[发明专利]一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置及方法

权利要求书

1.一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置，安装于电弧炉炉体外侧，其特征在于：包括传感器布置框架、自动升降单元、霍尔效应传感器、热电偶、多层升降螺圈以及自耗电极，其中传感器布置框架套装于电弧炉炉体外侧；多层升降螺圈滑动安装于传感器布置框架上；多个霍尔效应传感器分别按层和列固定安装于多层升降螺圈上，多个热电偶纵向排列布置于电弧炉炉体壁上；多层升降螺圈通过支架与自动升降单元的执行机构连接；自耗电极悬置在炉体中、铸锭上部；

热电偶在炉体外部由下至上在高度方向均匀布置，汇流排将汇集到的热电偶、霍尔效应传感器的数据信息传输给计算机；自动升降单元采用PID控制技术，根据热电偶实时反馈的温度数据，找到温度最高的区域，根据多层升降螺圈当前的高度计算应调整的位移，控制液压缸活塞杆的移动行程，带动升降螺圈在立柱上上下滑动，保证霍尔效应传感器与电弧区域始终平齐。

2.根据权利要求1所述的测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置，其特征在于：传感器布置框架具有多根立柱，通过两端的端环形成镂空的圆柱形支架环设于电弧炉炉体外，升降螺圈通过滑动元件环设于立柱上。

3.根据权利要求1所述的测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置，其特征在于：多层升降螺圈包括多个规格相同的螺圈，同轴等距上下布置，相邻螺圈间设有撑杆。

4.根据权利要求1所述的测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置，其特征在于：自动升降单元具有液压缸10、支架以及控制单元，其中控制单元包括PLC控制器及液压控制回路，PLC控制器输出的控制信号送至液压控制回路，液压控制回路中的电磁阀安装于液压缸10供油管路中，液压缸10的活塞杆通过支架与多层升降螺圈连接。

5.根据权利要求1所述的测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的装置，其特征在于：所述电弧炉为同轴炉，即坩埚中的总电流与电极中的电流流向相反。

6.一种测量真空电弧重熔过程电弧空间分布的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用单电弧假设，建立线电流源位置和其在霍尔传感器位置处产生磁感应强度的对应关系数据集；

首先采用单电弧假设，即认为电极与熔池之间只有一个电弧存在，假定随机分布的若干单电弧，即线电流源的位置，各线电流源在传感器位置处产生的磁感应强度由下式得出：

其中，μ₀为真空磁导率，I为总电流大小，dI'是沿总电流方向的电流微元，r是从线电流源到传感器的向量，r₀是r的单位向量，建立线电流源位置和其在传感器位置处产生磁感应强度的对应关系数据集；

2)根据电弧炉几何形状的轴对称性，利用毕奥-萨伐尔定律基于同轴电弧炉的特定形式，通过代入步骤1)中得到的数据集得到真空电弧炉的各相关参数；

在本发明所使用的同轴电弧炉中，居中电弧在炉子外部产生的净磁场为零，结合炉子几何形状的轴对称性，得出极坐标系中毕奥-萨伐尔定律基于同轴电弧炉的特定形式：

其中，B_t和B_r分别为磁感应强度的切向和径向分量；m_t，m_r，a，b为与炉体几何形状和配置相关的各参数；I为总电流大小；θ_i，d_i为表征各个线电流源与传感器相对位置关系的相关参数；

将步骤1)中建立的数据集代入上式，对指定的霍尔效应传感器而言，基于每个单电弧位置和其在该传感器位置处引起的磁感应强度都可得一组方程，将不同单电弧位置时得到的多组方程进行回归拟合，即可得出真空电弧炉的各相关参数；

3)对同轴电弧炉的特定形式进行公式变形处理，将步骤1)数据集中传感器位置处产生的磁感应强度以及步骤2)中电弧炉的各相关参数代入处理后的公式，求得该传感器预测的电弧位置；

将步骤2)中公式做如下变形：

其中，d_i，θ_i为表征各个线电流源与传感器相对位置关系的相关参数，见示意图3；B_t和B_r分别为磁感应强度的切向和径向分量；I为总电流大小；m_t，m_r，a，b为与炉体几何形状和配置相关的各参数；

将步骤1)数据集中传感器位置处产生的磁感应强度以及步骤2)中电弧炉的各相关参数代入上式，求得该传感器预测的电弧位置；针对某一确定电弧，将四个传感器分别预测出的电弧位置进行平均，即得该测量装置最终预测的电弧位置；

4)对装置的测量精度进行校准，直到测量精度达到要求；

该装置的测量精度由步骤3)中预测的电弧位置相对于已知电弧位置的百分比误差来表示，并通过铸锭半径做归一化处理，如下式：

其中x，y为电弧的实际位置，为该装置预测所得电弧位置；

5)自动调整设于电弧炉炉体外侧的多层升降螺圈的纵向位置，根据多层升降螺圈的纵向位置进行实际电弧位置的预测，得到多电弧的基本分布形式；

6)进一步确定各电弧在径向上需要移动的距离，不断修正电弧位置，直到多个线电流源在霍尔传感器位置处叠加产生的磁感应强度与霍尔传感器的读数一致为止。