DE1012709B

DE1012709B - Method for locating the arc in vacuum arc furnaces

Info

Publication number: DE1012709B
Application number: DEH23330A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Helmut Gruber; Helmut Scheidig
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1955-03-19
Filing date: 1955-03-19
Publication date: 1957-07-25

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Lichtbogenschmelzeinrichtungen und die dazu erforderlichen Einrichtungen. Die Erfindung· bringt insbesondere eine Verbesserung beim Schmelzen von Metallen mit sehr hohem Schmelzpunkt der Nebenreihen der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, beispielsweise von Titan, Zirkonium und Molybdän. Metalle dieser Art werden in neuerer Zeit hauptsächlich in Lichtbogenschmelzöfen mit selbstverzehrenden Abschmelzelektroden und. wassergekühlten Tiegeln im Hochvakuum oder in inerten Gasen eines beliebigen Druckes, vorzugsweise eines reduzierten Druckes, niedergeschmolzen. Die Elektroden müssen dabei laufend nach Maßgabe des Abschmelzens vorgeschoben werden.The invention relates to a method for operating arc melting devices and the methods required for this Facilities. The invention brings in particular an improvement in the melting of Metals with a very high melting point of the secondary rows of the IV. To VI. Periodic group Systems, for example from titanium, zirconium and molybdenum. Metals of this type are being used in recent times mainly in electric arc furnaces with consumable consumable electrodes and. water-cooled Crucibles in a high vacuum or in inert gases of any pressure, preferably a reduced one Pressure, melted down. The electrodes must be continuously advanced in accordance with the melting process will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Störungen zu beseitigen, die z. B. in einem seitlichen Hochzünden des Lichtbogens am Tiegelrohr bestehen und besonders im Druckbereich von 10 bis 5 · 10~² Torr und bei geringem Abstand der Elektrode von der Tiegelwandung auftreten. Der Lichtbogen soll also in an sich bekannter Weise am unteren Ende der Elektrode lokalisiert werden, damit die Elektrode lediglich an ihrer unteren Spitze abschmilzt. Es soll verhindert werden, daß der Lichtbogen sich an unerwünschten Stellen festsetzt, also vor allem an oberhalb der Elektrodenspitze liegenden Stellen. Denn sonst könnte die Elektrode oben an einem unerwünschten Ansatzpunkt des Bogens, der dann meist zurThe invention has for its object to eliminate disturbances that z. B. survive in the crucible pipe in a lateral high ignition of the arc, and particularly in the pressure range from 10 to 5 x 10 ^-2 Torr and at a small distance of the electrode from the crucible wall occur. The arc should therefore be localized in a manner known per se at the lower end of the electrode so that the electrode only melts at its lower tip. The aim is to prevent the arc from getting stuck in undesired places, that is to say above all in places above the electrode tip. Otherwise, the electrode could be at an undesirable starting point of the arc, which is then usually used

Verfahren zum Lokalisieren des
Lichtbogens in Vakuum-LichtbogenöfenProcedure for locating the
Arc in vacuum arc furnaces

Anmelder:Applicant:

W. C. Heraeus G.m.b.H.,
Hanau/M., Heraeusstr. 12-14WC Heraeus GmbH,
Hanau / M., Heraeusstr. 12-14

Dipl.-Phys. Helmut Gruber und Helmut Scheidig,Dipl.-Phys. Helmut Gruber and Helmut Scheidig,

Hanau/M.,
sind als Erfinder genannt wordenHanau / M.,
have been named as inventors

zwischen Abschmelzelektrode und Schmelze brennenden Bogens verhindernden kurzzeitigen einschneidenden Verkürzen der Länge oder Herabsetzen der Speisespannung des Bogens.between the consumable electrode and the melt of the burning arc preventing short-term incisive Shorten the length or lower the supply voltage of the arc.

Vorzugsweise empfiehlt sich das Verfahren nach der Erfindung beim Gleichstrombetrieb des Lichtbogens. Der Erfindungsgedanke verwertet die Beobachtung, daß der Lichtbogen über die noch stark vorionisierte Gasstrecke (glühende Schmelzelektrode) leichter Tiegelwand übergeht, durchbrennen, der dabei unten 30 wieder zündet und leichter unterhalten wird als über abschmelzende Elektrodenteil als Ganzes in die die Entladungsstrecke zu der zu Beginn des seitlichen Schmelze fallen und zur Entstehung wertmindernder Hochwanderns noch verhältnismäßig kalten Tiegel-Fehlerstellen im Metall Anlaß geben. Die Erfindung wand. Außerdem wird die Tatsache verwertet, daß verhindert auch, daß ein unsymmetrisch brennender, die Ausbildung des oberen, schädlichen Bogens zur am Schmelztiegel hochzündender Lichtbogen entsteht, 35 Tiegelwand einige Zeit braucht, die für eine Maßder die wassergekühlte Tiegelwandung anstechen und nähme zur Verhinderung der Ausbildung dieses durchbrennen könnte, was zu einem gefährlichen Bogens zur Verfügung steht.The method according to the invention is preferably recommended for direct current operation of the arc. The idea of the invention utilizes the observation that the arc is still strongly pre-ionized Gas line (glowing melting electrode) passes over the crucible wall more easily, burn through, which ignites again at the bottom and is more easily entertained than above melting electrode part as a whole into the the discharge path to the beginning of the lateral The melt falls and the crucible flaws are still relatively cold, causing value-reducing high-altitude hiking give cause in metal. The invention walled. In addition, the fact that also prevents an unbalanced burning, the formation of the upper, damaging arc to the a high-ignition arc occurs at the crucible, 35 the wall of the crucible takes some time for a measure of the Pierce the water-cooled crucible wall and take this to prevent the formation could burn through, leading to a dangerous arc available.

Wassereinbruch führen würde. Der Erfindungsgedanke ruht also auf der Beein-Water ingress. The idea of the invention is therefore based on the impairment

Mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung soll flussung der geometrischen oder elektrischen Bevor allem ein solches Verhalten des Lichtbogens erz wun- 40 dingungen des Bogens entweder im Moment der ungen werden, daß eine dauernde Kontrolle entbehrlich erwünschten Nebenzündung zur Tiegelwand oder ist. Das Verfahren nach der Erfindung sieht vor,
wenigstens im Falle des Entstehens eines unsymmetrisch brennenden und seitlich hochzündenden Lichtbogens die von der Spannungsquelle gelieferte Span- 45
nung zumindest so zu schwächen oder die Elektrode
der Schmelze so stark zu nähern, daß der Bogen
wegen der geringeren erforderlichen Brennspannung
zwischen glühenden Elektroden, wie sie die Abschmelzelektrode und die Schmelze darstellen, oder 5° Schwächung regelmäßig in so kurzen Abständen vordurch den geringen Abstand auf die Verbindung zunehmen, daß die Ausbildung des unerwünschten zwischen der Elektrode und der Metallschmelze be- Bogens zur Tiegelwand verhindert wird, schränkt wird. Es kann sogar besonders vorteilhaft sein, wenn derWith the aid of the method according to the invention, the flow of the geometric or electrical conditions of the arc should be achieved either at the moment that a permanent control of the desired secondary ignition to the crucible wall is unnecessary. The method according to the invention provides
at least in the case of the occurrence of an asymmetrically burning and laterally igniting arc, the voltage supplied by the voltage source
tion at least to weaken or the electrode
to approach the melt so closely that the arc
because of the lower operating voltage required
between glowing electrodes, as represented by the consumable electrode and the melt, or the 5 ° weakening regularly increase in such short intervals due to the small distance to the connection that the formation of the undesired between the electrode and the molten metal is prevented from forming an arc to the crucible wall, is restricted. It can even be particularly beneficial if the

Die Erfindung besteht in einem das Ausweichen des Lichtbogen kurzzeitig überhaupt ganz unterbrochenThe invention consists in the evasion of the arc being completely interrupted for a short time

709 58W241709 58W241

regelmäßig in gewissen Zeitabständen. Beide Maßnahmen verhindern zuverlässig die Ausbildung eines solchen unerwünschten Bogens.regularly at certain time intervals. Both measures reliably prevent the formation of a such undesirable arc.

Für die meisten Anwendungsfälle wird es zweckmäßig sein, Vorkehrungen zu treffen, die eine kurzzeitige Schwächung des Lichtbogens nur im Gefahrenfalle selbsttätig gewährleisten. In anderen Fällen kann es aber zweckmäßig sein, diese kurzzeitigeFor most applications it will be useful to take precautions that include a short term Ensure that the arc is weakened automatically only in the event of danger. In other cases but it can be useful for this short-term

wird. Überraschenderweise ist eine kurzzeitige Unter- Schließlich läßt sich auch die Lichtbogenspannungwill. Surprisingly, a short-term under- Finally, the arc voltage

brechung dem Schmelzvorgang nicht abträglich, unter- kurzzeitig auf ein solches Maß reduzieren, daß nurbreak not detrimental to the melting process, short-term reduce to such a level that only

bindet aber das Hochzünden des Lichtbogens in noch an der Elektrodenspitze höchstens ein kurzes,but the high ignition of the arc binds at most a short time still at the electrode tip,

sicherer Weise, da sich dieser dann nicht stabil genug eingeschnürtes Stück des Lichtbogens aufrechterhalten ausbilden kann. Das jeweilige Neuzünden tritt dann 5 wird. Wenn die Spannung bis zur vollkommenensafer way, since this part of the arc that is not constricted enough is maintained can train. The respective re-ignition then occurs. When the tension is perfect

praktisch immer in erwünschter Weise an der Elek- Unterbrechung des Lichtbogens vermindert ist, wirdis practically always reduced in a desired manner at the electrical interruption of the arc

trodenspitze auf, da an dieser Stelle die Zündbedin- bei diesem Verfahren im allgemeinen ein besonderesTrodenspitze, since at this point the ignition condition in this process is generally a special one

gungen infolge'des Einflusses der glühenden Schmelze Zündgerät unentbehrlich. Zur Durchführung der zu-Due to the influence of the glowing melt, the ignition device is indispensable. To carry out the

am günstigsten sind. vor beschriebenen Verfahren dienende Einrichtungenare cheapest. Facilities serving the procedures described above

Zur selbsttätigen Auslösung der zur Unterdrückung to werden an Hand der schematischen Fig. 1 bis 3 ver-For the automatic triggering of the suppression to are based on the schematic Fig. 1 to 3

des Hochzündens notwendigen Arbeitsschritte emp- anschaulicht.the necessary work steps for ignition.

fiehlt sic'h die Kopplung dieser Einrichtungsteile der- Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Teile der art mit dem Versorgungskreis des Lichtbogens, daß Lichtbogenschmelzeinrichtung und eine Regeleinrichdie mit dem Hochzünden verbundene Änderung der tung für eine dem normalen gleichmäßigen Elektrodin-Stromstärke und Brennspannung des Bogens und die 15 vorschub zu überlagernde zusätzliche kurzzeitige Andamit gegebenen Änderungen im äußeren elektrischen näherung an die Metallschmelze in Abhängigkeit von Stromkreis, vorzugsweise die elektrisch-magnetische Änderungen des Lichtbogens, die zu einem 'fl&ifi-Induktion, benutzt wird. Die Unterbrechung oder zünden führen würden;.The coupling of these device parts of FIG. 1 schematically shows the essential parts of FIG art with the supply circuit of the arc, that arc melting device and a control device change in the direction associated with high ignition for a normal, even electrodin current and burning voltage of the arc and the additional short-term andamite to be superimposed in advance given changes in the external electrical approximation to the molten metal depending on Electric circuit, preferably the electro-magnetic changes of the arc, leading to a 'fl & ifi induction, is used. The interruption or ignition would result.

Schwächung des Lichtbogens kann aber auch regel- Fig. 2 zeigt die Überlagerung, eines Wechselstromes mäßig, taktweise und unabhängig von dem besonderen 20 über den Lichtbogengleichstrom; Zustand des Lichtbogens vorgenommen werden. Das Fig. 3 schließlich veranschaulicht eine ekktris^e kann z. B. durch das Überlagern einer genügend Einrichtung zur taktweisen Reduzierung der Licltgroßen Wechselspannung über die Gleichstrom- bogenspannung. |ii| Speisespannung erfolgen. Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Figi I, Eine mechanische Beeinflussung des Ansatzpunktes 25 wird dem normalen kontinuierlichen Vorschub der des Bogens kann dadurch erfolgen, daß die in bekann- Elektrode 1 mittels der vom Motor 9 angetriebenes ter Weise verschiebliehe Elektrode der Schmelze kurz- Rollen 8 eine zusätzliche Annäherung an die Metallzeitig so weit genähert wird, daß der Bogen sich schmelze 3 überlagert. Der Lichtbogen bildet sich zwangläufig auf die kürzeste Strecke beschränkt. unterhalb der Elektrodenspitze in dem mit Kühl-Zwar steigt in diesem Fall die Stromstärke, aber die 30 mantel 4 ausgestatteten Schmelztiegel 2. Der ndr-Brennspannung wird klein. Die von der Stromquelle malerweise gleichbleibende Abstand zwischen Elekgelieferte Spannung liegt fast ganz am Vorwiderstand. trode 1 und Metallschmelze 3 wird auch mittels uner Diese Bewegung kann sogar so weit ausgedehnt Absenkvorrichtund 5 für den Tiegelboden gesichert, werden, daß die Elektrode bis zur Berührung mit der Der Schaft des Tiegelbodens wird durch den Motor 6 Oberfläche des Schmelzsumpfes gebracht wird. Es be- 35 langsam in dem Maße der abschmelzenden Metallsteht keine Gefahr, daß beim kurzzeitigen Eintauchen menge nach unten bewegt. Ein SchmelzstromgeneratorThe arc can also be weakened as a rule. FIG. 2 shows the superposition of an alternating current moderately, intermittently and independently of the particular 20 via the direct arc current; State of the arc. Finally, FIG. 3 illustrates an ekktris ^ e can e.g. B. by superimposing a sufficient facility to reduce the light sizes in cycles AC voltage via the DC arc voltage. | ii | Supply voltage. In the embodiment of the invention according to Figi I, A mechanical influence on the starting point 25 is the normal continuous advance of the of the arc can be done in that the in well-known electrode 1 by means of the motor 9 driven ter way movable electrode of the melt short rollers 8 an additional approximation to the metal time is approached so far that the arc melt 3 is superimposed. The arc forms necessarily limited to the shortest route. below the electrode tip in the one with cooling In this case, the amperage increases, but the melting crucible, which is equipped with 4 jackets, 2. The ndr operating voltage becomes small. The distance between elecs supplied by the power source, which is sometimes constant Voltage is almost entirely due to the series resistor. trode 1 and molten metal 3 is also used by means of un This movement can even be extended to the extent that the lowering device and 5 are secured for the crucible bottom, The shaft of the bottom of the crucible is driven by the motor 6 Surface of the melting puddle is brought. It slows down as the metal melts no risk of moving the amount down during brief immersion. A melt current generator

der Elektrode in die Schmelze beide Teile verschweißen, da innerhalb der kurzen Berührungszeit die Schmelze noch nicht erstarrt. Bei einer dichten Annäherung der Elektrodenspitze an den Schmelzsumpf ohne unmittelbare Berührung ist die Brennspannung des kurzen Lichtbogens klein, so daß seitliche Lichtbogenäste mit Sicherheit abreißen.weld both parts of the electrode into the melt, because the melt has not yet solidified within the short contact time. With a dense one The approach of the electrode tip to the melt sump without direct contact is the operating voltage of the short arc small, so that the lateral arc branches tear off with certainty.

Auch diese Bewegung kann im Gefahrenfalle durchThis movement can also be carried out in the event of danger

11 liefert z. B. über Kontaktrollen 7 und den Schaft des Tiegelbodens den Lichtbogengleichstrom.11 provides e.g. B. the direct arc current via contact rollers 7 and the shaft of the crucible bottom.

Sobald sich der Lichtbogen an der Tiegelwa.ndung hochzuziehen beginnt, ändert sich die Lichtbogenspannung um einen gewissen Betrag. Dadurch wird ein Relais 12, das auf die Strom-Spannungs-Charakteristik des Bognes einreguliert ist, zum Ansprechen gebracht und über eine der an sich bekanntenAs soon as the arc hits the crucible wall begins to pull up, the arc voltage changes by a certain amount. This will a relay 12, which is adjusted to the current-voltage characteristic of the Bognes, to respond brought and about one of the known ones

eine entsprechend reagierende Automatik vor- 45 Regeleinrichtungen 10 der Antrieb 9 so gesteuert, daß genommen werden. Sie kann aber auch in zeitlich eine kurzzeitige starke Annäherung der Elektrode 1 regelmäßigen Abständen erfolgen, um einen in- an die Schmelze 3 eintritt. Die Strom- und Spanzwischen entstehenden, zur Tiegelwand gehenden nungsänderungen des Bogens beim seitlichen Hoch-Bogen zu löschen. zünden werden mit diesem Verfahren mit Sicherheita correspondingly reacting automatic control device 10 controls the drive 9 so that be taken. However, it can also bring the electrode 1 closer together for a short period of time take place at regular intervals in order to allow the melt 3 to enter. The power and chip lines resulting changes in the arch's voltage towards the wall of the crucible in the lateral high arch to delete. will ignite with this method with certainty

Ein anderer Weg zur fallweisen oder taktweisen 50 erfaßt und lösen die zur Unterdrückung dienlichen Schwächung des Lichtbogens besteht in der kurz- zusätzlichen Bewegungsimpulse aus. zeitigen oder dauernden Überlagerung einer Wechsel- Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 wird mittels einei!Another way to do it on a case-by-case or clock-by-cycle basis 50 detects and resolves those that are useful for suppression The weakening of the arc consists of briefly additional movement impulses. timely or permanent superimposition of an alternating In the device according to FIG.

spannung über die normalerweise benutzte Gleich- Hochstromtransformators 23 dem vom Generator 24 spannung. In jeder Periode der Wechselspannung erzeugten Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert, wird dann die Brennspannung des Lichtbogens gerade 55 so daß der Lichtbogen zwischen Elektrode 21 und einmal unterschritten. Die Größe der Wechselspan- Schmelze 22 im Takt der über die Anschlüsse 26 zunung läßt sich zumindest erfahrungsgemäß so einstellen, daß das erwünschte Ausmaß der Schwächung
des Lichtbogens eintritt. Zur Neuzündung des Lichtbogens ist kein Hochfrequenzzündgerät erforderlich, 60
da in der nächsten Phase des Wechselstroms die überlagerte Gleich- und Wechselspannung in ihrem Leexlaufspannungswert zur Zündung ausreichen. Es ist
hierbei auch möglich, die Wechselspannungskom-voltage via the normally used DC high-current transformer 23 to the voltage from the generator 24. In each period of the alternating voltage generated direct current is superimposed on an alternating current, the burning voltage of the arc is then just 55 so that the arc between electrode 21 and 21 is below. The size of the alternating chip melt 22 in the cycle of the tapering via the connections 26 can, at least from experience, be adjusted so that the desired extent of the weakening
of the arc occurs. No high-frequency ignition device is required to re-ignite the arc, 60
because in the next phase of the alternating current the superimposed direct and alternating voltage are sufficient in their secondary voltage value for ignition. It is
it is also possible to use the AC voltage

geführten und mittels des Regeltransformators 25 genügend bemessenen Wechselstroms regelmäßig und kurzzeitig geschwächt oder sogar unterbrochen wird. Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 wird der vom Gleichstromgenerator 33 gelieferte Gleichstrom durch einen zur Erregerwicklung 34 parallel geschalteten Unterbrecher 35 taktweise verändert und dementsprechend auch der Lichtbogenstrom für denguided and by means of the regulating transformer 25 sufficiently sized alternating current regularly and is temporarily weakened or even interrupted. In the device of FIG. 3, the from Direct current generator 33 supplied direct current by a to the excitation winding 34 connected in parallel Interrupter 35 changed cyclically and accordingly the arc current for the

ponente so zu wählen, daß im Zeitpunkt der Überlager- 65 zwischen der Elektrode 31 und der Schmelze 32 zu ten gegenpoligen Halbwellenspitze die Brennspannung unterhaltenden Lichtbogen. Die Stärke der Stromdes Bogens gerade noch für die stabileren Brenn- änderung läßt sich mit Hilfe der Regelwiderstände 36 bedingungen an der Elektrodenspitze ausreicht, und 37 entsprechend bemessen. Der Widerstand 37 während seitlich hochwandernde Bogen mit Sicherheit regelt den maximalen Stromwert und der Widerstand abreißen. 70 36 den minimalen Stromwert.component to be selected so that at the time of the superposition 65 between the electrode 31 and the melt 32 to th opposite polarity half-wave peak maintaining the arc voltage. The strength of the Stromdes Arc just enough for the more stable firing change can be made with the help of the variable resistors 36 conditions at the electrode tip is sufficient, and 37 dimensioned accordingly. Resistance 37 while arching up the side with safety regulates the maximum current value and the resistance tear off. 70 36 the minimum current value.

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Weitere elektrische Einrichtungsteile eines Zündgerätes können noch erforderlich sein und entsprechen den üblicherweise benutzten Geräten.Further electrical equipment parts of an ignition device may still be required and correspond the devices commonly used.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Method of locating the arc in vacuum arc furnaces with consumable Electrodes for melting metals, characterized by the evasion of the consumable electrode and the melting of the burning arc, preventing short-term, drastic shortening the length or lowering of the supply voltage of the arc.

2. The method according to claim 1, characterized in that the distance between the electrode and the melt is briefly reduced to the point of contact.

3. The method according to claim 1, characterized in that the voltage applied to the sheet is reduced briefly until the arc is extinguished.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the short-term incisive Shortening the length or reducing the supply voltage of the arc regularly in temporal terms Intervals is made.

5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the evasion of the Arc previous changes in the characteristics of the arc across a relay control the advance of the electrode so that the arc is shortened for a short time.

6. The method according to claim 1 and 3, characterized in that the evasion of the arc previous changes in the characteristics of the arc via a relay sent to the

S.

Briefly reduce the voltage applied to the arc until the arc is extinguished.

7. The method according to claim 1 to 6, characterized by direct current operation of the arc.

8. The method according to claims 1, 4 and 7, characterized in that the short-term, regular Reduction of the direct arc voltage by superimposing an alternating voltage takes place via the supply voltage.

9. The method according to claim 1, 3, 4, 6 and 7, characterized in that the excitation of the The DC machine used to supply the arc briefly until the Boigens is reduced.

10. The method according to claim 1, 3, 4, 6 and 7, characterized in that the short-term change the electrical firing conditions is carried out by means of electronic control elements.

11. The device according to claim 1 to 10, characterized by using one on the electrode feed Acting pulse relay that triggers control pulses for the brief advance and retraction of the consumable electrode.

12. The device according to claim 8, characterized by coupling the direct current circuit of the arc with an alternating current circuit via a high-current transformer, which via a regulating transformer is fed by mains electricity.

Considered publications:
German Patent Nos. 741 290, 741 249;
French Patent No. 687 215;
U.S. Patent No. 2,636,102;
Journal: America Machinist, 1952, March, Issue 3, through 141.

1 sheet of drawings