УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПРОЦЕССОМ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2002 года по МПК C22B9/20 G01N21/00 

Изобретение относится к области цветной электрометаллургии и может быть использовано при производстве высокореакционных металлов и сплавов, например титана, в вакуумных дуговых электропечах.

Известно, что при производстве ряда металлов и сплавов в электрических дуговых печах за поведением электрической дуги и протеканием процесса плавки наблюдают через смотровые окна, расположенные так, чтобы видимость на всем протяжении плавки была хорошей.

Стекла смотровых окон значительно затемняются в процессе плавки летучими веществами горения, брызгами металла, что вызывает необходимость частой замены стекол.

Известно также, что наблюдение за процессом плавки ведут с помощью специальных оптических приборов для дистанционного наблюдения, в которых световой поток лучей от жидкого металла расщепляется и идет по двум каналам: к окуляру и на матовый экран (Андреев А.Л.. Аношкин Н.Ф. и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1994, с.167-168).

Известные приборы не обеспечивают надежный контроль процесса плавки и работы печи, повышается вероятность взрывоопасной ситуации.

При производстве высокореакционных металлов и сплавов, например титана, в вакуумных дуговых печах может возникнуть аварийная ситуация из-за прожигания стенки кристаллизатора электрической дугой. Время прожигания может составлять несколько секунд. В этом случае для контроля процесса плавки используют метод оптического спектрального анализа. Отношение интенсивностей спектральных линий атомов металла кристаллизатора и атомов металла электрода будет зависеть от прозрачности (затемнения) стекла смотрового окна (заявка ФРГ N 3120856, кл. Н 05 В 7/18, опубл. 1982 г.) - прототип. Продолжительность замены стекла в процессе плавки может превосходить время прожигания стенки кристаллизатора и привести к взрыву печи.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение надежности контроля процесса вакуумной дуговой плавки (ВДП) за счет обеспечения защиты устройства оптического наблюдения работы печи.

Поставленная задача решается тем, что устройство оптического наблюдения за процессом вакуумной дуговой плавки плавильной печи, содержащее смотровое окно со стеклами, механизм замены стекол и оптический спектрограф, согласно изобретению дополнительно содержит металлический стержень, металлическую трубку с боковыми отверстиями, отклоняющие металлические пластины и металлическую сетку, катушку индуктивности со свободно перемещающимся ферромагнитным сердечником, генератор импульсного тока, источник постоянного высокого напряжения, при этом металлическая трубка с жестко прикрепленной отклоняющей пластиной вставлена герметично в отверстие смотрового стекла, металлический стержень с жестко прикрепленными отклоняющей пластиной, металлической сеткой и ферромагнитным сердечником вставлен через уплотняющую резину в другое отверстие стекла, причем плоскости отклоняющих пластин установлены параллельно друг другу, металлическая сетка установлена параллельно плоскости стекла, боковые отверстия трубки расположены между стеклом и сеткой, при этом отклоняющие пластины и сетка находятся с внутренней стороны смотрового окна, а катушка индуктивности - с внешней стороны окна, к катушке индуктивности подключен генератор импульсного тока, а к металлической трубке и стержню - источник высокого постоянного напряжения. Кроме того, устройство также содержит волоконный световод и оптическую линзу, при этом входная часть волоконного световода с оптической линзой помещены в металлическую трубку, а выход волоконного световода подключен к оптическому спектрографу.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана блок-схема предлагаемого устройства, которое содержит: 1 - стекло смотрового окна; 2 - металлический стержень; 3 - металлическую трубку с отверстиями; 4, 5 - отклоняющие металлические пластины; 6 - металлическую сетку; 7 - катушку индуктивности; 8 - ферромагнитный сердечник; 9 - генератор импульсного тока; 10 - источник высокого постоянного напряжения; 11, 12 - резиновые уплотнители; 13 - волоконный световод; 14 - оптическую линзу; 15 - оптический спектрограф.

При работе печи выделяются продукты горения в виде сажи, пыли, дыма. Частицы этих веществ могут быть в электрически заряженном состоянии. Более того, происходит разбрызгивание металла под влиянием электрической дуги. Летучие продукты горения и мелкие капли металла достигают смотрового окна печи и загрязняют стекло окна. В результате этого снижается эффективность визуального контроля поведения дуги.

Особенно негативно это может отразиться при использовании метода эмиссионного спектрального анализа и автоматического управления режимами работы печей. Коэффициент пропускания загрязненного стекла для разных оптических длин волн будет разный и меняться от состава летучих веществ, что приведет к большей погрешности и ложному срабатыванию автоматических систем.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На отклоняющую пластину 4, металлическую сетку 6, через металлический стержень 2 подается положительный потенциал высокого напряжения от источника 10, а на отклоняющую пластину 5 подается отрицательный потенциал через металлическую трубку 3. Разность потенциалов выбирается и может составлять 1-5 кВ. Заряженные летучие частицы будут оседать на отклоняющих пластинах, отталкиваться или притягиваться сеткой в зависимости от знака заряда частиц.

Волоконный световод 13 и линза 14 вставлены в металлическую трубку 3 таким образом, что между внутренней стенкой трубки и световодом с линзой остается свободное пространство. В вакуумных электродуговых печах всегда присутствует разность давлений между атмосферным воздухом и внутренним воздухом печи. Эта разность создает поток инертного газа во внутрь печи через металлическую трубку 3, который разделится на два потока (на схеме показаны пунктирными стрелками). Через боковые отверстия в трубке поток будет сдувать со стекла проникающие нейтральные частицы. Второй поток инертного газа, проходящий через всю длину трубки, защищает линзу 14 и волоконный световод 13. Поток выбирается таким, чтобы не нарушать общий вакуум в объеме всей печи. Такая защита значительно улучшит прохождение спектра на спектрограф 15.

На металлическую сетку 6 передаются через металлический стержень 2 механические колебания электромагнитом, состоящим из катушки индуктивности 7 с ферромагнитным сердечником 8, прикрепленным к металлическому стержню 2. Генератор 9 импульсного тока подключен к обмотке катушки и создает в ней импульсную магнитную индукцию, которая вызывает механические колебания сердечника 8.

Металлические капли, достигая сетки 6, будут стряхиваться до их "замораживания" механическими колебаниями (импульсами). Частота повторения импульсов тока генератора 9 может регулироваться от 0,1 с до 1 с в зависимости от режимов работы печи и плавящегося металла.

Предлагаемое устройство оптического наблюдения обеспечивает надежный контроль и устойчивость хода процесса вакуумной дуговой плавки за счет создания надежной защиты данного устройства и исключения перерывов в плавке, связанных с отключением печи по ложным сигналам и, следовательно, получение выплавляемых слитков требуемого качества.

Изобретение относится к области цветной электрометаллургии и может быть использовано при производстве высокореакционных металлов и сплавов, в частности титана, в вакуумных дуговых электропечах. Устройство дополнительно содержит металлический стержень, металлическую трубку с боковыми отверстиями, отклоняющие металлические пластины и металлическую сетку, катушку индуктивности со свободно перемещающимся ферромагнитным сердечником, генератор импульсного тока, источник постоянного высокого напряжения. Металлическая трубка с жестко прикрепленной отклоняющей пластиной вставлена герметично в отверстие стекла, металлический стержень с жестко прикрепленными отклоняющей пластиной, металлической сеткой и ферромагнитным сердечником вставлен через уплотняющую резину в другое отверстие стекла. Плоскости отклоняющих пластин установлены параллельно друг другу, металлическая сетка установлена параллельно плоскости стекла, боковые отверстия трубки расположены между стеклом и сеткой. Отклоняющие пластины и сетка находятся с внутренней стороны смотрового окна, а катушка индуктивности - с внешней стороны окна. К катушке индуктивности подключен генератор импульсного тока, а к металлической трубке и стержню - источник высокого постоянного напряжения. Устройство содержит волоконный световод и оптическую линзу, при этом входная часть волоконного световода с оптической линзой помещена в металлическую трубку, а выход волоконного световода подведен к оптическому спектрографу. Предлагаемое устройство обеспечивает надежный контроль и устойчивость хода процесса вакуумной дуговой плавки за счет создания надежной защиты данного устройства и исключения перерывов в плавке, связанных с отключением печи по ложным сигналам и, следовательно, получение выплавляемых слитков требуемого качества. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство оптического наблюдения за процессом вакуумной дуговой плавки плавильной печи, содержащее смотровое окно со стеклами, механизм замены стекол и оптический спектрограф, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит металлический стержень, металлическую трубку с боковыми отверстиями, отклоняющие металлические пластины и металлическую сетку, катушку индуктивности со свободно перемещающимся ферромагнитным сердечником, генератор импульсного тока, источник постоянного высокого напряжения, при этом металлическая трубка с жестко прикрепленной отклоняющей пластиной вставлена герметично в отверстие стекла, металлический стержень с жестко прикрепленными отклоняющей пластиной, металлической сеткой и ферромагнитным сердечником вставлен через уплотняющую резину в другое отверстие стекла, причем плоскости отклоняющих пластин установлены параллельно друг другу, металлическая сетка установлена параллельно плоскости стекла, боковые отверстия трубки расположены между стеклом и сеткой, при этом отклоняющие пластины и сетка находятся с внутренней стороны смотрового окна, а катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником - с внешней стороны окна, к катушке индуктивности подключен генератор импульсного тока, а к металлической трубке и стержню - источник высокого постоянного напряжения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит волоконный световод и оптическую линзу, при этом входная часть волоконного световода с оптической линзой помещена в металлическую трубку, а выход волоконного световода подведен к оптическому спектрографу.