EP4554745A1 - Induktive schmelzanlage mit automatischer steuerung - Google Patents

Induktive schmelzanlage mit automatischer steuerung

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Publication number
EP4554745A1
EP4554745A1 EP24752376.4A EP24752376A EP4554745A1 EP 4554745 A1 EP4554745 A1 EP 4554745A1 EP 24752376 A EP24752376 A EP 24752376A EP 4554745 A1 EP4554745 A1 EP 4554745A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
melting
inductive
control device
melting system
Prior art date
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Pending
Application number
EP24752376.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henrik Franz
Sergejs SPITANS
Christian Bauer
Andreas Zimmermann
Franz Pfahls
Markus WINTON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ALD Vacuum Technologies GmbH filed Critical ALD Vacuum Technologies GmbH
Publication of EP4554745A1 publication Critical patent/EP4554745A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
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    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F27B14/20—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or like devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/06—Induction heating, i.e. in which the material being heated, or its container or elements embodied therein, form the secondary of a transformer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • B22F2009/0848—Melting process before atomisation
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    • B22F2009/0888—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid casting construction of the melt process, apparatus, intermediate reservoir, e.g. tundish, devices for temperature control
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/003—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals by induction

Definitions

  • the present application relates to a method for operating an inductive melting system.
  • the application also relates to a control device for an inductive melting system and an inductive melting system.
  • the efficiency of an inductive melting process and the quality of the melt produced depend significantly on the existing process conditions. Optimizing the process and achieving consistent results are made more difficult by the fact that the starting electrode material is gradually consumed during the process.
  • the position of the electrode in relation to the coil that causes the induction, as well as the position at which the molten electrode material is exposed to the inert gas flow, for example in the EIGA process, can therefore be changed.
  • known inductive melting systems are designed to advance the electrode towards the coil during the melting process. This compensates for the material consumption in the melting area and keeps the position of the fixed electrode end, where the electrode melts, within a limited area.
  • known inductive melting systems are designed to make the electrode rotationally symmetrical, in particular rod-shaped, and to align it coaxially to the coil axis and the nozzle axis, and to rotate the electrode around the common axis of the coil and nozzle during the melting process. Difficulties traditionally arise from the fact that the melting process is subject to changing conditions. These arise in part from differences between different electrode materials and sizes.
  • the manufacturing result is sensitive to the fluctuations mentioned above because the electrode material is not only melted, but the melted electrode material is to be overheated as precisely as possible by a specified temperature, i.e. the so-called overheating temperature, before further processing, in the case of EIGA processes, for example, before passing through the atomizing nozzle.
  • the overheating of the melt is preferably also carried out using the magnetic field of the coil.
  • the achieved overheating temperature of the melt therefore depends, among other things, on the length of time during which the flowing melt is still in the magnetic field of the coil and absorbs further heat.
  • the residence time of the flowing melt in the magnetic field of the coil depends, among other things, on the position of the melting zone, i.e. the fixed electrode end on the coil side. This position is variable due to the aforementioned fluctuations in the melting process. Visual monitoring of the position of the fixed electrode end for the purpose of controlling the melting process is also made more difficult by the fact that the fixed electrode end is typically not visible due to the melt adhering there.
  • One task is therefore to provide a solution that mitigates or avoids the aforementioned disadvantages.
  • a method for operating an inductive melting system comprises at least one induction coil for Melting an electrode.
  • the method comprises the step of determining, by means of a control device of the inductive melting system, a net heating power of the inductive melting system.
  • the method also comprises determining, by means of the control device, a melting rate, determining, by means of the control device, an overheating temperature of the melted electrode material at least partially based on the net heating power and the melting rate, and controlling, by means of the control device, at least one operating parameter of the inductive melting system on the basis of the determined overheating temperature.
  • the method enables automatic control, in particular automatic regulation or automatic adjustment, of one or more operating parameters of the inductive melting system depending on an existing, in particular a simultaneously occurring, melting process in the inductive melting system.
  • the method can also enable automatic control without the need for sensory, in particular optosensory, detection of the position of an area of the electrode to be melted.
  • control in particular automatic regulation, can be carried out by comparing the determined overheating temperature with an adjustable and/or stored target value of the overheating temperature.
  • the coil module can comprise a plurality of induction coils.
  • a plurality of induction coils of the coil module can be arranged one behind the other in a feed direction of the electrode.
  • the electrical power loss of the coil module can be a difference between the applied operating power of the coil module and the induced electrical power converted into thermal power in the electrode material.
  • the applied operating power can be determined at an input to an overall resonant circuit of the coil module.
  • the electrical power loss can include a power loss of a capacitor bank of the overall resonant circuit, a power loss of the one or more induction coils of the coil module, a power loss of one or more power lines of the coil module and/or a power loss due to one or more stray fields.
  • a heat flow within the electrode in particular a heat flow from the area of the electrode to be melted, can be disregarded.
  • the heat flow within the electrode can be taken into account according to a heat flow characteristic, in particular according to a constant heat flow characteristic, of the electrode material.
  • the inductive melting system may further comprise at least one camera designed to capture image information relating to a melting process of the inductive melting system.
  • the camera may be designed to output an image signal indicative of the image information to the control device.
  • the determination of the melting rate may be carried out at least partially on the basis of the captured image information. take place.
  • the determination of the superheat temperature may further be based at least in part on an enthalpy of the electrode material.
  • Controlling the at least one operating parameter may include comparing the determined superheat temperature with a superheat temperature setpoint, and controlling the at least one operating parameter based on a result of comparing the determined superheat temperature with the superheat temperature setpoint.
  • the at least one operating parameter may include at least one of an operating power of the coil module, an operating current of the induction coil, a feed rate of the electrode, and a position of the induction coil relative to the electrode.
  • the method can be provided for the automatic monitoring and/or control of an operation of the inductive melting plant.
  • a control device for an inductive melting system comprises a processor unit and a storage device that is operatively connected to the processor unit.
  • the processor unit is configured to carry out a method of the type presented here.
  • an inductive melting system for producing metal powder comprises at least one induction coil for melting an electrode and a control device which is designed to operate the inductive melting system according to a method of the type presented here.
  • Fig. 1 shows an inductive melting plant according to an example
  • Fig. 2 shows a method for operating an inductive melting plant according to an example
  • Fig. 3 shows a control device for an inductive melting plant according to an example.
  • Fig. 1 shows a schematic and exemplary inductive melting system 100.
  • the inductive melting system 100 is an EIGA system for producing powder, for example for producing high-purity metal powder.
  • the techniques described below can also be advantageously applied to other types of inductive melting systems, for example those in which the melted electrode material is to be poured, unless this is clear from the following description and from Fig. 1.
  • the inductive melting system 100 comprises a melting and atomization structure 110. This has a melting chamber 112 and an atomization tower 114 arranged underneath.
  • a coil module 120 which comprises at least one induction coil 122, is arranged in the melting chamber 112.
  • the induction coil 122 is supplied with an operating current by means of a power supply device 130 of the inductive melting system 100, current is induced in an electrode E, which is located in the magnetic field of the induction coil 122.
  • the current induced in the electrode E is partially converted into Joule heat, which causes the electrode material to melt.
  • the melted electrode material S falls in the form of a melt jet in the direction of the nozzle 118 of the atomization tower 114 arranged below the induction coil 122.
  • the melted electrode material S is first atomized into melt droplets and then cools to powder, which collects, for example, in a collecting area of the atomization tower 114.
  • the electrode E is clamped in an electrode feed device 116 of the inductive melting system 100. As indicated by the vertical arrow in the area of the electrode E, the electrode feed device 116 enables the electrode E to be pushed forward in the direction of the induction coil 122. The loss of electrode material caused by the melting of the electrode E in the area of the induction coil 122 can thus be prevented during the process. In particular, a position of the melting zone, ie of the coil-side fixed end of the electrode E, in relation to the induction coil 122 can be kept at least approximately constant.
  • the electrode feed device 116 in the example shown is also designed to rotate the electrode E about its longitudinal axis. Rotating the electrode E promotes uniform melting of the electrode E, for example in the case of an asymmetrical heat distribution within the electrode E, for example as a result of asymmetries in the magnetic field, the arrangement of the induction coil 122 and electrode E, the electrode material, etc.
  • the nozzle 118, the induction coil 122 and the electrode E are each aligned vertically and coaxially with each other.
  • the electrode material melted along the underside of the electrode E initially flows together in the region of a lower tip of the electrode E and from there falls under the effect of gravity in the direction of the nozzle 118.
  • the melted electrode material S in the example shown is additionally accelerated by an inert gas stream that is guided from the melting chamber 112 through the nozzle 118 into the atomization tower 114.
  • the overheating temperature generated in the melted electrode material S during operation of the inductive melting system 100 depends on various influences that vary during operation of the inductive melting system 100.
  • a position of the coil-side fixed end of the electrode E that is as constant as possible is desirable, since this advantageously allows a uniform process to be set.
  • the magnetic field of the induction coil 122 becomes weaker with increasing distance from the induction coil 122.
  • the distance between the electrode E and the induction coil 122 increases, for example as a result of a temporarily too slow feed rate of the electrode feed device 116, the power input in the form of induced current in the electrode E therefore becomes smaller.
  • the melted electrode material S is exposed to the magnetic field of the induction coil 122 over a longer falling distance and thus over a longer period of time, so that a different overheating temperature of the melted electrode material S results.
  • the electrode E is further away from the induction coil 122 in the example in Fig. 1, the inert gas flow will act on the melted electrode material S earlier, i.e.
  • the melting process is self-stabilizing in that the melting rate adjusts itself to the feed rate of the electrode E over a wide range.
  • the position of the melting zone and thus a distance of the coil-side fixed end of the electrode E from the induction coil 122 varies however depending on the feed speed.
  • the melting process is also self-stabilizing with respect to changes in the applied operating power of the coil module.
  • the distance between the coil-side fixed end of the electrode E and the induction coil 122 is adjusted depending on the applied operating power.
  • Control of the operation of the inductive melting system 100 in favor of a uniform atomization result can basically be carried out via various operating parameters of the inductive melting system 100. These are, for example, an operating current of the induction coil 122, a feed rate of the electrode feed device 116 and/or a speed of the inert gas flow. Due to the complex effects of a variation of most of these parameters, however, it is advantageous to only regulate the feed rate of the electrode feed device 116 in such a way that the overheating temperature of the melted electrode material S is kept as constant as possible, corresponding to a constant position of the fixed coil-side end of the electrode E in relation to the induction coil 122. Such control of the melting process is, however, made more difficult by the fact that an exact position of the coil-side fixed end of the electrode E is typically not visible due to the melt adhering there.
  • a control of the feed rate of the electrode feed device 116 is described in more detail below with reference to Fig. 1.
  • the techniques described therein can also be used advantageously in a different way to control an inductive melting system.
  • the techniques described can also be used to control at least one other or further operating parameter of the inductive melting system 100 other than a feed rate and/or for a purpose other than achieving a uniform process result.
  • the inductive melting system 100 comprises a control device 160 which is connected to a cooling circuit 140 of the inductive melting system 100.
  • the cooling circuit 140 is provided for cooling the induction coil 122.
  • the cooling circuit 140 is designed to detect a heat conversion that occurs in the cooling circuit 140 when the induction coil 122 is cooled.
  • the cooling circuit 140 is also designed to output a data signal that indicates the detected heat conversion to the control device 160.
  • the induction coil 122 is heated up both by Joule heat that is generated in the induction coil 122 by the operating current of the induction coil 122 itself and by heat transferred from the environment of the induction coil. 122, in particular by radiated heat from the electrode E and the melted electrode material S.
  • the control device 160 of the inductive melting system 100 is designed to control an operating power of the coil module 120.
  • the control device 160 is connected in a controlling manner to the power supply device 130.
  • the control device 160 is also connected to the electrode feed device 116 and is designed to control a feed speed of the electrode E by means of the electrode feed device 116.
  • the inductive melting system 100 also includes a camera 150.
  • the camera 150 is arranged to capture image information related to the melting process.
  • the camera 150 is connected to the control device 160 and is designed to output image signals to the control device 160.
  • the amount of heat converted in the cooling circuit 140 depends on the amount of heat present in the induction coil 122. This is made up of Joule heat as a result of the operating current of the induction coil 122 and of heat that is given off to the induction coil 122 by the heated electrode material of the electrode E and the melted electrode material S, mainly by thermal radiation.
  • the contribution of the Joule heat in the induction coil 122 to the heat conversion in the cooling circuit 140 is determined primarily by the operating power of the induction coil 122. This corresponds to an operating power of the coil module 120 minus an electrical power loss of the coil module 120. Based on the operating power of the coil module 120, which is controlled by the control device 160 via the power supply device 130, the contribution of Joule heat present in the induction coil 122 to the heat conversion recorded in the cooling circuit 140 and transmitted to the control device 160 can therefore be calculated by means of the control device 160. For this purpose, an assignment is stored in the control device 160, for example, between different operating powers of the coil module 120 and a respective proportion of the detected heat conversion in the cooling circuit 140 attributable to Joule heat in the induction coil 122.
  • the remaining part of the heat conversion which is recorded in the cooling circuit 140 and transmitted to the control device 160, is attributable to the thermal effect of the heated electrode material on the induction coil 122.
  • the remaining part of the recorded heat conversion therefore indicates the heat loss currently occurring during the melting process, i.e. heat generated in the electrode material and then released again, which therefore does not effectively contribute to heating the electrode material up to the overheating temperature.
  • a net heating power of the inductive melting system 100 for the current process can thus be determined by means of the control device 160.
  • the net heating power is that portion of the electrical operating power of the induction coil 122 which is converted into heat in the electrode E and the melted electrode material S and is not released back into the environment until the intended temperature, for example the intended overheating temperature, is reached.
  • the melting rate is also proportional to the feed rate of the electrode E.
  • the feed rate which is achieved by means of the electrode feed device 116, is also controlled by means of the control device 160.
  • the control device 160 can therefore also be used to determine a relationship between the heat effectively supplied and the amount of electrode material that is melted and superheated using this heat. From this, the resulting superheating temperature of the melted electrode material S can be determined by means of the control device 160, for example based on the enthalpy specific to the respective electrode material and stored in the control device 160.
  • the control device 160 is further designed to control at least one operating parameter of the inductive melting system 100 on the basis of the determined overheating temperature.
  • the control device 160 is configured to regulate at least one operating parameter of the inductive melting system 100 in order to achieve a constant overheating temperature of the melted electrode material S.
  • Fluctuations in the heat conversion recorded by means of the cooling circuit 140 while the controllable operating parameters of the inductive melting system 100 are kept constant indicate irregularities in the melting process. These can result, for example, from inhomogeneities in the electrode material or fluctuations in the inert gas flow.
  • the control device 160 is designed, for example, to vary one or more operating parameters, such as the feed rate of the electrode E by means of the electrode feed device 116, in order to counteract the effect of the irregularities on the overheating temperature of the melted electrode material S.
  • control device 160 allows the control of at least one other or at least one further operating parameter other than the feed rate.
  • control of the at least one operating parameter also takes place according to a different or further criterion than a constant superheat temperature.
  • heat flow from a melting zone of the electrode E to more distant areas of the electrode E is also taken into account when determining the net heating power. This is done, for example, using a constant or temperature-dependent characteristic value for the electrode E. In other examples, heat flow from the melting zone of the electrode E is not taken into account when determining the net heating power. This simplifies the determination of the net heating power by means of the control device 160 and has only a negligible influence in many applications, for example relevant electrode materials and sizes.
  • the inductive melting system 100 further comprises a camera 150.
  • the camera is connected to the control device 160 and is aligned such that it captures image information relating to the melting process and outputs corresponding image data to the control device 160.
  • the image data are processed by the control device 160 in addition or alternatively, ie decoupled from the Feed rate of the electrode E is used to determine the melting rate.
  • the camera 150 records at least one characteristic, for example a thickness, of the melt jet.
  • a thickness of the melt jet can be determined by photometric evaluation of the image data using the control device 160.
  • the thickness of the melt jet varies depending on the melting rate present.
  • the image information recorded by the camera 150 thus allows an improved determination of the actual melting rate, for example when the melting process is not in dynamic equilibrium with regard to the melting rate.
  • a position of the induction coil 122 can also be controllably changed.
  • the position of the induction coil can be controllably changed, for example, parallel and/or transversely to the feed direction of the electrode E.
  • a distance of the induction coil 122 from the electrode E can be varied for a short time.
  • a fall height of the melted electrode material S can be varied, for example with otherwise constant controllable operating parameters of the inductive melting system 100.
  • an influence of the magnetic field of the induction coil 122 on the electrode E can be varied, for example for a short time, asymmetrically, i.e. eccentrically, to the coil axis, to the longitudinal axis of the electrode E and/or to the nozzle axis.
  • a fall height of the melted electrode material S can be kept constant, for example.
  • a position of the nozzle 118 parallel and/or transverse to the feed direction of the electrode E can be controllably changed for at least some of the aforementioned purposes.
  • Fig. 2 shows a flow chart for a method 200 for operating an inductive melting system.
  • the method 200 can be carried out, for example, using the inductive melting system 100, as described above.
  • the control device 300 comprises a processor unit 310 and a storage device 320 operatively connected to the processor unit 310.
  • the processor unit 310 is connected to the storage device 320 in such a way that the processor unit 310 has read access to program code stored in the storage device 320.
  • the processor unit 310 is also programmable using program code stored in the storage device 320.
  • the processor unit 310 is designed to execute program code stored in the storage device 320.
  • the control device 300 comprises at least one input interface 312 for receiving data signals by means of the processor unit 310 and at least one output interface 314 for outputting data signals, for example control signals, which are generated by means of the processor unit 310.
  • the storage device 320 contains program code which, when executed by means of the processor unit 310, configures the control device 300 to carry out a method as described above in connection with Figs. 1 and 2, in particular to control at least one operating parameter of an inductive melting system.
  • the storage device 320 contains program code which, in cooperation with the processor unit 310, forms a net heating power determination module 322.
  • the net heating power determination module 322 allows the determination of a net heating power of the inductive melting system, for example according to step 210 of the method 200.
  • the storage device 320 also contains program code corresponding to an operating parameter control module 328.
  • the operating parameter control module 328 allows Controlling at least one operating parameter of the inductive melting system on the basis of the determined superheat temperature, for example according to step 240 of the method 200.

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Abstract

Ein Verfahren (200) zum Betreiben einer induktiven Schmelzanlage (100), die wenigstens eine Induktionsspule (122) zum Anschmelzen einer Elektrode (E) aufweist, umfasst Bestimmen (210), mittels einer Steuerungseinrichtung (160) der induktiven Schmelzanlage (100), einer Netto-Heizleistung der induktiven Schmelzanlage (100). Das Verfahren umfasst außerdem Be- stimmen (220), mittels der Steuerungseinrichtung (160), einer Schmelzrate, Ermitteln (230), mit- tels der Steuerungseinrichtung (160), einer Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials (S) wenigstens teilweise auf der Grundlage der Netto-Heizleistung und der Schmelzrate, und Steuern (240), mittels der Steuerungseinrichtung (160), wenigstens eines Betriebsparameters der induktiven Schmelzanlage (100) auf der Grundlage der ermittelten Überhitzungstemperatur.

Description

Induktive Schmelzanlage mit automatischer Steuerung
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer induktiven Schmelzanlage. Die Anmeldung betrifft ferner eine Steuerungseinrichtung für eine induktive Schmelzanlage und eine induktive Schmelzanlage.
Technischer Hintergrund
Anlagen zum induktiven Schmelzen von Material sind bekannt. In möglichen Anwendungen erfolgt dabei ein anschließendes Vergießen des geschmolzenen Materials in einer Gussform oder ein anschließendes Verdüsen des geschmolzenen Materials, beispielsweise zum Zweck der Pulverherstellung. Typischerweise wird in dem zu schmelzenden Material mittels einer oder mehrerer Spulen Strom induziert. Der Strom bewirkt ein Schmelzen des Materials, das dabei als Elektrode für den induzierten Strom fungiert. Das geschmolzene Elektrodenmaterial, das typischerweise in Form eines Schmelzestrahls vorliegt, wird danach beispielsweise in eine Gussform geleitet. Bei dem als EIGA (Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization) bezeichneten Verfahren, das zur Pulverherstellung dient, wird dagegen der Schmelzestrahl mittels eines Inertgas-Stroms beschleunigt und zusammen mit dem Inertgas-Strom durch eine Verstäu- bungsdüse geleitet. Der verstäubte Schmelzestrahl erkaltet daraufhin zu Pulver.
Die Effizienz eines induktiven Schmelzverfahrens und die Beschaffenheit der dabei erzeugten Schmelze hängen erheblich von den bestehenden Prozessbedingungen ab. Eine Optimierung des Verfahrens und gleichbleibende Resultate sind dadurch erschwert, dass das Ausgangs- Elektrodenmaterial bei dem Verfahren fortschreitend verbraucht wird. Eine Position der Elektrode in Bezug auf die Spule, die die Induktion bewirkt, aber auch eine Position, an der beispielsweise beim EIGA-Verfahren das geschmolzene Elektrodenmaterial dem Inertgas-Strom ausgesetzt wird, sind daher veränderlich.
Um annähernd gleichbleibende Prozessbedingungen zu schaffen, ist bei bekannten induktiven Schmelzanlagen vorgesehen, die Elektrode während des Schmelzvorgangs in Richtung auf die Spule vorzuschieben. Dadurch lässt sich der Materialverbrauch im Schmelzbereich kompensieren und eine Position des festen Elektrodenendes, an dem das Abschmelzen der Elektrode erfolgt, in einem begrenzten Bereich halten. Zudem ist bei bekannten induktiven Schmelzanlagen für ein möglichst gleichmäßiges Abschmelzen der Elektrode vorgesehen, die Elektrode rotationssymmetrisch, insbesondere stabförmig, auszubilden und koaxial zur Spulenachse und zur Düsenachse auszurichten, und die Elektrode während des Schmelzprozesses um die gemeinsame Achse von Spule und Düse rotieren zu lassen. Schwierigkeiten ergeben sich herkömmlich daraus, dass der Schmelzprozess veränderlichen Bedingungen unterliegt. Diese ergeben sich zum Teil aus Unterschieden zwischen verschiedenen Elektrodenmaterialien und -großen. Sie folgen aber auch unvermeidbar aus stets vorhandenen Asymmetrien in der mechanischen Anordnung von Elektrode und Spule, Inhomogenitäten im verwendeten Elektrodenmaterial, Fluktuationen im Betriebsstrom der Spule, gegebenenfalls Schwankungen im Inertgas-Strom, und ähnlichen veränderlichen Gegebenheiten bei dem Betrieb einer induktiven Schmelzanlage. Zwar ist oft eine geeignete mittlere Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode für einen konkreten Prozess bestimmbar. Dennoch können sich kurzfristige Schwankungen der genannten Art nachteilig auf das Herstellungsergebnis auswirken.
Eine Empfindlichkeit des Herstellungsergebnisses bezüglich der voranstehend genannten Schwankungen folgt bei vielen Anwendungen zudem daraus, dass das Elektrodenmaterial nicht nur abgeschmolzen wird, sondern das abgeschmolzene Elektrodenmaterial vor einer weiteren Verarbeitung, bei EIGA-Verfahren beispielsweise vor dem Passieren der Verstäubungsdüse, über die Schmelztemperatur hinaus möglichst genau um eine vorgesehene Temperatur, d.h. die sogenannte Überhitzungstemperatur, überhitzt werden soll. Das Überhitzen der Schmelze erfolgt dabei vorzugsweise ebenfalls mittels des Magnetfelds der Spule. Die erzielte Überhitzungstemperatur der Schmelze hängt deshalb unter anderem von der Dauer ab, während der die abfließende Schmelze sich noch im Magnetfeld der Spule befindet und dabei weitere Wärme aufnimmt.
Die Verweildauer der abfließenden Schmelze im Magnetfeld der Spule hängt unter anderem von der Position der Schmelzzone ab, d.h. des spulenseitigen festen Elektrodenendes. Diese Position ist wegen der vorgenannten Schwankungen des Schmelzprozesses veränderlich. Eine visuelle Überwachung der Position des festen Elektrodenendes zum Zweck einer Steuerung des Schmelzprozesses ist zudem dadurch erschwert, dass das feste Elektrodenende wegen der dort anhaftenden Schmelze typischerweise nicht sichtbar ist.
Es besteht daher eine Aufgabe darin, eine Lösung bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile abmildert oder vermeidet.
Abriss der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Steuerungseinrichtung nach Anspruch 14 und eine induktive Schmelzanlage nach Anspruch 15 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer induktiven Schmelzanlage vorgestellt. Die induktive Schmelzanlage umfasst wenigstens eine Induktionsspule zum Anschmelzen einer Elektrode. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Bestimmens, mittels einer Steuerungseinrichtung der induktiven Schmelzanlage, einer Netto-Heizleistung der induktiven Schmelzanlage. Das Verfahren umfasst außerdem ein Bestimmen, mittels der Steuerungseinrichtung, einer Schmelzrate, ein Ermitteln, mittels der Steuerungseinrichtung, einer Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials wenigstens teilweise auf der Grundlage der Netto-Heizleistung und der Schmelzrate, und ein Steuern, mittels der Steuerungseinrichtung, wenigstens eines Betriebsparameters der induktiven Schmelzanlage auf der Grundlage der ermittelten Überhitzungstemperatur.
Das Verfahren ermöglicht ein automatisches Steuern, insbesondere ein automatisches Regeln oder ein automatisches Anpassen, eines oder mehrerer Betriebs para meter der induktiven Schmelzanlage in Abhängigkeit von einem vorliegenden, insbesondere einem gleichzeitig stattfindenden, Abschmelzvorgang in der induktiven Schmelzanlage. Das Verfahren kann zudem das automatische Steuern ohne das Erfordernis eines sensorischen, insbesondere eines optosensorischen, Erfassens der Position eines zu schmelzenden Bereichs der Elektrode ermöglichen.
Dies ist erreichbar durch das kombinierte Berücksichtigen einer Netto-Heizleistung, einer Schmelzrate und einer Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials. Das Steuern, insbesondere ein automatisches Regeln, kann dabei anhand eines Vergleichens der ermittelten Überhitzungstemperatur mit einem einstellbaren und/oder gespeicherten Sollwert der Überhitzungstemperatur erfolgen.
Die induktive Schmelzanlage kann eine EIGA-Anlage zum Herstellen von Pulver sein. Dabei kann die induktive Schmelzanlage ferner wenigstens eine Düse zum Verdüsen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials umfassen.
Die Netto-Heizleistung kann eine zu einem Aufwärmen und einem Abschmelzen des Elektrodenmaterials sowie zu einem Überhitzen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials beitragende Heizleistung sein. Die Netto-Heizleistung kann dabei einer in dem Elektrodenmaterial in Wärmeleistung umgesetzten und zum Aufwärmen des Elektrodenmaterials effektiv beitragenden induzierten elektrischen Leistung entsprechen. Ein effektiver Beitrag der induzierten elektrischen Leistung zum Aufwärmen des Elektrodenmaterials kann einem Betrag der in dem Elektrodenmaterial in Wärmeleistung umgesetzten induzierten elektrischen Leistung abzüglich einer Wärmeverlustleistung, insbesondere infolge von Wärmestrahlung, die von dem Elektrodenmaterial abgegeben wird, und, optional, infolge von Wärmeabfluss innerhalb der Elektrode, entsprechen. Das Bestimmen der Netto-Heizleistung kann wenigstens teilweise auf der Grundlage einer Wärmeverlustleistung, insbesondere infolge von Wärmestrahlung, erfolgen. Das Bestimmen der Netto-Heizleistung kann zudem wenigstens teilweise auf der Grundlage wenigstens eines aus einer angelegten Betriebsleistung eines Spulenmoduls der induktive Schmelzanlage, das die Induktionsspule umfasst, und einer elektrischen Verlustleistung des Spulenmoduls erfolgen.
Das Spulenmodul kann mehrere Induktionsspulen umfassen. Insbesondere können mehrere Induktionsspulen des Spulenmoduls in einer Vorschubrichtung der Elektrode hintereinander angeordnet sein.
Die elektrische Verlustleistung des Spulenmoduls kann einer Differenz zwischen der angelegten Betriebsleistung des Spulenmoduls und der in dem Elektrodenmaterial in Wärmeleistung umgesetzten induzierten elektrischen Leistung sein. Die angelegte Betriebsleistung kann an einem Eingang zu einem Gesamtschwingkreis des Spulenmoduls bestimmt werden. Die elektrische Verlustleistung kann eine Verlustleistung einer Kondensatorbank des Gesamtschwingkreises, eine Verlustleistung der einen oder mehreren Induktionsspulen des Spulenmoduls, eine Verlustleistung einer oder mehrerer Stromleitungen des Spulenmoduls und/oder eine Verlustleistung infolge von einem oder mehreren Streufeldern umfassen.
Das Bestimmen der Netto-Heizleistung kann wenigstens teilweise auf der Grundlage einer Differenz zwischen der angelegten Betriebsleistung des Spulenmoduls und einer Kombination der elektrischen Verlustleistung des Spulenmoduls und der Wärmeverlustleistung erfolgen.
Die induktive Schmelzanlage kann ferner einen Kühlkreis für die wenigstens eine Induktionsspule umfassen. Dabei kann die Wärmeverlustleistung, insbesondere infolge von Wärmestrahlung, wenigstens teilweise auf der Grundlage eines Wärmeumsatzes des Kühlkreises ermittelt werden.
Bei einem Bestimmen der Wärmeverlustleistung kann ein Wärmefluss innerhalb der Elektrode, insbesondere ein Wärmeabfluss von dem zu schmelzenden Bereich der Elektrode, unberücksichtigt sein. Alternativ kann bei dem Bestimmen der Wärmeverlustleistung der Wärmefluss innerhalb der Elektrode gemäß einem Wärmeabflusskennwert, insbesondere gemäß einem konstanten Wärmeabflusskennwert, des Elektrodenmaterials berücksichtigt sein.
Die induktive Schmelzanlage kann ferner wenigstens eine Kamera umfassen, die dazu ausgebildet ist, Bildinformationen, die auf einen Abschmelzvorgang der induktiven Schmelzanlage bezogen sind, zu erfassen. Die Kamera kann dazu ausgebildet sein, ein Bildsignal, das auf die Bildinformationen hinweist, an die Steuerungseinrichtung auszugeben. Das Bestimmen der Schmelzrate kann wenigstens teilweise auf der Grundlage der erfassten Bildinformationen erfolgen.
Das Bestimmen der Schmelzrate kann wenigstens teilweise auf der Grundlage einer fotometrischen Auswertung der erfassten Bildinformationen erfolgen. Die fotometrische Auswertung kann dabei auf wenigstens eine Charakteristik, insbesondere wenigstens eine Breite, eines Schmelzestrahls des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials gerichtet sein.
Das Ermitteln der Überhitzungstemperatur kann ferner wenigstens teilweise auf der Grundlage einer Enthalpie des Elektrodenmaterials erfolgen.
Das Steuern des wenigstens einen Betriebsparameters kann umfassen Vergleichen der ermittelten Überhitzungstemperatur mit einem Sollwert der Überhitzungstemperatur, und Steuern des wenigstens einen Betriebsparameters auf der Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichens der ermittelten Überhitzungstemperatur mit dem Sollwert der Überhitzungstemperatur.
Der wenigstens eine Betriebsparameter kann wenigstens eines aus der Betriebsleistung des Spulenmoduls, einem Betriebsstrom der Induktionsspule, einer Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode und einer Position der Induktionsspule in Bezug auf die Elektrode umfassen.
Das Verfahren kann zur automatischen Überwachung und/oder Regelung eines Betriebs der induktiven Schmelzanlage vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuerungseinrichtung für eine induktive Schmelzanlage vorgestellt. Die Steuerungseinrichtung umfasst eine Prozessoreinheit und eine Speichervorrichtung, die mit der Prozessoreinheit operativ verbunden ist. Die Prozessoreinheit ist dabei konfiguriert zum Durchführen eines Verfahrens der hier vorgestellten Art.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine induktive Schmelzanlage zum Herstellen von Metallpulver vorgestellt. Die induktive Schmelzanlage umfasst wenigstens eine Induktionsspule zum Anschmelzen einer Elektrode und eine Steuerungseinrichtung, die zum Betreiben der induktiven Schmelzanlage gemäß einem Verfahren der hier vorgestellten Art ausgebildet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Merkmale, Ziele und Vorzüge der Erfindung werden anhand der Figuren und der ausführlichen Beschreibung deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine induktive Schmelzanlage gemäß einem Beispiel; Fig. 2 ein Verfahren zum Betreiben einer induktiven Schmelzanlage gemäß einem Beispiel, und
Fig. 3 eine Steuerungseinrichtung für eine induktive Schmelzanlage gemäß einem Beispiel.
Ausführliche Beschreibung
Fig. 1 zeigt schematisch und exemplarisch eine induktive Schmelzanlage 100. Bei der induktiven Schmelzanlage 100 handelt es sich in dem gezeigten Beispiel um eine EIGA-Anlage zur Herstellung von Pulver, beispielsweise zur Herstellung von hochreinem Metallpulver. Die nachfolgend beschriebenen Techniken sind jedoch auch auf andere Arten von induktiven Schmelzanlagen, beispielsweise solche, bei denen ein Vergießen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials vorgesehen ist, vorteilhaft anwendbar, soweit sich das nicht aus der folgenden Beschreibung und aus Fig. 1 ergibt.
Die induktive Schmelzanlage 100 umfasst in dem gezeigten Beispiel einen Schmelz- und Ver- düsungsaufbau 110. Dieser weist eine Schmelzkammer 112 und einen darunter angeordneten Verdüsungsturm 114 auf.
In der Schmelzkammer 112 ist ein Spulenmodul 120, das wenigstens eine Induktionsspule 122 umfasst, angeordnet. Bei einem Beaufschlagen der Induktionsspule 122 mit einem Betriebsstrom mittels einer Stromversorgungseinrichtung 130 der induktiven Schmelzanlage 100 wird in einer Elektrode E, die sich in dem Magnetfeld der Induktionsspule 122 befindet, Strom induziert. Der in der Elektrode E induzierte Strom wird dort teilweise in joulesche Wärme umgesetzt, die ein Schmelzen des Elektrodenmaterials bewirkt.
Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, fällt bei dem gezeigten Beispiel das abgeschmolzene Elektrodenmaterial S in Form eines Schmelzestrahls in Richtung auf die unterhalb der Induktionsspule 122 angeordnete Düse 118 des Verdüsungsturms 114. Beim Passieren der Düse 118 wird das abgeschmolzene Elektrodenmaterial S zunächst in Schmelzetröpfchen verstäubt und erkaltet anschließend zu Pulver, das sich beispielsweise in einem Auffangbereich des Verdüsungsturms 114 sammelt.
Die Elektrode E ist in einer Elektrodenzuführeinrichtung 116 der induktiven Schmelzanlage 100 eingespannt. Wie durch den vertikalen Pfeil im Bereich der Elektrode E angedeutet, ermöglicht die Elektrodenzuführeinrichtung 116 ein Vorschieben der Elektrode E in Richtung auf die Induktionsspule 122. Der durch das Abschmelzen der Elektrode E im Bereich der Induktionsspule 122 bewirkte Schwund von Elektrodenmaterial lässt sich so während des Prozesses ausgleichen. Insbesondere lässt sich eine Position der Schmelzzone, d.h. des spulenseitigen festen Endes der Elektrode E, in Bezug auf die Induktionsspule 122 zumindest annähernd konstant halten.
Wie durch den gekrümmten Pfeil im Bereich der Elektrode E angedeutet, ist die Elektrodenzuführeinrichtung 116 in dem gezeigten Beispiel außerdem zum Rotieren der Elektrode E um deren Längsachse ausgebildet. Ein Rotieren der Elektrode E begünstigt ein gleichmäßiges Abschmelzen der Elektrode E, beispielsweise im Fall einer asymmetrischen Wärmeverteilung innerhalb der Elektrode E, etwa infolge von Asymmetrien des Magnetfelds, der Anordnung von Induktionsspule 122 und Elektrode E, des Elektrodenmaterials, etc.
In dem gezeigten Beispiel der induktiven Schmelzanlage 100 sind die Düse 118, die Induktionsspule 122 und die Elektrode E jeweils vertikal und koaxial zueinander ausgerichtet. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, fließt dabei das entlang der Unterseite der Elektrode E geschmolzene Elektrodenmaterial zunächst im Bereich einer unteren Spitze der Elektrode E zusammen und fällt von dort unter der Wirkung der Schwerkraft in Richtung auf die Düse 118. Wie durch den gekrümmten Pfeil im Bereich der Düse 118 angedeutet, wird das abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S bei dem gezeigten Beispiel zusätzlich durch einen Inertgas-Strom, der von der Schmelzkammer 112 durch die Düse 118 in den Verdüsungsturm 114 geleitet ist, beschleunigt.
Es versteht sich jedoch, dass die nachfolgend beschriebenen Techniken auch auf induktive Schmelzanlagen mit hiervon abweichenden Anordnungen von Elektrode E, Spulenmodul 120, Düse 118 und/oder Inertgas-Strom anwendbar sind. Die nachfolgend beschriebenen Techniken sind insbesondere auch auf induktive Schmelzanlagen anwendbar, bei denen anstelle eines Verdüsens ein Vergießen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S vorgesehen ist, und/oder bei denen das Spulenmodul 120 mehr als eine Induktionsspule, beispielsweise zwei oder mehr in Vorschubrichtung der Elektrode E hintereinander angeordnete Induktionsspulen umfasst. Zudem findet in weiteren Beispielen der induktiven Schmelzanlage 100 eine Ver- düsung des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S durch mehrere, beispielsweise hintereinander angeordnete, Düsen und/oder unter Verwendung eines seitlich zugeführten Inertgas- Stroms statt. In weiteren Beispielen der induktiven Schmelzanlage 100 ist zudem eine von einer vertikalen Ausrichtung der Elektrode E abweichende Aufspannung der Elektrode E vorgesehen.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, umfasst die Induktionsspule 122 typischerweise mehrere Spulenwindungen, die sich in Vorschubrichtung der Elektrode E trichterartig verjüngen. Dies begünstigt einen effizienten Leistungseintrag von der Induktionsspule 122 in das Elektrodenmaterial durch eine dichte räumliche Anordnung von Induktionsspule 122 und Elektrode E. Gleichzeitig wird so ein Zusammenfließen des geschmolzenen Elektrodenmaterials zur Elektrodenspitze und ein Abfließen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S in Form eines gebündelten Schmelzestrahls begünstigt. Das ist vorteilhaft für eine gleichmäßige Verdüsung des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S. Es begünstigt außerdem das Einstellen einer vorgesehenen Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S, besonders mittels der unteren Spulenwindungen der Induktionsspule 122.
Wie eingangs beschrieben, ist die beim Betrieb der induktiven Schmelzanlage 100 in dem abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S erzeugte Überhitzungstemperatur von verschiedenen Einflüssen abhängig, die während des Betriebs der induktiven Schmelzanlage 100 variieren. Wie nachstehend erläutert, ist insbesondere zum Erzielen einer konstanten Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S eine möglichst konstante Position des spulenseitigen festen Endes der Elektrode E wünschenswert, da so ein gleichmäßiger Prozess vorteilhaft einstellbar ist.
Das Magnetfeld der Induktionsspule 122 wird mit zunehmender Entfernung von der Induktionsspule 122 schwächer. Bei einem größer werdenden Abstand der Elektrode E von der Induktionsspule 122, etwa infolge einer zeitweilig zu langsamen Vorschubgeschwindigkeit der Elektrodenzuführeinrichtung 116, wird daher ein Leistungseintrag in Form von induziertem Strom in der Elektrode E kleiner. Soweit dabei dennoch ein Abschmelzen von Elektrodenmaterial erfolgt, wird das abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S über eine längere Fallstrecke und damit über einen längeren Zeitraum dem Magnetfeld der Induktionsspule 122 ausgesetzt, sodass sich eine abweichende Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S ergibt. Außerdem wird bei einer größeren Entfernung der Elektrode E von der Induktionsspule 122 bei dem Beispiel in Fig. 1 der Inertgas-Strom schon früher, d. h. über eine längere Strecke, auf das abgeschmolzene Elektrodenmaterial S, beispielsweise bis zu dessen Verdüsung, einwirken. Ein damit einhergehendes Abkühlen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S durch den Inert- gas-Strom wird dadurch ebenfalls verändert. Auch eine Beschleunigung des Schmelzestroms mittels des Inertgas-Stroms und mittels der Schwerkraft wird infolge der längeren Fallstrecke verändert.
Umgekehrt wird bei einer zeitweilig zu schnellen Vorschubgeschwindigkeit der Elektrodenzuführeinrichtung 116 ein Abstand der Elektrode E von der Induktionsspule 122 geringer. Dadurch erhöht sich ein Leistungseintrag in Form von induziertem Strom in der Elektrode E, wogegen die Fallstrecke des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S verkürzt wird.
Wegen der starken Abhängigkeit der Magnetfeldstärke vom Spulenabstand ist der Schmelzprozess dahingehend selbststabilisierend, dass sich die Schmelzrate über einen weiten Bereich jeweils auf die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode E einstellt. Die Lage der Schmelzzone und damit ein Abstand des spulenseitigen festen Endes der Elektrode E von der Induktionsspule 122 variieren dabei jedoch je nach Vorschubgeschwindigkeit.
Analog dazu ist der Schmelzprozess auch selbststabilisierend in Bezug auf Veränderungen der angelegten Betriebsleistung des Spulenmoduls. Bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit stellt sich auch in diesem Fall der Abstand des spulenseitigen festen Endes der Elektrode E von der Induktionsspule 122 je nach angelegter Betriebsleistung ein.
Eine Steuerung des Betriebs der induktiven Schmelzanlage 100 zugunsten eines gleichmäßigen Verdüsungsergebnisses kann grundsätzlich über verschiedene Betriebsparameter der induktiven Schmelzanlage 100 erfolgen. Das sind beispielsweise ein Betriebsstrom der Induktionsspule 122, eine Vorschubgeschwindigkeit der Elektrodenzuführeinrichtung 116 und/oder eine Geschwindigkeit des Inertgas-Stroms. Wegen der komplexen Auswirkungen einer Variation der meisten dieser Parameter ist es jedoch vorteilhaft, lediglich die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrodenzuführeinrichtung 116 derart zu regeln, dass die Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S möglichst konstant gehalten wird, entsprechend einer konstanten Position des festen spulenseitigen Endes der Elektrode E in Bezug auf die Induktionsspule 122. Eine solche Steuerung des Schmelzprozesses ist jedoch dadurch erschwert, dass eine genaue Position des spulenseitigen festen Endes der Elektrode E wegen der dort anhaftenden Schmelze typischerweise nicht sichtbar ist.
Eine Regelung der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrodenzuführeinrichtung 116 ist im Folgenden anhand von Fig. 1 näher beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die dabei beschriebenen Techniken auch auf hiervon abweichende Weise vorteilhaft zur Steuerung einer induktiven Schmelzanlage verwendet werden können. Insbesondere sind die beschriebenen Techniken auch zur Steuerung wenigstens eines anderen oder weiteren Betriebsparameters der induktiven Schmelzanlage 100 abweichend von einer Vorschubgeschwindigkeit und/oder zu einem anderen Zweck als zum Erzielen eines gleichmäßigen Prozessergebnisses anwendbar.
Die induktive Schmelzanlage 100 umfasst eine Steuerungseinrichtung 160, die mit einem Kühlkreis 140 der induktiven Schmelzanlage 100 verbunden ist. Der Kühlkreis 140 ist zum Kühlen der Induktionsspule 122 vorgesehen. Der Kühlkreis 140 ist dazu ausgebildet, einen Wärmeumsatz, der in dem Kühlkreis 140 beim Kühlen der Induktionsspule 122 erfolgt, zu erfassen. Der Kühlkreis 140 ist außerdem dazu ausgebildet ein Datensignal, das auf den erfassten Wärmeumsatz hinweist, an die Steuerungseinrichtung 160 auszugeben. Während eines Betriebs der induktiven Schmelzanlage 100 erfolgt ein Aufwärmen der Induktionsspule 122 sowohl durch joulesche Wärme, die in der Induktionsspule 122 durch den Betriebsstrom der Induktionsspule 122 selbst entsteht, als auch durch übertragene Wärme aus der Umgebung der Induktionsspule 122, insbesondere durch abgestrahlte Wärme der Elektrode E und des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S.
Die Steuerungseinrichtung 160 der induktiven Schmelzanlage 100 ist dazu ausgebildet, eine Betriebsleistung des Spulenmoduls 120 zu steuern. Dazu ist die Steuerungseinrichtung 160 mit der Stromversorgungseinrichtung 130 steuernd verbunden. Die Steuerungseinrichtung 160 ist außerdem mit der Elektrodenzuführeinrichtung 116 verbunden und dazu ausgebildet, eine Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode E mittels der Elektrodenzuführeinrichtung 116 zu steuern.
In dem Beispiel von Fig. 1 umfasst die induktive Schmelzanlage 100 außerdem eine Kamera 150. Die Kamera 150 ist so angeordnet, dass sie Bildinformationen, die auf den Schmelzprozess bezogen sind, erfasst. Die Kamera 150 ist mit der Steuerungseinrichtung 160 verbunden und dazu ausgebildet, Bildsignale an die Steuerungseinrichtung 160 auszugeben.
Wegen der selbststabilisierenden Eigenschaften des Schmelzprozesses, wie voranstehend erläutert, entspricht ein Betrieb der induktiven Schmelzanlage 100 im eingefahrenen Prozess angenähert einem dynamischen Gleichgewicht. Dabei besteht eine direkte Beziehung zwischen der Betriebsleistung des Spulenmoduls 120, der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrodenzuführeinrichtung 116, der Schmelzrate (diese ist, wie voranstehend erläutert, bei angenommenem dynamischem Gleichgewicht proportional zu der Vorschubgeschwindigkeit), dem Wärmeumsatz in dem Kühlkreis 140 und der Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S.
Die in dem Kühlkreis 140 umgesetzte Wärmemenge ist abhängig von der in der Induktionsspule 122 vorhandenen Wärmemenge. Diese setzt sich zusammen aus joulescher Wärme infolge des Betriebsstroms der Induktionsspule 122 und aus Wärme, die von dem aufgewärmten Elektrodenmaterial der Elektrode E und des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S hauptsächlich durch Wärmestrahlung an die Induktionsspule 122 abgegeben wird.
Ein Beitrag der jouleschen Wärme in der Induktionsspule 122 zum Wärmeumsatz in dem Kühlkreis 140 ergibt sich dabei maßgeblich in Abhängigkeit von der Betriebsleistung der Induktionsspule 122. Diese entspricht einer Betriebsleistung des Spulenmoduls 120 abzüglich einer elektrischen Verlustleistung des Spulenmoduls 120. Anhand der Betriebsleistung des Spulenmoduls 120, die mittels der Steuerungseinrichtung 160 über die Stromversorgungseinrichtung 130 gesteuert wird, lässt sich daher der Beitrag joulescher Wärme, die in der Induktionsspule 122 vorhanden ist, zu dem im Kühlkreis 140 erfassten und an die Steuerungseinrichtung 160 übermittelten Wärmeumsatz mittels der Steuerungseinrichtung 160 herausrechnen. Dazu ist in der Steuerungseinrichtung 160 beispielsweise eine Zuordnung gespeichert zwischen verschiedenen Betriebsleistungen des Spulenmoduls 120 und einem jeweiligen aufjoulesche Wärme in der Induktionsspule 122 zurückzuführenden Anteil am erfassten Wärmeumsatz in dem Kühlkreis 140.
Der verbleibende Teil des Wärmeumsatzes, der in dem Kühlkreis 140 erfasst und an die Steuerungseinrichtung 160 übermittelt wird, ist der thermischen Einwirkung des erwärmten Elektrodenmaterials auf die Induktionsspule 122 zuordnen. Der verbleibende Teil des erfassten Wärmeumsatzes gibt demnach Hinweis auf die bei dem Schmelzprozess gegenwärtig anfallende Verlustwärme, d.h. eine in dem Elektrodenmaterial erzeugte und wieder abgegebene Wärme, die somit nicht effektiv zum Aufwärmen des Elektrodenmaterials bis zur Überhitzungstemperatur beiträgt.
Anhand der Betriebsleistung des Spulenmoduls 120 abzüglich einer als bekannt vorausgesetzten, beispielsweise hierzu in entsprechenden Kenntafeln gespeicherten, elektrischen Verlustleistung des Spulenmoduls sowie der jouleschen Wärme in der Induktionsspule 112 und der Verlustwärme, die jeweils, beispielsweise ebenfalls in entsprechenden Kenntafeln gespeichert, aus dem erfassten Wärmeumsatz in dem Kühlkreis 140 bestimmbar sind, ist somit eine Netto- Heizleistung der induktiven Schmelzanlage 100 für den gegenwärtigen Prozess mittels der Steuerungseinrichtung 160 bestimmbar. Als die Netto-Heizleistung ist dabei derjenige Anteil an der elektrischen Betriebsleistung der Induktionsspule 122 anzusehen, der in der Elektrode E und dem abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S in Wärme umgesetzt und bis zum Erreichen der vorgesehenen Temperatur, beispielsweise der vorgesehenen Überhitzungstemperatur, nicht wieder an die Umgebung abgegeben wird.
Im eingefahrenen Schmelzprozess ist zudem die Schmelzrate proportional zur Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode E. Die Vorschubgeschwindigkeit, die mittels der Elektrodenzuführeinrichtung 116 bewirkt wird, wird ebenfalls mittels der Steuerungseinrichtung 160 gesteuert. Anhand der Vorschubgeschwindigkeit und der Nettoheizleistung lässt sich daher mittels der Steuerungseinrichtung 160 auch auf ein Verhältnis zwischen der effektiv zugeführten Wärme und der Menge an Elektrodenmaterial, das mithilfe dieser Wärme geschmolzenen und überhitzt wird, schließen. Hieraus lässt sich, beispielsweise anhand der für das jeweilige Elektrodenmaterial spezifischen und in der Steuerungseinrichtung 160 gespeicherten Enthalpie, die resultierende Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S mittels der Steuerungseinrichtung 160 ermitteln.
Gemäß den voranstehend beschriebenen Zusammenhängen ist die Steuerungseinrichtung 160 dazu ausgebildet, anhand von Daten, die mittels der induktiven Schmelzanlage 100 erfasst bzw. in der Steuerungseinrichtung 160 gespeichert sind, die Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S dynamisch, beispielsweise gemäß einem veränderlichen Wärmeumsatz in dem Kühlkreis 140, zu bestimmen.
Die Steuerungseinrichtung 160 ist ferner dazu ausgebildet, wenigstens einen Betriebsparameter der induktiven Schmelzanlage 100 auf der Grundlage der ermittelten Überhitzungstemperatur zu steuern. Beispielsweise ist die Steuerungseinrichtung 160 so konfiguriert, dass sie wenigstens einen Betriebsparameter der induktiven Schmelzanlage 100 regelt, um eine gleichbleibende Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S zu erzielen.
Schwankungen in dem mittels des Kühlkreises 140 erfassten Wärmeumsatz bei gleich gehaltenen steuerbaren Betriebsparametern der induktiven Schmelzanlage 100 weisen auf Unregelmäßigkeiten im Schmelzvorgang hin. Diese können sich beispielsweise aus Inhomogenitäten im Elektrodenmaterial oder Fluktuationen des Inertgas-Stroms ergeben. Die Steuerungseinrichtung 160 ist in diesem Fall beispielsweise dazu ausgelegt, einen oder mehrere Betriebsparameter, etwa die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode E mittels der Elektrodenzuführeinrichtung 116, zu variieren, um so einer Auswirkung der Unregelmäßigkeiten auf die Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterial S entgegenzuwirken.
In weiteren Beispielen gestattet die Steuerungsvorrichtung 160 gemäß dem Voranstehenden die Steuerung wenigstens eines anderen oder wenigstens eines weiteren Betriebsparameters abweichend von der Vorschubgeschwindigkeit. In weiteren Beispielen erfolgt die Steuerung des wenigstens einen Betriebsparameters zudem gemäß einem anderen oder weiteren Kriterium als einer gleichbleibenden Überhitzungstemperatur.
In einigen Beispielen wird zum Bestimmen der Netto-Heizleistung zusätzlich ein Wärmeabfluss aus einer Schmelzzone der Elektrode E in entferntere Bereiche der Elektrode E berücksichtigt. Dies erfolgt dabei beispielsweise anhand eines konstanten oder temperaturabhängigen Kennwerts für die Elektrode E. In anderen Beispielen bleibt ein Wärmeabfluss aus der Schmelzzone der Elektrode E bei dem Bestimmen der Netto-Heizleistung unberücksichtigt. Dies vereinfacht das Bestimmen der Netto-Heizleistung mittels der Steuerungsvorrichtung 160 und hat bei vielen Anwendungen, beispielsweise relevanten Elektrodenmaterialien und -großen, nur einen vernachlässigbaren Einfluss.
In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel umfasst die induktive Schmelzanlage 100 ferner eine Kamera 150. Die Kamera ist mit der Steuerungseinrichtung 160 verbunden und so ausgerichtet, dass sie Bildinformationen in Bezug auf den Schmelzprozess erfasst und entsprechende Bilddaten an die Steuerungseinrichtung 160 ausgibt. Die Bilddaten werden in diesem Fall von der Steuerungseinrichtung 160 ergänzend oder alternativ, d. h. entkoppelt von der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode E, für ein Bestimmen der Schmelzrate herangezogen. Dazu erfasst die Kamera 150 wenigstens eine Charakteristik, beispielsweise eine Dicke, des Schmelzestrahls. Beispielsweise lässt sich durch fotometrische Auswertung der Bilddaten mittels der Steuerungseinrichtung 160 eine Dicke des Schmelzestrahls bestimmen. Die Dicke des Schmelzestrahls variiert in Abhängigkeit von einer vorliegenden Schmelzrate. Die von der Kamera 150 erfassten Bildinformationen gestatten auf diese Weise ein verbessertes Bestimmen der tatsächlichen Schmelzrate, etwa wenn sich der Schmelzprozess bezüglich der Schmelzrate nicht im dynamischen Gleichgewicht befindet.
In weiteren Beispielen der induktiven Schmelzanlage 100 ist auch eine Position der Induktionsspule 122 steuerbar veränderlich. Die Position der Induktionsspule ist beispielsweise parallel und/oder quer zur Vorschubrichtung der Elektrode E steuerbar veränderlich. Durch Verändern der Position der Induktionsspule 122 parallel zur Vorschubrichtung der Elektrode E lässt sich ein Abstand der Induktionsspule 122 von der Elektrode E kurzfristig variieren. Gleichzeitig lässt sich eine Fallhöhe des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S, beispielsweise bei sonst gleichbleibenden steuerbaren Betriebsparametern der induktiven Schmelzanlage 100, variieren. Durch Verändern der Position der Induktionsspule 122 quer zur Vorschubrichtung der Elektrode E lässt sich, beispielsweise kurzfristig, ein Einfluss des Magnetfelds der Induktionsspule 122 auf die Elektrode E asymmetrisch, d.h. exzentrisch, zur Spulenachse, zur Längsachse der Elektrode E und/oder zur Düsenachse variieren. Dabei lässt sich eine Fallhöhe des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S beispielsweise konstant halten. In einigen Beispielen der Schmelzanlage 100, die zum Verdüsen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials S vorgesehen sind, ist für zumindest einige der vorgenannten Zwecke zusätzlich oder alternativ eine Position der Düse 118 parallel und/oder quer zur Vorschubrichtung der Elektrode E steuerbar veränderlich.
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren 200 zum Betreiben einer induktiven Schmelzanlage. Das Verfahren 200 ist beispielsweise mittels der induktiven Schmelzanlage 100, wie voranstehend beschrieben, ausführbar.
Das Verfahren 200 umfasst das Bestimmen einer Netto-Heizleistung der induktiven Schmelzanlage mittels einer Steuerungseinrichtung der induktiven Schmelzanlage, Schritt 210. Das Verfahren 200 umfasst außerdem das Bestimmen einer Schmelzrate mittels der Steuerungseinrichtung, Schritt 220. Wenigstens teilweise auf der Grundlage der Netto-Heizleistung und der Schmelzrate wird mittels der Steuerungseinrichtung eine Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials ermittelt, Schritt 230. Auf der Grundlage der ermittelten Überhitzungstemperatur wird bei dem Verfahren 200 daraufhin wenigstens ein Betriebsparameter der induktiven Schmelzanlage mittels der Steuerungseinrichtung gesteuert, Schritt 240. Fig. 3 zeigt schematisch und exemplarisch eine Steuerungseinrichtung 300 für eine induktive Schmelzanlage 100. Bei der Steuerungseinrichtung 300 handelt es sich beispielsweise um eine Steuerungseinrichtung gleicher Art wie die Steuerungseinrichtung 160 in Fig. 1.
Die Steuerungseinrichtung 300 umfasst eine Prozessoreinheit 310 und eine mit der Prozessoreinheit 310 operativ verbundene Speichervorrichtung 320. Die Prozessoreinheit 310 ist derart mit der Speichervorrichtung 320 verbunden, dass die Prozessoreinheit 310 lesenden Zugriff hat auf Programmcode, der in der Speichervorrichtung 320 gespeichert ist. Die Prozessoreinheit 310 ist zudem mittels Programmcode, der in der Speichervorrichtung 320 gespeichert ist, programmierbar. Dazu ist die Prozessoreinheit 310 zum Ausführen von Programmcode, der in der Speichervorrichtung 320 gespeichert ist, ausgebildet.
Die Steuerungseinrichtung 300 umfasst wenigstens eine Eingangsschnittstelle 312 zum Empfangen von Datensignalen mittels der Prozessoreinheit 310 und wenigstens eine Ausgangsschnittstelle 314 zum Ausgeben von Datensignalen, beispielsweise Steuersignalen, die mittels der Prozessoreinheit 310 erzeugt sind.
Die Speichervorrichtung 320 enthält Programmcode, der bei einer Ausführung mittels der Prozessoreinheit 310 die Steuerungseinrichtung 300 zum Durchführen eines Verfahrens wie voranstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben konfiguriert, insbesondere zum Steuern wenigstens eines Betriebsparameters einer induktiven Schmelzanlage.
Dazu enthält die Speichervorrichtung 320 Programmcode, der im Zusammenwirken mit der Prozessoreinheit 310 ein Netto-Heizleistungs-Bestimmungsmodul 322 bildet. Das Netto-Heizleis- tungs-Bestimmungsmodul 322 gestattet das Bestimmen einer Netto-Heizleistung der induktiven Schmelzanlage, beispielsweise gemäß Schritt 210 des Verfahrens 200.
Die Speichervorrichtung 320 enthält außerdem Programmcode, der im Zusammenwirken mit der Prozessoreinheit 310 ein Schmelzraten-Bestimmungsmodul 324 bildet. Das Schmelzraten- Bestimmungsmodul 324 gestattet das Bestimmen einer Schmelzrate der induktiven Schmelzanlage, beispielsweise gemäß Schritt 220 des Verfahrens 200. Die Speichervorrichtung 320 enthält ferner Programmcode entsprechend einem Überhitzungstemperatur-Ermittlungsmoduls 326. Das Überhitzungstemperatur-Ermittlungsmodul 326 gestattet das Ermitteln einer Überhitzungstemperatur von abgeschmolzenem Elektrodenmaterial wenigstens teilweise auf der Grundlage der Netto-Heizleistung und der Schmelzrate, beispielsweise gemäß Schritt 230 des Verfahrens 200.
Die Speichervorrichtung 320 enthält zudem Programmcode entsprechend einem Betriebsparameter-Steuerungsmodul 328. Das Betriebsparameter-Steuerungsmodul 328 gestattet das Steuern wenigstens eines Betriebsparameters der induktiven Schmelzanlage auf der Grundlage der ermittelten Überhitzungstemperatur, beispielsweise gemäß Schritt 240 des Verfahrens 200.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zum Betreiben einer induktiven Schmelzanlage (100), die wenigstens eine Induktionsspule (122) zum Anschmelzen einer Elektrode (E) umfasst, wobei das Verfahren (200) umfasst:
Bestimmen (210), mittels einer Steuerungseinrichtung (160) der induktiven Schmelzanlage (100), einer Netto-Heizleistung der induktiven Schmelzanlage (100),
Bestimmen (220), mittels der Steuerungseinrichtung (160), einer Schmelzrate,
Ermitteln (230), mittels der Steuerungseinrichtung (160), einer Überhitzungstemperatur des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials (S) wenigstens teilweise auf der Grundlage der Netto- Heizleistung und der Schmelzrate, und
Steuern (240), mittels der Steuerungseinrichtung (160), wenigstens eines Betriebsparameters der induktiven Schmelzanlage (100) auf der Grundlage der ermittelten Überhitzungstemperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen (210) der Netto-Heizleistung wenigstens teilweise auf der Grundlage wenigstens eines aus einer angelegten Betriebsleistung eines Spulenmoduls (120) der induktiven Schmelzanlage (100), das die Induktionsspule (122) umfasst, und einer elektrischen Verlustleistung des Spulenmoduls (120) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Bestimmen (210) der Netto-Heizleistung ferner wenigstens teilweise auf der Grundlage einer Wärmeverlustleistung, insbesondere infolge von Wärmestrahlung, erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die induktive Schmelzanlage (100) ferner einen Kühlkreis (140) für die Induktionsspule (122) umfasst, wobei die Wärmeverlustleistung, insbesondere infolge von Wärmestrahlung, wenigstens teilweise auf der Grundlage eines Wärmeumsatzes des Kühlkreises (140) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei bei einem Bestimmen der Wärmeverlustleistung ein Wärmefluss innerhalb des Elektrodenmaterials (E) unberücksichtigt ist, oder wobei bei einem Bestimmen der Wärmeverlustleistung ein Wärmefluss innerhalb der Elektrode gemäß einem Wärmeabflusskennwert, insbesondere gemäß einem konstanten Wärmeabflusskennwert, des Elektrodenmaterials (E) berücksichtigt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2 in Verbindung mit einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Bestimmen (210) der Netto-Heizleistung wenigstens teilweise auf der Grundlage einer Differenz zwischen der angelegten Betriebsleistung des Spulenmoduls (120) und einer Kombination der elektrischen Verlustleistung des Spulenmoduls (120) und der Wärmeverlustleistung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Netto-Heizleistung eine zu einem Aufwärmen und einem Abschmelzen des Elektrodenmaterials (E) sowie zu einem Überhitzen des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials (S) beitragende Heizleistung ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die induktive Schmelzanlage (100) ferner wenigstens eine Kamera (150) umfasst, die dazu ausgebildet ist, Bildinformationen, die auf einen Abschmelzvorgang der induktiven Schmelzanlage (100) bezogen sind, zu erfassen und ein Bildsignal, das auf die Bildinformationen hinweist, an die Steuerungseinrichtung (160) auszugeben, wobei das Bestimmen der Schmelzrate wenigstens teilweise auf der Grundlage der erfassten Bildinformationen erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der Schmelzrate wenigstens teilweise auf der Grundlage einer fotometrischen Auswertung der erfassten Bildinformationen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der Überhitzungstemperatur ferner wenigstens teilweise auf der Grundlage einer Enthalpie des Elektrodenmaterials (E) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuern (240) des wenigstens einen Betriebsparameters umfasst:
Vergleichen der ermittelten Überhitzungstemperatur mit einem Sollwert der Überhitzungstemperatur, und
Steuern des wenigstens einen Betriebsparameters auf der Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichens der ermittelten Überhitzungstemperatur mit dem Sollwert der Überhitzungstemperatur.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter wenigstens eines aus der Betriebsleistung des Spulenmoduls (120), einem Betriebsstrom der Induktionsspule (122), einer Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode (E) und einer Position der Induktionsspule (122) in Bezug auf die Elektrode (E) umfasst.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zur automatischen Überwachung und/oder Regelung eines Betriebs der induktiven Schmelzanlage (100) vorgesehen ist.
14. Steuerungseinrichtung (160; 300) für eine induktive Schmelzanlage umfassend eine Prozessoreinheit (310) und eine Speichervorrichtung (320), die mit der Prozessoreinheit (310) operativ verbunden ist, wobei die Prozessoreinheit (310) konfiguriert ist zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Induktive Schmelzanlage (100) umfassend: wenigstens eine Induktionsspule (122) zum Anschmelzen einer Elektrode (E), und eine Steuerungseinrichtung (160; 300), die zum Betreiben der induktiven Schmelzanlage (100) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
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