DE2111047A1 - Vorrichtung zum Elektro-Umschmelzen von mehreren Abschmelzelektroden in die gleiche Kokille und Betriebsverfahren hierfuer - Google Patents

Description

Köln, den 1.3.1971 ZR3-Zap/Sk - 71504 -

Patent- und Gcbrauchsmusterhilfs~ Anmeldung.

'Vorrichtung zum Elektro-Umschiiielzen von mehreren Abschmeliiclektroden in die gleiche Kokille und Betriebsverfahren hier

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Elektrouinschwolzen von eine·*· oder mehreren Absehiaelzelektroden in die gleiche Kokille, wobei mehrere auf den Umfang der Kokille verteilte, in horizontaler Richtung schv/enkbai'e Elektroden-Tragarme einer solchen Ausladving vorhanden sind, daß die Schwenkradien der Elektrodenachsen durch den Kokillenmittelpunkt führen.

Eine derartige Anordnung bei Elektroschlacke-Umschmelzofen ist beispielsweise durch die deutsche Offenlegungssehrift 1 813 478 bekannt. Sie besteht aus zwei in seitlichem Abstand νου-einander ortsfest; angeordneten Führungssäulen, wobei an jeder dieser Führungsnäulen ei;» in horizontaler Richtung schwenkbarer und in vertikaler Richtung verschiebbarer Elektrof-^.tragarm angeordnet ist. Die Schwenkradien der Elektrodentraüarj.-.e haben einen gerneinsataei* Schnittpunkt, der auf der verlängerten /ichf-ic einer Kokille liegt. Zweck der bekannten An-

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Ordnung ist, diese Kokille abwechselnd mit jeweils einer Abschmelzelektrode zu beschicken, so daß ein grösserer Ingot aus dem Material mehrerer Abschmelzelektroden aufgebaut werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine herkömmliche Vorrichtung zum Elektroumschmelzen von Abschmelzelektroden so zu verbessern, daß wahlweise entweder nur eine Abschmelzelektrode oder mehrere gleichzeitig in die gleiche Kokille abgeschmolsen werden können. Die Erfindung baut auf der Erfahrung auf, daß der Benutzer einer Uiuschmelzvorrichtung eine breite Palette von Blöcken unterschiedlicher Querschnitte, Formen und Gewichte herstellen können muß. Der Bedarf an hochwertigen Metallen, wie sie durch Umschmelzverfahren hergestellt werden können, ist einerseits nicht sehr groß, andererseits haben insbesondere kleinere Hersteller nicht die Möglichkeit, solche Mengen einer jeden Blockgrösse abzusetzen oder selbst weiter zu verarbeiten, daß sieh die Aufstellung je einer besonderen Umschine3.zanlage für eine jede Blockgrösse lohnen würde. Der Benutzer einer Umschmelzanlage ist somit daran interessiert, mit der gleichen Anlage sowohl kleine als auch Blöcke von erheblichen Abmessungen herstellen zu können. Es sind z.Zt. Bestrebungen im Gange, Blöcke mit einem Durchmesser von 3 m und darüber herzustellen.

Während bei der Herstellung von Blöcken geringen Durchmessers meist nur eine Abschmelzelektrode gleichzeitig umgeschmolzen wird, ist es für die Erzeugung von Blöcken grösserer Durchmesser wünschenswert, mehrere Elektroden gleichzeitig zum Einsatz zu bringen. Diese Maßnahme hat verschiedene Gründe: Zunächst einmal ist es wirtschaftlicher, mehrere kleinere Abschmelzelektroden .herzustellen als wenige große. Kleinere Elektroden können auch für die Herstellung von Blöcken geringen Durchmessers verwendet werden, was naturgemäß bei "Abschmelzelektroden großen Durchmessers nicht möglich ist.

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Kleinere Abschraelzelektroden lassen sich zudem leichter handhaben. Ausserdem läßt sich beim Abschmelzen mehrerer Elektroden in die gleiche Kokille infolge der besseren Energieverteilung eine gleichmässige Badtiefe und damit eine homogene Kornstruktur erzielen. Schließlich spielt hierbei auch die Möglichkeit der Versorgung mit Schmelzenergie eine erhebliche Rolle. Das Umschmelzen einer einzigen dicken Elektrode anstelle mehrerer dünner führt zu unsymmetrischen Netzbelastungen und schlechtem Wirkungsgrad. Bei gleichzeitigem Einsatz mehrerer Elektroden läßt sich der benötigte Schmelzstrom gleichzeitig auf mehrere Phasen eines Stromversorgungssystems verteilen* Ausserdem ist es durch eine besondere Phasensteuerung möglich, entweder eine Drehbewegung des Bades herbeizuführen oder ihr entgegenzuwirken bzw. sie ganz aufzuheben.

Zum Stande der Technik gehören sowohl Vorrichtungen zum Umschmelzen einer Abschmelzelektrode als auch Vorrichtungen zusi gleichzeitigen Umschmelzen von 2,3 und mehr Elektroden. Die Erfindung hat sich sum Ziel gesetzt, eine universelle Vorrichtung zum Elektroumschmelzen von Abschmelzelektroden vorzuschlagen, die die Merkmale aller bekannten Öfen in sich vereint, d.h. das gleichzeitige Umschmelzen einer beliebigen, nur durch die Anzahl der Elektrodentragarme begrenzten Zahl von Elektroden zu ermöglichen und hierbei Blöcke mit verschiedenen Querschnitten zu erschmelzen. Die Wechselmöglichkeit der Kokillen zu diesem Zweck wird natürlich vorausgesetzt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Elektrodentraganae ausser in der Mittelstellung noch in mindestens einer vom Mittelpunkt der Kokille entfernten Stellung in einer solchen Lage feststellbar sind, daß die Achsen mehrerer Abschmelzelektroden auf konzentrischen Kreisen innerhalb der Kokille liegen. Diese räumliche Lage wird

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auch- dann erreicht, wenn z.B. vier Elektroden an den Eckpunkten eines Rhombus liegen. Hier ist nämlich der Fall gegeben, daß jeweils zwei Elektroden auf je einem Kreis unterschiedlichen Durchmessers liegen. Auch geringfügige Abweichungen von der strengen Definition des Begriffs "konzentrisch" können als innerhalb der Lehre der Erfindung liegend angesehen werden.

Die Erfindung ist bei allen Umschmelzofen einsetzbar; wie beispielsweise bei Elektroschlackeumschmelz- und Lichtbogenofen. Audi bei Vakuum-Lichtbogenöfen ist die Erfindung anwendbar, wenn für eine Kokille jeweils mehrere als Vakuumkammern ausgebildete Ofenoberteile mit unterschiedlichen Anzahlen von Elektrodendurchführungen vorhanden sind. Aus Gründen der Reinhaltung der Luft wird man allerdings auch bei den offenen Elektroschlacke-Umschmelz- und Lichtbogenofen für die Bereitstellung besonderer Absaughauben Sorge tragen, die eine der Zahl der umzuschmelzenden Elektroden entsprechende Anzahl von Öffnungen aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner möglich, unabhängig von der Zahl der eingesetzten Elektroden im Wechsel ihyblimus zu arbeiten, bei dem die jeweils zuerst abgeschmolzene Elektrode nach Ausschwenken des Stubs durch eine in Bereitschaft ge&altene neue Abschmelzelektrode ersetzt wird.

Eine besoaders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Anordnung von 4 Elektrodentragarinen für den gleichzeitigen Einsatz von 4 Abschmelzelektroden und durch 4 einphasige elektrische Versorgungseinrichtungen, welche in der T/eise an die Elektroden angeschlossen sind, daß jeweils eia Pol einer Phase mit einer Elektrode verbunden ist, während die anderen Pole aller Phasen an die Kokille gelegt sind, wobei die Versorgungseinrichtungen bezogen auf die Kiek-

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trodenlage in Umfangsrichtung um den Kokillenmittelpunkt M abwechselnd um 180 und um 90 in der Phase verschoben sind.

Wird beim Betrieb der Vorrichtung d.h. während des Umschmelzens eine derartige Phasenverschiebung beibehalten,- so bildet sich trotz laufender Umpolung des Potentials an einer jeden Elektrode kein Drehfeld in dem Elektrodensystem aus, wie dies beispielsweise von Systemen mit 3 oder mehr als 4 Elektroden her bekannt ist, die mit Wechsel- oder Drehstrorn versorgt v/erden. Der Vorgang ist nicht zu verwechseln mit einer periodischen Umpolung der Stromversorgung zum Zwecke einer Richtungsumkehr des Drehfeldes. Bei den vorbekannten Verfahren bildet sich nämlich - wenn auch äusserst kurzzeitig - eine Badrotation aus, die durch unmittelbar nachfolgende Drehrichtungsumkehr kompensiert wird. Beim Gegenstand der Erfindung hingegen bildet sich eine Badrotation gar nicht erst aus, sie braucht mithin auch nicht aufgehoben zu werden. Die Vermeidung einer Badrotation ist aber ausserordentlich wichtig. Die motorische Kraft eines Drehfeldes bringt nämlich bei Elektroschlacke-Umschmelzofen insbesondere die leichtere Schlacke zur Rotation, wobei sich das Metallbad zunehmend mitdreht. Während eine Rotation der Schlacke allein infolge des hierdurch bedingten Durchmischungseffekt durchaus positive Auswirkungen haben kann, ist eine Rotation des Ivletallbades unerwünscht, da sie leicht zu Segregationen im Ingot führt. Beispielsweise werden bei einer motorischen Schmelzbadbewegung die Verunreinigungen, da sie spezifisch leichter als das geschmolzene Metall sind, in Richtung Schmelztiegelachse nach innen wandern. Die mit Verunreinigungen durchsetzen Schmelzblöcke müssen in den meisten Fällen verworfen oder ein zweites mal ohne Bewegung des Schmelzbades erschmolzen werden. Die Nachteile einer Badrotation werden bei dein Gegenstand der Erfindung ohne zusätzlichen Aufwand an Schaltmitteln mit Sicherheit vermieden.

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Die Angabe, daß der Phasenwinkel zwischen den Versorgungseinrichtungen zweier benachbarter Elektroden in Umfangsrichtung um den Kokillenmittelpunkt M gesehen abwechselnd 180 und 90 betragen soll, ist nicht in einschränkendem· Sinne zu werten. Geringere Abweichungen von diesen Werten führen nicht zur Ausbildung einer Badrotation, da der Kokilleninhalt aufgrund physikalischer Gegebenheiten einer Abbremsung ausgesetzt ist. Möglich sind also durchaus Phasenverschiebungen abwechselnd 160 bis 200° und 80 bis 100°.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung und seine Wirkungsweise sei nachfolgend an Hand der Figuren 1 bis 4 näher beschrieben, die einen Elektroschlacke-Umschmelzofen zum Gegenstand haben.

Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines in Betrieb befindlichen Ofens,

Figur 2 eine Draufsicht auf den Ofen nach Figur 1 mit verschiedenen Möglichkeiten einer Bewegung der Elektrodentragarme,

Figur 3 ein Diagramm des Spannungsverlaufs und der Phasenverschiebung an bzw. zwischen den vier Absehmelzelektroden und

Figur 4 die seitliche Reihenfolge der Polaritäten an den einzefen Elektroden.

In Figur 1 sind mit 10, 11, 12 und 13 vier Elektrodentragarme bezeichnet, die mit den Führungssäulen 14, 15, 16 und 17 eine Einheit bilden. Die Führungssäulen gleiten mit den Führungsschienen 18 in den Führungskörpern 19. Unterhalb der Führungs-

e I körper 19 befinden sich Spindclantriebe zum Heben und Silken ) einer jeden Führungssäule. Der Spindelnntrieb ist nicht Ge^en- \ stand der Erfindung und daher nicht im einzelnen dargestellt. :

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Sämtliche Spindelantriebeund die mit ihnen verbundenen Führungs körper 19 sind an einer als Bezugsebene und Festlager dienenden Plattform 21 befestigt.

An den freien Enden der Elektrodentragarme 10 bis 13 befinden sich Elektx^odeneinspannvorrichtungen 23, in denen die Einspannenden bzw. Stubs 23 eingespannt sind. Die Einspannenden 23 sind mit den eigentlichen Abschmelzelektroden 24, 25, 26 und 27 v-ei'bunden. Die Abschmelzelektroden sind durch die Öffnungen 28 einer Absaughaube 29 in das Innere einer flüssigkeitsgekühlten Kokille 36 geführt und werden dort zu einem Ingot umgeschmolzen, der als "endloser" Strang 30 nach unten aus der Kokille austritt. Der Abzug des Stranges 30 wird durch eine bewegliche Plattform 31 bewirkt, die mit einer ebenfalls flüssigkeitsgekühlten Bodenplatte 32 zur Abstützung des Stranges versehen ist. Die Bewegung der Plattform erfolgt durch vier Gevirindespindeln 33 _f von denen jedoch nur eine sichtbar ist, da die übi^igen von den Stützpfeilern 34 der gesamten Vorrichtung verdeckt sind. Die Übertragung der Hub- und Senkbewegung von den Gewindespindeln 33 auf die Plattform 31 erfolgt über je eine Spindelmutter 35.

In Figur 2 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die ausgezogenen Linien zeigen die Vorrichtungsteile in der Position, wie sie in Figur 1 perspektivisch dargestellt ist. Es kommen hierbei 4 Abschmelzelektroden 24, 25, 26 und 27 gleichzeitig zum Einsatz. Der Abstand der Drehachse einer jeder Führungssäule 14 bis 17 von der Achse einer jeden Abschmelzelektrode 24 bis 27 ist der Radius des Schv/enkkreises R .. Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, schneiden sich die Schwenkkreise aller Elektrodentragarrae 10 bis 13 im Mittelpunkt M der Kokille 36. Es ist also möglich, nach Herausschwerikeu der Elektrocleuti-agarme 10, 12 und 13 in Positionen, die dor gestrichelt dargestellten Position 12a des Elektroneutral>■:.)·; 12

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entspricht, don Elektrodentragarin 11 in die mit 11a bezeichnete Position zu bringen, bei der sich die Abschmelzelektrode 25 bzw. 25a im Mittelpunkt M der Kokille 36 befindet. Der Ofen kann in diesem Falle mit einer einzigen Abschmelzelektrode betrieben werden. Während des Umschmelzvorgangs diesel' Elektrode wird der Elektrodentragarm 12 in der Position 12a mit einer neuen Abschmelzelekti-ode beschickt und dort in Bereitschaftsstellung gehalten, bis die Abschmelzelektrode 25a verbraucht ist. Die Elektrodenwechseltechnik ist jedoch hinlänglich bekannt, so daß hier auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet werden kann. Es ist naturgemäß auch möglich, mit zwei Elektroden gleichzeitig: z.B. mittels Wechselstrom zu schmelzen und die beiden anderen Elektrodentragarme mit nachzusetzenden Elektroden bestückt in Bereitschaftsstellung ausse: dem des Kokillenradius zu halten. Vorzugsweise würden hierbei jeweils diametral gegenüberliegende Elektrodenpaare vex-wondet.

Figur 3 zeigt die Spannungsverläufe an den vier Abschmelzelektroden 24, 25, 26 und 27 in ihrer zeitlichen Zuordnung. Die Erzeugung alternierender Rechteckspannungen ist aus der Wechse! richterteehiiik hex- bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung. Es ist zu erkennen, daß die Phasenverschiebung zwischen den Elektroden 24/25 180°, zwischen den Elektroden 25/26 90° und zwischen den Elektroden 26/27 wiederum 180° beträgt. Der Kreis schließt sich wieder zwischen den ElektiOden 27/24 mit 90° Phasenverschi ebung.

Die Auswirkung einer solchen Energieversorgung ist in den Figuren 4a bis 4d dargestellt, wobei die Polarität der Elektroden zu jedem Zeitpunkt angegeben ist, wie sich aus dem jeweiligen, durch Pfeile angegebenen Abschnitt des Phasendiagrarnrns nach Figur 3 -ergibt. Die Polarität ändert sich dabei in der,Reihenfolge von Figur 4a bis 4d. Es ist zu erkennen, daß sich kein wie auch iimncr geartetes Drehfeld im Elektrodtiisyr.tein ausbildet. In Figur 4b i.°.t noch zusätzlich und stell-

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vertretend für die Figur 4a, c und d die Stromversorgung dargestellt, bestehend aus den Versorgungseinrichtungen 37,38, 39 und 40. Jeweils verbunden durch Stromsulcitungeu 41 sind die Elektroden und Versorgungseinrichtungen 24/37, 25/38, 26/39 und 27/Ί0. Die Gegenpole aller Versorgungseinrichtungen sind über die gemeinsame Leitung 42 an den roden der Kokille 36 geführt.

• 3 Ansprüche 4 Figur-en

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Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Elektroumsehmelzen von einer oder mehreren Abschmelzelektroden in die gleiche Kokille, wobei mehrere auf den Umfang der Kokille verteilte, in horizontaler Richtung schwenkbare Klektrodentragarine einer solchen Ausladung vorhanden sind, daß die Schwenkradien der Elektrodena.ch.sen durch den Kokillenmittelpunkt führen, dadurch gekennzeichnet, daß die El ekt rodent ragarrae (10, 11, 12, 13) außer in der Mittelstellung noch in mindestens einer vom Mittelpunkt (M) der Kokille (36) entfernten Stellung in einer solchen Lage feststellbar sind, daß die Achsen mehrerer Abschmelselektroden (24, 25, 2G, 27) auf konzentrischen Kreisen (K) innerhalb der Kokille liegen.

2. Vorrichtung nach /mspxue!· 1, gekennzeichnet _ durch die Anordnung von vier Elektrodentragarmen (10,11,12,13) für den gleichzeitigen Einsatz von vier Abschineliselektroden (24, 25, 26, 27) und durch vier einphasige elektrische Versorgungseinrichtungen, (37, 38, 39, 49) welche in der Weise an die Elektroden angeschlossen sind, daß jeweils ein Pol einer Phase rait einer Elektrode verbunden ist, während die anderen Pole aller Phasen an die Kokille (3C) gelegt sind, wobei die Versorgungseinrichtungen bezogen auf die Elektrodenlage in UmfangsrÄchtung um den Kokillenmittelpunkt (M) abwechselnd um 180° und um 90° in der Phase verschoben sind.

3. Betriebsverfahren für die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,'daß während des Umschmelzens eine solche Phasenverschiebung zwischen den Versorgungseinrichtungen (37, 38, 39, 40) gewählt wird, daß die Phasenunterschiede zwischen benachbarten Elektroden abwechselnd 180° xincl 90° gewählt werden.

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