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Geschlossener Lichtbogenofen für Abschmelz-
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elektroden Die Erfindung betrifft einen geschlossenen Lichtbogenofen
für Abschmelzelektroden, insbesondere einen Vakuumlichtbogenofen mit einem kühlbaren
Tiegel mit Tiegelflansch und einem gasdicht auf den Tiegelflansch aufsetzbaren Ofenoberteil,
wobei die eine Phase des Stromanschlusses vom Ofenoberteil gebildet wird, von dem
der Schmelzstrom durch eine Anzahl elastischer Kontaktelemente auf eine Kontaktfläche
des Tiegel flansches übertragbar ist, während die andere Phase des Stromanschlusses
an die gegenüber dem Ofenoberteil isolierte Elektrode angelegt ist.
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Bei derartigen Lichtbogenöfen fließt der Schmelzstrom von der Abschmelzelektrode
zum Inhalt des Tiegels, von diesem zum Tiegel bzw. Tiegelrand und von hier zum Ofenoberteil
zurück zu dem entsprechenden Pol der Stromversorgungseinrichtung. Tiegel und Ofenoberteil
bilden dabei einen Teil des sogenannten Rückleiters; sie sind konzentrisch zur Elektrode
angeordnet, die in der Regel nachführbar an einer gegenüber dem Ofenoberteil isolierten
und in diesem beweglich gelagerten Elektrodenstange befestigt ist.
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Der Tiegel inhalt besteht, abgesehen von der Startphase des Ofens,
aus einem Schmelzsee, in der sich das von der Elektrode abtropfende Material sammelt,
und aus einem im Aufbau begriffenen Block, der durch Kristallisation an der unteren
Phasengrenze des Schmelzsees gebildet wird. In aller Regel ist der Tiegel noch von
einem Kühlmantel umgeben, durch den ein Kühimedium, meist Wasser, strömt.
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Derartige Umschmelzprozesse sind wegen einer negativen Beeinflussung
des Blockaufbaus nicht nur empfindlich gegenüber asymmetrischen Strompfaden, sondern
auch gegenüber einer ungenügenden Kontaktgabe, da jede unter wollte Veränderung
des Obergangswiderstandes an den Kontaktstellen die elektrische Leistung und damit
den gleichförmigen Verlauf des Umschmelzvorganges beeinflußt. Derartige Störungen
zeigen sich deutlich in einer
unterschiedlichen Kristallausbildung
am fertigen Block.
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Durch die US-PS 3 542 932 ist es bekannt, für die Stromzufuhr zum
Tiegelflansch am Ofenoberteil in spiegelsymmetrischer und bifilarer Anordnung zwei
senkrechte Stromschienen vorzusehen, die elastisch befestigt und mit ihren Stirnseiten
mittels Spannzangen gegen eine ebene Kontaktfläche des Tiegelflansches gepreßt werden.
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Hiermit ist es jedoch nicht möglich, das Ofenoberteil ohne Zuhilfenahme
weiterer Mittel zu zentrieren, und es ist gleichfalls nicht möglich, etwaige Obereangswiderstände
zwischen den Stromschienen und dem Tiegelflansch bei der Kontaktgabe zu verringern.
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Jede exzentrische Lage der Elektrode sowie stark voneinander abweichende
übergangswiderstände an den Kontaktstellen haben einen asymmetrischen Strompfad
zur Folge, der die obigen schädlichen Auswirkungen auf den Umschmelzprozeß hat.
Außerdem führt ein hoher übergangswiderstand an einer Kontaktstelle unter Umständen
zu einer örtlichen Oberhitzung der Bauteile, so daß die Betriebssicherheit des Ofens
in Frage gestellt ist.
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Durch den UdSSR-Urheberschein 342 311 ist ein Vakuumlichtbogenofen
der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei dem am Ofenoberteil, auf den Umfang
des Tiegelflansches verteilt, mehrere elastische Kontaktelemente angeordnet sind,
die eine gleichmäßige Strom-
zuführung gewährleisten sollen. Auch
mit dieser Anordnung ist keine Zentrierung von Elektrode und/oder Ofenoberteil zum
Tiegel möglich. Weiterhin verläuft die Kontaktfläche senkrecht zur Tiegelachse,
und die Beweoungsrichtung der Kontaktelemente verläuft parallel zur Tiegelachse.
Auf diese Weise können etwaige Verunreinigungen, Oxidbildungen etc. des Tiegelrandes
nicht beseitigt werden, so daß der Verlauf der Strompfade vom örtlichen Reinheitsgrad
der Kontaktfläche des Tiegel randes abhängig ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen LichtbogenQfen
der eingangs beschriebenen Gattuna anzugeben, bei dem das Ofenoberteil mit der Elektrode
gegenüber dem Tiegel genau zentriert wird und bei dem eine Selbstreinigung der Kontaktfläche
an der Berührungsstelle der Kontaktelemente stattfindet.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Lichtbogenofen erfindungsgemäß dadurch, daß die Kontaktfläche unter einem von 90
Grad verschiedenen Winkel zur Tiegelachse geneigt ist und daß die Bewegungsrichtung
der Kontaktelemente gleichfalls unter einem Winkel zur Tiegelachse A-A verläuft.
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Durch die Anstellung der Kontaktfläche unter einem von 90 Grad verschiedenen
Winkel zur Tiegel achse wird beim Aufsetzen des Ofenoberteils eine horizontale Kraftkomponente
erzeugt, die geeignet ist, das Ofenoberteil und mit diesem die Elektrode zu zentrieren.
Bei einer
in der Projektion auf eine horizontale Ebene kreisringförmigen
Kontaktfläche bedeutet die Angabe, daß die Kontaktfläche die Oberfläche eines Kegel
stumpfes ist. Bei einer in der gleichen Projektion rechteckigen oder quadratischen
Kontaktfläche bedeutet dies, daß die Kontaktfläche die Oberfläche eines entsprechend
geformten Pyramidenstumpfes ist. Durch die dadurch bedingte, rotations- oder spiegelsymmetrische
Ausbildung der Kontaktfläche, bezogen auf die Tiegelachse, wird der gewünschte Zentrierungseffekt
auf das Ofenoberteil und damit die Abschmelzelektrode erzielt.
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Durch die weitere Maßnahme, die Bewegungsrichtung der Kontaktelemente
unter einem Winkel zur Tiegelachse A-A verlaufen zu lassen, wird erreicht, daß jedes
Kontaktelement beim Aufsetzen des Ofenoberteils auf der Kontaktfläche eine Gleitbewegung
ausführt. Bei einer konischen Kontaktfläche verlaufen die Gleitbewegungen sämtlicher
Kontaktelemente in radialen Richtungen.
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Dadurch erfolgt eine Reinigung der Kontaktfläche bis zur metallischen
Berührung der Kontaktelemente mit dem Tiegelflansch, so daß an allen Stellen des
Umfangs praktisch die gleichen Obergangswiderstände herrschen und somit auf dem
Umfang des Tiegel flansches bei äqui-distanter Verteilung der Kontaktelemente auch
gleichförmig verteilte Ströme fliessen, die sich innerhalb des entsprechend dimensionierten
Tiegelflansches wieder verteilen. Die sich hierbei einstellenden
niedrigen
überganoswiderstände verhindern eine unzulässige Erwärmung sowohl der Kontaktelemente
als auch des Tiegelflansches, so daß eine höhere Lebensdauer der Kontaktverbindung
gewährleistet ist.
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Die einzelnen Kontaktelemente können dabei in verschiedener Weise
ausgeführt sein. Es ist dabei möglich, die Kontaktelemente als Teile eines in sich
im wesentlichen geschlossenen elastischen Kontaktbandes auszuführen, das dem Verlauf
der Kontaktfläche angepaßt ist. Hierbei kann ein wellenförmig gebogenes Band ebenso
verwendet werden wie eine ringförmig geschlossene bandförmige Litze, sofern die
Hüllflächen dieser Kontaktelemente dem Verlauf der Kontaktfläche angepaßt sind.
Bei einer konischen Kontaktfläche wären also die beiderseitigen Hüllflächen der
Kontaktelemente ebenfalls Kegelflächen.
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Es ist aber auch möglich, die Kontaktelemente als eine Vielzahl von
auf den Umfang verteilten, einzeln beweglichen Druckkontakten auszubilden, die in
geometrisch exakter, äquidistanter Verteilung in einem weitgehend komplementären
Gegenflansch des Tiegelflansches angeordnet sind.
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Es ist dabei wiederum besonders vorteilhaft, wenn der Anstellwinkel
der Kontaktfläche zwischen 30 und 60 Grad, vorzugsweise zwischen 40 und 50 Grad
zur Tiegel achse gewählt ist. Innerhalb dieser Bereiche wird ein Optimum
an
Zentrierkräften bzw. Reinigungswirkung der Kontaktfläche erzielt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Einzelheiten
werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen vollständigen
Vakuum-Lichtbogenofen im Umschmelzbetrieb, Figur 2 einen Ausschnitt aus dem linken
Teil von Figur 1 im Bereich des Tiegelflansches im vergrößerten Maßstab, Figur 3
einen Schnitt entlang der Linie A-B in Figur 2 in wiederum vergrößertem Maßstab,
Figur 4 eine Variante des Gegenstandes nach Figur 3 in analoger Schnittdarstellung,
Figur 5 einen Ausschnitt aus der rechten Seite von Figur 1 im Bereich des Tiegelflansches
im gleichen Maßstab wie Figur 2 und
Figur 6 das Kontaktelement
aus Figur 5 in wiederum vergrößertem Maßstab.
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In Figur 1 ist ein Vakuumlichtbogenofen 1 dargestellt, dessen wesentliche
Teile in Bezug auf eine gemeinsame Achse A-A rotationssymmetrisch ausgebildet bzw.
angeordnet sind. Diese Achse A-A ist auch die Tiegelachse, konzentrisch zu der eine
Abschmelzelektrode 2 angeordnet ist, deren Außenfläche im Idealfall eine Zylinderfläche
ist. Die Abschmelzelektrode 2 ist mittels eines angeschweißten Befestigungsstücks
3 an einer Elektrodenstange 4 befestigt, die mittels eines nicht gezeigten Antriebes
in Richtung der Achse A-A verschiebbar ist. Die negative Phase 5 eines Stromanschlusses
ist über ein Schleppkabel 6 an die Elektrodenstange 4 angeschlossen.
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Der untere Teil des Vakuumlichtbogenofens 1 wird durch einen Tiegel
7 mit einem Tiegelflansch 8 gebildet. Der Tiegel 7 ist von einem Kühigehäuse 9 unter
Bildung eines Zwischenraums 10 umgeben, der über Kühlmittelanschlüsse 11 und 12
mit einem Kühlmedium versorgt werden kann. Der obere Rand des Kühlgehäuses 9 ist
mit einem Ringflansch 13 versehen, der flüssigkeitsdicht mit dem Tiegelflansch 8
verbunden ist.
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Mit dem durch Tiegel 7 und Kuhlgehäuse 9 gebildeten Ofenunterteil
14 wirkt in der gezeigten koaxialen Anordnung ein Ofenoberteil 15 zusammen, das
über einen
nicht gezeigten Saugstutzen mit einer aleichfalls nicht
gezeigten Vakuum-Pumpeinrichtung verbunden ist. Das Ofenoberteil 15 besitzt einen
Deckel 16, an das die positive Phase 17 des Stromanschlusses über ein Schleppkabel
18 nelegt ist. Der elektrische Anschluß erfolgt über Klemmkörper 19.
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Die Durchführung der Elektrodenstange 4 durch das Ofenobertei 1 15
erfolgt mittels einer isolierenden Vakuumdurchführung 20, die als Druckstufenstrecke
oder Stopfbuchsdichtung ausgeführt sein kann.
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In dem Tiegel 7 befindet sich ein im Aufbau befindlicher Block 21,
auf dessen oberer Stirnfläche sich ein Schmelzsee 22 befindet. Der Schmelzsee 22
bildet den einen, die Unterseite der Abschmel zel ektrode 2 den anderen Pol eines
Lichtbogenspaltes, in dem mindestens ein Lichtbogen unter laufendem Wechsel seiner
Position brennt.
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Mittels dieses Lichtbogens wird Material der Abschmelzelektrode 2
abgeschmolzen und durch das sogenannte Abtropfschmelzverfahren dem Schmelzsee 22
zugeführt, dessen untere Phasengrenze 23 sich unter ständigem Wachstum des Blockes
21 laufend nach oben verschiebt.
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Bedingt durch die Querschnittsunterschiede zwischen Elektrode 2 und
Block 21 muß die Elektrode dennoch ständig nach unten nachgeschoben werden.
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Aus der Anordnung nach Figur 1 ergibt sich, daß der Tiegel 7 und das
Ofenoberteil 15 gewissermaßen den koaxialen
Rückleiter für den
Schmelzstrom darstellen. Zum Zwecke der Stromübertragung besitzt das Ofenoberteil
15 einen zum Tiegelflansch 8 im wesentlichen komplementären Ringflansch 24, in dem
auf dem Umfang verteilt mehrere Kontaktelemente 25 bzw. 26 angeordnet snd. Die Kontaktelemente
25 werden in den Figuren 2 und 3, die Kontaktelemente 26 in den Figuren 5 und 6
näher erläutert.
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Gemäß Figur 2 besitzt der Tiegelflansch 8 eine konische Kontaktfläche
27, die von der ebenen Dichtfläche 28 deutlich abgesetzt ist, und deren Winkel unter
45 Grad zur Achse A-A verläuft (Figur 1). Der Ringflansch 24 des Ofenoberteils 15
besitzt gegenüber der Kontaktfläche 27 eine Anzahl von Kontaktelementen 25, die
im vorliegenden Fall Teile eines wellenförmigen Bandes 29 aus einem elektrisch gut
leitenden Werkstoff (Kupfer) sind. Dieses Band liegt zwischen kegelförmigen Hüllflächen
30 und 31, die in Figur 3 ausoebreitet dargestellt sind. Die Hüllfläche 31 fällt
in aufgesetztem Zustand des Ofenoberteils 15 gemäß Figur 2 mit der Kontaktfläche
27 zusammen. Das Band 29 ist in gewissen Abständen durch Schrauben 32 in einer entsprechend
dimensionierten Nut 33 des Ringflansches 24 befestigt.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Beim Aufsetzen
des Ofenoberteils 15 verformen sich die einzelnen Wellen des Bandes 29 elastisch
in Richtung auf den Grund der Nut 33 bzw. in Richtung der Achsen der Schrauben 32.
Diese Ausweichbewegung besitzt eine
radiale Komponente, die zu
einem radialen Scheuern der am weitesten nach innen ragenden Linien der einzelnen
Wellen führt. Diese Scheuerbewegung erzeugt die erforderliche Reinigung der betreffenden
Berührungslinien des Bandes 29 ebenso wie der entsprechenden Oberflächenlinien in
der Kontaktfläche 27. Auf diese Weise wird eine wirksame Kontaktreinigung erzielt,
die sogar ein Absprengen etwa verkrusteter Oberflächen zur Folge hat, wenn das Band
29 eine entsprechende Widerstandsfähigkeit bei ausreichender elastischer Verformung
aufweist. Die durch die Neigung der Kontaktfläche 27 hervorgerufenen horizontalen
bzw.
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radialen Kraftkomponenten erzwingen eine einwandfreie Zentrierung
des Ringflansches 24 gegenüber dem Tiegelflansch 8, so daß mit dem Ofenoberteil
15 auch die Abschmelzelektrode 2 genau zentrisch im Tiegel 7 liegt. Diese Zentrizität
führt zu einem Ringspalt 34 von auf dem Umfang genau gleicher Breite, so daß auch
die Wärmebilanz und die Form der Phasenarenze 23 in Bezug auf die Achse A-A genau
rotationssymmetrisch sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist lediglich das Band 29
durch eine bandförmige Litze 35 ersetzt, ohne daß sich an der Wirkung etwas grundlegendes
geändert hätte. Diese Litze erfährt beim Aufsetzen des Ringflansches 24 auf dem
Tiegel flansch 8 eine teils elastische teils plastische Verformung, bewirkt jedoch
gleichfalls eine Reinigung und Zentrierung, so daß der gewünschte Effekt eintritt.
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In Figur 5 sind gleiche Teile wie bisher mit gleichen Bezugszeichen
versehen, so daß sich Wiederholungen erübrigen. Der Ringflansch 24 besitzt eine
zur Kontaktfläche 27 weitgehend komplementäre Gegenfläche 37, in der - auf den Umfang
äquidistant verteilt - mehrere Durchgangsbohrungen 38 angeordnet sind, die an ihrem
inneren Ende in eine zylindrische Ausnehmung 39 münden.
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Die gemeinsamen Achsen von Durchgangsbohrung und Ausnehmung verlaufen
senkrecht zu dem genau gecenüberliegenden Punkt der Kontaktfläche 27.
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In die Durchgangsbohrungen bzw. Ausnehmungen sind Druckkontakte 36
eingesetzt, deren Bewegungsrichtung mit der jeweiligen Achse X der Durchgangsbohrung
zusammenfällt.
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Gemäß Figur 6 besteht ein solcher Druckkontakt aus einer Einschraubhülse
40 mit einem Außengewinde 41, in der längsverschiebbar ein Kontaktkörper 42 mit
einer kalottenförmigen Kontaktfläche 43 und einem zylindrischen Fortsatz 44 angeordnet
ist. Zwischen dem Kontaktkörper 42 und der Einschraubhülse 40 befindet sich eine
Druckfeder 45, die den Kontaktkörper nach unten (bezogen auf Figur 6) aus der Einschraubhülse
40 herausschiebt.
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Durch einen Sicherungsring 46 wird eine Hubbegrenzung erzeugt. Der
hintere Teil des Druckkontaktes 36 ist durch eine Schutzkappe 47 geschlossen. Zwischen
dem Kontaktkörper 42 und der Einschraubhülse 40 besteht ein guter elektrischer Kontakt,
der durch sogenanntes "Kontaktfett" unterstützt wird. Derartige Druckkontakte sind
genormt und lassen sich gemäß Figur 5 in den Ringflansch 24 in der gezeigten Weise
leicht einsetzen bzw.
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einschrauben.
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Die Wirkungsweise dieser Variante ist folgende: Beim Aufsetzen des
Ofenoberteils 15 verschieben sich die Kontaktkörper 42 in Richtung der Bohrungsachsen
X, die unter einem Winkel von 45 Grad zur Tiegelachse A-A verlaufen (Figur 1). Diese
Ausweichbewegung besitzt eine radiale Komponente, die zu einem radialen Scheuern
der kalottenförmigen Kontaktfläche 43 auf der konischen Kontaktfläche 27 führt.
Diese Scheuerbewegung erzeugt die erforderliche Reinigung des betreffenden Berührungspunktes
des Druckkontakts 36 ebenso wie des entsprechenden linienförmigen Oberflächenbereichs
der Kontaktfläche 27. Auf diese Weise wird eine wirksame Kontaktrei ni gung erzielt,
die sogar ein Absprengen etwa verkrusteter Oberflächenschichten zur Folge hat, wenn
die Druckfeder 45 eine ausreichende Steifigkeit besitzt. Die durch die Neigung der
aufeinander einwirkenden Teile hervorgerufenen horizontalen bzw. radialen Kraftkomponenten
erzwingen außerdem eine einwandfreie Zentrierung des Ringflansches 24 gegenüber
dem Tiegel flansch 8, so daß die bereits weiter oben beschriebenen Wirkungen eintreten.
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