JPS63502785A - 真空ア−ク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置 本発明は真空アーク炉内の被溶解材料の表面からの溶解電極の距離を制御する装 置に関するものである。

異物が最小限台まれる可能性があり且つ、構造が均質な高品位金属及び金属合金 を製造するためには種々の方法が知られている。最も知られているこの種方法の １つとしては、電極をるつぼに向って延在させ電極及びるつぼ間に電位を印加し て電極の先端を溶解し、るつぼ内に液状材料として滴下させるようにした電気ア ーク溶解がある。従ってこの場合には、いわゆる溶解電極を直流電圧の一方の極 性に接続し、るつぼをこの直流電圧の他方の極性に接続するようにしている。

しかし、交流電圧を重畳して特定の効果を達成することもできる。

上述した種類のアーク溶解炉を作動させる際の主な問題は、アーク長、即ち、電 極の下端とるつぼ内に存在する溶解した材料の表面との間の距離を制御すること である。アークが長すぎる場合には電極及び／又は溶解材料が最適に加熱されず 従って溶解金属の品質が著しく減少する。るつぼ内の溶解材料のレベルが一定に 上昇すると共にるつぼ内の材料表面を直接観察し得ない場合には特定の手段を講 じてこの長さを制御する必要がある。

大気圧よりも僅かに低い圧力で作動するアーク炉ではアーク電圧を所定値に保持 することによりアーク長を制御するようにしている。大気圧ではプラズマを用い るのが有利である。その理由はプラズマが特定の電位傾度例えば２．５ｃ■当り ２０Ｖの電位傾度を有するからである。これがため、陰極及び陽極表面の電圧効 果は２０Ｖにもなり、従って例えば１．２５ｃｍのアーク長を保持する必要があ る場合には電極を、アーク電圧が３０Ｖとなる箇所に位置させる必要がある。こ れは、アーク電圧を測定し且つ制御する従来の装置により達成することができる 。

しかし、真空下で作動するアーク溶解炉では上述した方法は必ずしも用いること はできない、かかるアーク溶解炉は、チタン又はジルコニウムのようないわゆる 耐火活性金属の溶解及びステンレス鋼及び耐熱合金の加工に特に用いる。アーク の周囲のガス圧が減少するとアークプラズマの電位傾度も減少し、ガス圧が極め て低い場合にはアークプラズマの電位傾度は、例えば２−５ｃｍ　’！＊す１ｖ 程度となる。鋼に対する陽極及び陰極電圧降下は例えばほぼ２ＱＶであるため、 アークの電圧降下はその他の電圧降下に比べ極めて僅かである。ガスの種類及び 合金の組成が変化すると、陽極及び陰極電圧降下に、”アーク柱”の電圧降下と 同程度の影響を与える。これがため、アーク電圧を一定に保持することによりア ークを制御する方法は特に鋼の場合に殆ど有効ではない、その理由は１通常のア ークの実際の長さが所望の長さから著しくずれるからである。

又、電極と溶解した材料の表面との間の距離を制御するために、通常の作動にお いても成る時間間隔で電圧破壊が生ずると言う事実を用いるアーク溶解炉も既知 である（米国特許第２，８４２，０４５号）、この効果は、るつぼ内に電極から 落下する液状金属滴により電極とるつぼ内の溶解金属とを電気的に接続する短絡 回路によって生ずる。かかる短絡の期間及び頻度が左程大きくならない限り、ア ークはほとんど全電力で作動し。

従って溶解した材料の加熱には殆ど影響を与えない。

アークが短くなると、アーク短絡の頻度が増大する。

既知のアーク溶解炉によれば電極間の距離はアーク短絡の頻度を特定の範囲内に 保持することにより制御している０例えば電圧計を観測し、且つ個別の金属滴量 の時間間隔をストップウォッチで測定して単位時間当りの金属滴を測定し得るよ うにしている。

アーク溶解炉内の電極間の距離を制御する他の既知の装置では、各々が例えば３ ０Ｈｚの周波数で４０■Ｓの短期間に亘って発生する確実に増大する形態の電圧 変動を７−ク電圧に重畳するようにしている（ドイツ国特許第１，２１２，８５ １号）、これら電圧パルスの発生原因は説明しないが、これら電圧パルスを用い 、その電圧曲線を基本成分と第２成分とに分割することにより電極の距離を制御 するようにしている。即ち、第２成分中に電圧、電流又はインピーダンス変動と して発生するこれらパルス状変動を検出し、且つ電極間の距離をこれら変動の繰 返し頻度の関数として制御する。従って単位時間当りの過電圧のパルスを計数し 、パルス数が少な過ぎる場合には電圧を降下させるようにする。

アーク溶解の更に他の既知の装置では、オシロスコープ又はオシログラフにより 、真空下の材料溶解中るつぼの溶解金属表面と電極との間に０．１〜０，３ｓの 短絡が発生することを観測する。更に不純物に基因し、従って組成の変化又は不 活性ガス雰囲気の圧力変化に基因し、或いはアークが電極からるつぼの壁部にそ れることにより、アーク電圧が変化することを考慮する必要があるが、これらの 電圧変化は、溶解金属滴により電極と溶解金属浴とを接続する際に生ずる電圧変 化よりも小さい（米国特許第２，９１５，５７２号）。この既知の配置には溶解 速度と溶解金属面の上昇速度との差に少なくとも等しい距離だけ電極をるつぼ内 の溶解金属面の方向に移動させる装置を設ける。

又、かかる配置には、電極及び溶解金属滴量の溶解金属滴により、溶解金属面に 対し特定の電極位置で作動し電極を溶解金属面から成る距離引き離すようにする 装置をも設ける。この場合の電圧の短絡はタイマーを制御するリレーによって検 出する。

又、電極とるつぼの液状金属面との間の溶解金属滴の短絡を制御基準として用い て電極間の距離を制御する配置も既知である（米国特許第４，５７８，７８５号 ）、この場合溶解金属滴の短絡及びこれに関連する電圧の降下によって相互作用 パルスが現われ、これらパルスは電極間の距離に密接に相関する。これら溶解金 属滴の短絡回数を加算すると共に短絡回数が特定の値に到達する度毎に短絡間の 平均期間と短絡回数が特定値に到達するに要する時間とを計算し、且つ記憶する 。この際マイクロプロセッサを用いてこれらの計算を行うと共に各短絡期間を表 示する。金属滴の短絡により生ずるパルスを整形した後はシステムはディジタル 的に作動する。正規化したパルスはイベント計数器に供給する。パルス量は予め 手動で設定でき、従ってその都度変化させることができる。イベント計数器の内 容は一致により決められ、従ってこれが設定されたパルス数以下の場合にはタイ マーに命令を与え、各−数量で経過した時間を読取る。この読取った値を、電極 と液状金属面との間の距離の目安として用いる。溶解金属滴の短絡が所定回数（ 例えばほぼ１００回の短絡）に到達すると読取りを更新する。

この種の配置には２つの欠点がある。即ち比較的長い時間間隔後にのみ読取りを 更新し、従って旧式であり、且つ金属滴が数滴又は無い場合には制御操作を行う までに経過する時間が極めて長くなる欠点がある。

又、金属滴の計数値が大きくなると、制御操作が極めて迅速となる。金属滴の計 数を決める回数には不感時間が含まれる。この不感時間は種々の異る作動条件で 異る長さとなる。測定素子の時間応答は非直線性となる。従って信号の相回転は 瞬時動作状態に依存する。

制御操作量は所望値からずれる際厳しく制限して発振が生ずるのを防止する必要 がある。従って回路の増幅率を小さくする必要がある。これがため所望値から大 きくずれると、′外乱変数”を緩徐制御するようになる。

最後に、アーク炉の電極駆動速度を制御する他の方法及びこれに関連する配置も 既知である。この場合には２つの連続する金属滴の短絡間の時間を測定し、且つ 前の短絡の特定の回数との間の平均時間を計算するようにしている（米国特許第 ４，３０３，７９７号）。例えば、１０回の連続短絡回数間の時間間隔を計算し て制御装置に実測値として供給する。しかし信号が変化する場合にはこの装置の 遷移特性の利点は少なくなる。

本発明の目的は真空アーク炉内の電極を良好に制御し得るようにした装置を提供 せんとするにある。

この目的を達成するために本発明では、平均値発生器により形成される溶解金属 滴速度信号の逆数と、２つの連続する溶解金属滴による短絡間の所望平均時間に 等しい所望値との間の差に相当する信号によって制御装置を作動させるようにす ることを特徴とする。

本発明によれば電極の制御装置を極めて正確に調整°し得ると共に所望値から僅 かにずれた場合でも極めて迅速な制御を行い得る利点がある。かようにして本発 明によれば、開放型制御回路に比較し、制御装置により操作量の全部を補正する 前に制御偏差が生ずる欠点を有する閉成型制御回路を最適に利用することができ る。一般に制御技術では、いわゆる”外乱変数”の補償による制御によってこの 欠点を除去することが試みられている。

本発明では外乱変数を測定し、これを補助制御装置を経て補正素子に供給する。

外乱変数が現われると。

制御偏差を待つことなく直ちに補正信号を発生する。

外乱変数から見ると、この支路は開放型チェーン、即ち欠点の全部を有する開放 型制御を示す。

ここに言う”金属滴速度”とは成る時間周期内の短絡の回数を意味し、′金属滴 サイクル”とは２つの金属滴短絡間の時間を意味するものとする。金属滴速度と 金属滴サイクルとは互に逆数の関係にあるが、この場合平均値を先ず最初に形成 し、次いでその逆数値を形成するか又はその逆とするかは左程重要ではない。

その理由は平均値操作は追加の処理であるが逆数値を形成することは操作処理で あるからである。これがため１回数の和の算術平均は、速度の和、即ち回数の逆 数の和の算術平均の逆数に等しくはならない、この相違、が制御に影響を及ぼす 、その理由は信号変化中の過渡応答即ち、いわゆる”過渡特性”を本発明におい て充分に改善するからである。本発明装置の不感時間は常時同一の長さとする。

以下本発明を図面を参照し詳細に説明する。

第１図は代表的な金属滴短絡の電圧及び電流特性曲線を示す波形図、 第２図は溶解るつぼ内に導入する電極の従来の制御回路図、 第３図はアナログ回路用いる溶解電極接続時の金属滴短絡制御の本発明による回 路配置、 第４図はディジタル回路を用いる第３図と同様の本発明による回路配置、 第５図ａはギャップ幅と金属滴サイクルとの関係を示す波形図、 第５図すはギャップ幅と金属滴の頻度との関係を示す波形図である。

第１図は溶解電極及びるつぼに供給される電圧と、この経路に流れる電流とが時 間と共に変化する状態を示す、この第１図から明らかなように直流電流には僅か な振幅の交流電流が重畳されるが、電圧Ｕはほぼ一定に保持される。しかしこの 電圧Ｕは、点Ａ、Ｂの個所でのみ最小値となり、且つ点Ｃ，Ｄの個所でのみ最大 値となる。電圧Ｕが最小値となる個所では電流Ｊが点Ｅ及びＦで示すように最大 値となる。

電圧の夫々点Ａ及びＢの最小値は、電極をるつぼの溶解金属面に接続する液状金 属滴により生ずる短絡を示す。

、第２図は金属滴短絡制御に好適な既知の回路配置を示す。本発明によって回路 配置との相違点及び本発明の利点はこの既知の回路配置を参照すれば明らかであ る。実際の金属滴短絡制御回路（即ち金属滴の落下による短絡制御回路）を参照 番号２０で示す、この制御回路は数個の回路素子を有すると共に次に示すように 作動する０個別のトランスデユーサ２１によってアーク電圧ＵＬを分離した後溶 解金属滴の短絡による最小値を微分素子２２によって濾波する。微分素子２２の スレシホルド周波数は、短絡が誤りなく検出され得るような値とする。濾波され たパルスを次段のトリガ回路２３で形成すると共にその後段の単安定マルチバイ ブレータ２４で標準パルス、即ち振幅及び幅が一定のパルスに変換する。

積分時間が一定の積分器、特にＦＴ、素子２５によって、上述したように得られ た正規化パルスから平均パルスを形成する。この積分器２５の出力信号は実際の 短絡頻度値ＵＳｉを示し、この値をポテンショメータ２７により形成された所望 の短絡頻度値ＵＳＳと比較した後、短絡頻度制御装置２６に差分値として供給す る。

かかるシステムの関連するディジタル処理によれば、時間軸が一定のディジタル 計数器によってパルスを計数し、一定の時間間隔内で得られたパルスの計数値を 評価する。従って一定時間内に得られた金属的短絡の回数を計数する。平均値発 生器としてリング計数器を用い、これによりリング時間内に検出された短絡の全 部に対する平均値を決めるようにする。

第２図の回路の残りの部分は、これが全体の制御には必要であるが、実際の短絡 頻度制御とは無関係である。これら残りの部分は制御を行う他の変数に対しては 考慮する必要がある。その理由は加算素子２８で示すように金属滴短絡が数個の 可能な制御基準のうちの単なる１つであるからである。即ち加算素子２８には低 電圧Ｕ　ｃｏｎｓｔのほかに短絡頻度制御器２６の出力信号を例えばスイッチ２ ９を経て供給する。又、加算素子２８には通常のアーク電圧制御器３１の出力信 号をスイッチ３０を経て更に供給する。実測アーク電圧Ｕ口とポテンシオメータ ３２から得られた所望のアーク電圧ＵｔＳとの差電圧を結合素子３３を経てこの アーク電圧制御器３１に供給する。この加算素子２８の出力信号を可制御スイッ チ３４を経て電動機調整装置に供給する。このスイッチ３４はリレー３５により 制御し、このリレー３５をガス検出器３６により生ずる電圧によってトリガする 。電動機調整装置によって電極の差分駆動のために設けられた２個の電動機Ｍｌ 及びＭ２を制御する。これら電動機調整装置は同一の型のものとすると共に各々 とが、夫々比例動作制御器３７及び３７′、積分動作制御器３８及び３８′、単 安定マルチバイブレータ３９及び３９′、整流器４０及び４０′、並びに抵抗４ １及び４１′を有し、単安定マルチバイブレータの出力を抵抗から結合素子４２ 及び４２′にフィードバックする。これら結合素子４２及び４２′は比例動作制 御器３７及び３７′と積分動作制御器３８及び３８′との間に夫々設ける。又、 速度計発電機ＴＤ、及びＴＤ２の出力信号を結合素子４３及び４３′に夫々フィ ードバックする。結合素子４３はポテンシオメータ４４の日出タップと比例動作 制御器３７との間に接続し、結合素子４３′はポテンシオメータ４４の日出タッ プにも接続された位相反転増幅器４５と比例動作制御器３７′との間に接続する 。電極の差動装置を構成する他の電動機Ｍ３をスイッチ４６．４７及び４８を経 て接続し得るようにし、スイッチ４８をｌＪシレー９により制御し、リレー４９ を短絡リゾルバー回路５０によってトリガする。

第３図は第２図の配置と類似する本発明による回路配置を示す、しかし、実際の 金属滴制御は相違する。

本例では説明の便宜上、制御装置の回路配置と、溶解材料６１、例えば溶解金属 又は溶解合金が存在する溶解るつぼ６０とを示す、この溶解材料６１上には溶解 電極６２を設け、これを保持ロッド６３に固着し、この保持ロッド６３を開口を 経て溶解るつぼ６０内に突出させると共にフランジ６４により溶解るつぼに固着 する。るつぼ６０の外側に突出する保持ロッド６３の部分にはねじ６５を設け、 これに駆動ナツト６６を螺合する。この駆動ナツト６６を１組の減速装置６７に 接続し、減速装置を電動機６８に結合し、これにより速度計発電機６９を駆動す る。電動機６８を速度制御装置７０により作動させ、この速度制御装置を速度計 発電機６９からの信号によって作動させる。溶解るつ、ぼ６０には真空ポンプ系 ７１を設けこれにより溶解るつぼ６０の内部を特定の減圧状態に保持する。溶解 るつぼ６０の基部と電極６２の保持ロッド６３との間には電力源７２を設け、こ れにより電極６２の端部と溶解材料６１の表面との間に電圧、即ち、いわゆるア ーク電圧を印加する。アーク電圧の実際の値は直流変成器７３により与える。即 ち直流変成器７３の出力信号を結合素子７４に供給し、この結合素子にはポテン シオメータ７５から得られる所望の目標アーク電圧ＵＬＳとも供給する。

アーク電圧の実測値及び目標値間の差電圧を電圧調整器８５に供給し、これによ り制御信号をスイッチ７６を経て速度制御装置７０に供給する。実際の金属滴サ イクル制御装置８４を差動スイッチ７７を経て速度制御装置７０に接続する。又 、トリガ回路７８を設け、これを直流変成器７３に接続し、これにより変成器７ ３から到来する金属滴短絡パルスをトリガする。

トリガ回路７８からのパルスは振幅及び／又はパルス幅が相違するため、これら パルスをパルス正規化装置７９に供給して大きさ及び形状が均一のパルスを形成 し得るようにする。これがため、パルス正規化装置から到来するパルスの木質的 な特徴は、これらパルス間の時間間隔、即ち、パルスサイクルである。後段の平 均値発生器８０では所定の時間間隔内の全てのパルスの平均値を形成する０本発 明の重要な特徴は逆数値発生器８１を設けることであり、これにより平均値発生 器８０の出力信号の逆数値を形成する。平均値発生器８０により例えばＴｓの期 間内にＸ回の金属滴短絡を検出する場合にはこの期間のパルス速度をＸ／Ｔとす る。逆数値発生器８１ではこの値を反転させる。即ち期間Ｔ当りｌ／Ｘを計算す る０次いでこの逆数値を実測値として結合素子８２に供給すると共にこの結合素 子８２にはポテンシオメータ８３により選定した所望の目標値をも供給する。実 測値及び目標値間の差分値を金属滴サイクル制御器８４に供給し、この制御器８ ４を前述したスイッチ７７を経て速度制御装置７０に接続する。

第２及び第３図を比較した所から明らかなように非直線性回路の増幅率は第２図 の配置の場合と同様である。測定結果から明らかなように（例えば上述した米国 特許第４，５７８，７９５号の測定結果の曲線を参照）、平均金属滴頻度、即ち ２つの金属滴量の間隔はアーク長のほぼ直線状の関数となる。金属滴速度の逆数 値が金属滴サイクルであるため、金属滴速度はアーク長に対し双曲的関係となる （第５図ｂ＃照）、第２図に示すように金属滴頻度（速度）を制御頻度として用 いる制御装置を用い、かつこれに距離が含まれる場合には非直線性回路の増幅度 を有する制御回路を得ることができる０発振を防止するためには制御操作量をこ れが目標値からずれる場合に大きく制限する必要がる。従って回路の増幅率は小 さくなるように選定する必要がある。これは、目標値から大きくずれた場合に外 乱変数を緩徐制御することを意味する。

又、第３図の回路配置の場合と同様に平均値発生器８０の出力信号の逆数を発生 させる場合には偏差信号は距離のずれに比例するようになる０時定数及び回路の 増幅率を一定にして制御装置を最適に調整し得るようにする。

第３図の回路配置をディジタル構成に変形した例を第４図に示す、第４図におい て、第３図の上側の構成は省略する。第４図から明らかなように本例ではパルス 正規化装置７９と平均値発生器８０との間に第１記憶装置９０を設けると共にデ ィジタル−アナログ変換器９１を金属滴サイクル制御装置８４の出力側に接続す る。第１記憶装置９０によってディジタル評価装置のサイクル時間中全部のパル スを累積して加算する。

次いでこの記憶装置の内容をサイクル時間の各終端時に平均値発生器８０によっ て読取る。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　、ＫＥ　ｒＮＴＥＲＮＡτｌ０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰ ＯＲτＯＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．溶解電極及び被溶解材料間で溶解材料滴により生ずる短絡を制御基準として 用い且つ所定の時間周期内に生ずる短絡、いわゆる溶解材料滴速度を決めると共 に溶解電極の電気駆動機構を制御する制御装置に接続された平均値発生器に供給 するようにした、真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御 する装置において、平均値発生器（８０）により形成される溶解材料速度信号の 逆数と、２つの連続する溶解材料滴の短絡間の目標平均時間に等しい目標時間と の差分を表わす信号に制御装置（８４）を応答させるようにしたことを特徴とす る真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置。 ２．溶解材料滴の短絡を検出するトリガ装置（７８）によって付勢されるパルス 正規化装置（７９）を平均値発生器（８０）の前段に設けるようにしたことを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解 電極の距離を制御する装置。 ３．制御装置（８４）をスイッチ（７７）を経て速度制御装置（７０）に接続し 、この速度制御装置（７０）を他のスイッチ（７６）を経てアーク電圧の電圧調 整器（８５）に接続するようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の 真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置。 ４．速度制御装置（７０）によって電動機（８８）を制御し、これにより電極（ ６２）の保持装置（６３）に接続された減速装置（８７）を駆動するようにした ことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の真空アーク炉内の被溶解材料表面か らの溶解電極の距離を制御する装置。 ５．単安定マルチバイブレータ（３８，３９′）をパルス正規化装置（７９）と して設けるようにしたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の真空アーク炉 内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置。 ８．ＰＴ１素子を平均値発生器として設けるようにしたことを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制 御する装置。 ７．リング計数器を更に設け、これによりリング時間に検出された短絡の全部に 対する平均値を決めるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の真 空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置。 ８．平均値発生器（８０），逆数値形成器（８１），特定の目標値（８３）及び 制御装置（８４）をディジタル素子とし、その出力信号をディジタルーアナログ 変換器で送給電動機制御用のアナログ信号に変換するようにしたことを特徴とす る請求の範囲第１項に記載の真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の 距離を制御する装置。 ９．信号処理をハイブリッド（混成）回路、即ち一部分がディジタル回路、且つ 一部分がアナログ回路で行うようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記 載の真空アーク炉内の被溶解材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置。 １０．平均値発生器の後段に第１記憶装置（９０）を設け、この記憶装置によっ てサイクル時間（例えば１００ｍｓ）中ディジタル評価装置のパルス全部を加算 し、記憶装置の内容をサイクル時間の各終端で平均値発生器（８０）に供給する ようにしたことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の真空アーク炉内の被溶解 材料表面からの溶解電極の距離を制御する装置。