Способ регулирования температурного поля в электронно-лучевых плавильных печах Советский патент 1992 года по МПК H01J37/30 

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в процессах электронно-лучевого нагрева.

Известен способ, реализованный в устройстве регулирования температурного поля, по которому измеряют температуру поверхности расплава вдоль траектории сканирования электронного луча, и пропорционально отклонению температуры от заданной изменяют мощность источника воздействия.

Недостатком указанного способа является то, что управление мощностью источника менее эффективно, чем управление скоростью движения электронного луча. Особен но указа н н ый н едостаток сказывается при больших мощностях электронно-лучевых установок из-за увеличения инерционности управления мощностью.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, реализованный в устройстве для управления процессом электронно-лучевого нагрева, заключающийся а том, что измеряют температуру поверхности металла вдоль траектории движения электронного луча, причем сканирование поля информационным пятном и пятном воздействия осуществляется синхронно, сравнивают измеренную в течение очередного цикла температуру с заданной, а скорбеть сканирования электронного луча в последующем цикле изменяют п бпорцио- нальнсГ рассогласованию между измеренной и заданной температурами на соответствующем участке траектории.

Недостатком известного способа чвля- ется то, что показания сканируемого пирометра не корректируется в условиях возмущений случайного характера. К основным из них следует отнести частое возникновение плазменного облака на участке воздействия электронного луча из-за интенсивного испарения примесей. При этом возрастает давление в рабочей камере печи, резко ухудшаются показания пирометров вследствие возникновения промежуточной среды. Измерения температуры поверхности расплава, проведенные с помощью пирометра спектрального отношения, показали, что в установившемся режиме отдельные выбросы показаний пирометра составляют до 8%. Причем выявлена сильная корреляционная связь между значениями давления в рабочей камере печи и температуры поверхности расплава. Коэффициент корреляции между двумя указанными факторами (определенные на основе известных методов стохастической идентификации) составляет 0,75-0,9. Таким образом, информация о давлении в рабочей камере печи позволит существенно скорректировать по-, казания пирометра и сформировать соответствующее управляющее воздействие.

Кроме того, при увеличении давления возрастают потери мощности электронного пучка, причем при увеличении давления до 0,1 Па потери мощности достигают 12%.

Так как по известному способу регулирование температуры осуществляется за счет перераспределения энергии источника между соседними участками поверхности объекта, то потери энергии за один цикл сканирования в последующем не компенсируется.

Цель изобретения - повышение точности поддержания заданного температурного поля переплавляемого металла.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в перераспределении энергии электронного луча, для чего измеряют температуру поверхности металла вдоль траектории движения электронного луча, причем сканирование

поля информационным пятном и пятном воздействия осуществляют синхронно, сравнивают измеренную в течение К-го цикла температуру с заданной, изменяют скорость сканирования электронного луча в

последующем (К+1)-м цикле пропорционально рассогласованию между измеренной и заданной температурами на соответствующем участке траектории, дополнительно измеряют давление в рабочей

камере в течение К-го цикла сканирования, фиксируют давление непосредственно перед каждым измерением температуры и в случае отклонения давления от заданного Прогнозируют температуру на очередном Xм участке траектории по формуле

()Ј |(Х)-Ч(Х)+1ХХ)&-Г(Х),

л

tKl

q -о

г о

л0)

где tK-KX) - очередное (K-q)-e измеренное

значение температуры на Х-м участке траектории;

Q - число временных точек, в которых

измерена температура на Х-м участке траектории:

R - число участков, на которые разделена траектория, изменяется от 1 до R, q - от 1 до Q,

коэффициенты сц, и уг зависят от характеристик объекта и определяются на основе методов статистической идентификации

5к-г(Х)-1к-КХ}-еМХ),

(2)

затем последовательно осуществляют откачку вакуумной системы до заданного, вычисляют мощность источника пропорционально отклонению давления от заданного в рабочей камере печи в К-м цикле по формулем

At2 ()

Мк+1 - No(1 + Кр т ), (3)

где No, Ро, Тц - заданные значения мощности источника воздействия, давления в рабочей камере печи, продолжительность цикла сканирования соответственно;

РК.ЦГ очередное /J.-Q измеренное значение в К-м цикле сканирования;

At- интервал дискретности измерения давления, зависящий от разрешающей спо- собности конкретных технических средств;

М - количество измеоений давления в течение одного цикла, причем /и&Х. Тц;

Кр - коэффициент пропорциональности, подбирается экспериментально для конкретного технологического объекта, вычисленную мощность источника контролируют с допустимой мощностью перегрева поверхности материала NK+Ч МДОп нов., и при выполнении данного условия измеряют скорость сканирования электронного луча в (Ю 1)-м цикле пропорционально рассогласованию между спрогнозированным значением температуры и заданным на данном участке траектории, а мощность источника изменяют пропорционально отклонению давления от заданного.

Сущность изобретения заключается в том, что после измерения давления в рабочей камере печи в течение К-ro цикла скани- рования, фиксируют давление непосредственно перед каждым измерением температуры и в случае отклонения давления от заданного прогнозируют температуру на очередном Х-м участке тра- ектории, последовательно осуществляют откачку вакуумной системы до заданного, вычисляют мощность источника пропорционально отклонению давления от заданного в рабочей камере печи в К-м цикле, затем вычислительную мощность источника контролируют с допустимой мощностью нагрева поверхности материала, и при выполнении данного условия изменяют скорость .сканирования электронного луча в (К+1)-м цикле пропорционально рассогласованию между спрогнозированным значением температуры и заданным на данном участке траектории, а мощность источника изменяют пропорционально отклонению давления от заданного.

На фиг.1 представлена блок-схема системы для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2-электронно-лучевая плавильная установка; на фиг.З - различные

варианты траекторий электронного луча при реализации способа,.

Система для реализации способа содержит задатчик 1 температуры, задатчик 2 давления, управляющую вычислительную машину (УВМ) 3, блок 4 управления мощностью электронного луча, сканирующий пирометр 5, отклоняющие системы пирометра б и электронного луча 7, электронно-лучевую печь 8, измеритель 9 давления и блок 10 откачной вакуумной системы, причем выходы задатчиков давления и температуры соединены с соответствующими входами УВМ, два других входа которой соединены с выходами сканирующего пирометра и измерителя давления соответственно, входы отклоняющих систем пирометра и электронного луча соединены с выходом УВМ, два других выхода которой соединены соответственно с входом блока управления мощностью электронного луча и с входом блока откачной вакуумной системы.

Устройство функционирует следующим образом.

В электронно-лучевой печи 8 по определенной траектории перемещается электронный луч, вдоль этой же траектории осуществляется измерение температуры поверхности металла сканирующим пирометром 5, выполненным, например, на базе передающей телевизионной трубки. Показания пирометра поступают в управляющую вычислительную машину, куда поступает информация от измерителя 9 давления в рабочей камере. В УВМ 3 формируется сигнал рассогласования At(X) следующим образом. Перед каждым измерением температуры фиксируется соответствующее по времени значение давления в рабочей камере. Если давление не превосходит заданного Ро, вычисляется разность At(X) t(X) - t(X), где t(X) - заданное значение температуры в точке X, поступающее от задатчика 1. Задатчиком может быть дисплейное устройство или пульт оператора, с которого осуществляется ввод соответствующих значений: если t(X) представляет собой кусочно-постоянную функцию; если же это непрерывная функция, она задается в УВМ аналитически. Если же давление превышает заданное, вычисляется разность Д t(X) t(X) - t(X), где 1 (X) - спрогнозированное значение температуры в точке X, вычисленное по формуле (1).

По окончании цикла сканирования осуществляют откачку вакуумной системы, посредством блока 10 откачной вакуумной системы, до заданного, а корректирующий сигнал Нормируется следующим образом.

Вся поверхность условно разбивается на L - 2 участков, где п - целое положительное число. Призеры разбиения поверхности приведены на фиг.З. В памяти УВМ последовательно фиксируются измерения температуры, соответствующие каждому элементарному участку S/L, где S - длина траекторий воздействия. При каждом 1-м

разбиении (I 1, 2, 3 п), т.е. делении

полученных отрезков пополам, образуются два участка, которые относятся к 1-й группе разбиения. На каждом участке группы разбиений скорость движения источника постоянная. Изменение скорости производится по сумме сигналов, каждый из которых определяется разностью сигналов рассогласования на соседних равных участках во всех группах разбиений. Число пар участков в 1-й группе разбиений, равной 2 . Каждой паре участков в f-й группе разбиений присваивается номер j j 1, 2

2м.

Пусть S 1, т.е. Х€0,1, тогда разностный сигнал для соседних участков в К-м цикле

вычисляется по.формуле .

(2Н/212j/2

Uij(K) - / Д t(X, K)d х - / Д t(X,K)d x.

Щ-3&to-ofe1

Значение суммарного сигнала коррекции Ли(Х,К)дляХ-гоэлементарногоучастка вычисляется по формуле

Д1(Х,К)

Iog2 L 2(-1

.,,5,

Uu(K) Ф (X),

где Ф определяется следующим образом: 1,npn(2j-2)/2T X(2J-1)/2 ;

ФиРО

-1,при()/2 X 2j/2;

О, при прочих X.

Тогда коррекция скорости движения источника на Х-м участке в (К+1}-м цикле определяется по формуле:

AV(X, К+1)К AU(X,K), где К - коэффициент пропорциональности, подбирается экспериментально.

После окончания К-го цикла в УВМ вычисляется новое значение мощности источника в соответствии с формулой (3).

Зависимость между потерями мощности электронного луча и давлением в рабочей камере печи можно аппроксимировать линейной зависимостью без потери общности результатов. Причем, надо иметь ввиду, что в процессе плавления и очистки металла происходит удаление примесей и испарение металла в виде паров, конденсирующихся на стенках камеры, и газов, удаляемых вакуумной системой со скоростью, достаточной для поддержания в камере печи остаточного давления не выше 1 10 3ммрт.ст.

Сигнал, пропорциональный скорректированному значению мощности, сравнивают с допустимой мощностью перегрева поверхности материала N«+1 МДОл.пов.. и при выполнении данного условия поступает

в блок 4 управления мощностью. Блок управления мощности в зависимости от технического исполнения пушки может управлять или ускоряющим напряжением, или накалом катода, или напряжением фокусирующего электрода и представляет собой стандартный узел.

В практике применяются наиболее надежные аксиальные пушки, отличительной особенностью которых по сравнению с

кольцевыми и радиальными является их конструктивная защищенность от дугового разряда. Пушка установлена в отдельной камере, имеющей автономную вакуумную систему. В рабочей камере отсутствует

электрическое поле.

Таким образом, в печах аксиального типа возможность возникновения дугового разряда сведена к минимуму.

Применение предлагаемого способа позволяет снизить выход брака на 1,5% и повысить производительность на 3%.

Формула изобретения

Способ регулирования температурного поля а электронно-лучевых плавильных печах, заключающийся в том, что измеряют температуру поверхности металла вдоль траектории движения электронного луча,

причем сканирование поля информационным пятном и пятном воздействия осуществляют синхронно,сравнизают измеренную в течение К-го цикла температуру с заданной, изменяют скорость сканирования электронного луча в последующем (К+1)-м цикле пропорционально рассогласованию между измеренной температурами на соответствующем участке траектории, отличающийся тем, что, с целью повышения точности

поддержания заданного температурного поля переплавляемого металла, дополнительно измеряют давление в рабочей камере лечи в течение К-го цикла сканирования, фиксируют давление непосредственно перед каждым измерением температуры и в случае превышения давлением заданной величины рассчитывают температуру не очередном Х-м участке траектории по равенству

fc( ОЧ(Х)-Ч(Х)(Х)5К-Г(Х)

Г -О

где tK-q(X) - очередное (K-q)-e измеренное значение температуры на Х-м участке траектории, К;

Q - число временных точек, в которых измерена температура на Х-м участке траектории;

R - число участков, на которые разделена траектория;

г - коэффициент изменяющийся от 1 до R;

q - коэффициент изменяющийся от 1 до а;

Oq , УГ- коэффициенты, зависящие от характеристик объекта, и определяются на основе методов статистической идентифи- кации;

5к-у(Х)-1к-у(Х)-1к-г{Х), затем последовательно осуществляют откачку вакуумной системы до заданного при сохранении постоянной мощности источни- ка, траектории и скорости движения электронного луча, вычисляют мощность источника пропорционально отклонению давления от заданного в рабочей камере печи в К-м цикле по равенству

0

5

Q

5 о

м

At2 () Мк+1 - No(1 + КР Р ° -г ,

где No. РО, Тц - заданные значения мощности источника воздействия (Вт), давления в рабочей камере печи (Па), продолжительности цикла сканирования (с) соответственно;

Рк. - очередное /4-е измеренное значение в К-м цикле сканирования, Па;

At - интервал дискретности измерения давления, зависящий от разрешающей способности конкретных технических средств, с;

М - количество измерений давления в течение одного цикла, причем/zAt Тц

Кр- коэффициент пропорциональности, подбирается экспериментально, для конкретного технологического объекта, , вычисленную мощность источника контролируют с допустимой мощностью перегрева поверхности материала NK-И Мдол.поет. и при выполнении данного условия в качестве управляющего параметра при изменении скорости сканирования электронного луча в (К+1)-м цикле используют разность между рассчитанным значением температуры и заданным на данном участке траектории, а мощность источника изменяют пропорционально отклонению давления от заданного.

Использование: изобретение может быть использовано в процессах электроннолучевого нагрева. Цель изобретения - повышение точности поддержания заданного температурного поля переплавляемого металла. Сущность изобретения: дополнительно измеряют давление в рабочей камере печи в течение К-ro цикла сканирования фиксируют давление непосредственно перед каждым измерением температуры и (в случае превышения заданного давления) прогнозируют температуру на очередном X- м участке траектории по формуле «(X)-S «1(Х)-Ч(Х)+ЈМХ)-Г(Х q ог о где tK-q(X) - очередное (K-q)-e измеренное значение температуры на Х-м-участке траектории; Q,R{ Oq (X), q - 1 ,Q}, { yr (X), г - 1 ,R) - параметры, зависящие от характеристик идентифицируемого объекта и определяемые на основе известных методов статистической идентификации; (5к - у (X) 1к-г(Х) - 1к-г{Х), затем последовательно осуществляют откачку вакуумной системы до заданного при сохранении постоянной мощности источника и скорости перемещения луча, вычисляют мощность источника пропорционально отклонению давления от заданного в рабочей камере печи в К-м цикле по формуле NK-H At2 (Рк//-Ро) No(1 + Кр Т, , где No, Ро, Тц - заданные значения мощности источника воздействия, давления в рабочей камере печи, продолжительности цикла сканирования соответственно; Рк(1 - очередное fi-e измеренное значение в К-м цикле сканирования; At - интервал дискретности измерения давления, зависящий от разрешающей способности конкретных технических средств;М- количество измерений давления в течение одного цикла, причем MAt Ту, Кр - коэффициент пропорциональности, подбирается экспериментально для конкретного технологического объекта, вычислительную мощность источника контролируют с допустимой мощностью перегрева поверхности материала N«+1 МДОп, пов. и при выполнении данного условия изменяют скорость сканирования электронного луча в (К+1)-м цикле пропорционально рассогласованию между спрогнозированным значением температуры и заданным на данном участке траектории, а мощность источника изменяют пропорционально отклонению давления от заданного. 3 ил. У Ј VI 4 Ч Ј 00

Фиг 1

Л. Д.

Ф«г. г

ЧК,-П00#чне /l a/Xfj