DE1093926B - Einrichtung zur Ablenkung des Lichtbogens in einem Vakuum-Lichtbogenofen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In der Technik der Lichtbogenöfen ist es bekannt, daß man den Lichtbogen mit Hilfe eines magnetischen Feldes nach einer vorgegebenen Richtung ablenken oder stabilisieren kann.

Es ist ein Lichtbogenschmelzverfahren bekannt, bei dem das zu schmelzende Material zwischen Elektroden gebracht wird, deren Lichtbogen durch ein magnetisches Feld langsam hin- und herbewegt wird. Der hin- und hergehende Lichtbogen durchzieht dabei das Material direkt und schmilzt es.

Es ist auch bereits ein Lichtbogenofen bekannt, bei dem eine Magnetspulengruppe, bestehend aus vier paarweise miteinander verbundenen Elektromagneten, so um den Schmelztiegel angeordnet ist, daß die Achsen der Magnetspulen senkrecht zur Achse des Schmelztiegels stehen. Die Stromzuführung zu den Magnetspulen ist über eine spezielle Schaltungsanordnung aus Impedanzen und Schiebewiderständen manuell regelbar. Diese bekannte Anordnung dient vornehmlich dazu, um einerseits die Heizwirkung des Lichtbogens auf eine genügend große Schmelzgutoberfläche zu erstrecken und andererseits um ein Festbrennen des Lichtbogens in dem zu schmelzenden Material zu vermeiden, das in nicht kompakter Form während des Schmelzprozesses ständig in den Tiegel rieselt.

Es sind auch bereits Einrichtungen bekannt, die geeignet sind, den Lichtbogen während des Schmelzvorganges beispielsweise in Rotationsbewegung zu halten. Je nach Spulenart und Spulenanordnung wird hierbei der bewegliche Strompfad des Lichtbogens selbst oder der Pfad im flüssigen Metall zur Tiegelwandung beeinflußt. Da der Bogen auch die Masse des schmelzenden Materials auf seinem Pf ad mitnimmt, wird in jedem Falle das Schmelzbad ζ. Β. rotorisch mitbewegt.

Wenn man beim Schmelzen im Vakuum-Lichtbogenofen zu größeren Schmelzblock- und Elektrodendurchmessern übergeht, so wird es immer mehr erforderlich, den Lichtbogen zu bewegen. Bei großen Elektrodendurchmessern kann der Lichtbogen beträchtliche Zeit auf einer Seite der Elektrode stehen und dort festbrennen, ehe so viel Metall weggeschmolzen ist, daß infolge des kleineren Abstandes der Nachbarecke zum Schmelzsee und der damit konform gehenden Spannungsverhältnisse der Lichtbogen zum Wandern gebracht wird. Unter diesen Umständen kommt es leicht vor, daß die eine Seite des Schmelzsees einfriert. Hieraus resultieren dann Unregelmäßigkeiten des Schmelzblockes, oder die Schmelztiegelwand kann sogar durch Überspringen des Lichtbogens angegriffen und zerstört werden.

In diesen Fällen ist es angebracht, den Lichtbogen zu bewegen. Dabei muß aber eine Schmelzbadbewegung, insbesondere eine rotorische, unbedingt ver-

Einrichtung

zur Ablenkung des Lichtbogens
in einem Vakuum-Lichtbogenofen

Anmelder:
W. C. Heraeus

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Hanau/M._r Heraeusstr. 12-14

Dipl.-Phys. Helmut Gruber und Helmut Scheidig,

Hanau/M.,
sind als Erfinder genannt worden

mieden werden, damit keine Verunreinigungen in das Innere des Schmelzblockes gelangen. Beispielsweise werden bei einer rotorischen Schmelzbadbewegung die Verunreinigungen, da sie spezifisch leichter als das geschmolzene Metall sind, in Richtung Schmelztiegelachse nach innen wandern. Sie werden durch das der Zentrifugalkraft gehorchende schwere Metall verdrängt. Die mit Verunreinigungen durchsetzten Schmelzblöcke müssen in den meisten Fällen verworfen oder ein zweites Mal ohne Bewegung des Schmelzbades erschmolzen werden.

Es wurde nun eine Einrichtung gefunden, die die vorgenannten Nachteile vermeidet. Die Einrichtung zur Ablenkung des Lichtbogens in Vakuum-Lichtbogenöfen besteht aus mindestens einer Magnetspule, deren Achse im wesentlichen senkrecht zur Achse des Schmelztiegels steht. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule so geschaltet bzw. mit Strom versorgt wird, daß die vom Magnetfeld erzwungenen Ablenkbewegungen des Lichtbogens in an sich bekannter Weise aus hin- und hergehenden Bewegungen bestehen und so schnell erfolgen, daß keine Schmelzbadbewegung, insbesondere keine rotorische, aus den Ablenkbewegungen des Lichtbogens resultiert. Infolge ihrer Massenträgheit kann die Schmelze den schnellen Ablenkbewegungen nicht folgen. Bei komplizierten Ablenkbewegungen wird die Magnetspule so geschaltet bzw. mit Strom versorgt, daß die erzwungenen Ablenkbewegungen aus Kurventeilen bestehen, die zumindestens teilweise gegenläufigen Drehsinn haben, bezogen auf die Schmelztiegelachse, so daß auch aus diesen Ablenkbewegungen keine Schmelzbadbewegung resultiert.

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Im einfachsten Fall wird zur hin- und hergehenden Ablenkbewegung des Lichtbogens eine Magnetspule verwendet, die entweder fest oder höhenverstellbar ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, mehrere Magnetspulen zur Ablenkung des Lichtbogens zu verwenden. Diese können einmal so angeordnet werden, daß mehrere Einzelspulen in verschiedener Tiegelhöhe montiert sind. Je nach der Höhe der Schmelzseeoberfläche im Schmelztiegel wird eine andere Spule zur Ablenkung des Lichtbogens eingeschaltet. Zum anderen ist es möglich, eine Magnetspulengruppe, bestehend aus zwei, drei oder noch mehreren Magnetspulen, so um den Schmelztiegel anzuordnen, daß ihre Achsen in einer zur Schmelztiegelachse im wesentlichen senkrechten Ebene liegen. Diese Magnetspulengruppe kann wiederum entweder fest oder höhenverstellbar montiert sein. Ebenso ist es möglich, mehrere Magnetspulengruppen übereinander anzuordnen und nach der jeweiligen Höhe der Schmelzseeoberfläche im Schmelztiegel eine andere Magnetspulengruppe zur Ablenkung des Lichtbogens einzuschalten.

Die Magnetspulen sind mit einer üblichen, vorzugsweise automatischen Steuervorrichtung verbunden, die die Stromstärken und damit die Magnetfelder der Spulen nach bestimmter vorgegebener Weise regelt. Die Magnetfelder werden zur Ablenkung des Lichtbogens nach bestimmten Richtungen und damit zum ständigen Wandern der Schmelzzone über die Bodenfläche einer Abschmelzelektrode benutzt. Ein Festbrennen des Lichtbogens in irgendeinem Bereich der Abschmelzelektrode wird dadurch so gut wie ausgeschlossen. Die Ablenkung des Lichtbogens wird von der Steuervorrichtung so geregelt, daß er in ziemlich rascher Folge nicht nur nacheinander praktisch alle Schmelzseebereiche, ausgenommen eine Sicherheitszone in der Nähe der Tiegelwand, überstreicht, sondern daß aus der Ablenkbewegung keine Bewegung, insbesondere keine rotorische Bewegung des Schmelzbades resultiert. Der Lichtbogen kann z. B. auch in ähnlicher Weise, nur mit wesentlich geringerer Geschwindigkeit über den Schmelzsee verlaufen wie der Elektronenstrahl über den Bildschirm einer Fernsehröhre. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Ablenkbewegung des Lichtbogens so zu steuern, daß er beliebig andere Wege über die Schmelzseeoberfläche beschreibt. Die Steuerung muß nur so erfolgen, daß aus der Ablenkbewegung keine Schmelzbadbewegung resultiert.

Das ständige Überstreichen der Schmelzseeoberfläche mit dem Lichtbogen hat noch den Vorteil, daß sich auf der Schmelzseeoberfläche keine Bereiche besonders starker Abkühlung, die zu Inhomogenitäten im Schmelzblock führen, ausbilden können.

An Hand der Fig. 1, 2, 3 und 4, in denen beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtungen dargestellt sind, werden nähere Einzelheiten nachfolgend beschrieben.

Der Vakuum-Lichtbogenofen besteht gemäß Fig. 1 aus der oberen Ofenkammer 1, an die der Schmelztiegel 2 über Isolierstücke 3 angeflanscht ist. Um den Schmelztiegel 2 ist eine Kühleinrichtung 4 mit zylindrischer Leitwand 5 angeordnet. Der Schmelzofen ist über den Stutzen 6 an das Vakuumpumpenaggregat 7 angeschlossen. Die Elektrodenstange 8, an der die Abschmelzelektrode 9 befestigt ist, wird vakuumdicht über eine oder mehrere Druckstufen 10 in die Ofenkammer eingeführt. Der Schmelzstrom wird von einem Hochstromaggregat 11 geliefert und über die Leitungen 12 und 13 der Schmelzanlage zugeführt. Senkrecht zur Achse des Schmelztiegels 2 ist eine Magnetspule 14, die die gesamte Tiegelhöhe überstreicht, fest angeordnet; sie ist mit einer Steuervorrichtung 15 verbunden. Die Steuervorrichtung regelt die Stromstärke und damit das Magnetfeld der Spule 14.

Fig. 2 und 3 zeigen je eine andere Ausführungsform der Ablenkeinrichtung, bei der die Ablenkung stets nur von dem Magnetfeld einer Spule bewirkt wird. In Fig. 2 sind mehrere Magnetspulen 14 in verschiedener Tiegelhöhe entweder übereinander oder um einen bestimmten Winkel zueinander versetzt angeordnet. Jede

ίο der Magnetspulen ist wieder mit der Steuervorrichtung 15 verbunden. Je nach der Höhe der Schmelzseeoberfläche 16 im Schmelztiegel 2 wird eine andere Magnetspule eingeschaltet und zur Ablenkung des Lichtbogens verwendet. In Fig. 3 ist die Magnetspule 14 höhenverstellbar montiert. Das dem Schmelztiegel 2 abgewandte Ende der Magnetspule ist an einem Träger 17 befestigt, der mit einer mechanischen oder hydraulischen Hebevorrichtung 18 verbunden ist Mit Hilfe der Hebevorrichtung 18 ist es möglich, die Magnetspule 14 kontinuierlich in der Höhe so zu verstellen, daß sich ihre Achse in annähernd gleicher Höhe mit dem unteren Ende der Abschmelzelektrode befindet. Die Hebevorrichtung 18 ist ebenfalls an ein übliches, in Fig. 3 nicht dargestelltes Steuersystem angeschlossen. Beispielsweise kann dieses Steuersystem so ausgelegt sein, daß die Magnetspule 14 proportional der Absinkgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode angehoben wird.

In Fig. 4 ist eine Ablenkeinrichtung dargestellt, die aus einer Magnetspulengruppe 19 besteht. Die Anzahl der die Magnetspulengruppe bildenden einzelnen Magnetspulen ist nicht auf zwei Spulen begrenzt, es können drei, vier oder auch noch mehrere Spulen zu einer Gruppe zusammengefaßt sein. Auch die Möglichkeit, daß die Spulengruppe aus paarweise zusammengeschalteten Magnetspulen besteht, soll in die Erfindung eingeschlossen sein. Die Magnetspulengruppe 19 ist fest montiert. Die dem Schmelztiegel 2 abgewandten Enden der die Spulengruppe bildenden einzelnen Magnetspulen sind an einem konzentrisch zum Schmelztiegel 2 verlaufenden, einen magnetischen Schluß bildenden Eisenring 20 befestigt. Ähnlich wie die in den Fig. 2 und 3 beispielsweise dargestellten Ablenkvorrichtungen können mehrere Magnetspulengruppen übereinander oder kann auch eine Magnetspulengruppe höhenverstellbar um den Schmelztiegel angeordnet werden.

In den Fig. 5 und 6 sind steuerungsmäßig einfach zu beherrschende Beispiele für den Verlauf der Ablenkbewegung des Lichtbogens 21 dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. 1 und 4. In Fig. 5 wird die Ablenkbewegung des Lichtbogens 21 durch das Magnetfeld, das der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet wurde, einer Spule 14 bewirkt. Die einfachste Ablenkbewegung für den Lichtbogen 21 besteht aus einer hin- und hergehenden Bewegung. Die Steuervorrichtung 15 regelt entsprechend die Stromstärke und somit das Magnetfeld der Spule. Der Lichtbogen 21 überstreicht dabei die gesamte Schmelzseeoberfläche 16, ausgenommen die Sicherheitszone 22. In Fig. 6 wird die Ablenkbewegung des Lichtbogens 21 durch die Magnetfelder einer Magnetspulengruppe 19, die beispielsweise aus drei Magnetspulen zusammengesetzt ist, bewirkt. Die Stromstärke der Magnetspule und damit ihr Magnetfeld wird von der Steuervorrichtung 15 so geregelt, daß der Lichtbogen 21 über die Schmelzseeoberfläche 16 von C über D nach E und zurück von E über D nach C wandert.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ablenkbewegungen des Lichtbogens sind nur als Beispiele ange-

führt. Die Steuervorrichtung kann selbstverständlich auch so geschaltet werden, daß der Lichtbogen beliebig andere Wege beschreibt, es darf nur keine Schmelzbadbewegung aus den Ablenkbewegungen des Lichtbogens resultieren.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ablenkung des Lichtbogens in Vakuum-Lichtbogenöfen, bestehend aus mindestens einer Magnetspule, deren Achse im wesentliehen senkrecht zur Achse des Schmelztiegels steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule so geschaltet bzw. mit Strom versorgt wird, daß die vom Magnetfeld erzwungenen Ablenkbewegungen des Lichtbogens in an sich bekannter Weise aus hin- und hergehenden Bewegungen bestehen und so schnell erfolgen, daß keine Schmelzbadbewegung, insbesondere keine rotorische, aus den Ablenkbewegungen des Lichtbogens resultiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ao kennzeichnet, daß die erzwungenen Ablenkbewegungen aus Kurventeilen bestehen, die zumindestens teilweise gegenläufigen Drehsinn haben, bezogen auf die Tiegelachse.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkbewegungen des Lichtbogens fast die gesamte Schmelzseeoberfläche, mit Ausnahme einer Sicherheitszone in Nähe der Tiegelwand, überstreichen.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld der Magnetspule oder einer Magnetspulengruppe den gesamten Tiegel überstreicht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule oder eine Magnetspulengruppe, bestehend aus mindestens zwei Magnetspulen, höhenverstellbar montiert ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedener Tiegelhöhe jeweils eine Einzelspule oder eine Magnetspulengruppe montiert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 97608, 101690,
003;

französische Patentschriften Nr. 593 283, 1 117 769.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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