DE1565534A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zusaetzlichen Erwaermen einer Metallschmelze unter Vakuum - Google Patents

Description

Ψ Patentanwalt

Karl-Α, -Broso , ·

Dipl.-Ing.
München -F'ullach 1CCCCO/

WKHiarStr.2.-Tel.Mi^lnch'»n 790570 I 0 O D P -3 H

W/Hs München-Pullach, 6.6.19.66

Case 4o6

Charles f.. flinkl, 2o11 Southpart Avenue, Chioago, Illinois, USA und Herbert S. Philbriok jr,,Chicago, Illinois, USA

Verfahren und Vorrichtung zum zusätzlichen Erwärmen einer Metallaohmelze unter Vakuum

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze unter Vakuum und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zusätzlichen Erwärmen einer Stahlschmelze unter Vakuum.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, durch die das Metall unter Vakuum mittels des elektrischen Lichtbogens erwärmt wird. In der Regel wird bei diesem bekannten Vorgehen eine bei Elektroofen verwendete sich verbrauchende Elektrode benutzt. Hierbei wird eine unter Luftzutritt in herkömmlicher Weise gewonnene Stahlschmelze zu einer Elektrode geformt, und diese wird anschliessend duroh Gleichstrom unter Vakuum wieder eingeschmolzen, um eine Bramme mit sehr hoher Qualität zu erzeugen.

Es ist aber kein gewerbsmässig verwertetes Verfahren oder eine Vorrichtung bekannt, duroh die Wärme mittels eines elektrischer Wechselstrom-Lichtbogens einer nennenswerten Menge einer Schmelze unter Vakuum zugeführt worden ist.

Zahlreiche Überlegungen der Paohwelt beweisen, dass es als unerwünscht angesehen wird, einen Wechselstrom-Lichtbogen zur Anwendung zu bringen, und dies ist möglicherweise auch der Grund,

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warum man bisher die Verwendung von Wechselstrom zu diesem Zweck vermieden hat. Der Wechselstrom ändert bekanntlich ständig seine Polarität und geht etwa sechzigmal pro Sekunde durch die Nullspannung. Bei der Nullspannung geht der elektrische Lichtbogen augenblicklich aus, und man hat geglaubt, dass er nicht wieder zünden würde. Eine genaue Beobachtung hat bestätigt, dass der Lichtbogen tatsächlich ausgeht, aber das erneute Zünden hat sich nicht als ein Problem erwiesen. Darüberhinaus hat man geglaubt, dass eine geringe Spannung bei einem Gleichstrom-Lichtbogen einen stabileren Lichtbogen ergeben würde als er mit vergleichbaren Wechselspannungen erzielt werden könnte.

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die zumindest teilweise dem Temperaturabfall der Schmelze entgegenwirken, indem eine Wechselstromelektrode unter Vakuum Verwendung findet.

Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zumindest teilweisen Verhütung des Temperaturabfalls zu sohaffen, wobei es sich um den Wärmeverlust handelt, der während einer Vakuum-Entgasung eintritt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugte Wärme der Metallschmelze unter Vakuum zuzuführen, wobei eine Regelvorrichtung zur Steuerung des Lichtbogens nicht erforderlich ist.

Ein darüberhinaua gehendes Ziel der Erfindung wird darin gesehen, die durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugte Wärme einer Metallschmelze bei sehr geringen absoluten Drücken zuzuführen, wobei keine Einrichtung zum Halten des Lichtbogens benötigt wird ausser den durch das Entgasungsverfahren ausge-

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aohiedenen Gasen.-.

Ein weiteres Ziel der Erfindung wird in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Zuführen von Wärme zu einer wesentlichen Menge einer Metallschmelze unter Vakuum mittels eineB Wechselstrom-Lichtbogens gesehen.

Ein anderer Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines ausserordentlich stabilen Wechselstrom-Lichtbogens bei der Entgasung zu schaffen, wobei der Lichtbogen gegenüber Längenänderungen von mehr als einem Meter und gegenüber Änderungen seiner Winkellage unempfindlich ist.

Ein anderer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Wärmezuführung mittels eines Wechselstrom-Lichtbogens zu einer Metallschmelze unter Vakuum, wobei der Lichtbogen unempfindlich gegen Turbulenz und Kochen der Schmelze ist und auch verhältnismässig unempfindlich gegen Änderungen der Höhe der Metallschmelze in einem grossen Bereich.

-Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Zuführung von Wärme zu nennenswerten Mengen einer Metallschmelze unter Vakuum, wobei nur eine standardmässige, schnell verfügbare Einrichtung benötigt wird, die niedrigere Unterhaltungskosten erfordert als bei anderen bekannten Verfahren, und die darüberhinaus nicht übermässig kompliziert im Aufbau und in der Wartung ist.

Noch ein weiteres.Ziel der Erfindung wird in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Wärmezuführung für grosse Mengen einer Metallschmelze unter Vakuum gesehen, die nicht geerdei werden muss.

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Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der genannten Art, die das Lokalisieren und Konzentrieren der Wärmezufuhr zu der in unmittelbarer Nähe befindlichen Metallschmelze gestattet, um einen verhältnismässig hochliegenden V/ärmeübergangswert zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung wird in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Zuführen von Wärme zu grossen Mengen einer Schmelze gesehen, indem entweder ein Einphasen- oder ein Mehrphasen-Wechselstrom sowie sich nicht verbrauchende Elektroden verwendet werden.

Ein anderes Ziel der Erfindung sieht die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Entgasung von eisenhaltigen Legierungen mit oder ohne Hin- und Herbewegen der Schmelze vor, wobei es sich um gasreinigende Mittel oder rührende Induktions-« spulen handeln kann, wobei die Wärme mittels eines Vakuum-Lichtbogens zugeführt wird, der unabhängig von der Art und der Menge der Gase im Vakuum stabilisiert ist.

Ein darüberhinaus gehendes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, durch das die Vakuumbehandlungszeit ausgedehnt wird, um einen niedrigeren Gasgehalt zu erzielen, als er bisher erreicht wurde und zwar einschliesslich Stickstoff.

Es ist auch ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entgasen einer Metallschmelze zu schaffen, durch das unerwünschte Metallverbindungen, wie Aluminiumoder Silizium-Oxyde mittels der durch den elektrischen Licht- " bogen erzeugten Wärme entfernt werden, wodurch die Zahl der Oxydeinschlüsse in der Schmelze verringert wird.

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Bin weiterer Zweck der Erfindung "besteht in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Lichfbogen-Erwärmung unter Vakuum, durch das ein stabiler Lichtbogen zumindest teilweise durch Metalldampf oder aus der'Schmelze ausgeschiedene Partikel gebildet wird.

Ein darüberhinaus gehendes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Erzeugung einer Weohselstrom-Lichtbogen-Erwärmung und einer entsprechenden Vorrichtung, wobei der Lichtbogen zwischen einer Elektrode oder mehreren Elektroden und der Schmelze gebildet wird, während der Schmelzspiegel ständig geändert werden kann, ohne dass der Erwärmungsvorgang oder die Stabilität des Lichtbogens hiervon in nennenswertem Umfang berührt wird.

Weitere Ziele, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Figur 1 einen senkrechten Schnitt nach der Linie 1-1 der Figur 2;

Figur 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Figur 1;

Figur 3 eine Teilansicht in vergrösserndem Maßstab mit Seilen der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Vorrichtung}

Figur 4 einen Schnitt ähnlich der Figur 1 bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung}

Figur 5 eine teilweise geschnittene Darstellung einer darüberhinaus gehenden Ausführungsform der Erfindung}

Figur 6 eine teilweise gesohnittene Seitenansicht einer darüberhinaus gehenden Ausführungsform, wobei Seile der Klarheit wegen weggelassen sind; und

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Figur 7 eine weitere Ausführungsform mit der Klarheit wegen weggelassenen Teilen.

Im nachfolgenden werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile in der Zeichnung und Beschreibung verwendet.

In den Figuren 1, 2 und 3 ist ein Vakuumbehälter veranschaulicht, der im wesentlichen aus einem unteren Teil 1o, einem 'Zwischenteil 11 und einem Deckel 12 besteht. Der untere Teil 1o zeigt im wesentlichen eine zylinderförmige Wandung und an seinen oberen Kanten einen dichtenden Flansch 13, der eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Dichtung 14 aufweist. .Eine Leitung 15 verbindet den Behälter mit irgendeiner geeigneten Vakuumquelle, wobei es sich um einen mehrstufigen Dampf-Ejektor handeln kann. Bei der Verwendung eines Darapf-Ejektors hängt die Zahl der verwendeten.Stufen zu einem gewissen Ausmaß von der Höhe des in dem Behälter erwünschten Vakuums ab. Bei einem Behälter von etwa 34 ooo - 54 ooo Liter Fassungsvermögen würde ein vierstufiger Dampf-Ejektor ausreichend sein, einen Druck von weniger als 1 mm Quecksilbersäule absolut innerhalb von 5 - 1o Minuten zu erzeugen.

Der Zwischenteil 11 zeigt einen Mantelteil 17> der an seinen unteren Kanten an den Dichtungsflanschen 18 und 19 endet. Wie am besten in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht ist, kann die Form des Zwischenteils am besten als ein Konus mit schiefen Flächen bezeichnet werden. Der untere Dichtflansoh 18 passt auf den oberen Dichtflansch 13, und eine Dichtung 14 ist zwischen diesen beiden Flanschen angeordnet. Eine Ausnehmung ist im oberen Dichtflansch 19 zur Aufnahme einer geeigneten Dichteinrichtung 2o angeordnet,

Der übergangateil wird mittels einer geeigneten Hebevorrichtung

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angehoben und abgesenkt sowie horizontal geschwenkt, und die Schwingvorrichtung i,st allgemein mit 21 bezeichnet. Da die Einzelheiten der Hebe- und Schwingvorrichtung selbst einen wesentlichen Teil der Erfindung nicht bilden, sind sie nicht weiter veranschaulicht oder beschrieben. Der Deckel 12 zeigt einen-schalenförmigen Teil 23, der in einem Plansch 24 endet. Die luftundurchlässige Dichtung ist zwischen dem Übergangsteil und dem Deckel durch die Dichtvorrichtung 2o gebildet, die zwischen den Planschen 19 und 24 zusammengedrückt ist, wenn die Teile sich in der in Figur 1 veranschaulichten Lage befinden.

Eine Gießpfanne ist allgemeinWit 26 bezeichnet. Sie zeigt die Seitenwandung 27 und den Boden 28. Ein herkömmlicher Stopfen 29 kann mittels einer geeigneten Vorrichtung 3o angehoben und abgesenkt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Gießpfanne mit einer Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Schmelze ausgestattet. Diese hier veranschaulichte Einrichtung besteht aus einer Gaszuleitung 32, die in einem geeigneten Stopfen 33 endet, welcher das Gas in der Nähe des Pfannenbodens einer nicht veranschaulichten Gasquelle zuführt. Das Gas wird mit einem Druck eingeleitet, der geringfügig höher liegt als der ferrostatische Druck der Schmelze am Einlass, und es steigt nach oben auf, wobei es eine turbulente oder rührende Wirkung hervorruft, welche im wesentlichen noch nicht entgaste Schmelze, die voi der Oberfläche weit entfernt ist, an die Oberfläche bringt, wo das Vakuum nunmehr darauf einwirken kann, Helium, Argon oder getrocknete Luft kann hierzu verwendet werden.

Obwohl eine Vorrichtung zum Durchströmen von Gasen veranschaulicht und beschrieben worden ist, soll betont werden, dass die

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Erfindung mit anderen Arten von rührenden Mitteln durchgeführt werden kann, wobei es sich um Induktions-Rührspulen handeln kann. Obwohl eine Einrichtung zum mechanischen Rühren vollständig entbehrlich ist, soll betont werden, dass es sich hierbei nur um ein Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt.

Ein Strahlen-Schild ist allgemein mit 35 bezeichnet. Es ist durch eine geeignete, nicht veranschaulichte Einr-ichtung abgestützt, und zwar entweder am erwähnten Übergäiig-öteil 11 oder an einem anderen Bauteil, wobei die genaue Art der Halterung nicht einen wesentlichen Teil der Erfindung bildet. Das Schild zeigt einen überstenenden Teil 36 zur Anpassung an die Stopfenstange und drei Elektroden-Öffnungen, von denen zwei mit 37 und 38 bezeichnet sind.

< Die drei Elektroden-Vorrichtungen sind allgemein mit 4o_t 41 und 42 bezeichnet. Jede dieser Vorrichtungen ist durch eine geeignete Öffnung in dem Deckel 12 angeordnet, wie dies·am besten aus Figur 1 hervorgeht. Da die Elektroden-Vorrichtungen einander identisch sind, genügt die Beschreibung einer derseLben.

Die Elektroden-Vorrichtung zeigt allgemein einen T-förmigen Elektrodenkopf 44. Dieser ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, die geklemmt oder in anderer Weise demontierbar mit einer Stromführungsstange 45 verbunden sind, die als Elektrode wirkt.

Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Stange aus einem Stück gebildet, das in einem Gewindeteil 46 endet.

Die Elektrode und die damit verbundenen Bauteile werden mittels einer doppelt wirkenden hydraulischen Kolben-Zylindereinrichtung

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47 angehoben und abgesenkt. Der Zylinder iat mit einer stationären zylindrischen Spule 48 versohraubt, die ihrerseits an einem Dichtflansch 49 befestigt ist. Dieser Dichtflansch ist' seinerseits an dem oberen Plansch 5o einer Elektroden-Haltevorrichtung 51 angeordnet, die an dem Deckel 23 angesehweisst ist. Ein Isolationsring 52 ist zwischen den Planschen 49 und 5o angeordnet und mittels der Dichtungen 53 und

54 abgedichtet. Der Isolationsring kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt Bein. Eine 2 1/2 cm starke laminierte Kunststoffplatte ist hierzu erfolgreich verwendet worden» Der Dichtflanach 49 ist mittels Isolationsbuchsen

55 mit dem oberen Flansch 5o versohraubt, wobei die Buchsen gleichfalls aus festem laminierten harzartigen Kunststoff hergestellt sein können. ■

Ein Paar konzentrisch angeordneter Gehäuse ist mit 56 und 57 bezeichnet. Das Gehäuse 56 ist luftdicht mit der Unterseite des Flansches 5o und der Oberseite des Deckels 12 verschweigst» Das Gehäuse 57 ragt nach unten bis zu einer Höhe unterhalb des oberen Bereiches des Übergangsteiles, wie am besten aus Pigur hervorgeht» .

Der untere Flansoh 59» der den Elektrodenzylinder haltenden Rolle, der Dichtflansoh 49, der laolationsring 52 und der obere Plansch 5o zeigen eine gemeinsame Öffnung, in der die zylindrische Stange 6o gleitend aufgenommen ist, Eine doppelte Vakuumdichtung ist mit 58 bezeichnet»

Die zylindrische Stange 6o, die vorzugsweise als Hohlstange mit einem Innendurchmesser ausgebildet ist, der zur Schaffung eines kleinen Abstandes gegenüber der Elektrode 45 gross genug ist, ist an seinem oberen Ende in einen Diohtflansoh 61-eingeaohraubt. der seinerseits mit dem Kopf der Elektrodenvorriohtung

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verschraubt ist. Das untere Ende der zylindrischen Stange oder Röhre 60 ist in eine elektrische Verbindungsmutter 62 eingeschraubt, die eine Öffnung 63 zur Aufnahme der Elektrode 45 aufweist. Ein Kupferring 83 stellt eine gute elektrische Verbindung zwischen der Elektrode 45 und der zylindrischen Stange 60 her. Die Anschlagflächen zwischen der Dichtung 44 ,und dem Kopf 44 sowie der zylindrischen Stange 60 können verzinnt sein.

Kombinierte Abflüsse und Zuleitungen zu den Zylindern 47 sind mit 64 und 65 bezeichnet. In Abhängigkeit von der Plussrichtung des Öls oder eines anderen hydraulischen Druckmittels bewegt sich der Kolben in dem Zylinder 47 nach oben oder unten und nimmt die Elektrode 45 und die zylindrische Stange 60 mit.

Ein Wassermantel 67 ist vorgesehen, um eine Überhitzung der Wandungen der Zylinderanordnung 47 zu verhüten. Ein Einlass 68 und ein Auslass 69 sind zur Herstellung des Kühlflusses im Gegenstromprinzip vorgesehen.

Daa untere Ende der Elektrode 45 ist in eine aus G-raphit bestehende Nase 7o eingeschraubt. Während das Material der Nase 7o abgeändert werden kann, ist es wesentlich, dass die elektrische Verbindung hergestellt ist, damit der Lichtbogen zwischen der Elektrode 45 und dem Spiegel der Schmelze 71 entsteht. Mehrere herkömmliche um die Stange angeordnete Hülsen sind mit 72 bezeichnet,

Herkömmlicher Dreiphasen-Strom kann an dem Elektrodenkopf 44 mittels dreier Paare von Leitern zugeführt werden, die Jeweils mit 73-74t 75-76 und 77 - 78 bezeichnet sind. Die elektrische Verbindung zwischen den Leitern und ihrem ihnen zugeordneten Teil des Elektrodenkopfes 44 ist in irgendeiner geeigneten Form

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hergestellt». Beispielsweise ist jede Leiter mittels einer Verschraubung 79 befestigt, deren Einzelheiten für das Verständnis der Erfindung nicht von grosser Bedeutung sind.

dechs von einer beliebigen geeigneten Stromquelle kommende Kabel sind über eine Schiene 8o geführt, die ihrerseits durch irgendeinen Hahmen 81 an dem Deckel 12 gehalten ist. Vorzugsweise wird Dreiphasen-Wechselstrom mit einer Spannung von 1oo - 2oo Volt oder mehr verwendet, der im Dreieck geschaltet ist und den Elektroden 45 von irgendäner geeigneten Stromquelle zugeführt wird.

Ein Behälter für Schüttgut ist mit 82 bezeichnet. Legierungszusätze und/oder Schlacke bildende Zusätze können zu einem beliebigen Zeitpunkt der Reihe nach unter Verwendung dieser Behälteranordnung der Schmelze zugeführt werden. Eine derartige Einrichtung ist bereits bekannt. (USA-Patentanmeldung Nr. 3 o71 458). ■

In Figur 4 ist eine Entgasungsgrube mit 11o bezeichnet, deren unterer Teil unterhalb des Schmelzspiegels liegt und mit 111 bezeichnet ist. Ein Vakuumbehälter ist allgemein mit 112 bezeichnet und zeigt einen unteren festen Teil 113 sowie einen oberen beweglichen Teil 114, der mittels eines Kranes oder einer anderen Hebevorrichtung und einer Schwingvorrichtung abgehoben werden kann. (Geeignete Dichtungen 115 aind zwischen aneinander liegenden Flanschen 116 und 117 angeordnet und gestatten es, das Vakuum in dem Behälter so niedrig wie einige Llikr ο -Millimeter Quecksilbersäule absolut zu halten, wobei der Auslass mit 118 bezeichnet ist. Vorzugsweise wird zur Erzeugung des Unterdrucks ein Dampf-Ejektor verwendet.

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Bin herkömmlicher Deckel ist mit 12o bezeichnet, und bei diesem Auafiihrungsbeispiel handelt es sich um eine typische G-ießpfanne mit einer äusseren Metallwandung 121 und einer oder mehreren Schichten aus wärmebeständigen Materialien 122 als Auskleidung. Herkömmliche Ösen und Aufhängevorrichtungen sind zum Zwecke der Beschreibung weggelassen worden, da sie nicht Teil der Erfindung sind. Eine Stopfenstange ist allgemein mit 123 bezeichnet und zeigt die eigentliche Stange 124, die im Bedarfsfall heb- und senkbar ist, und zwar durch irgendeinen beliebigen mit 127 bezeichneten Mechanismus. ±sei der Schmelze kann es sich beispielsweise um eine Eisenlegierung wie niedrig legierten Stahl 126 handeln,. In diesem Falle ist eine dünne Schichtschlacke mit 127 bezeichnet, deren Stärke wesentlich niedriger liegt als bei einem Verfahren ohne Vakuum. Beispielsweise kann die Schlackenstärke im Bereich von. 25 mm liegen» In einigen Fällen, wenn , beispielsweise die später noch zu Deschreibende Einrichtung zum Zuführen der Wärme genügend Kapazität aufweist, kann es durchaus denkbar sein, dass die Schlackendecke vollständig entfernt wird.

Die Elektroden-Einrichtung zur Aufbringung der Wärme mittels Wechselstrom ist allgemein mit 13o bezeichnet. Sie besteht beispielsweise aus einem einzigen runden Stab 131 aus Stahl, der, nur um ein Beispiel zu nennen, etwa 2o - 25 mm stark sein kann. Der Kopf aus Graphit ist mit 131a bezeichnet und es sind auch mehrere im wesentlichen einander identische iülsen 132 aus wärmebeständigem Material um die Elektrode angeordnet.

Eine kreisförmige Kontaktplatte 133 ist an die Stahlstange angeschweisst. Eine Gummiringdichtung 134 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als geringfügig nach aussen bezüglich der Kante der

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Platte 133 veranschaulicht. Irgendeine geeignete Luftdichtung kann verwendet sein, um einen luftundurchlässigen Abschluss zwischen der Unterseite der Platte 133 u&d der oberen Fläche des Dichtringes 134 zu bilden. Bin weiterer Dichtring 135 kann beispielsweise aus einem mit Kunststoff getränkten laminierten Isolationstuch von geeigneter Stärke, beispielsweise etwa 25 mm bestehen. Ein zweiter Gummidiohtring 136 ist an dem laminierten Isolator angeklebt, wobei das Klebmittel eine .luftundurchlässige Dichtung bildet. Die Kombination Gummi-Hartgewebe als Isolator ruht auf einer kreisförmigen Platte 137j die in einer halsförmigen Anordnung 138 angeordnet ist, welche im oberen Teil 114 des Vakuumbehälters liegt. Das Wärmeschild kann in bekannter Weise über der Gießpfanne 12o angeordnet sein (USA-Patent Nr. 3 o71 458). Eine O-Ring-Dichtung oder eine andere geeignete Dichtung 139 ist dazu vorgesehen, eine luftundurchlässige Dichtung zwischen der bewegbaren Elektrode und dem Vakuumbehälter zu bilden. Ein wärmebeständiger Iaolierring 14o schützt die untere Fläche der Platte 133 vor der Wärmestrahlung der Schmelze.

Eine öse 141 oder eine andere Einrichtung wie ein Haken ist oben an der Elektrode angeordnet, so dass dieselbe mittels eines Krans oder einer anderen Hebevorrichtung von oben her gehandhabt werden kann.

Mehrere Gehäuse von Schweissvorrichtungen 144 und 145 zur Versorgung der Elektrode 131 mit Wechselstrom sind vorgesehen. In diesem Falle enthält jedes Gehäuse 144 und 145 ein Paar Spulen einer Schweissvorrichtung, so dass es insgesamt vier Schweiss-Aggregate sind. Eine geeignete Stromquelle, beispielsweise 220-360 Volt Wechselstrom ist mit den Eingangsleitungen 146 und 147 verbunden. Die Verdrahtung der Maschinen ist so getroffen, dass vier schwere Kupferkabel I4&, 149, 15o und

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für die Weiterleitung dea Wechaelstroma zu der Elektrode vorgeaehen aind. Da die erwähnte Verdrahtung durch den Fachmann leicht hergeatellt werden kann ist aie der Einfachheit halber nicht veranschaulicht worden.

Die Endklemmen 152, 153_f 154 und 155 der Leitungen aind mit einer Endplatte 156 verbunden, die mit der Elektrode 131 verachweiaat oder auf andere Weiae elektrisch verbunden ist.

Daa Syatem kann mittels einer oder mehrerer Erdleitungen geerdet sein, von denen ein Beispiel mit 16o bezeichnet ist. Die Leitung I6o besteht im wesentlichen aus einem genau geformten Blech aus leitendem Material, beispielsweise Stahl, das in die Wandung der Gießpfanne 12o eingelassen ist. Die Innenkante dea leitenden Gliedes befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Schmelze in der Pfanne, und die Auss4nkante iat mit der Stahlwandung 121 der Gießpfanne veraohweisst oder in anderer Form elektrisch verbunden. Vorzugsweise ist der Querschnitt dea Erdleitungateiles 16o ungefähr der gleiche wie der der Elektrode 131.

Drei Stahlgabeln sind mit 161, 162 und 163 bezeichnet, von denen die Gabel 161 mit der Wandung 121 verschweisst oder anderweitig elektriach verbunaen ist, während die Gabeln

162 und 163 elektrisch mit der Wandung 113 des Stahlbehälters verschweisst oder anderweitig verbunden sind. Eine flexible Erdleitung 164 ist zwischen den Gabeln 162 und 161 angeordnet und mittels einer Feder oder einer G-förmigen Klemme 165 verbunden. Ein Paar Erdleitungen 166, 167 verbinden die Gabel

163 mit den erdenden Endklemmen der Schweisämaschine. Ein zweites Erdungsaystem oder ein Spannungamesser ist allgemein bei 168 angedeutet.

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Vorzugsweise das Erdungsteil 16o ist aus verhältnismässig dünnem kalibriertem Material wie btaal von Kaliber 1o zusammengesetzt. Bs ist festgestellt worden, dass ein Blech dieser Stärke die Jirdungsfunktion erfliilt, aber durch die Wärme des in der Pfanne befindlichen Metalls nicht schmilzt. Offenbar sind die Wärmeübergangseigenachaften derartiger Metallbleche so, dass der Schmelzpunkt auch dann nicht erreicht wird, nachdem das Material eine gewisse zeitlang der Schmelze ausgesetzt worden ist.

Die Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Schmelze ist mit 169 bezeichnet. Bei diesem Auaführungsbeiapiel ist die Quelle für das reinigende G-as nicht veranschaulicht.

Eine Anordnung zum Zuführen des Materials ist allgemein mit 17o bezeichnet, die besteht aus einem Behälter 171» der die Charge für den Zusatz zu der Schmelze sowie ein Ventil 172 enthält, das den Durchgang der Charge von dem Behälter durch die HÖhre 173 in den Vakuumbehälter steuert. Die Anordnung zum Zusetzen der Charge ist bereits bekannt.(USA-Patent Nr. 3 o71 458). j£s soll betont werden, dass das Ventil 172 entweder ein vakuumdichtes Ventil sein kann, so dass der Behälter 171 während das Verfahren läuft zur Aufnahme der nachfolgenden Charge geöffnet sein kann, oder der Behälter kann lediglich ein Kittel sein, die Charge zurückzuhalten. Indem letzteren Falle kann der gesamte Innenraum der Vorrichtung einachliesslich des Behälters 171 dem Vakuum in dem Vakuumbehälter ausgeaetzt sein. Die auf diese Weise benutzte Charge kann Legierungselemente und/oder Schlacke bildende Materialien darstellen.

Bei der Ausführungsform nach Figur 4 ist eine Einphasen-Wechselstromquelle veranschaulichte In der Ausführungsform

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nach den Figuren 1 - 3 ist ein ähnliches System offenbar mit Ausnahme des Umstandes, dass hierbei drei Elektroden zur Bildung einer Drelphasen-Wechselstromquelle vorgesehen sind. Die Verwendung der Dreiphasen-Y/echselstromquelle zeigt bestimmte Vorteile, da die elektrische Anlage ausgeglichener belastet wird.

x)rei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 5» 6 und 7 veranschaulicht. _:./

In Figur 5 ist die Anwendung eines Strom-Entgasungsverfahrens veranschaulicht.

In diesem Falle ist ein beweglicher Vakuum-Entgasungsbehälter allgemein mit 18o bezeichnet. Dieser wird von einem Wagen 181 mit Bädern getragen, die auf Schienen 182 auf dem Werksbogen 183 laufen. Eine darüber angeordnete Konstruktion 184 trägt eine Abfüllpfanne 185, und der feststehende Teil 186 gehört zu einem geeigneten Unterdrucksystem.

Der bewegliche Entgasungsbehälter besteht aus einem unteren Teil 187 und einem beweglichen oberen Teil 188, welche mittels einer entsprechenden Flanschanordnung 189 dichtend miteinander verbunden werden. Eine entsprechende Gießpfanne ist mit 19o bezeichnet.

Der Auslass 191 ist durch eine Dichtung 192 luftdicht mit dem Hals 193 für den Schmelzstrom verbunden. Der Hals erstreckt sich nach unten bis in einen Wärme reflektierenden Schild oder einen Konus 194» der oben an der Pfanne 19o angeordnet ist. Der Konus ist zur Aufnahme von einer oder mehreren Wechselstromelektroden 195 durchbohrt, die auf irgendeine herkömmliche, nicht veranschaulichte Weisetait einer Stromquelle

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verbunden sind« Der Konus 194 ist darüberhinaus mit einer Öffnung zum eingang aer von dem zusätzlichen Behälter kommenden Leitung versehen.

i diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 195 in einem Y/inkel zur Vertikalen angeordnet und so eingerichtet, dass sie einen Lichtbogen zwischen sich und den kröpfen der Schmelze ziehen, die das obere Ende des haisförmig ausgebildeten Strömungskanals 193 verlassen. Eine Induktions-Rührspule ist mit 197 3chematisch veranschaulicht, obwohl betont werden soll, dass auch die Grasreinigungsanlage nach Figur 1 und Figur 4 im Bedarfsfall verwendet werden kann.

In Figur 6 ist die Erfindung veranschaulicht, wenn sie bei einem zyklischen Tauchverfahren Verwendung findet«

In diesem !'alle ist ein Behandlungsbehälter 198 über einem ersten Behälter 199 angeordnet, der die Schmelze enthält, die dem atmosphärischem Brück ausgesetzt wird. Eine Leitung 2o1 führt von dem unteren Ende.des Behandlungsbehälters zu einem Punkt genügend unterhalb des Sohmeizspiegels im unteren Behälter 199. Da die verhältnismässig vertikalen Lagen der Behälter geändert werden können, fliesst die Schmelze zuerst nach oben durch die Nase 2o1 in den oberen Behälter 198 und fliesst anschliessend ab, wie das dem Fachmann ohne weiteres verständlieh ist.

Mehrere 7/echselatrom-Elektroden sind mit 2o2 und 2o;5 bezeichnet. Sie sind uo angeordnet, dass sie einen Lichtbogen mit der Schmelze ziehen und dieselbe zum Kochen bringen oder Lichtbogen untereinander in dem Behandlungsbehälter 198 während des erwähnten zyklischen Verfahrens bilden.

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In Figur 7 ist die Erfindung in Anwendung auf die erneut umlaufende Art des Entgasungsverfahrens veranschaulicht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel läuft die ochmelze von dem unteren Kessel 2o5 nach oben durch ein Bein 2o6 des Behandlungskessels 2o7. Die Bewegung der Schmelze kann durch das bereits bekannte G-ashebeprinzip unterstützt v/erden, wobei ö-as in das .dein 2o6 geleitet wird, wodurch das spezifische üewicht des Metalls in dem Bein im Gegensatz zu der nach unten fliessenden Schmelze in dem Bein 2o8 erniedrigt wird, v/enn die Schmelze den Innenraum des zsehandlungskessels 2o7 erreicht hat, wird sie dem Vakuum ausgesetzt, das durch das Unterdrucksystem ^o9 gebildet wird, und aller Y/ahrscheinlichkeiO nach wird die schmelze sich in einen Strahl feiner Tropfen auflösen. Mehrere Elektroden 21o, 211 ziehen einen Lichtbogen zwischen üen Tropfen und/oder den Elektroden, die den einzelnen l'ropfen Y/ärme zufahren, v/enn sie dem Vakuum in dem jehandlungskessei >o7 ausgesetzt sind,

Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise der ürfinaung näher erläutert:

Bei dem in den Figuren 1, 2 und 3 veranschaulichten Dreiphaaeu-Vielelektrodensystem wird eine wesentliche Einsparung des '!färme-Verlustes erzielt, indem die Schmelze 71 der ,/echselstrom-Lichtbogenbildung während der Zeit unterworfen wird, in der das Metall sich in dem geschlossenen Yakuumuehälter befindet und dem Vaituum ausgesetzt wird.

Der Deckel 12 und der uoergangsteil 11 sina öchwingbar und können durch eine Hebe- und ochwingvorrichtunf 21 als eine Einheit abgehoben werden, rsevor die U-ieiipfanne in üen Behälter eingebracht wird, werden die zylindrischen Stangen 6o durch die

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erwähnten Hydraulikvorrichtungen zurückgezogen, so dass die unteren ahnden aer Elektroden 45 über, deia oberen behälter 13 des iiehälterteils 1o stehen. Wenn das Übergangsteil und der jjeckel nach der Seite geschwenkt sind, wird die Gießpfanne mit der von einem Elektroofen oder einer anderen Quelle vorbereiteten Schmelze in den unteren Teil 1o des Vakuumbehälters gestellt. JjS soll betont werden, dass an diesem Punkt des Verfahrens die Schmelze wesentliche Mengen von verunreinigenden Gasen enthält, insbesondere Wasserstoff, Oxyde und Stickstoff.

iiachdem die Pfanne in den unteren feil 1o gebracht ist, schwenkt die Hebe- und Schwingvorricntung 21 den übergangsteil und den Deckel wieder auf den Behälterteil 1o in die dichtende Verbindung hiermit, und es erfolgt die Evakuierung durch das Rohr 15. Die Hydraulikzylinder 47 bewegen daraufhin die Elektroden nach unten in eine Lage über dem Schmelzspiegel, Die wichtigste Punktion der hydraulischen Kolben-Zylindervorrichtungen ist es, die Elektroden anzuheben und abzusenken, so dass sie über dem Teil 1o des Behälters stehen und die Zündung zwischen den Elektroden und der Schmelze bewirken. Die erwähnten Kolben-Zylindervorrichtungen sind nicht daau vorgesehen, während der Entgasung zu arbeiten, wie dies bei herkömmlichen mit Gleichstrom arbeitenden Lichtbogen-Schmelzöfen der Pail iat, bei denen der Abstand zwischen dem unteren Ende der Elektrode und dem Schmelzspiegel kontinuierlich elektrisch gemessen und geregelt wird. Sie können im Bedarfsfall verwendet werden, um eine grobe Verstellung von Hand vorzunehmen. Bei einem Verfahren, das mit einem Gasstrom arbeitet, kann die Höhe des Schmelzspiegels sich um 1,8 m oder mehr ändern. Bei einem Pfannenentgasungsverfahren kann es vorteilhaft sein, die Elektrode nach einer gewissen Zeitspanne dem'Spiegel folgend abzusenken, wodurch die Intensität erniedrigt wird. In keinem falle ist aber ein kontinuierliches

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Iüessen der Spannung und ein Nachregulieren der iilektrodenlage erforderlich.

Es ist eine Einsparung an Temperaturabfall von 17°C und mehr bei Anwendung dea erfindungsgemässen Verfahrens bei der buahlbehandlung festgestellt worden. Vergleichsweise können die in der beiliegenden !Tabelle zusammengestellten Daten angegeben werden.

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KEINE LICHTBOGEItöiHWÄBMUNÜ-

Wärme- zahl	Qualität	Produk tions- gewicht in kg	Abstich zeit in Minu ten	Zeit zum Behäl ter in Minuten	Zeit im Behäl ter in Minut en	Gesamt zeit in Minut en
1454o5	X-3995	11oooo	4:00	14:oo	12:oo	3o:oo
155579	X-4143	1o2ooo	3:oo	9:00	16:oo	28:oo
15558ο	X-4144	1I0000	3:00	9:55	16:oo	28:55
155582	X-4146	1I0000	2:oo	9:45	16:oo	27:45
145317	414o	125000	2:oo	9:57	2o:oo	31:57
145299	434ο Μ	125000	3:00	7:52	2o:oo	3o: 52
145458	niedrig legiert	133000	2:oo	9:55	22:oo	33:55

155647
155660

434ο 434o

, IilCHTBOGENWÄRME

II5000 - -

122000 6:18 5:12

15:18
18:oo

31:5o 33:48

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O Πί C^ ;-■»'-'·-

KBINJi LICHTBOG-iSNjiRWÄRMUNG Fortsetzung von oben

Tempe- Tempe- Temperatur ratur raturv. dem η. dem diffe-A-bste-Evakurenz chen ieren in C In⁵C in ⁸G

Zeit un- Unterter einem ster Druck von Druck vor 1 mm dem Zusatz Quecksil- oder wähbersäule rend d. in Min. Arbeit

Mikromi Hirne t er

Schlackevolumen

IL

1675	1543	132	6.7	62ο	+	1mm +	L	1.4	__	__
166o	1535	135	8.3	59ο	+		M	1 .1	2ο	25
167o	1543	127	Over Imm.				M	1.2	26	1ο4
			throughout	2.			1.4	24	52
169ο	1557	143	8.0	43ο		M	1.5	27	27
167ο	1556	114	6:3ο	5οο	L	1.4	29	24
1715	1565	15ο	4:3ο	55ο	L	1.5	22	81
1685	1559	126	7: σο	7οο	M	1.5	25	33

LICHTBOGEMÄHMB

156o

1658 1556

115

1o2

7.2

2.7

88o

97o

M 2.0 3ο 62 2.2 29 75

sehr leicht 1.6 27 31

Wechselstromwerte: Wärme 15566ο - 4ooo + amps fangenähert);

Wärme 155647 - 3ooo + amps (angenähert);

Lichtbogen über der Zeit: Wärme 15566ο - 1o Min.:

Wärme 155647 - 11 Min.:

* öohlackenvolumen: L - gross; M - mittel; + - kein üehälterzusatz

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Der Vergleich der Wärme bei Verfahren mit und ohne Lichtbogen zeigt, dass die Temperatureinsparung ungefähr 15 - 3o°C beträgt. Es soll bemerkt werden, dass die oben erwähnten mit und ohne Lichtbogen erzeugten Wärmen sich auf Vorgänge beziehen, die etwa 3ο Minuten lang dauerten.

es können natürlich noch grössere Einsparungen des Y/ärineabfalls erzielt werden, indem die Kapazität des elektrischen Systems erhört wird, beispielsweise kann daran gedacht werden, Elektroden mit Durchmessern von 1 - 6 dm und noch stärker zu verwenden. Auch können grössere Stromstärken von 18 ooo - 2o ooo Ampere und mehr zur Anwendung gelangen. Mit derartig grossen Kapazitäten kann es möglich sein, den Temperaturabfall vollständig zu vermeiden oder die Temperatur sogar noch zu erhöhen, was natürlich von den physikalischen Eigenschaften des Systems abhängt.

Eine Einphasen-Vecnselstromquelle zum zusätzlichen Erwärmen einer Schmelze unter Vakuum ist in dem Ausführungsbeispiel nach Pig« 4 veranschaulicht. Die Schmelze 126 wird von irgendeiner geeigneten Quelle in die Pfanne 12o geleitet, wobei es sich um einen herkömmlichen Schmelztiegel mit elektrischer Lichtbogenerwärmung handeln kann, der im wesentlichen bei Aussendruck arbeitet, ils sola, betont werden, dass das Metall in diesem Zustand in der Pfanne und vor irgenaeiner weiteren Behandlung nahezu unveränderliche bedeutende Mengen verunreinigender Gaseinschlüsse wie Oxyde, Viasserstoff und Stickstoff enthält. Darüberhinaus zeigt die Schmelze nur eine teilweise Schlackendecke, wie das bereits bekannt ist (USA-Patent Nr.. 3 o71 458)..Die gefüllte Pfanne wird von dem Ofen zu der Entgasungsstation gefördert und in den Vakuumbehälter 113 gebracht, wie er in Figur 4 veranschaulicht ist. Die Erdverbindung 164 wird anschliessend damit verbunden. Wahlweise kann

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auoh die Vorrichtung 168 angeschlossen werden.

Danach wird der obere Teil 114 des Behälters auf den unteren Teil 113 gesetzt und zwischen den Planschen 116 und 117 abgedichtet. Schliesslich wird die Elektrode 13o in G-ebrauchsstellung abgesenkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode so ausgeführt worden, dass ihre Spitze etwa 3oo mm über dem bchmelzspiegel liegt. Es ist aber auch ohne weiteres denkbar, zu arbeiten, wenn die Elektrodenspitze mehr als 1 m über dem Öchmelzspiegel liegt.

Es soll bemerkt v/erden, dass ein dünner Schlackebelag 127 auf der Schmelze liegt. Um das Entgasen zu fördern, sollte die Schlackendecke eine geringere Stärke aufweisen als normal. Wie Versuche gezeigt haben, ist eine dünne Schlackeschicht zur erzeugung einer Decke erwünscht, welche die Oberfläche der Schmelze einerseits vor einem Temperaturabfall während des Beruhigens und des nachfolgenden Entgasens bewahrt und andererseits sollte das erneute Absorbieren der verunreinigenden Gase unter atmosphärischen Bedingungen erfolgen. Einer der Vorteile der Erfindung besteht aber darin, dass das Entgasen der Metallschmelze bei höherer Temperatur als ohne die Elektrode 13o vorgenommen werden kann und als Folge davon ist das Erfordernis einer dünnen Schlackendecke gemildert. Zwischen dem Dichtteil 134 und der Platte 137 wird eine Dichtung gebildet, und die Vorrichtung hierdurch vakuumdicht gemacht. Anschliessend wird das Vakuum durch die Leitung 118, vorzugsweise mittels eines vielstufigen Dampfejektors, erzeugt. Solche Vorrichtungen sind bekannt und in- der Lage, ein Vakuum von 76o mm Quecksilbersäule bis auf weniger als 1mm Quecksilbersäule in wenigen Minuten zu bringen. Bei den Ausführungsformen nach den Pig. 1 und 4 wird ein vierstufiger Ejektor verwendet, der

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einen Tank von etwa 37o m Länge in 7 - 9· Minuten auf ein Vakuum von 3 - 1 mm Quecksilbersäule bringt.

Nachdem die oben beschriebenen Verbindungen hergestellt sind, kann der Strom eingeschaltet und·der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Schmelzspiegel gezündet werden. .Bei dem Dreiphasensystem mit den drei Elektroden nach Figur 1 würde eine Spannung von etwa 8o Volt angelegt. Dabei zeigte sich ein bläulicher Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Schmelzbad. Im weiteren Verlauf wurde der Druck abgesenkt und der Lichtbogen wurde dabei fortwährend stabiler. Der Lichtbogen wurde dabei aber stets zwischen der Elektrode und dem Schmelzbad gezogen und traf dabei nicht etwa die Stopfenstange oder die Pfannenwandung.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann es sehr wünschenswert sein, die Schmelze während der Behandlung zu bewegen, so dasa die Entgasung beschleunigt und die Homogenität verbessert wird und gute G-ießeigenschaften erzeugt werden» Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Heinigun^gas veranschaulicht, wie es durch die Schmelze von der Gasquelle 169 blasenförmig nach oben steigt. Es kann irgendein geeignetes G-as Verwendung finden, und getrocknete Luft hat sich als vollkommen zufriedenstellend erwiesen. Der Lichtbogen wird aber auch in Abwesenheit der reinigenden Gase gezogen. Es können auch andere Gase wie inerte Gase, reaktive G-aae und möglicherweise Kohlendioxyd zum Reinigen der Schmelze verwendet werden.

In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden, dass die offenbarte Erfindung sich auf ein Verfahren in einer Vakuumumgebung bezieht. Dies bedeutet, dass die Einführung eines spezifischen, den Lichtbogen stützenden Gases zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nicht erforderlich ist, und es ist auch keine

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besondere Art oder Konzentration der Ausaenluft zur erfolgreichen Durchführung des erfindungagemäsaen Verfahrens nötig.

Der Abstand zwischen der Elektrode und der Schmelze ist nicht besonders kritisch. Diese Abstände können 75 «im bis zu über 1 m bei -erfolgreichem Arbeiten betragen. Der tatsächliche Abstand wird sich natürlich jeweils ändern, und zwar v/egen der Bewegung der Schmelze. Das nach oben strömende Reinigungsgas hebt und senkt den Schmelzspiegel, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und dem Schmelzspiegel beispielsweise während des Reinigungsvorganges 75 mm betragen kann, und etwa 15o mm, wenn keine Reinigung oder keine Vorrichtung zum Bewegen der Schmelze Verwendung findet. Es ist aber erforderlich, die Lage der Elektroden infolge des Druckes oder in Abwesenheit eines hin- unct herbewegenden Mittels zu ändern, oder uin Änderungen in der Intensität zu bewirken.

Es folgen im wesentlichen die gleichen Vorgänge, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 5> 6 und 7 beschrieben worden sind, so dass die Beschreibung an dieser Stelle nicht erforderlich erscheint.

Bei einer Dreiphasen-Stromquelle können die Elektroden-Durchmesser für irgendeinen vorgegebenen Energieaufwand im Vergleich zum Einphasenstrom kleiner gehalten sein. Darüberhinaus kann das Dreiphasensystem mit einem Null-Leiter zwecks Erdung der Gießpfanne arbeiten, wobei das System wye verbunden wird und mit einem offenen neutralen Leiter arbeiten kann. In beiden Fällen tritt das Problem, grosse Stromstärken durch die Gießpfannenauskleidung zwecks Erdung zu leiten, nicht auf. Bei der Verwendung eines Einphasenstromes nach Fig. 4 soll bemerkt werden, dass die Erdung duroh eine Einrichtung 16o erfolgt, die mit ihrer Innenkante mit dem Schmelzbad in Kontakt steht und die Ausaenkante wird mit der Erdleitung 164 verbunden, die ihrerseits

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BAD ORiGINAL

in den Schweissmaschinengehäusen 144 und 155 geerdet ist. Der Einphasenstrom zeigt natürlich den Vorteil, dass nur eine Elektrode erforderlich ist, im G-egensatz zu drei Elektroden beim Dreiphasenstrom, und die geringere Zahl der Elektroden vereinfacht die Dichtung, so dass die Vorrichtungskosten gesenkt werden, und zwar zumindest bei kleinen Anlagen um etwa 1o Tonnen Kapazität oder weniger.

uei allen Ausführungsbeispielen können die Zusätze während der Vakuumbehandlung durch die erwähnte Behaltervorrichtung beigegeben werden.

In einigen Fällen kann es wünschenswert oder sogar vorteilhaft sein, dass man in der Lage ist, das Anheben der Elektroden über den Schmelzspiegel während des Entgasens steuert, beispielsweise bei dem Strömungs-Entgasen nach dem Ausf Iihrungsbeispiel der Figur 5.

Durch die oben beschriebenen Verfahren nach der Erfindung wird ein gutes Verhältnis der Wärmezufuhr zur bereits vorhandenen Wärmemenge erzielt. Der elektrische Lichtbogen· zwischen der Elektrode und dem Schmelzspiegel erzeugt einen grossen Wärmeübergang zu der Schmelze im Gegensatz zu einem Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden in einem bestimmten Abstand über der Schmelzfläche gezogen wird. Wenn ein Yfärmeschild zwecks Konservierung der V/ärme verwendet wird, ist klar, dass der Wärmeübergang in der Nähe der Oberfläche konzentriert wird. Dies steht im Gegensatz zu der Bildung eines

und Lichtbogens, der über den Vakuumraum verteilt ist/nur dazu dient, die Vakuumkammer und den Behälter zu überhitzen. Das Überhitzen dieser Teile ist bei der Durchführung der Erfindung nicht erwünscht, und in einigen Fällen widerspricht

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dies sogar dem Erfindungagedanken.

Darüberhinaus zeigt das offenbarte Verfahren den Vorteil, dass die Wärme direkt zu der Stelle mit dem grössten Wärmeverlust zugeführt wird, wobei es sich um die Abstrahlung von dem Schmelzspiegel handelt. Dieser Verlust ereignet sich immer, ganz gleich ob das Metall sich in teigiger Form, wie beim Entgasen in der Pfanne befindet oder in Tropfenform wie bei der Strömungs-Entgasung. Der erfindungsgemäss angewendete Wechselstrom-Lichtbogen überträgt die Wärme direkt auf das Metall.

Die genauen mechanischen Vorgänge bei der Aufrechterhaltung des Lichtbogens sind im Augenblick Gegenstand einiger Überlegungen. Es scheint so als ob genügend Metalldampf oder Partikel die Fläche des Schmelzbades verlassen, um den Lichtbogen zu unterstützen, und dies kann sehr wohl für das Aufrechterhalten des Lichtbogens in Abwesenheit irgendeines Reinigungsgases bei absoluten Temperaturen von wenigen Millimeter Quecksilbersäule oder weniger sprechen.

Einer der grossen Vorteile der Erfindung besteht in der Tatsache, dass durch das zusätzliche Erwärmen eine zeitliche Ausdehnung des Verfahrens ermöglicht ist. Bisher sind bereite durch Vakuumentgasungsverfahren dieser Art die Anteile an Wasserstoff und Sauerstoff der Schmelze erfolgreich reduziert worden, aber der Stickstoffgehalt wurde hiervon nur in einem geringeren Ausmass betroffen. Obwohl der Stickstoff nicht so schädlich ist, wie Oxyde und Wasserstoff, kann es u.U. gewies ein unerwünschtes Element bei gewissen Stahlsorten darstellen.' Durch eine Verlängerung des Verfahrens steht mehr Zeit zu der Entgasung einschliesslich der Beseitigung des Stickstoffs aus dem Schmelzbad zur Verfügung, und somit wird ein geringerer

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Gasgehalt im Endprodukt erzielt.

Duroli die offenbarte Erfindung ist es darüberhinaus möglich, das Entfernen von Oxyden, wie beispielsweise Aluminium-Oxyde und Silizium zu erleichtern. Dies bedeutet, dass die Temperaturen der unerwünschten Metallverbindungen wie der Aluminium-Oxyde im Bereich des elektrischen Lichtbogens bis zu einem Punkt angehoben werden, bei dem diese Verbindungen bei den niedrigen Drücken in dem Vakuumbehälter verdampfen. Wenn sie einmal verdampft sind, können sie mittels des Vakuumsystems abgepumpt werden. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, chemische Reaktionen zur Durchführung dieser Funktionen, ganz zu vermeiden» Das Verdampfen der Oxyde zeigt sich durch den geringeren Druckanstieg in der Vakuumkammer, während der Lichtbogen arbeitet.

Ein weiteres interessantes Lichtbogenphänomeri ist* beim Einphasenbetrieb beobachtet worden. Wenn die reinigenden G-ase zur Anwendung gebracht werden, wird der Lichtbogen gelegentlich zwischen den Elektroden und dem Bereich gezogen, in dem die Gase die Schmelze verlassen. Es ist nicht als sicher bekannt, ob das reinigende Gas ionisierend ist, um ein elektrisches Feld auszubilden, oder ob das Aufsteigen des Metalldampfes oder der Partikel in diesem Bereich besonders stark ist. Da der Lichtbogen in einem Bereioh unterhalb der Elektrode bei fortgeschrittenem Verfahren stabil ist, ist es möglich, dass das ionisierte Gas ein besseres, den Lichtbogen stützendes Feld bildet als der metallisierte Ionendampf, da die Menge der ausgeströmten Gase vermutlich zuvor eine grössere Konzentration hatte als später bei fortgeschrittenem: Verfahren.

Es soll ausserdem bemerkt werden, dass keine Nebengase in der Vakuumkammer vorhanden sind. In diesem Falle soll unter der

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Bezeichnung "Neben"-Gase verstanden werden, dass es sich um G-aae handelt, die absichtlich zugesetzt wurden, um den Lichtbogen zu unterstützen oder die Atmosphäre zu ionisieren, im Gegensatz zu G-asen, die durch die Schmelze geleitet v/erden und somit als Mittel dienen, die Schmelze hin- und herzubewegen oder zu rühren. Derartige eine Bewegung erzeugende Gase sind für alle praktischen Zwecke den Glasblasen äquivalent, wobei es sich insbesondere um Kohlenoxydblaaen handelt, die von der Schmelze sogar in Abwesenheit eines äusseren Mittels zum Bewegen entweichen.

üs ist darüberhinaus beobachtet worden, dass der Lichtbogen eine günstige Y/irkung auf das Fortblasen der Schlacke aus dem Bereich der Metallschmelze zeigt, an der der Lichtbogen zündet, und dies ist in Figur 1 veranschaulicht. Es ist erwiesen, dasa die besten Entgasungsergebnisse erzielt werden, wenn der Spiegel der Metallschmelze frei oder verhältniBmässig frei von einer Schlackendecke ist. Die Abwesenheit einer Schlackendecke zeigt aber die nachteilige Wirkung des Wärmeverlustes in einem höheren Ausmass, als wenn die Schlackendecke vorhanden ist. Es ist nunmehr möglich, das Verfahren mit einer Schlackendecke auf dem Metall durchzuführen, die geringfügig stärker ist als bei einem bekannten Verfahren (USA-Patent Nr. 3 145 o96), bei dem die Decke dünner als bei herkömmlichen Verfahren ohne Vakuum ist. Dies zeigt darüberninaus die günstige Wirkung, die Ofenzeit zu verlängern, wodurch mehr Zeit zur Vakuumbehandlung zur Verfügung steht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass hierdurch Entgasungsverfahren wirtschaftlich durchgeführt werden können, die in bestimmten Bereichen für unmöglich gehalten wurden, und zwar infolge der vermuteten unerwünschten Temperaturverluste.

BAD

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Die erwähnte Fähigkeit eines Wechselstrom-Lichtbogens, unter Vakuum erfolgreich zu arbeiten, wie dies zuvor beschrieben worden ist, kommt völlig unerwartet für die Fachwelt. Bisher hat man geglaubt, dass infolge der Tatsache, dass der Lichtbogen etwa sechzigmal pro Sekunde ausgeht, ein zu grosses Hindernis für die Verwendung eines Wechselstrom-Lichtbogens unter Vakuum gegeben sei, und zwar insbesondere, wenn der Schmelzspiegel sich in seiner Höhe ständig änderte, was in Gegenwart von Kohlenmonoxid der Fall ist. Es soll allgemein festgestellt werden, dass das Zünden und Aufrechterhalten eines Wechselstrom-Lichtbogens etwas Geschicklichkeit erfordert, und es ist auch wohlbekannt, dass, wenn der Lichtbogen einmal ausgegangen ist, die Elektrode abgesenkt und mit der Schmelze in Kontakt gebracht werden muss, bevor sie wieder gezündet werden kann. Das Erfordernis des Ziehens und Ausgehens eines Lichtbogens sechzigmal pro Sekunde spricht durchaus für die Verwendung von Wechselstrom-Lichtbögen und zwar bis zum Ausschluss von Gleichstrom-Lichtbögen zum zusätzlichen Erwärmen einer Metallschmelze unter Vakuum. Die fotografische Beobachtung des Verhaltens des Lichtbogens hat die Tatsache bestätigt, dass der Lichtbogen tatsächlich pro Sekunde mehrfach erlöscht aber im Gegensatz zu den Erwartungen hat sich die Aufrechterhaltung des Lichtbogens nicht als problematisch erwiesen, und zwar sogar bei Längenänderungen des Lichtbogens in einem weiten Bereich.

Obwohl mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden sind, wird es dem Fachmann ohne weiteres klar sein, dass weitere Ausführungsformen im Rahmen des Erfindungsgedankens durchgeführt werden können»

Alle beschriebenen und veranschaulichten Einzelheiten sind für d'ie jirfindung von Bedeutung _c

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Claims (27)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Behandlung einer Metallschmelze, wobei das Metall einem Vakuum ausgesetzt wird und folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: Aufbringung eines Vakuums oberhalb der Schmelze und Zünden und Aufrechterhalten eines Wechselstrom-Lichtbogens zwischen der Elektrodeneinrichtung in dem Vakuum und der Schmelze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinrichtung sich nicht verbraucht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen genügend intensiv ist, die Schlacke von dem Bereich des Lichtbogens auf der Badfläche zu verdrängen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 mit folgenden Verfahrensschritten: Bewegen der Schmelze während das Vakuum angelegt ist, um hierdurch Teile der Schmelze, die von der Oberfläche weiter entfernt liegen zu dieser zu fördern und sie dann dem Vakuum auszusetzen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze hin- und herbewegt wird, wobei ein reinigen-? des Gas nach oben durch die Metallschmelze geleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, daduroh gekennzeichnet, dass das Bewegen der Schmelze durch ein Induktions-RUhren bewirkt wird.

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7. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass das Rühren der Metallschmelze zumindest teilweise durch die Bildung von Kohlenmonoxid bewirkt wird»

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum im Bereich von 1 Mikro-Millimeter bis 1o Millimeter Quecksilbersäule absolut liegt.

9« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum im Bereich von etwa 1 mm Quecksilbersäule während eines wesentlichen leils der Zeit liegt, in der das Vakuum angelegt iBt,

.1ο. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom-Lichtbogen durch Binphasenstrom erzeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom-Lichtbogen durch einen Vielphasenstrom erzeugt wird.

12.. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Einfüllen einer Charge in die Schmelze bei gleichzeitigem Anlegen des Vakuums und Aufrechterhalten des Wechselstrom-Lichtbogens*

13« Verfahren zum Behandeln einer Metallschmelze, wobei das Metall einem Vakuum ausgesetzt wird mit folgenden Verfahrenssohrittenj Herstellen eines Wechselstrom-Lichtbogens zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Schmelze sowie Bestimmen der Stelle, an der der Lichtbogen gezogen wird und zwar dadurch, dass ein reinigendes G-as nach oben durch die Schmelze geleitet wird, um eine Zone zu bilden, in der

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das Gas an der Oberfläche des Bades ausströmt, wodurch die erwünschte Stelle gebildet iet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Yakuum in einem Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 1o mm Quecksilbersäule absolut während der Behandlung aufrecht erhalten wird.

IS· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung im wesentlichen frei von Nebengasen gehalten wird, wodurch die Wärme des Wechselstrom-LiGhtbogens an der Oberfläche des Schmelzbades konzentriert werden kann«

16. Verfahren zur Reduzierung dee Wärmeverlustes bei der Vakuumbehandlung einer Schmelze, wobei ein Vakuum gebildet und mit einer bedeutenden Menge von Nebengasen aufrecht erhalten wird, in denen über der Schmelze die Vakuumbehandlung erfolgt, wobei eine nicht verbrauchbare Elektrodeneinrichtung und eine mit der Elektrodeneinrichtung verbundene Wechselstromquelle zur Bildung eines Wechselstrom-Lichtbogens zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Schmelze sowie zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens unter Vakuum vorgesehen ist.

17. System nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Metallschmelze, während diese dem Vakuum ausgesetzt ist, um Teile der Schmelzt mit Nebengasen von den von der Oberfläche der Schmelze ©ßtfernt liegenden Bereichen zur Oberfläche hin zu bewögen, wodurch sie gleichfalls dem Vakuum ausgesetzt werden können.

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18. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Schmelze aus einer Vorrichtung zum Einführen eines reinigenden Gases besteht, das die Schmelze nach oben durchströmt, beginnend an einem Punkt, der wesentlich unter dem Schmelzspiegel liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Metallschmelze aus einer Induktions-Rühreinrichtung besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der die bchmelze enthaltende Behälter Kontaktflächen' mit der Schmelze hat, die aus einem wärmebeständigem Material bestehen, welches eine Disasaoziation bewirken kann, um ein Oxyd zu bilden, das in Verbindung mit Kohle bei der Temperatur und dem Druck in dem System beständig ist.

21. Verfahren nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmebeständige Material aus quarzhaltigen Ziegeln besteht.

22. Verfahren naoh Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum Einführen einer Materialcharge in die Schmelze unter Vakuum verwendet wird.

23· Vorrichtung zum Behandeln einer Schmelze mit einer Einrichtung zum Herstellen und Aufrechterhalten eines Vakuums über der zu behandelnden Vakuumschmelze, wobei eine Vakuumkammer mit einem oberen Teil gebildet ist, der so gebaut und eingerichtet ist, dass er einen Behälter mit der Schmelze im Entgasungsstrom mit Bezug auf die zuerst erwähnte Schmelze abstützt und eine Öffnung aufweist, durch welche

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eine Wechselstrom-Elektrodeneinrichtung zur Aufrechterhaltung eines Wärme abgebenden Wechselstrom-Lichtbogens in Kontakt mit der Schmelze angeordnet ist»

24· Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinrichtung zur Vertikalen geneigt angeordnet ist.

25. Vorrichtung zum Behandeln einer Schmelze mit einem Behälter für die dem Vakuum auszusetzende Schmelze und einem Vakuum-Behandlungsbehälter über dem zuerst genannten Behälter, wobei der Vakuum-Behandlungsbehälter mit einer Leitung zur Herstellung eines Schmelzflusses zwischen den beiden Behältern angeordnet ist, und wobei eine Wechselstrom-Elektrodeneinrichtung dem Vakuum-Behandlungsbehälter zur Erzeugung eines Wechselstrom-Lichtbogens zwischen den Elek- * troden und der Schmelze in dem Vakuum-Behandlungsbehälter zugeordnet ist, während das Metall dem Vakuum ausgesetzt wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungseinrichtung ein Paar Leitungen aufweist, von denen eine zur Leitung des Metalls nach oben zum Vakuum-Behandlungsbehälter angeordnet ist und die andere zur Rückkehr des Metalls von dem Vakuum-Behandlungsbehälter in den Schmelzbehälter vorgesehen ist.

27. Verfahren zum Reduzieren von Stickstoff enthaltenden Stahl mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen der Schmelze mit Stickstoffeinschlüssen, bei einer Temperatur, die Über der normalen Beruhigungstemperatur dea Stahles liegt, wobei ein Vakuum über dem Stickstoff mit Stahl erzeugt wird, das genügend niedrig liegt, um den Stickstoff von der

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Stahloberfläche zu entfernen* wobei das Vakuum über dem Stahl aufrecht erhalten und die Zeit» über die die Stahlschmelze über der Temperatur gehalten werden kann veriän* gert wird, indem ein Wechselstrom-Lichtbogen zwischen der Elektrodeneinrichtung im Vakuum und der Schmelze während des Aufsteigens des Stickstoffs in der Schmelze gezogen und aufrecht erhalten wird»

28, Verfahren zum Entfernen unerwünschter Metalleinschlüsse wie Ö*yde aus einer Schmelze mit folgenden Verfahrens* achritten: Bereitstellen einer Stahlschmelze mit den unerwünschten Metalleinschlüaaen wie Oxyden des Aluminiums und Siliziuma bei einer !Temperatur über der normalen Beruhigungs-Temperatur des Stahls, wobei ein Vakuum über der Sohmelze mit den Einschlüssen angelegt wird und die unerwünschten Metalleinschlüsae entfernt werden, indem ein Wechselstrom-Lichtbogen zwischen der Elektrö'den-Binrichtung in dem Vakuum und der Schmelze mit einer. Wärmeentwicklung bezogen wird, die ausreichend ist, das Metall mit den unerwünschten Metallbeständteilen in dem idchtbögen 2u verdampfen, -wobei dar Bereich des Stahls umgeformt wird und indem die unerwünsehten verdampften Materialbeatandteile duröh das Vakuum abgesaugt werdet

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