Акустические Контрольные Системы

Приборы для неразрушающего контроля металлов, пластмасс, бетона. Разработка, производство, поставка.

(495) 800-74-62

market@acsys.ru

Анализ процесса плавки металла в вакуумнодуговой печи с помощью ультразвковых волн


Аннотация


Изложено применение ультразвукового эхоимпульсного метода неразрушающего контроля для измерения высоты кристаллизующегося слитка и глубины ванны жидкого металла в вакуумной электропечи в процессе плавки. Выполнен эксперимент, показавший эффективность предложенного решения. Полученная информация может использоваться для управления процессом плавки в аналогичных печах.


Введение


Развитие техники требует во всё возрастающем количестве высококачественные металлы и сплавы. Для их производства используют печи спецэлектрометаллургии. При этом подавляющее количество металла выплавляют на вакуумнодуговых и электрошлаковых печах. Поэтому оптимизация конструкции печей и процессов плавки является актуальной задачей. Известно, что качество выплавляемого в этих печах металла зависит от геометрии жидкой металлической ванны [1,2].

Форму фронта кристаллизации металла можно определить, используя решение задачи Стефана, предложенную Л.С. Лейбензоном, смысл которого сводится к предположению о стационарном распределении температур в каждой фазе и подстановке этого распределения в условия сопряжения на границе раздела фаз.

Решение этого нелинейного дифференциального уравнения в конечном виде дает выражение движения фазовой границы от стенки кристаллизатора. В момент окончания кристаллизации фронты кристаллизации смыкаются на оси слитка. Отсюда легко рассчитать время полного затвердевания слитка и, задаваясь глубиной жидкой металлической ванны, определить линейную скорость наплавления. Однако для поддержания режима переплава необходимо решать обратную задачу, т.е. вводить данный расчёт в автоматическую систему управления (АСУ) печью. Но это позволяет только прогнозировать геометрию ванны, а, следовательно, с запозданием реагировать на возникающее в реальном времени изменение.

Точный расчет в ходе плавки этого параметра связан со значительными трудностями, т.к. граничные условия являются переменными величинами, зависящими от многих факторов: степени износа кристаллизатора, внешнего магнитного поля, колебания химического состава и температуры охлаждающей воды, состояния поверхности кристаллизатора и трубопровода, количества накипи на стенках кристаллизатора, зоны каплепадения, интенсивности перемешивания металлической ванны и ряда других.

Поэтому на стадии определения режимов, после выполнения расчётов, проводят опытные плавки с изучением структуры и свойств выплавленных слитков, на основании чего в технологические инструкции вносят конкретные значения электрических параметров плавки, обеспечивающих требуемую геометрию фронта кристаллизации. При этом данные значения выбирают на 5 – 10 % ниже допустимых, чтобы застраховаться от воздействия неучтенных факторов, отмеченных выше. Для снижения этого запаса в АСУ вводят дополнительные системы измерения, например:

Однако все эти факторы повышения точности управления все же косвенно характеризуют геометрию фронта кристаллизации, а именно она определяет направленность роста дендритов, зону образования усадочной раковины. Поэтому внесение в АСУ печей прямого слежения за фронтом кристаллизации позволит стабилизировать качество выплавляемых слитков, увеличить производительность печей и выход годного металла.


Способ контроля


Контроль положения фронта кристаллизации в процессе плавки принципиально возможен ультразвуковым (УЗ) эхоимпульсным методом. На границе между твёрдой и жидкой фазами металла существует скачок волнового сопротивления, величина которого по данным работы [3] обеспечивает коэффициент отражения УЗ волн приблизительно в 10 % по амплитуде сигнала для наиболее распространённых металлов. Но для слежения за всем фронтом необходимо зондировать зону расплава с разных направлений, т.к. фронт кристаллизации для УЗ импульсов, падающих на него из твёрдого металла, является рассеивающим отражателем. Это требует установки сложной системы УЗ преобразователей, встроенных в стенки кристаллизатора и в поддон. Но расположить множество УЗ преобразователей вокруг кристаллизатора без изменения конструкции печи невозможно. Однако если ограничиться наблюдением только за положением дна ванны и уровнем жидкого металла в ней, то контроль можно вести с помощью одного преобразователя, установленного на нижний торец затравки. Это единственное место, где возможна установка преобразователя.

При зондировании ванны жидкого металла снизу информативными эхосигналами будут сигнал от дна ванны, т.е. от границы раздела фаз, и сигнал от её поверхности. При успешном выделении этих сигналов из помех можно в процессе всей плавки следить, как за ростом длины слитка, так и за глубиной ванны, которую для получения качественного слитка нужно поддерживать постоянной. И, хотя эти параметры далеко не полностью характеризуют эволюцию фронта кристаллизации, с их помощью управление процессом плавки можно сделать намного более точным.


Схема прозвучивания и её особенности


Рис. 1. Схема установки УЗ преобразователя на затравку кристаллизатора, и ход ультразвуковых сигналов: Э1 – эхосигнал от дна ванны; Э2 – эхосигнал от поверхности жидкого металла.

На рис. 1 схематично представлен разрез вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом. В вакуумной рабочей камере 1 располагается электрод 2, к которому относительно корпуса печи подведено напряжение питания дуги. Дуга горит между ванной жидкого металла 3 и электродом 2. Электрод плавится, и капли металла падают в ванну. В нижней части ванны металл постепенно кристаллизуется, образуя слиток 4. По мере расплавления расходуемого электрода высота слитка постоянно растёт. И вместе с ним ванна жидкого металла поднимается вверх.

Во время плавки кристаллизатор 5 и поддон 6 охлаждается водой. В центре поддона 6 вставлена металлическая затравка 7 в форме конуса. Она снизу притянута к поддону гайкой, и плотно своей конической поверхностью прилегает к стенкам отверстия под неё. Перед плавкой верхняя часть затравки выступает над поддоном внутрь кристаллизатора. Вначале дуга зажигается между затравкой и электродом, расплавляя низ электрода и верхнюю часть затравки.

Нижний торец затравки выполнен плоским, и на него установлен совмещённый УЗ преобразователь 8. Во время плавки зондирующие импульсы, излучаемые преобразователем в затравку, проходят через неё в слиток и далее в ванну жидкого металла. На их пути три границы раздела: слабо выраженная в твёрдом металле между сплавленной со слитком затравкой и слитком, между слитком и ванной жидкого металла и, наконец, между жидким металлом и вакуумом. Часть энергии этих импульсов отражается от границы твёрдый металл – жидкий металл (Э1) и от поверхности жидкого металла (Э2).

Рис. 2. Нижняя часть распиленного вдоль слитка опытной плавки.

На рис. 2 показана фотография нижней части слитка жаропрочного сплава, распиленного вдоль вместе с затравкой после остывания и извлечения их из печи. С этим слитком были проведены предварительные эксперименты по оценке возможного отношения сигнала/шум и по выбору рабочей частоты УЗ преобразователя. На поверхности спила хорошо видна граница металла частично расплавленной затравки (показана стрелками). Граница не плоская, поэтому УЗ пучок при её прохождении может несколько рассеиваться и отклоняться от прямого направления.

Эксперименты с этим слитком длиной около 500 мм и диаметром 150 мм с вплавленной в него затравкой показали, что обнаружение эхосигнала от плоской его верхней (донной) поверхности возможно на частотах порядка 1 МГц. Вследствие крупной структуры сплава превалирующей помехой для этого является структурный шум. Кроме него, из-за границы затравка - слиток, а также из-за резьбы на затравке вблизи УЗ преобразователя в реализациях принимаемых сигналов присутствуют помехи от многократных отражений УЗ волн в затравке.


Процесс плавки и характер принимаемых сигналов и помех


Рис. 3. Установка для записи и обработки ультразвуковых сигналов из вакуумно-дуговой печи в процессе плавки.

Для наблюдения за процессом плавки и для последующего анализа принятых сигналов была собрана установка, рис. 3, состоящая из приёмно-передающего устройства А1560 SONIC-HF [4], УЗ преобразователя и компьютера. Преобразователь был доработан из серийно выпускаемого преобразователя S3750 [5] с номинальной частотой 1 МГц так, чтобы его можно было использовать при температуре до 130ºС. Для создания акустического контакта преобразователя с торцом затравки была подобрана высокотемпературная консистентная смазка.

Установка позволяет периодически записывать реализации сигналов в течение всей плавки, которая может продолжаться до 1,5 – 2 часов в зависимости от требуемого размера слитка. Во время плавки период повторения записи сигналов был выбран равным 0,5 с. Чаще записывать сигналы нет необходимости, т.к. процессы плавления металла, его перемешивания в ванне, падения капель металла в ванну, относительно медленные.

Сразу же после включения дуги в первые секунды плавки донный сигнал от верхнего торца затравки начинает «шевелиться»: его амплитуда начинает флюктуировать, а временное положение медленно и немного изменяться сначала в большую сторону, а затем в меньшую сторону. Так же ведут себя второй и третий донные сигналы. Но они быстро уменьшаются по амплитуде, что свидетельствует о начале расплавления торца затравки, условия отражения УЗ сигналов от которого ухудшаются. Одновременно быстро (за 20 – 30 с) уменьшается шум многократных отражений УЗ сигналов от границ затравки и структуры металла. Небольшое начальное увеличение времени задержки первого донного сигнала вызвано разогревом верхней части затравки (см. рис. 1) и, как следствие, снижением скорости звука в ней. А уменьшение времени задержки – результат оплавления и укорочения затравки.

Рис. 4. Осциллограммы реализаций принимаемых сигналов, записанные на разных стадиях плавки: а – в самом начале плавки; б – на 10-минуте плавки; в – на 23-й минуте. Цифрами обозначены: 1, 2, 3 – 1-й, 2-й и 3-й донные сигналы в затравке; 4, 5 – эхосигналы от поверхности жидкого металла.

На рис. 4, а показана осциллограмма реализации принятых сигналов в первую секунду начала плавки. Цифрами 1, 2, 3 обозначены 1-й, 2-й и 3-й донные сигналы, соответственно. Между ними присутствуют импульсы-спутники, вызванные отражениями сигналов от боковой конической поверхности затравки. В более поздние моменты времени реализация заполнена хаотическими колебаниями от многократных отражений импульсов в затравке. До 1-го донного сигнала на осциллограмме рис. 4, а присутствует структурный шум металла затравки. То, что это именно структурный шум было проверено ранее установкой преобразователя на большой образец из стали 20. Тогда шум структуры этой стали был как минимум в 10 раз меньше.

Затем по мере образования ванны жидкого металла, приблизительно к 10-й минуте плавки, на экране программы работы установки остаётся один видимый над шумом эхосигнал от поверхности ванны – 4 на рис. 4, б. Амплитуда этого импульса интенсивно флюктуирует от практически полного пропадания до величины порядка 1,5 отн. ед. Это вызвано постоянно волнующейся поверхностью металла, на которую падают капли расплавляющегося электрода. Остальные колебания всей реализации стационарны, за исключением слабо заметных флюктуаций амплитуды шума непосредственно перед импульсом от поверхности ванны (примерно на 1 % от максимальной). Эти слабые флюктуации, по-видимому, вызваны перемешиванием металла в ванне.

Вид осциллограммы принимаемых сигналов далее мало меняется. Только импульс от поверхности ванны постепенно смещается вправо в область больших времён, одновременно уменьшаясь по амплитуде, которая интенсивно флюктуирует. На рис. 4, в приведена осциллограмма реализации, записанной на 23-й минуте плавки. Видно, что колебания структурного шума к этому моменту мало изменились по форме и амплитуде. Их изменения могут быть вызваны только изменением температуры части слитка, отдалённой от ванны жидкого металла. Цифрой 5 отмечен эхоимпульс от поверхности ванны.

К концу плавки эхосигнал от поверхности ванны приблизился к моменту времени в 200 мкс. Его амплитуда снизилась до уровня несколько ниже пиков структурного шума. Только благодаря эффекту быстрой флюктуации он был заметен на фоне шума. Затем флюктуации прекратились, и в этой зоне развёртки начались медленные изменения формы колебаний структурного шума, которые прекратились приблизительно через полминуты. Этот последний эффект свидетельствует об окончании плавки и застывании металла в ванне. Донный сигнал от конца слитка по-прежнему был не виден.

Судя по приведённым осциллограммам, рис. 4, эхосигнала от дна ванны жидкого металла не видно на фоне структурного шума. Одной из причин может быть двухфазная область вблизи фронта кристаллизации, который сглаживает скачок волнового сопротивления от твёрдой фазы металла к жидкой фазе. Из-за отсутствия этого эхосигнала информативным параметром глубины ванны остаётся время задержки фронта области реализаций, в которой происходят слабые флюктуации амплитуды колебаний структурного шума.


Обработка сигналов


Специфика акустического тракта при УЗ контроле процесса плавки состоит в подвижности (изменчивости) среды распространения ультразвука, и значительном непостоянстве отражательной способности дальней (от преобразователя) её границы: поверхности ванны жидкого металла. Эти изменения среды и поверхности вызывают соответствующие изменения параметров колебаний в принимаемых реализациях. Причём это происходит на фоне очень медленных и малозначительных изменений формы колебаний структурного шума, соизмеримого по уровню с эхосигналом от поверхности ванны.

Для выделения полезной информации о глубине ванны жидкого металла использовано медианное усреднение группы из нескольких последовательно записываемых друг за другом реализаций принятых сигналов. Результат усреднения – вектор, каждый член которого представляет собой медианное значение соответствующих членов усредняемых реализаций. Этот вектор вычитается из каждой принятой реализации. И так происходит последовательно в течение всего процесса записи.

После такой обработки реализации получаются очищенными от регулярной составляющей структурного шума. В них остаются колебания, вызванные малыми, но относительно быстрыми изменениями формы и амплитуды колебаний структурного шума от подвижной массы жидкого металла. Кроме этого в реализациях присутствуют колебания от быстро флюктуирующих сигналов от поверхности ванны.

Далее реализации, очищенные от регулярной составляющей, детектируются с использованием преобразования Гильберта. Полученные огибающие в цвето-яркостном представлении последовательно выводятся на экран в координатах время от начала плавки – время появления информативных признаков от момента зондирующего сигнала.

Наряду с этим по временам появления информативных признаков дна и поверхности ванны жидкого металла вычисляются зависимости высоты кристаллизованной части слитка и глубины ванны от времени, прошедшего с начала плавки. Для вычисления этих зависимостей используются значения скоростей УЗ продольных волн в слитке и жидком металле. Причём для слитка берётся усреднённая скорость звука по значениям скорости в остывшей части слитка у затравки и скорости в зоне, нагретой почти до температуры плавления около дна ванны.


Обсуждение результатов


Рис. 5. Изменение временных положений информативных признаков эхосигналов от дна (1) и поверхности (2) ванны жидкого металла в ходе плавки.

На рис. 5 представлена полная картина эволюции информативных признаков в принимаемых сигналах в ходе плавки. Здесь по горизонтали отложено текущее время записи сигналов, а по вертикали – время задержки эхосигналов от любых отражателей, лежащих на пути УЗ пучка. Цветами представлены все уровни эхосигналов: от синего (слабый эхосигнал) до красного (сигнал с большой амплитудой). На этой картине достаточно легко можно выделить эволюцию границы между твёрдым и жидким металлом. Она видна в виде границы между тёмно-синем и более светлым полями картины. Невысокая контрастность её вызвана тем, что акустическая граница твёрдый металл – жидкий металл также слабоконтрастная, т.к. отражает мало энергии ультразвука. Причём эта граница на картине проявилась как переход от стабильной формы начального участка принимаемых реализаций к слабо изменчивому в большей степени, чем от выделения эхосигнала от границы твёрдого металла с жидким.

Красная полоса на рис. 5 показывает ход времени задержки эхосигналов от поверхности жидкого металла в течение плавки. Энергия этих сигналов значительно выше, поскольку граница жидкого металла с вакуумом намного более резкая в акустическом смысле.

Нужно заметить, что анализировать картину, рис. 5, следует только в нижней её части от оси абсцисс до полосы красного цвета, меняющей к концу плавки цвет на жёлто-зелёный. Эта область соответствует временам задержки первых (по времени) отражённых сигналов от дна и поверхности ванны жидкого металла, а также от неоднородностей перемешивающегося металла в ванне. Всё, что выше красной полосы, относится к сигналам, пришедшим на УЗ преобразователь позже относительно зондирующего сигнала. Это могут быть последующие колебания в основном эхосигнале от нестабильной поверхности жидкого металла, повторные эхосигналы от тех же границ и прочие помехи. В частности, бледно-жёлтая полоса, проходящая над красной полосой и повторяющая её форму, вызвана затухающими колебаниями основного эхосигнала от поверхности ванны.

Рис. 6. Изменение высоты твёрдого металла слитка (синяя кривая) и глубины ванны жидкого металла (красная кривая) в ходе плавки.

Результат пересчёта представленной картины, рис. 5, в зависимости высоты затвердевшего металла и глубины ванны от текущего времени плавки через скорости УЗ волн в твёрдом и жидком металле представлен на рис. 6. В них учтено также, что часть пути УЗ волн пролегала по оплавившейся затравке длиной около 130 мм. Эти зависимости обрываются в момент, когда плавление прервалось. Об этом можно судить по прекращению быстрых флюктуаций сигнала в зоне, соответствующей поверхности жидкого металла.

Из рис. 6 видно, что глубина ванны жидкого металла непрерывно возрастает от начала плавки до, приблизительно, 48 минуты, а затем уменьшается почти вдвое и у конца плавки стабилизируется в течение примерно 10 минут на уровне около 65 – 70 мм. Максимальная глубина ванны к 48 минуте доходит до 115 мм.

Максимальная длина твёрдой части слитка к моменту окончания плавки достигла приблизительно 330 мм (рис. 6, синяя кривая). После кристаллизации металла ванны об-щая длина слитка, содержащего усадочную раковину, получилась равной примерно 420 мм.

Рис. 7. Фотография шлифа слитка, выплавленного в ходе эксперимента.

Для оценки точности данного метода контроля глубины жидкой металлической ванны и длины кристаллизованной части слитка выплавленный в ходе плавки слиток был распилен вдоль и отшлифован. Его фотография приведена на рис. 7. На его поверхности виден фронт кристаллизации в конце плавки (ликвидус – жёлтая линия, солидус – красная линия). Анализ этих кривых показывает, что полученные измерения отражают реальную картину формирования слитка.


Выводы


  1. Измерение основных параметров процесса плавки металлов в вакуумно-дуговой печи возможно с помощью ультразвукового эхоимпульсного метода контроля. Предложенный метод можно применить для оперативного управления процессом плавки. В качестве информативного параметра целесообразно использовать величину времени распространения ультразвукового сигнала по жидкому металлу, которая пропорциональна глубине ванны.
  2. Точность измерений временных интервалов в условиях проведённого эксперимента не хуже 5 % от измеряемой величины. Поэтому точность измерений глубины ванны жидкого металла определяется, в основном, значением скорости ультразвука в расплаве. Для применения данного метода контроля при выплавке разных сплавов требуется уточнение значений скорости в расплавах разных металлов. Для этого необходимо провести опытные плавки с фиксацией глубины жидкого металла в процессе плавок, и по этим данным выполнить тарировку аппаратуры.
  3. Предложенная технология потенциально может использоваться на печах спецэлектрометаллургии с выплавкой слитков длиной до 2 метров и более в водоохлаждаемых кристаллизаторах. Она позволит стабилизировать качество выплавляемого металла и увеличить производительность печей на 10 – 20%.

Литература


  1. Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.: Энергоатомиздат. 1985. 232 с.
  2. Бершицкий И.М., Никулин А.А., Морозов В.И. Производство электрошлаковых полых заготовок. М.: ЦНИИНТИ. 1984. 56 с.
  3. Parker R. L., Manning J. R. and Peterson N. C. Application of pulseecho ultrasonics to locate the solid/liquid interface during solidification and melting of steel and other metals // Journal of Applied Physics 58, 4150 (1985). http://dx.doi.org/10.1063/1.335547/.
  4. https://acs-international.com/instruments/oem-ultrasonic-pulser-receiver-units/a1560-sonic-hf/.
  5. https://acsys.ru/sovmeshhennyie/.
.