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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umschmelzanlage zum Umschmelzen von als Elektrode ausgebildeten metallischen Werkstoffen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Elektrodenumschmelzanlage.
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Derartige Umschmelzanlagen bzw. Schmelzanlagen dienen dazu, die Eigenschaften von metallischen Werkstoffen zu verbessern und werden insbesondere zum Durchführen eines Vakuum-Lichtbogenumschmelzverfahrens oder eines Elektrodenschlackeumschmelzverfahrens eingesetzt. Bei beiden dieser Verfahren wird ein zu verarbeitender und als Elektrode (Abschmelzelektrode) ausgebildeter metallischer Werkstoff mittels einer Elektrodenstange der Umschmelzanlage kontaktiert und in Richtung eines Tiegels einer Schmelzstation bewegt bzw. höhenverstellt. Die Elektrode wird dabei kontinuierlich abgeschmolzen, wobei der Umschmelzprozess häufig mit Hilfe einer Wiegeeinrichtung nach Maßgabe des sich ändernden Gewichts der abschmelzenden Elektrode geregelt wird. Das Abschmelzen der Elektrode findet in einem abgeschlossenen Raum statt, der durch den Tiegel einer Schmelzstation und einem darüber positionierten Ofenkessel der Umschmelzanlage begrenzt ist. Zum Positionieren des Ofenkessels über einem Tiegel einer Schmelzstation sowie zum Freigeben des Tiegels für das Chargieren der Anlage nach Abschluss des Umschmelzverfahrens ist auch der Ofenkessel relativ zu dem Tiegel bewegbar bzw. höhenverstellbar ausgebildet. Häufig sind Umschmelzanlagen ferner dazu vorgesehen, mit mehr als einer Schmelzstation verwendet zu werden.
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Um eine Elektrodenstange und einen Ofenkessel in ihrer Höhe zu verstellen, schlägt das Dokument
DE 10 2016 100 372 A1 eine Umschmelzanlage vor, bei der die Elektrodenstange und der Ofenkessel jeweils an einer zwischen zwei Säulen eines Portals geführten Quertraverse befestigt sind. Jede der Quertraversen weist einen Spindelantrieb auf, um unabhängig voneinander bewegt zu werden. Die Elektrodenstange und der Ofenkessel sind oberhalb eines Rahmens angeordnet, auf dem mehrere Tiegel verschiebbar gelagert sind. Obgleich die Tiegel durch Verlagerung unter dem Ofenkessel und der Elektrodenstange positioniert werden können, besteht eine Herausforderung darin, die Elektrode relativ zu dem zugeordneten Tiegel zu zentrieren.
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Das Dokument
DE 2 425 032 A1 beschreibt eine Umschmelzanlage mit einer Führungssäule auf der ein Elektrodenstangenwagen zum Höhenverstellen einer Elektrodenstange verlagerbar geführt ist. Ferner ist an derselben Führungssäule eine Hubeinrichtung vorgesehen, um einen Ofenkessel über einem Tiegel auf und ab zu bewegen. Ein Tiegel bzw. eine Kokille ist auf einem Blockwagen angeordnet, um nach Beendigung des Umschmelzverfahrens aus der Anlage herausgefahren zu werden.
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Ferner offenbart das Dokument
DE 29 30 354 A1 eine Umschmelzanlage mit einer Tragsäule, an der ein Wagen zum Halten einer Elektrode und ein Wagen zum Halten einer Kühlkokille befestigt sind. Beim Abschmelzen der Elektrode wird die Kühlkokille kontinuierlich angehoben. Mittels eines Rollwagens, auf dem die Kühlkokille angeordnet ist, kann diese nach Beenden des Umschmelzverfahrens mit dem umgeschmolzenen Metallblock aus der Umschmelzanlage herausgefahren werden.
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Auch bei den Umschmelzanlagen der Dokumente
DE 2 425 032 A1 und
DE 29 30 354 A1 besteht eine Schwierigkeit darin, die Elektrode relativ zu der darunter positionierten Kokille bzw. dem darunter positionierten Tiegel zu zentrieren.
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Das Dokument
US 3 689 680 A offenbart eine Vorrichtung zum Umschmelzen von Elektroden. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl an Führungssäulen, die um eine stationäre Säule drehbar an der stationären Säule angebracht sind. Die Führungssäulen umfassen jeweils eine eine Elektrode tragende Halterung, die an der zugehörigen Führungssäule vertikal verlagerbar ist, um die Elektrode in einen Schmelztiegel einzubringen.
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Des Weiteren beschreibt das Dokument
EP 3 002 534 A1 eine Umschmelzanlage, die eine Wägezelle zum Wiegen der Abschmelzelektrode während des Umschmelzprozesses umfasst. Hierdurch ist die Abschmelzelektrode entsprechend ihres Verbrauchs in einen Tiegel nachführbar, der in dem Anlagengestell angeordnet ist. Die Wägezelle ist an einem Anlagengestell montiert und trägt eine Plattform, auf der ein Linearantrieb für die Elektrodenstange und ein Halter für ein Hochstromkabel angeordnet sind. Ein Nachteil dieser Umschmelzanlage besteht jedoch darin, dass sie nur mit einem in dem Anlagengestell angeordneten Tiegel verwendbar ist. Zudem ist ein einstellbares Zentrieren der Elektrode in dem Tiegel nur bedingt möglich.
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Um ein Zentrieren der Elektrode in einem Tiegel zu ermöglichen ist in einer aus der Praxis bekannten Umschmelzanlage eine Elektrodenstange vorgesehen, die einen Außenmantel umfasst, in dem der kraft- und stromführende Innenteil der Elektrodenstange gegenüber dem Außenmantel berührungslos gehalten ist. So kann der Innenteil lateral innerhalb des Außenmantels bewegt werden, um eine von dem Innenteil kontaktierte Elektrode in dem Tiegel zu zentrieren. Zwischen der Elektrodenstange und einem die Elektrodenstange tragenden vertikal beweglichen Schlitten ist eine Wiegeeinrichtung mit drei Wägezellen vorgesehen. Ein Nachteil dieser Umschmelzanlage besteht jedoch darin, dass der Außendurchmesser der Elektrodenstangenanordnung groß ist und daher ausreichend Bauraum benötigt. Zudem können sich während des Umschmelzverfahrens in dem Freiraum zwischen Außenmantel und Innenteil der Elektrodenstange Verunreinigungen ablagern, die in die Schmelze oder nach Freigeben des Tiegels in die Umwelt gelangen können.
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Aus der Praxis ist ferner eine Umschmelzanlage bekannt, die eine auf einem Deckel eines Ofenkessels angeordnete Wiegeeinrichtung mit mehreren Wägezellen umfasst. Die Wiegeeinrichtung trägt eine Elektrodenstange, die sich über eine Durchführung in den Ofenkessel hinein erstreckt. Ein Nachteil dieser Umschmelzanlage besteht darin, dass zum Chargieren der Umschmelzanlage der Ofenkessel mit den darauf angebrachten Anlagenkomponenten angehoben werden muss, sodass sich eine vergleichsweise große Anlagenhöhe als Summe der Elektrodenstangenlänge, der Wiegeeinrichtung, des Ofenkessels, der Elektrode und der Tiegeltiefe ergibt.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Umschmelzanlage mit einer Wiegeeinrichtung bereitzustellen, die eine geringe Anlagenhöhe aufweist und ein Zentrieren einer Elektrode in einem Tiegel ermöglicht. Eine Elektrodenstange der Wiegeeinrichtung sollte zudem einen möglichst geringen Durchmesser haben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Umschmelzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere mögliche Ausführungsformen werden aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 sowie der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Eine erfindungsgemäße Umschmelzanlage umfasst einen Ofenkessel, der über einem Tiegel einer Schmelzstation positionierbar ist, sowie eine Elektrodenstange, die über eine Durchführung in den Ofenkessel einführbar oder eingeführt ist, um eine abzuschmelzende bzw. umzuschmelzende Elektrode zu kontaktieren. Ferner umfasst die Umschmelzanlage eine Führungssäule, an der ein fest mit der Elektrodenstange verbundener Elektrodenstangenwagen axial verlagerbar geführt ist, um die Elektrodenstange relativ zu dem Ofenkessel zu verlagern, und an der ein mit dem Ofenkessel verbundener oder verbindbarer Kesselwagen axial verlagerbar geführt ist, um den Ofenkessel zu verlagern. Die Führungssäule der Umschmelzanlage ist an einem ersten Ende gelenkig mit einer Drehsäule verbunden, sodass die Führungssäule relativ zu der Drehsäule neigbar und gemeinsam mit der Drehsäule um eine Drehachse der Drehsäule drehbar ist. Die Führungssäule weist im Bereich des ersten Endes eine Wiegeeinrichtung auf. Die Wiegeeinrichtung ist vorzugsweise an der Drehsäule angebracht. Insbesondere kann die Führungssäule an dem ersten Ende um wenigstens zwei quer zueinander verlaufende Achsen schwenkbar mit der Drehsäule verbunden und somit in wenigstens zwei verschiedene Richtungen neigbar sein.
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Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, dass das gesamte Ofenkopfsystem der Umschmelzanlage, welches zumindest die Führungssäule, den Elektrodenstangenwagen, die Elektrodenstange, die Durchführung, den Kesselwagen und vorzugsweise die Elektrode sowie den Ofenkessel umfasst, durch die in Bezug auf die Drehachse der Drehsäule drehfeste Verbindung der Führungssäule mit der Drehsäule um diese Drehachse drehbar ist. Somit ist das gesamte Ofenkopfsystem durch Drehen der Drehsäule von einem Tiegel einer ersten Schmelzstation zu einem weiteren Tiegel wenigstens einer zweiten Schmelzstation bewegbar. Gleichzeitig ist das gesamte Ofenkopfsystem durch Neigen der Führungssäule relativ zu der Drehsäule mittels der gelenkigen Verbindung neigbar. Eine von der Elektrodenstange kontaktierte und/oder gehaltene Elektrode ist demnach durch Neigen des gesamten Ofenkopfsystems mittels Neigens der Führungssäule in dem zugeordneten stationären Tiegel auf einfache Weise zentrierbar. Eine ebenfalls dadurch erzeugte Neigung des Ofenkessels kann jedoch in einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise mittels eines Kesselkardanrahmens zwischen Kesselwagen und Ofenkessel kompensiert werden, was weiter unten in Bezug auf die entsprechende Weiterbildung näher erläutert ist. Auch kann der Kesselwagen in einer Ausführungsform lösbar mit dem Ofenkessel verbunden sein, sodass im Falle einer gelösten bzw. getrennten Verbindung die Neigung der Führungssäule und damit des Kesselwagens nicht an den Ofenkessel übertragen wird. Auch dies ist weiter unten in Bezug auf die entsprechende Ausführungsform näher erläutert.
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Durch die axiale Verlagerbarkeit des Elektrodenstangenwagens und des Kesselwagens entlang einer Längsachse der Führungssäule sind die Elektrodenstange und der Ofenkessel jeweils entsprechend in dieser Richtung verlagerbar. Somit sind die Elektrodenstange und der Ofenkessel relativ zu einem Untergrund und einem Tiegel unabhängig voneinander vertikal in ihrer Höhe verstellbar. Zum Wechseln der Schmelzstation müssen die Elektrodenstange und der Ofenkessel unabhängig voneinander nur so weit angehoben werden, dass eine neue, zu kontaktierende Elektrode darunter anordenbar ist und eine Kollision beim Drehen des Ofenkopfsystems zu der weiteren Schmelzstation vermieden wird. Da der Elektrodenstangenwagen und der Kesselwagen relativ zueinander axial verlagerbar sind, müssen beim Anheben des Ofenkessels die Elektrodenstange und der Elektrodenstangenwagen nicht mitverlagert werden, sodass die Gesamthöhe der Umschmelzanlage gering gehalten werden kann. Das Anheben des Ofenkessels kann auch als ein axiales Verlagern des Kesselwagens in Richtung eines dem ersten Ende entgegengesetzten zweiten Endes der Führungssäule beschrieben werden. Gleichzeitig kann bei der erfindungsgemäßen Umschmelzanlange der Durchmesser der Elektrodenstange vergleichsweise gering gehalten werden, da sie keine Ausbildung eines Innen- und Außenmantels erfordert.
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Die Anordnung der Wiegeeinrichtung im Bereich des ersten Endes der Führungssäule, also im Bereich der gelenkigen Verbindung zwischen der Führungssäule und der Drehsäule, ermöglicht es, sämtliche von der Führungssäule während des Umschmelzprozesses getragene Komponenten der Umschmelzanlage zu wiegen. Somit beeinflussen Reibungskräfte zwischen den sich relativ zueinander verlagernden Komponenten nicht das Messergebnis. Das sich ändernde Gewicht der abschmelzenden Elektrode kann somit präzise erfasst werden, wodurch eine genaue Prozessregelung durch Nachführen der Elektrode in Richtung des Tiegels nach Maßgabe des sich ändernden Gewichts der Elektrode sichergestellt wird.
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In einer Ausführungsform der Umschmelzanlage kann die Führungssäule mittels eines Kugelgelenks gelenkig mit der Drehsäule verbunden sein. Dabei kann sich die Führungssäule gegenüber dem Kugelgelenk abstützen und von diesem getragen werden. Das Kugelgelenk ermöglicht grundsätzlich ein Neigen der Führungssäule in eine beliebige Richtung.
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Das Kugelgelenk kann derart ausgebildet sein, dass es zumindest abschnittsweise die Wiegeeinrichtung umgreift. Durch die vorzugsweise feste Anbringung der von dem Kugelgelenk umgriffenen Wiegeeinrichtung an der Drehsäule kann die Drehbewegung der Drehsäule um die Drehachse auf die Führungssäule übertragen werden. Die Wiegeeinrichtung kann als eine Wägezelle ausgebildet sein, insbesondere als eine einzelne Wägezelle.
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Gemäß einer Weiterbildung der Umschmelzanlage kann sich die Führungssäule in einem nicht geneigten Zustand im Wesentlichen parallel zu der Drehsäule erstrecken und lateral von dieser beabstandet sein. Die Drehsäule unterscheidet sich in dieser Weiterbildung von der Längsachse der Führungssäule.
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In einer alternativen Weiterbildung kann anstelle eines Kugelgelenks beispielsweise ein Kardangelenk zwischen der Führungssäule und der Drehsäule vorgesehen sein. Ferner kann die Führungssäule oberhalb der Drehsäule angeordnet sein, wobei die Längsachse der Führungssäule und die Drehachse bzw. Längsachse der Drehsäule einander entsprechen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Umschmelzanlage kann die Führungssäule ein dem ersten Ende entgegengesetztes freies zweites Ende aufweisen, welches mit einer Antriebseinrichtung zum Neigen der Führungssäule um die gelenkige Verbindung wirkverbunden ist. Insbesondere kann die Antriebseinrichtung zum Neigen der Führungssäule gelenkig an der Drehsäule angebracht sein und wenigstens ein Antriebselement umfassen, das die Führungssäule im Bereich des freien zweiten Endes kontaktiert. Hierzu kann das freie zweite Ende der Führungssäule beispielsweise eine Kopfkonsole umfassen, die über die Grundfläche der Führungssäule zumindest abschnittsweise hinausragt. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise ein sogenannter X-Y-Antrieb sein, der zwei Antriebselemente aufweist, die in zwei senkrecht zueinander stehende und in Bezug auf die Antriebseinrichtung horizontale Richtungen bewegbar sind. Durch ein Bewegen der Antriebselemente kann das damit verbundene freie zweite Ende der Führungssäule gemeinsam mit den Antriebselementen bewegt werden. Da die Führungssäule an dem entgegengesetzten ersten Ende gelenkig, jedoch ansonsten nicht verlagerbar, mit der Drehsäule verbunden ist, bewirkt diese prinzipiell horizontale Verlagerung des freien zweiten Endes ein Neigen der Führungssäule. Durch die gelenkige Anbringung der Antriebseinrichtung an der Drehsäule und die Anbringung der Antriebselemente an der Führungssäule ist die Antriebseinrichtung gemeinsam mit der Führungssäule neigbar.
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In einer Weiterbildung der Umschmelzanlage kann die Durchführung über einen Faltenbalg mit dem Ofenkessel verbunden sein. Dies ermöglicht eine vakuum- und/oder gasdichte Einbringung der Elektrodenstange in den Ofenkessel. Darüber hinaus oder alternativ dazu kann die Durchführung starr mit dem Kesselwagen verbunden und gemeinsam mit diesem verlagerbar sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Abstand zwischen Ofenkessel und Durchführung bei der Verlagerung des Ofenkessels mittels des Kesselwagens nicht zu groß wird und beispielsweise den dazwischenliegenden Faltenbalg beschädigt. Die starre Verbindung der Durchführung mit dem Kesselwagen kann mittels einer steifen Querverbindung realisiert sein, die sich zwischen der Durchführung und dem Kesselwagen erstreckt und mit beiden fest verbunden ist. Da die Durchführung der Elektrodenstange über die Querverbindung mit dem Kesselwagen verbunden ist, dessen Gewicht über weitere Komponenten wie eine Wagenantriebseinrichtung und eine Antriebsspindel von der Wiegeeinrichtung getragen und somit erfasst wird, wirken Reibungskräfte an der Durchführung als interne Kräfte im gewogenen Teil der Umschmelzanlage und nehmen deshalb keinen Einfluss auf das Wiegeergebnis.
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In einer Ausführungsform der Umschmelzanlage kann der Ofenkessel einen Kardanrahmen umfassen, über den der Kesselwagen mit dem Ofenkessel lösbar verbunden oder verbindbar ist. Wird die Führungssäule mit zumindest den daran geführten Wagen, der Elektrodenstange, der Durchführung und der Elektrode zum Zentrieren der Elektrode in dem zugeordneten Tiegel um die gelenkige Verbindung geneigt, kann dieses Neigen in Bezug auf den Ofenkessel durch den Kardanrahmen kompensiert werden. Der Ofenkessel bleibt somit trotz Neigen der Führungssäule in einer im Wesentlichen vertikalen Position. Der Kardanrahmen kann an dem Ofenkessel angebracht sein, insbesondere an einer Außenumfangsfläche des Ofenkessels. Durch ein axiales Verlagern des Kesselwagens in Richtung des freien zweiten Endes der Führungssäule, d.h. im Betrieb vertikal nach oben, kann der Kesselwagen zumindest abschnittsweise mit dem Kardanrahmen verbunden werden. Bei einem weiteren Verlagern des Kesselwagens in Richtung des freien zweiten Endes der Führungssäule kann der Ofenkessel somit von einem Tiegel einer Schmelzstation angehoben werden. Gleichermaßen kann der Ofenkessel durch axiales Verlagern des Kesselwagens in Richtung des ersten Endes der Führungssäule auf einem Tiegel einer Schmelzstation abgesetzt werden, wodurch der Ofenkesselraum vakuum- und/oder gasdicht verschließbar ist. Der Kesselwagen kann nach dem Absetzen des Ofenkessels auf dem Tiegel weiter in Richtung des ersten Endes der Führungssäule verlagert werden, wodurch die Verbindung zwischen dem Kesselwagen und dem Kardanrahmen lösbar ist bzw. getrennt wird. Der Ofenkessel ist sodann nur noch über den Faltenbalg mit der Durchführung verbunden. Da der Ofenkessel nach dem Lösen der Verbindung mit dem Kesselwagen nicht mehr von der Führungssäule getragen wird, wirkt auch das Gewicht des Ofenkessels nicht mehr auf die Wiegeeinrichtung und wird somit während der Prozessregelung nicht mit erfasst.
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Dagegen ist die Verbindung zwischen der Elektrodenstange und dem Elektrodenstangenwagen fest. Diese feste Verbindung ist außerhalb, genauer gesagt im montierten Zustand, oberhalb des Ofenkessels angeordnet. Die feste Verbindung kann beispielsweise eine Schraub- oder Klemmverbindung zwischen dem Elektrodenstangenwagen und der Elektrodenstange sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Umschmelzanlage können der Elektrodenstangenwagen und der Kesselwagen jeweils eine Wagenantriebseinrichtung zum axialen Verlagern des jeweiligen Wagens entlang der Führungssäule umfassen. Die separaten Wagenantriebseinrichtungen für die beiden Wagen ermöglichen ein voneinander unabhängiges Verlagern. Jede der Wagenantriebseinrichtungen kann in Form eines Spindelantriebs ausgebildet sein. Eine Antriebsspindel der Wagenantriebseinrichtungen kann vorzugsweise parallel zu der Führungssäule angeordnet und an einem Ende hängend an der Kopfkonsole der Führungssäule befestigt sein.
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In einer Ausführungsform kann die Umschmelzanlage ferner eine starr mit einem Untergrund verbundene oder verbindbare Stützsäule umfassen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Drehsäule erstreckt und lateral von dieser beabstandet ist. Die Drehsäule kann sich in dieser Ausführungsform an einem ersten Drehsäulenende mittels eines Axiallagers um die Drehachse drehbar gegenüber dem Untergrund oder einem Podest abstützen und an einem dem ersten Drehsäulenende entgegengesetzten zweiten Drehsäulenende um die Drehachse drehbar in einem Radiallager gelagert sein, das an einem mit der Stützsäule starr verbundenen Träger angeordnet ist. Der Träger kann als Querträger ausgebildet sein, der sich im Wesentlichen horizontal von der Stützsäule in Richtung der und zumindest abschnittsweise über die Drehsäule erstreckt. Die Wiegeeinrichtung kann insbesondere in unmittelbarer Nähe zu dem Axiallager, genauer gesagt unmittelbar oberhalb des Axiallagers, angeordnet sein.
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Die Elektrodenstange kann in einer Weiterbildung über ein Hochstromkabelsystem mit einer Stromversorgung verbunden sein, die ein erstes Hochstromkabel, ein zweites Hochstromkabel und ein drittes Hochstromkabel umfasst. Das erste Hochstromkabel kann zwischen der Stromversorgung und einer ersten Kabelaufhängung befestigt sein. Die erste Kabelaufhängung kann an der Drehsäule angebracht sein, sodass das erste Hochstromkabel eine Länge aufweisen muss, die ausreicht, um die Drehbewegung der Drehsäule nicht zu behindern. Das zweite Hochstromkabel kann zwischen der ersten Kabelaufhängung an der Drehsäule und einer zweiten Kabelaufhängung befestigt sein, wobei die zweite Kabelaufhängung an der Führungssäule angebracht ist. Hierdurch kann eine Entkopplung des zu wiegenden Teils der Umschmelzanlage von dem nicht zu wiegenden Teil der Umschmelzanlage erreicht werden. Das dritte Hochstromkabel kann zwischen der zweiten Kabelaufhängung an der Führungssäule und einer dritten Kabelaufhängung befestigt sein, wobei die dritte Kabelaufhängung an der Elektrodenstange angebracht ist. Das dritte Hochstromkabel weist eine Länge auf, die ausreicht, um das Absenken und Anheben der Elektrodenstange nicht zu behindern. Da die Führungssäule die zweite Kabelaufhängung und die dritte Kabelaufhängung direkt bzw. indirekt trägt, wird das dritte Hochstromkabel und dessen Aufhängungen von der Wiegeeinrichtung erfasst, sodass eine Verlagerung des Kabels durch Verlagern der Elektrodenstange das Wiegeergebnis nicht beeinträchtigt. Es versteht sich, dass das erste, zweite und dritte Hochstromkabel jeweils mehrere Leiter oder Kabelstränge umfassen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede der Säulen als Rahmen ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Hochstromkabelsystem zwischen der Stromversorgung und der Elektrodenstange innerhalb dieser Rahmen angeordnet sein, sodass die die Hochstromkabel während des Umschmelzverfahrens umgebenden Stromfelder keinen negativen Einfluss auf die Stahlkomponenten der Umschmelzanlage haben. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Umschmelzanlage eine Elektrodenschlackeumschmelzanlage (ESU-Anlage) ist. Gerade bei solchen Umschmelzanlagen können sich Probleme aufgrund des Wechselstroms ergeben, indem von der sogenannten Hochstromschleife umfasste Anlagenkomponenten ankoppeln und sich erwärmen können. Zudem können sich die Länge und die darin geschlossene Fläche der Hochstromschleife negativ auswirken, indem der Blindwiderstand der Anlage erhöht wird, wodurch der Stromverbrauch der Anlage steigt. Durch die Anordnung des Hochstromkabelsystems und damit der Hochstromschleife innerhalb der als Rahmen ausgebildeten Säulen, können die Länge und die geschlossene Fläche innerhalb der Hochstromschleife minimiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Umschmelzanlage, insbesondere einer Umschmelzanlage der vorstehend beschriebenen Art, umfasst die Schritte:
- - axiales Verlagern eines fest mit einer Elektrodenstange verbundenen Elektrodenstangenwagens entlang einer den Elektrodenstangenwagen führenden Führungssäule, um die über eine Durchführung in einen Ofenkessel einführbare oder eingeführte Elektrodenstange zum Kontaktieren einer Elektrode relativ zu dem Ofenkessel zu verlagern, und
- - axiales Verlagern eines mit dem Ofenkessel verbundenen oder verbindbaren Kesselwagens entlang der den Kesselwagen führenden Führungssäule, um den Ofenkessel zu verlagern.
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Die Führungssäule ist an einem ersten Ende gelenkig mit einer Drehsäule verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die weiteren Schritte:
- - Positionieren des Ofenkessels über einem Tiegel einer Schmelzstation durch Drehen der Führungssäule gemeinsam mit einer Drehsäule um eine Drehachse der Drehsäule,
- - Zentrieren der von der Elektrodenstange kontaktierten Elektrode in dem Tiegel durch Neigen der Führungssäule relativ zu der Drehsäule, und
- - Wiegen zumindest der Elektrode mittels einer Wiegeeinrichtung, die im Bereich des ersten Endes der Führungssäule angeordnet und vorzugsweise an der Drehsäule angebracht ist.
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Die Wiegeeinrichtung erfasst dabei auch das Gewicht der Führungssäule und der von der Führungssäule während des Umschmelzprozesses getragenen Komponenten. Da sich bis auf das Gewicht der Elektrode das Gewicht der sonstigen Komponenten während des Umschmelzprozesses nicht ändert, ist im Wesentlichen nur die erfasste Gewichtsänderung auszuwerten, um die Prozessregelung vorzunehmen. Die von der Führungssäule während des Umschmelzprozesses getragenen Komponenten können insbesondere den Elektrodenstangenwagen, die Elektrodenstange, die Elektrode, den Kesselwagen und die Durchführung umfassen. Ein Kugelgelenk kann als Teil der Führungssäule angesehen werden, welches ebenfalls von der Wiegeeinrichtung gewogen wird. Zudem können die während des Umschmelzprozesses von der Führungssäule getragenen Komponenten zwei Kabelaufhängungen, ein Hochstromkabel, eine Querverbindung, einen Antrieb des Kesselwagens und/oder einen Antrieb des Elektrodenstangenwagens umfassen.
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Obgleich einige Aspekte und Merkmale lediglich in Bezug auf die Umschmelzanlage beschrieben worden sind, können diese entsprechend für das Verfahren zum Betreiben einer Umschmelzanlage sowie für dessen Weiterbildungen gelten.
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Beschreibung der Figur
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Die vorliegende Erfindung soll weiter anhand einer schematischen Figur erläutert werden, die ein Ausführungsbeispiel einer Umschmelzanlage zeigt.
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Die in 1 dargestellte Umschmelzanlage umfasst eine stationäre Stützsäule 10, die mit ihrem unteren Ende starr mit einem Untergrund 12 verbunden ist und sich vertikal nach oben erstreckt. An einem dem unteren Ende entgegengesetzten oberen Ende umfasst die Stützsäule 10 einen horizontal angeordneten Querträger 14, der sich über die Grundfläche der Stützsäule 10 hinaus erstreckt. Der Querträger 14 ist starr an der Stützsäule 10 angebracht. An einem von der Stützsäule 10 abgewandten Ende ist in dem Querträger 14 ein Radiallager 16 ausgebildet, welches ein oberes Ende einer Drehsäule 18 umschließt. Das obere Ende der Drehsäule 18 ist hier auch als zweites Drehsäulenende bezeichnet.
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Die Drehsäule 18 ist seitlich neben der Stützsäule 10 angeordnet und erstreckt sich in vertikaler Richtung parallel zu dieser. Die Drehsäule 18 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel oberhalb eines Podests 20 angeordnet und an dem unteren Ende (dem ersten Drehsäulenende) über ein Axiallager 22 um eine Drehachse 24 drehbar auf diesem Podest 20 gelagert. Die Drehachse 24 entspricht hier gleichzeitig der Längsachse der Drehsäule 18 sowie der Längsachse des Podests 20. Das Podest 20 ist fest mit dem Untergrund 12 verbunden. Unmittelbar oberhalb des Axiallagers 22 ist eine Wiegeeinrichtung 26 in Form einer einzelnen Wägezelle an der Drehsäule 18 angebracht.
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Ein von der Stützsäule 18 in lateraler Richtung beabstandeter Abschnitt der Wiegeeinrichtung 26 ist von einem Kugelgelenk 28 zumindest teilweise umschlossen. Das Kugelgelenk 28 ist an einem unteren Ende (einem ersten Ende) einer Führungssäule 30 vorgesehen und bildet somit eine gelenkige Verbindung zwischen der Drehsäule 18 und der Führungssäule 30. Ein oberes Ende (zweites Ende) der Führungssäule 30 als ein freies Ende ausgebildet. Somit ist Führungssäule 30 um das Kugelgelenk 28 relativ zu der Drehsäule 18 neigbar. In 1 ist die Führungssäule 30 in einem nicht geneigten Zustand gezeigt, in welchem sich die Führungssäule 30 parallel zu der Drehsäule 18 erstreckt und seitlich von dieser beabstandet ist. Mittels des Kugelgelenks 28 ist ferner eine Drehbewegung der Drehsäule 18 auf die Führungssäule 30 übertragbar, sodass die Führungssäule 30 gemeinsam mit der Drehsäule 18 um die Drehachse 24 drehbar ist.
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Um die Führungssäule 30 um das Kugelgelenk 28 und relativ zu der Drehsäule 18 zu neigen, muss das freie zweite Ende der Führungssäule 30 gezielt ausgelenkt werden. Hierzu ist eine ansteuerbare Antriebseinrichtung 32 vorgesehen, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines X-Y-Antriebs ausgebildet ist. Die Antriebseinrichtung 32 umfasst zwei Antriebselemente 34, genauer gesagt ein X-Antriebselement und ein Y-Antriebselement. Die Antriebselemente 34 sind jeweils in einer in Bezug auf die Antriebseinrichtung 32 horizontalen Richtung bewegbar, wobei die beiden Richtungen vorzugsweise senkrecht zueinander verlaufen. Die Antriebselemente 34 sind zum Neigen der Führungssäule 30 mit einer Kopfkonsole 36 der Führungssäule 30 verbunden, während die Antriebseinrichtung 32 mit dem oberen Ende der Drehsäule 18 verbunden ist. Durch Bewegen eines oder beider Antriebselemente 34 ist somit das freie zweite Ende der Führungssäule 30 verlagerbar, wodurch die Führungssäule 30 neigbar ist. Da sich durch das Neigen der Führungssäule 30 nicht nur der laterale Abstand des zweiten Endes der Führungssäule 30 von dem oberen Ende der Drehsäule 18 ändert, sondern auch der vertikale Abstand zwischen diesen, ist die Antriebseinrichtung 32 gelenkig an dem oberen Ende Drehsäule 18 angebracht. Ferner sind die Antriebselemente 34 gelenkig an der Kopfkonsole 36 angebracht. Die Antriebseinrichtung 32 samt der Antriebselemente 34 neigt sich somit gemeinsam mit der Führungssäule 30, sodass ein präzises Neigen der Führungssäule 30 durch Ansteuern der Antriebseinrichtung 32 auf einfache Weise sichergestellt wird.
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Auf der Führungssäule 30 sind ein Kesselwagen 38 und ein Elektrodenstangenwagen 40 verlagerbar geführt. Der Kesselwagen 38 ist unterhalb des Elektrodenstangenwagens 40, d.h. zwischen dem Kugelgelenk 28 und dem Elektrodenstangenwagen 40 angeordnet. Die beiden Wagen 38, 40 sind axial bzw. entlang der Längsachse der Führungssäule 30 bewegbar. Hierzu weist der Kesselwagen 38 eine Kesselwagenantriebseinrichtung 42 und der Elektrodenstangenwagen 40 eine Elektrodenstangenwagenantriebseinrichtung 44 auf. Die Wagenantriebseinrichtungen 42, 44 sind separat ansteuerbar, um die beiden Wagen 38, 40 unabhängig voneinander verlagern zu können. Die Wagenantriebseinrichtungen 42, 44 sind jeweils an dem oder in einer Ausnehmung des ihnen zugeordneten Wagens 38, 40 angeordnet. Die Wagenantriebseinrichtungen 42, 44 sind hier als Spindelantriebe ausgebildet, wobei deren Antriebsspindel 46 an der Kopfkonsole 36 der Führungssäule 30 aufgehängt ist und sich ausgehend von dieser parallel zu der Längsachse der Führungssäule 30 nach unten erstreckt. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausbildung der Umschmelzanlage.
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An einem von der Führungssäule 30 abgewandten Abschnitt des Elektrodenstangenwagens 40 ist eine Elektrodenstange 48 mittels einer Schraub- oder Klemmverbindung fest an dem Elektrodenstangenwagen 40 angebracht. Die Elektrodenstange 48 ist daher durch ein axiales Verlagern des Elektrodenstangenwagens 40 gemeinsam mit diesem verlagerbar. Die Elektrodenstange 48 erstreckt sich vertikal von dem Elektrodenstangenwagen 40 aus nach unten in Richtung eines Ofenkessels 50 und ist somit im Wesentlichen parallel zu der Führungssäule 30.
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Die Elektrodenstange 48 ist über eine Durchführung 52 in den Ofenkessel 50 eingeführt. Zwischen der Durchführung 52 und dem Ofenkessel 50 ist ein Faltenbalg 54 vorgesehen, durch den sich die Elektrodenstange 48 hindurch erstreckt. Dieser Faltenbalg 54 stellt eine vakuum- und gasdichte Einbringung der Elektrodenstange 48 in den Ofenkessel 50 sicher. Bei einer Verlagerung der Elektrodenstange 48 mittels des Elektrodenstangenwagens 40 führt diese eine Relativbewegung zu dem Ofenkessel 50 und der Durchführung 52 (sowie dem Faltenbalg 54) aus. Die Durchführung 52 ist über eine starre Querverbindung 56 fest mit dem Kesselwagen 38 verbunden und gemeinsam mit diesem verlagerbar.
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Die Elektrodenstange 48 kontaktiert bzw. hält an ihrem unteren, von dem Elektrodenstangenwagen 40 beabstandeten Ende eine Elektrode 58, die in dem Umschmelzprozess abgeschmolzen wird. Die Elektrode 58 befindet sich in einem von dem Ofenkessel 50 und einem Tiegel 60 einer Schmelzstation gebildeten vakuum- und gasdichten Ofenkesselraum. Die Elektrode 58 ist über die Elektrodenstange 48 mittels des Elektrodenstangenwagens 40 verlagerbar. Somit kann die abschmelzende Elektrode 58 zum Erzielen einer vorbestimmten Abschmelzrate nachgeführt werden. Hierzu wird mit Hilfe der Wiegeeinrichtung 26 das sich ändernde Gewicht der abschmelzenden Elektrode kontinuierlich erfasst und der Prozess entsprechend geregelt.
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Der Ofenkessel 50 ist mittels eines Kardanrahmens 62 mit einem sich in Richtung des Ofenkessels 50 erstreckenden Kontaktierungsabschnitts des Kesselwagens 38 verbindbar. In dem in 1 gezeigten Zustand der Umschmelzanlage ist der Ofenkessel 50 bereits auf dem Tiegel 60 der Schmelzstation positioniert bzw. abgesetzt und bildet mit diesem den vakuum- und gasdichten Ofenkesselraum, in dem der Umschmelzprozess stattfindet. In dem gezeigten Zustand befindet sich der Kontaktierungsabschnitt des Kesselwagens 38 in einem vorbestimmten Abstand unterhalb des Kardanrahmens 62, sodass keine unmittelbare Verbindung zwischen dem Kesselwagen 38 und dem Ofenkessel 50 besteht. Durch ein Verlagern des Kesselwagens 38 nach oben bzw. in Richtung des zweiten Endes der Führungssäule 30, gelangt der Kontaktierungsabschnitt des Kesselwagens 38 in Anlage mit dem Kardanrahmen 62, wodurch der Ofenkessel 50 mittels des Kesselwagens 38 vertikal bewegbar ist. So kann der Ofenkessel 50 beispielsweise nach Beendigung des Umschmelzprozesses von dem Tiegel 60 angehoben werden und diesen freigeben.
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Für die Energieversorgung der Umschmelzanlage ist ein erstes Hochstromkabel 64 an eine Hochstromquelle 66 angeschlossen und an einer ersten Kabelaufhängung 68 befestigt, die an der Drehsäule 18 angebracht ist. Ein zweites Hochstromkabel 70 ist leitend mit dem ersten Hochstromkabel 64 verbunden und erstreckt sich zwischen der ersten Kabelaufhängung 68 an der Drehsäule 18 und einer zweiten Kabelaufhängung 72, die an der Führungssäule 30 angebracht ist. Ein drittes Hochstromkabel 74 ist leitend mit dem zweiten Hochstromkabel 70 und der Elektrodenstange 48 verbunden und erstreckt sich zwischen der zweiten Kabelaufhängung 72 an der Führungssäule 30 und einer dritten Kabelaufhängung 76, die an der Elektrodenstange 48 angebracht ist. Über die Elektrodenstange 48 ist auch die Elektrode 58 mit Hochstrom versorgt.
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Die Funktion der Umschmelzanlage wird wie folgt beschrieben: Ausgehend von der in 1 gezeigten Ausgangslage wird der Umschmelzprozess begonnen und die Elektrode 58 wird kontinuierlich abgeschmolzen. Hierzu befindet sich der Elektrodenstangenwagen 40 mit der davon gehaltenen Elektrodenstange 48 und der Elektrode 58 in einer höchstmöglichen Startposition, in der der Elektrodenstangenwagen 40 unterhalb des zweiten freien Endes der Führungssäule 30 angeordnet ist. Der Ofenkessel 50 ist währenddessen von dem Kesselwagen 38 getrennt und auf dem Tiegel 60 platziert. Die abschmelzende Elektrode 58 wird durch geregeltes Verlagern des Elektrodenstangenwagens 40 in Richtung des ersten Endes der Führungssäule 30 in den Tiegel 60 nachgeführt. Hierzu wird mit Hilfe der Wiegeeinrichtung 26 das sich ändernde Gewicht der abschmelzenden Elektrode kontinuierlich erfasst und der Prozess entsprechend geregelt. Die auftretenden Reibungskräfte zwischen den Wagen 38, 40 und der Führungssäule 30 sowie zwischen der Elektrodenstange 48 und der Durchführung 52 beeinflussen das Wiegeergebnis nicht, da diese Komponenten allesamt von der Wiegeeinrichtung 26 getragen und erfasst werden und die auftretenden Reibungskräfte somit lediglich als interne Kräfte im gewogenen Teil der Umschmelzanlage wirken.
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Sobald der Umschmelzprozess an der gezeigten ersten Schmelzstation abgeschlossen ist, sollen der Ofenkessel 50 und die Elektrodenstange 48 zu einer weiteren Schmelzstation bewegt werden. In der weiteren Schmelzstation ist bereits eine neue abzuschmelzende Elektrode vorbereitet und ragt aus dem Tiegel dieser weiteren Schmelzstation nach oben heraus.
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Zunächst wird der Elektrodenstangenwagen 40 mit der daran angebrachten Elektrodenstange 48 mittels der Elektrodenstangenwagenantriebseinrichtung 44 wieder nach oben in die Startposition zurück verlagert. Anschließend wird der Kesselwagen 38 mittels der Kesselwagenantriebseinrichtung 42 nach oben in Richtung des zweiten freien Endes der Führungssäule 30 verlagert, wodurch der Kontaktierungsabschnitt des Kesselwagens 38 mit dem Kardanrahmen 62 des Ofenkessels 50 verbunden wird. Durch ein weiteres Anheben des Kesselwagens 38 wird der Ofenkessel 50 von dem Tiegel 60 der ersten Schmelzstation abgehoben. Der Kesselwagen 38 mit dem damit verbundenen Ofenkessel 50 wird weiter axial nach oben verlagert bis ein unteres Ende des Ofenkessels 50 in vertikaler Richtung betrachtet über dem herausragenden Ende der neuen abzuschmelzenden Elektrode liegt.
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Die Führungssäule 30 samt daran geführter Wagen 38, 40 mit Elektrodenstange 48 und Ofenkessel 50 wird durch Drehen der Drehsäule 18 um die Drehachse 24 von der ersten Schmelzstation zu der weiteren Schmelzstation bewegt. Da der Ofenkessel 50 vertikal oberhalb der vorbereiteten Elektrode endet, kann der Ofenkessel 50 über die neue Elektrode hinweg bewegt werden, ohne mit dieser zu kollidieren. Sobald sich die Elektrodenstange 48 über der neuen Elektrode befindet, kann diese von der Elektrodenstange 48 kontaktiert und geklemmt werden. Hierzu kann die Elektrodenstange 48 in bestimmten Ausführungsformen gegebenenfalls geringfügig nach unten verlagert werden.
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Der Kesselwagen 38 wird nach unten verlagert, wodurch der sich über dem Tiegel der weiteren Schmelzstation befindende Ofenkessel 50 abgesenkt wird. Kurz vor dem Absetzen des Ofenkessels 50 auf dem Tiegel der weiteren Schmelzstation wird die neue Elektrode in dem Tiegel der weiteren Schmelzstation zentriert, indem die Antriebseinrichtung 32 entsprechend angesteuert wird. Die Antriebseinrichtung 32 neigt zum Zentrieren der neuen Elektrode die Führungssäule 30 mit den daran angeordneten Wagen 38, 40, den Wagenantriebseinrichtungen 42, 44 samt Antriebsspindel 46, der Elektrodenstange 48, der Durchführung 52 samt Querverbindung 56 und der neuen Elektrode in die gewünschten Richtungen um das Kugelgelenk 26. Der Ofenkessel 50 bleibt dabei jedoch vertikal ausgerichtet und wird nicht mit geneigt, da der zwischen dem Kesselwagen 38 und dem Ofenkessel 50 ausgebildete Kardanrahmen 62 sowie der zwischen dem Ofenkessel 50 und der Durchführung 52 ausgebildete Faltenbalg 54 die Neigung im Wesentlichen kompensiert.
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Nach dem Zentrieren der neuen Elektrode in der weiteren Schmelzstation wird der Ofenkessel 50 durch axiales Verlagern des Kesselwagens 38 in Richtung des ersten Endes der Führungssäule 30 auf den Tiegel der weiteren Schmelzstation aufgesetzt, wodurch der Ofenkessel 50 erneut einen vakuum- und gasdichten Ofenkesselraum mit dem Tiegel der weiteren Schmelzstation bildet. Der Kesselwagen 38 wird sodann um eine vorbestimmte Distanz weiter in Richtung des ersten Endes der Führungssäule 30 verlagert, um die Verbindung zwischen dem Kontaktierungsabschnitt des Kesselwagens 38 und dem Kardanrahmen 62 des Ofenkessels 50 zu lösen bzw. zu trennen. Dadurch wirkt das Gewicht des Ofenkessels 50 während des nachfolgenden Umschmelzprozesses nicht auf die Wiegeeinrichtung 26, da der Ofenkessel 50 nur noch über den Faltenbalg 54 in Kontakt mit den gewogenen Komponenten steht. Der Umschmelzprozess inklusive Absenken der neuen Elektrode wird wie in Bezug auf die erste Schmelzstation beschrieben wiederholt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stützsäule
- 12
- Untergrund
- 14
- Querträger
- 16
- Radiallager
- 18
- Drehsäule
- 20
- Podest
- 22
- Axiallager
- 24
- Drehachse
- 26
- Wiegeeinrichtung
- 28
- Kugelgelenk
- 30
- Führungssäule
- 32
- Antriebseinrichtung
- 34
- Antriebselement
- 36
- Kopfkonsole
- 38
- Kesselwagen
- 40
- Elektrodenstangenwagen
- 42
- Kesselwagenantriebseinrichtung
- 44
- Elektrodenstangenwagenantriebseinrichtung
- 46
- Antriebsspindel
- 48
- Elektrodenstange
- 50
- Ofenkessel
- 52
- Durchführung
- 54
- Faltenbalg
- 56
- Querverbindung
- 58
- Elektrode
- 60
- Tiegel
- 62
- Kardanrahmen
- 64
- erstes Hochstromkabel
- 66
- Hochstromquelle
- 68
- erste Kabelaufhängung
- 70
- zweites Hochstromkabel
- 72
- zweite Kabelaufhängung
- 74
- drittes Hochstromkabel
- 76
- dritte Kabelaufhängung
