und ein Spannungsmeßgerät 38 aufweist. Die jeweilige Heizleistung wird einem Mikro-Computer 39 über eine Datenleitung 40 gemeldet. Es ist auch möglich, neben der Leistung auch noch Strom und Spannung direkt an den Mikro-Computer 39 zu melden, was durch die Datenleitungen 41, 42 bzw. 43, 44 angedeutet ist.

Der Schmelztiegel 30 ruht, zusammen mit der Heizeinrichtung 33, auf einer Wiegevorrichtung, die durch zwei Druckmeßdosen 45, 46 dargestellt ist. Die elektrischen Meßwerte dieser Druckmeßdosen 45, 46 werden über eine weitere Datenleitung 47 ebenfalls dem Mikro-Computer 39 gemeldet. Hierdurch ist dem Mikro-Computer 39 das jeweils aktuelle Gewicht des Tiegels 30 mit der Schmelze 32 bekannt.

Das Gewicht der Elektrode 31 wird durch eine Gewichtsmeßeinrichtung 48 erfaßt, die das aktuelle Gewicht der Elektrode 31 über eine Datenleitung 49 an den Mikro-Computer 39 meldet. Zwischen der Elektrode 31 und dem Tiegel 30 liegt eine Spannung, die aus einer Energiequelle 50 über eine Leitung 51 bzw. 52 der Elektrode 31 bzw. dem Tiegel 30 zugeführt wird. Diese Spannung wird über die Datenleitungen 53, 54 dem Mikro-Computer 39 gemeldet, der über eine andere Datenleitung 55 auch eine Information über den Strom erhält.

Die Höhe der Oberfläche des Schmelzguts 32 wird durch ein Meßgerät 56 erfaßt, das beispielsweise auf dem Prinzip der Reflexion von Wellen auf der Oberfläche des Schmelzguts 32 beruht. Über eine Datenleitung 57 wird die jeweils aktuelle Schmelzgutfläche an den Mikro-Computer 39 gemeldet.

Auf entsprechende Weise kann auch die jeweilige Position der Unterseite der Elektrode 31 über ein Meßgerät 58 erfaßt und über eine Datenleitung 59 an den Mikro-Computer gemeldet werden.

Da die meßtechnische Erfassung der Position der Oberfläche des Schmelzguts 32 bzw. der Unterseite der Elektrode 31 sehr schwierig ist, können diese Positionen auch errechnet werden, wie oben bereits dargelegt wurde.

Die Temperatur der Schmelze 32 wird durch eine Thermoelement-Einrichtung 60 erfaßt, welche die jeweils aktuelle Temperatur über eine Leitung 61 an den Mikro-Computer 39 meldet.

Der Mikro-Computer 39 wertet alle eingehenden Daten aufgrund eines Programms dahingehend aus, daß er eine Fehlerart einer bestimmten Höhe des Blocks zuordnet. Diese Zuordnung kann auf einem Bildschirm-Terminal 62 oder mittels eines Druckers 63 dargestellt werden.

Daneben ist es auch möglich, besonders interessierende Daten, beispielsweise die Temperatur der Schmelze 32, über ein Anzeigegerät 64 anzuzei gen.

Treten besonders wichtige Störungen auf, so können diese mittels eines akustischen Signals 65 angezeigt werden.

Das auf dem Bildschirm-Terminal 62 oder vom Drucker 63 wiedergegebene Protokoll des Mikro-Computers kann etwa folgendermaßen aussehen:

Aus dem Meßprotokoll ist zu entnehmen, daß in den ersten drei Minuten des Schmelzvorgangs keine Störungen auftraten. Nach diesen drei Minuten trat für eine Minute eine Netzstörung auf, die typischerweise einen Lunker bewirkt. Dieser Lunker wurde aufgrund der sonstigen Daten, die dem Mikro- Computer 39 zugeführt wurden, einem bestimmten Ort des Blocks zugeordnet, wobei dieser Ort durch drei Koordinaten x, y, z festgelegt wird. Handelt es sich mehr um einen punktuellen Fehler, so werden statt x- und y- Koordinaten die jeweiligen Bereiche Δ x und Δ y angegeben. Die x-, y- und z-Koordinaten können über die Auswertung von Meßdosensignalen gewonnen werden.

Es versteht sich, daß außer den erwähnten Prozeßgrößen auch noch andere Prozeßgrößen ausgewertet werden können. Beispielsweise ist die Erfassung der Gasentwicklung gerade bei Vakuumlichtbogenöfen von Bedeutung.

Claims

1. Einrichtung für die Erfassung und Auswertung von Prozeßgrößen, die während des Umschmelzens einer Elektrode zu einem Metallblock im Vakuumlichtbogenofen auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen wenigstens einer Prozeßgröße von einem vorgegebenen Verlauf erfaßt und Fehlern in der Elektrode (1, 31) und/oder Metallblock (22, 32) zuge ordnet werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Prozeßgröße Gewicht (G _Ex) der Elektrode (1, 31) von einem vorgegebenen Wert ermittelt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Prozeßgröße Elektrodenlänge (l _Ex) während des Umschmelzvorgangs mit der jeweiligen Prozeßgröße Gewicht (G _Ex) der Elektrode (1, 31) verglichen wird und Abweichungen von einer vorgegebenen l _Ex - G _Ex-Korrelation erfaßt werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Elektrodenlänge (l _Ex) aus der Position der Elektrode (1, 31) bzw. der Elektrodenstange (l _STx) und dem Restgewicht (G _Ex) der Elektrode ermittelt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Gewicht der Elektrode (1, 31) mittels einer Meßvorrichtung (48) erfaßt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe die Schmelzstromstärke ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe die Schmelzspannung ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe die Schmelzrate ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe die Anzahl der Tropfenkurzschlüsse pro Zeiteinheit ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe die Durchflußmenge des Kühlwassers ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß größe der Druck im Ofenkessel ist.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Prozeßgrößen logisch miteinander verknüpft werden.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert einer Prozeßgröße erst bei Überschreiten eines vorgegebenen Werts als Abweichung vom Sollwert erkannt wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert einer Prozeßgröße zur Ermittlung von Abweichungen vom Sollwert nach der Zeit differenziert wird.

16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgröße der Schall ist, der durch das Entstehen von Abweichungen in der Elektrode erzeugt wird.

17. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgröße der Schall ist, der durch das Entstehen von Abweichungen im Block erzeugt wird.

18. Einrichtung nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrofon vorgesehen ist, welches den Schall in elektrische Signale umwandelt.