DE2232695A1

DE2232695A1 - Electric arc vacuum furnace - with symmetric return lead

Info

Publication number: DE2232695A1
Application number: DE19722232695
Authority: DE
Inventors: Karl Georg Redel
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1972-07-04
Filing date: 1972-07-04
Publication date: 1974-01-24

Abstract

The housing electric arc melting furnace comprises a shell which coaxially surrounds the electrode which is attached to an electrode rod passing through a lead-in in the roof of the shell and an electric return lead made from non-magnetic material inside the shell and electrically insulated from it. The return lead pref. extends right up to the mould at a uniform gap from the furnace shell and is attached to a lead-in concentric with the electrode lead-in. The symmetrical disposition of the return lead reduces induction losses and adverse effects due to electromagnetic fields on the melt.

Description

Gehäuse für Elektrodenöfen mit Kokille " Die Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse für mit Wechselstrom betreibbare Elektrodenöfen mit Kokille, vorzugsweise für Vakuum-Lichtbogenöfen, bestehend aus einem die Elektrode koaxial umgebenden Gehäusemantel mit einer Gehäusedurchführung für die Elektrodenstange und aus einer koaxial zur Elektrode angeordneten Rückleitung für den über die Kokille fliessenden Schmelzstrom. Bei Elektrodenöfen der vorstehend beschriebenen Arts zu denen außer den beschriebenen Vakuum-Lichtbogenöfen auch Elektrosch.lacke-Umschmelzöfen und solche Öfen gehören1 die iür beide Schmelzverfahren einsetzbar sind, bilden die einzelnen Ofenteile, soweit sie vom Schmelzstrom durchflossen werden, eine sogenannte Leiterschleife. Der Strom fließt hierbei z.B. Housing for electrode furnaces with mold "The invention relates to on a housing for electrode furnaces with a mold that can be operated with alternating current, preferably for vacuum arc furnaces, consisting of a coaxially surrounding the electrode Housing jacket with a housing feed-through for the electrode rod and from one coaxially to the electrode arranged return line for the flowing over the mold Melt flow. In the case of electrode furnaces of the type described above, to those except The vacuum arc furnaces described also include Elektrosch.lacke remelting furnaces and Such furnaces belong1, which can be used for both melting processes, form the individual furnace parts, insofar as they are traversed by the melt stream, a so-called Conductor loop. The current flows e.g.

von der Elektrode, die vorzugsweise eine Ab schmelzelektrode ist, über einen Lichtbogen oder einem Ohmschen Widerstand in Form einer Schlackenschicht, zu den unterhalb der Elektrode befindlichen Schmelzsee und von hier zur Kokille.from the electrode, which is preferably a fusible electrode, via an arc or an ohmic resistance in the form of a layer of slag, to the melt pool below the electrode and from here to the mold.

Die Strompfade im Schmelzsee und im bereits erstarrten Block, die schließlich bis zur Kokille führen, sind recht komplex. Je nach den elektrischen Gegebenheiten, die beispielsweise durch eine Isolation zwischen dem Kokillenboden und dem Kokillenmantel beeinflußt werden können, fließt ein mehr oder weniger großer Teil des Schmelzstromes zum Kokillenmantel bzw. zum Kokillenboden. Die Kokille einerseits und die Elektrode andererseits sind wiederum mit Stromzu- und -ableitungen verbunden, von denen zumindestens die Stromleitung zur Elektr ode aufgrund der erforderlichen Beweglichkeit der Elektrode als frei bewegoliches Kabel ausgeführt ist. Dieses Kabel ist in der Regel nicht an der Elektrode selbst sondern an einer die Elektrode aufnehmenden Elektrodenstange befestigt, die bei Vakuum-Lichtbogenöfen längsverschieblich im Ofengehäuse angeordnet is-t. Dcr gesamte Verlauf der Strompfade in der Ofenkonstruktion und den elektrischen Zuleitungen führt wegen des starken Schmelzstroms zur Ausbildung entsprechender magnetischer Felder, die einen störenden Einfluß auf den Schmelzprozess bzw. auf den sich bildenden Metallblock ausüben können.The current paths in the Schmelzsee and in the already solidified block that ultimately leading to the mold are quite complex. Depending on the electric Circumstances caused, for example, by an insulation between the bottom of the mold and the mold shell can be influenced, flows a more or less large Part of the melt flow to the mold shell or to the mold bottom. The mold on the one hand and the electrode on the other hand are in turn connected to current supply and discharge lines, of which at least the power line to the electrode due to the required Mobility of the electrode is designed as a freely movable cable. This cable is usually not on the electrode itself but on one that receives the electrode Electrode rod attached, which is longitudinally displaceable in vacuum arc furnaces Furnace housing is arranged. The entire course of the current paths in the furnace construction and the electrical supply leads to training because of the strong melt current corresponding magnetic fields that have a disruptive influence on the melting process or can exercise on the metal block being formed.

Zur Vermeidung einer Beeinflußung des Schmelz- und Erstarrungsvorgangs.eines Metalls durch magnetische Felder ist in dem russischen Autorencertitikat 154 338 bereits vorgeschlagen worden, die StromzufUhrung (Kabel) zum Ofen bifilar und die Stromzuführung innerhalb der Ofenkonstruktion exakt koaxial auszuführen. Bezüglich der magnetischen Einflüsse wird mit einer solchen Konstruktion dor angestrebte Zweck voll erreicht. Bei einer Versorgung des Ofens mit Wechselstrom wür den in der vorbekannten Vorrichtung jedoch infolge des im allgemeinen aus Stahl bestehenden Ofengehäuses einerseits und wegen des laufenden Polaritätswechse3s andererseits hohe Ver luste durch Induktion und Ummagnetisierung entstehen.To avoid influencing the enamel and Solidification process of a Metal by magnetic fields is in the Russian author's certificate 154 338 has already been proposed, the power supply (cable) to the furnace bifilar and the Execute power supply exactly coaxially within the furnace structure. In terms of the magnetic influences is achieved with such a construction the intended purpose fully achieved. When the furnace is supplied with alternating current, the in the previously known Device, however, due to the furnace housing generally made of steel on the one hand and because of the ongoing polarity change on the other hand, high losses caused by induction and magnetic reversal.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion eines Ofengehäuses anzugeben, die der eingangs angegebener Konstruktion bei Verwendung von Wechselstrom für die Schmelzprozess deutlich überlegen ist, Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rückleitung für den Schmelzstrom aus einem amagnetischen, den Strom gut leitenden Werkstofi besteht und innerhalb des Gehäusemantels von diesem in der Weise elektrisch isoliert angeordnet ist, daß über den Gehäusemantel kein Strom fließt. Die angegebene Isolation wird in der Weise erreicht, daß der Gehäusemantel an mindestens einem Ende von der Rückleitung isoliert ist. Hierdurch wird die Ausbildung eines parallelen Strompfades im Gehäusemantel sicher vermieden. Natürlich ist es auch möglich, den Gehäusemantel völlig, d.h. beidseitig von der Rückleitung zu isolieren.The invention is therefore based on the object of the construction of a Specify the furnace housing that the construction specified at the beginning when using of alternating current for the melting process is clearly superior to the task set is achieved according to the invention in that the return line for the melt flow from an amagnetic material that conducts electricity well and is within the Housing jacket is arranged electrically isolated from this in such a way that over no current flows through the housing shell. The specified isolation is in the way achieves that the housing jacket insulates at least one end from the return line is. This results in the formation of a parallel current path in the housing jacket safely avoided. Of course it is also possible to completely, i. to be isolated from the return line on both sides.

Bei Anwendung dieses Konstruktionsprinzips wird das Ofengehäuse selbst nicht mehr als elektrischer Leiter benutzt. Die Verluste durch Induktion und Ummagnetisierung werden stark herabgesetzt, obwohl für den Gehäusemantel selbst Stahl verwendet werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß aus einem Koaxialsystem keine magnetischen Feldlinien nach außen treten. Als Werkstoff für die Ruckleitung kommt vorzugsweise Kupfer in Frago. Der Verlauf der Rückleitung innerhalb des Gehäusemantels kann praktisch beliebig sein, solange die Gesamtanordnung noch als koaxial bezeichnet werden kann.When using this construction principle, the furnace housing itself no longer used as an electrical conductor. The losses due to induction and magnetic reversal are greatly reduced, although steel is used for the casing itself can. The reason for this is that from a coaxial system there are no magnetic ones Field lines step outwards. The preferred material for the return line is Copper in frago. The course of the return line within the housing jacket can be practical be arbitrary as long as the overall arrangement still referred to as coaxial can be.

Hierunter ist auch im Grenzfall eine symmetrische Anordnung von zwei Rückleitern zu verstehen.Even in the borderline case, this includes a symmetrical arrangement of two Understand return lines.

Aus Gründen der Raumersparnis werden Rückleitung und Gehäusemantel zweckmäßig so gestaltet, daß beide Teile mit in etwa gleichbleitenden Abstand alle Wandelemente zueinander angeordnet sind Bei einer die Elektrode allseitig umgebenden Rückleitung wird zweckmäßig so verfahren, daß die Rückleitung der Form des Gehäusemantels folgend bis an die Gehäusedurchführung für die Elektrodenstange einerseits und bis an die Kokille andererseits herangeführt ist. Durch Freilassung eines Zwischenraums zwischen Rückleitung und Gehäusemantel entsteht auf diese Weise eine sehr einfache Kühlmöglichkeit, dann nämlich, wenn man diesen Zwischenraum mit einer Kühlflüssigkeit beschickt.In order to save space, the return line and the housing jacket appropriately designed so that both parts with approximately the same distance all Wall elements are arranged to one another with one surrounding the electrode on all sides Return line is expediently proceeded in such a way that the return line has the shape of the housing jacket following up to the housing lead-through for the electrode rod on the one hand and up to is brought up to the mold on the other hand. By leaving a space free In this way, a very simple one is created between the return line and the housing jacket Cooling possibility, namely, if you have this space with a coolant loaded.

Bei den für Schmelzprozesse üblichen Spannungen hat dies auch auf die Isolation zwischen Ofengehäuse und Rückleitung keine schädlichen Einflüsse, solange die elekrische Leitfäbigkeit der Kühlflüssigkeit (Wasser) vernachlässigbar klein ist.This also has the effect of the tensions that are usual for melting processes the insulation between the furnace housing and the return line does not have any harmful effects, as long as the electrical conductivity of the coolant (water) is negligible is small.

Bei rotationssymmetrischer Ausbildung des Gehäusemantels ist auch die Rückleitung zweckmäßig rotationssymmetrisch ausgebildet, so daß beide Teile nach Art zweier Glocken unterschiedlicher Größe ineinander stecken.With a rotationally symmetrical design of the housing jacket is also the return line is expediently designed to be rotationally symmetrical, so that both parts stick into each other like two bells of different sizes.

Es ist dabei natürlich möglich, sowohl das OSengehäuse, als auch die Rückleitung selbst für sich genommen hohlwandig auszubilden und zu kühlen.It is of course possible to use both the OSen housing and the To train the return line by itself with a hollow wall and to cool it.

Die elektrische Verbindung der Rückleitung innerhalb des Gehäusemantels mit dem Kabel außerhalb des Oiens erfolgt unter Berücksichtigung der Notwendigkeit einer Isolierung der Elektrodenstange gegenüber dem Gehäuse dadurch, daß die Eektrocienstange elektrisch isoliert in einem im Gehäusemantel angeordneten Einsatz geführt ist, durch welchen auch der Anschluß zur RUckleitung hindurchgeführt ist. -Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Ofengehäuses sei nachfolgend anhand der Figur näher beschrieben, die einen Vertikal schnitt durch die Mfttenachse eines Vakuum-Lichtoogenofens während des Umschmelzprozesses einer Abschmelzelektrode zeigt.The electrical connection of the return line within the housing jacket with the cable outside des Oiens takes place under consideration the need to isolate the electrode rod from the housing by that the Eektrocienstange electrically isolated in a arranged in the housing jacket Insert is guided through which the connection to the return line is passed is. -An embodiment of an embodiment of a furnace housing according to the invention is described in more detail below with reference to the figure, which cut through a vertical the main axis of a vacuum furnace during the remelting process of a Consumable electrode shows.

In der Figur ist mit l eine Abschmelzelektrode aus legiertem Stahl bezeichnet, die mittels einer Einspannvorrichtung 2 an einer in senkrechter Richtung verschiebbaren Elektrodenstange 3 befestigt ist. Unterhalb der Abschmelzelektrode 1 befindet sich ein Schmelzsee 4, welcher aus dem tropfenweise geschmolzenen Metall der Elektrode 1 besteht. Der Schmelzsee bildet den Gegenpol der Abschmelzelektrode 1; zwischen den beiden Polen brennt ein Lichtbogen 5, welcher zur Aufrechterhaltung des hinlänglich bekannten Umschmelzprozesses dient. Der Schmelzsee 4 geht mit fortschreitendem Umschmelzprozess durch Kristallisation entlang einer Phasengrenze 6 in einen Block 7 huber, Der Kristallisationsvorgang findet in einer Kokille 8 statt, die aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer besteht. Die Kokille 8 besitzt einen breiten Flansch 9, gegen den sich von der Unterseite er ein Gegenflansch lo flüssigkeitsdicht anlegt, der Te.l eines Kühltopfes X1 ist. Der Zwischenraum zwischen Kühltopf 11 und Kokille 8 wird von einem Kühlmedium, beispielsweise Wasser durchströmt. Der Flansch 9 dient - wie weiter unter noch aufgezeigt - gleichzeitig als Anschluß für den Schmelzstrom, der zllr Kokille 8 Und von dort über den Block 7 und den Schmelzsee 4 zum unteren Fußpunkt des Lichtbogens 5 geführt wird.In the figure, l is an alloy steel consumable electrode denotes, which by means of a jig 2 on a in the vertical direction displaceable electrode rod 3 is attached. Below the consumable electrode 1 there is a melting pool 4, which consists of the dropwise molten metal the electrode 1 consists. The melt pool forms the opposite pole of the consumable electrode 1; An arc 5 burns between the two poles, which is used to maintain it the well-known remelting process is used. The melting lake 4 goes with advancing Remelting process by crystallization along a phase boundary 6 into a block 7 huber, The crystallization process takes place in a mold 8, which consists of a a material that conducts heat well, for example copper. The mold 8 has a wide flange 9 against which from the bottom he a Counterflange lo is liquid-tight, which is part of a cooling pot X1. Of the The space between the cooling pot 11 and the mold 8 is provided by a cooling medium, for example Water flowing through it. The flange 9 serves - as shown further below - at the same time as a connection for the melt flow, the zllr mold 8 and from there over the block 7 and the melting lake 4 is led to the lower base of the arc 5.

Die andere Phase des Schmelzstromes wird mittels eines Gleitkontaktes 12 auf die Elektrodenstange 3 und von hier auf die Einspannvorrichtung 2 und die Abschmelzelektrode 1 übertragen. Der Gleitkontakt 12 besteht aus einem ringförmigen Kontaktgehäuse 13, in dem unter Einfluß von Kontaktfedern 14 radial verschiebbare Kontaktstücke 15 angeordnet sind. Die Stromzufuhr zum Gleitkontakt 12 erfolgt über ein Koaxialkabel 16 bzw. dessen innere Seele 17.The other phase of the melt flow is by means of a sliding contact 12 onto the electrode rod 3 and from here onto the clamping device 2 and the Transfer consumable electrode 1. The sliding contact 12 consists of an annular one Contact housing 13, in which under the influence of contact springs 14 radially displaceable Contact pieces 15 are arranged. Power is supplied to sliding contact 12 via a coaxial cable 16 or its inner core 17.

Der äußere Leiter des Koaxialkabels IG ist über eine Stromschiene 18 mit einem Kontaktring 19 verbund der an einem Isolierring 20 befestigt ist.The outer conductor of the coaxial cable IG is via a busbar 18 composite with a contact ring 19 which is attached to an insulating ring 20.

Vom Kontaktring 19 führt eine konzentrisch zur Elektrodenstange 3 angeolrdneten Kontakthülse 21 zu einer Rückleitung 22, die aus Kupfer besteht und die Form einer rotationssymmetrischen Haube besitzt.From the contact ring 19 a concentrically leads to the electrode rod 3 angeolrdneten contact sleeve 21 to a return line 22, which consists of copper and has the shape of a rotationally symmetrical hood.

Die Rückleitung 22 ist an ihrem unteren ringförmigen Ende mit einem Ringflansch 23 versehen, der mit dem Flansch 9 der Kokille 8 kongruent ist. Es ist zu erkennen, daß die gesamte Stromzuführung im Ofen bzw. Ofengehäuse koaxial bzw. rotationssymmetrisch ausgebildet ist.The return line 22 is at its lower annular end with a Annular flange 23 is provided which is congruent with the flange 9 of the mold 8. It is to see that the entire power supply in the furnace or furnace housing is coaxial or Is designed to be rotationally symmetrical.

Die aus Kupfer bestehende Rückleitung 22 ist in einem etwa gleichbleibenden Abstand von einem aus Stahl bestehenden Gehäusemantel 24 umgeben, der an seinem unteren Ende mit einem Ringflansch 25 versehen ist. Zwischen den Ringilanschen 23 und 25 befindet sich ein gut abdichtender Zwischenring 26 aus Isoliermaterial.The return line 22 made of copper is approximately constant Distance surrounded by an existing steel housing jacket 24, which at his the lower end is provided with an annular flange 25. Between the Ringilanschen 23 and 25 there is a well-sealing intermediate ring 26 made of insulating material.

Der Gehäusemantel 24 ist an einer Trennfuge 27 aus rein konstruktiven Gründen unterteilt ausgeführt. Der Zwischenraum 28 zwischen Rückleitung 22 und Gehäusemantel 24 dient zUr Aufnahme und FUhrung eines Kühlmittels. Die entsprechenden Anschlußleitungen sind der Einfachheit halber fortgelassen.The housing jacket 24 is at a parting line 27 from purely constructive Reasons carried out divided. The space 28 between the return line 22 and the housing jacket 24 serves to receive and guide a coolant. The corresponding connecting cables are omitted for the sake of simplicity.

Im Bereich der Elektrodenstange 3 besitzen sowohl die Rtckleitung 22 als auch der Gehäusemantel 24 kreisförmige (nicht bezeichnete) Öffnungen, die durch einen Einsatz 29-vakuum- und flüssigkeitsdicht verschlossen sind. Der Einsatz 29 ist so ausgeführt, bzw. besteht aus einem solchen Werkstoff oder einer solcher Werkstoffkombination, daß die Isolation zwischen der Rückleitung 22 und dem Gehäusemantel 24 gewährleistet ist. Der Einsatz 29 ist außerhalb der Kontakthülse 21 mit einem ebenfalls isolierenden bzw. gegenüber der Kontakthülse 21 isolierten Tragring 30 versehen, der i einem Flansch 31 des Gehäusemantels 24 vakuumdicht befestigt ist. Die vakuumsichere Abdichtung zwischen der Elektrodenstange 3 und dem Einsatz 29 wird (unter Beibehaltung der elektrischen Isolation) durch Dichtungsringe 32 erreicht. Aus der gewählten Darstellung ist klar ersichtlich, daß der Schmelzstrom ausschließlich über die Rückleitung 22 unter Vermeidung des Wegcs über den Gehäusemantel 24 fließt. Da der Rückleiter 22 aus Kupfer, d.h. aus einem amagnetischen, den Strom gut leitenden Werkstoff besteht und Teil eines koaxialen Leitersystems ist, werden Verluste durch den Ollrnschen Widerstand, durch Induktion und durch Ummagnetisierung in eisenhaltigen Werkstoffen weitgehend vermieden. Das Leitersystem ist in sich geschlossen und erzeugt keine Magnetfelder, die insbesondere bei Gleichstrombetrieb den Kristallisationsvorgang nachteilig beeinflussen können, bei Wechselstrombetrieb zu unerwünschten Verlusten und Erwärmungen führen.In the area of the electrode rod 3 both have the return line 22 as well as the housing jacket 24 are circular (not designated) openings which are closed in a vacuum and liquid-tight manner by an insert 29. The use 29 is designed or consists of such a material or such Combination of materials that the insulation between the return line 22 and the housing jacket 24 is guaranteed. The insert 29 is outside the contact sleeve 21 with a support ring 30 which is likewise insulating or insulated from contact sleeve 21 provided, which is attached in a vacuum-tight manner to a flange 31 of the housing jacket 24. The vacuum-proof seal between the electrode rod 3 and the insert 29 is achieved (while maintaining the electrical insulation) by means of sealing rings 32. From the representation chosen it is clear that the Melt flow exclusively via the return line 22, avoiding the path via the housing jacket 24 flows. Since the return conductor 22 is made of copper, i.e. an amagnetic one, the current a highly conductive material and is part of a coaxial conductor system Losses due to the Ollrn resistance, induction and magnetic reversal largely avoided in ferrous materials. The ladder system is in itself closed and does not generate any magnetic fields, especially in DC operation can adversely affect the crystallization process in AC operation lead to undesired losses and heating.

Es war bereits weiter oben ausgeführt worden, daß es genügt, die Rückleitung 22 gegenüber dem Gehäusemantel 24 einseitig zu isolieren. Für den angestrebten Zweck ist es daher auch ausreichend, wenn entweder der Einsatz 29 oder der Zwischenring : aus einem isolierenden Werkstoff bzw. aus einer isolierenden Werkstoffkombination besteht.It has already been stated above that it is sufficient to use the return line 22 to isolate one side from the housing jacket 24. For the intended purpose it is therefore also sufficient if either the insert 29 or the intermediate ring : from an insulating material or from an insulating material combination consists.

Claims

EXPECTATIONS:

1. Housing for electrode furnaces with mold that can be operated with alternating current, preferably for vacuum light arc furnaces, consisting of a coaxial electrode surrounding housing jacket with a housing feed-through for the electrode rod and from a return line arranged coaxially to the electrode for the over the mold flowing melt stream, characterized in that the return line (22) consists of a amagnetic material that conducts electricity well and is inside the housing shell (24) is arranged electrically insulated from this in the manner that over the housing jacket no electricity flows.

2. Housing according to claim 1, characterized in that the return line (22) and housing jacket (24) with approximately the same distance between all wall elements are arranged to each other.

3. Housing according to claim 1, characterized in that the return line (22) following the shape of the housing jacket (24) up to the housing bushing forming insert (29) on the one hand and brought up to the mold (8) on the other hand is.

4. Housing according to claim 1, characterized in that the electrode rod in the (3) electrically insulated in a housing jacket (24) arranged insert (29) out is, through which the contact sleeve (21) of the return line (22) is passed is L e r s e i t e