DE3141312C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumlichtbogen-Schmelz- und -Gießofen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Öfen sind durch die US-PS 27 89 152 und die US-PS 29 58 719 bekannt.

Der Ofen nach der US-PS 27 89 152 besitzt ein flexibles, zu einem zentrischen Bodenkontakt des Tiegels geführtes Stromkabel. 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. Würde es sich bei der Elektrode um eine sogenannte Abschmelzelektrode handeln, so erfolgt ein asymmetrisches Abschmelzen aufgrund der durch den Feldverlauf bedingten seitlichen Auslenkung des Lichtbogens.

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 des Schmelztiegels flexible Stromkabel mit der Mitte des Tiegelbodens verbunden, wobei die besagten flexiblen Kabel die Beweglichkeit des Kipptiegels gewährleisten. Diese flexiblen Kabel, die Ströme von 20 000 A 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.

Stromkabel für hohe Stromstärken, insbesondere solche mit einer 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.

Durch die US-PS 29 58 719 ist es weiterhin bekannt, eine flexible Stromzuleitung zu einem zentrischen Bodenkontakt des Kipptiegels durch einen Eintauchkontakt zu ersetzen, der aus einem Topf besteht, der mit einem niedrig schmelzenden Metall gefüllt ist. 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, so daß die Kontakteinrichtung mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist. Eine derartige Vorrichtung ist aufwendig 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, d. h. die Zu- und Abfuhr des Heiz- bzw. Schmelzstroms 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 Öfen ausschließlich für die Versorgung mit Gleichstrom vorgesehen. Die Versorgung mit Wechselstrom sowie mit pulsierendem Gleichstrom von Netzfrequenz oder darüber ist 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 entsprechend teurer Wechselrichter erkauft werden mußte.

Durch die DE-OS 22 32 695 und die DE-OS 28 33 695 ist es bereits bei elektrischen Umschmelzöfen bekannt, zum Zwecke einer Reduzierung der induktiven Verluste die Stromleiter koaxial oder quasi-koaxial auszubilden und einen der Kontakte an den Kokillenboden zu legen. Beide Druckschriften befassen sich jedoch mit gattungsfremden Öfen, die keinen Kipptiegel aufweisen. So betrifft die DE-OS 22 32 695 vorrangig einen Vakuum-Lichtbogenofen, und die DE-OS 28 33 695 einen Elektroschlacke-Umschmelz­ ofen. Bei keinem dieser Öfen sind jedoch Probleme im Hinblick auf eine Kippbewegung des Tiegels zu erwarten, und es bestehen auch keine Schwierigkeiten im Hinblick auf die notwendige Durchführung starrer Stromleiter durch die Vakuumkammer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vakuum-Lichtbogenofen 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.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Ofengattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung stellt - im Gegensatz zum Stande der Technik auf dem Gebiete der Öfen mit Kipptiegel - 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 Kipp-Schmelztiegels bedingt. Damit ist ein Minimum an induktiven Verlusten bei gegebener Frequenz verbunden. Hinzu kommt, 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 Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß als Minimalforderung an ein koaxiales System die spiegelsymmetrische Anordnung von zwei Stromleitern relativ zur Elektrode völlig ausreichend ist.

Durch die starre Ausbildung der Stromleiter bis zum ortsfesten Kontakt kann auf flexible Stromübertragungs­ elemente ebenso verzichtet werden, wie auf sogenannte Flüssigmetall-Kontakte. Die Kühlung starrer Stromschienen ist aber mit einem wesentlich größeren Sicherheitsfaktor auszulegen, als beispielsweise flexible Zuleitungen. Das Austreten von Kühlwasser aus einem 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 ausgelegt. Die Folge ist ein ideales Abbrandverhalten bzw. Abschmelz­ verhalten der Elektrode, so daß auch der Wärmeeingang in das im Kipptiegel befindliche Metall vom Zentrum her und damit gleichförmig erfolgt.

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.

Bei Befolgung der erfindungsgemäßen Lehre 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 Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht der Einbauteile des Ofens bei in senkrechter Richtung aufge­ schnittener Vakuumkammer, und

Fig. 2 eine Unteransicht des Gegenstandes nach Fig. 1 bei in horizontaler Richtung aufge­ schnittener Vakuumkammer.

In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 1 dargestellt, die aus einem Ofenoberteil 2 und einem Ofenunterteil 3 besteht. Die Bau­ art 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 Kammer­ wand 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 be­ steht und eine Abschmelzelektrode darstellt. Die Elektrode 10 ist an einer Elektrodenstange 11 befestigt, die mittels einer isolierenden Vakuumdurchführung 12 durch das Ofenoberteil 2 hindurchgeführt ist. Mittels dieser Vakuumdurchführung und der Elektrodenstange 11 ist eine Nachführung der Elektrode 10 nach Maßgabe ihres Verbrauchs möglich.

Spiegelsymmetrisch zum Kipptiegel 9, zur Elektrode 10 und zur Elektrodenstange 11 sind zwei starre Stromleiter 13 und 14 angeordnet, die parallel zur Elektrodenstange 11 verlaufen. Die Stromleiter sind oben durch den Deckel 15 des Ofenunterteils 3 hindurchgeführt und stehen mit einer nicht gezeigten Strom­ versorgungseinrichtung 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 parallele Traverse 16 verbunden, in der ein ortsfester Kontakt 17 angeordnet ist. In den Stromleitern 13 und 14 ist ebenso wie in der Traverse 16 ein Kühlkanalsystem 18 angeordnet.

Am Tiegelboden ist konzentrisch zum Kipptiegel 9 ein mit dem Tiegel beweglicher Gegenkontakt 19 angeordnet, 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 14 verbunden, während der andere Pol an die Elektrodenstange 11 angeschlossen ist. Auf diese Weise wird die quasi-koaxiale Stromführung erreicht.

In Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Be­ zugszeichen versehen. Es ist insbesondere die Ausbildung der Traverse 16 und des ortsfesten Kontaktes 17 zu ersehen. Gleich­ falls zu erkennen ist, daß der ortsfeste Kontakt 17 gleich­ 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 Zwischen­ stück 23 erfolgt, welches zwischen zwei nicht näher be­ zeichneten Flanschen eingespannt ist. Der Drehantrieb be­ sitzt außerdem nicht gezeigte Kontaktgeber, die als Stellungsmelder und/oder für die Erzeugung von Steuer­ signalen dienen.

Die Welle 8 ist mit nicht gezeigten Kühlmittelkanälen ver­ sehen, über die nicht dargestellte und an sich bekannte Kühlkanäle im Kipptiegel 9 versorgt werden. In Fig. 2 sind nur die äußeren Anschlüsse 24 und 25 des Kühlmittel­ kreislaufs 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.

Claims (5)

1. Vakuumlichtbogen-Schmelz- und Gießofen

• - mit einer aus Ofenoberteil und -unterteil bestehenden Vakuumkammer,
• - mit einem Kipptiegel,
• - mit einem zum Boden des Kipp­ tiegels führenden unterbrechbaren zentrischen Stromanschluß, der aus einem ortsfesten Kontakt und einem am Tiegelboden angeordneten, mit dem Kipp­ tiegel beweglichen Gegenkontakt besteht, sowie
• - mit einer Elektrodenstange für die zum Kipptiegel konzentrische Halterung und Führung einer Elektrode,

dadurch gekennzeichnet, 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 Kipp­ tiegel (9) vorbeigeführten starren Stromleitern (13, 14) befestigt ist,

• - die einen solchen Abstand vonein­ ander haben, daß der Kipptiegel zwischen ihnen in die Gießstellung kippbar ist, und
• - die unterhalb des Kipptiegels durch eine zur Kippachse im wesentlichen parallele Traverse (6) verbunden sind, in der der ortsfeste Kontakt (17) angeordnet ist,

wobei der bewegliche Gegenkontakt (19) mittels des Kipptiegels (9) bei dessen Einschwenken in die Schmelzstellung seitlich gegen den ortsfesten Kontakt (17) zur Anlage bringbar ist.

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

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Kontakt (17) gleichzeitig die Schwenkbegrenzung für den Kipptiegel (9) ist.