СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗЛОЖНИЦЫ КРИСТАЛЛИЗАТОРА ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ Российский патент 2006 года по МПК C22B9/21 F27B3/28 G01N27/83 

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к устройствам для вакуумной дуговой плавки высокореакционных металлов, в частности титана и его сплавов.

Известна конструкция крупногабаритной изложницы кристаллизатора дуговой вакуумной печи (Аношкин Н.Ф., Плавка и литье титановых сплавов, М., Металлургия, 1978 г., стр.35-36.). Изложница представляет собой металлическую, чаще всего из меди или сплавов на ее основе, трубу длиной до 5 метров с фланцем в верхней части.

Изложница является важнейшим узлом дуговых печей для производства слитков. В нем осуществляются все основные процессы плавки: плавление металла воздействием на него дугового разряда, дегазация металла, формирование слитка. Конструкция испытывает большие тепловые нагрузки. Тепловые потоки через ее стенку в зоне горения дуги и верхней части формирующегося слитка составляют от сотен до тысяч киловатт на квадратный метр, в аварийных ситуациях (при переброске дуги на стенку изложницы) превосходят эту величину. Температурное поле в стенках изложницы нестабильно, при каждой плавке оно перемещается вдоль стенки вслед за подъемом зеркала ванны жидкого металла. На внутренней стороне изложницы температура достигает до 300°С, на наружной поверхности, охлаждаемой водой - 150°С. В результате больших градиентов температур возникают термические напряжения. В результате разницы давления внутри (вакуум) и снаружи изложницы (давление воды не менее 4 ати) стенки ее нагружены. В этих условиях работы происходит искажение внутренних геометрических размеров изложницы, связанных с накоплением остаточной деформации и разгара внутренней боковой поверхности.

Следствием этого являются локальные перегревы стенки изложницы при проведении плавки с возможным ее подплавлением или сквозным прожогом. Прожег изложницы при плавке высокореакционных металлов, например титана, влечет за собой не только паровой взрыв, но и взрыв гремучей смеси, т.к. титан взаимодействует с водой с ее диссоциацией и выделением свободного водорода.

Известен способ магнитного контроля изделий, заключающийся в том, что датчики магнитного поля перемещают над проверяемой поверхностью, снимают сигналы с датчиков, сравнивают определенную векторную функцию с хранящимися в памяти ЭВМ эталонными векторными функциями, полученными с учетом поля фона, и по результатам сравнения определяют наличие дефекта, а его характеристики вычисляют с использованием зависимостей, введенных в память ЭВМ (Патент РФ №2118816, МПК G 01 N 27/83, публ. 1998. 09. 10).

Недостатком известного способа является невозможность контроля изделия, изготовленных из немагнитных материалов, потребность в использовании специализированного дорогостоящего оборудования.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании технологии объективного контроля геометрических размеров изложницы, без ее демонтажа из печи.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является обеспечение взрывобезапасности процесса переплава слитков металлов и повышение срока службы изложницы кристаллизатора за счет получение объективных данных об ее допустимом износе.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе контроля состояния изложницы кристаллизатора вакуумной дуговой печи, включающий создание магнитного поля в изложнице за счет пропускания тока короткого замыкания по замкнутой системе электрод-изложница, сканирование напряженности магнитного поля над контролируемой поверхностью изложницы и определении наличия дефектов по результатам сравнения измеренного магнитного поля с его эталонным значением.

Пара электрод и изложница, при пропускании через нее тока короткого замыкания, представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух концентрических проводников (коаксиальная пара). Так как токи по электроду и проводнику протекают в противоположных направлениях, то при их геометрии, близкой к идеальной, напряженность магнитного поля за цилиндрической (боковой) поверхностью изложницы отсутствует. Вследствие поверхностного эффекта плотность тока во внутреннем проводнике возрастает в направлении его наружной поверхности, а во внешнем, наоборот, ток концентрируется в основном у внутренней поверхности. Таким образом, внешний проводник коаксиальной пары одновременно служит ее экраном. На практике искажение геометрических размеров системы, в том числе изложницы, вызывают появление асимметрия магнитного поля за внешней боковой поверхностью изложницы, которая легко фиксируется датчиками. При превышении напряженности магнитного поля выше порогового значения фиксируется нарушение геометрических размеров системы. Оценка искажения геометрических размеров изложницы производиться сравнением полученных сигналов с эталонными векторными функциями, полученными с учетом поля фона и с использованием зависимостей, введенных в память ЭВМ.

Применение тока короткого замыкания обусловлено следующими причинами.

При работе печи в режиме плавления за кристаллизатором возникает магнитное поле, которое может быть измерено. Однако в этом случае асимметрия магнитного поля, создаваемая рабочим током, вызваная совокупностью нескольких причин, а именно: движением дугового разряда, растеканием тока в при электродных областях дуги и в зоне контакта изложница-поддон.

Поэтому выделить сигнал, связанный с искажением геометрии изложницы на рабочем токе, практически невозможно.

При использовании тока короткого замыкания единственным мешающим фактором является растекание тока в зоне контакта изложница-поддон. Моделирование процесса растекания тока в такой системе и экспериментальная проверка на печах типа ДТВ 8,7-Г10 показали, что искажения магнитного поля, связанные с неравномерным растеканим тока в зоне контакта, перестают сказываться на высоте от места контакта, равной наружному диаметру изложницы. Выше этого сечения измеряемая напряженность магнитного поля тока короткого замыкания зависит от геометрических характеристик изложницы и может быть воспроизведена многократно.

Поэтому изложница при проведении контроля может устанавливаться на технологическую подставку в форме кольца высотой равной или большей величины наружного диаметра изложницы.

Таким образом, измерив, напряженность магнитного поля, созданного током короткого замыкания в системе электрод-изложница и сравнив полученные сигналы с эталонными векторными функциями, измерительная система выдает сигнал на пригодность использования изложницы в очередном цикле плавки.

Принцип работы способа поясняется чертежом - схемой сканирования магнитного поля за наружной цилиндрической поверхностью изложницы и обработки информации при пропускании тока короткого замыкания в системе электрод-изложница.

Схема сканирования отображает процессы: установки электрода 1 и изложницы 2 на технологическое кольцо 3, подачу на них тока короткого замыкания, преобразования магнитного поля рассеяния в электрический сигнал с помощью многоэлементного магниточувствительного преобразователем 4, считывания и обработки информации 5, управление сканированием и контролем, осуществляемым блоком управления 6 с выводом информации на экран монитора 7.

Цикл контроля начинается с установки изложницы 2 в составе кристаллизатора на технологическое кольцо 3, установкой электрода 1 и многоэлементного магниточувствительного преобразователя 4, состоящего из 256 магниточувствительных элементов, расположенных на ободе, перемещающимся вдоль оси изложницы. Затем подается напряжение на электрод 1 и поддон 8 и производиться сканирование магнитного поля наружной поверхностью изложницы 2 многоэлементным магниточувствительным преобразователем 4 и, одновременно, преобразование магнитных сигналов в цифровую форму и запись в память ЭВМ в виде цифровой матрицы чисел.

В основе алгоритма работы положен принцип измерения параметров магнитного поля за наружной поверхностью изложницы 2, с последующим выделением магнитных аномалий, вызванных дефектами. Затем производят считывание, обработку информации и визуализацию дефектов на экране монитора 7 (при магнитографическом визуальном анализе дефектов) или выдачей сигналов "годен" - "недопустимый износ" - при допусковом автоматическом контроле.

Предлагаемые способ контроля изложницы вакуумной дуговой печи позволяет:

- выявлять отклонение геометрических размеров изложницы от эталонного, записанного в память ЭВМ с точностью до 3 мм;

- визуализировать в 2-3-мерном изображении топограмму контролируемого объекта с пространственным распределением дефектов.

Изобретение относится к устройствам для вакуумной дуговой плавки высокореакционных металлов, а именно к крупногабаритной изложнице кристаллизатора дуговой вакуумной печи. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является обеспечение взрывобезопасности процесса переплава слитков металлов и повышение срока службы изложницы кристаллизатора за счет получения объективных данных об ее допустимом износе. Контроль изложницы производится сканированием магнитного поля за наружной цилиндрической поверхностью изложницы при пропускании тока короткого замыкания в системе электрод-изложница. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля состояния изложницы кристаллизатора вакуумной дуговой печи, включающий создание магнитного поля в изложнице за счет пропускания тока короткого замыкания по замкнутой системе электрод-изложница, сканирование напряженности магнитного поля над контролируемой поверхностью изложницы и определение наличия дефектов по результатам сравнения измеренного магнитного поля с его эталонным значением.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изложницу устанавливают на технологическое кольцо, высота которого больше или равна наружному диаметру изложницы