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Anlage zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen unter Anwendung
von Abschmelzelektroden.
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Bei diesbezüglichen bekannten Einphasenanlagen für das Umschmelzen
einer oder mehrerer Abschmelzelektroden in einer gekühlten metallischen Kokille
ist ein Ende der Transformator-Sekundärwicklung mittels Schienen und biegsamer Kabel
an eine oder mehrere Abschmelzelektroden, das andere Ende an den Kokillenuntersatz
angeschlossen. Während des Umschmelzens fließt der elektrische Strom durch die Abschmelzelektrode
oder -elektroden, das Schlackenbad, das Metallbad, den Metallblock, die Impfscheibe
und den Kokillenuntersatz.
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Diese Anlagen weisen folgende grundlegende Nachteile auf: Da der Strom
voneinander beträchtlich entfernten Stellen, und zwar der Elektrode und dem Kokillenuntersatz
entweder unmittelbar oder durch die Kokille zugeführt wird, bildet der Stromkreis
eine große Schleife und weist eine schlechte elektrische Kompensation auf. Dadurch
besitzen solche Einphasenanlagen einen hohen induktiven Blindwiderstand und einen
niedrigen Ausnutzungsgrad (cos q") der zugeführten elektrischen Leistung.
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Da außerdem bei den bekannten Anlagen eine elektrische Verbindung
zwischen dem aufgeschmolzenen und dem Kokillenuntersatz besteht, muß eine Impfscheibe
aus Metall einer chemischen Zusammensetzung, die derjenigen der Abschmelzelektrode
nahekommt, auf den Untersatz aufgebracht werden, um diesen gegen das Durchbrennen
oder Abschmelzen zu Beginn des Schmelzens zu sichern. Dies erschwert und verteuert
natürlich das Umschmelzverfahren.
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Schließlich können infolge der Möglichkeit einer zufälligen und unkontrollierbaren
Nebenschlußschaltung eines Stromteils im Kreis Schlackenbad-Kokil-Ieninnenwand-Blockseitenfläche
örtliche Anschweißungen des Blockes an die Kokillenwand auftreten. Nach Losreißen
der Anschweißung infolge der Blockschwindung entsteht eine Bogenentladung und demzufolge
ein Krater an der Seitenfläche des Blockes und makroskopische Fehler im Blockinneren
in Form von Poren, Anhäufungen von Schlackeneinschlüssen und Kristallisationsschichten
von verschiedenem Aufbau.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der aufgezählten
Nachteile. Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine derartige Einphasenanlage
zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen in einer gekühlten Metallkokille
mit von einem Einphasentransformator gespeisten Abschmelzelektroden zu erstellen,
die gegenüber den bekannten ähnlichen Anlagen einen höheren Ausnutzungsgrad der
Elektroenergie, eine Herabsetzung der Umschmelzkosten und eine Güteerhöhung der
hergestellten Metallblöcke gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine derartige Vorrichtung
gelöst, bei der mindestens zwei Elektroden in der Kokille angebracht sind, wobei
zwischen den Elektroden nur die Transformator-Sekundärwicklung zwischengeschaltet
ist. Infolgedessen ist jede Elektrode nur mit einem Wicklungsende der Sekundärspule
des Transformators verbunden. Hierbei ist es zweckmäßig, daß eine gerade Zahl, z.
B. zwei Elektroden in der Kokille angebracht sind. Jeweils die Hälfte der Elektrodenzahl
ist nur an ein Wicklungsende der Sekundärseite des Transformators angeschlossen.
Vorteilhafterweise besitzen die Elektroden gleichen Querschnitt. In der Regel sind
sie in einem Elektrodenhalter mit Greifern und Stromleitern für jede Elektrode eingebaut.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 die Vorderansicht einer Einphasenanlage zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen
von Metallen mit zwei Abschmelzelektroden, zum Teil im Schnitt. F i g. 2 die Seitenansicht
der Anlage, teilweise im Schnitt durch 11-II in F i g. 1, F i g. 3 eine Draufsicht
der Vorrichtung zum Anschließen der Kabel an die Greifer des Elektrodenhalters der
Anlage im Schnitt durch 111-III in F i g. 1, F i g. 4 eine Draufsicht des Elektrodenhalters
der Anlage im Schnitt durch IV-IV in F i g. 1,
F i g. 5 das Stromdurchgangsschema
der Schmelzführung in der Anlage gemäß F i g. 1 bis 4 im senkrechten Schnitt, F
i g. 6 das Schema der Elektrodeneinschaltung und des Stromdurchgangs in einer Anlage
mit vier Abschmelzelektroden im waagerechten Schnitt.
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Die dargestellten Einphasenanlagen zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen
von Metallen enthalten folgende Grundteile: Die Portalsäule 1 (F i g. 1, 2) mit
Führungsleisten 2; die Vorschubeinrichtung für die Abschmelzelektroden 8, bestehend
aus dem Gleitschlitten 3 mit dem Elektrodenhalter 4, der Leitspindel 5, dem Getriebe
6 und dem Gleichstrommotor 7; die gekühlte Kokille 9; den gekühlten Kokillenuntersatz
10, auf dem Fahrgestell 11 für den Block; das Hubwerk für die Kokille
9, bestehend aus dem Gleitschlitten 12 (F i g. 1) auf der Führungssäule 13, der
Leitspindel 14, dem Getriebe 15 und dem Elektromotor 16; dem
Einphasentransformator 17 (F i g. 2) mit den stromführenden Schienen 18 und
den hiegsamen Kabeln 19 (F i g. 3), mit deren Hilfe die Enden der Sekundärwicklung
des Transformators 17 mit den stromzuführenden Platten 20 der die Abschmelzelektroden
8 festklemmenden Greifer 21 des Elektrodenhalters 4 verbunden sind.
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Die Elektroden 8 werden mit Hilfe der Hebel 22
(F i g.
4) unter der Wirkung der an Seilen 24 über Seilscheiben 25 angehängten Gewichte
23 festgeklemmt. Losgelöst werden die Elektroden 8 mit Hilfe von Druckluftzylindern
26 und deren Kolbenstangen 27, die auf die Hebel 22 einwirken. Die Elektrodenhalter
4 können selbstredend auch mit anderen Einrichtungen zum Ein- und Losspannen
der Elektroden, z. B. mit Federantrieb oder Hydraulikeinrichtungen versehen sein.
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Die stromzuführenden Platten 20 der Greifer 2
sind vom
Elektrodenhalter 4 mittels der nichtleitenden Einlagen 28 und die
Anpreßschuhe 29 der Greifer 21 von den Hebeln 22 mittels Einlagen
30 isoliert. Die in dem Elektrodenhalter 4 eingespannten Abschmelzelektroden
8 sind demnach voneinander und von der Anlagemasse elektrisch isoliert.
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Außer den aufgezählten Teilen enthalten die erfindungsgemäßen Anlagen
naturgemäß auch sonstige erforderliche, in der Zeichnung nicht gezeigte Einrichtungen,
wie eine Zu- bzw. Abführeinrichtung für Wasser oder ein anderes Mittel zur Kühlung
der Kokille 9, eine Einrichtung zum Absaugen der in der Kokille 9 während des Schmelzens
entwickelten Gase, weiterhin einen mit Geräten zur Steuerung der genannten Einrichtungen
und des Transformators 17 und zur automatischen Regelung des Abschmelzens der Abschmelzelektroden
8 sowie mit Kontrollmeßaeräten versehenen Schalttisch, ferner einen Dosierapparat
zur Zuführung von Desoxydationsmitteln und anderen Zusätzen zur Kokille 9 während
des Schmelzvorgangs.
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Die erfindungsgemäße Anlage arbeitet folgendermaßen: Bei der Vorbereitung
der Anlage zum Schmelzen wird der das Kokillenhubwerk antreibende Elektromotor 16
eingeschaltet, der über das Getriebe 15 die Leitspindel 14 in der dem Hub des Gleitschlittens
12 mit der Kokille 9 entsprechenden Richtung in Drehung versetzt, um einen freien
Zugang zum Kokillenuntersatz 10 zu ermöglichen.
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Durch Einschalten des das Elektrodenhubwerk antreibenden Elektromotors
7, der über das Getriebe 6 die Leitspindel 5 in der dem Hub des Gleitschlittens
3 entsprechenden Richtung dreht, wird der Elektrodenhalter 4 mit den Elektroden
8 in eine Höhe von 100 bis 200 mm über dem Kokillenuntersatz 10 gebracht.
Auf das letztere wird hierauf unter die untere Stirnfläche der Elektroden
8 eine 20 bis 40 mm dicke Schicht zerkleinerter Schlacke aufgebracht. Dann
werden die Abschmelzelektroden 8 mit Hilfe des Gleitschlittens 3 so lange gesenkt,
bis ihre unteren Stirnflächen auf der Schlackenschicht aufliegen. Zwischen den unteren
Enden der Elektroden 8 wird ein dünner metallischer Steg und ein exothermisches
thermitartiges Gemisch angeordnet. Anschließend wird die Kokille 9 mit Hilfe
des Gleitschlittens 12 auf den Untersatz 10 gestellt und in die Kokille zwischen
den Elektroden 8 und der Kokillenwand zerkleinerte Schlacke eingeschüttet. Sodann
schaltet man den Transformator 17 ein und legt die Spannung an die Abschmelzelektroden
8 an. Dabei verbrennt der dünne metallische Steg zwischen den unteren Elektrodenenden,
und das exothermische Gemisch entzündet sich, wobei eine kleine Menge an geschmolzener
Schlacke gebildet wird. Der elektrische Strom entwickelt während seines Durchflusses
durch diese geschmolzene Schlacke Wärme, mit deren Hilfe allmählich die ganze in
die Kokille 9 eingeschüttete Schlacke schmilzt und die Abschmelzelektroden
8
selbst abzuschmelzen beginnen. Dem Abschmelzvorgang entsprechend werden
die Abschmelzelektroden 8 mit einer Geschwindigkeit in die Kokille 9 gesenkt,
welche einem stabilen Elektro-Schlacken-Umschmelzprozeß entspricht. Diese Senkgeschwindigkeit
der Elektroden 8 wird durch Spannungsänderung an der Erregerwicklung des
Elektromotors 7 geregelt. Der elektrische Strom fließt von einem der Sekundärwicklungsenden
des Transformators 17 der Reihe nach von einer Abschmelzelektrode 8 zur anderen
durch das Schlackenbad 31 (F i g. 5) und teilweise durch das Metallbad 32.
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Nach Auftragschmelzen des Blockes von erforderlicher Höhe wird der
Schmelzvorgang beendet, indem man mit der Elektrodenführung nach unten aufhört,
den Transformator 1.7 ausschaltet, den Gleitschlitten 3 mit dem Elektrodenhalter
4 in die obere Stellung hebt und die Elektrodenreste aus den Greifern 21
des Elektrodenhalters 4 entfernt. Sodann wird die Kokille 9 bis zum vollen Austritt
des Auftragbloekes gehoben und das Fahrgestell 11 mit dem darauf befindlichen Untersatz
10 und dem Block unter der Kokille 9 hervorgerollt.
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Hierauf nimmt man den Block vom Untersatz 10
ab, rollt das Fahrgestell
11 mit dem Untersatz 10
unter die Kokille 9 in die alte Stellung wieder
ein, senkt die Kokille 9 und stellt sie auf den Untersatz 10. Anschließend
werden in die Greifer 21 des Elektrodenhalters 4 die oberen Enden neuer Abschmelzelektroden
8 eingespannt und diese in die Kokille 9
vorgeschoben. Die Anlage ist
damit zum neuen Schmelzen wieder vorbereitet.
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Bei der beschriebenen und in den F i g. 1 bis 5 veranschaulichten
Einphasenanlage sind zwei Abschmelzelektroden 8 verwendet; im allgemeinen können
jedoch mehrere, in zwei zweckmäßig gleichzahlige Gruppen eingeteilte Elektroden
8 benutzt werden, wobei jede dieser Gruppen an eines der Enden der Transformator-Sekundärwicklung
angeschlossen ist (F i g. 6).
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Zur Schaffung eines gleichmäßigen Temperaturfeldes im Schlackenbad
ist die Benutzung einer geraden
Zahl von Abschmelzelektroden zweckmäßig.
Die Anordnung zweier Elektroden ist hierbei die einfachste und sinnvollste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den beschriebenen Anlagen sind beide Abschmelzelektroden 8 oder
beide Gruppen solcher Elektroden 8 in einen Elektrodenhalter 4 eingebaut und werden
demnach mit gleicher Geschwindigkeit vorgeschoben. Außerdem sind beide Abschmelzelektroden
8 oder beide Gruppen solcher Elektroden im elektrischen Stromkreis reihengeschaltet,
wodurch ein konstanter Strom durch die Elektroden fließt. Wenn man deshalb Abschmelzelektroden
aus gleichem metallischem Werkstoff umschmilzt, müssen die Gesamtquerschnitte der
Elektroden jeder der beiden Gruppen gleich sein, um deren gleichmäßiges Abschmelzen
zu sichern. Falls man in der Anlage jedoch Abschmelzelektroden verschiedener metallischer
Zusammensetzung umschmilzt, die verschiedene Schmelzpunkte und Wärmekapazitäten
aufweisen, müssen die Gesamtquerschnitte jeder Elektrodengruppe so gewählt werden,
daß die lineare Schmelzgeschwindigkeit beider Gruppen gleich ist.
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In der erfindungsgemäßen Einphasenanlage können bei entsprechender
Kokillenform Blöcke mit quadratischem, rechteckigem, rundem, ovalem oder anderem
Querschnitt erschmolzen werden. Entsprechend können auch die verwendeten Abschmelzelektroden
einen quadratischen, rechteckigen, runden, ovalen oder beliebigen anderen Querschnitt
aufweisen. Sie können voll oder hohl ausgeführt sein. Beim Umschmelzen zweier Abschmelzelektroden
ist es zweckmäßig, Elektroden mit rechteckigem Querschnitt zur Herstellung quadratischer
Blöcke, Elektroden mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt zur Herstellung
rechteckiger Blöcke, Elektroden mit rundem Querschnitt zur Herstellung ovaler Blöcke,
Elektroden mit Querschnitt in Form eines Segments zur Herstellung runder Blöcke
zu verwenden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird die parallele. und nahe Anordnung
aller Teile des Stromleiters, und zwar der stromführenden Schienen, der biegsamen
Kabel und der Abschmelzelektroden gewährleistet. Der Stromleiter bildet hier keine
Schleife im Vergleich mit bekannten Anlagen zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen. Dies
gewährleistet in der vorliegenden Anlage einen guten elektrischen Stromausgleich,
eine starke Abnahme des induktiven Blindwiderstandes der Anlage und eine wesentliche
Erhöhung des Ausnutzungsgrades (cos gg) der zugeführten elektrischen Leistung.
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In der Anlage gemäß der Erfindung fließt außerdem der elektrische
Strom nicht durch den Kokillenuntersatz; es besteht daher keine Notwendigkeit, eine
metallische Impfscheibe zwischen dem Untersatz und dem Metallblock zu verwenden.
Dadurch wird das Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen wesentlich einfacher
und billiger.
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Auch schließt die erfindungsgemäße Anlage die Möglichkeit der Stromüberbrückung
durch die Kokillenwand zur Seitenfläche des Blockes aus. Im Zusammenhang damit wird
die Gefahr der Bildung von Anschweißungen und Bogenentladungen zwischen der Seitenfläche
des Blockes und der Kokillenwand und damit die Möglichkeit der Bildung von Stellen
im Block mit makroskopischen Fehlern in Form von Poren, Ansammlungen von Schlackeneinschlüssen
und Kristallisationsschichten von verschiedenem Aufbau vollständig beseitigt.
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Beim Elektro-Schlacken-Umschmelzen in der erfindungsgemäßen Anlage
wird es möglich, durch Steigerung des Ausnutzungsgrades der Elektroenergie Transformatoren
kleinerer Leistung zu verwenden. Bei der vorliegenden Anlage ist der spezifische
Verbrauch an Elektroenergie 1,5- bis 2,Omal niedriger als bei vorbekannten Anlagen.
Zudem können durch das Fehlen einer Impfscheibe am Unterteil des Blokkes die Blockfußabfälle
um das Zwei- bis Dreifache verkleinert werden. Die Anlage ist bei der Herstellung
großer, z. B. mehr als 3 t schwerer Blöcke am wirkungsvollsten.