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Vorrichtung zur Elektro-Schlacken- Umschmelzen von Metallen Die Erfindung
betrifft eine Anlage zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen, vorzugsweise
von Stählen, mittels mehrphasigem Wechselstrom (Drehstrom), mit mehreren Abschmelzelektroden
aus dem umzuschmelzenden Metall sowie einer oder mehreren Hilfselektroden.
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Die Hilfselektroden dienen dazu, ein einmaliges oder mehrmaliges Auswechseln
der Abschmelzelektroden, d.h. also ein Nachchargieren derselben während die Elektro-Schlacken-Umschmelzens
zu ermöglichen.
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Beim Elektro-Schlacken-Umschmelzen in seiner einfachsten Form wird
eine Elektrode aus demselben ilerkstoff, aus welchem ein neuer Gußblock erzeugt
werden soll, innerhalb einer wassergekühlten kokille in eine Schicht flussiger,
elektrisch leitfähiger Schlacke eingetaucht. Zwischen dem Kokillenboden und der
Elektrode wird ein elektrisches Feld angelegt, durch welches ein Strom in der flüssigen
Schlacke erzeugt wird, der diese Schlacke weiter erhitzt und die Elektrode zum Schmelzen
bringt. Das abschmelzende Metall tropft vom unteren Ende der Elektrode nach unten
und baut einen neuen Gullblock auf, welcher üblicherweise größeren Durchmesser hat
als die I,lektrode, und zwar denselben Durchmesser wie die Kokille. Geeignete Vorrichtungen
zur Durchführung dieses Verfahrens sind bekannt (so z.B. DAS 1162 094; Bericht N
139 Elektrowärmekongreß Jlrighton 1968; Stahl und Eisen 88 (1968) 1193-1202).
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Den bekannten Vorrichtungen haften folgende prinzipielle verfahrensbedingte
Nachteile an DA die Elektrode in die Kokille eintauchen muß, kann ihr Durchmesser
nur etwa O,G bis 0t7 des Durchmessers des herzustellenden i3lockes betragen. Die
Elektroden werden also sehr lang.
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@ill man z.B. 3 m lange Blöcke herstellen, ao müssen die Elektroden
6 bis 9 m lang werden. Bei der Verwendung des aus metallurgischen Gründen vorzuziehenden
Wechselstroms ergeben sich hierbei hohe Induktivitäten, die zu ungünstiger Energieausnützung
führen. Zur
Abhilfe sind Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Block
aus mehreren nacheinander chargierten Elektroden hergestellt wird, welche dann natürlich
kürzer sein dürfen (s. z.B. Bericht N 139 Elektrowärmekongreß Brighton l968). Will
man Blöcke sehr großen Durchmessers herstellen (z.B. 0,8 bis 2 mm Durchmesser),
so muß man sehr hohe Ströme verwenden, deren saubere hührung außerordentliche, mechanische
und elektrotechnische Schwierigkeiten verursacht. Ferner ist infolge der großen
Induktivitäten die Energieausnutzung schlecht. Als Abhilfe wurde vorgeschlagen,
mehrphasigen Strom zu verwenden. Berartige Anlagen wurden auch schon gebaut. Z.B.
konnen zwei, drei oder mehrere Elektroden in eine Kokille eintauchen, wobei diese
Elektroden mit den Polen einer zwei-, bzw. drei-, bzw mehrphasigen Stromquelle verbunden
werden (s. z.B. Bereicht N 131, 6. Intern. Elektrowärmekongreß Brighton 1968). Durch
die parallele rührung dem Stromes wird hierbei die Induktivität stark verkleinert
und der elektrische Wirkungsgrad verbessert. Ferner sind die von den einzelnen Elektroden
aufzunehmenden Ströme nur ein entsprechender Bruchteil dessen, was bei einphasigem
Betrieb nötig wäre.
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eim mehrphasigen Betrieb, insbesondere beim dreiphasigen Betrieb,
wird nun aber das Nachchargieren kurzer Elektroden so kompliziert, daß es bis heute
nicht praktiziert werden kann. In der bisherigen Praxis konnten deshalb Anlagen-
für dreiphasigen Betrieb nur für begrenzte Blocklängen (maximal 2 m> gebaut werden,
die aber bereits Höhen der Elektroden-Trageeinrichtungen von ca. 10 m erforderlich
machten. Entsprechend steigt der Anlagenaufwand durch llallen- und Kranbahnhöhe,
Fundamente usw. Auch die Betriebskosten erhöhen sich, da die herstellung langer,
dünner Elektroden aufwendig und mit Ausschußrisiko behaftet ist Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, beim mehrphasigen Betrieb, insbesondere beim dreiphasigen
Betrieb, ebenfalls die Herstellung großer Umschmelzblöcke aus nachchargierten kurzen
Elektroden zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird in einer mit mehreren Transformator-Regelaggregaten
ausgerüsteten Mehrphasen-Elektro-Schlacken-Umschmelzanlage dadurch gelöst, daß mindestens
ein hochatromseitiger Anschluß der Transfornator-
Regelaggregate
mit einer nicht abschmelzenden Hilfselecktrode in einer Tragevorrichtung verbunden
ist und die weiteren einzeln mit seitlich verschwenkbaren Tragevorrichtungen für
Abschmelzelektroden verbunden sind, die unter Aufrechterhaltung der Stromzufuhr
zur Hilfselektrode einen Wechsel der Abschnelzelektrode ermöglichen.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausfuhrung wird die Stromzufuhr zur Hilfselektrode
während der gesamten Herstellungsdauer eines Umschmelzblockes nicht unterbruchen.
Dadurch werden die sonst beim Nachchargieren auftretenden Gefugeinhomogenitaten
in ihrer Auswirkung stark vermindert. In einer weiteren Ausgestaltungsform der erfindung
läuft sich darüber hinaus die Stromzufuhr zur Hilfselektrode bzw. zu den llilfselektroden
währeiid des Abschmelzens der selbstverzehrenden Elektroden konstant halten und
über eine Hilfsschaltung während der Nachchargierpause in vorgewählter Weise erllolkell.
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I)ie mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß man bei der Erzeugung von Umschelzblocken großen Querschnitts mit deii verhältnismäßig
gegenuber dem Einphasenbetrieb niedrigen Stromstiirken des @chrphasenbetriebs arbeiten
kann, den mit dem J)reiphasenbetrieb gegenüber dem Einphasenbetrieb besseren elektrischen
Wirkungsgrad bekommt und trotzdem die lilocke aus einer Vielzahl von nacheinander
chargierten in konventioneller Technik herzustellenden kurzen Elektroden aufbaut,
wobei im Gegensatz zu der bekannten Nachchargiertechnik beim Einphasenbetrieb auch
während des Nachchargierens keine Unterbrechung des Materialzustrom zum Schmelzsumpf
erfolgt, da mindestens eine Elektrode weiter abscllmilzt.
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Ausfuhrungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im folgenden
anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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fig 1 stellt eine dreiphasige Anlage im AufriU dar.
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Fig. 2 stellt eine dreiphasige Anlage gemäß Fig. 1 im Grundriß dar.
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Fig. 3 stellt schematisch den Betrieb einer sechsphasigen Anlage zum
Anschluß an ein dreiphasiger Drehstromnetz dar,
Fig 1 stellt im
wesentlichen den mechanischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der
speziellen Ausführungsfortil für den Anschluß an ein technisches Drehstromnetz mit
drei Phasen dar, Die Anlage enthält drei senkrechte Führungsmasten 1, 1', 2. Auf
den beiden Führungsmasten 1 und 1' bewegt sich jeweils ein Elektroden-Tragewagen
3 bzw. 3' senkrecht auf oder ab. Die Elektrodenwagen 3 und 3' haben Aufnahmevorrichtungen
4 bzw. 4' für selbstverzehrende Elektroden 5 bzw. 5'. Auf dem Führungsmast 2 läuft
ein Elektroden-Tragewagen 6 auf und ab mit einer Aufnahmevorrichtung 7 für eine
nicht selbstverzehrende Elektrode 8. Alle Elektroden-Tragewagen können mittels geregelter
Antriebsvorrichtungen an den Führunfgsmasten auf und nb bewegt werdeii. Die geregelten
Antriebsvorrichtungen sind in fig l als Seilwinden 9 bzw. 10 dargestellt. Die selbstverzehrenden
Elektroden 5 und 5' sowie die nicht selbstverzehrende Elektrode 8 können gemeinsam
ins Innere einer wassergekühlten Kokille 11 eingefahren werden, welche aus einer
wassergekühlten Ifodeuplatte 12 und wassergekühlten Seitenwänden 15 besteht. Die
Seitenwände 13 können entweder -wie in Fig. 1 dargestellt- während des gesamten
Schmelzprozesses auf der dodenplatte 12 stehen bleiben bzw. mit dieser zu einer
unten geschlossenen Kokille verbunden sein oder sie konnen in Form einer Strangschmelzkokille
während des Schmelzprozesses nach oben gefahren werden.
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Die Stromzufuhr des Dreiphasenstroms erfolgt über Hochstromkabel 14,
14' nicht abgebildet) bzw. 15, welche einerseits mit der Bodenplatte 12, andererseits
mit den Elektroden-Aufnahmevorrichtungen 4, 4' bzw. 7 verbunden sind. Im Innern
der Kokille 11 baut sich in der dem Fachmann geläufigen Weise unter einer Schicht
elektrisch leitender, geschmolzener Schlacke 16 ein Gußblock 17 langsam von unten
nach oben auf, wobei der sich aufbauende Gußblock aus dem abachmelzenden Material
der selbstverzelirenden Elektroden 5 bzw. 5' gebildet wird. Die mit der dritten
Phase verbundene nicht selbstverzehrende' Elektrode 8 dient dabei zur-kontinuierlicllen
Beheizung des Schmelzbades, ohne selbst zum Aufbau des Blockes beizutragen.
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Aus Fig. 2 ist die elektriacne Schaltung zu ersehen. hier sind an
ein technisches Drehstromnetz mit drei Phasen, die gegeneinander meist um 120° verschoben
sind, in an sich bekannter Weise drei Einphasen-Transformatoren angeschlossen. enn
die drei Phasen mit lt, 8, T bezeichnet werden, so kann der Trimäranschluß der drei
Transformatoren entweder -wie in Fig. 2 dargestellt- zwischen lt S, S T, T lt erfolgen
(l)reieckschaltung) oder zwischen lt und Nulleiter, S und Nulleiter, 1 und Nulleiter
(Sternachaltung).
Die sekundärseiten der drei Transformatoren 21, 21', 22 sind in ihrem Ausgang geregelt,
sei es direkt, sei es über 'Zwischentransformatoren, sei es über vorgeschaltete
thyristorgesteuerte oder transduktorgesteuerte Regelaggregate. Es stehen also drei
phasenverschobene Ströme zur Verfügung, die jeweils individuell hinsichtlich Strom
und Spannung geregelt werden können.
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Die geregelten, hochstromseitigen Ausgangsleitungen 14, 14', 15 sind
mit je einem Pol elektrisch untereinander verbunden, wobei diese Verbindung 23 je
nach Bedarf geerdet werden kann Der zweite lol des Transformators 21 ist elektrisch
mit der Elektrodenhalterung 4 verbunden, welche die selbstverzehrende elektrode
5 trägt. Der zweite Pol des 11ransformators 21' ist elektrisch mit der Elektrodenhalterung
4' verbunden, welche die selbstverzehrende Elektrode 5' trägt. Der zweite Pol des
Transformators 22 ist elektrisch mit der Elektrodenhalterung 7 verbunden, welche
die nicht selbstverzehrende Elektrode 8 trägt.
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Alle Elektrodenhalter 4, 4', 7 sind in ihrer Höhe regelbar verstellbar.
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Die lektroden-Tragewagen 3, 3', 6 sind darüber hinaus seitlich verfahrbar.
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Diese Verfahrbarkeit ist dabei so gewählt, daß die nicht selbstverzehrende
Elektrode 8 sowie die beiden selbstverzehrenden elektroden 5, 5 ' gemeinsam in die
Kokille 11 eintauchen können Im Betrieb werden nun Ströme etwa der gleichen Größenordnung
übersämtliche drei Elektroden geschickt.
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hierbei schmelzen die beiden selbstverzehrenden Elektroden ab, die
nicht selbstverzehrende Elektrode 8 praktisch nicht. Hinsichtlich der Badbewegung
in der Schlacke 1G und dem sich darunter bildenden Sumpf aus fliissigem Metall 19
verhiilt sich die Anordnung aus selbstverzehrellden Elektroden und einer nicht selbstverzehrenden
Elektrode so, als wären es drei selbstverzehrende Elektrode D.h., man bekommt eine
gleichmäßige Badrotation und im iibriKen die gleichen metallurgischen und elektrotechnischen
Vorteile wie bei einem Betrieb mit drei selbstverzehrenden Elektroden.
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Ist nun eine der selbstverzehrenden Elektroden 5, 5' verbraucht, so
wird dercn Rest unter Aufrechterhaltung der Schmelzbadbeheizung durch die nicht
selbstverzehrende Elektrode 8 aus dem Schlackenband 16 herausgeiahren. Der Elektrodenwagen
3 bzw. 3t wird zur Seite geschwenkt und es wird eine neue Elektrode 5 bzw. 5' eingesetzt.
Diese neue Elektrode wird wiederum über die Kokille 11 zurückgeschwenkt und in diese
eingetaucht, wonach der Schmelzprozess wie vorher weiterläuft. während der Unterbrechung
wird die Stromzufuhr zu den übrigen Elektroden so eingeregelt,
daß
die flüssige Grenzschicht zwischen Schlacke 16 und betallsumpf 19 die gleiche spezifische
Energiebelastung bekommt wie bei dreiphasigem Betrieb. Dies ist relativ einfach
möglich, da die gesamte benötigte Leistung ja um den Betrag gegenuber dem dreiphasigen
Betrieb kleiner ist, der benötigt wird, um das Metall aufzuheizen, aufzuschmelzen
und zu überhitzen.
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Gegebenenfalls kann die Elektrodenhalterung 7 für die nicht selbstverzehrende
Elektrode so ausgerüstet sein, daß diese Elektrode 8 während der Pause verfahren
werden kann, z.B. in die kokillenmitte. Dieses Verfahren ist in Fig. 2 durch einen
Pfeil angedeutet.
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Die Vorrichtung läßt sich auch sehr gut für zweiphasigen, vierphasigen
oder sechsphasigen Wechselstrom einrichten. Wie solcher @echselstrom aus dem öffentlichen
Drehstromnetz gewonnen werden kann, ist dem Fachmann bekannt. Zum Beispiel läßt
sich -wie in Fig. 3 dargestellt- sechsphasiger Stromt mit um 60° verschobenen Phasen
mittels sechs Einphasen-Transformatoren herstellen, die jeweils an die Phasen IL
S, S T und T R angeschlossen werden.
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Die besonders für die Herstellung von Gußblöcken mit rechteckigem
Querschnitt geeignete Ausführung mit sechsphasigem Wechselstrom ist in ihrem Aufbau
in Fig, 3 skizziert. hierbei werden die drei Transformatoren 41, 41', 41'' genauso
wie die Transformatoren 21, 21' und 22 in Fig 2 an die Phasen R, ; und T des dreiphasigen
l)rehstromnetzes angeschlossen. Jeweils ein Pol der hochstromseitigen Ausgänge der
Transformatoren 41, 41', 41'' ist elektrisch mit der halterung einer der selbstverzehrenden
Elektroden 51, 51', 51'' verbunden. Insoweit ist die Anlage mit einer normulen dreiphasigen
Anlage mit um 1200 verschobenen Phasen und drei selbstverzehrenden Elektroden identisch.
Zusätzlich werden erfindungsgemäß die drei transformatoren 42, 42', 42'' in anderer
Phasenlage an die drei Phasen des Drehstromnetzes angeschlossen. Der Anschuß ist
so, daß die Ausgänge sller sechs Transformatoren 41, 42, 41', 42', 41'', 42'' um
je 600 gegeneinander phasenverschoben sind. i)ie hochstromseitigen Ausgänge der
Transformatoren 42, 42', 42'' werden jeweils mit der Elektrodenhalterung 52, 52',
52'' für je eine nicht selbstverzehrende Elektrode verbunden. Die drei Elektroden,
welche von den Elektrodenhalterungen 51, 51', 51'' sowie die drei Elektroden, welche
von den Llektrodenhalterungen 52,52', 52'' getragen werden, tauchen gemeinsam in
eine wassergekühlte Kokille 61 ein.
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I)er Betrieb dieser Vorrichtung kann analog d-er in Fig. 1 bzw. Fig.
2 dargestellten Vorrichtung erfolgen. dabei kann man entweder alle drei selbstverzehrenden
Elektroden gleichzeitig ausschwenken und durch neue Elektroden ersetzen, wobei die
Beheizung des Schmelzbades durch die drei nicht selbstverzehrende Elektroden aufrechterhalten
wird. Oder man kann einzelne der drei selbstverzehrenden Elektroden während des
Verfahrens ersetzen, wobei die jeweils korrespondierende nicht selbstverzehrende
Elektrode in ihrer elektrischen Leistung etwas höher geschaltet wird.
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I)ie angegebenen Beispiele dienen nur zur Veranschaulichung der erfindun,rsgemäßen
Vorrichtung und können in mannigfacher Weise abgewandelt werden.
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Insbesondere können statt mehrerer Einphasen-Transformatoren auch
in geeigneter Weise geschaltete Mehrphasen-Transformatoren verwendet werden0