JP2615045B2 - 真空溶解炉の原料投入自動制御方法 - Google Patents

真空溶解炉の原料投入自動制御方法

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JP2615045B2 JP11034287A JP11034287A JP2615045B2 JP 2615045 B2 JP2615045 B2 JP 2615045B2 JP 11034287 A JP11034287 A JP 11034287A JP 11034287 A JP11034287 A JP 11034287A JP 2615045 B2 JP2615045 B2 JP 2615045B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、スポンジ状のチタンやジルコニウム等の原
料を消耗電極としてこれをアーク溶解すると共に、原料
の他の一部を消耗電極とすることなく前記アーク溶解に
よって生じた溶解池に投入することにより、必要とする
原料の全量を溶解するようにした真空溶解炉の原料の投
入自動制御方法に関する。
<従来の技術> スポンジチタン等の原料を溶解して、製品のインゴッ
トを製造する場合、原料を消耗電極にしてこれを真空下
でアーク溶解する方法が従来より行われている。この場
合、原料を消耗電極に加工するのにコストがかかるこ
と、及び炉体の設備寸法の制限より消耗電極を小径化、
短寸化し、残量分をスポンジ粒のまま前記消耗電極の溶
解と並行してサイドチャージする方法が行われていた。
そしてサイドチャージの方法は、作業者が消耗電極の降
下距離(溶け具合い)に応じてその投入量を大まかに調
整していた。
<発明が解決しようとする問題点> 従来の方法ではサイドチャージの時間経過に伴う過不
足のチェックが作業者によって行われるため、そのチェ
ック間隔には限度があり、消耗電極の刻々の消耗量(降
下距離)に見合った正確な原料投入が行えない。すなわ
ち、ある時間間隔における消耗電極の降下距離に対して
原料投入量が多すぎて電極とモールドの間にブリッジ
(架橋現象)が発生したり、また消耗電極のアーク溶解
が終了した時点で溶解不良の原料がインゴット中に残留
するという不都合を生ずるとともに、原料投入量が少な
すぎると所定のインゴット重量が確保できない、もしく
は生産能率を低下させるという不都合を生じさせてい
た。
<目的> そこで本発明は上記従来技術の欠点を解消し、消耗電
極の消耗量(降下距離)の刻々の変化に対応した正確な
原料投入を自動的に行うことができる真空溶解炉の原料
投入自動制御方法の提供を目的とする。
<問題点を解決するための手段> 本発明の原料投入自動制御方法は、原料を消耗電極と
し、これをアーク溶解すると共に、重量測定が可能なよ
うに溶解炉に対して可動に設置された原料投入設備を用
いて、原料の一部を消耗電極とすることなく前記アーク
溶解によって生じた溶融池に投入することにより、必要
とする原料の全体量を溶解するようにした真空溶解炉の
原料の投入自動制御方法であって、原料の投入開始から
アーク溶解終了時までの間に降下せられる消耗電極の降
下距離から消耗電極の単位降下距離当たりの投入原料の
目標投入量を予め算出すると共に、原料投入設備の重量
より測定される原料重量の溶解炉内圧による測定誤差と
溶解炉内圧との関係を予め算出しておき、所定の短時間
間隔毎に消耗電極の降下距離を測定してその降下距離に
対応する投入原料の目標投入量を算出すると共に、原料
投入設備の重量より測定した原料重量と溶解炉内圧の測
定値とを用いて、溶解炉内圧による測定誤差を排除した
実際の原料投入量を算出し、更に算出した投入原料の目
標投入量と実際の投入量との差分を算出して、この差分
を次回の目標投入量に加えて投入するようにしたことを
特徴とする。
<作用> 原料の目標投入量に対する実際の投入量の差分が所定
の短時間間隔毎に算出され、その差分が目標投入量に加
えて所定時間内に投入されるようになされているので、
時間経過に伴う原料投入の過不足が細かくチェックさ
れ、消耗電極の降下距離に対応する目標投入量に近似し
た形で原料を投入することができる。また、実際の投入
量を算出するにあたり、原料投入設備の重量より測定さ
れる原料重量の溶解炉内圧による測定誤差を排除するの
で、溶解炉内圧の影響を受けない正確な実際の投入量
が、差分の算出に使用される。
<実施例> 第1図は本発明の方法で用いられる真空溶解炉の概略
構成図、第2図は本発明の方法を行うための真空溶解炉
の制御部の制御ブロック図である。1は真空アーク溶解
炉、2は消耗電極降下装置、3は原料からなる消耗電極
である。消耗電極3は溶融池4との間に発生するアーク
の熱によって溶け落ち、溶け落ちた分だけ降下せられ
る。
サイドチャージされる原料は適当な大きさのスポンジ
粒としてホッパー5内に貯えられ、自動投入装置である
電磁フィーダ6により、投入シュート7を通って真空ア
ーク溶解炉1の溶融池4に投入される。投入シュート接
続口7aには接続管7bとしてベロー等の力学的緩衝材が取
り付けられる。ホッパー5内及び電磁フィーダ6に残っ
ている原料の重量はロードセル8で時々刻々測定され、
その重量信号が制御部9に入力される。
またストローク計10により消耗電極3の降下距離が、
時々刻々に測定され、その降下距離の信号が制御部9に
入力される。さらに圧力計11により真空溶解炉内の圧力
として確認される自動投入装置内の圧力が時々刻々測定
され、その圧力信号が制御部9に入力され、圧力信号に
基いて前記ロードセル8より入力された重量信号が換算
される。前記ロードセル8及びストローク計10並びに圧
力計11からの入力に基づいて適正投下量が制御部9にて
演算され、その適正投下量に応じた出力信号を電磁フィ
ーダ6に出力する。
本発明に係る原料投入の自動制御方法の具体例につい
て第2図を用いてさらに説明する。まず、原料のサイド
チャージを開始する時の消耗電極3の長さLS及びアーク
溶解を終了する時の消耗電極3の長さLeを予め測定して
おき、この値から消耗電極3の有効降下距離L0(LS
Le)、すなわちサイドチャージを行う間の消耗電極3の
降下距離を予め制御部9で演算、記憶させておく。一方
サイドチャージすべき原料の全量Wnを予め或は投入開始
時のタイミングでロードセル8より測定し、これを制御
部9に入力して、この原料の全量Wnと前記消耗電極3の
有効降下距離L0とから消耗電極3の単位降下距離当りの
原料の目標投入量を演算し、記憶させておく。
真空溶解開始した以後の測定ならびに演算の周期は、
例えば、0.1秒〜数秒の一定周期で行う。従来の作業員
による場合は最も短くても数分の間隔が限度であった。
このように短時間間隔でチェックを行うことにより応答
性をよくすることができ、消耗電極の降下量に正確に追
従した形で原料のサイドチャージが行えるわけである。
またチェック間隔の短時間化に伴うロードセル8又はス
トローク計10並びに自動投入装置内の圧力を測定する圧
力計11の測定に基づく、信号のノイズやバラツキの影響
をなくすため、これらの演算は数十回の移動平均処理を
行っている。
上記のような本発明の方法では非常に短時間間隔で投
入原料の量を計り、また目標投入量を演算するわけであ
るが、この様に短時間間隔でチェックする場合は測定さ
れる実質原料投入量は非常に小さな値となる。そうする
と、従来では問題とならなかった溶解炉内圧すなわち自
動投入装置内圧力(減圧状態)と大気圧との差により生
じる重量測定誤差が無視できなくなる。
すなわち、原料投入設備であるホッパー5及び電磁フ
ィーダ6に残っている原料の重量をロードセル8で測定
するため、ホッパー5はロードセル8を介して固定部に
可動に支持され、電磁フィーダ6はホッパー5と一体化
されている。一方、固定部に取付けられた投入シュート
7は、ホッパー5及び電磁フィーダ6を固定しないため
に、ベロー等の力学的緩衝材からなる接続管7bを介し
て、電磁フィーダ6に接続されている。これにより、収
容物を含めたホッパー5及び電磁フィーダ6の総重量が
ロードセル8に加わる。このとき、電磁フィーダ6にお
いては、その内部が投入シュート7を介して溶解炉1の
内部に連通しているが、第5図に示される通り、投入シ
ュート7の接続口7aの部分だけが矢符で示す大気圧を受
けないため、電磁フィーダ6に加わる外力のバランスが
不均衡となる。そのため、炉内圧の僅かな変動によって
も、ロードセル8による測定重量値が大きく変動する。
かくして、真空溶解操業時における基準圧力PSに対し自
動投入装置内圧力PAが変動した場合には投入シュート7
の断面積Sに応じ、次式の通りの重量測定誤差ΔWが生
じる ΔW=SPS(1−PA/PS) 本発明者の測定によれば、例えば2秒間隔で2kg程度
投入するような場合において、減圧状態の変化が10Torr
あった場合、あたかもホッパー内容物が9.6kg減少した
ように計測され、実際の切出量2kg(2秒間当たり)に
対し約6倍となり制御不能となる。
溶解炉内の減圧状態の変化は、例えば投入された原料
が溶ける際に発生するガス等により頻繁に生じ得ること
である。
そこで本発明では、上記炉内圧変動による重量測定値
の変動を防止するためにロードセル8によるサイドチャ
ージすべき原料の重量測定及びストローク計10による消
耗電極の降下量測定の周期に合わせ、圧力計11により自
動投入装置内の圧力PAを測定し、これに基づく圧力信号
を制御部9に入力し、一方圧力計11より送信される真空
溶解圧力すなわち自動投入装置内圧力PA下におけるホッ
パー内の原料重量Wnの基準圧力PSに対する重量測定誤差
ΔWを投入シュート7の断面積Sに応じ換算する。
ΔW=SPS(1−PA/PS) ここで実操業においては、データーの取り扱いを簡便
にするために基準圧力PSは、大気圧としたが、この場合
におけるホッパー内の原料重量Wnから重量測定誤差ΔW
を排除した原料換算重量Woは次の通りとなる。
WO=Wn−SPS(1−PA/PS) 得られた原料換算重量WOと消耗電極3の有効降下距離
LOとから原料の目標投入量(WO/LO)を演算し、まず原
料投入開始時において、電磁フィーダ6による原料投入
量を前記目標投入量に基づいた量となるよう電磁フィー
ダ6の出力を設定する。
その後原料投入量を2秒毎にチェックする場合には、
その2秒間に通常降下するであろう消耗電極3の降下距
離ΔLを用いて、該2秒間に投入すべき原料の目標投入
量を、ΔL・WO/LOとして該目標投入量を2秒間で投入
するような電磁フィーダ6の出力を設定することにな
る。
又真空溶解中における原料の目標投入量に対する実投
入量との差分は次の通り修正をしている。i回目の原料
投入チェック時における制御はストローク計10からの前
回(i−1回)の消耗電極長さLi-1情報と今回(i回)
の測定の消耗電極長さLi情報とから、前回から今回まで
の時間間隔中の消耗電極3の降下距離ΔLiを演算させ
る。同時にΔLi間に投入すべきであった目標投入量WSi
を演算させる。この場合の演算式は、次の通りである。
WSi=ΔLi・W0/L0 一方ロードセル8からの前回の原料の残量の換算重量
W0i-1情報と今回の残量の換算重量W0i情報とから実際に
投入した投入量WPを求める。この場合の演算式は次の通
りである。ここにおいて、WOi-1及びWOiはいずれも重量
測定誤差ΔWを含まないので、実際に投入した投入量W
Piも重量測定誤差ΔWを含まないものとなる。
WPi=WOi-1−WOi そして上記今回投入すべきであった目標投入量WSi
今回実際に投入された投入量との差が投入量の差分ΔW
Oiであり、これを用いて次回すなわちi+1回目の目標
投入量WSi+1を演算させる。この場合の演算式は次の通
り WSi+1=ΔLi+1・WO/LO+ΔWOi 上記の手順により原料の目標投入量に対する実投入量の
差分は修正される。
第3図と第4図に示す図は本発明の方法により原料を
サイドチャージした場合の消耗電極の降下距離の時間的
変化と、原料投入量の時間的変化を示すものであるが、
第3図と第4図より明らかなように、消耗電極の時間経
過に伴う電極降下量の変化に対して原料投入量が非常に
よく追従変化している。
<効果> 本発明は以上の構成よりなり真空溶解炉の原料投入自
動制御方法に関し、短時間間隔毎に消耗電極の降下距離
に対応する原料の目標投入量に対して実際に投入された
原料投入量がチェックされ、その差分量が加えられた量
が次回のチェック時までに投入されるようになるので消
耗電極の降下量の変化に刻々追従した形で適正な原料の
投入がなされる。よって消耗電極のアーク溶解量に常に
一定の割合で原料を投入することができ、均質な鋳塊を
得ることができると共に原料の過剰投入によるブリッジ
(架橋現象)の発生域はアーク溶解終了時の未溶融物の
残留等の発生が確実に防止される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法が用いられる真空溶解炉の概略構
成図、第2図は本発明の方法を行うための真空溶解炉の
制御部の制御ブロック図である。第3図と第4図は、そ
れぞれ本発明の方法により原料のサイドチャージした場
合の消耗電極の降下距離の時間的変化と原料投入量の時
間的変化を示す図。 第5図は溶解炉内圧の変動に伴う原料の測定重量の変動
の原因を説明するための電磁フィーダ部の断面図であ
る。 1:真空アーク溶解炉 2:消耗電極降下装置 3:消耗電極 4:溶融池 5:ホッパー 6:電磁フィーダ 7:投入シュート 7a:投入シュートの接続口 7b:電磁フィーダへのシュート接続管(ベロー) 8:ロードセル 9:制御部 10:ストローク計 11:圧力計

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原料を消耗電極とし、これをアーク溶解す
    ると共に、重量測定が可能なように溶解炉に対して可動
    に設置された原料投入設備を用いて、原料の一部を消耗
    電極とすることなく前記アーク溶解によって生じた溶融
    池に投入することにより、必要とする原料の全体量を溶
    解するようにした真空溶解炉の原料の投入自動制御方法
    であって、原料の投入開始からアーク溶解終了時までの
    間に降下せられる消耗電極の降下距離から消耗電極の単
    位降下距離当たりの投入原料の目標投入量を予め算出す
    ると共に、原料投入設備の重量より測定される原料重量
    の溶解炉内圧による測定誤差と溶解炉内圧との関係を予
    め算出しておき、所定の短時間間隔毎に消耗電極の降下
    距離を測定してその降下距離に対応する投入原料の目標
    投入量を算出すると共に、原料投入設備の重量より測定
    した原料重量と溶解炉内圧の測定値とを用いて、溶解炉
    内圧による測定誤差を排除した実際の原料投入量を算出
    し、更に算出した投入原料の目標投入量と実際の投入量
    との差分を算出して、この差分を次回の目標投入量に加
    えて投入するようにしたことを特徴とする真空溶解炉の
    原料投入自動制御方法。
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