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Einrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenofens Beim Schmelzen
im Lichtbogenofen, vorzugsweise beim Schmelzen von Abschmelzelektroden im Hochvakuum-Lichtbogenofen,
ist es für die metallurgische Struktur des erschmolzenen Metalls von entscheidender
Bedeutung, daß der Erstarrungsvorgang des flüssigen Materials vorzugsweise in einem
an der Außenwand gekühlten Kupfertiegel kurzgehalten wird. Bei langsamer Erstarrung
können Strukturformen auftreten, die unerwünscht sind, weil sie die Eigenschaften
des Materials negativ beeinflussen. Bei den derzeitig bekannten Schmelzverfahren,
vorzugsweise in Hochvakuum-Lichtbogenöfen, kann man die Erstarrungsgeschwindigkeit
dadurch bis zu einem gewissen Maße reduzieren, daß man die zugeführte Energie verringert.
Diesem Verfahren sind dadurch Grenzen gesetzt, daß mindestens so viel Energie zugeführt
werden muß, um den Schmelzsee über den vollen Querschnitt des Schmelztiegels offen
zu halten. Außerdem bedingt dieses Verfahren eine wesentliche Vergrößerung der Schmelzzeit
und damit eine Verteuerung der Produktion. Die Anwendung des neuen Verfahrens erlaubt
es, bei relativ hoher Erstarrungsgeschwindigkeit auch eine hohe Schmelzgeschwindigkeit
zu erzielen. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren, auf die metallurgische Struktur
allgemein einen größeren Einfluß zu nehmen als bisher.
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Es ist bekannt, daß die dem Lichtbogen zugeführte Energie in drei
Teile aufgespalten wird.
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Ein gewisser Anteil wird dem Schmelzsee zugeführt und ruft hervor,
daß der Schmelzsee bis zu einer bestimmten Tiefe flüssig bleibt. Ein anderer Teil
wird der Elektrode zugeführt und ruft das Abschmelzen hervor. Der dritte Teil schließlich
geht als Verlust meist als Wärme ungenutzt verloren. Wird mit Wechselstrom geschmolzen,
so ist der Energieanteil, der dem Schmelzsee zugeführt wird, gleich dem Energieanteil,
der der Elektrode zugeführt wird. Wird hingegen mit Gleichstrom geschmolzen, so
sind diese beiden Energieanteile in Abhängigkeit vom Material der Abschmelzelektrode
verschieden groß. Bei den meisten Metallen, die im Lichtbogenofen, vorzugsweise
im Hochvakuum-Lichtbogenofen, geschmolzen werden, ist der Energieanteil, der dem
Schmelzsee zugeführt wird, größer als der, der der Abschmelzelektrode zugeführt
wird. Das Verhältnis der Energie am Schmelzsee und der Energie an der Elektrode
zueinander steht jedoch fest und kann bei den bisher bekannten Schmelzverfahren
nicht geändert werden. Beim Schmelzen der meisten im Lichtbogen üblicherweise zu
schmelzenden Metalle und dem Anschluß des positiven Pols an den Schmelzsee erhält
dieser etwa 65% und die negative Elektrode etwa 35% der gesamten zum Abschmelzen
zur Verfügung stehenden Energie. Bei umgekehrter Polung ist auch die Energieverteilung
umgekehrt. Diese umgekehrte Polung wird aber selten benutzt, da die etwa 35% der
Gesamtenergie, die dem Schmelzsee zugeführt werden, angesichts der stark wirkenden
Wasserkühlung des Schmelztiegels meist unzureichend sind.
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Die nachstehend vorgeschlagene Einrichtung erlaubt nun, diese Anteile
willkürlich in weiten Grenzen zu regeln. Dadurch wird einerseits der Schmelzvorgang
steuerbar, d. h. gegenüber der üblichen Schaltung schneller ablaufen. Andererseits
kann die dem Schmelzsee zugeführte Energie verringert werden, und dadurch der Erstarrungsvorgang
kürzer als bisher gehalten werden, so daß die Nachteile langsamen Erstarrens sehr
weitgehend vermieden werden können.
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Die Erfindung besteht darin, daß mit wechselnder Polung geschmolzen
wird, wobei die Energie in der jeweiligen Stromrichtung im Verhältnis zu der Energie
in der anderen Stromrichtung durch Verändern der Amplituden zueinander oder/und
durch Verändern der zeitlichen Dauer des Stromflusses in den beiden Richtungen zueinander
geändert werden kann.
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Das neue Verfahren ermöglicht einen Eingriff in dieses Energieverhältnis
und gestattet, je nach Art des zu schmelzenden Materials eine mehr oder weniger
große Verschiebung der beiden Energien zueinander. Zu diesem Zweck wird eine Vorrichtung
angewendet, die beim Schmelzen mit Gleichstrom eine in gewissen Zeitabständen zu
wiederholende Umpolung vornimmt und an der die Zeiten für jeweils Betrieb mit positiver
oder negativer Polung an der Elektrode zueinander veränderlich sind. Beim Schmelzen
mit Wechselstrom
ist diese Einrichtung so beschaffen, daß die Stromstärke
im Lichtbogen während der positiven und während der negativen Halbwelle zueinander
verschieden eingestellt werden kann, so daß je nach Bedarf die Stromstärke in positiver
oder aber in negativer Richtung überwiegt. Selbstverständlich ist auch eine Kombination
beider Vorrichtungen möglich. So ist es möglich, bei gleichbleibender Energie am
Schmelzsee der Elektrode selbst mehr Energie zuzuführen und ein schnelleres Abschmelzen
hervorzurufen. Auch kann die metallurgische Struktur durch Verändern des Energieverhältnisses
Elektrode-Schmelzsee geändert werden. Dieses Verfahren kann lediglich in jenen seltenen
Fällen nicht angewendet werden, wenn, durch die Eigenschaften des zu schmelzenden
Materials bedingt, der Energieanteil an der Kathode gleich dem Energieanteil an
der Anode ist und darum keine Veränderung der benutzten Wechselstromamplituden vorgenommen
werden muß.
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Die Erfindung wird für Vakuum-Lichtbogenöfen an Hand der Zeichnungen
genauer erklärt.
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Fig.1 zeigt als Beispiel für die Erfindung eine ihr entsprechende
Einrichtung an einem gleichstrombetriebenen Vakuum-Lichtbogenofen und Fig.2 an einem
solchen Ofen mit Wechselstromspeisung; Fig.3 zeigt Stromkurven einer Einrichtung
nach Fig.1, d. h. für Gleichstrombetrieb, Fig. 4 diese Kurven für Fig. 2, d. h.
bei Wechsel-Stromspeisung.
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Der Vakuum-Lichtbogenofen der Fig.l besteht aus einem glockenförmigen
vakuumdichten Gehäuse 1, das über die Vakuumleitung 2 mittels des Pumpenaggregates
3 evakuiert wird. Die untere Öffnung des Gehäuses 1 ist durch den Schmelztiegel
5 abgeschlossen, der eine Wasserkühlung 6 trägt und über die elektrisch isolierende
Dichtung 7 an das Gehäuse auswechselbar angesetzt ist.
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Das Gehäuse 1 trägt die hermetisch dichtende Durchführung 10 für die
Haltestange 11 der Abschmelzelektrode 12. Die Haltestange 11 wird im dargestellten
Beispiel von der flexiblen Kette 14 getragen, die zur Kraftübertragung von
der Vorschubeinrichtung 15 dient. Die Vorschubeinrichtung wird in bekannter Weise
betrieben bzw. gesteuert. Die Elektrode 12 schmilzt im Lichtbogen 20 ab in den Schmelzsee
21, der dann im Tiegel 5 zum Metallblock 22 erstarrt. Die zum Abschmelzen nötige
elektrische Energie wird der Elektrodenhaltestange 11 durch die Leitung 25 und dem
Schmelztiegel 5 durch die Leitung 26 zugeführt. Sie wird geliefert vom Gleichstromdynamo
27, dessen Welle 28 von einem elektrischen Motor 29 getrieben wird. Die Stromerzeugung
wird mittels der Erregerwicklung 30 gesteuert und ist bisher nur gleichförmig
realisiert worden.
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Wie in der Einleitung schon gesagt wurde, verteilt sich die elektrische,
zum Schmelzen zur Verfügung stehende Gleichstromenergie des Bogens 20 im Verhältnis
65: 3511/o auf das Ende der Elektrode 12 und den Schmelzsee 21. Der größere
Teil (65%) entfällt dabei auf die Kathode, d. h. im allgemeinen den Schmelzsee 21.
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Um für die folgende Darstellung einen guten überblick zu gewinnen,
ist in Fig. 3 A die Stromkurve des c Bogens in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt,
wobei aber Ein- und Auschwingvorgänge vernachlässigt, die Stromkurven daher genau
rechtwinklig gezeichnet wurden. Der (etwa) konstante Bogenstrom I kann durch die
Gerade 101 dargestellt werden. Bei konstanter Bogenspannung entpricht dann die Fläche
102 dem größeren Energieanteil (- 650/a) und die Fläche 103 dem kleineren Anteil
(- 35%). Je nach der Polung entfallen diese Anteile auf die Elektrode 11 oder den
Schmelzsee 21, so daß die dem Schmelzsee zugeführte Energie entweder dem einen oder
dem anderen Wert entsprechen kann. Zwischenwerte können bei dem bisher üblichen
Betrieb nicht realisiert werden.
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Um dies zu erreichen, ist zwischen das Steuergerät 31 und die Felderregungsspule
30 eine Wendeschützeinrichtung eingeschaltet. Sie besteht aus den zwei Schaltern
32 und 33, die ein Umpolen der Stromrichtung in der Feldspule 30 gestatten,
und den einstellbaren Widerständen 34 und 35, durch die die Stromstärke in der Feldspule
eingestellt oder geregelt werden kann. Die Umschalter 32 und 33 werden durch das
Zeitsteuergerät 36 betätigt, das in bekannter Weise ein bestimmtes Zeitprogramm
für diese Betätigung realisiert. Für dieses Zeitprogramm sind in den Fig. 2 B und
2 C zwei Beispiele dargestellt, bei denen beide Male je die gleichen Stromstärken
angenommen wurden. Das Gerät 36 besitzt dabei eine (hier als fest angenommene) erste
Zeitkonstante T1 und eine variable zweite Zeitkonstante T2. Am Ende jeder dieser
Zeiten werden die Schalter 32 und 33 betätigt und damit einerseits die Stromrichtung
in der Feldspule 30, aber andererseits auch die Richtung des Bogenstromes I umgekehrt.
Es ergeben sich daher die in den Fig. 3 B und 3 C dargestellten Stromkurven 104
und 109, die sich in der Länge der Zeitkonstante T2 unterscheiden.
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Dann entsprechen die Flächen 105 und 106 in Fig. 3 B bzw. 110 und
111 in Fig. 3 C der Fläche 102 in Fig. 3 A und die Flächen 107 und 108 in Fig. 3
B bzw. 112 und 113 der Fläche 103 in Fig. 3 A. Die Flächen 106 und
111 sind
aber wesentlich kleiner (nur 65
_ 0,55) als die Flächenanteile, die an der
ursprünglichen Fläche 102 fehlen. Die Energie, die jetzt an die Kathode abgegeben
wird, ist damit geringer und kann durch die Wahl der Zeitkontstanten T`, eingestellt
werden. Als Beispiele seien für die Zeitkonstanten genannt:
| TI @ 0,5 Sekunden, |
| T, - 0,25 bis 0,45 Sekunden. |
Auf diese Weise kann die dem Schmelzsee als Kathode zugeführte Energie zwischen
50'0/a und fast 65'% und als Anode zwischen 50 und fast 35%, der Gesamtenergie beliebig
und praktisch kontinuierlich geregelt werden. Beim Umpolen im Gleichstrombetrieb
muß damit gerechnet werden, daß der Lichtbogen nicht unbedingt weiterbrennt. Um
jedoch das Weiterbrennen auf jeden Fall zu gewährleisten, gibt das Zeitsteuergerät
36 über die Leitung 37 ein Signal an die Vorschubeinrichtung 15. Die Vorschubeinrichtung
führt durch dieses Signal zuerst eine schnelle Abwärtsbewegung der Elektrode 12
bis zum Kurzschluß mit dem Schmelzsee 21 und gleich darauf eine schnelle Aufwärtsbewegung
der Elektrode aus. Dadurch wird ein sicheres Zünden gewährleistet und die richtige
Länge des Bogens wiederhergestellt.
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Die Fig. 2 und 4 zeigen als weiteres Beispiel einen Vakuumlichtbogenofen
mit Abschmelzelektrode, der mit Wechselstrom betrieben wird. An die Stelle des Gleichstromdynamos
27 der Fig. 1 tritt hier ein Wechselstromtransformator
50. Wird
dieser von Netzwechselstrom direkt betrieben, so ergibt sich eine Sinuskurve analog
Fig.4A und eine gleichmäßige Energieverteilung (50:50) auf Elektrode 12 und Schmelzsee
21.
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Um nun die erfindungsgemäße Regelung zu erreichen, ist in die Zuleitungen
51 und 52 des Transformators 5 je eine magnetisch wirkende Stromregeleinrichtung
(Magnetverstärker) eingeschaltet. Diese beiden Magnetregler bestehen aus den Lastwicklungen
54, 54', den Steuerwicklungen 55, 55' und den zusätzlichen 56, 56'. Die Gesamtstromstärke
wird mittels der Steuerwicklungen 55, 55' und dem Regelwiderstand 57 mittels Gleichstrom
gesteuert.
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Die zusätzlichen Steuerwicklungen 56, 56' sind entgegengesetzt geschaltet
(oder entgegengesetzt gewikkelt). Durch sie kann daher der Wechselstromfluß in einer
Richtung oder Halbwelle mehr gedrosselt werden als in der anderen. über die Brückenschaltung
58 kann die Polung der zusätzlichen Wicklungen 56, 56' umgekehrt und durch den Widerstand
59 der durch sie fließende Strom geregelt werden. Se ist es in einfachster Weise
möglich, durch Verstellen der Brückenschaltung 58 je eine beliebige der beiden Halbwellenamplituden
des Wechselstromes zu drosseln und dadurch die andere zu erhöhen.
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Die Magnetregler wie auch der Lichtbogen selbst verzerren die Sinuskurven
des Netzwechselstromes. Der guten übersicht halber wurde daher in den Fig. 4 A und
411 eine Rechteckkurve für den Bogenstrom I gezeichnet, dessen Schwingungsdauer
T.,
=1/5O Sekunde vergrößert dargestellt ist. So ergibt sich bei fehlendem
Strom in den zusätzlichen Wicklungen die Kurve 120. Die Energie der Flächen 122
bis 125 entspricht der der Flächen 126 bis 129, so daß, wie im Falle des sinusförmigen
Stromes, Kathode und Anode gleiche Energie geliefert bekommen.
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Wird ein Strom durch die zusätzlichen Wicklungen 56, 56' geschickt,
so verschiebt sich die Nullinie des Wechselstromes und ergibt die Kurve
130 der Fig. 4 B. Die der Kathode zugeführte Energie, die durch die Flächen
132 bis 135 repräsentiert wird, ist dann größer als die der Anode zugeführte, die
den Flächen 136 bis 139 entspricht.
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Die Umpolung der Wicklungen 56, 56' bedeutet eine Verschiebung nach
der anderen Seite. Es ist wohl nach dem Vorstehenden klar, daß hier ebenso wie im
Falle des Gleichstroms eine kontinuierliche Regelung von etwas 350/a bis zu fast
6511/o ermöglicht wird. Es ist dann nicht mehr nötig, die Gesamtenergie herabzusetzen
und damit die Schmelzleistung zu verkleinern, wenn nur eine geringere Energie am
Schmelzsee auftreten soll; es kann vielmehr durch eine andere Energieverteilung
die Schmelzleistung vergrößert und trotzdem die Energiezufuhr zum Schmelzsee verkleinert
werden, wenn dies z. B. aus schnellerer Erstarrung gewünscht wird.
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Die vorstehende Beschreibung setzte eine Energieaufteilung von 65'o/a
an der Kathode und 35 0/a an der Anode des Lichtbogens voraus. Wie schon eingangs
zugesagt wurde, hängt dies Verhältnis von verschiedenen Faktoren, z. B. auch der
Legierungszusammensetzung des zu schmelzenden Metalls, ab. Dies ist unter anderem
darauf zurückzuführen, daß durch gewisse Legierungsbestandteile die Elektronenaustrittsarbeit
verringert und so die Brennbedingungen des Lichtbogens beeinflußt werden. In fast
allen Fällen ist aber die Energieaufteilung bei bestimmter Polung ungleichmäßig.
Die Erfindung benutzt nun gerade diese ungleichmäßige Aufteilung, um die Energiemenge,
die einer der Elektroden, also vorzugsweise dem Schmelzsee, zugeführt wird, zu regeln
und auf den günstigsten Wert einzustellen.