Die Erfindung betrifft eine Elektroden-Einspannvorrichtung mit
einem Elektrodenhaltekörper für Elektroumschmelzanlagen, die
mit einer Kokille und einer Elektrodentragvorrichtung ausge
rüstet sind, in der mindestens eine Verstelleinrichtung für die
Winkellage des Elektrodenhaltekörpers und der Elektrode ange
ordnet ist, wobei die Verstelleinrichtung zwei definierte Schwenk
achsen (X-X und Y-Y) aufweist, die rechtwinklig zueinander
stehen und denen unabhängig voneinander betätigbare Verstell
antriebe zugeordnet sind, nach Patent 29 05 752.
Der Gegenstand der Hauptanmeldung (des Hauptpatentes) be
ruht auf der Erkenntnis, daß bei einem einseitig zu ge
ringen Abstand zwischen Elektrode und Kokillenwand,
da der Strompfad den Weg des geringsten
Widerstandes einschlägt und die mit dem Stromfluß ver
bundene Wärmeentwicklung auf diesen Strompfad konzentriert,
die Gefahr eines örtlichen Durchschmelzens der Kokillenwand
besteht, wodurch im Falle einer Wasserkühlung der
Kokille eine Dampfexplosion nicht auszuschließen ist. Dem
Gegenstand der Hauptanmeldung (des Hauptpatentes) lag da
her die Aufgabe zugrunde, eine Elektroden-Einspannvorrichtung
anzugeben, mit der eine gezielte Verstellung der Winkel
lage der Elektrode nicht nur vor dem Umschmelzprozeß sondern
auch während des Umschmelzprozesses durchgeführt werden
kann, um das Elektrodenende in der Kokille zentrieren zu
können. Dabei soll ein Berühren der unter Spannung
stehenden Elektrode vermieden werden.
Bei den Ausführungsbeispielen der Hauptanmeldung (des Haupt
patentes) sind die Abschmelzelektroden in schwenkbare Elek
trodentragvorrichtungen (Elektrodentragarme) eingesetzt,
die an in der Höhe verfahrbaren Elektrodenwagen befestigt
sind. Durch Absenken der Elektrodenwagen lassen sich die ab
schmelzenden Elektroden nach Maßgabe ihres Verbrauchs in
die Kokille nachführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Elektroden-Einspannvorrichtung der eingangs beschriebenen Art
anzugeben, die nicht unbedingt auf eine Standsäule und auf
einen an dieser senkrecht verfahrbaren Elektrodenwagen an
gewiesen ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs
beschriebenen Elektroden-Einspannvorrichtung erfindungsge
mäß dadurch, daß an dem Elektrodenhaltekörper eine Führungs
einrichtung und ein Antrieb befestigt sind, durch die eine
Elektrodenstange gegenüber der Elektrodentragvorrichtung
axial verschiebbar ist. Als Führungseinrichtung kommen
sämtliche Bauelemente in Frage, die eine Verschiebung der
Elektrodenstange längs ihrer eigenen Achse relativ zum
Elektrodenhaltekörper zulassen, so daß die Elektrodenstange
gemeinsam mit dem Elektrodenhaltekörper verschwenkbar ist.
Die Vorteile des um definierte Schwenkachsen durch Verstell
antriebe beweglichen Elektrodenhaltekörpers gemäß der Haupt
anmeldung werden beibehalten. Hinzu kommt der Vorteil, daß
der Hub- und Senkantrieb der Abschmelzelektrode, der zum
kontinuierlichen Umschmelzen der Elektrode ebenso erforder
lich ist wie zum Nachchargieren neuer Elektroden, auf
die Elektrodentragvorrichtung verlagert wird. Hierdurch kann
zunächst einmal bei Platzmangel auf eine sogenannte Stand
säule verzichtet werden; es ist möglich, die Elektrodentrag
vorrichtung unmittelbar an einer Hallenwand fest zu montieren.
Der aus Säulen und Traverse bestehende Rahmen ermöglicht bei
entsprechender Anordnung einer Stromzuführung einen koaxialen
oder quasi-koaxialen Verlauf der Strompfade. Dies ist
insbesondere bei Verwendung von Wechselstrom zum Um
schmelzen von erheblichem Vorteil, da bei nicht-koaxialer
Stromführung die Verluste mit der Frequenz zunehmen. Durch
entsprechend lange Ausbildung der Säulen läßt sich eine zu
verlässige Führung der Elektroden auch bei großer Elektroden
länge erreichen. Eine entsprechend lange Elektrodenstange
hat den Vorteil, daß die Abschmelzelektrode auch ohne ent
sprechend langes Einspannende bis auf einen geringen Rest
abgeschmolzen werden kann, wenn ein Block aus mehreren Ab
schmelzelektroden aufgebaut wird. Die ungünstigsten Be
dingungen liegen hierbei nämlich, wenn die erste Abschmelz
elektrode bis zum Ende abgeschmolzen worden ist, da sich hier
bei der Schmelzsee am oberen Ende des Blocks sehr tief unten
in der Kokille befindet. Eine zuverlässige Elektrodenführung
ist auch wichtig im Zusammenhang mit dem Umschmelzen von Elek
troden mit rechteckigem Querschnitt in sogenannten Brammenko
killen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Lösung von besonderem
Vorteil bei Vakuum-Lichtbogenöfen, bei denen die Elektrodenbe
wegung mittels einer entsprechend langen Elektrodenstange in
das Ofeninnere vakuumdicht übertragen werden muß.
Eine besonders einfach und zuverlässig aufgebaute Führungsein
richtung ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekenn
zeichnet, daß diese ein aus Säulen und Traverse bestehender,
in der Mittelstellung senkrechter Rahmen ist, in dem die
Elektrodenstange parallel zu den Säulen geführt ist.
Bei Vakuum-Lichtbogenöfen, bei denen die Elektrodenstange va
kuumdicht von einem Dichtungskörper umgeben ist, der über
einen Kompensator (Faltenbalg) mit dem Ofenoberteil verbunden
ist, ist es besonders vorteilhaft, die Mitte des Kompensators
im wesentlichen in einer durch die X-X- und die Y-Y-Achsen
definierte Ebene anzuordnen. Auf diese Weise werden bei einem
gezielten Verschwenken der Elektrode bzw. Elektrodenstange dem
Kompensator ausschließlich Biegebewegungen aufgezwungen, für die
der Kompensator ausgelegt ist. Eine Querverschiebung des
dem Ofenoberteil abgekehrten Endes des Komparators wird auf
diese Weise weitgehend ausgeschlossen. Je nach der de
finierten Einstellung der Verstellantriebe folgt der Rahmen
der Bewegung der Elektrodenachse. Es ist dabei zusätzlich
möglich, die Schwenkachsen X-X und Y-Y sowie die zuge
hörigen Verstellantriebe an einem Zwischenrahmen anzuordnen,
der sich über mehrere Gewichtsmeßdosen auf der Elektroden
tragvorrichtung abstützt. Auf die angegebene Weise kann auch
bei Anwendung der beschriebenen Rahmenführung für die Elektroden
stange der Vorteil einer laufenden Verfolgung des jeweiligen
Restgewichts der Elektrode beibehalten werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegen
standes sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und deren
Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5
näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Elektroschlacke
umschmelzanlage mit ihren wesentlichen mechanischen
Teilen, wobei die Kokille geschnitten dargestellt ist,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Vakuum-Lichtbogen
umschmelzanlage mit ihren wesentlichen mechanischen
Teilen, wobei die Kokille und das Ofenoberteil ge
schnitten dargestellt sind,
Fig. 3 eine Vorderansicht der Elektrodentragvorrichtung im
Schnitt, an der sich der Elektrodenhaltekörper mit den
Verstellantrieben befindet - wie sie z. B. in der Anlage
Fig. 2 eingesetzt wird,
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Ende der Elektroden
tragvorrichtung, an der sich der Elektroden
haltekörper und dessen Verstellantriebe be
finden - wie sie z. B. in der Anlage Fig. 2
eingesetzt wird in der Schnittebene IV-IV
gemäß Fig. 3, und
Fig. 5 Einzelheiten der Elektrodentragvorrichtung
im Schnitt - wie sie bei der Anlage Fig. 1 Ver
wendung findet.
In Fig. 1 ist eine Elektroschlackeumschmelzanlage 100 darge
stellt, die aus einem Fundament 101, einer Standsäule 102
mit einem Achshalter 103, einer Elektrodentragvorrichtung 104
mit einer Elektrodeneinspannvorrichtung 105 und aus einer
wassergekühlten Kokille 106 mit einem Kokillenboden 107 be
steht. Der Achshalter 103 ist über eine senkrechte Schwenk
achse 109 mit der Elektrodentragvorrichtung 104 verbunden.
Die Elektrodeneinspannvorrichtung 105 ist am unteren Ende
einer Elektrodenstange 110 angeordnet. Eine umschmelzbare
Elektrode 111 ist mittels eines angeschweißten Einspann
endes 112 in die Einspannvorrichtung 105 eingesetzt und mit
dieser elektrisch leitend verbunden. Die Elektrode 111 be
sitzt eine geometrische Achse 113, deren Abstand von der
Schwenkachse 109 den Schwenkradius R darstellt, der die
horizontale Kreisbahn für die Schwenkbewegung der Elektrode 111
festlegt.
Innerhalb der Kokille 106 befindet sich während des darge
stellten Umschmelzvorganges eine Schicht geschmolzener
Schlacke 114, durch die hindurch die Elektrode 111 unter
der Wirkung des zugeführten Schmelzstromes umgeschmolzen
wird. Die Schmelze sammelt sich zunächst in einem Schmelz
see 115 und erstarrt nachfolgend zu einem Block 116, der
das vorläufige Endprodukt des ESU-Verfahrens darstellt.
Das Schmelzverfahren sowie die in Fig. 1 dargestellte
ESU-Anlage sind mit Ausnahme der nachfolgend näher be
schriebenen Details Stand der Technik, so daß auf weitere
Erläuterungen verzichtet werden kann.
Die Elektroden-Einspannvorrichtung 105 ist an ihrem
unteren Ende radial geführt und hängt mit ihrem oberen
Ende an einer Quertraverse 118, die an beiden Enden mit
Rollen versehen ist, welche auf senkrechten Säulen 119
laufen. Die Elektrodenstange 110 ist als Druckmittel
zylinder ausgebildet. Ein innenliegender Kolben 120 ist
über eine Kolbenstange 121 an einer Traverse 122 aufge
hängt, die sich über die Säulen 119 auf die in Fig. 3 ge
zeigte Weise mittelbar auf der Elektrodentragvorrichtung 104
abstützt. Durch Zuführung von Hydrauliköl durch die Kolben
stange 121 oberhalb des Kolbens 120 wird die Elektroden
stange 110 angehoben. Bei Zuführung von Hydrauliköl unter
halb des Kolbens 120 wird die Elektrodenstange 110 abgesenkt.
Durch das Zusammenwirken der vorstehend beschriebenen Bau
teile wird die Elektrode 111 zusammen mit der Elektroden
stange 110 gegenüber der Standsäule 102, dem Achshalter 103,
der Elektrodentragvorrichtung 104, den Säulen 119 und der
Traverse 122 angehoben oder abgesenkt. Die Teile 119, 122 und
135 bilden zusammen eine Führung 108.
Fig. 2 zeigt eine analoge Vorrichtung 132, wie sie beim Vakuum-
Lichtbogenumschmelzverfahren (VAR-Verfahren) Verwendung
findet. Es sind wiederum die Standsäule 102 mit dem Achs
halter 103 sowie die Elektrodentragvorrichtung 104 mit
der Elektrodeneinspannvorrichtung 105 vorhanden. Die wasser
gekühlte Kokille 106 enthält den Block 116 mit dem Schmelz
see 115. Die Elektrode 111 wird über Lichtbögen 125, die
sich zwischen der Elektrode 111 und dem Schmelzsee 115
bilden, abgeschmolzen. Die Elektrodenstange 110 wird über
eine Spindel 126 bewegt, die von einem Motor 127 angetrieben
wird. Zu diesem Zweck ist in der Quertraverse 118 eine
Spindelmutter angeordnet. Die Spindel 126 ist in bekannter
Weise koaxial in der Elektrodenstange 110 angeordnet. Der
Motor 127 stützt sich über die Traverse 122 und die Säulen 119
auf die in Fig. 3 näher beschriebene Weise mittelbar auf
der Elektrodentragvorrichtung 104 ab. Die Kokille 106, die
bei einem Vakuum-Lichtbogenofen gleichzeitig als Ofenunter
teil anzusehen ist, wird nach oben hin durch ein Ofenoberteil 129
verschlossen, welches über einen Kompensator (Faltenbalg) 128
auf die in Fig. 3 gezeigte Weise mittelbar mit der Elektroden
tragvorrichtung 104 verbunden ist. Das Ofenoberteil 129 ist
mit Hilfe von Zugankern 130 an der Elektrodentragvorrichtung 104
aufgehängt und durch eine Dichtung 131 gegenüber der Kokille 106
abgedichtet.
Anstelle der Schwenkmöglichkeit der Elektrodentragvor
richtung 104 um die Achse 109 kann auch eine Translationsbe
wegung der Elektrodentragvorrichtung 104 in der Form vorge
sehen werden, daß diese starr mit der Standsäule 102 ver
bunden ist. In diesem Falle ist die Standsäule, die auch
mehrere Stützfüße aufweisen kann, mittels Rädern linear
beweglich auf Fahrschienen angeordnet. Im Falle von großen
Schwenkradien können diese Fahrschienen in Kreisbogenform
verlegt werden.
In Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 2 mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Dort ist das äußere Ende der Elek
trodentragvorrichtung 104 dargestellt, welches auch die
Elektrodeneinspannvorrichtung 105 enthält. Wesentliches Teil
ist ein äußerlich zylindrischer Elektrodenhaltekörper 135,
in welchem die zwei Säulen 119 befestigt sind, welche die
obere Traverse 122 tragen. Die darunterliegende Quertra
verse 118 wird durch zwei Rollen 136 an den Säulen 119 ge
führt. An ihr ist die Elektrodenstange 110 aufgehängt. In
der Elektrodeneinspannvorrichtung 105 am unteren Ende der
Elektrodenstange 110 ist das Einspannende 112 mittels zweier
Rundkeile 137 befestigt. Die Elektrodenstange 110 wird zu
sätzlich in einem Dichtungskörper 138 geführt, in dem sich
zu Führungszwecken Radiallager befinden. Der Dichtungs
körper kann nach Art einer Stopfbuchspackung aufgebaut sein,
welche die Elektrodenstange 110 vakuumdicht umschließt.
Es ist jedoch besonders vorteilhaft, den Dichtungskörper
als sogenannte Druckstufenstrecke auszubilden, in der die
erforderliche Dichtigkeit durch eine labyrinthähnliche
Kammernfolge mit Zwischenabsaugung erzielt wird. Der Dichtungs
körper 138 ist mit dem unteren Teil des Elektrodenhaltekörpers
135 verschraubt und über den Kompensator 128 mit dem Ofenoberteil 129 vakuum
dicht verbunden. Der Elektrodenhaltekörper 135, der im Hin
blick auf den Kräfteverlauf in dem beschriebenen System
als Bezugsplattform anzusehen ist, ist in der Elektrodentrag
vorrichtung 104 mit Hilfe von Zapfen 139 und 140 gelagert.
An der Eingriffsstelle der Zapfen 139 und 140 befinden sich
im Elektrodenhaltekörper 135 sphärische Lager 141 und 142.
Der Zapfen 139 ist starr in der Elektrodentragvorrichtung 104
befestigt, während der Zapfen 140 fest in einem Schieber 143
angeordnet ist, der in senkrechter Richtung beweglich in der
Elektrodentragvorrichtung 104 geführt ist. Der Schieber 143
ist mit seinem oberen Ende an einem Exzenterzapfen 144 eines
Exzenters 145 aufgehängt, der an der Elektrodentragvorrich
tung 104 gelagert ist und über einen Hebelarm 146 mittels
eines Verstellantriebs 147 bewegt wird. Am oberen Teil des
Elektrodenhaltekörpers 135 ist außerdem ein Hebelarm 148 be
festigt, der mit einem Verstellantrieb 149 verbunden ist und
von diesem bewegt wird.
Die Winkelverstellung des Elektrodenhaltekörpers 135 gegen
über der Elektrodentragvorrichtung 104 erfolgt bei Betätigung
des Verstellantriebs 149 um eine Achse X-X, die durch die
beiden sphärischen Lager 141 und 142 verläuft. Bei der Be
tätigung des Verstellantriebs 147 wird über den Exzenter
zapfen 144 der Schieber 143 senkrecht bewegt und dadurch der
Zapfen 140 angehoben oder abgesenkt. Hierdurch ergibt sich
eine Verstellung um eine Achse Y-Y, die horizontal und um
90 Grad versetzt gegenüber der Achse X-X liegt und durch
die Mitte des sphärischen Lagers 141 verläuft. Die Mitte des
Kompensators 128 liegt etwa in der Höhe der Zapfen 139 und
140. Bei einer X-X-Verstellung des Elektrodenhaltekörpers 135
tritt somit nur eine minimale Winkel- oder Axialbewegung des
Kompensators 128 auf.
Der Elektrodenhaltekörper 135 ist ein mittelbares Halteorgan
für die Elektrode 111, und zwar über die Säulen 119, die
Traverse 122, die Spindel 126, die nicht näher bezeichnete
Spindelmutter, die Quertraverse 118, die Elektrodenstange 110
und die Elektrodeneinspannvorrichtung 105, welche das Ein
spannende 112 mittels der Rundkeile 137 formschlüssig festhält.
Der Elektrodenhaltekörper 135 ist jedoch als Bezugsplattform
und als zentrales Einstellorgan für die Winkellage der Elek
trode, aufgrund der Zapfenlagerung und der Verstellan
triebe für die Einstellung der Raumlage der Elektrode 111
verantwortlich.
Die Stromzuführung zur Elektrodenstange 110 und damit zur
Elektrode 111 erfolgt über die Quertraverse 118. An dieser
ist ein Stromkabel 150 aufgehängt, das bei der Verschiebung
der Elektrodenstange 110 gegenüber einem Befestigungspunkt 151
an einer Stromschiene 152 bewegt wird. Die Stromschiene 152
ist isoliert an der Säule 119 befestigt und trägt an ihrem
unteren Ende eine flexible Stromkabelverbindung 153, die
auf der anderen Seite an eine ortsfeste Stromschiene 154
angeschlossen ist. Die flexible Stromkabelverbindung 153 er
möglicht die unbehinderte X-Y-Verstellung des Elektroden
haltekörpers 135. Es ist dabei zweckmäßig, die Stromkabel
verbindung 153 möglichst nahe an den Zapfen 139 anzuordnen,
um bei der X-Y-Verstellung nur geringe Verformungen der
Stromkabelverbindung 153 zu bewirken.
In Fig. 4 sind gleiche Teile wie in den Fig. 2 und 3
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Sie zeigt die Draufsicht
auf das Ende der Elektrodentragvorrichtung 104, in der der
Elektrodenhaltekörper 135 auf die beschriebene Weise ge
lagert ist. Auf den Säulen 119 laufen die Rollen 136 und
führen die Quertraverse 118 mit Spindelmutter und Spindel 126.
Die Säulen 119 sind im zylindrischen Elektrodenhaltekörper
135 befestigt. Außerdem sind die Lage der Stromschiene 152
an der Säule 119 und des Stromkabels 150 mit dem Anschluß
an die Quertraverse 118 zu erkennen. Am oberen Rand des
Elektrodenhaltekörpers 135 befindet sich der Hebelarm 148,
der vom Verstellantrieb 149 bewegt wird. Dieser Verstellan
trieb ist mittels eines Halters 155 mit der Elektrodentrag
vorrichtung 104 verbunden. Zusätzlich sind zu erkennen der
Schieber 143, der mittels der Führungen 156 an der Elektroden
tragvorrichtung 104 senkrecht geführt wird und mittels des
Exzenters 145 über den Hebel 146 vom Verstellantrieb 147 be
wegt wird. Der Verstellantrieb 147 ist mittels eines
Halters 157 gleichfalls an der Elektrodentragvorrichtung 104
gelagert.
In Fig. 5 sind gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 3 mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Sie zeigt einen Elektroden
haltekörper 135 im Schnitt, wie er bei der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 Verwendung findet. Anstelle des in Fig. 3 ge
zeigten Dichtungskörpers 138 ist ein Stromzuführungs
körper 160 an den unteren Teil des zylindrischen Elek
trodenhaltekörpers 135 angeschraubt. Der Stromzu
führungskörper 160 enthält in bekannter Weise Radial
lager und elektrische Gleitkontakte, über welche der
Schmelzstrom auf die Elektrodenstange 110 und von dieser
auf das Einspannende 112 der Elektrode übertragen wird.
Die Zuführung des Stromes erfolgt über ein flexibles
Kabel 161 von einer Stromschiene 162 auf den Stromzu
führungskörper 160. Der zylindrische Elektrodenhalte
körper 135 ist im übrigen in völlig analoger Weise wie
in Fig. 3 dargestellt und auf den Zapfen 139 und 140 ge
lagert. Auch die X-Y-Verstellung erfolgt in einer Weise,
die mit derjenigen in Fig. 3 übereinstimmt.
Die Fig. 5 zeigt außerdem auch noch die Möglichkeit einer
weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes, die in
analoger Weise auch auf den Gegenstand von Fig. 3 anzu
wenden ist. Zwischen der Elektrodentragvorrichtung 104,
die entsprechend modifiziert ausgebildet ist, und dem
Elektrodenhaltekörper 135 ist im vorliegenden Fall ein
Zwischenrahmen 163 angeordnet, der als zur Elektrodentrag
vorrichtung 104 gehörig angesehen werden kann, und in dem
der Zapfen 139 gelagert ist. Der auf der gegenüberliegenden
Seite angeordnete Zapfen 140 ist in dem Schieber 143 ge
lagert, dessen Reaktionskräfte gleichfalls auf den Zwischen
rahmen 163 übertragen werden. Zwischen dem Zwischen
rahmen 163 und der Elektrodentragvorrichtung 104 befinden
sich auf dem Umfang verteilt mehrere Gewichtsmeßdosen 164,
mit denen das Gesamtgewicht der von den Gewichtsmeßdosen
getragenen Teile erfaßbar ist. Nach Abzug des Gesamtgewichts
der zu der Anlage gehörenden Teile ergibt sich das jeweilige
Elektrodengewicht. Im allgemeinen werden auf den Umfang
gleichmäßig verteilt drei Gewichtsmeßdosen angeordnet,
wobei die Summe aller Meßwerte zu dem vorstehend be
schriebenen Gesamtgewicht führt.