DE3141312A1

DE3141312A1 - Vakuumlichtbogen-schmelz- und -giessofen mit vakuumkammer und kipptiegel

Info

Publication number: DE3141312A1
Application number: DE19813141312
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Manila Samietz; Ernst 6460 Gelnhausen Weingärtner
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1981-10-17
Filing date: 1981-10-17
Publication date: 1983-07-07
Also published as: US4450570A; GB2108810B; DE3141312C2; GB2108810A

Description

6. Oktober 1981 81511

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Vakuumlichtbogen-Schmelz- und -Gießofen mit Vakuumkammer und Kipptiegel "

Die Erfindung betrifft einen Vakuumlichtbogen-Schmelz- und -Gießofen mit einer aus Ofenoberteil und -unterteil bestehenden Vakuumkammer, mit einem Kipptiegel und einem zum Boden des Kipptiegels führenden unterbrechbaren zentrischen Stromanschluß, der aus einem ortsfesten Kontakt und einem am Tiegelboden angeordneten, mit dem Kipptiegel beweglichen Gegenkontakt besteht, sowie mit einer Elektrodenstange für die zum Kipptiegel konzentrische Halterung und Führung einer Elektrode.

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Sofern bei Ofen der eingangs beschriebenen Gattung die Strompfade im Tiegel bzw. in der Schmelze nicht konzentrisch zum Tiegel verlaufen, erfolgt ein einseitiger bzw. schiefer Abbrand der Elektrode. Sofern es sich bei der Elektrode um eine sogenannte Abschmelzelektrode handelt, erfolgt ein asymmetrisches Abschmelzen aufgrund der durch den Feldverlauf bedingten seitlichen Auslenkung des Lichtbogens. Dies ist'in besonders starkem Maße dann der Fall, wenn der elektrische Stromanschluß an den Tiegel exzentrisch erfolgt. Ein bevorzugter Anschlußort für die. Stromzuleitung ist die Kippachse des Tiegels, die im allgemeinen in unmittelbarer Nähe der Gießschnauze des Tiegels angeordnet ist. Die Anforderungen an die Beweglichkeit der Stromzuführung stellen an dieser Stelle ein Minimum dar.

Um den Strompfad weitgehend konzentrisch zur Elektrode und zum Schmelztiegel verlaufen zu lassen, hat man bereits unter Beibehaltung der Kippachse in der Nähe der Gießschnauze flexible Stromkabel mit der Mitte des Tiegelbodens verbunden, wobei die besagten flexiblen Kabel die Beweglichkeit des Kipptiegels gewährleisteten. Diese flexiblen Kabel, die Ströme von 20.000 Ampere und darüber führen müssen und zusätzlich einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, werden in der Regel als Hohlkabel ausgeführt und von Kühlwasser durchströmt. Damit ist im Falle eines Lecks die Gefahr einer Dampfexplosion und/oder einer exothermen chemischen Reaktion verbunden, wenn das geschmolzene Metall bei den hohen Temperaturen besonders reaktiv ist, wie beispielsweise Titan.

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Stromkabel für hohe Stromstärken, insbesondere solche mit Wasserkühlung, haben einen verhältnismäßig großen minimalen Biegeradius, so daß die den Kipptiegel umgebende Vakuumkammer ein beträchtliches zusätzliches Volumen haben muß, um die erforderliche Beweglichkeit der flexiblen Stromkabel zu gewährleisten.

Dfen der eingangs beschriebenen Gattung sind durch die US-PS 2 789 152 und die US-PS 2 958 719 bekannt.

Der Ofen nach der US-PS 2 789 152 besitzt ein flexibles, zu einem zentrischen Bodenkontakt des Tiegels geführtes Stromkabel, auf das die vorstehend gemachten Ausführungen zutreffen. Aufgrund einer exzentrischen Anordnung der Elektrode bzw. Elektroden brennt die Elektrodenspitze schief ab, was nur deswegen von untergeordneter Bedeutung ist, weil die Elektrode eine Permanentelektrode ist und einen außerordentlich geringen Querschnitt aufweist.

Durch die US-PS 2 958 719 ist es weiterhin bekannt, eine flexible Stromzuleitung zu einem zentrischen Bodenkontakt des Kipptiegels durch einen Eintauchkontakt zu ersetzen, der aus einem Topf, gefüllt mit einem niedrig schmelzenden Metall, besteht. Eine Unterbrechung dieses Kontaktes ist jedoch nur dann möglich, wenn das Kontaktmetall geschmolzen ist. Hierzu besitzt der bekannte Ofen eine Heizeinrichtung für den Kontakt. Andererseits muß auch die zugeführte und im Kontaktmetall entstehende Wärme abgeführt werden, zu welchem Zweck die Kontakteinrichtung mit einem Kühlwasserkreislauf versehen ist. Eine derartige Vorrichtung ist auf-

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wendig und besitzt nach wie vor den Gefahrenpunkt, daß bei Austritt von Kühlwasser eine Explosion zu befürchten ist.

Außerdem besitzen die bekannten öfen eine sogenannte offene Stromschleife_s d.h. die Zu- und Abfuhr des Heiz- bzw. Schmelz-Stroms erfolgt an voneinander sehr entfernten Stellen des Ofens, so daß starke magnetische Felder auftreten, die den Verlauf des Lichtbogens ungünstig beeinflussen. Zudem sind die bekannten Ufen ausschließlich für die Versorgung mit Gleichstrom vorgesehen. Die Versorgung mit Wechselstrom sowie mit pulsierenden Gleichstrom von Netzfrequenz oder darüber ist nämlich mit hohen induktiven Verlusten verbunden, deren Größe der Frequenz und der Größe der Stromschleife direkt proportional ist. Die Verwendung von Netzfrequenz bietet sich im Hinblick auf den geringen Aufwand der Stromversorgung an. Zur Vermeidung von induktiven Verlusten hat man jedoch in der Vergangenheit extrem niedrige Frequenzen angewandt, was wiederum durch den Einsatz entsprechender teurer Wechselrichter erkauft werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumlichtbogenofen der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß auf die Verwendung komplizierter Bodenkontakte (flexible Stromkabel; Flüssigmetall-Kontakte) verzichtet werden kann und daß der Ofen eine möglichst kleine Stromschleife besitzt, so daß die Versorgung mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom von Netzfrequenz und darüber ohne nennenswerte induktive Verluste möglich ist.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Ofengattung erfindungsgemäß dadurch, daß der ortsfeste Kontakt an mindestens zwei zur Elektrodenstange bzw. Elektrode im wesentlichen koaxialen, durch die Vakuumkammer von oben hindurch- und am Kipptiegel vorbeigeführten starren Stromleitern befestigt ist, und daß die Stromleiter einen solchen Abstand voneinander haben, daß der Kipptiegel zwischen ihnen in die Gießstellung kippbar ist.

Eine derartige Anordnung stellt - im Gegensatz zum Stand der Technik - eine quasi-koaxiale Anordnung der stromführenden Teile dar. Die Strompfade verlaufen in enger Nachbarschaft in entgegengesetzten Richtungen, so daß die beiden hierdurch gebildeten Stromschleifen eine Fläche von minimaler Größe umschreiben. Der Abstand der beiden starren Stromleiter von der Elektrode ist dabei im wesentlichen nur durch den Durchmesser des zwischen den beiden Stromleitern befindlichen Schmelztiegels bedingt. Damit ist ein Minimum an induktiven Verlusten bei gegebener Frequenz verbunden. Hinzukommt, daß die Umgebung außerhalb der Strompfade weitgehend frei von magnetischen Feldern ist, so daß die übrigen Vorrichtungsteile nicht durch induktive Ankopplung aufgeheizt werden können.

Der Ausdruck "quasi-koaxial" besagt, daß die betreffende Anordnung nicht ein vollständig koaxiales System bildet, was nur bei einer Ergänzung der beiden starren Stromleiter zu einem Hohlzylinder erreicht werden könnte, der dann allerdings die Kippbewegung des Tiegels behindern würde. Die Er-

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fahrung hat jedoch gezeigt, daß als Minimalforderung an ein koaxiales System die spiegelsymmetrische Anordnung von zwei Stromleitern relativ zur Elektrode völlig ausreichend ist, um den gestellten Anforderungen zu genügen.

Durch die starre Ausbildung der Stromleiter bis zum ortsfesten Kontakt kann auf flexible Stromübertragungselemente ebenso verzichtet werden, wie auf sogenannte Flüssigmetal1 Kontakte. Die Kühlung starrer Stromschienen ist aber mit einem wesentlich größeren Sicherheitsfaktor auszulegen, als beispielsweise flexible Zuleitungen. Das Austreten von Kühlwasser aus einem starren Leitungssystem ist extrem unwahrscheinlich, da keine Biegebeanspruchungen und keine Ermüdungserscheinungen auftreten können.

Durch die im wesentlichen koaxiale Ausbildung des elektromagnetischen Feldes brennt der Lichtbogen im wesentlichen in der Symmetrieachse des Systems, d.h. er wird nicht oder nicht merklich seitlich ausgelenkt. Die Folge ist ein ideales Abbrandverhalten bzw. Abschmelzverhalten der Elektrode, so daß auch der Wärmeeingang in das im Kipptiegel befindliche Metall vom Zentrum her und damit gleichförmig erfolgt.

Durch die DE-OS 28 33 695 ist es bereits bei einem Elektroschlacke-Umschmelzofen bekannt, die Stromleiter quasi-koaxial auszubilden und einen der Kontakte an den Kokillenboden zu legen. Es handelt sich jedoch um einen gattungsfremden Ofen, der weder eine Vakuumkammer, no_ch einen Kipptiegel aufweist, so daß hinsichtlich einer Kippbewegung des Tiegels keine Probleme zu erwarten sind. Außerdem bestehen keinerlei

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Schwierigkeiten im Hinblick auf die notwendige Durchführung der starren Stromleiter durch die Vakuumkammer.

Mit dem Erfindungsgegenstand ist der weitere Vorteil verbunden, daß die Stromzuführung zu den Stromleitern an nahezu jeder beliebigen Stelle einschließlich des Deckels des Ofenoberteils erfolgen kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Stromleiter unterhalb des Kipptiegels durch eine zur Kippachse im wesentlichen parallele Traverse verbunden sind, in der der ortsfeste Kontakt angeordnet ist, und daß der bewegliche Gegenkontakt mittels des Kipptiegels bei dessen Einschwenken in. die Schmelzstellung seitlich gegen den ortsfesten Kontakt zur Anlage bringbar ist.

Durch diese Maßnahme haben die Stromleiter in Verbindung mit der Traverse die Wirkung eines Gestells, welches einen definierten Anschlag für die Begrenzung der Kippbewegung des Tiegels darstellt. Gleichzeitig wirken der Bodenkontakt des Kipptiegels und der ortsfeste Gegenkontakt als Unterbrecher bzw. Schalter. Der Tiegel ist auf einfachste Weise ausbaubar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

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Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht der Einbauteile des

Ofens bei in senkrechter Richtung aufgeschnittener Vakuumkammer j und

Figur 2 eine Unteransicht des Gegenstandes nach

Figur 1 bei in horizontaler Richtung aufgeschnittener Vakuumkammer.

In Figur 1 ist eine Vakuumkammer 1 dargestellt, die aus einem Ofenoberteil 2 und einem Ofenunterteil 3 besteht. Die Bauart derartiger Vakuumkammern einschließlich ihrer Verbindung mit einem nicht gezeigten Vakuum-Pumpsatz ist Stand der Technik, so daß weitere Ausführungen entbehrlich sind.

Das Ofenunterteil 3 besitzt zwei seitliche Kammerwände 4 und 5, an denen Drehlager 6 und 7 für eine durch die Kammerwand 5 hindurchgeführte Welle 8 befestigt sind, mit der ein Kipptiegel 9 verdrehfest verbunden ist. Die Achse der Welle 8 ist infolgedessen die Kippachse des Kipptiegels 9.

Die Vorrichtung ist im Betrieb dargestellt. Hierbei befindet sich im Innern des Kipptiegels und konzentrisch zu diesem eine Elektrode 10, die aus dem abzuschmelzenden Metall besteht und eine Abschmelzelektrode darstellt. Die Elektrode ist an einer Elektrodenstange 11 befestigt, die mittels einer isolierenden Vakuumdurchführung 12 durch das Ofenoberteil 2 hindurchgeführt ist. Mittels dieser Vakuumdurchführung und

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der Elektrodenstange 11 ist eine Nachführung der Elektrode nach Maßgabe ihres Verbrauchs möglich.

Spiegelsymmetrisch zum Kipptiegel 9, zur Elektrode 10 und zur Elektrodenstange 11 sind zwei starre Stromleiter 13 und angeordnet, die parallel zur Elektrodenstange 11 verlaufen. Die Stromleiter sind oben durch den Deckel 15 des Ofenunterteils hindurchgeführt und stehen mit einer nicht gezeigten Stromversorgungseinrichtung in Verbindung. Das untere Ende der Stromleiter 13 und 14 liegt unterhalb der tiefsten Stelle des Kipptiegels 9. Hier sind die beiden Stromleiter durch eine zur Kippachse im wesentlichen paralleleTraverse 16 verbunden, in der ein ortsfester Kontakt 17 angeordnet ist. In den Stromleitern 13 und 14 ist ebenso wie in der Traverse ein Kühl kanal system 18 angeordnet.

Am Tiegelboden ist konzentrisch zum Kipptiegel 9 ein mit dem Tiegel beweglicher Gegenkontakt 19 angeorndet, der die Form eines Zylinders hat und beim Kippen des Tiegels seitlich aus dem Kontakt 17 herausschwenkbar ist.

Der eine Pol der nicht gezeigten Stromversorgungseinrichtung ist in Parallelschaltung mit den beiden Stromleitern 13 und verbunden, während der andere Pol an die Elektrodenstange 11 angeschlossen ist. Auf diese Weise wird die quasi-koaxiale Stromführung erreicht.

In Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist insbesondere die Ausbildung der Traverse 16 und des ortsfesten Kontaktes 17 zu ersehen. Gleichfalls zu erkennen ist, daß der ortsfeste Kontakt 17 gleich-

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zeitig die Schwenkbegrenzung für den Kipptiegel 9 ist, wenn dieser unter Drehung der Welle 8 aus seiner Gießstellung in die gezeigte Schmelzstellung zurückkehrt. Weiterhin ist zu erkennen, daß die Welle 8 über eine exzentrisch angelenkte Kolbenstange 20 mit einem Druckmittelzylinder 21 verbunden ist, der sich über einen Ausleger 22 an der Kammerwand 5 abstützt. Kolbenstange 20 und Druckmittelzylinder 21 bilden einen sogenannten Drehantrieb für die Welle 8, wobei die Verbindung mit der Welle 8 über ein isolierendes Zwischenstück 23 erfolgt, welches zwischen zwei nicht näher bezeichneten Flanschen eingespannt ist. Der Drehantrieb besitzt außerdem nicht gezeigte Kontaktgeber, die als Stellungsmelder und/oder für die Erzeugung von Steuersignalen dienen.

Die Welle 8 ist mit nicht gezeigten Kühlmittel kanälen versehen, über die nicht dargestellte und an sich bekannte Kühlkanäle im Kipptiegel 9 versorgt werden. In Figur 2 sind nur die äußeren Anschlüsse 24 und 25 des Kühlmittelkreislaufs dargestellt.

Die Stromleiter 13 und 14 sowie die Traverse 16 bestehen aus Kupfer und sind gut stromleitend miteinander verbunden. Der ortsfeste Kontakt 17 sowie sein Gegenkontakt 19 sind auswechsel bar mit den jeweils zugehörigen Bauteilen verbunden.

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Claims

6. Oktober 1981 81511 PA ΤΕΝΤΑ'Ν SPRÜCHE:

1. Vakuumlichtbogen-Schmelz- und -Gießofen mit einer aus Ofenoberteil und -unterteil bestehenden Vakuumkammer, mit einem Kipptiegel und einem zum Boden des Kipptiegels führenden unterbrechbaren zentrischen Stromanschluß, der aus einem ortsfesten Kontakt und einem am Tiegelboden angeordneten, mit dem Kipptiegel beweglichen Gegenkontakt besteht, sowie rrfit einer Elektrodenstange für die zum Kipptiegel konzentrische Halterung und Führung einer Elektrode, dadurch gekenn zeichnet, daß der ortsfeste Kontakt (17) an mindestens zwei zur Elektrodenstange (11) bzw. Elektrode (10) im wesentlichen koaxialen, durch die Vakuumkammer (1) von oben hindurch- und am Kipptiegel (9) vorbeigeführten starren Stromleitern (13, 14) befestigt ist und daß die Stromleiter einen solchen Abstand voneinander haben, daß der Kipptiegel zwischen ihnen in die Gießstellung kippbar ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Stromleiter (13, 14) unterhalb des Kipptiegels (9) durch eine zur Kippachse im wesentlichen parallele Traverse (6) verbunden sind, in der der ortsfeste Kontakt (17) angeordnet ist, und daß der bewegliche Gegenkontakt (19) mittels des Kipptiegels (9) bei dessen Einschwenken in die Schmelzstellung seitlich gegen den ortsfesten Kontakt zur Anlage bringbar ist.

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3. Ofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter (13, 14) einschließlich der Traverse (16) von einem Kühlkanalsystem (18) durchzogen sind,

4. Ofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Kontakt (17) gleichzeitig Schwenkbegrenzung für den Kipptiegel (9) ist.