DE3539628A1

DE3539628A1 - Elektrische lichtbogen-schmelzvorrichtung und verfahren zu ihrem betrieb

Info

Publication number: DE3539628A1
Application number: DE19853539628
Authority: DE
Inventors: Robert J. Las Vegas Nev. Krieger; David R. Mathews
Original assignee: Timet
Current assignee: Timet
Priority date: 1985-01-16
Filing date: 1985-11-08
Publication date: 1986-07-17
Anticipated expiration: 2005-11-09
Also published as: GB2173380B; DE3539628C2; JPS61165584A; GB2173380A; FR2582091B1; CA1278008C; JPH0233956B2; US4581745A; FR2582091A1; GB8522472D0

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Lichtbogenvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren. Insbsondere bezieht sie sich auf eine Einrichtung, mit der wirksam die Bildung von unerwünschten Oberflächenunregelmäßigkeiten an Barren vermieden werden, die mit dieser Vorrichtung hergestellt werden.

Elektrische Lichtbogenofen mit Vakuum sind bekannt. Hierbei wird eine Verzehrelektrode mittels eines elektrischen Stromes fortlaufend abgeschmolzen, wobei der Strom durch die Elektrode und die Lichtbogen zum geschmolzenen Material verläuft, welches in einem Tiegel oder Schmelzenbehälter vorhanden ist. Die Verzehrelektrode wird fortlaufend in Richtung auf den Tiegel bewegt, so daß der gewünschte Abstand zwischen der Elektrode und dem metallischen Schmelzenbad aufrechterhalten wird. Es ist bekannt, Tiegel mit Kupferwandungen innerhalb eines Behälters vorzusehen, durch den ein Kühlmedium, wie Wasser, geleitet wird.

Bei solchen Systemen ist es wegen der am erzeugten Barren auftretenden Oberflächenunregelmäßigkeiten in der Regel notwendig, die Oberfläche zu schleifen oder zu bearbeiten, um eine gewünschte Glätte dieser Oberfläche zu erhalten. Die Oberflächenunregelmäßigkeiten können durch Spratzen oder Spritzen hervorgerufen werden. Das Spratzen seinerseits kann durch die Kraft des elektrischen Lichtbogens erzeugt werden, wodurch Metallkügelchen an die vergleichsweise kalte Tiegelwandung oberhalb der Schmelze geschleudert werden. Aufgrund der Abkühlung frieren die Kügelchen zu einer porösen inhomogenen Masse zusammen. Gase, die aus der Metallschmelze sowie aus dem von der Elektrode

abgegebenen geschmolzenem Metall austreten können bewirken, daß Metalltröpfchen an der Innenwand des Tiegels sich anlagern und dort verfestigen. Da die Oberfläche des Schmelzenbades ansteigt, verbindet sich ein Teil des flüssigen Metalls der Schmelze mit der porösen Masse an der Tiegelwandung und erzeugt so die unerwünschte matte Oberfläche des Barrens. Diese Unregelmäßigkeiten erfordern nicht nur zusätzliche Bearbeitungsschritte, um eine gleichförmige glatte Oberfläche der Barren herbeizuführen, es ist vielmehr auch ein gewisser Verlust an Metall hiermit verbunden.

In der US-PS 3 636 228 ist die Verwendung eines Wandlers in einem Servosystem beschrieben, welches Informationen bezüglich der Stellung eines Lichtbogens gibt.

In der US-PS 3 680 163 ist ein System beschrieben, bei dem bei der Metallreinigung eine an einer Elektrode angeordnete Feldspule durch ihren Einfluß auf den Lichtbogen die Schmelze rührt.

In der US-PS 2 849 658 sind Polschuhe mit begrenzter Ausdehnung erläutert, die ein enges Magnetfeld im Ofen erzeugen. Die US-PS 2 652 440 beschreibt ebenso ein System mit mehreren örtlich vorgesehenen Polschuhen zur Erzeugung enger magnetischer Felder.

In der US-PS 3 683 094 ist ein Lichtbogenofen mit einem rotierenden Elektrodenrad beschrieben. Das durch die drei Spulen angelegte Feld hat das Bestreben, die Umlaufbewegung des Lichtbogens zu begrenzen, der durch das umlaufende Elektrodenrad erzeugt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber grundsätzlich darin, einen Vakuum-Lichtbogenofen zu

schaffen, mit dem Barren der gewünschten Oberflächengüte erzeugt werden können. Die unerwünschten Oberflächenrauhigkeiten sollen mithin auf ein Mindestmaß verringert werden, so daß ein Schleifen oder maschinelles Nachbearbeiten der Barren auf ein Mindestmaß verringert oder gar eliminiert wird. Ebenso soll der damit verbundene Verlust an Metall auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Mit der erfindüngsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren soll somit eine vollständig geschmolzene glatte Oberfläche des Barrens herbeigeführt werden, wobei die erwünschte Homogenität erhalten bleiben soll. Es soll ein System vorgeschlagen werden, das ein im wesentlichen uniformes Magnetfeld über die gesamte Länge und Breite des Tiegels zur Verfugung stellt. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung grundsätzlich dadurch gelöst, daß ein Tiegel mit einer Öffnung zur Aufnahme einer Elektrode vorgesehen ist, die durch diese Öffnung hindurchtritt und sich in den Tiegel erstreckt. Zwischen der Elektrode und dem geschmolzenen Metallbad im Tiegel wird ein elektrischer Bogen oder Lichtbogen aufrechterhalten. Ein erstes Paar elektrischer Spulen ist mit den Spulen auf gegenüberliegenden Seiten des Tiegels angeordnet, um ein gleichförmiges Magnetfeld im wesentlichen quer über den gesamten Innenraum des Tiegels zu erzeugen. Gleichermaßen sind zweite und dritte Paare von elektrischen Spulen versetzt vorgesehen, die sich jedoch mit den anderen vorgesehenen Spulen überlappen können. Durch die Aufeinanderfolge der Anregungs-Zeitphasen der Spulen erreicht jedes Spulenpaar eine maximale magnetische Feldintensität während einer Zeit, die nicht in Phase mit der der anderen Spulen ist. Hierdurch erhält man eine gesteuerte Rotation des Magnetfeldes, das durch die Spulen erzeugt wird, in einer ersten Richtung. Dieses Magnetfeld drückt das Bogenplasma gegen die Tiegelwandung und bewirkt weiterhin, daß es sich mit

kontrollierter Geschwindigkeit in der gleichen Richtung im Inneren des Tiegels bewegt. Das umlaufende Bogenplasma dient zum Aufschmelzen der porösen matten Metallteile, die sich an der Tiegelinnenwandung abgelagert haben. Hierdurch wird die angestrebte glattere Barrenoberfläche erhalten.

Es sind bevorzugte Einrichtungen vorgesehen zur Anregung der elektrischen Spulen in einem vorbestimmten Zyklus, der sich vorzugsweise einer Sinuswelle annähern kann. Die Anregung kann auch mit vorbestimmten Phasenverschiebungen erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wenigstens drei elektrische Spulenpaare, die aufeinanderfolgend, ungleichphasig angeregt werden, um auf diese Weise ein gleichförmiges Magnetfeld zu erzeugen, welches die erwünschte Rotation des Bogenplasmas bewirkt. In die Ordnung der sequentiellen Anregung der Spulen wird periodisch umgekehrt, um eine Umkehrung der Drehrichtung des Magnetfeldes und ebenso des Bogenplasmas zu bewirken, um die gewünschte Kornorientierungsstruktur im Tiegel herbeizuführen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der schematischen Zeichnung sowie den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung der Erzeugung eines magnetischen Feldes über dem Tiegel;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Tiegel längs Linie 4/4 der Fig. 3,·

Fig. 5 eine weitere Darstellung der Prinzipien der Erfindung;

Fig. 6 eine Einrichtung zur Steuerung der Anregung der elektrischen Spulen und

Fig. 7 eine Einrichtung zur Steuerung der Spulen gem. der Erfindung.

Gem. Fig. 1 und 2 ist ein Tiegel 2 und ein Kühlbehälter 3 gezeigt. Sie weisen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt auf. Tiegel 2 und Kühlbehälter 3 sind von Luftspulen umgeben, die gem. der gezeigten Form im wesentlichen rechteckige Ausbildung aufweisen. Die Pfeile gem. Fig. 1 und 2 zeigen die Wickelrichtung der Spulen. Bei Blickrichtung in Richtung der Wicklungen kann man die Richtung bestimmen, in der das Magnetfeld entsprechend den herkömmlichen Regeln der Elektrizität und des Magnetismus erzeugt wird.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet drei Spulenpaare. Zusätzliche Paare können jedoch zur Anwendung gelangen. Die Spulen 4 und 6 bilden ein Paar und sind an gegenüberliegenden Seiten des Tiegels 2 vorgesehen. Es sei darauf hingewiesen, daß beim gezeigten Ausführungsbeispiel die Spulen 4 und 6 entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen. Vorzugsweise sind die Wicklungen oder Windungen einer ersten Spule eines Spulenpaares parallel zu den Windungen der anderen Spule des Paares angelegt.

β *

Eine durch den Mittelpunkt der beiden Spulen verlaufende Achse verläuft vorzugsweise durch den Mittelpunkt oder das Zentrum des Tiegels. Gleichermaßen sind die Spulen 8 und 10 ein Paar und ebenso die Spulen 12 und 14. Man erkennt, daß jede der Spulen vorzugsweise eine größere Weite W als den Innendurchmesser D des Tiegels aufweisen. Somit deckt das durch die Spule erzeugte magnetische Feld die gesamte Weite oder den Durchmesser des Inneren des Tiegels ab. Wegen der gleichen Wickelrichtung der mit der Spulenbreite W verbundenen Spulen wird ein im wesentlichen gleichförmiges magnetisches Feld erzeugt, das die gesamte Breite des Inneren des Tiegels durchquert; dies bei entsprechender Anregung oder Erregung der Spulen. Die Spulenpaare sind vorzugsweise in Serie gewickelt, um auf diese Weise eine unterstützende Magnetfeldpolarität für eine vorgegebene Stromrichtung in dem Serienkreis zu erzeugen. Jede Spule kann zum Beispiel 250 Windungen eines Nr. 12 (US-Norm) Kupferdrahtes mit fester Isolierung (Email) aufweisen. Diese Spulen werden bevorzugt. Spulen mit festem Kern können jedoch auch verwendet werden.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht gem. Fig. 1 und 2 darin, daß zur Erzeugung eines Magnetfeldes von im wesentlichen gleichförmiger Intensität über die Tiegelbreite oder den Tiegeldurchmesser die Seiten der Spulen eines Paares die Seiten der Spulen des angrenzenden Paares überlappen. Um dies zu erreichen, werden Spulen unterschiedlicher Höhe gem. Fig. 2 verwendet, so daß sie sich überkreuzen können. Wie in Fig. 2 gezeigt, weisen die Spulen 14 und 8 geringere Höhen als die Spulen 12 und 6 auf, so daß die ersteren innerhalb der letzteren aufgenommen werden können.

-11-

Diese Überlappung ist nicht unbedingt erforderlich. Sie wird jedoch bevorzugt, da sie den Platz verringert, den die Spulen benötigen und da sie die erforderliche Feldstärke der Spulenpaare verringert, die erforderlich ist, um die gewünschte Feldstärke in der Lichtbogenzone zu erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Verzehrelektrode bei der Herstellung von Titan, Zirkonium, Stahl und Legierungen dieser Materialien verwendet. Ebenso bei der Herstellung anderer Materialien unter Verwendung von Verzehrelektroden,

Wie sich aus dem folgenden ergibt, werden die entsprechenden Spulenpaare elektrisch derart angelegt, daß jedes Paar eine maximale Intensität hinsichtlich der Unterstützung einer Magnetfelderzeugung in einem gewissen Zeitraum erreicht, der nicht in Phase mit den Maxima der anderen Paare ist. Die Nettomagnetfeidstärke zu jedem Zeitpunkt weist im wesentlichen konstante Größe auf und läuft in einer ersten Richtung mit einer Geschwindigkeit auf, die von der Frequenz der elektrischen Erregung abhängt. Auf diese Weise kann der Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Metallschmelze in eine Position angrenzend an die Tiegelinnenwandung gezwungen werden und zwar durch Zusammenwirken des durch die Spulen erzeugten Magnetfeldes, und der Lichtbogen kann dazu veranlaßt werden, um die Innenwandung des Tiegels in einer ersten Richtung umzulaufen. Durch Umkehrung der Anregungsfolge der Spulen kann der umlaufende Lichtbogen geändert werden, so daß er in entgegengesetzter Richtung rotiert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird darauf hingearbeitet, daß die maximale magnetische Felderzeugung und die Richtung jeden Spulenpaares etwa phasenverschoben zur Phase des nächsten Spulenpaares

verläuft, welches seinerseits 60° phasenverschoben zum nächsten folgenden Spulenpaar ist. Weiterhin wird vorzugsweise angestrebt, daß der Anregungsmodus der Spulen etwa einer Sinuswelle angenähert ist.

In Fig. 3 ist ein Spulenpaar 8, 10 gezeigt, dessen Spulen mit Abstand zueinander angeordnet sind. Außerdem ist eine Elektrode 22 vorgesehen, die zylindrisch ausgebildet ist und geringeren Durchmesser als die Tiegelwandung 24 aufweist. Die Spule 8 wurde angeregt und sendet ein gleichmäßiges Feld von Flußlinien über die vollständige Breite des Tiegels aus, welche Flußlinien durch die parallelen Linien 20 angedeutet sind. In der gezeigten Weise weist der Tiegel eine vertikale Achse auf und ist im wesentlichen nach oben offen, wobei die Spulen ein horizontales Magnetfeld erzeugen. Das gem. Fig. 3 angelegte Feld veranlaßt den Lichtbogen zwischen den Elektroden, sich nach oben in Richtung auf die Tiegelwandung in eine Position zu bewegen, die senkrecht zur Richtung des Feldes verläuft. Die Elektrode ist mit Abstand und über dem Metallbad, also der Schmelze angeordnet, und die Schmelze bewegt sich ebenfalls in gleicher Richtung wie die Elektrode. Der Anregungszyklus der Spulen ist derart, daß in einem bestimmten Punkt der an den Spulen 8 und 10 anliegende Strom sich verringert, während der an den Spulen 6 und 4 (Fig. 1 ) anliegende Strom ansteigt, wobei dieser Vorgang aufeinanderfolgt, bis der Zyklus durchlaufen ist. Es wird angestrebt, das System so zu betätigen, daß etwa 1-20 Umläufe des Lichtbogens pro Minute, vorzugsweise 2-10 Umläufe, erreicht werden. Vorzugsweise wird die Umkehrung der Umlaufrichtung des Lichtbogens etwa alle 5-10 Minuten bewirkt. Eine Umkehrungsperiode von etwa 1 Minute oder mehr kann jedoch ebenfalls herbeigeführt werden.

Wie sich aus der Ansicht gem. Fig. 4 ergibt, sind die Flußlinien mit 20 bezeichnet, der Lichtbogen 26 verläuft in Richtung der Seitenwandung 24 des Tiegels. Hierdurch wird eine vertikale Drehwirkung im Metallbad 30 herbeigeführt, das in Zusammenwirken mit dem direkten Auftreffen und der Rotation des Lichtbogens 26 ein Wiederaufschmelzen der Oberfläche herbeiführt und hierdurch zu der gewünschten Glätte des Barrens an seiner Oberfläche 3^ führt. Gem. Fig. 4 erstreckt sich das magnetische Feld durch die gesamte Höhe des Tiegels, wobei die Elektrode sich nach oben über das Magnetfeld hinaus erstrecken kann. Durch die Bewegung des Lichtbogens und dem zugehörigen Metalltransfer wird eine dynamische Kraft auf das Metallbad ausgeübt. Ebenfalls wird eine Kraft auf das Metallbad oder die Schmelze aufgrund des Zusammenwirkens des magnetischen Feldes, das durch den durch das flüssige Metall strömenden elektrischen Strom erzeugt wird, und des magnetischen Feldes, das durch die Spulen erzeugt wird, bewirkt. Dieses Zusammenwirken führt zu dem wesentlichen Rühreffekt in der Schmelze.

Der Raum 32 zwischen der Tiegelwandung 24 und der Behälterwandung 25 ist so ausgebildet, daß er eine Kammer für die Strömung des Kühlmediums, wie Wasser, bildet. Der Tiegel selbst kann aus jedem nicht magnetischen Material, wie Kupfer, bestehen. Der Behälter seinerseits kann ebenfalls aus jeglichem nicht magnetischem Material, wie rostfreiem Stahl, bestehen. Die Anordnung eines Spulenpaares, wie es gem. der Erfindung zur Anwendung gelangt, kann die Form von modifizierten Helmholtz-Spulen haben, vgl. Standard hand book for Electrical Engineers, 10. Auflage, McGRAW-HiIl Book Company, Seite 381, 1969.

Fig. 5 zeigt weitere Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das Ausmaß der Überlappung der Spulen ist dort genauer dargestellt. Grundsätzlich werden Spulen mit einer Breite angestrebt, die größer als der Innendurchmesser des Tiegels 2 und der Überlappung ist, derart, daß beim aufeinanderfolgenden oder sequentiellen Anregen der Spulen Unterbrechungen oder Spalten in den magnetischen Feldern bezüglich der Kontinuität über die Quererstreckung des Tiegelinneren Widerstand entgegengesetzt wird oder solche Unterbrechungen vermieden werden. Wie in Fig. U gezeigt ist, ist das magnetische Feld innerhalb jeder horizontalen Höhe des magnetischen Feldes im wesentlichen kontinuierlich. Der Ausdruck "sequentiell" und verwandte Ausdrücke bedeuten, daß die maximale Magnetfelderzeugung eines gegebenen Spulenpaares nicht in Phase mit der Phase des anderen Spulenpaares erfolgt. Der Ausdruck soll nicht dahingehend interpretiert werden, daß nicht zwei Spulen gleichzeitig angeregt werden. Die Sequenz bezieht sich auf die Phase im Unterschied zur Beendigung der vollständigen Anregung einer Spule vor dem Anregen einer anderen Spule.

Wie sich ebenfalls aus Fig. 5 ergibt, ist ein Schild 38 außerhalb der Spulen vorgesehen und dient dazu, einen Durchtritt von magnetischer Strahlung zu verhindern. Das Schild kann aus jeglichem magnetisch durchlässigem Material, wie Kohlenstoffstahl und Siliziumstahl, bestehen. Es dient nicht nur dazu, den unerwünschten Effekt einer Streuung von Magnetfeldern außerhalb des Schildes 38 zu verhindern, sondern vielmehr auch dazu, einen nur gering verzögerten Rückkehrpfad für das durch die Spulen erzeugte Magnetfeld bereitzustellen. Das Schild 38 ist vorzugsweise mindestens genauso hoch vorgesehen wie die Spulen.

Gem. Fig. 5 ist das Spulenpaar 12 - 14 mit Spitzenamplitude angeregt, und das Spulenpaar 4-6 sowie das Spulenpaar 8-10 sind mit halber Spitzenamplitude angeregt und zwar in der unterstützenden Richtung. Sie erzeugen gemeinsam die Magnetfeldlinien, die insgesamt mit 40 bezeichnet sind.

Fig. 6 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung der gewünschten Spulenanregung mit der gewünschten Phasenverschiebung. Die Spulenpaare 4-6, 8-10 und 12 - 14 sind jeweils mit ihrer ersten Spule elektrisch in Reihe mit der zweiten Spule des Paares derart verbunden, daß das Magnetfeld, das durch jede Spule erzeugt wird, gleiche Polarität und Richtung aufweist, als das, das mit der anderen Spule erzeugt wird. Wechselstrom wird an diese Spulenanregungseinrichtung über die Leiter 56, 58 angelegt. Variable Transformatoren 60 dienen zur Verringerung der Spannung auf etwa 0 - 160 Volt Gleichstrom (VAC). Über einen Transformator 54 werden 115 Volt Gleichstrom (VAC) Steuerspannung zur Verfügung gestellt, motorgetriebene Sinuswellen-Potentiometer 62, 64, 66 (oder entsprechende Festkörperbauelemente) sind zusammengeschaltet und jedes Potentiometer ist einem Spulenpaar zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Potentiometer jeweils um 120° phasenverschoben sind. Logische Schaltungen 70, 72 und 74 sind jeweils den Potentiometern 62, 64, 66 zugeordnet. Brückenschaltungen 82, 84, 86 dienen dazu, Ströme von 0 - + 75 Ampere bei 0 - +_ Volt Gleichstrom (am Ausgang) der Brückenschaltungen zur Verfügung zu stellen.

Den logischen Schaltungen 70, 72, 74 sind Zündschaltkreise 76, 78, 80 jeweils zugeordnet. Sie dienen dazu, die Zündwinkel der SCR-Brückenschaltungen 82, 84 und 86 zu steuern.

i- ί* *

Die Festkörper-Brücken 82, 84, 86 erzeugen eine Gleichspannung sowie einen Gleichstrom, der die Spulenpaare 4-6, 8-10 und 12 - 14 antreibt. Auf diese Weise wird die An- oder Erregung der Spulen in der gewünschten Frequenz oder Sequenz und in der gewünschten Beziehung erreicht, um ein umlaufendes Magnetfeld konstanter Größe zu erzeugen. Eine Umkehr der Drehrichtung des Magnetfeldes wird dadurch bewirkt, daß der Ausgang von zwei der drei Zündschaltungen, beispielsweise 78 und 80, geschaltet wird.

Fig. 7 zeigt den Betrieb einer Phase des Niederfrequenz-Sinusgenerators. Ein Spulenpaar, wie die Spulen 4 - 6, 8 - 10 oder 12 - 14, ist mit den Ziffern 100 und 102 bezeichnet. Diese Spulen sind elektrisch mit den Festkörperbrücken 104, 106 verbunden, die dazu dienen, den Strom zu erzeugen, der den variablen Sinuswellen-Gleichstrom erzeugt. Die Vollwellen-SCR-Brücke 104 wird durch mehrere hundert Zyklen der 60 Hz Versorgungsspannung gezündet, um Strom in einer Richtung durch die Spulen 100 und 102 zur Verfügung zu stellen. Sodann wird die Vollwellen-SCR-Brücke 106 über einige hundert Zyklen der 60 Hz Versorgungsspannung gezündet, um Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Spulen 100, 102 zu schicken. Während jeden Zeitpunktes stellt nur eine Brückenschaltung 104, Strom den Spulenpaaren 100, 102 zur Verfugung. Die Zündsteuerungen 110, 112 dienen dazu, die Amplitude des Anregungsstromes der Spulen 100, 102 zu steuern. Die Schaltkreise 114 erhalten Führung durch die Steuerlogik 116, die jegliche Form einer Steuerlogik aufweisen kann, sowie durch den Sinusgenerator 118, der dazu dient , daß der Ausgangsstrom in Richtung auf die Spulen 100, 102 sich der Form einer Sinuswelle annähert. Der Sinusgenerator 118 ist vorzugsweise ein Niederfrequenzgenerator (etwa 1-20 Zyklen pro Minute), um die an den Zündsteuerkreisen 110, 112 anliegende Signal-

spannung zu steuern. Um die Richtung des Spulenstromes umzukehren, schaltet der Schaltkreis die Brücke 104 ab und die Brücke 106 an, um in gleicher Weise zu leiten. Die Größe des Spulenstromes wird durch die Zündsteuerungen 110, 112 gesteuert, die dazu dienen, die Ausgangsspannungen der Brücken 104, 106 zu ändern.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet somit das Bereitstellen eines Tiegels und von geschmolzenem Metall in dem Tiegel, sowie einer Elektrode, die sich in den Tiegel mit gewünschtem Abstand zur Metallschmelze erstreckt. Magnetische Felder erzeugende Spulenpaare sind um das Äußere des Tiegels herum angeordnet und werden aufeinanderfolgend angeregt, so daß ihre angeregten maximalen magnetischen Felder gegenseitig phasenverschoben sind, beispielsweise etwa um 60 . Der die jeweiligen Spulen anregende Strom wird vorzugsweise so geregelt, daß er etwa die Form einer Sinuskurve annimmt. Der Lichtbogen von der Elektrode zum geschmolzenen Metall wird vorzugsweise zu dem Teil des Bades gelenkt, welches an das Innere der Tiegelwandung angrenzt und rotiert in einer ersten Richtung. Durch Steuerung der die Spulen anregenden Einrichtung kann die Umlaufrichtung umgekehrt werden. Die Umlaufgeschwindigkeit sowie die Stärke des Magnetfeldes, das durch die jeweilige Spule erzeugt wird, können geändert werden. Das horizontale Magnetfeld wirkt mit dem Feld zusammen, das durch den Gleichstrom-Lichtbogenstrom erzeugt wird und bewirkt einen Umlauf des Lichtbogenplasmas, um ein Wiederaufschmelzen des verfestigten Materials an der Oberfläche des Barrens und somit die gewünschte glatte Oberfläche herbeizuführen.

Obgleich das Vorhandensein von Vakuumsystemen und

-verfahren betont wurde, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Obgleich aus Gründen der Darstellung und der Offenbarung ein kreisrunder Tiegel beschrieben wurde, können andere Querschnittsformen, zum Beispiel rechtwinklige, verwendet werden.

Vorzugsweise soll ein Minimum von drei Spulenpaaren zur Anwendung gelangen. Nichtsdestoweniger können beispielsweise auch vier oder sechs Paare zur Anwendung gelangen.

Die Erfindung zeigt den Weg zu einer wirtschaftlichen und vergleichsweise einfachen Erzeugung der gewünschten, aufgeschmolzenen, glatten Oberfläche eines Barrens in einem elektrischen Lichtbogenofen unter Vakuum. Erreicht wird dies durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ansteuerung von magnetfelderzeugenden Spulenpaaren.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Lichtbogenvorrichtung mit einem Tiegel, der eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Elektrode aufweist, die sich durch die Ausnehmung in den Tiegel erstreckt, gekennzeichnet durch

ein erstes Paar elektrischer Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14), die an gegenüberliegenden Seiten des Tiegels (2) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (20) über den Tiegel (2) angeordnet sind,

ein zweites Paar elektrischer Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14), die an gegenüberliegenden Seiten des Tiegels (2) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (20) über den Tiegel (2) angeordnet sind,

wobei das erste Spulenpaar wenigstens teilweise über den Umfang versetzt zum zweiten Spulenpaar angeordnet ist,

ein drittes Paar elektrischer Spulen ( 4, 6; 8, 10; 12, 14), das an gegenüberliegenden Seiten des Tiegels (2) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes über den Tiegel (2) vorgesehen ist, wobei das dritte Spulenpaar wenigstens teilweise

gegenüber dem ersten und zweiten Spulenpaar versetzt ist sowie eine Einrichtung zur Anregung der Spulenpaare (4, 6; 8, 10; 12, 14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektrische Vakuum-Lichtbogenvorrichtung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare (4, 6; 8, 10; 12, 14) bezüglich des Tiegels (2) derart bemessen und ausgebildet sind, daß sie ein im wesentlichen gleichförmiges magnetisches Feld über im wesentlichen die vollständige Breite des Inneren des Tiegels (2) erzeugen.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) bezüglich des Tiegels (2) so angeordnet sind, daß ein im wesentlichen horizontales Magnetfeld (20) erzeugbar ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur drei Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) aufweist und daß jedes der Spulenpaare seitliche Teile aufweist, die sich mit angrenzenden Spulenpaaren überlappen.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schild (38) außen an den Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) vorgesehen ist, um einem Durchtritt der Magnetfelder (20) der Spulen von außerhalb des Schildes (38) entgegenzuwirken oder dieses zu verhindern.

7- Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen eine Einrichtung zur sequentiellen Anregung der Spulenpaare (4, 6; 8, 10j 12, 14) aufweist, um den Lichtbogen (26) zwischen der Elektrode (22) und der im Tiegel (2) befindlichen Metallschmelze längs dessen ümfangs in einer ersten Richtung umlaufen zu lassen und daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen eine Einrichtung zur Umkehr der Umlaufrichtung des Lichtbogens (26) aufweist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) eine Einrichtung zur Spitzenerregung des ersten Spulenpaares phasenverschoben zur Spitzenerregung des zweiten Spulenpaares aufweist, welches seinerseits eine phasenverschobene Spitzenerregung bezüglich des dritten Spulenpaares aufweist.

9· Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Spulenerregung eine Einrichtung aufweist, um den Lichtbogen (26> zum äußeren Rand der Elektrode (22) abzulenken und um den Lichtbogen in Kontakt mit der Metallschmelze im Bereich der Innenwandung des Tiegels (2) zu halten.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen eine Einrichtung zur Erzeugung einer Magnetfeld-Phasendifferenz von etwa 60 aufweist.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen-

paare (4, 6; 8, 10; 12, 14) elektrisch mit der anderen Spule des Spulenpaares verbunden ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen im wesentlichen rechtwinklige Ausbildungen aufweisen.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche

1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) eine Einrichtung zur Änderung der Stromversorgung der Spulenpaare etwa angenähert einer Sinuswelle aufweist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche

1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) Potentiometer aufweist.

15· Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) einen Sinusgenerator aufweist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche

1 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Spulenpaare in der Draufsicht eine etwa hexagonale Konfiguration bilden.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche

1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (22) eine Verzehrelektrode ist.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (4, 6; 8, 10; 12, 14) Luftspulen sind.

19· Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (2) im wesentlichen nach oben offen ist.

20. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Lichtbogenofens mit einem Tiegel, in dem Metallschmelze angeordnet wird, und einer sich in den Tiegel erstreckenden Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Paare elektrischer Spulen vorgesehen werden, wobei jeweils die Spule eines Spulenpaares bezüglich der anderen Spule dieses einen Paares fluchtend auf der gegegenüberliegenden Seite angeordnet wird,

daß ein erstes Paar dieser Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dem Tiegel angeregt wird,

daß ein zweites Paar dieser Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dem Tiegel angeregt wird,

daß ein drittes Paar dieser Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dem Tiegel angeregt wird,

daß die Spulenpaare sequentiell derart angeregt werden, daß jedes Spulenpaar während einer gewissen Zeit ein maximales Magnetfeld erzeugt, welches ungleichphasig zum maximalen Magnetfeld, das durch die anderen Spulen erzeugt wird, ist, und

daß das Magnetfeld dazu herangezogen wird, den Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Inneren des Tiegels zu positionieren und den Lichtbogen fortlaufend in einer ersten Richtung im Tiegel zu bewegen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel in einem elektrischen Lichtbogen angeordnet wird und daß quer über den Innenraum des

Tiegels zwischen jedem der Spulenpaare nacheinander ein im wesentlichen gleichförmiges Magnetfeld erzeugt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Lichtbogens periodisch umgekehrt wird.

23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare im wesentlichen sinusförmig angeregt werden.

24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel mit einer im wesentlichen vertikalen Achse und im wesentlichen nach oben offen vorgesehen wird und daß das Magnetfeld in einer im wesentlichen horizontalen Richtung erzeugt wird.

25. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenumlauf mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 bis Zyklen pro Minute bewirkt wird.

26. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 25, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Magnetfeld von einer Spule eines Spulenpaares zur anderen Spule dieses Spulenpaares bewegt.

27. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder so erzeugt werden, daß eine im wesentlichen gleichförmige Feldabdeckung quer über die gesamte Ausdehnung des Innenraums des Tiegels erfolgt.

28. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 20 - 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen

abgeschirmt werden, und ein Durchtritt von magnetischer Strahlung von den Spulen in Richtung nach außerhalb des Tiegels unterbunden wird.

29· Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 20 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufoder Drehrichtung des Lichtbogens etwa alle fünf bis zehn Minuten umgekehrt wird.

30. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 29, dadurch gekennzeichnet, daß an oder im Bereich des Innenraums des Tiegels verfestigtes Material mittels des Lichtbogens aufgeschmolzen wird, wodurch Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Barrens entgegengewirkt wird.

31. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 30, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Spulen erzeugte magnetische Feld über einen Pfad geringer Verzögerung zurückgeführt wird.

32. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche

20 - 31, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgende Anregung der Spulen derart bewirkt wird, daß das von jedem nachfolgenden Spulenpaar erzeugte Magnetfeld etwa 60 phasenverschoben zum nächsten nachfolgenden Spulenpaar ist.

33· Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 20 - 32, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spulenpaare zur Vermeidung einer unvollständigen Abdeckung des Tiegels mit dem Magnetfeld mit den angrenzenden Spulenpaaren überlappen.