DE1038720B

DE1038720B - Process and device for determining and regulating the height of the molten metal level in arc melting systems for metals

Info

Publication number: DE1038720B
Application number: DEH22960A
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: 1955-02-10
Filing date: 1955-02-10
Publication date: 1958-09-11
Also published as: DE1038720C2

Description

Die Erfindung dient dazu, in Lichtbogenschmelzanlagen für Metalle, insbesondere aber in solchen Anlagen, in denen der entstehende Metallblock abgesenkt wird und die Schmelzzone dauernd in etwa derselben Höhe bleiben soll, die Höhenlage des Schmelzspiegels zu ermitteln und zu regeln.The invention is used in arc melting systems for metals, but especially in such systems, in which the resulting metal block is lowered and the melting zone is continuously roughly the same Height should remain to determine the height of the melting level and to regulate it.

Das Lichtbogenschmelzen von Metallen wird insbesondere bei den hochschmelzenden Metallen der Nebenreihe der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, wie Titan, Zirkon, Tantal und Molybdän, benutzt. Für eine Reihe von Verfahren ist es erforderlich, den oberen Spiegel der Metallschmelze sowohl in einer günstigen Entfernung von der Bogenelektrode wie auch bezüglich des Tiegelrandes einzustellen. Insbesondere bei automatisch geregelten Lichtbogenofen mit abwärts gleitendem Schmelzblock sollte der obere Spiegel der Metallschmelze immer eine bestimmte feste Lage einnehmen, so daß die Absenkvorrichtung für den Tiegelboden und damit für den Schmelzblock in Abhängigkeit von dem Zuwachs des Metalls gesteuert werden kann.The arc melting of metals is particularly common in the refractory metals Side row of the IV. To VI. Group of the periodic table, such as titanium, zircon, tantalum and molybdenum, used. For a number of procedures it is necessary to have the molten metal in both the upper level a favorable distance from the arc electrode as well as with respect to the crucible edge. In particular in the case of automatically controlled arc furnaces with a melting block sliding downwards, the upper Mirror of the molten metal always occupy a certain fixed position, so that the lowering device for the crucible bottom and thus for the melt block depending on the growth of the metal can be.

Bei der Erfindung war die Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, die gegenüber einer bisher üblichen rein optischen Ermittlung der Schmelzhöhe nicht nur unempfindlich sind, sondern auch eine einfache, selbsttätig wirkende Regelung des Absenkens des Tiegelbodens ermöglicht. Die bisher benutzten optischen Geräte besitzen den Nachteil, daß ihre optischen Elemente wie Linsen usw. durch Bedampfen und Bespritzen aus der Metallschmelze bzw. aus dem Lichtbogen sehr schnell unbrauchbar werden.In the invention, the task was set to create methods and devices that oppose are not only insensitive to a purely optical determination of the melt height that has been customary up to now, but also enables a simple, automatically acting regulation of the lowering of the crucible bottom. The so far used optical devices have the disadvantage that their optical elements such as lenses, etc. by vapor deposition and splashes from the molten metal or from the arc very quickly become unusable.

Nach dem Gedanken der Erfindung wird diese Aufgabenstellung durch ein neues, besonderes Verfahren gelöst, welches nur außerhalb des Tiegels anzuordnende zusätzliche Mittel zur Feststellung und Regelung der Schmelzhöhe benötigt. Schließlich müssen zumindest in der Lichtbogenzone und auch über der Metallschmelze Vakuumdrücke von nicht mehr als 100 Torr, vorzugsweise wesentlich niedrigere Drücke aufrechterhalten werden, so daß die Anordnung von Kontroll- und Meßeinrichtungen über der Metallschmelze innerhalb des Schmelztiegels nicht ohne umständliche Vorkehrungen für die Vakuum abdichtung oder zur Vermeidung von Gasentladungen möglich wäre.According to the concept of the invention, this task is achieved by a new, special method solved, which additional means to be arranged outside the crucible for determination and control the melt height required. After all, at least in the arc zone and also above the Molten metal vacuum pressures of no more than 100 torr, preferably much lower pressures are maintained, so that the arrangement of control and measuring devices over the molten metal inside the crucible without cumbersome provisions for vacuum sealing or to avoid gas discharges.

Erfindungsgemäß werden die mit der Höhe des Schmelzsumpfes sich ändernden magnetischen Eigenschaften des aus Tiegel und Schmelzsumpf bestehenden Anlagenteils zur Bestimmung und gegebenenfalls unmittelbar zur Regelung der Schmelzhöhe herangezogen, indem die elektromagnetische Kopplung zwischen einem Erreger- und einem Anzeigestromkreis von den magnetischen Eigenschaften und der Menge bzw. Tiefe des erschmolzenen Metalls abhängt und die Verfahren und EinrichtungAccording to the invention, the magnetic properties that change with the height of the melt pool become of the system part consisting of crucible and melting sump for determination and, if necessary directly used to regulate the melt level by the electromagnetic coupling between an excitation and an indication circuit of the magnetic properties and the amount or depth of the molten metal and the process and facility

zur Ermittlung und Regelungfor determination and regulation

der Höhenlage des Metallschmelzspiegelsthe height of the molten metal level

in Lichtbogenschmelzanlagenin arc melting systems

für Metallefor metals

Anmelder:
W. C. HeraeusApplicant:
WC Heraeus

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Hanau/M., Heraeusstr. 12/14Company with limited liability,
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

zur Anzeige und Regelung nötigen Bestimmungsgrößen liefert.supplies the parameters required for display and control.

Die Erfindung beruht also auf der überraschenden Erkenntnis, daß die mit der Niveauzunahme des erschmolzenen Metalls bedingte und sowohl von der Permeabilität als auch den induzierten Wirbelströmen abhängige Änderung der magnetischen Kraftfluß dichte und der induktiven Kopplung von außen am Tiegel befindlichen Spulenanordnungen ideale Umstände liefert, um eine genaue Bestimmung und Regelung der Schmelzhöhe zu erreichen.The invention is based on the surprising finding that with the increase in level of the melted Metal-related and both permeability and induced eddy currents dependent change in the magnetic flux density and the inductive coupling from the outside of the crucible located coil assemblies provides ideal conditions for an accurate determination and regulation of the To achieve melting height.

Die Erfindung besteht also darin, daß mittels einer den Tiegelraum des Lichtbogenschmelzofens umschlingenden, von primärem Wechselstrom durchflossenen Spule im Tiegelraum ein magnetischer Kraftfluß erzeugt wird, dessen Änderung durch den während des Schmelzens hochsteigenden Metallschmelztiegel infolge der damit verbundenen Änderung der Permeabilität des Tiegelraumes zu einer Änderung des sekundären Wechselstromes führt, der in mindestens einer weiteren den Tiegelraum umschlingenden Spule induziert wird, wobei die Anzeige des sekundären Wechselstromes und/oder seiner Änderungen zur Ermittlung der Höhenlage des Metallschmelzspiegels dient. Die Spulen können auch aufgeteilt sein, so daß die primäre oder auch die sekundäre Spule in zwei TeilenThe invention consists in that by means of a crucible space of the arc melting furnace, A magnetic flux of force is generated in the crucible space by a coil through which a primary alternating current flows whose change is due to the metal crucible rising during melting the associated change in the permeability of the crucible space to a change in the secondary Alternating current leads, which induces in at least one further coil wrapping around the crucible space the display of the secondary alternating current and / or its changes to determine the height of the molten metal level is used. The coils can also be split so that the primary or the secondary coil in two parts

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symmetrisch zu beiden Seiten der anderen Spule angeordnet ist.is arranged symmetrically on both sides of the other coil.

Zum Verständnis der Erfindung wird diese an Hand der Zeichnungen eingehender beschrieben.To understand the invention, it is described in more detail with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Lichtbogenschmelzanlage; -.·---■Fig. 1 shows the general structure of an arc melting plant; -. · --- ■

Fig. 2 zeigt eine zur Durchführung des Erfindungsverfahrens geeignete und bewährte Spulenanordnung; Fig. 3 stellt die Prinzipschaltung dar.2 shows a coil arrangement that is suitable and proven for carrying out the method of the invention; Fig. 3 shows the basic circuit.

Ein im wesentlichen zylindrischer, stehender Metall tiegel 2 hat ein mittels des Schaftes 6σ absenkbares Bodenstück 6; der Tiegel besteht dabei beispielsweise aus Kupfer, welches wegen seiner diamagnetischen Eigenschaften für das Verfahren der Erfindung besonders geeignet ist. Der Metallblock 4 bildet sich durch Schmelzen des zugeführten Ausgangsmaterials im Lichtbogen oder vorzugsweise durch Abschmelzen einer selbstverzehrenden, aus dem zu schmelzenden Metall bestehenden Elektrode 1. Die Elektrode 1 ragt von oben in den Schmelztiegel hinein. Der Lichtbogenstrom wird über die Elektrode und über den Bodenschaft 6 a in einer Weise zugeführt, die aus der Zeichnung ohne weiteres ersichtlich ist.A substantially cylindrical, upright metal crucible 2 has a bottom piece 6 which can be lowered by means of the shaft 6σ; the crucible consists for example of copper, which is particularly suitable for the method of the invention because of its diamagnetic properties. The metal block 4 is formed by melting the supplied starting material in an electric arc or preferably by melting off a consumable electrode 1 made of the metal to be melted. The electrode 1 protrudes from above into the crucible. The arc current is supplied via the electrode and via the base shaft 6 a in a manner that is readily apparent from the drawing.

Der Schmelztiegel 2 ist von einem Kühlmantel 13 umgeben, der die in der Lichtbogenzone 5 entstehende Wärme abführt. Das strömende Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, wird über die Leitungen 39a und 39 fr zu- und abgeführt. Innerhalb des Kühlmantels sind Spulen angedeutet, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung dienen; ihre Arbeitsweise wird weiter unten beschrieben. Das Absenkgetriebe für den Bodenschaft 6 α setzt sich aus dem Antriebsmotor 7 c und einem Kegelradgetriebe 7a und 7 b zusammen, so daß die sich drehende Gewindemuffe 7 den mit Außengewinde versehenen Schaft 6σ in vertikaler Richtung nach oben oder unten bewegen kann.The crucible 2 is surrounded by a cooling jacket 13 which dissipates the heat generated in the arc zone 5. The flowing coolant, preferably water, is supplied and discharged via lines 39a and 39 fr. Inside the cooling jacket, coils are indicated which are used for the purposes of the present invention; their operation is described below. The lowering device for the bottom shaft 6 α consists of the drive motor 7 c and a bevel gear 7a and 7b together, so that the rotating threaded sleeve 7 can move the shank externally threaded 6σ in the vertical direction up or down.

In den Fig. 2 und 3 wird die zylindrische Wandung des Tiegels 2a bzw. 2b von Erregerspulen 8a, Sb bzw. 8 r und 8d umschlungen, welche vom Wechselstrom gespeist werden. Vorzugsweise benutzt man dazu niederfrequenten technischen Wechselstrom von etwa 30 bis 100 Hertz. Dadurch erzeugen sie im Inneren des Tiegels einen magnetischen Kraftlinienfluß, dessen Dichte von der Höhe des erschmolzenen Metalls bzw. von der Lage des Spiegels der Schmelze abhängig ist. Maßgebend sind dafür nicht nur die Permeabilität des Metalls, das in den wichtigsten Anwendungsfällen, also z. B. bei Titan. Zirkon und Molybdän, paramagnetisch' ist, sondern auch die in der Schmelze bzw. im erstarrten Metall induzierten Wirbelströme, welche das Kraftlinienfeld wieder schwächen. Beide Umstände wirken zusammen, um die magnetische Kopplung zwischen den Erregerkreisen 8 a bis 8d und dem Tndikatorkreis mit der Spule 10 bzw. 10 a in Abhängigkeit von der Höhenlage des Schmelzspiegels bzw. des erstarrenden Metallblockes zu ändern. Das im Sekundärkreis 10 eingeschaltete Meßinstrument 11 zeigt die Stärke des induzierten Stromes an; an seiner Stelle kann irgendein an sich bekannter Regelkreis oder eine Relaiseinrichtung angeschlossen werden, die auf den Motorantrieb 7 c für das Bodenstück 6 oder auf die Einstell- \'orrichtung für die Stellung der Elektrode zurückwirkt. In FIGS. 2 and 3, the cylindrical wall of the crucible 2a or 2b is wrapped by excitation coils 8a, Sb or 8r and 8d , which are fed by the alternating current. For this purpose, low-frequency technical alternating current of about 30 to 100 Hertz is preferably used. As a result, they generate a magnetic flux of lines of force in the interior of the crucible, the density of which depends on the height of the molten metal or on the position of the surface of the melt. The decisive factor is not only the permeability of the metal, which is used in the most important applications, e.g. B. in titanium. Zirconium and molybdenum are 'paramagnetic', but also the eddy currents induced in the melt or in the solidified metal, which weaken the force line field again. Both circumstances cooperate to the magnetic coupling between the excitation circuits 8a to 8d and the Tndikatorkreis with the coil 10 or 10 to a change in function of the height position of the melt surface and the solidifying metal block. The measuring instrument 11 switched on in the secondary circuit 10 shows the strength of the induced current; in its place any per se known control circuit, or a relay device, can be connected to the c the driving motor 7 for the bottom piece 6 or the setting \ 'orrichtung reacts to the position of the electrode.

Eine bevorzugte Anordnung, wie sie die Fig. 2 und 3 zeigen, besteht aus einer empfindlichen Differenzschaltung, indem die Spulen 8a und Sb symmetrisch zur ungefähren Lage des Schmelzspiegels bzw. zur Indikatorspule 10 gewickelt sind, so daß der in der Spule 10 induzierte Strom von der Differenz der Kraftliniendichte in den beiden Syr.inu-triehälften abhängt. A preferred arrangement, as shown in FIGS. 2 and 3, consists of a sensitive differential circuit in which the coils 8a and Sb are wound symmetrically to the approximate position of the melting mirror or to the indicator coil 10, so that the current induced in the coil 10 of the difference in the density of lines of force in the two halves of the Syr.inu-trie depends.

Ohne weiteres können die koaxial zum Tiegelrohr angeordneten Spulen auch in ihrer Aufgabe vertauscht werden, so daß die Spule 10 als Primärspule wirkt und in den Spulenhälften 8a und Sb antiparallele Sekundärströme induziert werden, die sich etwa bei gleicher Kraftliniendichte in beiden Symmetriehälften gegenseitig aufheben wurden, jedoch bei ungleicherWithout further ado, the coaxially arranged coils to the crucible tube can also be interchanged in their task, so that the coil 10 acts as a primary coil and anti-parallel secondary currents are induced in the coil halves 8a and Sb , which would cancel each other out in both halves of symmetry, however, given the same density of lines of force with unequal

ίο Dichte sich nicht ganz kompensieren. Der Differenzstrom wird dann zur Impulsgabe auf das Meßinstrument oder auf die Relais- oder Regeleinrichtung benutzt.ίο density does not fully compensate. The differential current is then used to give impulses to the measuring instrument or to the relay or control device used.

Erfindungsgemäß wird noch als empfehlenswerte Maßnahme vorgeschlagen, Abgleichmöglichkeiten einzubauen, um von vornherein die Einrichtung so einzujustieren, daß keine Spannung in der Indikatorspule induziert wird, solange das im Inneren der Spulen befindliche Tiegelrohr leer ist. Dazu kann einerseits der Abgleichwiderstand 14 für den bei 9 mit Wechselstrom gespeisten Erregerstromkreis dienen. Andererseits eignen sich auch Maßnahmen, die die magnetische Kraftliniendichte bzw. ihre Symmetrieverhältnisse durch paramagnetische oder ferromagnetische Stellglieder in gewissen Grenzen zu ändern gestatten. Wie die Fig. 2 und 3 veranschaulichen, werden zu diesem Zweck symmetrisch angeordnete, die Tiegel umschlingende, geschlitzte, aus ferromagneti schein Werkstoff, z. B. Eisen, bestehende Ringe 12 a und 12 J> über den Tiegel geschoben, durch deren Lage die Kraftflußdichte geregelt werden kann. Die aufgeschobenen Metallringe 12 a und 12/» können auch dazu verwendet werden, die Höhe des Schmelzspiegels innerhalb der Spulenanordnung in gewissen Grenzen einzustellen.According to the invention, it is proposed as a recommendable measure to incorporate adjustment possibilities in order to adjust the device from the outset so that no voltage is induced in the indicator coil as long as the crucible tube located inside the coils is empty. For this purpose, on the one hand, the balancing resistor 14 can be used for the excitation circuit fed with alternating current at 9. On the other hand, measures are also suitable which allow the magnetic force line density or its symmetry relationships to be changed within certain limits by means of paramagnetic or ferromagnetic actuators. As FIGS. 2 and 3 illustrate, are symmetrically arranged for this purpose, the crucible wrapping, slotted, made of ferromagneti apparent material, for. B. iron, existing rings 12 a and 12 J> pushed over the crucible, the position of which can regulate the force flux density. The pushed-on metal rings 12 a and 12 / »can also be used to adjust the height of the melting level within the coil arrangement within certain limits.

Die Bestimmung und Regelung der Schmelzhöhe beruht darauf, daß im Verlaufe des Betriebs die entstehende Schmelze bzw. der erstarrende Metallblock 4 allmählich in die Spulenanordnung hineinwächst und dadurch die Kopplungssymmetrie der Erregerspulen zur Indikatorspule 10 stört und in letzterer eine meßbare Spannung entsteht, die über Verstärker, Relais und Antriebsmotor das Senken des Tiegelschaftes 6a steuert.The determination and control of the melt level is based on the fact that the resulting Melt or the solidifying metal block 4 gradually grows into the coil arrangement and thereby disturbs the coupling symmetry of the excitation coils to the indicator coil 10 and a measurable one in the latter Voltage arises which lowers the crucible shaft 6a via the amplifier, relay and drive motor controls.

Niederfrequenter, am einfachsten technischer Wechselstrom ist zur Speisung der Erregerspulen bestens geeignet, weil bei den niedrigen Frequenzen die Eindringtiefe der Kraftlinien noch am größten ist und die erzeugten Wirbelströme noch relativ klein sind, so daß die Verdrängung der Kraftlinien gering ist. Die ferromagnetischen Abgleicheinrichtungen 12σ bis 12rf dienen zweckmäßig auch zur Kompensation äußerer ferromagnetischer Unsymmetrien, die beispielsweise durch den Antriebsmotor usw. entstehen können.Low-frequency, the simplest technical alternating current is best for supplying the excitation coils suitable because at the low frequencies the penetration depth of the lines of force is still greatest and the Eddy currents generated are still relatively small, so that the displacement of the lines of force is low. the ferromagnetic adjustment devices 12σ to 12rf are also expediently used to compensate for external ferromagnetic asymmetries, for example caused by the drive motor etc.

Die zuvor näher beschriebenen Spulenanordnungen erschöpfen noch nicht alle Verwirklichungsmöglichkeiten der Erfindung. Es läßt sich beispielsweise auch unmittelbar eine einzelne Spule verwenden, da sich auch ihre Selbstinduktion mit der Höhe der als Spulenkern wirkenden Metallschmelze ändert. Zweckmäßig ist dann die Verwendung einer Meßbrückenanordnung mit anderen konstanten Induktivitäten in den Vergleichzweigen, wobei die den Tiegel umschlingende Spule als Meßzweig dient. Im Brückenzweig sind dann die bekannten Meß- und Regelgeräte anzuordnen. Es empfiehlt sich aber auch hier eine Differenzschaltung, indem eine einzige Spule in zwei räumlich getrennte Hälften aufgeteilt wird und mit ihren beiden Hälften zwei benachbarte Meßzweige der Brücke bildet, um die mit der Lageänderung desThe coil arrangements described in more detail above do not yet exhaust all implementation possibilities the invention. For example, a single coil can also be used directly because their self-induction also changes with the level of the molten metal acting as the coil core. Appropriate is then the use of a measuring bridge arrangement with other constant inductances in the comparison branches, the coil looping around the crucible serving as the measuring branch. In the bridge branch the known measuring and control devices are then to be arranged. However, a differential circuit is also recommended here, by dividing a single coil into two spatially separated halves and with their two halves two adjacent measuring branches of the bridge, around which the change in position of the

Schmelzspiegels auftretende induktive Unsymmetrie ausnützen zu können.To be able to take advantage of the inductive asymmetry occurring in the melting mirror.

So liefert das neue Verfahren einen praktisch wertvollen Weg zur Ermittlung und Regelung der Höhenlage einer Metallschmelze in Lichtbogenschmelzöfen, insbesondere Vakuumlichtbogenofen.The new method provides a practically valuable way of determining and regulating the altitude a metal melt in arc melting furnaces, in particular vacuum arc furnaces.

Claims

Patent claims:

1. Procedure for determining the height of the melting level in the crucible space of an electric arc melting plant metal block to be produced, characterized in that by means of a primary A magnetic force is generated in the coil in the crucible space through the alternating current flowing through it, its change as a result of the metal melt level rising during the melting process the associated change in the permeability of the crucible space to a change in the in at least one further coil of induced secondary alternating current wrapping around the crucible space leads, the display of the secondary alternating current and / or its changes is used to determine the height of the metal melting level.

2. The method according to claim 1, characterized in that that in addition to the coil through which the primary alternating current flows, two further secondary coils are provided, one of which above and one below the first coil is arranged symmetrically, and that the different Size and / or change in the alternating currents induced in the two secondary coils Rising of the molten metal level an exact determination of the height of the molten metal level in allow a height range determined by the position of the three coils.

3. The method according to claim 2, characterized in that the two lying symmetrically Coils are traversed by primary exciting alternating current and that the in the other, third coil induced secondary alternating current and its changes to determine the Level of the molten metal level can be used.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that for balancing the magnetic flux of additional devices known per se, for example rings ferromagnetic or paramagnetic material can be used to avoid losses can be slotted.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that to determine the Height of the molten metal level low-frequency alternating current of 30 to 100 Hertz, preferably technical alternating current of 50 Hertz is used.

6. The method according to claims 1 to 5, using such a display device, preferably a measuring instrument that directly indicates the height of the molten metal level indicates.

7. The method according to claims 1 to 6, characterized in that the secondary alternating currents and / or their changes for display and / or via one of the known control devices can also be used to adjust the height of the melting level.

8. Arc melting system for performing the method according to one or more of the claims 1 to 7, characterized in that the upright, for receiving the melt as well as the solidifying metal block serving, essentially cylindrical crucible in which the arc electrode protrudes from above, is surrounded by coils for the primary and secondary alternating current and with means for changing the Elevation of the molten metal level, for example a motorized elevation that can be changed Crucible bottom, is provided.

9. Arc melting system according to claim 8, characterized in that the coils for the primary and secondary alternating current the crucible jacket approximately at the level of the arc zone surrounded and the secondary alternating current or its change via known electromechanical Control devices influences the height of the crucible bottom and the melting level.

10. Arc melting plant according to claims 8 and 9, characterized in that the The coils surrounding the crucible space consist of a central and two symmetrical coils Coils exist, of which either the middle or symmetrical to it from the coils primary alternating current are flowed through and the secondary generated in the other coils Alternating currents and / or their changes via known devices for changing and setting the height of the melting level.

11. Arc melting plant according to claims 8 to 10, characterized in that to adjust the magnetic field, one or more symmetrically to the coil arrangement Rings made of ferromagnetic or paramagnetic material, such as iron, are provided that the Surrounding crucible space and are arranged displaceably in the vicinity of the coil arrangement, wherein these rings can be slotted to avoid induction losses.

12. Arc melting system according to claims 8 to 11, characterized in that the Coils and ferromagnetic adjustment rings in the presence of one surrounding the crucible space Cooling jacket are arranged in this or outside of it.

1 sheet of drawings