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Verfahren und Einrichtung zur Regelung des Elektrodenabstands in einem
Lichtbogenschmelzofen Die Erfindung betrifft ein Verf ahren und eine Einrichtung
zur Regelung des Elektrodenabstands in einem Lichtbogenschmelzofen, bei dem ein
Signal auf eine Vorschubeinrichtung gegeben wird, die in Abhängigkeit von dem Signal
den Vorschub der Schmelzelektrode während des Schmelzprozesses regelt, und wobei
das Regelsignal von der Lichtbogenspannung, der Lichtbogenstromstärke oder der Lichtbogenimpedanz
abgeleitet wird.
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Bekannte LichtbogenschmeIzöfen enthalten üb-
licherweise eine
Elektrode aus dem zu schmelzenden Metall, die sich zu einem Tiegel erstreckt, von
dem das geschmolzene Metall aufgenommen und in dem ein Rohblock ausgebildet kird.
Die Schmelzelektrode ist mit dem einen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden,
deren anderer Pol mit dem Tiegel und damit mit dem geschmolzenen Metall verbunden
ist. Beim Beginn des Schmelzvorgangs werden gewöhnlich einige Späne od. dgl. in
den Tiegel gebracht, so daß diese Späne beim Zünden des Lichtbogens geschmolzen
werden, um eine anfängliche Metallschmelze in dem Tiegel herzustellen. Wenn der
Lichtbogen zwischen der Schmelzelektrode und der Metallschmelze aufrechterhalten
wird, wird das Ende der Elektrode durch die Wärmeentwicklung des Lichtbogens geschmolzen.
Das von der Elektrode abschmelzende Metall gelangt also in die Metallschmelze, deren
Bodenteil sich während des Schmelzens der Elektrode kontinuierlich verfestigt, so
daß ein von der Bodenseite her nach oben wachsender Roliblock ausgebildet wird.
Bei diesem Vorgang fließen Verunreinigungen zu der Oberfläche der Schmelze und schwimmen
darauf. Wenn sich die Schmelze während der Ausbildung des Rohblocks nicht verfestigt,
wird der größte Teil der Verunreinigungen von einer Aufnahme in den Hauptteil des
Rohblocks ausgeschlossen.
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Derartige öfen finden gewöhnlich zum Schmelzen hochwertiger rostfreier
Stähle, anderer hochwertiger Legierungsstähle oder von wertvollen Metallen wie Titan,
Zirkon und ihren Legierun gen Verwendung, Der Schmelzvorgang wird in einem derartigen
Ofen gewöhnlich im Vakuum oder in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt, da bei
der Anwesenheit von Luft das Endprodukt verunreinigende Oxyde gebildet würden. Die
Kornstruktur und die allgemeinen Qualitätsanforderungen an die Eigenschaften des
fertigen Rohblocks sind sehr bedeutsam. Es ist oft notwendig oder wünschenswert,
einen Rohblock mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Kornstruktur herzustellen
sowie Einschlüsse, Ausscheidungen, Adern u. dgl. praktisch vollständig zu vermeiden.
Eine der bedeutsamsten Schwierigkeiten bei der Herstellung hochwertiger Rohblöcke
durch das Schmelzen einer Elektrode ist das Auftreten eines Sprenkeleffekts, der
darin besteht, daß dunkle Flekken oder poröse Stellen in der Mikrostruktur des Rohblocks
auftreten. Obwohl die Gründe für das Auftreten derartiger Fehlstellen nicht vollständig
bekannt sind, kann angenommen werden, daß sie aus winzigen Teilchen aus nicht aufgelöstem
Metall oder nichtmetallischen Einschlüssen bestehen.
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Einer der hauptsächlichsten Gründe, die zu Diskontinuitäten oder zu
einer unbefriedigenden Qualität einer derartigen Kornstruktur des Rohblocks in einem
Lichtbogenschmelzofen führen, ist die Instabilität des Lichtbogens, die nicht nur
eine Fuhktion des Abstands der Elektrode von der Schmelze, sondern auch von dem
Druck in dem Tiegel ist, in dem der Rohblock ausgebildet wird. Es gibt zahlreiche
Faktoren
hinsichtlich der Eigenschaften eines Lichtbogens, die nicht vollständig bekannt
sind. Jedoch wird gewöhnlich ein kleiner Elektrodenabstand als wünschenswert betrachtet,
um eine Ausbildung des Lichibogens zwischen den Seiten der Elektrode und den Wänden
des Tiegels zu verhindern und dessen Wärmeerzeugung in das Schmelzbad zu konzentrieren.
Unter normalen Bedingungen geht der Lichtbogen nur von der Stirnflächd der Elektrode
aus und wandert entlang dieser, so daß angenommen werden kann, daß dies der bevorzugte
Ort der Lichtbogenausbildung ist, weil auf der Kathode eine Glüh-
emission
bevorzugt auf einer heißen Oberfläche auftritt. Unter gewissen Bedingungen können
jedoch auf der Kathode eine Vielzahl von kleinen Flecken ausgebildet werden, die
entlang der Elektrode verlaufen und die augenblickliche Ausbildung des Lichtbogens
zwischen den Seiten der Elektrode und der Wandung des Tiegels zur Folge haben. Zuerst
üben diese Flecken keinen wesentlichen Einfluß auf den Lichtbogen aus. Wenn jedoch
die Wirkung der Faktoren andauert, durch welche diese Vielzahl von Flecken ausgebildet
werden, kann der Lichtbogen vollständig instabil werden. In diesem Fall
kann der Lichtbogen völlig von der Stirnseite der Elektrode während einer
beträchtlichen Zeitspanne weg gelangen. Während dieses Zustands erfolgt kein Schmelzen.
Ferner wird dem Rohblock nur eine geringere Wärmemenge zugeführt. Auf kleinen Roliblöcken
kann sich die Oberfläche der Schmelze wegen eines derartig instabilen Lichtbogens
während eines normalen Schmelzvorgangs vollständig verfestigen, wodurch Verunreinigungen
in der Schmelze in den gegossenen Rohblock eingeschlossen werden. Andere unerwünschte
Eigenschaften eines instabilen Lichtbogens sind Unterbrechungen des Lichtbogens,
bei denen also keine Wärmeerzeugung erfolgt, sowie in einer derartig gegossenen
Kornstruktur auftretende sekundäre Lunkerstellen.
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Der Elektrodenabstand zur Ausbildung eines Lichtbogens beträgt gewöhnlich
etwa 5 cm oder weniger. Es war bisher üblich, die Lage der Elektrode relativ
zu dem Schmelzbad zu verstellen, um einen mehr oder weniger genauen Elektrodenabstand
einzuhalten. Theoretisch ist bei einem bestimmten Elektrodenabstand der Schmelzvorgang
bei der Erzeugung der gewünschten Eigenschaften des fertigen Rohblocks mehr oder
weniger gleichmäßig. Die meisten bekannten Systeme zur Einstellung des Elektrodenabstands
arbeiten in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung (das ist der Spannungsabfall
entlang des Elektrodenabstands). Dabei wird die Lichtbogenspannung oder ein entsprechender
Näherungswert nachgewiesen, welche Spannung einem Antriebsmotor zugeführt wird,
durch den die Elektrode gehoben oder gesenkt wird, um den Elektrodenabstand konstant
zu halten. Eine Regelzinrichtung für die Lage der Elektrode, die zu Regelzwecken
von der Lichtbogenspannung abhängt, ist jedoch nicht vollständig zufriedenstellend,
da die .Änderung der Lichtbogenspannung mit dem Elektrodenabstand im Bereich üblicher
Elektrodenabstände nur verhältnismäßig klein ist. Wie bereits erwähnt wurde, ist
ferner der Spannungsabfall entlang der Lichtbogenstrecke auch noch von anderen Faktoren
als der Länge des Lichtbogens abhängig, beispielsweise von dem Druck in dem Tiegel,
der sich bei der Freisetzung von Gasen während. des Schmelzvorgangs plötzlich
ändern kann. Ferner kann die Lichtbogenspannung gewöhnlich nicht direkt gemessen
werden. Wenn die Regelspannung vän Anschlüssen abgeleitet wird, die mit der Elektrode
und der. Schmelze in Verbindung stehen, wird -die Regelspannung durch #die Spannungsabfälle
über den Kontakteii'be8iniffüßt, welche-'sich währeiid des Schmelzvorgangs ändern
können. Wenn also die Elektrode so verstellt wird, daß eine konstante Spannung zwischen
der Stützeinrichtung der Elektrode und der Metallschmelze aufrechterhalten wird,
muß die Länge des Elektrodenabstands nicht notwendig innerhalb des gewünschten Bereichs
liegen. Eine weitere Schwierigkeit bei der Regelung des Elektrodenabstands in Abhängigkeit
von der Lichtbogenspannung ist ein vollständiger oder teilweiser Kurzschluß des
Lichtbogens. Dies ist gewöhnlich eine Begleiterscheinung einer Instabilität des
Lichtbogens. Obwohl nicht alle zu einem Kurzschluß beitragenden Faktoren vollständig
bekannt sind, ist jedoch ersichtlich, daß schon aus diesem Grunde eine Regelung
in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung in vielen Fällen nicht zufriedenstellend
ist.
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Durch die Erfindung wird dagegen ein neuartiges System geschaffen,
durch das der Elektrodenabstand zur Ausbildung des Lichtbogens in einem Lichtbogenschmelzofen
in einer vorherbestimmten Beziehung zu dem Schmelzbad auf der Oberseite des Rohblocks
gehalten wird. Im Gegensatz zu bekannten Systemen, mit denen eine Regelung des Elektrodenabstands
einfach in Abhängigkeit von der Lichtbogenspanhung erfolgt, wobei die erwähnten
Nachteile auftreten, wird durch die Erfindung die Lichtbogenstrecke in Abhängigkeit
von einer elektrischen Größe geregelt, deren Verwertbarkeit bisher -nicht erkannt
wurde. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Lichtbogenspannung Spannungsschwankungen
in Form von positiv ansteigenden Impulsen überlagert sind, von denen jeder während
einer kurzen Zeitspanne von beispielsweise 40 Millisekunden mit einer Frequenz von
weniger als etwa 30 Hz auftritt. Es ist charakteristisch, daß diese Schwankungen
der Lichtbogenspannung gruppenweise auftreten. Oberhalb einer gewissen Lichtbogenspannung
(also bei großen Elektrodenabständen) und sofort nach irgendeiner Störung des Lichtbogens,
beispielsweise durch einen Kurzschluß, treten diese Spannungsimpulse nicht auf.
Wenn jedoch der Elektrodenabstand verringert wird, treten diese Spannungsimpulse
vorteilhafterweise innerhalb des günstigsten Betriebsbereichs auf. Überraschenderweise
können diese Spannungsimpulse in einem Servosystem dazu verwendet werden, den Elektrodenabstand
zu regeln.
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Der Erfindung geht deshalb die Erkenntnis voraus, daß der Spannungsabfall
entlang des Lichtbogens zwei Komponenten aufweist. Die erste Komponente kann als
Grundspannung bezeichnet werden, die sich aus einem Anodenspannungsabfall, einem
Plasmaspannungsabfall und einem Kathodenspannungsabfall zusammensetzt. Bei
Betrachtung eines Momentanwerts wird die Änderung dieser Grundspannung mit der Änderung
der Bogenlänge gewöhnlich als der Spannungsgradient des Lichtbogenplasmas bezeichnet.
Die zweite Komponente der Lichtbogenspannung soll zum Zweck der Unterscheidung als
Impulsspannung bezeichnet werden, welche die erwähnten Spannungsschwankungen oder
Unregelmäßigkeiten
der Spannung umfaßt. Es wurde festgestellt, daß das Vorhandensein oder das Fehlen
dieser Impulsspannung einen beträchtlichen Einfluß auf die Schmelzgeschwindigkeit
hat, während nur eine sehr geringe Änderung der Eingangsleistung des Ofens auftritt.
Wenn die Impulsspannung während des Schmelzvorgangs vorhanden ist, ist die Schmelzgeschwindigkeit
höher. Es wird angenommen, daß dies wahrscheinlich auf eine Entgasung der Metalle
während des Schmelzens zurückzuführen ist, wodurch sich eine Druckerhöhung in der
Schmelzkammer ergibt. Es ist ferner möglich, daß die Impulsspannung eine Begrenzung
des Lichtbogens auf einen Bereich zwischen der Elektrode und dem Schmelzbad anzeigt,
wenn die Strahlung zu der Wandung des Tiegels ein Minimum besitzt und die Wärmeübertragung
aus dem Schmelzbereich auf einem Minimum gehalten wird. Wenn das Schmelzen beim
Fehlen der Impulsspannung und bei praktisch konstanter Lichtbogenspannung durchgeführt
wird, wird ebenfalls eine verhältnismäßig gleichförmige Schmelzgeschwindigkeit erzielt,
die jedoch wesentlich kleiner als im Falle des Vorhandenseins der Impulsspannung
ist. Beim Auftreten der Impulsspannung kann ferner die Schmelzgeschwindigkeit ohne
beträchtliche Erhöhung der Eingangsleistung erhöht werden. Unter gewissen Bedingungen
scheint die Eingangsleistung mit einer erhöhten Schmelzgeschwindigkeit sogar zu
sinken, wenn die Leistung der Impulsspannungskomponente der Lichtbogenspannung unberücksichtigt
bleibt. Daraus kann die Theorie abgeleitet werden, daß das Auftreten der Impulsspannung
optimale Betriebsbedingungen anzeigt.
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Obwohl die vorausgegangenen Erläuterungen mehr oder weniger auf Impulsspannungen
oder Spannungsdiskontinuitäten begrenzt wurden, ist ersichtlich, daß diese Spannungsdiskontinuitäten
der Anlaß anderer Schwankungen einer elektrischen Eigenschaft der Lichtbogenstrecke
sind, beispielsweise von Stromdiskontinuitäten, die ebenfalls zu Regelzwecken Verwendung
finden können. Diese Stromdiskontinuitäten sind negativ ansteigende Impulse, die
in einem Regelsystem in derselben Weise wie die positiv ansteigenden Spannungsimpulse
ausgenutzt werden können. Deshalb treten gleichzeitig mit dem Auftreten jedes positiven
Spannungsimpulses oder negativen Stromimpulses in dem Lichtbogenspalt periodische
Erhöhungen der Impedanz des Lichtbogens auf. Deshalb sind auch in den Ansprüchen
unter der Bezeichnung »Schwankungen einer elektrischen Eigenschaft des Lichtbogenspalts«
irgendwelche Schwankungen dieser Art zu verstehen, welche innerhalb eines vorherbestimmten
Folgefrequenzbereichs auftreten.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Regelung des Elektrodenabstands in einem Lichtbogenschmelzofen anzugeben, womit
die Nachteile und Schwierigkeiten bei bekannten Verfahren und Einrichtungen dieser
Art vermieden werden können und womit insbesondere optimale Betriebsbedingungen
und ein Produkt mit verbesserter Qualität erzielt werden können.
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Ein Verfahren zur Regelung des Elektrodenabstands in einem Lichtbogenschmelzofen,
bei dem ein Signal auf eine Vorschubeinrichtung gegeben wird, die in Abhängigkeit
von dem Signal den Vorschub der Schmelzelektrode während des Schmelzprozesses regelt,
und bei dem das Regelsignal von der Lichtbogenspannung, der Lichtbogenstromstärke
oder der Lichtbogenimpedanz abgeleitet wird, ist gemäß, der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Lichtbogen als Spannungs-, Strom- oder Impedanzschwankungen auftretende
impulsförmige Schwankungen nachgewiesen werden und daß der Elektrodenabstand in
Abhängigkeit von der Folgefrequenz dieser Schwankungen geregelt wird.
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Eine Einrichtung zur Regelung des Elektrodenabstands in einem Lichtbogenschmelzofen,
der zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist, ist gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Nachweis mindestens einer der innerhalb
eines vorherbestimmten Folgefrequenzbereichs auftretenden Schwankungen elektrischer
Eigenschaften im.Lichtbogenspalt vorgesehen ist, an die eine Einrichtung angeschlossen
ist, welche ein sich in Abhängigkeit von den Schwankungen änderndes elektrisches
Signal erzeugt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die auf dieses Signal zur
Regelung des Elektrodenabstands anspricht.
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Besondere Vorteile der Erfindung sind auch darin zu sehen, daß die
Gefahr des Auftretens von Kurzschlüssen verringert wird, daß eine gleichförmigere
und höhere Schmelzgeschwindigkeit erzielt werden kann und daß eine bessere Druckstabilität
in dem Lichtbogenschmelzofen und eine bessere Stabilität des Lichtbogens erzielt
wird.
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Die Lichtbogenstrecke wird in Abhängigkeit von den erwähnten Spannungsdiskontinuitäten
nur innerhalb vorherbestimmter maximaler und minimaler Spannungsniveaus einreguliert,
wenn die Impulsspannungen für Regelzwecke geeignet sind. Außerhalb des Bereichs
zwischen diesen maximalen und minimalen Spannungsniveaus wird die Lage der Elektrode
in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung gesteuert. Es erfolgt jedoch eine solche
Betriebsweise, daß kontinuierlich innerhalb des Impulsspannungsbereichs gearbeitet
wird, wo die Schmelzgeschwindigkeit bei- gegebener Eingangsleistung ein Maximum
besitzt.
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Das Regelsystem gemäß der Erfindung weist eine Einrichtung zum Nachweis
von Schwankungen einer elektrischen Eigenschaft der Lichtbogenstrecke auf, welche
unterhalb einer vorherbestimmten Frequenz auftreten, eine Einrichtung zur Erzeugung
eines elektrischen Signals, das sich in Abhängigkeit von Änderungen der Schwankungen
ändert, die unterhalb der vorherbestimmten Frequenz auftreten, sowie eine Einrichtung
zur Steuerung der Lage der Elektrode in dem Ofen relativ zu der Schmelze in
Ab-
hängigkeit von dem elektrischen Signal. Vorzugsweise ist die Einrichtung
zum Nachweis der elektrischen Spannungen, die unterhalb der vorherbestimmten Frequenz
wiederauftreten, ein Siebfilter, welches die Welligkeit der Gleichrichter beseitigt,
durch welche die Gleichspannung über der Entladungsstrecke erzeugt wird, und nur
solche Schwankungen (also Impulsschwankungen) durchläßt, die innerhalb eines vorherbestimmten
Frequenzbereichs auftreten. Bei einer speziellen Steueranordnung, bei der ein Siebfilter
zum Aussieben von Frequenzen oberhalb 30 Hz Verwendung findet, werden mit
einer Frequenz unterhalb 30 Hz auftretende Spannungsschwankungen gezählt.
Die Elektrode wird um einen Betrag gesenkt, der mit der abfallenden Anzahl gezählter
Schwankungen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls ansteigt. Der Grund hierfür
ist darin zu sehen, daß mit fallender Impulsfrequenz der Impulsspannung
die
Lichtbogenlänge zu groß wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird die Impulsspannung integriert und die integrierte Spannung zum Senken der Elektrode
zu der Schmelze verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Zählen oder Integrieren
der Diskontinuitäten beschränkt, da auch andere Anordnungen Verwendung finden können,
wie beispielsweise zur Steuerung der Elektrodenlage in Abhängigkeit von der Impulshöhe
der Impulsspannung, der Impulshöhe oberhalb eines Schwellwerts oder der Impulsbreite
und den Anstiegszeiten, Es kann von irgendeiner dieser Meßgrößen in Verbindung mit
geeigneten Schaltungen ausgegangen werden, welche zur Messung der Lichtbogenspannung
zu Regelzwecken benötigt werden und zur Steuerung entsprechend voilierbestimmter
Bedingungen geeignet sind.
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Wie bereits erwähnt wurde, sind die Impulsspannungen nur
dann in der Lichtbogenspannung vorhanden, wenn die Lichtbogenstrecke innerhalb
eines mehr oder weniger optimalen Bereichs liegt. Es ist deshalb wünschenswert,
in der Regeleinrichtung eine Einrichtung zum Nachweis einer vorherbestimmten größten
sowie kleinsten Lichtbogenspannung vorzusehen und die Regeleinrichtung auf eine
Regelung durch die Lichtbogenspannung umzuschalten, wenn diese Spannungsgrenzen
überschritten werden. Eine derartige Einrichtung ist erforderlich, um eine Zündung
des Lichtbogens zu Beginn des Schmelzvorgangs zu vereinfachen, wenn die Impulsspannung
nicht auftritt, sowie um das Absenken der Elektrode in denjenigen Fällen zu vereinfachen,
wenn der Lichtbogenspalt größer als derjenige ist, bei dem die Impulsspannungen
auftreten.
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An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Lichtbogenschmelzofens
mit einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung und der üblichen Regeleinrichtung
in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung, F i g. 2 eine graphische Darstellung
des typischen Spannungsabfalls entlang dem Lichtbogenspalt in einem Lichtbogenofen
sowie dessen Abhängigkeit von Druckänderungen, F i g. 3 eine graphische Darstellung
der Lichtbogenspannung, woraus die Welligkeit vor dem Aussieben ersichtlich ist,
Fig. 4 eine graphische Darstellung typischer Spannungsdiskontinuitäten, die in der
Lichtbogenspannung mit einer vorherbestimmten Frequenz auftreten und gemäß der Erfindung
Verwendung finden, F i g. 5 eine graphische Darstellung, welche die Stabilisierung
des Drucks in einem Lichtbogenschmelzofen betrifft, wenn die Spannungsdiskontinuitäten
der Lichtbogenspannung zur Steuerung der Lage der Elektrode Verwendung finden, Fig,
6A eine graphische Darstellung der Ab-
hängigkeit der Lichtbogenspannung
von der Größe der Lichtbogenstrecke, woraus ersichtlich ist, daß die Spannungsdiskontinuitäten
nur unterhalb einer vorherbestimmten Lichtbogenstrecke auftreten, F i
g. 6 B eine graphische Darstellung des Integrals der Spannungsdiskontinuitäten
in Abhängigkeit von der Länge des Lichtbegenspalts, F i g. 6 C eine graphische
Darstellung einer Kurve, die sich durch überlagerung der integrierten Spannungsdiskontinuitäten
mit der tatsächlichen Lichtbogenspannung ergibt, F i g. 7 ein Blockschaltbild
einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung, die eine Zähleinrichtung für die Spannungsdiskonfinuit4tea
aufweist.' F i g. 8 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels
gemäß der Erfindung, bei dem die Spannungsdiskontinuitäten integriert und die integrierte
Spannung zur Steuerung der Lage der Elektrode verwendet wird, F! g. 9 ein
Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Spannungsdiskontixiuitäten
integriert werden und die integrierte Spannung der tatsächlichen Lichtbogenspannung
überlagert wird, um ein Steuersignal zu erzeugen, F i g. 10 ein Blockschaltbild
einer weiteren Regeleinrichtung gemäß der Erfmdung, bei der die Spannungsdiskontinuitäten
von der tatsächlichen Lichtbogenspannung ausgesiebt werden, um ein Steuersignal
für Regelzwecke abzuleiten, Fig. 11 ein Schaltbild entsprechend dem Blockschaltbild
in F i g. 7, wobei die Spannungsdiskontinuitäten zu Regelzwecken gezählt
werden, und F i g. 12 einen Teil eines Blockschaltbilds, das für die Schaltung
gemäß F i g. 11 Verwendung finden kann, wobei jedoch Stromimpulse und nicht
Spannungsünpulse zu Regelzwecken Verwendung finden.
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In F i g, 1 ist ein Lichtbogenschmelzofen 10
schematisch
dargestellt. In dem Ofen befindet sich ein leitender Tiegel 12, der beispielsweise
aus Kupfer hergestellt sein kann. Das offene Ende des Tiegels 12 wird durch ein
gasdichtes Gehäuse 14 abgeschlossen, Dieses Gehäuse weist eine Verbindungsleitung
16 zu einer nicht dargestellten Vakuumpumpe zum Evakuieren der Kammer
18 auf, welche durch den Tiegel 12 und das Gehäuse 14 begrenzt wird. Wahlweise
kann die Kammer 18 mit einem Schutzgas gefüllt werden. In jedem Falle. wird
das zu schmelzende Metall vor einer Oxydation geschützt. - Der Tiegel 12
ist von einem Doppelmantel 20 umgeben, durch dessen Einlaßstutzen 22 und Auslaßstutzen
24 Wasser hindurchgeleitet werden kann.
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Der Tiegel 12 enthält den Rohblock 26, der aus einer Schmelze
28 in der Nähe des unteren Endes einer Elektrode 30 aus dem zu schmelzenden
Metall ausgebildet wird. Die Elektrode 30 erstreckt sich von dem Tiegel 12
nach oben und ist an ihrem oberen Ende mit einem hin- und herverschiebbaren, als
Elektrodenträger dienenden Stempel 32 verbunden, der durch eine Abdichtung
34 in dem Gehäuse 14 verläuft. Der Stempel 32 kann beispielsweise mit einer
mechanischen oder einer hydraulischen Antriebseinrichtung verbunden sein. Der dargestellte
Antrieb 36 für die Elektrode kann z. B. ein Zahnstangentrieb oder ein Schneckentrieb
sein, der über eine Welle 38 mit einem Antriebsmotor 40 verbunden ist. Dabei
werden der Stempel 32 und die davon getragene Elektrode entsprechend der
einen Drehrichtung des Motors 40 nach oben verschoben, während bei der anderen Drehrichtung
des Motors die Elektrode 30 nach unten verschoben wird. Mit dem Stempel
32 und damit mit der Elektrode 30 ist der negative Anschluß einer
nicht dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden. Der positive Anschluß 44 dieser
Spannungsquelle ist mit dem Tiegel 12 verbunden, so daß, ein Lichtbogen 45 zwischen
dem unteren Ende der Elektrode'30 und dem Boden des Tiegels 12 gezündet wird, auf
dem der Robblock 26
ausgebildet wird. Durch die erfolgende Wärmeerzeugung
wird
das Ende der Elektrode fortlaufend abgeschmolzen, wodurch sieh die Schmelze 28 ergibt.
Während des Schmelzvorgangs wird die Elektrode 30
mit Hilfe des Motors 40
und des Antriebs 36 nach unten verschoben, um die gewünschte Llinge der Lichtbogenstrecke
aufrechtzuerhalten.
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Wie bereits erwähnt wurde, war es bisher üblich, zur Regulierung des
gewünschten Elektrodenabstands die Elektrode 30 in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung
zu verstellen, die zwischen der Elektrode 30 und dem Rohblock 26 liegt.
Diese Steuereinrichtung ist schematisch in F i g. 1 dargestellt. Sie weist
eine Steuerschaltung 46 für die Lichtbogenspannung auf, die über Leitungen 48 und
50 mit der Elektrode 30 bzw. dem Tiegel 12 verbunden ist. In der Schaltung
46 wird die Lichtbogenspannung mit einer Bezugsspannung der Spannungsquelle
52 verglichen. Wenn der Schalter 54 geschlossen ist, wird die Spannungsdiflerenz
der Steuerschaltung 56 des Motors zugeführt, um die Elektrode 30 zu
heben oder zu senken. Wenn die Lichtbogenspannung abfällt, wird die Lichtbogenstrecke
theoretisch verkleinert. Deshalb führt die Schaltung 46 der Steuerschaltung
56 des Motors eine Spannung zu, damit der Motor 40 die Elektrode
30 anhebt. Wenn die Lichtbogenspannung ansteigt, vergrößert sich die Spaltlänge
theoretisch. In diesem Falle gibt die Schaltung 46 ein Signal an die Steuerschaltung
36 des Motors ab, damit der Motor 40 die Elektrode 30 senkt.
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Wie bereits erläutert wurde, weist die beschriebene Einrichtung zur
Einregulierung der Spaltlänge in Ab-
hängigkeit von der Lichtbogenspannung
gewisse Nachteile auf, da sich die Lichtbogenspannung mit der Spaltlänge in dem
Bereich der normalerweise vorhandenen Spaltlängen nur wenig ändert. Ferner ist der
Spannungsabfall entlang dem Lichtbogen nicht konstant. Dies ist beispielsweise aus
der graphischen Darstellung der F i g. 2 ersichtlich, wo die Lichtbogenspannung
(in Volt) in Abhängigkeit von der Spaltlänge (Elektrodenabstand) in Einheiten von
2,54 cm aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, daß sich innerhalb eines Bereichs der
Spaltlänge von etwa 5 cm die Bogenspannung nur um etwa 2 Volt ändert. Deshalb
ist es sehr schwierig, Änderungen der Bogenspannung in Abhängigkeit von der Lage
der Elektrode nachzuweisen. Ferner kann sich die Lichtbogenspannung nicht nur in
Abhängigkeit von der Lichtbogenstrecke, sondern auch in Abhängigkeit von dem Druck
in der Kammer 18 ändern. Deshalb kann die Spannungscharakteristik des Lichtbogens
bei einer gegebenen Spaltlänge so verlaufen, wie durch die ausgezogene Kurve
A in F i g. 2 für einen bestimmten Druck dargestellt ist, während
sie entsprechend der gestrichelten Kurve B bei einem anderen Druck verläuft. In
praktischen Fällen ändert sieh der Druck in der Kammer 18 andauernd, insbesondere
in dem Bereich des Lichtbogens selbst, weil unter anderem Gase während des Schmelzvorgangs
freigesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß bisher keine für
die Praxis geeignete Einrichtung zur Druckmessung in dem Bereich des Lichtbogens
bekannt ist, weshalb der Druck nicht zu der Spannung in eine geeignete Beziehung
gesetzt werden kann. Es ist ferner ersichtlich, daß der Druck in der Kammer
18 und damit die Lichtbogenspannung bei vorgegebener Spaltlänge nicht konstant
ist. Ein weiterer Nachteil dieser Lichtbogenspannungs-Steuereinrichtung ergibt sich
dadurch, daß der Spannungsabfall über den Kontaktstellen der' Leiter48 und
50 in gewissen Fällen nicht konstant ist. Dies ist beispielsweise beim Erhitzen
der Kontakte der Fall.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist in F i g. 1
durch die
Blöcke 58 und 60 angedeutet. Auch in diesem Falle wird die Lichtbogenspannung
nachgewiesen. Jedoch wird sie durch ein Siebfilter 58 geleitet, um die Welligkeit
der den Anschlüssen 42 und 44 zugeführten Gleichspannung zu beseitigen. Bekanntlich
ist ein Gleichstrom, der dicht durch eine Batterie oder eine andere chemische Stromquelle
erzeugt wird, nicht absolut konstant, sondern besitzt eine gewisse Welligkeit, die
entweder durch die verwendeten Gleichrichter zum Gleichrichten einer Wechselspannung
oder durch einen Kommutator in einem Gleichspannungsgenerator bewirkt wird.. Die
zwischen den Leitern 48 und 50 auftretende Lichtbogenspannung ist in F i
g. 3 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß eine beträchtliche Welligkeit
mit einer Frequenz von etwa 360 Hz und einer Scheitel-' spannung von etwa
1 bis 5 Volt über und unter der Gleichspannung von 24 Volt auftreten
kann. Gemäß der Erfindung wird die in F i g. 3 dargestellte Gleichspannung
durch das Siebfilter 58 geleitet, welches deren Welligkeit beseitigt. Für
die meisten Verwendungszwecke kann das Siebfilter 58 so ausgebildet werden,
daß nur diejenigen wiederauftretenden Spannungsschwankungen mit einer Frequenz mit
weniger als 30 Hz hindurchgelassen werden. Die 30 Hz sind jedoch nur
als Beispiel aufzufassen, da durch das Siebfilter lediglich die Welligkeit der Gleichspannung
beseiti-t werden muß.
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An sich wäre anzunehmen, daß nach dem Durchtritt durch das Siebfilter
58, durch das die Welligkeit der Gleichspannung beseitigt werden soll, eine
praktisch konstante Gleichspannung erhalten wird. Das Siebfilter 58 gibt
jedoch eine Gleichspannung ab, die in F i g. 4 dargestellt ist. Daraus ist
ersichtlich ' daß der Gleichspannung positive Gleichspannungsdiskontinuitäten
62 überlagert sind, von denen jede etwa 4.0 Millisekunden andaueri. Diese
Spannungsimpulse 62 treten in Gruppen auf, weshalb die obige Bezeichnung
Impulsspannung gewählt wurde. Der genaue Grund für das Auftreten der Spannungsdiskontinuitäten
ist nicht bekannt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde jedoch erkannt, daß derartige
Spannungsschwankungen tatsächlich auftreten und zur Steuerung der Lage der Elektrode
30 Verwendung finden können.
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Wie aus F i g. 1 ferner ersichtlich ist, wird das F i
g. 4 entsprechende Ausgangssignal des Siebfilters 58 der zum Nachweis
der Impulsspannung dienenden Steuerschaltung 60 zugeführt, die ein Ausgangssignal
auf der Leitung 64 erzeugt, das von der Impulsspannung abhängig ist. Wenn der Schalter
66
geschlossen ist, wird dieses Signal der Steuerschaltung 56 des Motors
40 zugeführt, um die Lage der Elektrode 30 zu steuern. Es ist zu bemerken,
daß zu jeder Zeit nur einer der Schalter 54 oder 66 geschlossen ist. Da jedoch
die Spannungsdiskontinuitäten auftreten, wenn die Lichtbogenspannung innerhalb eines
gewissen Bereichs entsprechend der Spaltlänge liegt, muß der Schalter 54 geschlossen
sein und emie Steuerung durch die Lichtbogenspannung erfolgen, wenn die Spaltlänge
außerhalb dieses Bereichs liegt. Eine spezielle Anordnung zum automatischen Umschalten
einer Steuerung durch Spannungsdiskontinuitäten
auf eine Steuerung
durch die Lichtbogen-#pannung, wodurch eine Anpagsung än dich ändernde Beitriebsbedingungen
und Licht:b#genstreckeri #rfo'lgen kann, soll später in Verbi#dÜng mit F i
g. 11
beschrieben werden.
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Die zum Nachweis der Spanliüügsdiskoniinuitäien dienende Steuerschältung
60 zählt oder integriert' vorzugsweise die Impulse 62 des in F i
g. 4 dargestellten Signals. Wie bereits erwähnt wurde, bestehen jädoch auch
andere Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Impulsbreite der Impulse
62 oder die Anstiegszeit, der Impulse gemessen werden, mit weichen Meßgrößen
eine geeignete Regelung' dürchgeführt werden kann.
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Aus F i. g. 5 ist der Einfluß der Ünpulssieüerung auf den Druck
in der Xanimer 18 'ersichtlich. Zwischen den Stellen 69 und
70 wÜrde die Läge der Elektrode 30 in Abhängigkeit von dem linpulsgehalt
entsprechend F i g. 4 gesteuert. Aus der DaZstellung ist ersichtlich, daß
m- diesem Bereich zwisc"-he-Ü den Stellen 68 und 70 weit gefingere
Driuckänderimgen als außerhalb dieses Bereichs auftreten, wenn, eine Stäuerung durch
die Lichtbogenspannung erfolgt. Daraus geht hervor, daß bei einer Impulsstäuerung
die Freisetzung von Gasen viel gleichmäßlier als im Fälle einer Steuerung durch
die Lichtbogenspannung erfolgt, was zumindest teilweise dazu beiträgt, daß bei einer
Impülssieuärun'g gemäß dei Eifindung die .
Schmelzgeschwindigkeit konstant
und beii vorgegebener Eingangsleistung vergrößert ist.
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Aus Fi ' g.6A ist ersichtlich, daß oberhalb einer durch die
Linie 72 definierten Lichtbogenistrecke oder Spaltlänge die Spannungsimpulse
62 nicht auftreten. Unterhalb der Spaltlänge 72 treten jedoch die
Impulse in dem Spannungsgefälle auf, -wobei die Größe der Impulse mit dem Abfall
der Spannung ansteigt. Durch Integration des in F i g. 6 dargestell-Len Impulsgehalts
ergibt sich das in F i g. 6 B dargestellte Integral f V
d t, dessen Wert mit abfallender Größe der Lichtbogenspannung ansteigt.
Diese abgeleitete Größe kann zur Steuerung der Lage der Elektrode 30 relativ
zu der Schmelze 28 verwendet werden. Wie in F i g. 6 C dargestellt
ist, können die integrierten Impulse ferner zu einer schalenförmigen Kurve 74 führen,
wenn sie mit der tatsächlichen Lichtbogenspannung überlagert werden. Wenn eine durch
die Linie 76 in F i g. 6 C gekennzeichnete Lichtbogenspannung ausgewählt
wird, sind zwei Gleichgewichtsbedingungen entsprechend den Punkten 78 und
80 möglich. Wenn zufälligerweise der Punkt 78 zuerst erreicht wird,
ist das System stabil und führt die Elektrode in geeigneter Weise nach unten. Wenn
jedoch der Punkt 80 auf der Kurve 74 zuerst erreicht wird, ist das System
instabil, da der Anstieg der Spannungskurve umgekehrt ist. Wenn eine durch die Linie
82 gekennzeichnete Lichtbogenspannung gewünschter Größe ausgewählt wird,
erreicht das System keinen Gleichgewichtszustand, so daß eine periodische Verschiebung
oder ein Kurzschluß auftreten kann.
-
In F i g. 7 ist ein Steuersystem dargestellt, bei dem F i
g. 1 entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In diesem Fälle wird das Ausgangssignal des Siebfilters 58 einem Zähler 84
zugeführt, welcher der Steuerschaltung 56 für den Motor ein Signal zum Absenken,
der Elektrode 30 Zuführt, wenn die von dem Zähler 84 gezählten Impulse während
em*:er- bestimmten Zeitspanne eine gewisse Anzahl unterschreiten. Wenn, die.,Lichtbogenspannung
zwischen ..der Elektrode,-30 --und der Schl:6e'lz'e 28 außerhalb der Sp!#4p#ingsgrenzen
liegt, z,#is,chen denen die TinpAlse auftreten, betäti eine it -Spannungsnachweisschaltung
8#, ein gelais 88, das die Kontakte 90 , öffnet und die Kontakte
92 schließt; wodurch die Steuerfunktion durch, die Lichtbogenspannung Ünd
Dicht duie.h. -die I»m-.ip#-4#se ausgeübt , wird. Deshalb erfolgt eine Steuerung
durch Impulse inner-, halb der erwähnten Spannungsg#enzen, während sonst eine Steuerung
durch die 4i#4#bqgpnspannung erfolgt. Bei gewöhnlichen Betriebsbedingungen ist jedoch
nur ausnahmsweise. eine Lichtbogenspannungssteuerung erforderlich, beispielsweise
wenn ein Kurzschluß auftritt, während die Impulssteuerung in allen anderen Fällen
erfolgt.
-
F i g. 8 zeigt eine andere Steueranord n-ung, bei der
das Ausga nggsignal des Siebfilters 58 einem Integrator 94 zugeführt wird,
dessen Ausgangssignal über Kontakte 96 des Relais 98 der Steuerschaltung
56
für den Motor zugeführt wird. Wenn die Spaltlänge unter einen Betrag fällt,
mit dem die Linie 72 in F i g. 6 A überschritten wird, betätigt. die
Spannungsnachweisschaltung lOÜ- das Relais 98, wodurch die Kontakte
96 geöffnet und die Kontakte 102 geschlossen werden, so daß die Steuerfunktion
durch die Lichtbogenspannung und nicht mehr durch die Impulsspannung ausgeübt wird.
-
F i g. 9 zeigt eine weitere Ateuerei nrichtung gemäß der Erfindung,
bei der die durch die Gleichrichter erzeugte Welligkeit von der Lichtbogenspannung
zwischen' den Leitun«gen' 48 und 50 mit Hilfe einer Siebkette 104 ausgesiebt
wird, die wie die Siebketten 58 in den F i g. 1, 7 und 8 ausgebildet
ist und nur Frequenzen unterhalb etwa 30 Hz durchläßt. Nach dem Durchtritt
durch die Siebkette 104 werden die sich ergebenden Impulse auf zwei Kanäle verteilt.
Der eine Kanal enthält ein Impulsfilter. 106, welches die Impulsspannung
von der gesiebten Lichtbogenspannung beseitigt, so daß die tatsächliche Grundspannung
des Lichtbogens zurückbleibt. -Der andere Kanal enthält einen Impulsintegrator
118, dessen Ausgangsspannung proportional den Spannungsdiskontinuitäten ist.
Diese Spannung wird einem Komparator 110 für den Impulsgehalt zugeführt,
wo sie mit einer Bezugsspannung vorbestimmter Größe von der Spannungsquelle 112
verglichen wird. Ab-
weichungen des Impulsgehalts von der Impulsbezugsspannung
der Quelle 112 werden dazu verwendet, eine Bezugsspannung in der Schaltung 114 einzustellen.
Die Bezugsspannung der Spannungsquelle 112 wird dann mit der Grundspannung des Lichtbogens
vom Siebfilter 106 in einen Vorverstärker 116 verglichen. Abweichungen
der Grundspannung von der Bezugsspannung der Spannungsquelle 112 werden in dem Verstärker
118 verstärkt und dazu verwendet, den Stempel durch die S-chaltung 120 anzutreiben.
-
Eine weitere Steueranordnung ist in F ig. 10 dargestellt.
In diesem Falle wird die durch den Gleichrichter verursachte Welligkeit wiederum
durch eine Siebkette 122 ausgesiebt. Die resultierende Impulsspannung am Ausgang
des Filters 122 wird daim durch ein zweites Siebfilter 124 geleitet, welches den
Impulsgehalt beseitigt *und nur - die tatsächliche Grundspannung des Lichtbogens
zurückläßt; Diese Grundspannung wird dann mit einer Bezugsspannung der
Spannungsquelle 126 in emiem. Vorverstärker vergliihen. irgendwelche
Abweichungen werden
über den Leistungsverstärker 130 der
Antriebsschaltu-iig 13i. für den Sterapel zügeffihrt.
-
F 1 g. 11 zeigt eiii vollständiges Schaltbild mit einer Zähleilitibfitung
gemäß F ig.7. Die zwiscben der Elektrode 30 und dem Tiegel 12 auftretende
Lichtbogefispannung wird über. Leitungen 134 und 136
ein'em Siebfilter
138 zugeführt, welches die Welligkeit entfernt Und nur die Impulsspannung
zurückläßt, weiche die Spannungsdiskontiiiiiitäten der beschriebenen Art umfaßt,
welche mit einer Prequenz unter-halb etwa 30 Hz auftreten. Diese Impuls-spannung
kann über einen Impulsformer 140 und über die Kontakte im folgenden zu beschreibender
Relais zu zwei Zählern 142 und 144 geleitet werden. Der Zähler 1,42 kann beispielsweise
so eingestellt sein, daß er vierzig Impulse zählt, die vierzig Spannungsdiskontinuitäten
des Impulsgemisches repräsentieren. Der Zähler 144 kann so eingestellt sein, daß,
er sechzig Impulse zählt. Wenn die Impulszahl erreicht isi, auf m#elche die Zähler
142 oder 144 eingestellt sind, wird ein Relais 146 bzw. 148 betätigt.
-
Die Leiter 134 und 136, über welche die, Lichtbogenspannung
angelegt wird, sind mit einer Primärwicklung 150 einer ersten Sättigungsdrossel
152
sowie mit einer Primärwicklung 154 >einer zweiten Sättigungsdrossel
156 verbunden. Um die Sättigungsdrossel 152 ist ferner eine Vorspannungswicklung
gewickelt, deren Eingangsanschlüsse 160 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle
zur Erzeugung einer Vorspannung verbunden werden können.. In entsprechender Weise
ist eine Vorspannungswickliing 162 um die Sättigungsdrossel 156 gewickelt,
die über Anschlüsse 164 mit einer nicht dargestellten Vorspannungsquelle verbunden
werden kann. Die Wicklungen 150 und 158 sind so geschaltet, und die
den Anschlüssen 160 zugeführte Vorspannung wird _so ausgewählt, daß diese
einer der Wicklung 150 zugeführtein Spannung entgegengesetzt gerichtet ist.
Die den Anschlüssen 164 zugeführte Spannung ist ebenfalls der der Wicklung 154 zugeführten
Spannung entgegengesetzt gerichtet. Ferner wird die den Eingangsanschlüssen
160 zugeführte Spannung so ausgewählt, daß der Kein 152 umgeschaltet
wird, wenn die Spannung über der Eingangswicklung 150 (also der Lichtbogenspannung)
unter den minimalen Wert fällt, bei dem eine Impulssteuerung verwandt werden kann.
In etwa entsprechender Weise wird eine solche Spannung den Anschlüssen 164 zugeführt,
daß der Kein 156 umschaltet, wenn die Lichtbogenspannung denjenigen Wert
überschreitet, bei dem die Impulsbildung auftritt, welche Spannung durch die Linie
72 in F i g. 6 A gekennzeichnet ist. Wenn also die Lichtbogenspannung
unter den vorherbestimmten Wert fällt, bei dem eine Impulssteuerung Verwendung finden
kann, wird eine Spannung in der Ausgangswicklung 166 des Kerns
152 zur Betätigung des Relais 168 induziert, wodurch die Kontakte
168A
geschlossen werden. Wenn die Spannung über die maximale Spannung steigt,
bei der eine Impulssteuerung Verwendung finden kann, wird in der Ausgangswicklung
170 der Sättigungsdrossel 156 eine Spannung induziert, durch welche
das Relais 172 erregt und dessen normalerweise offene Kontakte
172 A
geschlossen werden.
-
Wenn die Kontakte 169A geschlossen werden, wird ein Verzögerungstaktgeber
174 betätigt. Der Verzögerungstaktgeber 174 sowie die anderen im folgenden noch
erwähnten Einrichtungen -zur Taktsteuerung schließen zwei Kontakte 174A nach
einer vorherbestimmten Zeitspanne, welche auf das Schließen der Kontakte
168A folgt. Wenn jedoch die Kontakte 168 A. während dieser vorherbestimmten
Zeitspanne, auf die der Taktg-eber 174 eingestellt ist, nicht geschlossen sind,
stellt sich der Taktgeber 174 automatisch selbst zurück, um einen Zählvorgang während
einer vollen Zeitspanne ohne ein Schließen der Kontakte 174 A zu beginnen. Wenn
eine Unterspannung auftritt und das Relais 168 betätigt wirid, um die Kontakte
168 A zu schließen, und wenn diese Kontakte während einer ausreichenden Zeitspanne
geschlossen sind, um das Schließen der Kontakte 174A des Taktgebers 174 zu bewirken,
wird das Relais 176 erregt, so daß die Kontakte 176A und
176C schließen, während sich die Kontakte 176B
öffnen. Wenn sich die
Kontakte 176A schließen, wird ein LO-Taktgeber 178 erregt, so daß
der Zeitgeber 178 ebenfalls seine Kontakte 178A schließt, wodurch
das Relais 190 erregt wird, falls die Kontakte 176A während einer
vorherbestimmten Zeitspanne geschlossen sind. Deshalb wird das Relais
180 beim Auftreten einer Unterspannurig nur nach der Beendigung der Zeitverzögerungen,
betäiig-t'. welche durch die Taktgeber 174 und 178 bewirkt werden, und bleibt
iiÜi so lange erregt, wie die Unterspannung andauert., Wenn also der Zustahd mit
einer Unterspannung aufhört, öffnen. sich die Kontakte 168A, 174A,
176A und 17$A und unterbrechen die Schaltung zu dem Relais
180.
-
Wenn die Kontakte 112A geschlossen sind, erregen die Sättigungsdrossel
156 und das ihr zugeordnete Relais 172 einen Taktgeber 182,
so daß dieser seine Kontakte 1824 -nach einer Zeitspanne schließt, welche
durch die Zeitverzögerung des Taktgebers 182
bestimmt ist. Wenn sich die Kontakte
182 A schließen, wird ein Relais 194 über die vorher geschlossenen Kontakte
172A erregt. Daraus ist ersichtlich, daß das Relais 180 beim Auftreten
einer Unterspannung erregt wirid, aber nur wenn dieser Zustand mit einer Unterspannung
während einer vorherbestimmten Zeitspanne andauert, welche durch die Taktgeber 174
und 178 bestimmt ist. In entsprechender Weise wird beim Auftreten einer überspannung
das Relais 184 nur nach einer vorherbestimmten Zeitspanne erregt, welche durch die
Zeitverzögerung des Taktgebers 182 bestimmt ist. Es ist. ersichtlich, daß
die Relais 180 und 184 zum Abschalten des Antriebssystems für die Elektrode
30 von der Impulssteuereinrichtung Verwendung finden und eine Lichtbogensteuerung
bewirken. Dies tritt jedoch ' nicht auf, wenn keine Unterspannung oder überspannung
während einer gewissen Zeitspanne vorhanden ist, wie oben erläutert wurde.
-
Das Relais 18Ö ist mit zwei normalerweise geschlossenen Kontakten
180A versehen, während das Relais 184 zwei Näre von normalerweise geschlossenen
Kontakten 184A und 184B aufweist. Die Köntakte 180A und 184A sind in der
Erregerschältung eines Relais 186 vorgesehen, welches Relais zwei normalerweise
geschlossene Kontakte 186A in der Schaltung aufweist, welche das Lichtbogensteuersystem
46 mit der Steuerschaltung 56 für den Motor verbindet. Wenn die Kontakte
186A geschlossen sind, arbeitet das System mit Lichtbogenspannungssteuerung.
Wenn das Reläis 186 erregt ist - und die Kontakte 186A offeii sind,
erfolgt dagegen eine Impulssteuerung.
- In der Erregerschaltung
für das Relais 186 sind ebenfalls die normalerweise offenen Kontakte
188A
eines Relais 188, die normalerweise geschlossenen Kontakte
190A eines Relais 1190 und ein manuell betätigbarer Schalter 192 vorgesehen.
Die Relais 188
und 190 sind mit einer nicht dargestellten automatischen
Programmiereinrichtung verbunden, durch die das Relais 188 am-Anfang eines'Schmelzvorgangs
erregt werden kann und durch die das Relais 190 am Ende des Schmelzvorgangs
erregt werden kann. Wenn der Schalter 192 von Hand geschlossen wurde, ist
das Relais 188 erregt, um die Schaltung zum Relais 186 zu schließen,
falls die Kontakte 1SOA, 184A nicht offen sind. Wahlweise kann das Relais
186 erregt werden, wenn die Kontakte 180A und 184A durch Schließen
des -manuell betätigbaren Schalters 194 geschlossen sind, welcher zu dem Schalter
192 und den Kontakten 188A und 190A
parallel geschaltet ist.
In jedem Fall wird das Relais 186 erregt, falls weder der einer Überspannung
oder einer Unterspannung entsprechende Zustand vorliegt.
-
Beim Beginn des Schmelzvorganges ist die Elektrode 30 in Kontakt
mit dem Boden des Tiegels 12 oder darin befindlichem. Ausgangsmaterial, wobei die
Lichtbogenspannung sehr niedrig ist, so daß das Relais 180 erregt und seine
Kontakte 180 A geöffnet werden. Deshalb wird in diesem Augenblick das Relais
186 abgeschaltet. Die Kontakte 186A werden keschlossen, wonach das
übliche in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung arbeitende Steuersystem 46 eine
Bewegung der Elektrode 30 nach oben verursacht.
-
Nachdem der Spannungsabfall entlang des Lichtbogens den Betrag erreicht
hat, bei dem das Relais 168 erregt wird, wird das Relais 180 abgeschaltet,
um die Kontakte 180A zu schließen, wodurch das Relais 186 zum öffnen
der Kontakte 186A erregt wird. In diesem Zeitpunkt ist das Lichtbogenspannungssteuersystem
46 - nicht mehr mit der Steuerschaltung 56 für den Motor verbunden.
Es erfolgt eine Impulssteuerung durch das System gemäß der Erfindung.
-
Sobald sich die Kontakte 180A schließen und die Impulssteuerung
des Systems beginnt, wird ein Zählertaktgeber196 über die normalerweise geschlossenen
Kontakte 198 A des Relais 198 und die normalerweise geschlossenen
Kontakte176B eines Relais 176 erregt, welches nun auf Grund der Tatsache
abgeschaltet ist, daß die Lichtbogenspannung ihre vorherbestimmte untere Grenzspannung
überschritten hat, bei welcher die hnpulssteuerung stattfindet. Gleichzeitig mit
der Erregung des Zählers 196 wird ein Relais 200 über Kontakte
198 A und 176 B . ebenfalls erregt. Eine Erregung des Relais
200 bewirkt das Schließen dessen normalerweise offenen Kontakte 200A. Falls die
Kontakte 198B des Relais 198
nicht auf Grund einer Erregung des Relais
198
offen sind, werden Impulse von dem Impulsformer 140 den Zählern 142 und
144 zugeführt, wonach jeder der Zähler seinen Zählvorgang beginnt. -
Nach
der Beendigung der Zählzeit des Zählers 196 schließen dessen normalerweise
offenen Kontakte 196A, wodurcb# das Relais 202 erregt wird, welches seine
normalerweise offenen Kontakte 202A und 202B schließt. Durch das Schließen
der Kontakte 202A wird ein Relais 204 über normalerweise geschlossene Kontakte
206A eines Relais 206 und normalerweise geschlossene Kontakte 146A
des Relais 146 am Ausgang des Zählers 142 erregt. Das Relais 204 bleibt erregt,
u > m seine normalerweise offenen Kontakte 204A geschlossen zu halten, bis
das Relais 206 oder das Relais 146 erregt wird, nachdem der Zähler 142 eine
Anzahl von Impulsen in dem Impulssignal gezählt hat, die gleich dem vorher eingestellten
Zählbetrag des Zählers 142 ist.
-
Wenn die Kontakte 196A sich schließen, wird das Relais 202
erregt, so daß es seine Kontakte 202 A
und 202B schließt. Die Kontakte
202A ergeben einen Haltekreis für das Relais 202.
-
Sobald also die Kontakte 2Ö2A geschlossen sind, bleibt das Relais
202 erregt, bis sich die Kontakte 206A öffnen, und zwar unabhängig von dem
Zustand der Kontakte 196 A. Wenn sich die Kontakte 202B schließen, wird'ein
erster Steuertaktgeber 208
erregt. Nach einer vorherbestimmten Zeitspanne
schließt der erste Steuertaktgeber seine Kontakte 208A, wodurch das Relais
206 zum Öffnen' der Kontakte 206A erregt wird, so daß die Schaltung
zum Relais 202 unterbrochen wird. Wenn das Relais 206 erregt ist, schließt
es auch die Kontakte 206B zur Erregung des Relais 210. Danach schließen die Kontakte
210A zur Rückstellung der Zähler 142. und 144.
-
Wenn sich die Kontakte 204A des Relais 204 schließen, wird das Relais
212 erregt, welches die Kontakte 212A in der Steuerschaltung 56 für
den Motor schließt, um emie Abwärtsbewegung der Elektrode 30 zu veranlassen.
Eine Abwärtsbewegung der Elektrode dauert an, bis die Schaltung zum Relais 204 unterbrochen
wird und s:ich die Kontakte 204A öffnen. Das Relais 212 kann ebenfalls über die
Kontakte 214A des Relais 214 und über die Normalerweise offenen Kontakte
216A eines zweiten Steuertaktgebers 216 erregt werden. Das Relais
214 kann über normalerweise offene Kontakte 196A des Zählertaktgebers
196, über normalerweise offene Kontakte 146B des Relais 146 und über normalerweise
geschlossene Kontakte 148 A eines Relais 148 erregt werden. Wahlweise
kann das Relais 214 über Kontakte 202A, 206A, 146B und 148A erregt werden.
Es ist ersichtlich, daß das Relais 214 nur dann erregt werden kann, wenn das Relais
146 erregt und das Relais 148 abgeschaltet ist. Dies ist der Fall, wenn die Zahl
der Impulse des gemäß der Erfmdung ausgenutzten Gehalts an Impulsen mindestens gleich
der Zahl ist, die durch den Zähler 142 gezählt wird, und kleiner als diejenige,
die durch den Zähler 144 gezählt wird.
-
Wenn das Relais 214 erregt wird, ist der zweite Steuertaktgeber
216 ebenfalls erregt. Nach einer vorherbestimmten Zeitspanne öffnet er seine
Kontakte 216A, um die Schaltung zum Relais 212 zu unterbrechen. Wenn also
das Relais 212 durch Schließen der Kontakte 214A erregt ist, bleibt es während einer
Zeitspanne erregt, welche durch den Steuertaktgeber 216 bestimmt ist.
-
Wenn eine sehr hohe Anzahl von Impulsen des Impulsgehalts von den
Zählern 142 und 144 gezählt wird, befindet sich die Elektrode 30 zu nahe
an dem darunter befindlichen Schmelzbad. Wie bereits oben erwähnt wurde, steigt
also der Zählbetrag des Impulsgehalts mit sinkender Spaltlänge für den Lichtbogen
an. Unter diesen Bedingungen wird das Relais 158 zum Öffnen seiner Kontakte
148 A erregt, wodurch eine Erregung des Relais 214 und auch eine. Erregung
des Relais 212 verhindert wird, so daß die
Elektrode
30 nach unten verschoben würde. Unter diesen Bedingungen ist in ähnlicher
Weise das Relais 146 zum Öffnen der Kontakte 146A erregt und verhindert eine Erregung
des Relais 204. Wenn das Relais 148 erregt ist, schließt es jedoch seine normalerweise
offenen Kontakte 148B. Falls die Kontakte 148B be#im Fehlen eines Überspannungszustands
des Lichtbogens geschlossen sind, wird das Relais 218 zum Schließen seiner
Kontakte 218 A erregt, so daß die Elektrode nach oben bewegt wird.
Diese Wirkung dauert an, bis die Kontakte 184B gegeöffnet werden. Wie bereits erläutert
wurde, wird das Relais 184 erregt, wenn die wünschenswerte maximale Lichtbogenspannung
erreicht ist. Deshalb bewegt sich die Elektrode 30 nur so lange nach oben,
bis die optimale Spaltlänge erreicht ist. Danach wirkt sich die Impulssteuerung
wiederum aus.
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Beim Betrieb der Einrichtung sind die Kontakte 180A und 184A
geschlossen, falls die Lichtbogenspannung innerhalb der Grenzen liegt, zwischen
denen eine Impulssteuerung erfolgen kann. Dadurch erfolgt eine Erregung des Relais
186, wodurch die Kontakte 186A geöffnet und die Schaltung zwischen
dem Lichtbogensteuersystem 46 und der Steuerschaltung 56 für den Motor unterbrochen
wird. Wenn zu irgendeiner Zeit die Lichtbogenspannung über den maximal zulässigen
Wert steigen oder unter den minimal zulässigen Wert sinken sollte, wird das Relais
186 zum Schließen der Kontakte 186A abgeschaltet, wodurch das Lichtbogensteuersystem
46 mit der Steuerschaltung 56 für den Motor verbunden wird. Gleichzeitig
schließen die Kontakte 186 B,
wodurch das Relais 210 erregt und jeder
der Zähler 142 und 144 zurückgestellt wird.
-
Wenn die Impulssteuerung wirksam wird, wird der Zählertaktgeber
196 erregt. Gleichzeitig wird das Relais 200 erregt, um seine Kontakte
200A zu schließen, wodurch Impulse von dem Impulsformer 140 dem Zähler 142
und 144 zugeführt werden. Der Taktgeber 196 bestimmt die Zeitspanne, während
der durch die Zähler 142 und 144 vor der Rückstellung Impulse gezählt werden. Diese
Zeitspanne hängt von gewissen Variablen ab, von denen eine der Durchmesser der Elektrode
ist. Bei größerem Durchmesser der Elektrode ist die Verteilung der Impulse weniger
konstant, was bedeutet, daß die Zeitspanne des Taktgebers 196 vergrößert
werden soll, wenn der Durchmesser größer ist (und umgekehrt), damit sich ein statistisch
bestimmtes System ergibt. Es soll angenommen werden, daß der Zähler 142 vierzig
Impulse Zählt, bevor das Relais 146 erregt wird, und daß der Zähler 144 sechzig
Impulse zählt, bevor das Relais 148 erregt wird. Es soll angenommen werden, daß
während der Zählperiode des Zählertaktgebers 196 von dem Zähler 142 und 144
keine vierzig Impulse empfangen werden, so daß weder das Relais 146 noch das Relais
148 erregt wird. Unter diesen Bedingungen ist die Impulsrate des Inipulsgehalts
sehr niedrig, weshalb die Elektrode 30 nach unten durch einen optimalen Betrag
bewegt werden sollte. Bei Beendigung der Zählzeit des Taktgebers 196 mit
weniger als vierzig gezählten Impulsen schließen die Kontakte 196 A und erregen
das Relais 202. Wenn die Kontakte 202B schließen, wird der eine Steuertaktgeber
208 erregt. Da das Relais 146 nun erregt und die Kontakte 146A geschlossen
sind, wird gleichzeitig das Relais 204 erregt und schließt seine Kontakte 204 A,
wodurch dasRelais 212 erregt wird. Dadurch werden die Kontakte 212 A geschlossen,
so daß sich die Elektrode 30 nach unten bewegen muß. Die Abwärtsbewegung
der Elektrode 30 dauert an, bis sich die Kontakte 206A öffnen. Dies
ist bei Beendigung der Zeitspanne des Steuertaktgebers 208
der Fall, wenn
sich die Kontakte 208 schließen. Wenn also weniger als vierzig Impulse gezählt
wurden, wird die Elektrode 30 nach unten um einen optimalen Betrag verschoben,
der durch das Zeitintervall des einen Steuertaktgebers 208 bestimmt ist.
-
Es soll nun angenommen werden, daß mehr als vierzig Impulse und weniger
als sechzig Impulse gezählt wurden. Unter diesen Bedingungen wird das Relais 146
erregt, öffnet die Kontakte 146A und schließt die Kontakte 146B, während das Relais
148 abgeschaltet bleibt. Wenn die Kontakte 146A nun offen sind, kann das Relais
204 nicht erregt werden. Das Relais 214 wird jedoch erregt, weil bei Abschaltung
des Relais 148 die Kontakte 148 A geschlossen werden. Wenn das Relais 214
erregt wird, schließen sich die Kontakte 214A, wodurch das Relais 212 erregt wird,
die Kontakte 212 A schließt und wieder die Elektrode 30 nach unten
antreibt. Diese Wirkung dauert an, bis sich die Kontakte 216 A des anderen
Steuertaktgebers 216 öffnen. Der Taktgeber 216 wird zu der gleichen
Zeit erregt, zu der das Relais 214 erregt wird. Deshalb bleibt das Relais 212 während
einer Zeitspanne erregt, welche durch den anderen Taktgeber 216 bestimmt
ist. Diese Zeitspanne ist kleiner als die Periode des einen Taktgebers
208.
-
Wenn mehr als sechzig Impulse von den Zählern 142 und 144 gezählt
werden, werden beide Relais 146 und 148 erregt. Dies bedeutet, daß sich die Elektrode
30 zu sehr in der Nähe des Schmelzbads, darunter oder in dem gewünschten
Abstand befindet. Wenn die Relais 146 und 148 beide erregt sind, wird nun eine Schaltung
zum Relais 218 über Kontakte 146B und 148B geschlossen. Das Relais
218
bleibt, wie oben beschrieben, erregt, bis die Kontakte 148B sich bei dem
Entstehen der optimalen Lichtbogenspannung öffnen, wonach die Impulssteuerung wiederum
wirksam wird.
-
Die Steuerfolge kann zusammenfassend in folgender Weise beschrieben
werden: 1. Zustand der Unterspannung: Das Relais 168
wird erregt. Nach
einer durch die Taktgeber 174 und 178 bestimmten Zeitspanne wird das, Relais
180 erregt, um das Relais 186 abzuschalten und die Kontakte
186A zu schließen. Deshalb spricht das System nun auf Signale von dem Lichtbogenspannungssteuersystem
46 an.
-
2. Zustand mit überspannung: Das Relais 172
wird erregt. Nach
einer durch den Taktgeber 182 bestimmten Zeitspanne schließen sich die Kontakte
182A, erregen das Relais 184 und öffnen die Kontakte 184A, wodurch wiederum
das Relais 186 abgeschaltet und die Kontakte 186A geschlossen werden,
so daß die Steuerschaltung 56 für den Motor wieder auf Signale von dem Lichtbogenspannungssteuersystem
46 anspricht.
-
3. Falls Zustände einer überspannung oder Unterspannung nicht
vorliegen, ist das Relais 186
abgeschaltet, so daß das System mit einer Impulssteuerung
arbeitet.
4. Impulssteuerung; -wobei der Zählbetrag geringer als
40 während. derPeriode des Zählertaktgebers 1-96 ist, wobei also die Elektr
" ode 30 um einen optimalen Voreinstellungsbetrag gesenkt werden soll:
Die Relais 146 und 148 bleiben abgeschaltet, und das Relais 212 wird während der-Periode
des Taktgebers 208 erregt, um die Elektrode 30 während der Periode
des Taktgeb ers 208 zu senken. 5. Impulssteuerung, wobei der
Zählbetrag größer als 40 und kleiner als 60 ist:- Das Relais 146 wird tet
und erregt, das Relais während 212 das während Relais der 148 Periode abgeschal-
des Taktgebers 216 erregt ist, welche Periode ]deiner als diejenige des Taktgebers
208 ist, um die Elektrode nach- unten zu verschieben, jedoch entlang eines
kürzeren Wegs als in dem Falle, wenn der Zählbetrag weniger als 40 beträgt.
-
6. Impulssteuerung, wenn der Zählbetrag größer als
60 ist, wenn-also die Elektrode sich zu nahe an der Schmelze-befindet:.Die
beiden Relais 146 und 148 werden erregt, um das Relais 218 zu erregen, wodurch
die Elektrode nach oben bewegt wird, bis das Relais 184 erregt wird, eine überspannung
anzuzeigen, wonach die Impulssteuerung wieder wirksam wird. Wahlweise kann jedoch
das Relais 218 ausgeschlossen werden, so daß die Elektrode 30 stationär
bleibt, bis ihr unterer Teil ausreichend geschmolzen ist und sich wieder eine größere
Spaltlänge ergibt.
-
In F i g. 12 ist ein. System dargestellt, das ähnlich demjenigen
in F i g. 11 ausgebildet ist, wobei jedoch Stromdiskontinuitäten. und keine
Spannungsdiskontinuitäten zur Bewirkung der Steuerung verwandt werden. Diejenigen
Elemente in F i g. 12, welche Elementen in Fig.11-entsprechen, sind durch
gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Das System entspricht demjenigen in Fig.
11, wobei jedoch Lichtbogenströme an Stelle von Lichtbogenspannungen ausgesiebt
werden. Dies wird -durch Aussieben des Signals, beispielsweise durch einen Widerstand
220 in der-negativen Eingangsleitung des-Ofens erreicht. Nach einem Aussieben, in
der Schaltung 138 -werden die Stromdiskontinuitäten, die nach den obigen
- Ausfühtungen in negativer Richtung ansteigen, m* deriielben Weise wie die
Spannungsdiskontinuitäten in Fig. 11 ausgenutzt.-- - Z
. Neben.
den erläüterteil speziellen Ausführungsbeispielen sind auch zahlreiche andere Ausführungsbeispiele
entsprechend den vorliegenden Anförderungen oder Gegebenheiten möglich. Beispielsweise
kann. eine größere - Anzahl von Zählern in dem Steuersystern gemäß
' Fig.11 Verwendung finden, um eine emplIndliche#c#Steuerung zu ermöglichen.