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54 Bezeichnung: Gleitstromkontakt für
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Elektroschlacke-Umschmelzanlagen
Die Erfindung betrifft
einen Gleitstromkontakt zur Abnahme hoher Stromstärken von einem Gleitrohr für mit
Wechselstrom betriebene Elektroschlacke-Umschmelzanlagen mit Gleitschuhen aus einem
Werkstoff auf Graphitbasis, zu deren Halterung dienenden Bauelementen sowie Kupferteilen
zur Stromableitung von den Gleitschuhen zu Stromableitungsplatten, über welche der
Strom den Verbrauchsstellen der Anlage zuführbar ist.
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Ein Problem bei Umschmelzanlagen, in denen mit selbstverzehrenden
Elektroden gearbeitet wird, ist die Notwendigkeit, hohe Stromstärken bei niedrigen
Spannungen zur Erzeugung der erforderlichen Umschmelzwärme übertragen zu müssen.
Bei diesem Energietransport vom Anlagentransformator zur Schmelzstelle entstehen
durch den Ohm'schen Widerstand im Hochstromkreis erhebliche Wärmemengen, die Wasserkühlungen
der stromführenden Teile erforderlich machen. Je größer diese Wärmemengen sind,
umso größer sind die Energiemengen, die zur Abdeckung dieser Wirkverluste je Tonne
Erzeugung aufgebracht werden müssen und umso höher sind daher die Umschmelzkosten.
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In Anlagen, die mit Wechselstrom arbeiten, z.B. in modernen Elektroschlacke-Umschmelzanlagen,
treten außerdem Blindverluste auf, die nur durch eine ausreichend hohe Bauleistung
des Transformators abgedeckt werden können. Blindverluste entstehen als Folge von
Induktionserscheinungen, z.B. in den magnetisierbaren Anlagenteilen, aber auch in
den Hochstromzuleitungen zur Abschmelzelektrode und zur Bodenplatte.
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Je kleiner die von diesen Hochstromzuleitungen eingeschlossenen Flächen
sind, umso kleiner sind die Blindverluste beim Betrieb der Anlage. Eine Verkürzung
der Stromzuleitungen hat darüber hinaus aber eine Verminderung der Wirkverluste
zur Folge, so daß hierfür geeignete Maßnahmen von erheblichem Interesse sind.
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Nach einem älteren -- bisher nicht veröffentlichten-Vorschlag sind
extrem kurze Leitungen bei Elektroschlacke-Umschmelzanlagen entsprechender Konzeption
durch die Verwendung von Gleitstromkontakten möglich, die auf wassergekühlten und
durch Stromschienen mit dem Anlagentransformator verbundenen Gleitrohren verschiebbar
sind. Solche Gleitstromkontakte sind vorher bereits bei mit Gleichstrom arbeitenden
Anlagen verwendet worden, beispielsweise in Vakuumlichtbogenöfen,
und
bestehen im wesentlichen aus radial zum Gleitrohr angeordneten Stromabnehmern aus
Werkstoffen auf Graphitbasis, für welche auch Bezeichnungen wie Schuh oder Bürste
gebräuchlich sind, ferner aus Bauelementen, die der Halterung dieser Stromabnehmer
dienen und aus Kupferteilen zur Stromableitung von den Stromabnehmern zu den Stromableitungsplatten,
über welche der Strom den Verbrauchsstellen der Anlage zugeführt wird.
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Die querschnittlich, gegebenenfalls rechteckigen oder quadratischen
Stromabnehmer des Gleitstromkontaktes werden mit ihren stromabnehmenden Stirnflächen,
die der Krümmung des Gleitrohres angepaßt sind, federnd an dieees in radialer Richtung
angepreßt. Diese Gleitschuhe sollen relativ weich sein und eine gewisse Schmierfähigkeit
haben, ohne das aus Kupfer bestehende Gleitrohr zu verschmutzen, das zur Erzielung
einer glatten Oberfläche und damit einer guten Gleitfähigkeit hartverchromt sein
kann.
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Als Werkstoff für diese Gleitschuhe werden Kupfer Graphit-Sinterkörper
aus metallisiert ei Graphit mit 50 bis 90 ß Metallgehalt verwendet. Der Metallgehalt
wird umso höher gewählt, Je höher die Stromdichte ist, die bewältigt werden muß.
Sie kann zwischen 12 und 50 A.
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Je cm2 Stromabnahmefläche liegen. Für Stromdichten
unter
12 A genügen Sinterkörper aus Graphit, dessen Qualität den Anforderungen für Stromleitzwecke
entsprechen muß.
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Zu den Bauelementen für die Halterung der Stromabnehmer gehören ringförmige,
normal zur Gleitrohrachse angeordnete Abdeckplatten und mit diesen verschraubte
Distanzstücke, welche die Gleitschuhe voneinander trennen, mit denen sie gemeinsam
eine Schicht des ein- oder mehrschichtig aufgebauten Gleitstromkontaktes bilden,
sowie die Federn zum radialen Anpressen der Stromabnehmer an das Gleitrohr, die
sich gegen Federabstützplatten abstützen, die mit den Distanzstücken verschraubt
sind.
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Das Material für diese Federn ist selbstverständlich üblicher Federstahl,
während die übrigen, der Halterung der Stromabnehmer dienenden Bauelemente aus einem
unlegierten oder niedrig legierten, leicht bearbeitbaren Stahl hergestellt werden
können. Die Abdeckplatten können zur Gänze oder teilweise als Stromableitungsplatten
Verwendung finden, sind in diesem Falle aber aus Kupfer.
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Die Stromableitung von den Gleitschuhen zu den Stromableitungsplatten,
über welche der Strom den Verbrauchsstellen der Anlage zugeführt wird, erfolgt z.B.
mit
Hilfe von Bändern, die einerseits an den Stromabnehmern und
andererseits an Leisten befestigt sind, die an die Stromableitungsplatten angeschraubt
werden können. Als Werkstoff für diese stromführenden Teile wird ausschließlich
Kupfer verwendet.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Gleitstromkontakten, die
vor allem für mit Wechselstrom betriebene Elektroschlacke-Umschmelzanlagen geeignet
sein sollen. Die Stromstärken, die bei solchen Anlagen gebraucht werden, liegen
z.B. für die Erzeugung von Stahlblöcken mit Durchmessern zwischen 800 und 1500 mm
zwischen etwa 20.000 bis 40.000 A und sind daher nur mit sehr leistungsfähigen Gleitstromkontakten
beherrschbar.
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Bei Verwendung der beschriebenen Gleitstromkontakte in solchen Anlagen
treten in den der Halterung dienenden Bauelementen, die üblicherweise aus unlegiertem
oder niedrig legiertem und daher magnetisierbarem Stahl bestehen, durch das Feld
des Wechselstromes verursachte Induktionserscheinungen auf, die vor allem zu ungleichmäßigen
Erwärmungen und dadurch zu Betriebsstörungen führen können. Besonders störend ist
es, wenn einige Gleitschuhe wegen Kontaktmangels für die Stromabnahme ausfallen
und dadurch eine unzulässige Überlastung der übrigen Gleitschuhe verursachen. Es
ist erfahrungsgemäß
nicht möglich, diese offensichtlich durch Erwärmung
entstehenden Schwierigkeiten durch eine Wasserkühlung, für deren Anordnung sich
die Distanzstücke anbieten, zu vermeiden.
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Diese Störanfälligkeit kann durch die erfindungsgemäße Verwendung
von Gleitstromkontakten weitestgehend beseitigt werden, in denen die Bauelemente
für die Halterung der stromabnehmenden Gleitschuhe aus nicht magnetisierbaren --
bevorzugt metallischen -- Werkstoffen, insbesondere die Abdeckplatten und Distanzstücke
mit den zugehörigen Verschraubungen aus Messing, Aluminium, einem nicht magnetisierbarem
Stahl od. dgl. bestehen.
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In solchen Gleitstromkontakten sind die Abdeckplatten und Distanzstücke
sowie die Verschraubungen für diese bevorzugt aus Messing, Aluminium oder aus einem
nicht magnetisierbaren Stahl; ein geeigneter Stahl hierfür enthält z.B. etwa 0,3
bis 0,4 % C, 18 % Mn, 1 bis 4 ffi Cr und 0,1 % N.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist mindestens eine Schicht
aus mittels Kraft speichern an das Gleitrohr angepreßten, radial angeordneten Gleitschuhen
und aus diese voneinander trennenden Distanzstücke vorgesehen, die durch Schrauben
mit normal zur Gleitrohrachse
angeordneten, ringförmigen Abdeckplatten
verschraubt sind, und die mindestens teilweise als Stromableitungsplatten aus Kupfer
dienen, denen der Strom von den Gleitschuhen mit Hilfe von Kupferleitungen sowie
miteinander verschweißten Kupferleisten zugeführt wird.
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Jene Kraftspeicher sollen vorteilhafterweise als Federn aus Messing,
durch welche die Gleitschuhe an das Gleitrohr angepreßt werden, ausgebildet sein
-oder aber als Federn aus Federstahl, die von einem Gehäuse aus zwei ineinander
verschiebbaren Zylindern aus unmagnetisierbarem metallischem Werkstoff umgeben sind;
der eine dieser Zylinder ist erfindungsgemäß an die jene Federn abstützenden Platten,
der andere an eine zwischen Feder und Gleitschuh angeordnete Isolierplatte -- zur
Verwendung von Stromübergängen auf das Gehäuse durch Federkraft -- angepreßt. Bei
erfindungsgemäßen Gleitstromkontakten ist es im allgemeinen nicht notwendig, eine
Kühlung der Distanzstücke vorzusehen Letztere können - nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung - ihrerseits aus nicht magnetisierbarem, bevorzu metallischem Werkstoff
bestehen und dank angebrachter Kühlbohrungen ein durchschnittliches Raumgewicht
von i.w. nicht mehr als 4 g Je cm3 aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in: Fig. 1: den Aufriss eines zweischichtig aufgebauten
Gleitstromkontaktes; Fig. 2: die Draufsicht auf den Gleitstromkontakt bei dessen
Anordnung auf einem senkrecht stehenden Gleitrohr; Fig. 3: den Schnitt durch Fig.
1 gemäß deren Linie A-A; Fig. 4: den Schnitt durch Fig. 1 nach deren Linie B --B;
Fig. 5: einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform - entsprechend Linie A
- A in Fig. 1 geschnitten.
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Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen, erfolgt die Halterung von den
Strom einem Gleitrohr 1 abnehmenden Gleitschuhen 2 mittels ringförmiger, normal
zur Gleitrohrachse angeordneter Abdeckplatten 3 sowie mit Hilfe einer Stromableitungsplatte
4, durch welche die beiden Schichten des dargestellten Gleitstromkontaktes
voneinander
getrennt sind. Jede Schicht besteht aus zwölf Gleitschuhen 2 und aus zwölf Distanzstücken
5.
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Die Abdeckplatten 3, die Stromableitungsplatte 4 und die Distanzstücke
5 werden durch Schrauben 6 zusammengehalten.
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Das Anpressen der Gleitschuhe 2 an das Gleitrohr 1 erfolgt durch Federn
7 (Fig. 3), die sich gegen kleine Abstützplatten 8 abstützen, die mit Schrauben
9 an den Distanzstücken 5 befestigt sind. An den Abstützplatten 8 sitzen mit einer
Schraube festgelegte Führungsstücke 10 für die Federn 7. Jene Führungsstücke 10
können so ausgebildet sein, daß mit Hilfe der zugehörigen Schrauben die Federn 7
verstellbar bzw. nachstellbar sind.
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Der vom Gleitrohr 1 auf die Gleitschuhe 2 übergehende Strom wird über
Kupferbänder 11 (Fig. 4) und über einen Steg 12 einer Kupferleiste 13 der Stromableitungsplatte
4 zugeführt, über welche die Weiterleitung des Stromes zur Verbrauchsstelle der
Anlage erfolgt Die Kupferbänder 11 sind einerseits mit Schrauben 14 an den Gleitschuhen
2 und andererseits mit Schrauben 15 an den radial angeordneten Kupferstegen 12 befestigt,
die an die tangentailen Kupferleisten 13 angeschweißt
sind. Diese
Kupfer- oder Querleisten 13 sind mit Schrauben 16 an die Stromableitungsplatte 4
angeschraubt. Die Federn 7 (Fig. 3) zum Anpressen der Gleitschuhe 2 an das Gleitrohr
1 können ebenfalls aus einem nicht magnetisierbaren, metallischen werkstoff -- zweckmäßig
aus Messing -- sein.
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Die Lebensdauer solcher Federn 7 ist vergleichsweise gering, weshalb
es im allgemeinen vorteilhafter ist, Federn 7 aus üblichem Federstahl zu verwenden
und entweder die unvermeidbare Erwärmung derselben in Kauf zu nehmen oder -- bei
Gleitstromkontakten für sehr hohe Stromstärken -- die Federn 7 durch Gehäuse aus
nicht magnetisierbarem Material vor der Wirkung des dechselstromfeldes zu schützen.
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Wie Fig. 5 zeigt, kann ein solches Gehäuse aus zwei ineinander verschiebbaren
Zylindern 17 bzw. 18 -- z.B.
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aus Messing, Aluminium oder aus unmagnetisierbarem Stahl -- bestehen,
wobei der Zylinder 17 an jene die Federn 7 abstützenden Platten 8 und der Zylinder
18 an eine zwischen Feder 7 und Gleitschuh 2 angeordnete Isolierplatte 19 durch
die Federkraft angepreßt wird. Durch die Isolierungen 19 werden Stromübergänge auf
die beiden Zylinder vermieden.
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Da die Größe der stromabnehmenden Kontaktfläche der Gleitschuhe 2
begrenzt ist und zweckmäßig nicht mehr als 50 cm2 beträgt, ist für den Zusammenbau
von Gleitstromkontakten für hohe Stromstärken eine erhebliche Anzahl solcher Gleitschuhe
2 notwendig. Hieraus ergibt sich aber auch eine hohe Anzahl von Distanzstücken 5
und damit ein hohes Gewicht der Vorrichtung, insbesondere bei der Verwendung von
Distanzstücken 5 aus Stahl.
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Große Gleitstromkontakte sind störungsanfälliger als kleine Kontakte,
insbesondere hinsichtlich der Ausfälle von Gleitschuhen für die Stromabnahme wegen
Kontaktmangels. Daß bei dieser Erscheinung das Gewicht der Vorrichtung zumindest
beteiligt ist, beweisen die erheblichen Verbesserungen, die vergleichsweise durch
die erfindungsgemäße Verwendung von Distanzstücken 5 aus Aluminium erzielt werden.
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Untersuchungen haben ergeben, daß das durchnittliche Raumgewicht der
Distanzstücke etwa 4 g je cm3 nicht übersteigen soll. Bei Verwendung von Distanzstücken
5 aus z.B. Messing oder aus nicht magnetisierbarem Stahl kann diese Vorderung bevorzugt
mit hohlen Distanzstücken 5 verwirklicht werden. Distanzstücke 5, die etwa zur Hälfte
Kühlbohrungen aufweisen, erfüllen diese Anforderung.
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Da bei sehr großen Gleitstromkontakten auf eine Kühlung kaum verzichtet
werden kann, sind Distanzstücke 5 mit Kühlbohrungen nicht nur wegen der erhöhten
Betriebssicherheit, sondern auch wegen der ohnehin nicht vermeidbaren erhöhten Herstellungskosten
ohne weiteres vertretbar.
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Der in Fig. 1, 2 dargestellte Gleitstromkontakt besteht aus insgesamt
vierundzwanzig Gleitschuhen 2, die in zwei Schichten angeordnet sind. Wenn die Stromabnahmefläche
je Gleitschuh 50 cm2 beträgt, stehen für die Stromabnahme 1200 cm2 insgesamt zur
Verfügung. Bei einem Stromübergang je cm2 von 25 A können daher mit dem dargestellten
Gleitstromkontakt 30.000 A abgenommen werden, die beispielsweise für Elektroschlacke-Umschmelzanlagen
zur Herstellung von Stahlblöcken mit etwa 1100 mm Durchmesser notwendig sind.
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Derartige Gleitstromkontakte mit Distanzstücken 5 aus Aluminium haben
ohne Wasserkühlung und ohne Schutzgehäuse für die Federn 7 aus Federstahl zu guten
Ergebnissen geführt.