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Verfahren zur Regelung des Vorschubs einer Abschmelzelektrode in einem
Vakuum-Lichtbogenofen Die Erfindung bezieht sich auf die Vorschubregelung von Abschmelzelektroden
in Vakuum-Lichtbogenöfen.
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Die Vorschubregelung einer Abschmelzelektrode in Vakuum-Lichtbogenöfen
besitzt eine besondere Bedeutung hinsichtlich der metallurgischen Qualität des herzustellenden
Schmelzblocks (ingot.). Zur Herstellung eines metallurgisch guten Schmelzblocks
soll der Abstand zwischen dem laufend abschmelzenden Ende der Abschmelzelektrode
und dem Schmelzsee im Schmelztiegel einen vorgegebenen Wert weder unter- noch überschreiten.
Der Vorschub der Abschmelzelektrode muß daher so erfolgen, daß das Abschmelzelektrodenende
während des Schmelzprozesses auf einem optimalen Abstandswert gehalten wird. Bei
zu großem Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee besteht die Gefahr,
daß der Lichtbogen zur Schmelztiegelwand überspringt, bei zu kleinem Abstand besteht
die Gefahr, daß durch die Bewegung des Schmelzsees und der von der Abschmelzelektrode
herabfallenden Tropfen geschmolzenen Metalls längere Zeit dauernde Kurzschlüsse
hervorgerufen werden, wodurch die mittlere Lichtbogenenergie bedeutend vermindert
und außerdem durch die fortgesetzten Kurzschlüsse das metallurgische Gefüge des
Schmelzblocks verschlechtert wird.
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Es sind verschiedene Verfahren zur Regelung des Vorschubs von Abschmelzelektroden
in Vakuum-Lichtbogenöfen bekannt, bei denen ein Signal auf eine Vorschubeinrichtung
gegeben wird, die in Abhängigkeit des Signals den Vorschub der Abschmelzelektrode
während des Schmelzprozesses regelt.
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Bei einem bekannten Verfahren wird die Lichtbogenspannung selbst als
Signal für den Vorschub der Abschmelzelektrode benutzt und in eine Vorschubeinrichtung
derart eingespeist, daß bei einem Spannungsanstieg die Vorschubgeschwindigkeit vergrößert
wird, so daß der Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee sich verkleinert.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird der Wert bzw. der Mittelwert
der Impedanz selbst zur Erzeugung eines Regelsignals verwendet, welches der Vorschubeinrichtung
zugeführt wird. Auftretende Impedanzimpulse, die dem Impedanzbezugswert überlagert
sind, werden zusammen mit dem Bezugswert Integrationsgliedern zugeführt, geglättet.
Der so gewonnene Mittelwert der Impedanz wird zur Regelung bzw. Erzeugung des Regelsignals
verwendet.
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Schließlich ist auch ein Regelverfahren bekannt, bei welchem die bei
kurzem Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee durch Schmelzseebewegung
und/oder durch herabfallende Tropfen geschmolzenen Metalls auftretenden Kurzschlüsse
registriert und die Zeitintervalle zwischen den Kurzschlüssen in ein Signal umgeformt
werden, das in eine Vorschubeinrichtung eingespeist wird.
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Diese bekannten Verfahren zur Vorschubregelung besitzen gewisse Nachteile
und Ungenauigkeiten. Diese Nachteile bestehen unter anderem darin, daß die zum Erhalt
des Signals herangezogene Funktion, beispielsweise der Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende
und Schmelzsee als Funktion der Lichtbogenspannung, unter gewissen Schmelzbedingungen
nicht mehr besteht oder die funktionelle Abhängigkeit sich völlig ändert. Dies ist
z. B. der Fall, wenn man mit geringen Stromstärken schmilzt, wenn man gewisse Legierungen
schmilzt oder wenn die Lichtbogenentladung teilweise oder ganz in eine Glimmentladung
übergeht. Bei dem Verfahren, bei welchem die Zeitintervalle zwischen zwei Kurzschlüssen
in ein Regelsignal umgeformt werden, muß der Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende
und Schmelzsee unter den üblichen Normalwert erniedrigt werden, damit die Zahl der
Kurzschlüsse einen für vernünftige Regelzwecke notwendigen Wert annimmt. Durch häufige
Kurzschlüsse, durch die erst eine Feinregelung ermöglicht wird, verschlechtert sich
jedoch die metallurgische Qualität des Schmelzblocks erheblich.
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Beim Schmelzen von Abschmelzelektroden im Vakuum-Lichtbogenofen wurde
beobachtet, daß im Lichtbogen selbst kurzzeitige Änderungen auftreten, die sich
auf die Lichtbogenspannung in Form eines Impulses auswirken. Die zeitliche Folge
der Impulse liegt je nach der Größe des Abstandes zwischen Abschmelzelektrodenende
und
Schmelzsee im Schmelztiegel zwischen zwei bis drei Impulsen pro Sekunde und etwa
einem Impuls pro 10 Sekunden, d. h., die Impulsfrequenz liegt in einem Bereich von
etwa 1?ro Hz bis einigen Hz. Die Amplitude der Impulse schwankt ebenfalls in Abhängigkeit
von der Größe des Abstandes zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee zwischen
einigen hundert Minivolt und einigen Volt. Es handelt sich also bei den beobachteten
Impulsen nicht um Kurzschlüsse, bei denen die Lichtbogenspannung auf Null absinkt.
Außerdem wurde beobachtet, daß die Richtung der Impulse, bezogen auf den Normalwert
der Lichtbogenspannung, abhängig ist von der Größe des Abstandes zwischen Abschmelzelektrodenende
und Schmelzsee. In den F i g. 1 a, 1 b und 1 c sind diese Beobachtungen dargestellt,
und zwar zeigen sie den zeitlichen Verlauf der Lichtbogenspannung, die auf einen
Sollwert von 25 Volt eingestellt ist.
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F i g. 1 a zeigt den zeitlichen Verlauf der Lichtbogenspannung bei
kleinem Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee. Die mittlere Amplitude
der zahlreichen Impulse beträgt etwa 1,5 Volt. Es sind außerdem Kurzschlußimpulse
eingezeichnet, wie sie registriert wurden. Diese wenigen Kurzschlußimpulse sind
deutlich von den sehr viel zahlreicheren Impulsen unterschieden. Die Richtung der
Impulse zeigt in Richtung abnehmender Lichtbogenspannung, d. h. bezüglich des Sollwertes
in negativer Richtung.
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F i g. 1 b zeigt den zeitlichen Verlauf der Lichtbogenspannung bei
normalem Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee. Die Amplituden
der Impulse sind deutlich kleiner als die der in F i g. 1 a dargestellten Impulse.
Auch besitzt die Impulsfrequenz einen kleineren Wert. Kurzschlußimpulse wurden nicht
registriert. Die Richtung der Impulse ist statistisch verteilt in Richtung abnehmender
und zunehmender Lichtbogenspannung, d. h. bezüglich des Sollwertes sowohl in negativer
als auch in positiver Richtung.
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F i g. 1 c zeigt den zeitlichen Verlauf der Lichtbogenspannung bei
großem Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee. Es ist deutlich
zu ersehen, daß die Impulsfrequenz sich wesentlich vermindert hat, daß die Amplitude
der Impulse noch kleiner als in F i g. 1 b geworden ist und daß die Richtung der
Impulse in Richtung zunehmender Lichtbogenspannung zeigt, d. h. bezüglich des Sollwertes
in positiver Richtung verläuft. Kurzschlußimpulse wurden keine registriert.
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Es wurde nun gefunden, daß bei einem Verfahren zur Regelung des Vorschubs
einer Abschmelzelektrode in einem Vakuum-Lichtbogenofen, bei dem ein Signal auf
eine Vorschubeinrichtung gegeben wird, die in Abhängigkeit des Signals den Vorschub
der Abschmelzelektrode während des Schmelzprozesses regelt, und bei dem das Regelsignal
aus der Impedanz gewonnen wird, die Nachteile und Ungenauigkeiten erfindungsgemäß
dadurch vermieden werden, daß zur Regelung nur die während des Schmelzprozesses
auftretenden Impedanzimpulse herangezogen und zur Erzeugung des Regelsignals deren
Amplitude und/oder Häufigkeit verwendet werden. Es können selbstverständlich auch
nur Impedanzimpulse einer vorgegebenen Richtung zur Regelung herangezogen werden.
Die Impulse können an der Lichtbogenspannung oder dem Lichtbogenstrom abgenommen
werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also nur die Impedanzimpulse
zur Erzeugung des Regelsignals herangezogen, ohne daß auf den Wert oder Mittelwert
der Impedanz selbst Bezug genommen wird.
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Bei den bekannten Regelverfahren wird der von mehreren Parametern
abhängige Impedanzwert bzw. -mittelwert zur Erzeugung des Regelsignals benutzt.
Das nur aus den Impedanzimpulsen erzeugte Regelsignal ist hingegen einigen dieser
Parameter nicht unterworfen. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht daher eine
sehr feine Vorschubregelung für eine Abschmelzelektrode in einem Vakuurr.-Lichtbogenofen.
Es kann ein optimaler Abstand zwischen Abschmelzelektrodenende und Schmelzsee während
des gesamten Schmelzprozesses eingehalten werden, was eine wesentliche Voraussetzung
für die Herstellung von Schmelzblöcken hoher metallurgischer Qualität bildet.
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In den F i g. 2 und 3 ist schematisch ein Vakuum-Lichtbogenofen dargestellt.
der nach dem Verfahren der Erfindung betrieben wird.
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Die F i g. 2 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei einem Vakuum-Lichtbogenofen. Der Tiegel 1 ist an die Ofenkammer 2
gasdicht angeilanscht. Diese wird über den Stutzen 3 mittels eines nicht dargestellten
Vakuumpumpenaggregats evakuiert. Die Abschmelzelektrode 4 ist mit der Haltevorrichtung
5 an der Elektrodenhaltestange 6 befestigt, die durch die Durchführung
7 gasdicht in die Ofenkammer 2 eingeführt ist. Die von einer Gleichrichtereinheit
8 erzeugte Versorgungsspannung für den Lichtbogenofen wird mit den Stromschienen
10 an den Tiegel 1 geführt und mit den Stromschienen 9 sowie dem beweglichen
Kabel 11 an die Elektrodenhaltestange 5 angeschlossen. Eine Vorschubeinrichtung,
bestehend aus den Rollen 12, dem Motor 13 und der an sich bekannten Steuereinrichtung
14 bewirkt den Vorschub der Elektrodenstange 6. Die Lichtbogenspannung wird außerdem
an die Eingangsklemmen 15 einer Einrichtung zur Signalgabe angeschlossen. Durch
eine Siebkette, bestehend aus der Drossel 16
und dem Kondensator 17, wird
verhindert, daß die Signalgabeeinrichtung auf die Restwelligkeit der Gleichrichter
8 anspricht. Die zweite Siebkette, bestehend aus der Drossel 18 und dem Kondensator
19, ist so dimensioniert, daß auch die im Lichtbogen selbst auftretenden Impulse
zurückgehalten werden. Der Widerstand 20 weist den gleichen Gleichstromwiderstand
auf wie die Drossel 18. Durch diese Schaltung wird hervorgerufen, daß an
den in Serie geschalteten Widerständen 21 und 22 nur noch die im Lichtbogen selbst
auftretenden Impulse zu messen sind. Durch die Diode 23 wird nun hervorgerufen,
daß am Widerstand 24 nur solche Impulse zu einem Spannungsabfall führen, die den
Pegel der Lichtbogenspannung unterschreiten. Durch den Widerstand 25 und den Kondensator
26 wird ein Integral über die Zeit des am Widerstand 24 auftretenden Spannungsabfalls
- Signals - erzeugt. Das integrierte Signal wird dem Steuergitter der Verstärkerröhre
27 zugeführt, die ausgangsseitig mit den Widerständen 29, 30 und 31 in einer Brückenschaltung
liegt. Der Widerstand 28 wird so eingestellt, daß bei der gewünschten Signalgröße
am Kondensator 26 0 Volt Spannung an den Ausgangsklemmen 32 auftreten. Die Ausgangsklemmen
32
sind mit den Signaleingangsklemmen 33 der an sich bekannten Steuereinrichtung
14 verbunden. An die Klemme 34 ist die zum Betrieb der Verstärkerröhre 27 notwendige
Gleichspannung angeklemmt.
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F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Signalgabeeinrichtung.
Auf die Darstellung der Anordnung des Lichtbogenofens wurde verzichtet, weil diese
Anordnung der in F i g. 2 gezeigten entspricht. Die Lichtbogenspannung wird an die
Eingangsklemmen 35 angeschlossen. Durch die Siebkette, bestehend aus der Drossel
36 und dem Kondensator 37, wird die Restwelligkeit der Gleichrichter 8 (F i g. 2)
zurückgehalten. Der Kondensator 38 verhindert, daß die Gleichrichterspannung des
Lichtbogens zu einem Stromfluß in der Primärwicklung des Transformators 39 führt.
Die Impulse aus dem Lichtbogen werden über den Kondensator 38 auf die Primärseite
des Transformators 39 geführt, der entsprechend für niedrige Frequenzen ausgelegt
sein muß. Von der Sekundärseite des Transformators 39 werden die Impulse durch den
Brückengleichrichter 40 gleichgerichtet, und mit Hilfe der Widerstände 41, 43 und
45 sowie den Kondensatoren 42 und 44 wird ein Integral über die Zeit erzeugt. Das
integrierte Signal kann am Widerstand 45 abgenommen werden. An die Klemmen 47 wird
eine Gleichspannung angeschlossen, die der Spannung am Widerstand 45 entgegengerichtet
ist. Das Potentiometer 46 wird so eingestellt, daß bei dem gewünschten Signal am
Widerstand 45 0 Volt an den Ausgangsklemmen 48 zu messen sind. Das Signal an den
Klemmen 48 wird an den Eingang 33 der Steuereinrichtung 14 (gemäß F i g. 2) angeklemmt.