DE2104753A1

DE2104753A1 - Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE2104753A1
Application number: DE19712104753
Authority: DE
Inventors: George A Export Akers Ronald R Trafford Pa Kemeny (V St A )
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-02-05
Filing date: 1971-02-02
Publication date: 1971-08-12
Also published as: FR2078262A5; GB1342529A; CA954571A; US3597519A

Description

W.5O9

FATE	NTANWALT
DIPL. ING.	R. HÖLZER
ίϊί> Α	ü G S B IT ί? O
PHILIPPINE	-WELSKK-STRASSB U
	LWroBr. S137S

Augsburg, den 1. Februar 1971

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania,

V₀St₀A₈

Lichtbogenofen

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenofen, welcher eine Gießform zur Aufnahme von ihr jeweils zugeführtem, mindestens teilweise elektrisch leitendem Material und eine mit Bezug auf die Gießform in einer bestimmten Lage drehbar angeordne-

Ul 3 3 / U U

te Elektrode mit einer sie tragenden Welle aufweist, wobei die im wesentlichen scheibenförmige, eine lichtbogenerzeugende Fläche bildende Elektrodenspitze mit Bezug auf die Oberfläche der in der Gießform vorhandenen Schmelze in einer bestimmten Ebene liegt und das Schmelzbad und die Elektrode zwecks Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen diesen beiden an Anschlüsse entgegengesetzter Polarität einer Stromquelle anschließbar sind.

Aus den US-PS 3 368 018, 3 369 067, 3 377 418 und 3 385 987 ist bereits die Verwendung von mittels strömungsmittelgekühlten Elektroden in Lichtbogenofen bekannt und aus der US-PS 3 420 939 ist die Verwendung von sich drehenden Elektroden bekannt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Lichtbogenöfen einen besseren Wirkungsrad zu erzielen,,

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen um die Gießform herum angeordneten Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes gelöst, dessen Feldlinien im wesentlichen axial durch die Gießform verlaufen,,

Gemäß einer weiteren Lösung der Erfindung ist ein Lichtbogenofen, welcher ein Ofengehäuse und eine Gießform zur Auf-

Π 9 B 3 3 / U 1 4

210Λ753

nähme von mindestens teilweise elektrisch leitendem, zu schmelzendem Material sowie eine im Ofengehäuse mit Bezug auf die Gießform in einer bestimmten Lage angeordnete Elektrode aufweist, gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode ein sich drehendes, eine lichtbogenerzeugende Fläche bildendes Elektrodenrad aufweist, welches mit Bezug auf die Oberfläche der Schmelze in einer bestimmten Ebene liegt, daß ferner in an sich bekannter Weise Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und der Schmelze vorgesehen sind, und daß auf dem sich drehenden Elektrodenrad ein Hagnet angeordnet ist, dessen Magnetfeld eine Relativbewegung zwischen der Elektrode und dem Lichtbogen erzeugt bzw. unterstützt und den Lichtbogen fokussiert_o

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeir,(

Fig. 1 einen schematischen Axial-Verti-

kalschnitt durch eine Ausführungs forir. eines Lichtbogenofens nach der Erfindung,

Fir:c 2 eine ähnliche Ansicht einer wei-

teren Ausführungsform eines Lichtbogenofens nach der Erfindung,

die Pig« 3A und 3B schematische Schnittansichten

einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Lichtbogenofens nach der Erfindung, und

die Fig. 4A und 4B schematische Schnittdarstellungen ψ einer ebenfalls nochmals weiteren

Ausführungsform eines Lichtbogenofens nach der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Lichtbogenofens nach der Erfindung bildet ein Ofengehäuse 20 eine Kammer 19, deren Atmosphäre entsprechend gesteuert wird und in welcher der Druck mittels einer mit dieser Kammer 19 in Verbindung stehenden Vakuumpumpe 26 k auf einem bestimmten Wert gehalten wird₀ Innerhalb des Ofengehäuses 20 ist im wesentlichen zentral eine Gießform angeordnet, in welcher sich von einem Trichter 23 über eine Rutsche 2¹I zugeführtes Material 22 befindet, welches in dieser Gießform 21 zu Barren oder dergl_e geformt wird, /m dem zurückziehbaren Boden 25 der Gießform ist eine ^'-an-K/3 ST bsfestigt, die mittels einer Betg1;i;;urna·"' ':r: ■■.'■.:*■■--.-r,^

BAD

b~

derart bewegt werden kann, daß der Boden 25 in dem Maße nach unten zurückgezogen wird, wie dem Bad 31 der Gießform 21 Material zugeführt wird. Eine Elektrode 33 verbleibt im wesentlichen konstant in ihrer dargestellten Stellung, während zwischen der Lichtbogenfläche dieser Elektrode und der Oberfläche der Schmelze eine im wesentlichen gleichförmige Lichtbogenlänge aufrechterhalten wird₀ Die aus einem Material mit nicht zu kleiner Reluktanz bestehende, beispielsweise zylindrische Gießform wird von einer an ihrer Außenwandung angeordneten, ein bestimmtes Magnetfeld erzeugenden Magnetspule umgeben, welche längs der Gießformwand axial verstellbar ist. Die Magnetspule 36 wird über Leitungen 37 und 38 jeweils mit einem entsprechenden Erregerstrom versorgt₀ Diese Leitungen 37 und 38 können durch die Wand des Ofengehäuses 20 hindurchgeführt sein. Zur Peststellung der Magnetspule 36 jeweils in einer bestimmten Axialstellung an der Gießform 21 dienen entsprechende nicht dargestellte Mittel. Die Magnetspule 36 erzeugt jeweils ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien im wesentlichen axial durch die Gießform verlaufen und sich im wesentlichen axial zwischen der Schmelze 31 und der Lichtbogenfläche der Elektrode 33 erstrecken sowie im wesentlichen in axialer Richtung durch einen Zwischenraum hindurchverlaufen, welcher zwischen dem Außenumfang eines scheiben- bzw. tellerartigen Elektrodenteiles ¹IO und der Innenwandung der Gieß-

10 9ini

form 21 gebildet ist.

Die sich zwischen der Elektrode und der Schmelze erstreckenden Magnetfeldlinien fokussieren den Lichtbogen jeweils zwischen dieser Elektrode und der Schmelze. Der Lichtbogenweg verläuft im wesentlichen parallel zu den Magnetfeldlinien und die axial durch den Zwischenraum zwischen dem Außenumfang des tellerartigen Elektrodenteiles 40 und der Innenwandung 91 der Gießform 21 verlaufenden Magnetfeldlinien
spielen eine wichtige Rolle bei der Behinderung des Lichtbogens, auf die Wand der Gießform überzuschlagen, da der
Lichtbogen hierbei die Magnetfeldlinien durchqueren müßte, wobei die Magnetfeldlinien eine Rückhaltekraft ausüben,
welche eine mögliche Ausbreitung des Lichtbogens in dieser Richtung verhindert. Ferner weisen die sich axial durch
den flüssigen Teil des Barrens bzw. Blockes, d.h« durch
die Schmelze erstreckenden Feldlinien Stromfäden auf, welche sich vom Lichtbogenbrennfleck auf der Schmelze weg
durch die Schmelze zur Wand der Gießform erstrecken, welch letztere ein Teil des Strompfades bildet. Die diese Stromfäden kreuzenden Magnetfeldlinien üben auf die Schmelze
eine Drehkraft aus und erzeugen eine Rührwirkung, welche
mit Bezug auf d-ie Homogenität des Barrens bzw. des Blockes und mit Bezug auf eine gute Kornstruktur wichtig ist. Außerdem wird durch diese Rührwirkung die Wärmeverteilung vom

10 3 8 3 3/

Lichtbogen zu allen Teilen der Schmelze hin verbessert und der Verbrauch bzw« die Verteilung des jeweils neu hinzugeführten Materials unterstützt, so daß sich ein besserer Wärmewirkungsgrad des Ofens ergibt.

Der tellerartige Elektrodenteil 40 wird über eine oder mehrere in ihm untergebrachte Kühlmittelleitungen 42 mittels eines entsprechenden Kühlmittels gekühlt. Von diesen Kühlmittelleitungen führen Leitungsteile 43 und 44 durch eine Hohlwelle 47 der Elektrode, welche in Lagern 51 und 52 drehbar gelagert ist, so daß sie mit Bezug auf ein feststehendes, sich nach unten erstreckendes Rohrstück 54 drehbar ist. Das Rohrstück 54 kann einen mit ihm z.B. aus einem Stück bestehenden Flansch 60 aufweisen. Durch ein Isolierstück sind mit umfänglichem Abstand voneinander Schrauben 58 und 59 hindurchgeführt, welche in nicht dargestellte Gewindebohrungen in der Deckwand 65 des Ofengehäuses 20 eingeschraubt sind und hierdurch das Rohrstück 54 tragen. Das Isolierstück 56 ist mit einem axial abstehenden Zapfen 57 versehen, welcher sich in eine in der Deckwand 65 des Ofengehäuses gebildete Öffnung erstreckt_β

Die der Schmelze 31 zugewandte Seite 61 der Elektrode 33 ist in der dargestellten V/eise im wesentlichen tellerfönrdg ko\':s.v ausgebildet ^ so daß ein Lichtbogen 62 ?.>.'.!-

sehen der Elektrode und der Oberfläche 63 der Schmelze das Bestreben hat, sich nahe des Außenumfanges der Elektrode auszubilden, während er davon abgehalten wird, zum inneren Teil der Elektrodenseite 61 zu wandern, da dieser innere Teil einen größeren Abstand von der Schmelzenoberfläche hat und dadurch der Lichtbogenweg länger würde. Der Lichtbogen hat normalerweise das Bestreben, zwischen Flächen entgegengesetzter Polarität jeweils dem kürzesten Weg zu folgen,

Eine bei der Deckwand 65 des Ofengehäuses 20 angeordnete, nur als Kästchen dargestellte Einrichtung 66 ist mit einem Strömungsmitteleinlaß 67 und einem Strömungsmittelauslaß 68 versehen, über welche jeweils den Leitungsteilen JJ3 und 4¹J Strömungsmittel zu- bzw. abgeführt wird» Die Einrichtung 66 kann zwei nicht dargestellte ringförmige Strömungsmittelsammler enthalten, welche jeweils mit dem Einlaß 67 bzw. dem Auslaß 68 verbunden sind. Ferner können die Leitungsteile 43 und M innerhalb der Einrichtung 66 " mit kurzen radial verlaufenden bzw. gekrümmten Abschnitten versehen sein.

An einen Komutator bzw. eine Schleifringanordnung 70 ist eine Leitung 71 angeschlossen, so daß von einem eine

109833/U14

bestimmte Polarität aufweisenden Anschluß einer entsprechenden Stromquelle ein ununterbrochener Strompfad zur Elektrode führt· An die zwar nicht aus Eisen, jedoch aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Gießform 21 ist eine Leitung angeschlossen, welche zu einem anderen, eine entgegengesetzte Polarität aufweisenden Anschluß der genannten Stromquelle führt. Das Schmelzbad 31 setzt sich zumindest teilweise aus elektrisch leitendem Material zusammen, so daß zwischen den Leitungen 71 und 72 über die elektrisch leitende Elektrodenanordnung, den Lichtbogen, das Schmelzbad und die Gießform 21 ein entsprechender Strompfad gebildet ist.

Die den Lichtbogenstrom liefernde Stromquelle kann entweder eine Gleichstromquelle oder eine Wechselstromquelle sein.

Ein Motor 75 ist über eine Welle J6 und ein nicht dargestelltes Getriebe mit der Hohlwelle 47 der Elektrode verbunden, so daß letztere mit einer bestimmten Drehzahl gedreht werden kann.

Eine in Blockform dargestellte Steuereinrichtung 79 ist mittels Leitungen 8l, 82 und 83 an den Motor 75 angeschlossen und dient zur automatischen Drehrichtungsumkehrung dieses Motors 75. Die Steuereinrichtung 79 kann gewünschten-

- 9 109833/U14

falls mittels einer Vorrichtung 8^l\ von der Schaltung getrennt werden» Zum Antrieb des Motors und zur Betätigung der Steuereinrichtung dienende Leitungen 87 und 88 sind an eine entsprechende Stromquelle angeschlossen» Die Motorumkehreigenschaft kann gegebenenfalls elliminiert werden.

Während des Betriebes erzeugt die axial längs der Gießform 21 in einer bestimmten Stellung festgestellte Magnetwicklung 36 innerhalb der Gießform 21 ein Magnetfeld, dessen Feldlinien im wesentlichen parallel zur Achse dieser Gießform durch das Schmelzbad verlaufen. Einige oder alle dieser durch die Schmelze verlaufenden Magnetfeldlinien können sich von der Schmelzenoberfläche zur Lichtbogenfläche 61 der Elektrode und axial durch den ringförmigen Zwischenraum 90 erstrecken, welch letzterer zwischen dem Außenumfang der Elektrode 33 und der Innenwandung 91 der Gießform 21 gebildet ist. Die im wesentlichen axial durch den ringförmigen Zwischenraum 90 verlaufenden Magnetfeldlinien spielen eine wesentliche Rolle hinsichtlich des Wirkungsgrades des Ofens und stellen eine Voraussetzung dafür dar, daÄ der Ofen überhaupt funktioniert. Der zwischen dem Außenumfang der Elektrode 33 und der Innenwandung der Gießform 21 gebildete Zwischenraum ist so klein, daß der Lichtbogen von der Elektrode auf die Gießformwand überschlagen würde, nicht jedoch auf die Schmelze. Dieses Be-

- 10 1Ö9S33/1AU

210A753

ΛΑ

streben des Lichtbogens, auf die Wand der Gießform überzuschlagen, kann von einer Anzahl von Umständen herrühren, Z₆B. von Streufeldern elektrischer Leitungen, welche der Anordnung Strom zuführen. Eine weitere Ursache, welche ein überschlagen des Lichtbogens auf die Wand der Gießform hervorrufen können, sind von dem Schweißenmaterial abgegebene Gase, welche durch den engen Zwischenraum zwischen der Elektrode und der Innenwandung der Gießform hindurchströmen müssen und welche unter bestimmten, vom Material der Schmelze abhängigen Umständen leitend sind. Wenn die Gase leitend sind, wird zwischen der Elektrode und der Wand der Gießform ein Leiterpfad gebildet, während bei elektrisch nichtleitenden Gasen die Gasströmung aber trotzdem auch das Bestreben hat, den Lichtbogen mitzunehmen und aus der vorgesehenen Lage zwischen der Elektrode und der Schmelze heraus in eine Stellung zu bewegen, bei welcher dann der Lichtbogen sich zwischen der Elektrode und der Wand der Gießform ausbrei-tet. Es ist zu beachten, daß ein sehr großer Bereich der Oberfläche der Schmelze von dem tellerförmigen Teil der Lichtbogenfläche der Elektrode überdeckt wird. Von diesem Schmelzenbereich emittierendes Gas strömt durch den Lichtbogenweg hindurch und,hat ob leitend oder nichtleitend, das Bestreben, den Lichtbogen zu einer Stelle mitzunehmen, an welcher er von der Seite der Elektrode auf die Wand der Gießform überschlägt.

- 11 109033/14

Das genannte, von der Magnetspule 36 erzeugte Magnetfeld ist außerdem auch bei der Fokussierung des Lichtbogens zwischen der Elektrode und der Schmelze von größtem Vorteil, da der Lichtbogen das Bestreben hat, den Magnetfeldlinien zu folgen. Dies führt zu einem ausgedehnteren Lichtbogenbetrieb, einer gleichmäßigeren Verteilung des Wärmeflusses über die Elektrodenoberfläche und zu einer Verringerung der Erosion des Elektrodenmaterials.

) Das von der Magnetwicklung 36 erzeugte Magnetfeld ist außerdem bei der Erzeugung einer Rührwirkung in der Schmelze von größtem Vorteil, wenn Barren bzw. Blöcke mit einer guten Kornstruktur geformt werden sollen. Die Stromfäden von der Lichtbogenstelle auf der Schmelze erstrecken sich zur Wand der Gießform und weisen mindestens eine quer zu den Magnetfeldlinien verlaufende Komponente auf, was zu einer auf die Schmelze ausgeübten Wirbelkraft und dadurch zu einer Rührwirkung führt. Diese Rührwirkung hat eine schnellere Verarbeitung und Verteilung des zugeführten Materials 22 im Schweißbad und einen größeren Wärmewirkungsgrad des Lichtbogens zur Folge. Außerdem wird eine bessere Vermischung des Materials und eine größere Homogenität des Barrens sowie eine bessere Kornstruktur erzielt, wenn der Barren während des Zurückziehens des Gießformbodens 25 gebildet wird.

- 12 1U9833/1414

Ai

Zwv Einstellung des jeweils durch die Magnetwicklung 36 fließenden Stromes dient ein Rheostat 9k und zur Einstellung des Lichtbogenstromes dient ein Rheostat 95·

Der Rheostat 9^ kann an jeder geeigneten Stelle außerhalb des Ofengehäuses 20 angeordnet sein»

Bei dem dargestellten Lichtbogenofen dreht sich die Lichtbogenfläche in einer Ebene, welche mit der Ebene der Oberfläche der Schmelze einen bestimmten Winkel einschließt, wobei die sich drehende Elektrode zwecks Erzeugung einer Drehung in einer solchen Winkelebene entsprechend angeordnet ist β

Bei dem in Fig« 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an der Gießform keine Magnetspule angeordnet, sondern das in dieser Gießform jeweils vorhandene Magnetfeld wird von einer Magnetwicklung 101 erzeugt, die außerhalb des Ofengehäuses 20 angeordnet ist, welch letzteres ebenfalls aus einem im wesentlichen nichtferromagnetischen Material besteht. Leitungen 102 und 103 dienen zur Zuführung des Erregerstromes zur Magnetwicklung 101 und ein Rheostat 104 symbolisiert Mittel zur Einstellung der jeweiligen Stärke des Erregerstromes. Von der Magnetwicklung 101 hervorgerufene Magnetfeldlinien verlaufen im we-

- 13 109333/1414

sentlichen axial durch die Gießform 21, ferner durch die Schmelze, in dem zwischen der Elektrode und der Schmelze vorhandenen Zwischenraum und in dem ringförmigen Zwischenraum 90 zwischen dem Außenumfang der Elektrode 33 und der Innenwandung 91 der Gießform 21t Die Magnetwicklung 101 hat vom Inneren der Gießform einen viel größeren radialen Abstand als die Magnetwicklung 36 der in Pig. I dargestellten Ausfuhrungsform, so daß die Magnetspule 101 eine viel größere Amperewindungszahl bzw. viel stärkere Erregung haben muß als die Magnetwicklung 36, wenn innerhalbder Gießform und in den anderen obengenannten Bereichen ein Magnetfeld der gleichen Plußdichte bzw. der gleichen Stärke hervorgerufen werden soll, ausgenommen möglicherweise für den Fall, daß die Magnetspule ein viel größeres Längen/Durchmesser-Verhältnis hat, als dies dargestellt ist. Die Lage der Magnetspule 101 kann längs der Vertikalachse des Ofengehäuses 20 axial verschieden einstellbar und mittels nichtdargestellter Mittel in der jeweiligen Lage feststellbar sein. Das Einstellen der Axialstellung der Magnetspule kann jeweils während eines Schmelzvorganges vorgenommen werden, ohne daß hierbei der Ofen aufgemacht zu werden braucht.

Während des Betriebes wird von der Magnetspule 101 ein Magnetfeld erzeugt, welches ein Flackern des Licht-

109833/UU

Ab"

bogens und.ein überschlagen des Lichtbogens von der Elektrode auf die Wand der Gießform verhindert sowie den Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Schmelze fokussiert und die Schmelze umrührt.

Die Steuereinrichtung zur Drehrichtungsumkehr der Welle 76 durch den Motor 75a ist in Fig. 2 weggelassen.

Die mit Bezug auf Pig. I gemachten Ausführungen hinsichtlich einer Elektroden-Lichtbogenfläche, die sich in einer Ebene dreht, welche mit der Schmelze einen bestimmten Winkel einschließt, gelten auch für das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel.

Bei dem in den Fig. 3A und 3B dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine ein entsprechendes Magnetfeld erzeugende Magnetspule 136 au3 einem hohlen Leiter gebildete Windungen auf, durch welche ein Kühlmittel hindurchströmt, welches dieser Magnetspule 136 über Leitungen 13^ und 135 zu- bzw. abgeführt wird, welch letztere der Magnetspule 136 auch den erregerstrom zuführen. Die Leitungen 13¹I und 135 sind mit einer Strömungsmittel und Strom leitenden Anordnung 141 (Fig. 3B) verbunden, die in einem als Wärmeschild dienenden Gehäuse 142 (Fig» 3A) untergebracht ist. Das z.B. zylindrische Gehäuse 142 steht

- 15 -

mit ihrem unteren Ende in dichter Berührung mit der Oberfläche eines tellerartigen, auch als Elektrodenrad bezeichen baren Elektrodenteiles 138. Die Elektrode 137 weist eine mit dem tellerartigen Elektrodenteil 138 aus einem Stück bestehende Hohlwelle 139 auf. Durch diese Hohlwelle 139 führen Strömungsmittelleitungen 147 und 148 hindurch, welche mit einer im tellerartigen Elektrodenteil 138 untergebrachten, zur Wärmeabfuhr dienenden Ströraungsmittel-Leitunsspirale verbunden sind oder mit dieser aus einem Stück bestehen.

Die Elektrode 137 erstreckt sich in der dargestellten Weise in eine Gießform 152, in welcher sich eine Schmelze 153 befindet, die aus verständlichen Gründen zumindest teilweise aus elektrisch leitendem Material besteht. Die Gießform 152 weist vorzugsweise wiederum einen ■ Boden 154 auf, der mittels einer an ihm befestigten Stan- - ge 155 zurückziehbar ist. Ein Lichtbogen 157 bildet sich itt der dargestellten Weise jeweils zwischen der Elektro* de 137 und der Oberfläche 151 der Schmelze 153. Der Lichtbogen wird dadurch gebildet und aufrechterhalten, daß einerseits die Elektrode mit einer elektrischen Leitung und andererseits die Schmelze und die Gießform, welch letztere aus elektrisch leitendem, vorzugsweise nichtferromagnetischem Material besteht, mit einer Leitung 160 verbunden

- 16 -

109833/UU

2:04753

werden, welche zu Anschlüssen mit entgegengesetzten Polaritäten einer entsprechenden Stromquelle führen.

Ein Ofengehäuse l6l umschließt die Gießform und die Elektrode und bildet eine druckdichte Kammer 162, in welcher durch eine Vakuumpumpe I63 eine bestimmte Atmosphäre aufrechterhalten wird. Die Elektrode 137 und die in ihr untergebrachten Kühlmittelleitungen bestehen vorzugsweise aus nichtferromagnetischem Material, so daß sie das von der Magnetspule 136 erzeugte Magnetfeld nicht beeinträchtigen.

In Pig, 3A dargestellte gestrichelte Linien a, b und c veranschaulichen das von der Magnetspule 136 erzeugte Magnetfeld bzw. mögliche intensive Flußwege« Obwohl die Magnetspule 136 als Solenoid ausgebildet ist, kann durch Veränderung der Erregerstromstärke der Magnetwicklung die Magnetfeldstärke an einem bestimmten Punkt oder einer Anzahl von Punkten, welche einen imaginären Weg darstellen, um ein bestimmtes Maß verändert werden« Bei einer starken Magnetfeldkomponente im Bereich der einen solchen Magnetpfad darstellenden gestrichelten Linie "a" verhindert dieses Magnetfeld, daß von der Elektrode ein Lichtbogen zur Wand der Qießform überschlagen kann, da der '

-17 -

1Ö9833/UU

Lichtbogen hierbei quer durch die Magnetfeldlinien hindurchschlagen müßte. Andererseits kann ein Magnetfeld, z.B. das durch die gestrichelte Linie ⁿc" angedeutete, von der Lichtbogenfläche der Elektrode zur Oberfläche der Schmelze verlaufende Magnetfeldlinien aufweisen und die Fokussierung des Lichtbogens unterstützen. Ferner erstrecken sich die in der Nähe der gestrichelten Linie "a" vorhandenen Magnetfeldlinien bis in eine bestimmte Tiefe in die Schmelze 153 und vorausgesetzt, die Schmelze besteht aus mehr als einem nichtferromagnetischem Material oder ist oberhalb des Curie-Punktes eines ferromagnetischen Materials, so ergibt sich durch den durch die gestrichelte Linie ^wa" angedeuteten starken Magnetfeldbereich eine vorteilhafte Rührwirkung, da sich die Magnetfeldlinien bei "a^M in der genannten Weise in die Schmelze hineinerstrecken und da in der ebenfalls genannten Weise Stromfäden vorhanden sind, welche von der Stelle des Lichtbogens auf der Schmelze aus durch die Schmelze hindurch zur Wand der Gießform 152 verlaufen. Die Rührwirkung bewirkt eine stärkere Verteilung des der Schmelze jeweils zugefütoten Materials 166, wodurch sich ein besserer Wärmewirkungsgrad, ein nahezu homogener Barren bzw. Block und eine verbesserte Kornstruktur ergibt. Das Material 166wird 4etf Seftmtla· 153 jeweils Ober eine Rut-80h· Mi Ύ9» φΐηβκ M*tfcri*Hriöhte*« 160 he* sugeführfc·

- 18 -109Ö33/UU

Die Anordnung l4l befindet sich in einem Gehäuse und die in diesem Gehäuse verlaufende Leitung 134 ist von einer Hülse I¹JO aus isolierendem Material umgeben. Die Elektrodenhohlwelle 139 trägt die Elektrodenspitze und die Leitung 1*17 für die Zu- und Abfuhr von zur Kühlung dienendem Strömungsmittel zu bzw. von der Elektrodenspitze· Aus der Anordnung I¹Il ragt oben ein Rohr 171 heraus, welches von einer Isolierhülse 170 umgeben ist. Ein zusätzlicher Teil der Elektroden-Hohlwelle ist mit 173 bezeichnet, wie dies insbesondere auch aus Fig. 3A ersichtlich ist,

Fig. 3B zeigt zwecks Vereinfachung der Darstellung lediglich eine Hälfte der Anordnung 141, deren nicht dargestellte andere Hälfte symmetrisch ist. Der Hohlwellenteil 173 ist in der dargestellten Weise mit einem Flansch 175 versehen und das Gehäuse 142 weist einen diesen Flansch in der dargestellten Weise überlappenden, sich nach innen erstreckenden ringförmigen Flansch 176, in welchem mit umfänglichem Abstand voneiander mehrere Bohrungen 178 gebildet sind, durch welche Schrauben 177 hindurchgeführt sind, die durch entsprechend fluchtende Bohrungen 179 Im Flansch 175 und durch Bohrungen 100 eines ringförmigen Abstandselementes 181 hindurchragen und mit ihren Gewindeenden 182 in Gewindebohrungen l83 eines Gegenelementes 184 geschraubt sind. In dem Gegen-

- 19 -

109*33/1414

element 184 ist außerdem eine die Isolierhülse l40 und die Leitung 134 aufnehmende öffnung I85 gebildet. Ferner weist dieses Gegenelement 184 eine mittige Gewindebohrung 187 auf, in welche das obere Ende der Elektroden-Hohlwelle 139 eingeschraubt ist.

Die nach oben wegragende Leitung 171 aus elektrisch leitendem Material ist mit ihren unteren Enden in eine Gewindebohrung 189 eines Elementes I90 aus leitendem Material eingeschraubt, welches von dem Plansch 175 durch eine Isolationsplatte 192 isoliert ist. Ein Hülsenteil 194 eines elektrisch isolierenden Elementes 195 verläuft zwischen dem Element 190 und dem AbStandselement und isoliert diese beiden Teile elektrisch voneinander. Die die Leitung I7I umgebende Isolationshülse 170 erstreckt sich nach unten bis zur Oberfläche der Isolationsplatte 192.

In eine Gewindebohrung 197 des Elementes 190 ist eine Kontaktfingeranordnung 198 mit zwei aus Federmaterial bestehenden Kontaktfingern 199 und 200 eingeschraubt. Die Kontaktfinger 199 und 200 erstrecken sich um den gesamten Umfang des oberen Endes der Leitung 134 und stehen mit dieser in gutem elektrischem Kontakt, wobei diese Kontaktfinger in der dargestellten Weise sich durch eine in dem Isolationselement 195 gebildete Bohrung 201 nach

- 20 -109833/UU

unten erstrecken. Die Bohrung 201 bildet einen mit der Leitung 134 in Verbindung stehenden Strömungsmittelkanal, der über eine durch die Kontaktfingeranordnung I98 mittig hindurchführende Bohrung 202 mit einem im Isolierelement 190 gebildeten Störmungskanal 20.3 verbunden ist, der seinerseits in das Innere der Leitung I7I mündet, die sich in der Elektroden-Hohlwelle 173 nach oben erstreckt. Ein Teil des Strömungskanales 203 führt außerdem nach unten in das Innere 146 der Leitung 147, die in das Isolationselement 195 hineinragt und in diesem an einem Absatz 204 anliegt.

Der Lichtbogenstrom fließt jeweils durch die Elektroden-Hohlwelle 173, von dieser durch den Plansch 175» anschließend durch das Abstandselement I8I, von diesem durch das Gegenelement 184 und dann Über die Schraubverbindung bei 187 zur Elektroden-Hohlwelle 139 und von dieser zur Elektrodenspitze.

Der elektrische Strom für die Magnetwicklung fließt jeweils durch die Rohrleitung 171» von-äieser über die Schraubverbindung I89 zu dem Element 190, anschließend über die Schraubverbindung 127 zu der Kontaktfingeranordnung 189 und von dieser über die Leitung 134 zur Mag netspule 136«

- 21 -100833/UU

Eine weitere Leitung ähnlich der Leitung 134 ist über eine gleiche Kontaktfingeranordnung (nicht dargestellt) elektrisch angeschlossen und wird über einen Strömungsweg entsprechend dem strömungsweg 203 mit Strömungsmittel versorgt. Diese andere Leitung und andere Kontaktfingeranordnung befinden sich in der nicht dargestellten Hälfte der Anordung 142, welche zu der in Fig. 3B dargestellten Hälfte symmetrisch ist. das Isolationselement weist einen Teil 196 auf, der zusammen mit der Isolationsplatte 192 die Strompfade elektrische voneinander isoliert.

Wie Pig, 3A zeigt, ist die Hohlwelle 173 in oberen und unteren Lagern gelagert, die sich in einem nach unten erstreckenden Rohr 207 befinden und von welchen nur eines 208 dargestellt ist. Das Rohr 207 weist einen Flansch auf, durch welchen mit umfänglichem abstand Schrauben 211 und 212 hindurchführen und welcher durch ein Isolationselement 214 von der Deckwand 209 des Ofengehäuses getrennt ist« Zu diesem Zwecke weist das Isolationselement 214 einen nabenartigen Zapfen 215 auf, der durch eine in der Gehäusedeckwand 209 gebildete öffnung hindurchragt. Hierdurch werden die Elektroden-Hohlwelle 173 und alle in ihr befindlichen Teile von dem Ofengehäuse 161 elektrisch isoliert.

Die Elektroden-Hohlwelle 173 ist mit einer von einem

- 22 -109833/UU

Motor 221 getriebenen Welle 220 verbunden. In Blockform ist schematisch ein Kommutator bzw. eine Schleifringanordnung 222 für die elektrische Verbindung mit der Welle dargestellt. An diese Anordnung 222 ist eine Leitung 159 angeschlossen, die über einen Rheostaten 223 oder dergl. zur Einstellung des jeweiligen Lichtbogenstromes mit einem eine bestimmte Polarität aufweisenden Anschluß einer entsprechenden Stromquelle verbindbar ist. Eine entweder an das Ofengehäuse oder unmittelbar an die Wand der Gießform 152 angeschlossene weitere elektrische Leitung 160 ist mit einem eine entgegengesetzte Polarität aufweisenden Anschluß der genannten Stromquelle verbindbar, um hierdurch zwischen der Elektrode 137 und der Schmelze 153, welch letztere zumindest teilweise aus elektrisch leitendem Material besteht, einen Lichtbogen 157 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

Eine echematisch in Blockform dargestellte Einrieb.-tung 225 kann Strömungsmittelsammler beinhalten, an welche ein StrömungsraittelauBlaß 226 und ein Strömungsmitteleinlaß 227 angeschlossen sind. Die Strömungsmittelleitungen 171 und 172 weisen an ihren oberen Enden jeweils radial wegragende, nicht dargestellte Abschnitte auf, die mit den genannten Strömungsmitteleinlaß·* und Strömungsmit-

- 23 -

1Ö9833/UU

telauslaßsammlern in Verbindung stehen, unabhängig von er jeweiligen Winkelstellung der Elektroden-Hohlwelle 173 mit Bezug auf die ortsfeste Einrichtung 225· An die Strömungsmittelauslaßleitung 226 und Strömungsmitteleinlaßleitung 227 angeschlossene elektrische Leitungen 228 und symbolisieren Mittel für die Zufuhr des Erregerstromes zu der Magnetwicklung 136.

Bei der in Fig. 3A dargestellten Ausführungsform sind also sowohl die Strompfade zur Magnetwicklung 136 als auch zwei Strömungsmittelpfade, welche zusammen die Magnetwicklung uund die Elektrode bedienen, sowie ein zur Elektrode führender Strompfad vorhanden. Zu diesem Zweck kann ein in Pig» 4B oberhalb einer Linie 3XA gelegener Einrichtungsteil verwendet werden.

Beim Vakuumschmelzen mit sich nicht verbrauchenden Elektroden, d.h. mit Elektroden, die zur Abfuhr von Wärme von der Lichtbogenfläche strömungsmittelgekühlt sind und bei welchen Mittel vorgesehen sind, die zwecks Verkleinerung der Erosion an der Lichtbogenfläche den Lichtbogen im wesentlichen kontinuierlich um die Lichtbogenfläche bewegen, hat es sich als extrem schwierig erwiesen, mit Elektroden ohne Verwendung eines entsprechenden Magnet-

1ÖÖ833/U14

feldes einen zufriedenstellenden Schmelzvorgang zu erzielen. Selbst wenn man annimmt, daß zeitweise oder dauernd ideale Betriebsbedingungen vorliegen, d,h, Betriebsbedingungen, bei welchen der Lichtbogen 157 von einem bestimmten Punkt an der Oberfläche der Schmelze ausgeht oder in einem bestimmten Bereich auf der Oberfläche der Schmelze verbleibt, da von dieser Stummel wegragen, weil in diesen betreffenden Teilen der Schmelze eine bestimmte Menge eines Materials mit verhältnismäßig großer Leitfähigkeit vorhanden ist, welches diesem bereich als zu schmelzendes Material zugeführt wurde und sich in diesem Bereich zu verteilen beginnt, und man ferner den Idealzustand annimmt, daß die Lichtbogenfläche der Elektrode keine durch Erosion bzw. die Lichtbogenwirkung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten oder Aushöhlungen aufweist, so daß der Lichtbogen bei sich drehender Elektrode mit Bezug auf die Schmelze im wesentlichen stationär ist, während er sich im wesentlichen kontinuierlich um die Lichtbogenfläche bewegt, so ist die Schmelzung trotzdem unzulänglich und es kann zu Gießformdurchschlägen führen.

Durch Verwendung einer Magnetwicklung geeigneter Stärke, welche ein Magnetfeld erzeugt, deren Feldlinien in gentsprechenden Richtungen verlaufen, ergibt sich eine geeignete Schmelzung und Gießformdurchschläge werden vermieden. Wo,

- 25 -109833/UU

XU

wie bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, das Magnetfeld im wesentlichen axial zur Gießform verlaufende Feldlinien aufweist, fokussieren die Magnetfeldlinien den Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Schmelze, so daß äußere Einflüsse, z. B. von der Gießform und den Elektrodenleitungen, sowie Winde von ionisierten Gasen usw, elliminiert werden, wobei unter bestimmten Umständen zwischen der Elektrode und der Schmelze eine diffuse Entladung ausgebildet und aufrechterhalten wird· Bei dieser Betriebsart ist die Elektrodenerosion auf ein Mindestmaß herabgesetzt und der größte Teil der Schmelze wird von dem Lichtbogen beeinflußt.

Gegebenenfalls kann erwünscht sein, daß die Ausrichtung der Magnetfeldlinien etwas von der axialen Ausrichtung rund um die Elektrode abweicht, um hierdurch die Erosion noch mehr zu verringern, wobei diese Wirkung durch die Magnetwicklung 136 erreicht werden kann, wie dies durch die Magnetfeldlinien a, b, bzw· c dargestellt ist«

Der radiale Abstand zwischen der Innenwandung der Gießform und dem Außenumfang der Elektrode 137 (Fig. 3A) ist wesentlich größer als der Abstand zwischen dem Außenurafang der Elektrode 33 (Fig. 1) und der Innenwandung der Gießform 21· Die von dem Elektromagneten 136 erzeugten

- 26 1U9Ö33/U14

210475?

Magnetfeldlinien laufen jeweils durch die Mitte dieses solenoidförmigen Elektromagneten und es müssen Vorkehrungen getroffen sein, daß sich eine normale Magnetfeldverteilung eines Solenoiden ergibt«

Im folgenden wird nochmals auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen· Der Weg der Ladunsträger in einem elektrischen Lichtbogen und der der Bewegung dieser Ladungsträger entgegenstehende Widerstand ist durch die Anzahl der Kollisionen, welche die Ladungsträger auf ihrem Weg von einem Potential zu einem entsprechenden anderen Potential erfahren, und durch die Ionisationsstärke, d.h. die Anzahl der vorhandenen Ladungsträger bestimmt. Je mehr Kollisionen die Ladungsträger erfahren bzw, je größer die Dichte der Ladungsträger ist, desto größer ist der Widerstand auf die Bewegung, die der Lichtbogen erfährt, und desto größer ist der erforderliche Potentialunterschied, um die Ladungsträger eine bestimmte Strecke zurücklegen zu lassen. Demzufolge haben Lichtbogen bei hohen Drücken, z.B. bei Atmosphärendruck, das Bestreben, zwischen zwei Punkten, d.h. von der Elektrode zur Schmelze, jeweils den kürzesten Weg zu nehmen« Wenn jedoch der Druck verkleinert wird, so erleiden die Ladungsträger weniger Kollisionen und äußere Einflüsse können wichtig werden, insbesondere die Wirkung von Magnetfeldern« Bei sich parallel

- 27 -109Ö33/UU

zu Magnetfeldlinien bewegenden Ladungsträgern wird keine Energie verbraucht, während proportional zu dem Produkt aus der Geschwindigkeit des betreffenden Partikels und der Stärke des Magnetfeldes Energie verbraucht wird, wenn ein solches Partikel bzw. ein solcher Ladungsträger eine Feldlinie kreuzt. Demzufolge haben geladene Teilchen das Bestreben, den Magnetfeldlinien zu folgen. Der tatsächliche von den Ladungsträgern jeweils beschriebene Weg hängt grundsätzlich vom Gleichgewicht der beiden zuletzt genannten Erscheinungen ab. Naturgemäß erlangen die Wirkung eines Magnetfeldes und anderer Wirkungen jeweils dann Bedeutung, wenn die Anzahl der Kollisionen kleiner wird. Dadurch kann durch Erzeugen von axialen Magnetfeldlinien zwischen der Elektrode und der Schmelze die Lichtbogenentladung im wesentlichen auf den betreffenden Bereich begrenzt werden, wodurch ein Plackern des Lichtbogens zur Gießform hin und ein übergehen in einen Glühzustand vermieden wird, da der Lichtbogen hierbei die von der Magnetspule erzeugten Magnetfeldlinien kreuzen müßte. Der Lichtbogen wird jeweils nur dann von seiner gewünschten Betriebsart abweichen, wenn er in entsprechendem Maße durch Winde von ionisiertem Gas oder durch magnetische Streufelder oder durch eine entsprechende Wegverkürzung beeinflußt wird, welch letztere durch leitende Teile zustande kommt, z.B. durch zugeführtes Pestkörper-

- 28 -10Ö833/UU

material.

Eine "Abnormalität" des Vakuumschmelzofens ist der Glühbetrieb oder technisch genauer gesagt der Betrieb mit versetztem, an der Oberfläche "fliegendem¹¹ Lichtbogen, bei welchem die gesamte Ofenschicht im Lichtbogenbereich in die Entladung eingehüllt ist. Bei !?i-h nicht verbrauchendem Schmelzen wird diese Erscheinung normalerweise dadurch verursacht, daß ein so langer Lichtbogen vorhanden ist, daß der Abstand zwischen der Elektrode und der Schmelze mindestens so groß ist, wie der Abstand zwischen der Elektrode und der Gießformwand. Diese Betriebsart ist sehr unerwünscht, da hierbei nur ein geringes oder kein Schmelzen auftritt und die Energie sich über das gesamte Ofenvolumen zerstreut. Diese Betriebsart wird praktisch vollständig bei Verwendung eines magnetischen Feldes vermieden, dessen Magnetfeldlinien der Lichtbogen zu kreuzen hätte, wenn er auf die Gießformwand überschlagen wollte. Demzufolge kann bei Verwendung eines Magnetfeldes mit axial verlaufenden Magnetfeldlinien ein längerer Lichtbogen und/oder eine kleinere Gießform Anwendung finden.

Beim Zuführen des Materials in die Schmelze, wie dies beim nichtverbrauchenden Schmelzen der Fall ist, muß die

- 29 109833/UU

Schmelze bewegt werden, so daß das zugeführte Material in entsprechender Weise mit dem schmelzbad in Berührung kommt und eine Massenbewegung auftritt, durch welche das Material wirksam mit der Schmelze vermischt wird. Wenn dies nicht gemacht wird, verbleibt das Material im wesentlichen auf der Schmelze, wodurch je Zeiteinheit weniger neues Material zugeführt werden kann und schließlich das Schmelzen verhindert wird. Dies ist insbesondere bei Teilchen mit kleinerem spezifischen Gewicht der Fall, z.B. bei Schwämmen und Spänen von Maschinen. Ein Bewegen bzw. Umrühren der Schmelze beeinflußt auch die Form der Schmelze in der Weise, daß man mit Bezug auf die bekannten, im wesentlichen parabolischen Blockformen mehr zylindrische Blockformen erhält.

Die Elektrode kann sich horizontal von der Ofenwand aus erstrecken oder unter einem bestimmten Winkel zur Gießform angeordnet sein, so daß die Lichtbogenfläche in einer Ebene rotiert, welche mit der Oberfläche der Schmelze einen bestimmten Winkel einschließt.

Die Fig. 4A und 4B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lichtbogenofens nach der Erfindung, welcher eine sich drehende Elektrode zur Erwärmung des in einer Gieß-

109833/U14

form im Ofen befindlichen Materials aufweist und bei welcher in der ringförmigen Elektrodenspitae eine Magnetspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes untergebracht ist, welches im wesentlichen radial die Lichtbogenfläche rund um den gesamten Umfang der Elektrodenspitze kreuzt· Das Magnetfeld weist eine quer zu dem zwischen der Elektrode und der Schmelze vorhandenen Lichtbogenweg verlaufende Komponente auf und übt auf den Lichtbogen eine Kraft aus, durch welche er im wesentlichen kontinuierlich um die Lichtbogenfläche rotiert. Durch das Rotieren der Elektrode in einer bestimmten Winkelrichtung und durch das Erzeugen des Lichtbogens mittels eines gleiche Polarität wie das Magnetfeld aufweisenden Gleichstromes derart, daß der Lichtbogen zu einer Rotation um die Lichtbogenfläche in entgegengesetzter Winkelrichtung veranlaßt wird, kann die relative Geschwindigkeit des Lichtbogens an der Lichtbogenfläche stark vergrößert werden, so daß sich in der nachstehend noch ersichtlichen Weise verschiedene Betriebsvorteile ergeben.

Der in den Fig. 4A und 4B dargestellte Lichtofen kann selbstverständlich auch dann verwendet werden, wenn der Lichtbogen durch Wechselstrom und in der Elektrodenspitze das Magnetfeld durch Gleichstrom erzeugt werden, so daß der Lichtbogen bei jeder Polumkehrung des Wechselstromes

- 31 -109833/UU

seine Drehrichtung ändert, wobei ebenfalls bestimmte Vorteile erzielt werden.

Die sich drehende Elektrode 300 der in Pig. HA dargestellten Ausfuhrungsform entspricht im wesentlichen einer in der US-PS 3 480 717 beschriebenen Elektrode, wobei jedoch mit Bezug auf die bekannte Elektrode im oberen Elektrodenteil einige Änderungen erforderlich sind, um der Lichtbogenfläche zum Zwecke der Wärmeabfuhr Strömungsmittel zu- und abzuführen und um gegebenenfalls auch dem Elektromagnet 301 Strömungsmittel zu- und abzuführen. Der Elektromagnet 301 braucht selbstverständlich nicht gekühlt zu werden, wenn dies die Umstände gestatten, und Fig. 4B zeigt eine entsprechend vereinfachte Ausführungsform. Außerdem ist ein durch die Elektrode hindurchführender Strömungskanal vorgesehen, über welchen Gas oder ein anderer Stoff zur Elektrodenspitze gebracht und in die Atmosphäre in diesem Bereich oder in die Schmelze eingebracht werden kann. Ferner ist die aus der genannten US-PS 3 480 717 bekannte Elektrode in der in Fig. 4B ersichtlichen Weise gemäß der Erfindung noch mit folgenden Teilen versehen:jeweils mit der Magnetspule in Verbindung stehende elektrisch leitende Strömungemitteleinlaß- und Strömungsmittelauslaßleitungen, die voneinander elektrisch isoliert sind, einem

- 32 -

109833/U14

zur Elektrodenspitze führenden Stromweg, zur Elektrodenspitze führende Strömungsmitteleinlaß- und Strömungsmittelauslaßleitungen und eine Verbindung zu einem axial durch die Elektrode verlaufenden Kanal.

Ein Ofengehäuse 303 beherbergt eine Gießform 304 mit einem zurückziehbaren Boden 305 und einer Schmalze 306, welch letztere zumindest teilweise aus elektrisch leitendem Material besteht. Ein Trichter 308 beinhaltet zuzuführendes Material 309, welches über eine Rutsche 310 jeweils in die Schmelze 306 gelangt.

Die Elektrode 300 weist eine ringförmige Spitze 312 auf, die eine Lichtbogenfläche 313 bildet, von welcher sich jeweils ein Lichtbogen 314 zur Schmelze erstreckt. Die Elektrodenspitze 312 ist in der dargestellten Weise mit einem im Querschnitt U-förmigen Kanal 315 versehen, welcher sich um die gesamte Elektrodenspitze erstreckt und durch welchen von dieser Elektrodenspitze Wärme abführendes Kühlmittel hindurchströmt. Die genannte Magnetwicklung ist in der Elektrodenspitze zwischen den nach oben weisenden schenkein des U-förmigen Kanales 315 angeordnet.

Die Elektrode 300 weist eine Welle 317 auf, welche

- 33 -109Ö33/UU

sich durch die Deckwand 319 des Ofengehäuses 303 hindurcherstreckt und in oberen und unteren Lagern 321 bzw. 322 eines Lagerhalters 323 drehbar gelagert ist. Der Lagerhalter 323 ist mit einem Plansch 324 versehen, der mittels mit umfänglichem Abstand voneinander angeordneter Schrauben 326 und 327 an der Gehäusedeckwand 319 befestigt ist. An der Gehäusedeckwand 319 ist außerdem ein Träger 329 befestigt, der einen die Elektrode jeweils drehenden Motor 33O und eine Einrichtung 331 trägt, welch letztere in Figo 4A in der Seitenansicht und in Pig. 4B im Axialschnitt dargestellt ist.

Ein oberer Teil der Einrichtung 331 enthält zwei Strömungsmittelverbindungs- und Konimutatorabschnitte 334 und 335» welche zwischen Isolationsplatten 337» 338 und 339 angeordnet sind und zur Zu- bzw. Abfuhr von Strömungsmittel und elektrischem Strom dienen, unterhalb der Isolationsplatte 339 befindet sich ein Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitt 341 zur Kühlmittelzu- und Kühlmittelabfuhr zu bzw. von der Elektrodenspitze,ferner zur Zuführung des Lichtbogenstromes zur Elektrodenspitze und endlich zur Zuführung von Gas in den sich axial durch die Elektrode erstreckenden Kanal. Der Abschnitt 341 ruht auf einer weiteren Isolationsplatte 343. Die Isolationsplatten und die einzelnen Abschnitte 334,

- 34 109833/1414

3 b"

335 und 3^1 werden durch Schrauben zusammengehalten, die mit umfänglichem Abstand voneinander jeweils durch entsprechende Bohrungen hindurchgeführt sind und jeweils von Isolationshülsen umgeben sind. Von diesen Schrauben ist nur eine 3^5 dargestellt, welche von einer Isolationshülse 351 umgeben ist.

Eine mit dem Motor 330 verbundene Welle 3^7 ist mittels eines an ihr vorgesehenen Flansches 3^8 mit allen sich drehenden Teilen der Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitte verbunden, zu welchem Zwecke mit umfänglichem abstand voneinander Schrauben durch entsprechend miteinander fluchtende Bohrungen in den Isolationsplatten 337, 338 und 339 und in den sich drehenden Teilen 33¹IA, 335A und 3*HA der Kommutatorabschnitte hindurchgeführt sind. In der Zeichnung ist nur eine dieser Schrauben 350 dargestellt, welche von einer Isolationshülse 352 umgeben ist, die durch die sich jeweils drehenden Abschnitte 33¹IA und 335A hindurchgeführt ist. Die Schrauben 350 sind jeweils mittels Isolationsscheiben 35^ von dem Plansch 348 isoliert und mit ihren anderen Enden jeweils in einen sich drehenden Teil 3¹HA des Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnittes für die Elektrode eingeschraubt. Die jeweils stationären Teile der

- 35 -109Ö33/UU

Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitte und 335B bestehen aus elektrisch leitendem Material, von welchen elektrische Leitungen 355 und 356 wegführen, welche Mittel für den Anschluß der Magnetwicklung an eine entsprechende Stromquelle symbolisieren,,

Der Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitt 335 ist mit einem Strömungsmitteleinlaß 358 versehen, welcher in einen Strömungsmittelsammler 359 mündet, der sich um den genannten stationären Teil herumerstreckt und mit einem L-förmigen Strömungskanal 36O in Verbindung steht, welch letzterer sich um eine verhältnismäßig kurze Strecke radial durch den sich drehenden Teil 335A erstreckt und dann um eine kurze Strecke nach unten verläuft und mit einer Leitung 36I Verbindung hat, die von einer Isolationshülse 362 umgeben ist_o In Ringnuten untergebrachte O-Ringe 364 und 365 sorgen für eine entsprechende Dichtung.

Eine gute elektrische Verbindung zwischen dem stationären Teil 335B und dem sich jeweils drehenden Teil 335A ist durch eine ringförmige Kommutatorbürste 367 sichergestellt, die durch mit umfänglichem Abstand voneinander angeordnete Bürsten 369 in innigem Kontakt mit schrägen

- 36 -109833/UU

3>

Flächen sowohl des sich drehenden Teiles als auch des stationären Teiles gehalten wird.

Der Ströniungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitt 334 ist in ähnlicher Weise ausgebildet wie der Abschnitt 335 und ist in diesem Sinne mit einem Strömungsmittelauslaß 371 versehen, welcher mit einem Strömungsmittelsammler 372 verbunden ist» Eine ringförmige Bürste stellt auch hier eine gute elektrische Verbindung zwischen dem sich jeweils drehenden und dem stationären Teil sicher» Der sich drehende Teil 33^A ist in einer anderen Ebene als der dargestellten Ebene mit einem weiteren dem Kanal entsprechenden L-förmigen Kanal versehen, welcher zu allen Zeiten mit dem Strömungsmittelsammler 372 in Verbindung steht» Der zusätzliche Kanal des Teiles 33^A hat mit einer weiteren, ebenfalls von einer Isolationshülse umgebenen, nicht dargestellten Leitung Verbindung, welche sich durch die Elektrode nach oben durch die Isolationsplatte 339, ferner den Teil 335A und durch die Isolationsplatte 338 erstreckt und dann in den genannten, nicht dargestellten, L-förmigen Kanal in dem Teil 23^A mündet.

Der Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitt für den Lichtbogenstrom, ferner für das Kühlmittelzu und von der Elektrode und für Strömungsmittel bzw_e

- 37 1 09833/141 4

Gas zu dem Axialkanal der Elektrode sowie für das Ausstoßen dieses Strömungsmittels bzw. Gases an der Elektrodenspitze ist mit einem Gaseinlaß 375 versehen, welcher zu einem Gassammler 376 führte Ein Strömungsmitteleinlaß 377 steht mit einem Strömungsmittelsammler 378 in Verbindung und ein Strömungsmittelauslaß 380 hat mit einem Sammler 381 Verbindung. An den stationären Teil 3¹UB ist eine elektrische Leitung 383 angeschlossen, welche Mittel für das Zuführen des Lichtbogenstromes zu der Elektrode symbolisiert» Ferner ist eine weitere ringförmige Kommutatorbürste 385 vorgesehen, die von mit umfänglichem Abstand voneinander angeordneten Federn 386 in gutem elektrischem Kontakt sowohl mit dem stationären Teil 3*HB als auch mit dem sich jeweils drehenden Teil 3^fHA. gehalten wird„ Die Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatorabschnitte 33^ und 335 sind durch ir. Ringnuten zwischen den verschiedenen Strömungsmittelsammlern angeordnete O-Ringe über dem obersten Strömungsmittelsammler und unter dem untersten Strömungsmittelsammler zwischen dem sich drehenden Teil und dem jeweils stationären Teil entsprechend abgedichtet, Die Hohlwelle 317 der Elektrode weist eine Wandung 391 auf, innerhalb welcher Kühlmittel durch eine Leitung 392 zur Elektrodenspitze und von dieser über einen Kanal 393 wieder zurückströmt und innerhalb welcher außerdem durch eine Leitung 394 Gas hindurchströmt und durch eine weitere Leitung 395

9-0 33 AU U

Strömungsmittel zu der Magnetwicklung strömt_o Der jeweils das betreffende Strömungsmittel wieder von der Magnetspule wegführende Strömungskanal ist aus der dargestellten Schnittansicht nicht ersichtlich«

Die in Fig. 4B dargestellte Einrichtung nach der Erfindung stellt gegenüber der aus der genannten US-PS 3 ^8O 717 beschriebenen bekannten Einrichtung einen wesentlichen Portschritt dar«,

Die in Pig« ¹IB dargestellte Strömungsmittelverbindungs- und Kommutatoreinrichtung kann mit geringenÄnderungen auch auf den in denFig. 3A und 3B dargestellten Lichtbogenofen Anwendung finden, indem in entsprechender Weise derjenige Teil verwendet wird, der in Pig. ^B oberhalb einer strichpunktierten Linie 3XA-3XA liegt, die unterhalb der unmittelbar unter der ringförmigen Kommutatorbürste 385 gelegenen O-Ringe horizontal verläuft. In diesem Falle beschicken die Strömungsmittelsammler 372 und 359 dann die in Fig, 3A dargestellten Strömungsmittelleitungen 171 und 172 der Elektrode mit Strömungsmittel_β

Das in den Fig, 4A und 4B dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist insbesondere dort von Vorteil,

- 39 -109833/UU

wo die Schmelze 306 Dämpfe abgibt, die sich an der Lichtbogenfläche der Elektrode niederschlagen können. Das von der Magnetspule 301 erzeugte Magnetfeld weist eine starke Komponente auf, die sich um den gesamten Umfang der Elektro den-Lichtbogenfläche radial durch diese hindurcherstreckt und quer zum Lichtbogenweg verläuft und auf den Lichtbogen eine Kraft ausübt, die ihn im wesentlichen kontinuierlich auf einer Kreisbahn um die Elektrodenlichtbogenflache bewegte Wie bereits erwähnt, ändert der Lichtbogen bei Verwendung von Wechselstrom bei jeder Stromrichtungsänderung jeweils seine Drehrichtung_β

Der größte Vorteil wird mit der in den Fig. HA und 4B dargestellten Ausführung normalerweise jeweils dann erreicht, wenn als Quelle für den Lichtbogenstrom ein Gleichstrom verwendet wird und die Leitung 383 an einen eine bestimmte Polarität aufweisenden Anschluß einer Gleich stromquelle angeschlossen ist, während ein eine entgegengesetzte Polarität aufweisender Anschluß dieser Gleichstromquelle gegebenenfalls auf Erdpotential liegt, wie dies bei 130 dargestellt istj abweichend hiervon könnte das Ofengehäuse 203 und die Gießform 304 auch nicht geerdet sein. Bei Verwendung von Gleichstrom für den Lichtbogen und gleichzeitiger Verwendung von Gleichstrom

109833/U1 4

für die Erregung der Magnetspule 301 wird der Lichtbogen von dem von dieser Magnetspule 301 erzeugten Magnetfeld zu einer Rotation in einer bestimmten Winkelrichtung gezwungen, während die Elektrode in entgegengesetzter Winkelrichtung gedreht werden kann, so daß man eine viel größere Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogens relativ zur Lichtbogenfläche der Elektrode erhält und die Erosion des Materials an der Lichtbogenfläche verringert wird. Während bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vakuumpumpe 399 zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Atmosphäre in der Ofenkammer 398 vorgesehen ist, weist die in Pig«, ¹IA dargestellte Ausführungsform bedeutende Vorteile auch dann auf, wenn der Ofen mit Atmosphärendruck betrieben wird und der Lichtbogen in geringem Maße die Tendenz hat, in einen diffusen Betrieb überzugehen» Wenn der Lichtbogen eingeengt ist, kann der intensiv heiße Lichtbogenfleck an der Lichtbogenfläche der Elektrode etwas Material zum Schmel zen bringen. Eine bedeutende Menge Material geht jeweils nur dann von der Lichtbogenfläche verloren, wenn das geschmolzene Metall verdampft, bevor es abkühlt_β Die vergrößerte Geschwindigkeit der Lichtbogenbewegung relativ zur Lichtbogenfläche hat eine Verringerung der jeweils von der Elektrode verdampfenden Materialmenge zur Folge.

Bei den in den Pig_e 1, 2, 3A und 3B dargestellten

- 41 -1Ö9833/UU

Lichtbogenöfen nach der Erfindung, bei welchen aas Magnetfeld jeweils axial durch die Gießform, durch den Zwischenraum zwischen der Gießformoberfläche und der Lichtbogenfläche der Elektrode, weiter in dem an die Elektrodenspitze angrenzenden Raum und in dem Raum zwischen der Elektrodenspitze und der Wand der Gießform verläuft» können durch die Verwendung des Magnetfeldes sechs Aufgaben erfüllt werden:

a) der Lichtbogen kann zum VJegbrennen eines Kragens verwendet werden, weicher sich jeweils innerhalb der Gießform nahe der Schmelzenoberfläche zu formen beginnt;

b) das Magnetfeld kann dazu verwendet werden, ein Plackern des Lichtbogens oder ein überschlagen desselben zur Wand der Gießform zu verhindern, indem die Magnetfeldlinien jeweils so verlaufen, daß der Lichtbogen diese Magnetfeldlxnien durchqueren müßte, um zur Wand der Gießform zu gelangen;

c) das Magnetfeld kann zur Verhinderung von unerwünschten Glühentladungen des Lichtbogens dienen;

109833/UU

d) das Magnetfeld macht den Lichtbogen im wesentlichen unempfindlich gegen magnetische Streufelder, die durch elektrische Leiter oder andere Mittel in dem Lichtbogenofen gegebenenfalls erzeugt werden;

e) mittels des Lichtbogens kann das der Schmelze jeweils neu sugeführte Material schneller erwärmt werden, was eine schnellere Verteilung und einen besseren V/ärniewirkungsgrad sowie nahezu homogene Barren bzw. Blöcke mit sich bringt;

f) Das Magnetfeld kann zur Fokussierung des Lichtbogens zwischen der Elektrode und der Schmelze und zur Erzielung einer diffuseren Entladung verwendet werden;

g) das Magnetfeld, welches mit Stromfäden zusammenwirkt, die von eier Liehtbogenstelle auf der Schmelzenoberfläche wegverlaufende Komponenten aufweisen, bewirkt in der Schmelze eine Rührwirkung bzw. eine Wirbel- oder anderweitige Mischbewegung, durch welche der Wäriaewirkungsgrad weiter verbessert und eine bessere Kornstruktur erzielt wird.

- H3 -

109833/UU

Wie bereits erwähnt, sind die Einrichtung 331 und der Motor 330 an dem Träger 329 befestigt, wobei zusätzliche, der besseren Übersicht wegen nicht dargestellte Mittel vorgesehen sind,mittels welcher die Elektrode 312 über die Schmelze 304 angehoben werden kann, um hierdurch auch große Schrottstücke zuführen zu können« Hierbei wird die Bewegung der Elektrode, deren Hohlwelle 317 in den Lagern 321 und 322 verschieblich gelagert ist, mittels bekannter Mittel gesteuert«

Es ist einzusehen, daß jede der Elektroden der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung auch in Verbindung mit stationären Gießformen bzw„ mit Gießpfannen verwendbar sind. Es ist ersichtlich, daß unter der Voraussetzung des bestmöglichen Betriebszustandes, d_eh_o des Zustandes, bei welchem der Lichtbogen an einem Schmelzenstummel oder an einer Stelle an der Oberfläche der Schmelze haftet und sich der Lichtbogenfleck an der rotierenden Elektroden-Lichtbogenfläche bewegt, wobei ein Magnetfeld innerhalb des betreffenden Teiles des Ofens die Elektrode umgibt, für einen zufriedenstellenden Ofenbetrieb der Raum zwischen der Elektrode und der Schmelze erwünscht ist, welcher sich nach Möglichkeit auch in die Schmelze hineinerstreckt„

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der

- 44 -

109833/UU

21 O 4 7 5 3

Erfindung sind geeignete, sich drehende und stationäre Dichtungsmittel zur Aufrechterhaltung der in den Ofenkammern herrschenden Drücke vorgesehen«

983 3^U 14

Claims

Patentansprüche;

'Λ

ί I₀J Lichtbogenofen, welcher eine Gießform zur Aufnahme von ihr jeweils zugeführtem, mindestens teilweise elektrisch leitendem Material und eine mit Bezug auf die Gießform in einer bestimmten Lage drehbar angeordnete Elektrode mit einer sie tragenden Welle aufweist, wobei die im wesentlichen scheibenförmige, eine lichtbogenerzeugende Fläche bildende Elektrodenspitze mit Bezug auf die Oberfläche der in der Gießform vorhandenen Schmelze in einer bestimmten Ebene liegt und das Schmelzbad und die Elektrode zwecks Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen diesen beiden an Anschlüsse entgegeiigesetzter Polarität einer Stromquelle anschließbar sind, gekennzeichnet durch einen um die Gießform (21) herum angeordneten Magneten (36 bzw_a 101) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Feldlinien im wesentlichen axial durch die Gießform verlaufen (Pig.l und 2)_o

2. Lichtbogenofen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (36) die Wand der Gießform (21) unmittelbar umgibt und axial so angeordnet ist, da3 in dem Zwischenraum zwischen der scheibenförmigen bzw· teller-

109833/UU

förmigen Elektrodenspitze und der Oberfläche der Schmelze (31) und in dem gesamten radialen Zwischenraum zwischen dem Umfang der Elektrodenspitze und der Innenwandung der Gießform ein starkes Magnetfeld herrscht, welches den Lichtbogen (62) zwischen der Elektrodenspitze und der Schmelze fokussiert und diesen Lichtbogen daran hindert, von der Elektrodenspitze zur Wand der Gießform überzuschlagen.

3.Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (21) einen Teil des Stromweges für den Lichtbogen (62) bildet und daß der Magnet (36 bzw« 101) längs der Achse der Gießform so angeordnet ist, daß das von ihm erzeugte Magnetfeld auf in der Schmelze (31) vorhandene Stromfäden, die vom Lichtbogenfleck auf der Schmelzenoberfläche zur Gießformwand verlaufende Komponenten aufweisen, eine Kraft ausübt, durch welche mindestens in einem Teil der Schmelze eine Rührwirkung und Wirbelbewegung hervorgerufen wird.

^.Lichtbogenofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumpumpe (26) vorgesehen ist, welche die, die Gießform (21) umgebende Atmosphäre auf einem bestimmten Unterdruck hat, und daß zwischen der Elektrode (33) und der Schmelze (31) verlaufende Feldlinien

- 47 -109833/UU

den Lichtbogen (62) fokussieren, daß diese mit dazu beitragen, daß der Lichtbogen nicht in einen Glühzustand übergeht, und außerdem dieselben den Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Schmelze zu einem mehr diffusen Betrieb veranlassen.

5. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (36 bzw. 101) in Längsrichtung der Gießform (21) so in beliebige Stellun-

" gen einstellbar ist, daß sein Magnetfeld in der Schmelze (31) eine Rührwirkung bewirkt, daß ferner dieses Magnetfeld den Lichtbogen (62) zwischen der lichtbogenerzeugenden Fläche der Elektrode (33) und der Schmelze fokussiert, und daß außerdem dieses Magnetfeld verhindert, daß der Lichtbogen zur Wand der Gießform hin flackert.

6. Lichtbogenofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (36 bzw, 101) mit Bezug auf

die Höhe der Schmelze (3D in der Gießform (21) längs einer Wand axial so angeordnet ist, daß die Feldlinien des von ihm erzeugten Magnetfeldes, welche quer zu Stromfadenkomponenten in der Schmelze verlaufen, auf diese Schmelze eine Rührkraft ausüben und eine Rotation der Schmelze bewirken.

- 48 -

109833/UU

7β Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (21) in einer bestimmten Lage in einem Ofengehäuse (20) untergebracht ist, daß ferner die tragende WElIe (47) der drehbaren Elektrode (33) mit Bezug auf die Gießform (21) in einer bestimmten Lage angeordnet ist und daß der um die Gießform (21) herum angeordnete Magnet (101) außerhalb des Ofengehäuses liegt.

8«, Lichtbogenofen, welcher ein Ofengehäuse und eine Gießform zur Aufnahme von mindestens teilweise elektrisch leitendem, zu schmelzendem Material sowie eine im Ofengehäuse mit Bezug auf die Gießform in einer bestimmten Lage angeordnete Elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (137) ein sich drehendes, eine lichtbogenerzeugende Fläche bildendes Elektrodenrad (138) aufweist, welches mit Bezug auf die Oberfläche (151) der Schmelze (153) in einer bestimmten Ebene liegt, daß ferner in an sich bekannter Weise Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens (157) zwischen der Elektrode und der Schmelze vorgesehen sind, und daß auf dem sich drehenden Elektrodenrad ein Magnet (136) angeordnet ist, dessen Magnetfeld eine Relativbewegung zwischen der Elektrode und dem Lichtbogen erzeugt bzw. unterstützt und den Lichtbogen fokussiert (Fig. 3A und 3B).

- 49 -109833/Un

9. Lichtbogenofen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (300) eine strömungsmittelgekühlte ringförmige Zlektrodenspitze (312) aufweist, welche eine lichtbogeneraeugende Fläche (313) bildet, daß ferner in der Elektrodenspitze ein Magnet (301) untergebracht ist, dessen Magnetfeld sich in radialer Richtung über die gesamte Elektrodenspitze im wesentlichen parallel zu der lichtbogenerzeugenden Fläche erstreckt und um den gesamten Umfang der Elektrodenspitze eine im wesentlichen gleichförmige Stärke hat, daß weiter die Elektrode und die Schmelze (306) zwecks Erzeugung eines Lichtbogens zwischen dieser Elektrode und dieser Schmelze mit Anschlüssen entgegengesetzter Polarität einer Stromquelle verbindbar sind, und daß das Magnetfeld im wesentlichen quer zum Lichtbogenweg verläuft und auf den Lichtbogen eine Kraft ausübt, durch welche dieser im wesentlichen kontinuierlich in einer bestimmten Winkelrichtung rund um die lichtbogenerzeugende Fläche der Elektrodenspitze bewegt wird (Pig. ^A und

10. Lichtbogenofen nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zur Erzeugung des Lichtbogens als auch zur Erregung einer den Magneten bildenden Magnetspule (101) jeweils Gleichstrom dient, und daß der Lichtbogen in einer bestimmten Drehrichtung rotiert, während sich die Elek-

109833/UU

die Elektrode (300) in der entgegengesetzten Drehrichtung dreht, wobei die von der Magnetspule hervorgerufene Rotation des Lichtbogens in der einen Drehrichtung und die konstante Drehrichtung der Elektrode in der entgegengesetzten Drehung eine vergrößerte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Lichtbogen und der lichtbogenerzeugenden Fläche der Elektrodenspitze"bewirkt.

11. Lichtbogenofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (300) so angeordnet ist, daß die Ebene ihrer lichtbogenerzeugenden Fläche (313) mit der Oberfläche der Schmelze (306) einen bestimmten Winkel einschließt.

12. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenofens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Magnetfeld eines entweder in der Elektrode oder um die Gießform herum innerhalb oder außerhalb des Ofengehäuses angeordneten Magneten eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen dem Lichtbogen und der drehbaren Elektrode aufrechterhalten wird.

- 51 109833/141A

Leerseite