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Netzfrequenz-Wechselstromanlage für das Elektroschlackenumschmelzen von abschmelzenden Elektroden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Netzfrequenz-Wechselstromanlage für das Elektroschlackenumschmelzen von abschmelzenden Elektroden in einer gekühlten Kokille, ein Umschmelzverfahren, das vor allem in der Elektrometallurgie bei der Erzeugung von Edelstählen und Qualitätslegierungen mit Vorteil angewendet wird. übliche Wechselstromanlage für diese Zwecke sind im Buch"Elektroschlackenumschmelzen"von B. J. Medovar u. a., Bd. I., 1963 beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung von Gussblöcken in bisher bekannten Umschmelzanlagen Seigerungserscheinungen auftreten können und in manchen Fällen Metall von ungenügender Homogenität gewonnen wird.
Zu diesen Erscheinungen neigen insbesondere rein austenitische Stähle und Legierungen auf Nickelgrundlage, bei welchen grobkristallines Gefüge mit einer deutlich ausgeprägten Dendritenseigerung festgestellt wurde. Zum Beispiel weisen Kugellagerstähle sowie grosse Profile aus Werkzeug- und Schnellstählen, die aus in bekannten Anlagen erschmolzenen Gussblöcken hergestellt worden sind, oft eine erhöhte Struktur- und Karbidstreifigkeit auf.
Bekannte Wärmebehandlungen zur Umwandlung des Gefüges, wie z. B. Rekristallisationsglühen, Lösungsglühen oder Homogenisierungsglühen, erwiesen sich bei nach Elektroschlackenverfahren hergestellten Stählen als wenig wirkungsvoll.
Deshalb ist es beim Elektroschlackenumschmelzen einer Anzahl von Stählen und Legierungen notwendig, eine Dendritenseigerung, insbesondere eine Karbidseigerung bei Karbidstählen, durch richtige Führung der Kristallisation des Blockes zu verhindern.
Es ist das Ziel der Erfmdung, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und die Leistungsfähigkeit solcher Umschmelzanlagen zu verbessern.
Dieses Ziel lässt sich mit Anlagen der eingangs genannten Art erreichen, bei welchen erfindungsgemäss eine mit einer Wechselstromquelle in Reihe geschaltete, mit Netzfrequenz betriebene Vorrichtung zum periodischen Modulieren der Amplitude des durchfliessenden Wechselstromes mit einer Frequenz aufweist, welche der Frequenz der mechanischen Eigenschwingung des flüssigen Metallbodens annähernd gleich ist. Eingehende Versuche haben erwiesen, dass mit solchen Anlagen Metallblöcke hergestellt werden können, die eine minimale Strukturstreifigkeit und eine minimale Dendriteninhomogenität aufweisen, die frei von Gas- und nichtmetallischen Einschlüssen sind, sowie eine feinkörnige kristalline Struktur besitzen.
Es ist zweckmässig, zwischen der Wechselstromquelle und dem Verbraucher einen Transformator
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vorzusehen. Die Vorrichtung zur periodischen Modulation der Wechselstromamplitude kann dann in den
Stromkreis der Primärwicklung oder in den Stromkreis der Sekundärwicklung des Transformators eingeschaltet sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Amplitudenmodulation des
Wechselstromes als Ignitronanordnung in Gegentaktschaltung, nach einer andern Ausführungsform als
Sättigungsdrossel mit einer Erregerwicklung und einer Steuerwicklung ausgebildet sein, wobei die erstgenannte Wicklung in den Elektrodenstromkreis und die zweite in einen Steuerkreis geschaltet ist, der zur Änderung der Induktivität der Drossel mittels eines Schalters schliess- bzw. unterbrechbar ist.
Schliesslich kann die Vorrichtung zur Amplitudenmodulation aus einer Drossel mit einem drehbaren Jochteil zur Änderung der Induktivität des Sekundärkreises des Transformators, bestehen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigt Fig. l ein Schema einer erfindungsgemässen Anlage, Fig. 2, 3 und 4
Schaltschemata von Ausführungsformen mit einem Ignitronunterbrecher bzw. einer Sättigungsdrossel, einem elektromagnetischen Modulator und Fig. 5a bzw. 5b je ein Diagramm, das eine für die Zwecke der Erfindung brauchbare zeitabhängige Änderung des Speisestromes beispielsweise erkennen lässt.
In Fig. l ist in schematisierter Darstellung eine Ausführungsform einer Netzfrequenz-Wechselstrom- anlage für das Elektroschmelzen von abschmelzenden Elektroden --1-- in einer gekühlten Kokille - wiedergegeben, die an eine Wechselstromquelle über einen Transformator-3- angeschlossen ist. Die Vorrichtung--4 bzw. 4'--zur periodischen Modulation der Wechselstromamplitude kann entweder im Stromkreis der Primärwicklung oder im Stromkreis der Sekundärwicklung des Transformators eingeschaltet sein, wie mit strichlierten Linien angedeutet ist.
In Fig. 2 ist eine als Ignitronanordnung ausgebildete Vorrichtung zur Amplitudenmodulation des Wechselstromes gezeigt : Diese Anordnung enthält zwei Ignitrone-5 bzw. 6--, deren Gitter je an einen Schaltkreis--7 bzw. 8--zur Erzeugung der Gitterspannungen angeschlossen sind. Jeder dieser Schaltkreise wird von einem Phasenregler--9--gespeist. Beide Phasenregler--9--sind gemeinsam von einem Zeitrelais --10-- eines nicht gezeigten ölschalters gesteuert.
Die Ignitronanordnung liegt im Stromkreis der Primärwicklung-12-des Speisetransformators - 3--, der ein Belastungswiderstand--13-parallelgeschaltet ist. Ein von dem Zeitrelais--10-betätigter Schaltkontakt-11-ermöglicht das Anlegen der Wechselspannung an die beiden Ignitrone - 5 und 6-im Parallelbetrieb.
Die Anlage arbeitet nach folgendem Prinzip :
Das Elektroschlackenumschmelzen erfolgt nach einem an sich bekannten Verfahren, wobei der Ignitronunterbrecher mittels des Kontaktes --11-- des ölschalters parallel bzw. kurzgeschlossen ist.
Nach dem Bereiten des Schlackenbades in der Kokille --2-- wird der Kontakt-11-geöffnet und auf die Schaltkreise--7, 8-- wird ein Signal für die Zündung der Ignitrone--5, 6-- über das Zeitrelais --10-- gegeben, das z. B. im automatischen Betrieb "Impuls-Pause" arbeitet.
Abhängig von der jeweiligen Führung des Umschmelzprozesses sind zwei Arbeitsweisen des Ignitronunterbrechers möglich.
Bei der ersten Arbeitsweise wird der Wechselstrom, durch Ein- und Ausschalten der Ignitrone --5, 6-, bei der zweiten Arbeitsweise durch sprunghafte Änderungen der Phase der Ignitronzündung moduliert, wobei aufeinanderfolgende Stromimpulse 11 und Pausen (Fig. 5a) bzw. aufeinanderfolgende Stromimpulse mit maximalem oder minimalem Amplitudenwert I max bzw. I min (Fig. 5b) hervorgerufen werden.
Um einer Magnetisierung des Speisetransformators vorzubeugen ist die Schaltfolge der Ignitrone mit dem Stromnetz synchronisiert, und jeder Impuls besteht aus einer geraden Zahl Halbperioden.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Anlage, in welche die Vorrichtung zur
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--16-- des"Drossel-Kokille" fliesst Strom, der zur Erwärmung des Schlackenbades bis auf die Schmelztemperatur der Elektrode-l-ausreicht.
Der notwendige Modulationsgrad des Hauptstromes wird durch Steuerung des Stromes in der Steuerwicklung --17-- der Drossel mit Hilfe des Autotransformators-20-erreicht. Die Modulationsfrequenz ist durch das periodische Schliessen und öffnen der Kontakte --19-- des Zeitrelais vorgegeben.
Die Modulation des Wechselstromes mit einer Frequenz, die der Frequenz der mechanischen Eigenschwingung des flüssigen Metallbades, annähernd gleich ist, ruft infolge des Entstehens von Kapillarwellen an der Grenze "Schlacke-Metall" und unter der Wirkung elektrodynamischer Kräfte Resonanzschwingungen des flüssigen Metallbades hervor, was zu einer Strukturverkleinerung und Strukturhomogenität des Gussblockes führt, wobei der Grad, in dem sich eine Dendritenseigerung entwickelt, bei weitem nicht so ausgeprägt ist als bei der Verwendung unmodulierten Stromes.
Fig. 4 stellt eine andere Ausführungsform der Anlage dar, in welcher als Vorrichtung zur Amplitudenmodulation des Wechselstromes eine in den Sekundärkreis --16-- des Transformators --3- eingeschaltete Drossel--21--mit einem drehbaren Jochteil--23--vorgesehen ist. Der Jochteil--23--ist im Magnetkreis--22--der Drossel angeordnet und mittels eines Elektromotors --24-- drehbar.
Mit der Lage des Jochteiles --23-- ändert sich die Grösse des Luftspaltes und damit der magnetische Widerstand des Magnetkreises-22--. Infolgedessen ändert sich die Induktivität der Drossel --21-- und die Amplitude des die Umschmelzanlage speisenden Wechselstromes wird moduliert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Netzfrequenz-Wechselstromanlage für das Elektroschlackenumschmelzen von abschmelzenden
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einer Wechselstromquelle in Reihe geschaltete, mit Netzfrequenz betriebene Vorrichtung (4) zum periodischen Modulieren der Amplitude des durchfliessenden Wechselstromes mit einer Frequenz aufweist, welche der Frequenz der mechanischen Eigenschwingung des flüssigen Metallbades annähernd gleich ist.
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