DE1926287A1

DE1926287A1 - Lichtbogenofen mit wenigstens einer nichtabschmelzenden und nicht abbrennenden Elektrode

Info

Publication number: DE1926287A1
Application number: DE19691926287
Authority: DE
Inventors: Schlienger Max Peter
Original assignee: SCHLIENGER MAX PETER
Current assignee: SCHLIENGER MAX PETER
Priority date: 1968-10-04
Filing date: 1969-05-22
Publication date: 1971-02-11
Also published as: JPS4825287B1; DE1926287B2; GB1268253A; US3461214A

Description

Lichtbogenofen mit wenigstens einer nicht-abschmelzenden und nicht-abbrennenden Elektrode'

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenofen-mit wenigstens einer nicht-abschmelzenden und nicht-abbrennenden Elektrode zum Schmelzen und Gießen von elektrisch leitendem Material, mit einem geschlossenen Gehäuse zur Erzielung einer definierten Atmosphäre und einer in diesem Gehäuse angeordneten Form, worin das Material geschmolzen wird.

Bei Lichtbogenofen wird gewöhnlich zwischen der Schmelzbadoberfläche und einer Elektrode in einer unter vermindertem Druck stehenden Atmosphäre eine . elektrische Bogenentladung aufrecht erhalten, wobei durch die dabei entstehende Wärmeenergie Material geschmolzen wird. Bei einem allgemein angewandten Verfahren ist die Elektrode als Abschmelzelektrode ausgebildet und besteht aus dem gewünschten zu erschmelzenden Material. Bei diesem Verfahren ist es allerdings erforderlich, daß der zu verarbeitende V/erkstoff vorher in die Form einer Elektrode gebracht wird. In Fällen, wo der V/erkstoff in pulvriger, körniger, schwammartiger oder sonstiger loser oder poröser Form vorliegt, muß zur Lichtbogenerzeugung eine nicht-abschmelzende Elektrode verwendet werden. Bei entsprechender Kühlung erfüllen solche Elektroden gut ihren Zweck, so daß durch Energieumwandlung im Lichtbogen dem Schmelzbad so viel Wärmeenergie zugeführt werden kann, daß zugesetztes pulvriges oder körniges Material ebenfalls geschmolzen wird. Die Hitze des Lichtbogens wirkt aber selbstverständlich auch auf die Spitze der Elektrode und hat dort eine starke Erosion zur Folge, so daß bei Hochtemperaturanwendungen diese Technik sehr schwierig, wenn nicht unmöglich wird. Dies gilt besonders für die Verarbeitung hochschmelsender und reaktiver Metalle wie Niob, Molybdän, Wolfram, Zirkon und Titan.

Gemäß einem früheren Vorschlag des Anmelders (Patentanmeldung P I7 58772.5 bzw. USA-Patent J5 ^20 939) wurde zur Lösung der geschilderten Probleme eine rotierende Elektrode in Form eines Rades verwendet, wobei sich immer nur ein Abschnitt des die Elektrodenfläche bildenden Radumfanges in einer zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderlichen geringen Entfernung Über der Schmelze befindet. Nach dem Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Radumfang und der Schmelze wird das Rad in gleichförmige Drehung versetzt, um den Teil der Elektrodenf lache, von welchem der Lichtbogen ausgeht, ständig zu wechseln. Zur Erzielung eines Hochtemperatur-Lichtbogenschmelzvorganges ohne Zerstörung der Elektrode wird außerdem deren gesamte Oberfläche gekühlt, um sie auf hinreichend niedriger Temperatur zu halten.

Es wurde nun gefunden, daß eine'radartige Elektrode direkt über der Schmelze angeordnet werden kann, wobei sie in einer zur Schraelzbadoberflache parallelen Ebene rotiert und ßioh der gesamte Radumfang im wesentlichen Im

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gleichen Abstand über der Schmelze befindet. Dabei stellt sich überraschenderweise heraus, daß bei Drehung des Rades und Anlegen von Spannung zwischen dem Rad und der Schmelze ein oder mehrere Lichtbogen'gezündet werden, die in bezug auf die Schmelze angenähert ortsfest bleiben.

Demgemäß besitzt ein Lichtbogenofen der eingangs erwähnten Art ein Rad mit einer Nabe und einer von dieser herabreichenden elektrisch leibenden kreisförmigen Elektrodenflache, wobei das Rad im Gehäuse mittels einer Achse in eineV zur Oberfläche der Schmelze parallelen Ebene drehbar angeordnet ist, so daß sich die gesamte Elektrodenflache des Rades in der gleichen zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderlichen geringen Entfernung über der Oberseite des Materials in der Form befindet, Stromzuführungen für die Elektrodenflache des Rades und für das elektrisch leitende Material in der Form und eine Antriebseinrichtung zum Drehen des Rades während der Aufrechterhaltung des Lichtbogens, um den für die Lichtbogenerzeugung benützten Teil der Elektrodenfläche des Rades ständig zu wechseln, wobei die Nabe des Rades eine-Strahlungsabschirmung Über der Schmelze bildet.

Vorzugsweise ist das Rad mit einer inneren Flüssigkeitskühlung versehen, so daß durch die Kombination der Kühlung und des ständigen Wechsels der für die Lichtbogenentladung wirksamen Oberflächenwelle des Rades diese Oberflächenteile klein gehalten werden und ein intensiver Lichtbogen erzeugt wird ohne die Elektrode zu zerstören.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsfceispiels erläutert. Es zeigen: Fig. 1 im Schnitt einen Lichtbogenofen mit der Elektrodenanordnung und Fig. 2 die Elektrode dieses Ofens im Schnitt gemäß Linie 2-2 von Fig. 1.

Der Lichtbogenofen 10 besitzt ein Gehäuse 15, in welchem der Druck mit Hilfe einer Vakuumpumpe 16 vermindert werden kann. Die im Gehäuse 15 herzustellenden Vakuumbedingungen hängen von dem zu bearbeitenden Material und vorn Zweck der Bearbeitung ab. Der Schmelzprozeß kann aber auch in einer Atmosphäre von inerten Gasen oder Gasgemischen unter Druck durchgeführt werden. Letzteres ist manchmal erforderlich um ein Verdampfen des Materials oder einzelner Legierungsbestandteile hiervon zu verhindern.

Die Form, in der das Material geschmolzen wird, besteht, aus einem im Gehäuse 15 angeordneten Zylinder I9 mit lotrechter Achse, in welchem ein Boden 9.0 auf und ab bewegbar ist, so daß eine Stranggußkokille gebildet ist. Der Boden 20 sitzt auf einer Stange 21, die während eines Schmelzvorganges mittels der Vorrichtung 22 abwSrts bewegbar ist. Damit wird die Oberseite 25 der Schmelze 26 auf einer vorbestimmten Höhe gehalten. Beim Zusetzen von Material in die Schmelze 26 wird der Boden 20 entsprechend abgesenkt. Die hier beschriebene Kokillenausbildung ist nur eine von vielen Möglichkeiten und die erfindungsgemäß ausgebildete und angeordnete Elektrode kann selbstverständlich auch mit anderen

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Gießformen oder Schmelztiegeln kombiniert werden.

Die Elektrode ist als Rad 30 ausgebildet und über der Schmelze 26 angeordnet. Der Umfang des Rades 30 ist als vorspringende Elektrodenfläche j50a ausgebildet. Das Rad 30 ist waagerecht über der Schmelze 26 angeordnet, so daß sich die gesamte Elektrodenflache j50a im wesentlichen in der gleichen zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens erforderlichen Entfernung von der Oberseite der Schmelze befindet. Das Rad 30 ist mittels einer lotrechten Achse 36·drehbar, die in Lagern 31 und 32 gelagert ist, welche an Armen 33 bzw. 34 hängen. Diese Arme sind mit Hilfe eines Isolators 35 elektrisch isoliert am Gehäuse 15 befestigt. Die Achse 36 des Rades 30 ist durch eine elektrisch isolierende und drucksichere Dichtungsanordnung 39 aus dem Gehäuse I5 nach außen geführt und wird durch einen außerhalb des Gehäuses 15 angebrachten Motor 40 in Drehung versetzt.

Im Innern des'Rades 30 befindet sich eine Rohrschlange 42 mit einem Einlaß 45 und einem Auslaß 46, die beide bei der Achse 36 angeordnet sind. Wenigstens eine vollständige Windung 48 der Rohrschlange 42 ist in unmittelbarer Kähe des Umfanges 50 des Rades 30 vorgesehen. Die Achse 36 ist außerhalb dos Gehäuses 15 von einem Anschlußstück 51 umgeben, durch welches Kühlwasser für die Rohrschlange 42 zugeführt und aus dieser wieder abgeführt wird. An das Anschlußstück 51 sind ein Zuleitungsrohr 55 und ein Ableitungsrohr 56 für das Kühlvrasser angeschlossen, das durch Kanäle in der hohlen Achse 36 weitergeleitet wird. Die Zu- und Ableitung 55* 56 für V/asser.oder ein anderes Kühlmittel und der Motor 40 sind vom Gehäuse I5 elektrisch isoliert.

Über eine Leitung 60 und eine Stromübertragungseinrichtung öl ist ein Γοΐ einer elektrischen Energiequelle mit der Achse 36 und damit auch mit dem Rad 30 verbunden. Der andere Pol der Energiequelle ist mit Erde 62 und mit dem Zylinder 19 verbunden, so daß auch die Schmelze 26 auf Erdpotential liegt. Somit ist zwischen der Oberseite 25 der Schmelze und der Elektrodenfläche 30a des Rades eine PotenLialdifferenz vorhanden. Die Polarität zwischen dem Rad 30 und der Schmelze 26 kann auch umgekehrt werden, so daß der elektrische Strom von der Schmelze r,ur Elektrode fließt.

Das zu schmelzende Material kann auf herkömmliche Weise in die Schmelze 26 geleitet werden. In Fig. 1 ist hierfür eine Schurre 70 mio einer Luftschleuse 71 angevnitet. Das untere Ende der mit Material 73 beschickten Schurre 70 endet knapp Über der Form 19* 20.

Im Betrieb wird -Material 73 durch die Luftschleuse 71 Über die Schurre 70 in die Form 19, 20 eingeführt. Das Innere des Gehäuses Vj wird mit HiIf·? 0er Pumpe 16 bis auf den gewünschten Druck evakuiert. Der Motor -¹IO wird ein_L,er.n:.r_sluot um das Rad 30 in Drehung zu versetzen. Dann wird zwischen die Loitun^ Ov und Erde 62 Spannung angelegt um zwischen kleinen Bereichen dos Randen des Rao.on 30 und der Oberseite 25 der Schmelze 26 einen oder mehrere Lichtbogen 75 zu runden. Durch die im Lichtbogen in Wärme umgewandelte elektrische Energie werden die

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Teilchen 73 geschmolzen und bilden aie Schmelze 26. Die Temperatur der Form I9, 20 kann in an sich bekannter Weise durch Luft- oder Wasserkühlung geregelt v/erden. Infolge der Drehung des Rades 30 werden die G Lei 3 en neines vorspringenden Randes, von wo der (die) Lichtbogen 75 ausgeht (ausgehen), dauernd geändert.■ Während nur wenige Bogengrade des Umfangs 50 des Rades 30 ftir einen Lichtbogen in Anspruch genommen werden, wird der Übrige Teil des Umfangs unter Mitwirkung des Kühlwassers in der Rohrschlange 42 gekühlt. Es wird also in jedem Augenblick nur ein kleiner Teil des Umfangs des Rades 30 zur Lichtbogenbildung in Anspruch genommen, wogegen der größte Teil für die Kühlung zur Verfugung stehL. Das Rad 30 bildet zugleich eine Strahlungsabschirmung über der Form 19* 20 b~w. über der Schmelze 26 um die erforderliche hohe Temperatur zu erzielen bzw. nufrecht, zu erhalten.

Der Umriß des Heridianschnittes des Randes des Rades 30 aov/J e der Ab- | stand zwischen dem Rad und der Oberseite 25 der Schmelze 26 werden nuf herkömmliche V/eise festgelegt. Wenn die Erhitzung der Schmelze 26 fortgesetzt wird, wird das Material durch vorzeitige Verdampfung von Verunreinigungen und doren Abführung aus dem Gehäuse 15 gereinigt. Dann wird der Schmelze 26 Material 73 zugesetzt und der Boden 20 der Form wird abgesenkt,. Auf diese V/eise wird die Oberseite 25 der Schmelze stets in angenähert gleicher Höhe geha]Lon, damit der Spalt zwischen dieser Oberseite und dem Rand des Rades 30, wo der (die) Lichtbogen brennt (brennen), dauernd gleich groß bleibt.

Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist ein Lichtbogenofen zum Reinigen und Gießen von Material, das in körniger Form zugeführt wird. Das Elektrodenrad 30 kann aber auch in anderen, an sich bekann Lon 0fent3^rpen Verwendung finden. Obwohl nur dieses eine Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und genau beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, daß zahlreiehe andere Ausführungen und Abwandlungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche :

3. Lichtbogenofen mit wenigstens einer nicht-abschmelzenden und nicht-nbbrennenden Elektrode zum Schmelzen und Gießen von elektrisch leitendem Material, mit einem geschlossenen Gehäuse zur Erzielung einer definierten Atmosphäre und einer in diesem Gehäuse angeordneten Form, worin das Material t/*:.chMo].son wird, gekennzeichnet durch ein Rad (30) mit einer Kabc und einer von dieser herabreichenden elektrisch leitenden kreisförmigen Elekt/rououfl^cho (30a), wobei das Rad im ,Gehäuse (35) mittels einer Achse (36) in einer zur Oberfläche der Schmelze (26) parallelen Ebene drehbar angeordnet ist, so daß sici. dip gosamte Elcktrodenflache (30a) des Rades (30) in der gleichen i-.ur Aufrochtorhnltung des Lichtbogens (75) erforderlichen geringen Entfernung über der Oberseite

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BAD ÖRiQlk'AL

(25) dos Materials in der Form (19, 20) befindet, Stromzufiihrungen (60/ 6l; 62) für die ElekUrodenflKche (30a) des Rades (50) und fur das elektrisch uoitondo Material (26) in der Form (19, 20) und eine Antriebseinrichtung (4o) ^urn Drehen des Rades während der Auirechterha]tung des Lichtbogens (75) um den für die Lichtbogenerzeugung benützten Teil der Elektrodenfläche des Rades ständig zu wechseln, wobei die Nabe des Rades (30) eine Strahlungsabschirmung über der Schmelze (26) bildet.

2. Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Zuführen von zu schmelzendem Material (73) in die Form (I9, 20), beispielsweise eine Schurre (70), vorgesehen ist und daß eine Einrichtung (22) zum Absenken des Bodens (20) der Form vorhanden ist, damit die Oberseiue der Schmelze bzw. des Materials (26) in der Form auf gleichbleibender Höhe gehalten werden kann, so daß diese Oberseite in einer für die Aufrechterhaltung des Lichtbogens (75) günstigen geringen Entfernung von der wirksamen Elektrodenfläche (30a) des Rades (30) verbleibt.

3. Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (30) zwei Rohranschlüsse (45, 46) zum Einführen bzw. Ableiten eines Kühlmediums besitzt, die im Rad durch eine Leitung (Rohrschlange 42) verbunden sind, Vielehe nahe bei der Elektrodenflache (50) vorbeigeführt (48) ist, und daß eine Einrichtung zum Zuführen des Kühlmediums an den einen Rohranschluß (Einlaß 45) und zum Abführen Vbm anderen Rohranschluß (Auslaß 46) vorgesehen ist, so daß ein dauernder Umlauf von Kühlmedium durch die Leitung (Rohrschlange 42) erzielbar ist.

4. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (36) lotrecht angeordnet und druckdicht durch eine Wandung des Gehäuses (15) nach außen geführt ist, wo sich die Antriebseinrichtung (40) befindet.

5. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranschlüsse (45, 46) des Rades (30) durch Kanäle in der hohlen Achse (36) fortgesetzt sind .und daß außerhalb des Gehäuses (15) an ein die Achse (3S) umgebendes und mit deren Kanälen in Verbindung stehendes Anschlußstück (5I) ein Zuleitungsrohr (55) und ein Ableitungsrohr (56) für das Kühlmedium angeschlossen sind.

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