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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Konstanthalten der Bad- bzw. Lichtbogenspannung bei einer mit selbstverzehrender, auf Stromkonstanz vorschubgeregelter Elektrode arbeitenden Anlage, insbesondere einer Elektroschlacken-Umschmelzanlage, durch Steuern der an den Stromkreis des Schmelzbades angelegten Spannung.
Aus der DE-OS 2321357 ist eine Schweisseinrichtung bekannt, bei der es sich um eine teilweise automatische Steuerung der Spannung der Speisequelle zur Angleichung an geänderte Betriebsbedingungen handelt, wie beispielsweise : anderer Drahtdurchmesser, anderes Material, andere Elektrodenvorschubgeschwindigkeit. Da die Schweissspannung jedoch kein konstantes Verhältnis zur Elektrodenvorschubgeschwindigkeit hat, kann mit einem Elektrodenvorschubgeschwindigkeitsmesser nicht die Spannung gemessen werden. Das heisst, eine Vorschubgeschwindigkeit hat bei einem bestimmten eingestellten Programm nur eine Spannung der Schweissquelle zur Folge, was beim Schweissen genügt, da die Drahtzuführungsvorrichtung feststeht und somit sich die Impedanz in den Zuleitungen zum Lichtbogen nicht ändert.
Das Abschmelzen der Elektrode bei einer ESU-Anlage erfolgt mit elektrischer Energie, wobei der Schmelzstrom durch den Widerstand des Schlackenbades im Schlackenbad so hohe Temperaturen erzeugt, dass das Material der Elektrode abgeschmolzen wird und durch die Schlacke nach unten sinkt. Das flüssige Metall erstarrt durch die Wärmeabgabe an die wassergekühlte Kokille und bildet dadurch einen Block.
Durch die chemische Einwirkung des Schlackenbades auf das Metall wird die Qualität des umgeschmolzenen Materials verbessert.
Damit der Schmelzvorgang den metallurgischen Anforderungen entsprechend kontrolliert wird und gleichmässig abläuft, ist es notwendig, die Spannung UB im Schlackenbad und den Schmelzstrom I während des gesamten Schmelzvorganges durch eine Regeleinrichtung auf vorwählbare Werte konstant zu halten.
Die zur Regelung notwendige Messung des Schmelzstromes I kann einfach und exakt durchgeführt werden.
Anders verhält es sich mit der Spannung. Ein Abgreifen der Spannung zwischen den auf Schmelztemperatur befindlichen Enden von Block und Elektrode mittels Sonden ist wegen der hohen Temperaturen schwierig.
Wird die Spannung an der Elektrode mittels Schleifkontakten abgenommen, so ist diese Messung ebenfalls schwierig, da die kleine Spannung über einen gleitenden Übergang von der warmen, rauhen und verzunderten Elektrodenoberfläche abgenommen werden muss.
Eine weitere bekannte Möglichkeit ist es, die Spannung zwischen festen Punkten, wie der Bodenplatte und den Klemmbacken bzw. direkt an der Speisequelle zu messen. Das Verhältnis dieser Spannung zur Badspannung ändert sich jedoch im Verlauf des Schmelzvorganges, da sich die Spannungsabfälle im Block und in der Elektrode wegen der sich ändernden Länge von Block und Elektrode während des Schmelzvorganges verändern. Auch eine mit Hilfe der Spannung der Speisequelle und des Stromes durchgeführte Leistungsmessung bringt nicht das gewünschte Ergebnis, weil dabei nicht nur die ins Bad abgegebene Leistung, sondern auch die Leistung im Block und in der Elektrode mitgemessen wird. Die Leistung im Block und in der Elektrode ändert sich jedoch während des Schmelzvorganges wegen der Längenänderung von Block und Elektrode.
Deshalb ist auch das Verhältnis der an der Speisequelle gemessenen Wirkleistung zur Wirkleistung im Schlackenbad während des Schmelzvorganges nicht konstant.
Es müssen aufwendige Korrekturen, denen die Änderungen der Längen von Block und Elektrode zugrunde liegen und die daher die laufende Messung dieser Längen bedingen, erfolgen.
Die Erfindung löst in besonders vorteilhafter Weise die Aufgabe, bei konstantem Schmelzstrom die Spannung im Schlackenbad, also die Spannung zwischen dem ins Schlackenbad tauchenden Elektrodenende und dem ins Schlackenbad tauchenden Blockende, auf einen bestimmten Wert zu regeln.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung für die Spannung der an das Schmelzbad angelegten Stromquelle vorgesehen ist, die einerseits von einem Sollwertgeber für die einer gewünschten Elektrodenvorschubgeschwindigkeit entsprechende Spannung und anderseits von einem als Tachodynamo oder Schrittgeber ausgebildeten Istwertgeber für die der jeweils vorhandenen Elektrodengeschwindigkeit entsprechende Spannung beaufschlagt ist.
Durch die erfindungsgemässe Einrichtung werden die Spannung UB im Schlackenbad und der Schmelzstrom I während des gesamten Schmelzvorganges durch die Regeleinrichtung auf vorwählbare Werte konstant gehalten, so dass das umgeschmolzene Material den hohen metallurgischen Anforderungen
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entspricht. Es ist also durch die Erfindung erstmals die Möglichkeit gegeben, bei einer Elektroschlackenumschmelzanlage im Zusammenwirken mit einem Stromregler Strom und Spannung und somit die Leistung im
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Q = k. I. UB
Da die Elektrode um die in der Zeiteinheit abgeschmolzene Metallmenge kürzer wird, muss diese mit der Elektrodenvorschubvorrichtung mit der Geschwindigkeit v nachgestellt werden.
Soll sich der Abstand der Elektrode vom Block und sollen sich somit die elektrischen Werte von Strom und Spannung im Schlackenbad nicht verändern, muss die Stellgeschwindigkeit v proportional der umgeschmolzenen Metallmenge Q sein. Somit gilt :
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durch das Abschmelzen der Elektrode anderseits die geometrischen Abmessungen und damit die Impedanz des Stromkreises so, dass die Spannung der Speisequelle laufend nachgestellt werden muss. Daraus ergibt sich auch, dass die abschmelzende Elektrode mit einer der Schmelzleistung proportionalen Geschwindigkeit v nachgestellt werden muss.
An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.
Das Abschmelzen der Elektrode --1-- erfolgt mit der aus einer Spannungsquelle --2-- gelieferten Energie. Leitungen --3-- von der Spannungsquelle --2-- sind an der mit einer Vorrichtung --4-- für den Elektrodenvorschub versehenen, verstellbaren Elektrode --1-- mit einem Klemmbacken --9-- und an einer feststehenden Bodenplatte --5-- angeschlossen. Der Schmelzstrom I erzeugt durch den Widerstand RB im Schlackenbad --6-- so hohe Temperaturen, dass das Material der Elektrode --1-- abgeschmolzen wird und durch die Schlacke nach unten sinkt.
Das flüssige Metall erstarrt durch die Wärmeabgabe an eine wassergekühlte, höhenverstellbare Kokille --7-- und bildet dadurch einen Block --8-- mit einem Querschnitt, der grösser als der der Elektrode --1-- ist.
Auf Grund der abgeleiteten Tatsache, dass die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit v bei konstantem Schmelzstrom proportional der Badspannung UB sein muss (v = k. I. UB), wird die Regelung der Badspannung wie folgt durchgeführt : Mittels eines Sollwertgebers --10-- wird ein gewünschter Wert für die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit eingestellt. Der Istwert für die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit wird von einem Geschwindigkeitsmessgerät-12-wie z. B. einem Tachodynamo oder einem Schrittgeber abgenommen und einem Spannungsregler --11-- zugeführt.
Ist der Wert der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit kleiner als der eingestellte Sollwert, wird mittels des Reglers --11-- die Spannung der Spannungsquelle --2-- und dadurch die Badspannung so lange erhöht, bis die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit wieder dem eingestellten Sollwert entspricht. Ist der Istwert der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit grösser als der eingestellte Sollwert, wird die Spannung mittels des Reglers --11-- so lange verkleinert, bis die Differenz zwischen eingestelltem und tatsächlichem Wert für die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit 0 ist.
Voraussetzung für die Spannungsregelung ist, dass eine Regelung auf konstantem Schmelzstrom I in bereits bekannter Art wie folgt durchgeführt wird : Mittels eines Sollwertgebers --13-- wird ein gewünschter Wert für den Strom I am Regler --14-- eingestellt. Der Istwert für den Strom wird über einen Stromwandler --15-- abgenommen und dem Regler --14-- zugeführt. Ist der Strom I grösser als der eingestellte Sollwert, wird durch den Regler --14-- die Geschwindigkeit der Elektrodenverstellvorrichtung - verkleinert. Ist der Strom I kleiner, wird die Geschwindigkeit der Elektrodenverstellvorrichtung - mit dem Regler --14-- so lange erhöht, bis die Regelabweichung 0 ist.