DE1070303B

DE1070303B -

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Publication number: DE1070303B
Application number: DENDAT1070303D
Authority: DE
Publication date: 1959-12-03

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung- bezieht sich auf eine Lichtbogenschmelzofenanlage für Metalle, vorzugsweise zum Schmelzen unter Luftabschluß, im Schutzgas oder Vakuum, mit einer Vorrichtung zur Messung bzw. Regelung der Lichtbogenlänge.

Es ist bekannt, Lichtbogenschmelzöfen mit Gleichstrom, mit Wechselstrom und mit hochfrequentem Wechselstrom hoher Stromstärke zu speisen. Das letztere Verfahren hat sich jedoch nicht bewährt. Die heutigen Lichtbogenschmelzöfen arbeiten üblicherweise meist mit Gleichstrom oder technischem Wechselstrom. Zum Stand der Technik gehört es ebenfalls, dem Elektrodenstrom eine hochfrequente Hilfsspannung zu überlagern, die den Zweck hat, als Zündhilfe zu dienen.

Eines der wichtigsten Probleme bei Lichtbogenschmelzöfen stellt die Messung und Regelung der Bogenlänge dar. Hier sind bisher eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, die z. B. auf der seitlichen optischen Abbildung oder Beobachtung des Lichtbogens beruhen. Bei völlig abgeschlossenen Schmelzöfen ist dies schwierig durchzuführen.

Es wurde daher auch schon vorgeschlagen, die Messung bzw. Regelung der Lichtbogenlänge elektrisch durchzuführen in Abhängigkeit von Strom oder Spannung, mit denen der Lichtbogen gespeist wird. Diese Methoden arbeiten so lange gut, wie der Widerstand der Elektroden selbst ziemlich unverändert bleibt.

In Lichtbogenschmelzofenanlagen, in denen abschmelzende Elektroden benutzt werden, ist diese Regelung jedoch nicht durchzuführen. Der Widerstand der Elektroden ist in solchen Anlagen weder zeitlich noch örtlich konstant. Eine dauernde Abnahme des Widerstandes pro Längeneinheit tritt durch den Sinterprozeß ein. der anfänglich ziemlich stark, aber auch später noch wirksam ist. Dieser Sinterprozeß wird durch den Bogenstrom hervorgerufen, der die Elektrode der Länge nach durchfließt. Der Lichtbogenstrom bewirkt aber außerdem noch eine langsame Erwärmung der Elektrode und damit eine Zunahme des Widerstandes pro Längeneinheit. Sind diese beiden Prozesse in ihrem Gegeneinanderwirken für den einen, beim aktuellen Schmelzprozeß vorliegenden Fall nicht auseinanderzuhalten, so kommt noch als weitere Erschwerung die Inhomogenität der Elektrode hinzu, die infolge des Pressens einen örtlich verschiedenen Widerstand und demzufolge örtlich verschiedene Änderungen des Widerstandes zeigt. Damit ändert sich jeweils die Spannung, die an die Abschmelzelektrode und den Schmelztiegel, der den im Lichtbogen erschmolzenen Ingot aufnimmt, angelegt werden muß. Die Spannung ändert sich auch noch mit der relativ leicht erfaßbaren Längenabnahme, die bei Abschmelzelektroden während des Schmelzvorganges eintritt.

Lichtbogenschmelzofenanlage für Metalle

Anmelder:

W. C. Heraeus Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Hanau/M., Heraeusstr. 12/14

Helmut Gruber und Helmut Schneidig, Hanau/M., sind als Erfinder genannt worden

Diese Nachteil

treten bei Lichtbogenschmelzöfen, ι

die mit Gleichstrom oder niederfrequentem Wechselstrom betrieben werden, in gleicher Stärke auf. Besonders schwierig wird die Messung bzw. Regelung der Lichtbogenlänge in solchen Fällen, in denen entweder die Bogenspannung selbst sehr klein ist oder für die Regelung der Bogenlänge nur ein sehr kleines Spannungsintervall zur Verfügung steht. Hier machen sich die Ungleichmäßigkeiten des Widerstandes der Abschmelzelektrode und die Abnahme des Widerstandes der Abschmelzelektrode, infolge einer laufenden Verkürzung sehr stark bemerkbar.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die genannten Nachteile bei der Messung und Regelung der Lichtbogenlänge dadurch erfindungsgemäß vermieden \verden, daß die am Lichtbogen gemessene Spannung eine hochfrequente oder mittelfrequente Wechselspannung ist, die der Arbeitsspannung des Lichtbogens mittels bekannter elektrischer Weichen über mindestens einen dem diese Hilfsspannung erzeugenden Generator nachgeschalteten, einen Spannungsabfall erzeugenden Ohmschen Widerstand zwischen Elektrode und Schmelzsumpf parallel geschaltet ist.

Es ist also dem Lichtbogenstrom ein Strom höherer Frequenz überlagert, der sich jedoch in der Stromstärke wesentlich von der hohen Stromstärke des Lichtbogens unterscheidet. Alle Leiter, die in dem Meßkreis von dem hoch- oder mittelfrequenten Meßstrom durchflössen werden, sind rein Ohmsche Widerstände mit der einzigen Ausnahme des Lichtbogens selbst. Er besitzt eine frequenzabhängige Impedanz, die mit Mitteloder Hochfrequenzstrom gemessen werden kann; Beikleiner Stromstärke des Meßstromes sind allmähliche Abänderungen des Ohmschen Widerstandes des Meßkreises, die durch die Längenabnahme der Abschmelzelektrode und ihre Ungleichmäßigkeit bedingt sind, gegenüber der Impedanz des Lichtbogens wenig wirksam. Die Impedanz der Abschmelzefektrode (Selbst-

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Claims

induktion)· und des Spaltes zwischen Abschmelzelektrode und Tiegel (Kapazität) sind praktisch nicht wirksam, da die vom Lichtbogen selbst erzeugte Phasenverschiebung des Meßstromes viel stärker ist. Die Zeichnung zeigt eine Lichtbogenschmelzofenanlage, die mit einer Vorrichtung zur Messung bzw. Regelung der Lichtbogenlänge mit Hilfe eines Wechselstromes höherer Frequenz versehen ist. Da diese Einrichtung ihre wesentlichste Bedeutung für Vakuum-Lichtbogenschmelzofenanlagen besitzt, ist in dieser Zeichnung eine solche Anlage dargestellt. Der eigentliche Schmelzofen besteht aus einem Oberteil 1. der auf einer Isolation 2 ruht, und einem unten daran angebrachten wassergekühlten Schmelztiegel 3. Der obere Teil der Anlage besitzt eine Rohrleitung 4, die zu einem schematisch dargestellten Pumpenaggregat 5 führt. Dieses Pumpenaggregat dient dazu, den Ofen zu evakuieren. Im oberen Teil des Ofens befindet sich die Durchführung 6, durch die eine Elektrodenhaltestange7 beweglich eingeführt ist. DiesePTaltestange trägt die eigentliche Abschmelzelektrode 8, die an ihrem unteren Ende im Lichtbogen 9 abschmilzt und den Ingot 10 aufbaut. Die .Haltestange 7 wird getragen durch eine Kette oder ein Seil 11, das durch eine Nachschubvorrichtung 12 betätigt wird. Der eigentliche Lichtbogenstrom wird oben durch das flexible Kabel 13 der Elektrodenstange 7 und unten durch die Verbindung 14 dem Schmelztiegel 3 zugeführt. Der Lichtbogenstrom, der Gleich- oder technischer Wechselstrom sein kann, wird durch den Generator 15 erzeugt und über die Verbindungen 13 und 14 zugeführt. In dem Stromkreis des Lichtbogenstromes befindet sich die Drossel 16, die diesen Kreis für Wechselstrom höherer Frequenz sperrt. Mit den Verbindungen 14 und einem weiteren Übergangskontakt 19 ist nun das Gerät 17 über die Kondensatoren 18 a und 18 b elektrisch verbunden. Das Gerät 17 ist ein Generator für den Wechselstrom höherer Frequenz, der beispielsweise einige tausend Hertz betragen kann. Die benutzte Frequenz kann auch niedriger sein, sie muß sich nur deutlich unterscheiden von allen auftretenden Frequenzen, beispielsweise der Kollektorfrequenz des benutzten Gleichstromgenerators, die ein »Restbrummen« erzeugt. Praktisch kommen deshalb Frequenzen etwa von 3 kHz oder darüber in Frage. Der Wechselstrom höherer Frequenz, der zur Messung der Lichtbogenlänge dient, geht vom Generator 17 durch den Kondensator 18 a über die Verbindung 14 zum Ingot 10, von dort über den Lichtbogen 9 zur Abschmelzelektrode 8 und weiter zur Elektrodenhaltestange 7, die Verbindung 19 und den Kondensator 18 b wieder zurück zum Generator 17. Das Meß- und Anzeigeinstrument 20 kann nun einfach so geschaltet sein, daß es den Wechselstrom in dem eben beschriebenen Kreis mißt, in dem sich als wesentlicher Widerstand nur der Lichtbogen 9 befindet. Bei Spannungskonstanz des Wechselstromgenerators ist dieser Widerstand und damit die Stromstärke in diesem Kreise abhängig nur von der Lichtbogenlänge 9, so daß das Anzeigeinstrument 20 unmittelbar in cm Lichtbogenlänge geeicht sein kann. Man kann aber auch so verfahren, daß zur Messung bzw. Regelung der Lichtbogenlänge die an sich bekannte Rückwirkung des Wechselstromwiderstandes des Lichtbogens für die angelegte hochfrequente oder mittelfrequente Wechselspannung auf Teile des diese Hilfsspannung erzeugenden Generators als Meß- bzw. Steuergröße verwendet wird. Auch dann ist es möglich, bei Konstanz aller Größen die Anzeige des Instrumentes direkt in cm Lichtbogenlänge zu eichen. Die Anzeige der Lichtbogenlänge durch das Instrument 20 und ihre Schwankungen um einen bestimmten Solhvert der angezeigten Spannung kann aber auch über an sich bekannte Geräte, beispielsweise den Verstärker 22 (der durch den veränderlichen schematisch angedeuteten Widerstand 21 gesteuert wird), dazu benutzt werden, um die Lichtbogenlänge selbst zu regeln. Das Gerät 22 kann also in Abhängigkeit von dem Sollwert der Meßgröße für das Instrument 20 solche Impulse oder auch konstante Spannungen an das Vorschubaggregat 12 senden, daß sie eine Abweichung der Lichtbogenlänge von ihrem Sollwert wieder rückgängig machen. Die hier vorgeschlagene Regelung ist also weitgehend unabhängig von der Längenabnahme der Abschmelzelektrode 18 beim Schmelzen, andererseits auch von den Ungleichmäßigkeiten der Elektrode selbst. Darüber hinaus ist diese Anlage auch in solchen Fällen zu verwenden, in denen die eigentliche Schmelzanlage, hermetisch abgeschlossen ist und während des Schmelzvorganges nicht zugänglich ist. Das hauptsächlichste Anwendungsgebiet einer solchen Regelung ist also die Anwendung bei Vakuumanlagen zum Schmelzen stark reagierender hochschmelzender Metalle. Patent λ ν s ρ r (i c n ΐί:

1. Lichtbogenschmelzofenanlage für Metalle, vorzugsweise zum Schmelzen unter Luftabschluß> im Schutzgas oder Vakuum, mit einer Vorrichtung zur Messung bzw. Regelung der Lichtbogenlänge, bei der die am Lichtbogen gemessene Spannung das Maß für die Länge des Lichtbogens bzw. die Steuergröße für deren Regelung darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die am Lichtbogen gemessene Spannung eine hochfrequente oder mittelfrequente Wechselspannung ist, die der Arbeitsspannung des. Lichtbogens mittels bekannter elektrischer Weichen über mindestens einen dem diese Hilfsspannung erzeugenden Generator nachgeschalteten, einen Spannungsabfall erzeugenden Ohmschen Widerstand zwischen Elektrode und Schmelzsumpf parallel geschaltet ist.

2. Lichtbogenschmelzofenanlage in Abwandlung des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannte Rückwirkung des Wechselstronnviderstandes des Lichtbogens für die angelegte hochfrequente oder mittelfrequente Wechselspannung auf Teile des diese .Hilfsspannung erzeugenden Generators als Meß- bzw. Steuergröße verwandt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 760 384, 867 267.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen