DE19839432C2 - Elektro-Schmelzanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektro-Schmelzanlage nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 sowie ein Verfahren für den Austausch einer Schmelzstelle einer Elek­ tro-Schmelzanlage durch eine andere Schmelzstelle.

Um hochreine Materialien zu erhalten, werden Körper, die aus diesem Material be­ stehen, umgeschmolzen. Ein bekanntes Umschmelzverfahren ist das sogenannte Elektroschlacken-Umschmelzen oder electroslag remelting (= ESR). Bei diesem Um­ schmelzverfahren wird in der Regel ein koaxialer Schmelzofen vorgesehen, in dem eine Schmelzelektrode umgeschmolzen wird. Das Umschmelzen dieser Elektrode er­ folgt durch (Wechsel-)Stromfluss durch die Elektrode, wobei sehr hohe Ströme (< 1000 A) bei relativ niedrigen Spannungen (50 V) fließen. Um einen elektrolyti­ schen Effekt zu vermeiden, der bei Gleichstrom auftreten würde, wird Wechselstrom verwendet, der oft allerdings nur eine relativ niedrige Frequenz von 2 bis 5 Hz hat. Aufgrund der hohen Ströme entstehen um die Stromzuführungsleiter starke Magnet­ felder, die das geschmolzene Material beeinflussen können. Damit sich diese Magnetfelder teilweise aufheben, werden die Stromzuführungsleitungen in mehrere parallele Zweige aufgeteilt, die symmetrisch um eine Kokille herum angeordnet sind.

Elektro-Schmelzanlagen mit einer sogenannten koaxialen Stromzuführung, bei wel­ cher die Rückleitung in mehrere Einzelleitungen aufgeteilt ist, die auf einem Kreis angeordnet sind und somit koaxial die Hinleitung umgeben, sind bereits bekannt (US-PS 4 262 159, US-PS 4 280 550). Die Elektroden dieser Anlagen können jedoch nicht an einer zweiten Schmelzstelle eingesetzt werden.

Um ein ökonomisches Umschmelzen zu ermöglichen, werden im Allgemeinen zwei Schmelzstellen vorgesehen, wobei nur an einer Schmelzstelle tatsächlich geschmol­ zen wird, während die andere Schmelzstelle für den Schmelzvorgang vorbereitet wird. Die Hebe- und Senkeinrichtungen für die umzuschmelzende Elektrode werden für beide Schmelzstellen vorgesehen, wodurch sich das Problem ergibt, dass die Hebe- und Senkvorrichtung schwenkbar ausgebildet sein muss.

Diese Schwenkbarkeit bedingt ihrerseits, dass die Stromzuführungen Trenn- bzw. Verbindungsstellen aufweisen müssen. Im Hinblick auf die Tatsache, dass jede Schmelzstelle vier elektrische Leitungsrohre aufweist, entstehen hierdurch hohe Stromzuführungskosten.

Es ist auch eine Elektro-Schmelzanlage bekannt, die einen ortsfesten ersten Teil be­ sitzt, der mit einem Hebe- und Senkmechanismus für eine Elektrode versehen ist und der eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Energiequelle und dem Hebe- und Senkmechanismus aufweist (WO 90/15163). Bei dieser bekannten Schmelzanlage wird der Schmelzstrom über die Kokillenwand und einen Flansch der Kokille in einen Ofenkessel geführt und von dort über Stromrohre und Kabel zurück zur Stromversorgung. Den erwähnten Ofenkessel, der für die Stromrückführung ver­ wendet werden kann, gibt es jedoch nur bei VAR- und PESR-Anlagen. Die Hauben auf offenen oder geschlossenen ESR-Anlagen sind für die Stromführung nicht ge­ eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektro-Schmelzanlage zu schaffen, bei welcher die Stromzuführungskosten stark reduziert sind.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Zahl der Kontaktstellen halbiert werden kann. Außerdem sind kürzere Stromführungen mög­ lich, wodurch geringere elektrische Verluste entstehen. Des Weiteren werden die Wartungsaufwendungen reduziert und die Bedienbarkeit verbessert, womit der Zu­ gang zu Schmelzstationen vereinfacht wird. Durch die Halbierung der Kontaktstellen wird weniger Kupfer benötigt und die Teilezahl wird verringert. Die Kosten werden somit stark reduziert. Eine weitere Kostenreduzierung entsteht durch den Wegfall von Antriebselementen und Ansteuerungsvorrichtungen. Da der Schmelzstrom von der Bodenplatte in Leitern geführt wird, die außerhalb des Schmelzraums oder den Wandungen des Schmelzraums liegen, wird eine definierte Stromrückführung ermög­ licht.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine als Elektrode dienende Bodenplatte, über der eine Kokille angeordnet ist, verfahrbar auszugestalten und nur noch mit elektrischen Anschlüssen an der jeweiligen Schmelzstelle durch ortsfeste Klemmen und dergleichen zu verbinden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine ESR-Anlage nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen ESR-Anlage;

Fig. 3 eine Draufsicht auf zwei schienengeführte Schmelzstellenwagen der ESR-Anlage gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Detailansicht eines Schmelzstellenwagens mit einer Bodenplatte.

In der Fig. 1 ist eine ESR-Anlage dargestellt, wie sie aus A. Choudhury, Vacuum Metallurgy, 1990, S. 136, Fig. 70, bekannt ist.

Ein Teil dieser ESR-Anlage 1 ist in dem Boden 2 eingelassen und von einem Beton- Mantel 3 umgeben. Ein anderer Teil der Anlage 1 ist oberirdisch angeordnet und weist ein sogenanntes Portal mit einer Portalbrücke 4 auf. Das Portal besitzt einen schwenkbaren Pfeiler 5 sowie eine Schwenkachse 6. Eine Schmelzelektrode 7 ist über einen Flansch 8 mit einer Vorschubstange 9 verbunden, die von einem Motoran­ trieb 10 angetrieben wird. Hierdurch ist es möglich, die Schmelzelektrode 7 in verti­ kaler Richtung zu bewegen. An ihrem unteren Ende geht die Schmelzelektrode 7 in einen Schlackenbereich 11 über, unter dem sich das Schmelzprodukt 12 der Elektro­ de 7 befindet. Die Schmelzelektrode 7 ist von einer Kokille 13 umgeben, die ihrer­ seits von vier Stromzuführungen umgeben ist, von denen man nur zwei Stromzufüh­ rungen 14, 15 in der Fig. 1 erkennt. Diese Stromzuführungen 14, 15 sind mit einer Bodenplatte 16 verbunden, die mit dem Schmelzprodukt 12 in Verbindung steht. Die Bodenplatte 16 ist mit Standfüßen 17, 18 versehen, auf denen das erstarrte Schmelz­ produkt 12 ruht, nachdem es aus der Kokille 13 genommen worden ist. Weitere Standfüße 19, 20 dienen dazu, eine Platte 21 zu stützen, auf welcher die Kokille 13 und Stromzuführungen 14, 15 ruhen.

Die Stromzuführung an die Elektrode 7 erfolgt in der Weise, dass ein erstes Kabel­ bündel 22 mit einem Gleitkontakt 23 verbunden ist, während ein zweites Kabelbün­ del 24 mit den Stromzuführungen 14, 15 in Verbindung steht. Ein Kabelbündel 22, 24 besteht in der Praxis aus vier Kabeln, von denen jedes mit dem Gleitkontakt 23 bzw. mit einer Stromzuführung 14, 15 verbunden ist. Insgesamt sind vier symme­ trisch angeordnete Stromzuführungen vorgesehen, die durch ihre Anordnung ähnlich wie eine Koaxialleitung wirken, d. h. die durch den Stromfluss erzeugten Magnetfel­ der heben sich durch die Anordnung der Stromzuführungen 14, 15 im Inneren der Schmelzelektrode 7 bzw. des Schmelzprodukts 12 auf.

Der Strom, bei dem es sich um einen Wechselstrom handelt, fließt über das Kabel­ bündel 22 zum Gleitkontakt 23 und von dort über die Schmelzelektrode 7, die Schlacke 11 und das Schmelzprodukt 12 zurück über die vier Stromzuführungen, von denen in der Fig. 1 nur die Stromzuführungen 14, 15 zu erkennen sind. Diese Strom­ zuführungen 14, 15 sind, wie bereits erwähnt, mit den vier Kabeln des Kabelbündels 24 verbunden.

Bei ESR-Anlagen werden üblicherweise zwei Schmelzstellen vorgesehen, um den Schmelzvorgang zu beschleunigen. Während in der einen Schmelzstelle noch ge­ schmolzen wird, werden bereits an der anderen Schmelzstelle Vorbereitungen für den nächsten Schmelzvorgang getroffen.

Ist der erste Schmelzvorgang abgeschlossen, wird der nicht abgeschmolzene Rest der Elektrode 7 hochgehoben. Sodann wird er durch eine Schwenkbewegung der Portal­ brücke 4 um die Achse 6 zur Seite geschwenkt und abgestellt. Damit diese Schwenk­ bewegung erfolgen kann, müssen Stromführungsstangen 26, 27 Trennstellen 28, 29 aufweisen. Das gesamte Portal 4, 5, 6 wird sodann in eine Position verschwenkt, in der sich die vorbereitete zweite Schmelzstelle befindet. Nachdem eine neue Schmelz­ elektrode eingesetzt wurde und die Stromführungsstangen 26, 27 mit neuen Stromzu­ führungen in Kontakt gebracht wurden, kann das Umschmelzen an der zweiten Um­ schmelzstelle beginnen.

Nachteilig ist bei diesen bekannten ESR-Anlagen mit verschwenkbarem Objekt, dass ein hoher Kupferbedarf erforderlich ist, weil an zwei Stellen Stromzuführungen 14, 15 vorgesehen sein müssen, die mit einer ebenfalls aus Kupfer bestehenden Boden­ platte 16 in Verbindung stehen. Es sind also vier Kabel zwischen einem nicht darge­ stellten Transformator und vier festen Stromrohren in der Portalbrücke, vier Kabel zwischen vier festen Stromrohren in der Portalbrücke und vier beweglichen Strom­ rohren im ESR-Ofenoberteil, die durch Pneumatikzylinder bewegt werden, erforder­ lich. Außerdem werden zwölf Pneumatikzylinder zum Herstellen und Lösen von Kontakten benötigt.

Außerdem ist es oft schwierig, die an den Trennstellen 28, 29 auftretenden Oxid­ schichten zu beseitigen. Bei diesen vier Trenn- oder Kontaktstellen handelt es sich um solche, die in etwa 1 m über Flur vorgesehen sind. Außerdem sind je vier Strom­ rohre pro Schmelzstation zwischen 1 m über Flur und der Bodenplatte notwendig, so­ wie je vier Kontaktstellen zwischen vier Stromrohren und der Bodenplatte der Schmelzstation. Des Weiteren werden Wägeeinrichtungen 30, 31, mit denen die Schmelzelektrode 7 gewogen wird, durch das Verschwenken des Portals oft dekali­ briert.

Sind bei einer Anlage gemäß Fig. 1 nur zwei Rückleiter vorgesehen, was bei kleine­ ren Anlagen durchaus möglich ist, gibt es insgesamt vier Kontaktstellen, die beim Wechsel von einer zur anderen Schmelzstation geöffnet bzw. geschlossen werden müssen, nämlich die Konstaktstellen 28, 29 und zwei Kontaktstellen im Bereich der Bodenplatte 16. Für eine Anlage mit vier Rückleitern sind dies entsprechend acht Kontaktstellen.

In der Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße ESR-Anlage 50 dargestellt, bei der nicht zwei feststehende Schmelzstationen und ein schwenkbares Ofenoberteil vorgesehen sind, sondern die ein feststehendes Ofenoberteil mit zwei verfahrbaren Schmelzstationen aufweist. Diese ESR-Anlage weist einen oberirdischen Teil 51 und einem unterirdi­ schen Teil 52 auf. Der unterirdische Teil befindet sich in einer Betonmulde 53, deren Rand gleichzeitig als Standplatz für Stützbeine 54, 55 des oberirdischen Teils 51 dient. Diese Stützbeine 54, 55 sind mit einer Brücke 56 verbunden. Brücke 56 und Stützbeine 54, 55 bilden ein sogenanntes Portal. Auf der Brücke 56 ist eine Wiege­ einrichtung 57 angeordnet, mit der das jeweilige Gewicht einer Schmelzelektrode 58 gewogen wird. Die Schmelzelektrode 58 taucht in ein Kokille 59 ein. Unter der Ko­ kille 59 befindet sich eine Bodenplatte 61, die an einen elektrischen Anschluss gelegt werden kann. Der elektrische Anschluss wird hierbei mittels Kontaktbacken 62, 63 zwischen der Bodenplatte 61 und vier Hochstromkabeln, von denen in der Fig. 2 nur die beiden Hochstromkabel 64, 65 sichtbar sind, hergestellt. Es können allerdings auch nur insgesamt zwei Rückleiter vorgesehen sein, weil für kleinere Anlagen, d. h. für Anlagen, bei denen der fließende Strom 18000 A nicht übersteigt, bereits zwei Rückleiter eine ausreichende Koaxialität bieten. Für größere Anlagen müssen jedoch vier Rückleiter vorgesehen sein. Die Bodenplatte 61 ruht auf einer Stütze 66, die auf einem fahrbaren Wagen 67 angeordnet ist. Dieser Wagen 67 ist auf Schienen 68, 69 geführt. Mit Hilfe von Pneumatikzylindern 70, 71 und eines Hebelmechanismus 72, 73 werden die Kontaktbacken 62, 63 geöffnet und geschlossen. Etwa in Höhe eines Mannes 74 befinden sich Kupplungen 75, 76, welche die Hochstromkabel 64, 65 mit elektrischen Leiterstäben 77, 78 verbinden. Diese Leiterstäbe 77, 78 sind bis zur Por­ talbrücke 56 geführt und zweigen dort in Richtung eines Transformators 79 ab. Ein Schleifkontakt 80 steht mit einem elektrischen Leiter 81 in Verbindung, der ebenfalls an den Transformator 79 angeschlossen ist. Mit 39 sind Anschlussfahnen bezeichnet, über die wassergekühlte Stromrohre an aus Kupferplatten bestehende Anschlüsse des Transformators 79 angeschlossen sind.

Wird der obere Teil 82 der Schmelzelektrode mittels einer Kupplung 83, 84, die eine Schnappverbindung sein kann, mit dem Leiter 81 verbunden, fließt ein Strom über diesen Leiter 81 in die Schmelzelektrode 59 und von dieser in die Bodenplatte 61, von wo aus er über die Hochstromkabel 64, 65 und die Leiterstäbe 77, 78 rückgeführt wird.

Mit 41, 42 sind Verbindungselemente zwischen wassergekühlten Stromrohren 77, 78 und wassergekühlten Stromkabeln 37, 38 bezeichnet. Bei den Elementen 43, 44 han­ delt es sich um Verbindungselemente zwischen wassergekühlten Stromrohren, die an dieser Stelle für den Transport der Anlage getrennt wurden. Die Verbindungselemen­ te 75, 76 entsprechen funktionsmäßig den Verbindungselementen 41, 42. Alle diese Verbindungselemente werden bei der Montage der Anlage geschlossen und während des Betriebs nicht mehr geöffnet.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage gibt es dann, wenn nur zwei Rückleiter 77, 78 vorgesehen sind, nur noch zwei Kontaktstellen, und zwar einen Bereich der Boden­ platte 61 zwischen dieser Bodenplatte 61 und den Kontaktbacken 62, 63 bzw. 98, 99. Bei vier Rückleitern gibt es demgemäß nur noch vier Kontaktstellen.

In der Fig. 3 ist ein Schnitt C-D durch die Fig. 2 gezeigt, bei dem auch eine zweite Schmelzstelle erkennbar ist. Links erkennt man den aus der Fig. 2 bekannten Schmelzwagen 67, der auf den Schienen 68, 69 laufen kann. Ein zweiter Wagen 90, welcher einer zweiten Schmelzstelle zugeordnet ist, kann ebenfalls auf den Schienen 68, 69 laufen.

Beide Wagen 67, 90 haben eigene Antriebe, was durch die Elektromotoren 91, 92 bzw. 93, 94 angedeutet ist. Auf den Wagen 67, 90 erkennt man Bodenplatten 61, 95, die mit Hochstromkabeln verbunden werden können.

Diese Hochstromkabel sind an den Stellen 98, 99 der Kontaktbacken 63, 62 in diese eingelötet.

Ist der Schmelzvorgang am ersten Schmelzstellenwagen 67 beendet, wird dieser Wa­ gen 67 nach links gefahren, und der vorbereitete zweite Schmelzstellenwagen 90 rückt nach. Der Schmelzvorgang kann nun auf diesem Wagen 90 beginnen.

Ist der Schmelzvorgang am Schmelzstellenwagen 90 beendet, wird er wieder in seine alte Position zurückgefahren, und der Schmelzstellenwagen 67 nimmt seine Position ein. Der Wagen 67 bewegt sich somit entlang der Strecke x₁ von der Position I' zur Position II' und umgekehrt, während sich der Wagen 90 entlang der Strecke x₂ von der Position II' zur Position III' und umgekehrt bewegt. Nach dem Ende eines Schmelzvorgangs und dem Öffnen der Stromkontakte wird der Wagen 67 also mit Kokille 59, Bodenplatte 61 und Absaughaube 89 seitlich verfahren, und nach Entfer­ nen der Absaughaube 89 wird die Kokille 59 mitsamt Bodenplatte 61 und erschmol­ zenem Block 12 mit einem Hallenkran vom Wagen 67 weggehoben. Bevor der Wa­ gen 67 wegfährt, werden nur die Kontaktbacken 62, 63 von der Bodenplatte 61 ge­ löst. Die Verbindungen 75, 76 oder gar die Verbindungen 43, 44 bzw. 41, 42 werden dabei nicht geöffnet.

In der Fig. 4 ist der untere Teil der Fig. 2 noch einmal im Detail dargestellt. Man er­ kennt hierbei die Kokille 59, die z. B. aus Kupfer besteht und von einem Zylinderrohr 110 umgeben ist, durch welches Kühlwasser fließt. Die Bodenplatte 61 kann über den beweglichen Kontaktbacken 63 mit dem Hochstromkabel 65 verbunden werden, bei dem es sich hier beispielsweise um ein flexibles Kabel handelt. Der Pneumatikzy­ linder 71 greift an den Hebelmechanismus 73 an, der um einen Drehpunkt 111 dreh­ bar ist.

Bei den Rohren 113, 114 handelt es sich um Kühlrohre für die Bodenplatte, die für die Wasserzufuhr und die Wasserabfuhr vorgesehen sind. Mit 120 ist ein Stützrohr für die Bodenplatte 61 bezeichnet, das einem ähnlichen Zweck dient wie die Stütz­ rohre 18 und 19 in Fig. 1. Für die Grobzentrierung beim Aufsetzen der Kokille 59 auf den Wagen 67 sind Einweiser 121, 122 vorgesehen. Die Stege 125, 126 dienen zur Feinzentrierung.

Claims (11)

1. Elektro-Schmelzanlage, mit

• 1. einem ortsfesten ersten Teil, der
  • 1. einen Hebe- und Senkmechanismus (32 bis 36) für eine Elektrode (58) sowie
  • 2. eine elektrische Verbindung (81) zwischen einer elektrischen Energiequelle (79) und dem Hebe- und Senkmechanismus (32 bis 36) aufweist;
• 2. einen zweiten Teil, der unterhalb des ersten Teils angeordnet ist und der wenigstens eine verfahrbare Kokille (59) enthält;

gekennzeichnet durch

• 1. wenigstens zwei Hochstromleitungen (64, 65, 77, 78) gleicher Polarität, welche
  • 1. die elektrische Energiequelle (79) mit dem Boden der Kokille (59) verbinden und
  • 2. in einem Abstand von der Kokille (59) und einander gegenüberliegend verlaufen;
  • 3. wobei die unteren Enden der Hochstromleitungen (64, 65, 77, 78) über Kon­ taktbacken (62, 63) mit dem Baden der Kokille (59) verbindbar sind.

2. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei räumlich voneinander getrennte Schmelzstellen vorgesehen sind, zwischen denen der eine Kokille (59) aufweisende Bereich (67) hin- und herfahrbar ist.

3. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der orts­ feste erste Teil (32 bis 36, 58, 79, 81) im wesentlichen oberirdisch angeordnet ist, während der zweite, die Kokille (59) aufweisende Teil im wesentlichen unterirdisch angeordnet ist.

4. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Hochstromleitungen vorgesehen sind, die äquidistant auf einem um die Kokille (59) gedachten Kreis liegen.

5. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elek­ trische Verbindung aus Hochstromkabeln (37, 38) besteht und entlang einer Brücke (56), die von Pfeilern (54, 55) getragen wird, mit der elektrischen Energiequelle (79) verbunden ist.

6. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebe- und Senkmechanismus (32 bis 36) mit einem Ende (83) der Elektrode (58) koppelbar ist und einen Schleifkontakt aufweist, der mit einem elektrischen Leiter (81) in elektrischer Verbindung steht, wobei dieser Leiter (81) mit einer Energie­ quelle (79) verbunden ist.

7. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ko­ kille auf einem Wagen (67) angeordnet ist, der auf Schienen (68, 69) verfahrbar ist.

8. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochstromleitungen (77, 78) in ihrem unteren Bereich (64, 65) flexibel sind.

9. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kon­ taktbacken (62, 63) mittels eines Hebels (73) betätigbar sind, der durch einen An­ triebszylinder (71) um einen Drehpunkt (111) schwenkbar ist.

10. Elektro-Schmelzanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagen (67, 90) einen eigenen Motorantrieb (91, 92; 93, 94) besitzt.

11. Verfahren für den Austausch einer Schmelzstelle (67, 61, 59) einer Elektro- Schmelzanlage durch eine andere Schmelzstelle (90, 95), gekennzeichnet durch fol­ gende Schritte:

• a) es wird ein erster Wagen (67) mit einer Kokille (59) und einer Bodenplatte (61) unter der Kokille (59) in einen Schmelzbereich der Schmelzanlage (50) gebracht;
• b) die Bodenplatte (61) wird über Kontaktbacken (62, 63) mit elektrischen Leitungen (64, 65, 77, 78) verbunden;
• c) es wird eine Elektrode (58) mittels Stromfluss durch diese Elektrode (58) ge­ schmolzen;
• d) nach dem Schmelzen der Elektrode (58) wird der erste Wagen (67) mit Kokille (59) und Bodenplatte (61) aus dem Schmelzbereich herausgefahren;
• e) es wird ein zweiter Wagen (90) mit Kokille und Bodenplatte in den Schmelzbe­ reich hineingefahren;
• f) die Schritte b) bis d) werden mit dem zweiten Wagen (90) durchgeführt.