DE6941444U - Einrichtung zur erzielung besonders guenstiger verhaeltnisse in vorrichtungen zum elektroschlackenumschmelzen von metallen, insbesondere von staehlen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzielung besonders günstiger Verhältnisse in bezug auf Abschmelzleistung und metallurgische Eigenschaften des umgeschmolzenen Metalls in Vorrichtungen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen, insbes. von Stählen, die an Leiter eines Dreh- oder Wechselspannungssystems angeschlossen ist.

Es ist bekannt, in Vorrichtungen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen zum Abschmelzen der sich selbst verzehrenden Elektroden sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom mit der normalen Netzfrequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz zu verwenden. Bei der Verwendung von Gleichstrom hängen unter sonst gleichen Bedingungen Abschmelzleistungen (in kg Metall je h) und Energieverbrauch (in kWh/t umgeschmolzenes Metall) einerseits und metallurgische Eigenschaften des durch den Umschmelzvorgang hergestellten Metallblockes andererseits wesentlich von der Stromrichtung ab. Falls die abzuschmelzende Elektrode den positiven und der durch den Umschmelzvorgang gebildete Metallblock den negativen Pol darstellt, ist die Abschmelzleistung zwar hoch, jedoch sind die metallurgischen Eigenschaften des Metallblocks schlecht (z.B. weist dieser einen relativ sehr hohen Sauerstoffgehalt auf). Wenn hingegen die abschmelzende Elektrode der negative und der durch den Umschmelzvorgang gebildete Metallblock der positive Pol ist, so sind zwar die metallurgischen Eigenschaften des Metallblockes wesentlich besser (z.B. weist dieser nur einen relativ niedrigen Sauerstoffgehalt auf), jedoch ist die Abschmelzleistung wesentlich geringer als in dem zuerst angeführten Fall. Bei der Verwendung von Wechselstrom mit der normalen Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz ist die Abschmelzleistung fast so hoch wie im zuerst angeführten Fall und die metallurgischen Eigenschaften der gebildeten Metallblöcke sind ähnlich wie im zweiten Fall, jedoch ergeben sich die Nachteile, dass in den Zuleitungen beträchtliche zusätzliche induktive Widerstände auftreten und überdies infolge der für den Umschmelzvorgang erforderlichen sehr großen elektrischen Leistungen die sich ergebende unsymmetrische Netzbelastung in den meisten Fällen unzulässig hoch ist. Zur Vermeidung dieses Nachteiles wurde auch schon vorgeschlagen, für den Betrieb von Vorrichtungen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen Drehstrom zu verwenden, wobei die Grundplatte, auf welcher der gebildete Metallblock aufruht, mit dem Sternpunkt und drei gleichzeitig in einer Kokille abschmelzende Elektroden mit je einer Phase des verwendeten Drehstromsystems verbunden sind. Solche mit Drehstrom arbeitende Vorrichtungen sind zum maschinenbaulichen Standpunkt außerordentlich kompliziert (da gleichzeitig drei Elektroden in einer Kokille abgeschmolzen werden müssen). Infolgedessen sind sowohl die Baukosten der Vorrichtung als auch die Herstellungskosten für die Elektroden sehr hoch. Die durch die drei Elektroden fließenden, gegeneinander phasenverschobenen Wechselströme erzeugen ein magnetisches Drehfeld, das die elektrisch leitende, auf der gebildeten Metallschmelze schwimmende flüssige Schlacke in Rotation versetzt. Diese Rotation der Schlacke hat zur Folge, dass einerseits die Oberfläche der flüssigen Schlackenschicht ein Rotationsparaboloid bildet und hierdurch die Wärmeaustauschfläche zwischen der Schlacke und der gekühlten Kokillenwand vergrößert und andererseits auch die spezifische Wärmeübertragung zwischen Schlacke und gekühlter Kokillenwand erhöht wird. Infolgedessen besteht ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtungen darin, dass die bei ihnen auftretenden Wärmeverluste wesentlich höher als bei den mit Gleich- oder Wechselstrom arbeitenden Vorrichtungen sind.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zu Grunde, die angeführten Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, für jeden beim Elektroschlackenumschmelzen von Metallen vorkommenden Fall besonders günstige Verhältnisse sowohl in bezug auf die Abschmelzleistung als auch im Hinblick auf die metallurgischen Eigenschaften des umgeschmolzenen Metalls zu erzielen. Gemäß der Neuerung wird dies bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass ein an diese Leiter angeschlossener Umrichter vorgesehen ist, von dessen Ausgangsseite eine elektrische Leitung zu der jeweils abzuschmelzenden Elektrode führt. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, wenn sowohl das Verhältnis der Zeiten (T tief 1, T tief 2), während der die jeweils abzuschmelzende Elektrode abwechselnd den positiven bzw. negativen Pol bildet, als auch die Grundfrequenz des durch sie fließenden elektrischen Stromes bei Bedarf veränderbar sind. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Grundfrequenz (f) des durch die jeweils abzuschmelzende Elektrode fließenden elektrischen Stromes unter der Netzfrequenz liegt und z.B. 5-10 Hz beträgt. Häufig ist es zur Erzielung optimaler Verhältnisse günstig, wenn sich das Verhältnis der Zeiten, während welcher die abzuschmelzende Elektrode den positiven bzw. negativen Pol bildet, von 1 unterscheidet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der gegenständlichen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter, Gleichrichter, z.B. Selen-Trockengleichrichter oder steuerbare Gleichrichter wie Thyristoren und einen Wechselrichter vorzugsweise einen Thyristor aufweist, wobei sich in den drei Phasen des Drehspannungssystems je ein Gleichrichter befindet und jeder Gleichrichter mit der einen Eingangsklemme und der Sternpunkt des Drehspannungssystems mit der anderen Eingangsklemme des Wechselrichters verbunden ist.

Hierbei besteht eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der induktiven Widerstände darin, dass die mit der abzuschmelzenden Elektrode verbundenen Schalter des Wechselrichters in nächster Nähe der Elektrode und die mit der Bodenplatte oder der Kokille verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters nahe der

Bodenplatte bzw. der Kokille angeordnet sind.

Die weitere Aufgabe eine der Neuerung entsprechende, besonders einfache und zweckmäßige Einrichtung zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass der Umrichter aus Thyristorsätzen besteht, die an die Hauptleiter und an den Sternpunktleiter des z.B. drei- oder sechsphasigen Drehspannungssystems angeschlossen sind. Eine bevorzugte Ausführungsform der eben erwähnten Einrichtung weist eine verstellbare, mechanische oder elektronisch betätigte Steuerung auf, die mit den Thyristorsätzen verbunden ist.

Weitere Einzelheiten der Neuerung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele hervor, die in der Zeichnung in schematischer Darstellung veranschaulicht sind. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zum Elektroschlackenumschmelzen von Stählen, Fig. 2 ein Funktionsschema des in Fig. 1 enthaltenen Wechselrichters 5, wobei zu beachten ist, dass es sich bei den Schaltern S tief 1, S tief 2, S tief 3 und S tief 4 keineswegs um mechanische Schalter handeln muß, sondern dass auch mit wechselnden Steuerspannungen (Sperrspannungen) arbeitende Schalter (wie sie z.B. bei einem Thyristor vorhanden sind) in Frage kommen und Fig. 3 die elektrische Spannung U, welche die abzuschmelzende Elektrode 9 gegenüber dem gebildeten Metallblock 14 aufweist, darstellt als Funktion der Zeit t, Fig. 4 eine andere Vorrichtung zum Elektroschlackenumschmelzen von Stählen in Ansicht.

Für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung gilt folgendes: Der durch die zu einem normalen Drehstromnetz gehörenden Leitungen R, S und T zugeführte Drehstrom (mit der normalen Netzfrequenz von z.B: 50 Hz) wird mit Hilfe des Drehstromtransformators 1 auf eine wesentlich niedrigere Spannung transformiert und mittels der Gleichrichter 2 in einen nur wenig pulsierenden Gleichstrom umgewandelt. Dieser fließt durch die beiden Leitungen 3 und 4, die zu dem Wechselrichter 5 führen. Der eine mechanisch oder elektronisch betätigte Steuerung 6 aufweisende Wechselrichter 5, bei dem es sich beispielsweise um einen Thyristor handeln kann, liefert auf seiner Ausgangsseite einen Strom, dessen Richtung sich periodisch ändert. Sowohl das Verhältnis der Zeiten T tief 1, T tief 2, während welcher dieser Strom in positiver bzw. negativer Richtung fließt, als auch die Grundfrequenz f desselben ist mit Hilfe der Steuerung veränderbar. Hierbei ist die positive Stromrichtung durch den auf den gebildeten Stahlblock 14 weisenden Zählpfeil Z bestimmt. Die Grundfrequenz f ergibt sich aus der Gleichung f = 1 : (T tief 1 + T tief 2). Die eine der beiden auf der Ausgangsseite des Wechselrichters 5 vorgesehenen elektrischen Leitungen 7 und 8 führt zu der abschmelzenden Elektrode 9 und die andere Leitung 8 zu der vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Bodenplatte 10. Die aus dem umzuschmelzenden Stahl bestehende, sich selbst verzehrende Elektrode 9 ist konzentrisch zu der wassergekühlten Kokille 11 angeordnet und taucht mit ihrem unteren Ende in die auf der gebildeten Metallschmelze 13 schwimmende Schlackenschicht 12 ein. Der durch den Umschmelzvorgang in der wassergekühlten Kokille 11 gebildete erstarrte Stahlblock 14 ruht auf der Bodenplatte 10 auf. Wenn die Elektrode 9 bis auf ein kurzes Reststück abgeschmolzen ist, wird sie aus der Schlackenschicht 12 herausgezogen und in diese eine neue Elektrode 9 eingebracht. Um zu verhindern, dass während des eben angeführten Vorganges des Wechsels der Elektrode 9 die auf der Metallschmelze 13 schwimmende Schlackenschicht 12 abgekühlt wird und infolgedessen erstarrt, ist die während dieses Vorganges stromdurchflossene Hilfselektrode 15 vorgesehen. Dieselbe ist von mehreren parallel zu der Elektrode 9 angeordneten, in einem Haltering 16 befestigten Stäben 15' gebildet, deren untere Enden ebenfalls in die Schlackenschicht 12 eintauchen. Vom Pluspol + des Gleichstromsystems führt eine elektrische Leitung 18 zu einem Schaltkontakt und vom Minuspol - eine elektrische Leitung 19 zu einem anderen Schaltkontakt eines durch eine elektrische Leitung 20 mit der Hilfselektrode 15 verbundenen Schalters 17. Demgemäß kann die Hilfselektrode 15 mittels des Schalters 17 wechselweise mit den beiden Polen +, - des Gleichstromsystems verbunden werden. Wenn hierbei (wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt) die Hilfselektrode 15 mit dem Pluspol des Gleichstromsystems verbunden ist, so weist dieselbe pulsierende positive Spannung gegenüber der Bodenplatte 10 und der Elektrode 9 auf. Infolgedessen haben sowohl die Bodenplatte 10 als auch die Elektrode 9 nur negative Spannungen gegenüber der Hilfselektrode 15. Dies bedeutet, dass die Hilfselektrode 15 die Anode des elektrisch leitenden Schlackenbades darstellt, an der in demselben (d.h. in der Schlackenschicht 12) vorhandene negativ geladene Ionen, wie beispielsweise Sauerstoffionen, ausgeschieden werden. Falls sich hingegen der Schalter 17 in seiner strichliert dargestellten Stellung befindet (und demgemäß die Hilfselektrode 15 mit dem Minuspol des Gleichstromsystems verbunden ist) stellt die Hilfselektrode 15 die Kathode dar, an der im Schlackenbad (d.h. in der Schlackenschicht 12) vorhandene positiv geladene Ionen, wie z.B. Metallionen, ausgeschieden werden. Infolgedessen ist es möglich, mittels der Hilfselektrode 15 die in der Schlackenschicht 12 auftretende metallurgische Reaktion maßgebend zu beeinflussen, d.h. einerseits an der Hilfselektrode die Abscheidung von unerwünschten Begleitstoffen ("Stahlbegleitern") zu erreichen und andererseits den Übergang von im gebildeten Stahlblock erwünschten Stoffen (z.B. gewissen Metallen) in die Schlacke zu vermeiden.

Für die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung gilt folgendes: Der durch die zu einem normalen Drehstromnetz gehörenden Leitungen R, S, T zugeführte Drehstrom (mit der normalen Netzfrequenz von z.B. 50 Hz) wird mittels des Drehstromtransformators 21 auf sich wesentlich niedriger Spannung transformiert. Von der Sekundärseite des Drehstromtransformators 21 führen - je nach Ausführung desselben - drei oder beispielsweise sechs Hauptleiter 22 und der Sternpunktleiter 23 zu in dem Thyristorschrank 24 untergebrachten Thyristorsätzen. Mit Hilfe der mechanisch oder elektronisch betätigten Steuerung 25 und der Thyristorsätze wird der zugeführte drei- bzw. sechsphasige Drehstrom in einen Einphasenstrom umgerichtet, dessen Richtung sich periodisch ändert. Sowohl das Verhältnis der Zeiten T tief 1, T tief 2, während welcher der dieser Einphasenstrom in positiver bzw. negativer Richtung fließt, als auch die Grundfrequenz f desselben ist mittels der Steuerung 25 veränderbar. Hierbei ist die positive Stromrichtung durch den auf den gebildeten Stahlblock 33 weisenden Zählpfeil Z bestimmt. Von den Thyristorsätzen führt eine elektrische Leitung 26 zu der abschmelzenden Elektrode 28 und eine zweite Leitung 27 zu der vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Bodenplatte 29. Die aus dem umzuschmelzenden Stahl bestehende, sich selbst verzehrende Elektrode 28 ist konzentrisch zu der wassergekühlten Kokille 30 angeordnet und taucht mit ihrem unteren Ende in die auf der gebildeten Metallschmelze 32 schwimmende Schlackenschicht 31 ein. Der durch den Umschmelzvorgang in der wassergekühlten Kokille 30 gebildete erstarrte Stahlblock 33 ruht auf der Bodenplatte 29 auf. Die elektrische Spannung U, welche die abschmelzende Elektrode 28 gegenüber dem gebildeten Stahlblock 33 aufweist, ändert sich mit der Zeit t in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise.

Die Neuerung ermöglicht es für jeden beim Elektroschlackenumschmelzen von Metallen vorkommenden Fall besonders günstige Verhältnisse sowohl in bezug auf die Abschmelzleistung als auch im Hinblick auf die metallurgischen Eigenschaften des umgeschmolzenen Metalles zu erzielen. Der hierfür erforderliche bauliche Aufwand und infolgedessen auch die Herstellungskosten der der Neuerung entsprechenden Einrichtung sind verhältnismäßig gering. Ein weiterer durch diese Einrichtung erzielter Vorteil besteht darin, dass sie ohne weiteres auch mit die normale Netzfrequenz aufweisendem Drehstrom betrieben werden kann, wobei alle Phasen des berührten Drehspannungssystems vollkommen symmetrisch belastet werden. Gegenüber den bekannten, mit Wechsel- oder Drehstrom betriebenen Vorrichtungen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen bieten die mit der gegenständlichen Einrichtung ausgestatteten Vorrichtungen außerdem den sehr beträchtlichen Vorteil, dass sich bei ihnen wesentlich höhere Leistungsfaktoren cos klein Phi erzielen lassen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der in dem Einphasenstromkreis, in welchem sich die abzuschmelzende Elektrode befindet, auftretende induktive Spannungsabfall verhältnismäßig sehr gering ist, wenn in diesem Stromkreis mit Grundfrequenzen gearbeitet wird, die wesentlich kleiner als die normale Netzfrequenz z.B. 5-10 Hz sind.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Erzielung besonders günstiger Verhältnisse in bezug auf Abschmelzleistung und metallurgische Eigenschaften des ungeschmolzenen Metalles in Vorrichtungen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen, insbesondere von Stählen, die an Leiter eines Dreh- oder Wechselspannungssystems angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein an diese Leiter (22, 23) angeschlossener Umrichter vorgesehen ist, von dessen Ausgangsseite eine elektrische Leitung (7, 26) zu der jeweils abzuschmelzenden Elektrode (9, 28) führt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter, Gleichrichter (2), z.B. Selen-Trockengleichrichter oder steuerbare Gleichrichter wie Thyristoren und ein Wechselrichter (5) vorzugsweise einen Thyristor aufweist, wobei sich in den drei Phasen des Drehspannungssystems je ein Gleichrichter (2) befindet und jeder Gleichrichter (2) mit der einen Eingangsklemme und der Sternpunkt (4) des Drehspannungssystems mit der anderen Eingangsklemme des Wechselrichters (5) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der abzuschmelzenden Elektrode (9) verbundenen Schalter (S tief1, S tief4) des Wechselrichters (5) in nächster Nähe der Elektrode (9) und die mit der Bodenplatte (10) oder der Kokille verbundenen Schalter (S tief2, S tief3) des Wechselrichters (5) nahe der Bodenplatte (10) bzw. der Kokille angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zum Elektroschlackenumschmelzen eine Hilfselektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere elektrische Leitungen (18, 19 und 20) vorgesehen sind, durch welche die Hilfselektrode (15) mit dem Plus- und/oder Minuspol (+ bzw. -) des den Wechselrichter (5) speisenden Gleichstromsystems verbunden werden kann.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vom Pluspol (+) eine elektrische Leitung (18) zu einem Schaltkontakt und vom Minuspol (-) eine elektrische Leitung (19) zu einem anderen Schaltkontakt eines durch eine elektrische Leitung (20) mit der Hilfselektrode (15) verbundenen Schalters (17) führt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter aus Thyristorsätzen besteht, die an die Hauptleiter (22) und an den Sternpunktleiter (23) des z.B. drei- oder sechsphasigen Drehspannungssystems angeschlossen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstellbare, mechanische oder elektronisch betätigte Steuerung (25) vorgesehen ist, die mit den Thyristorsätzen verbunden ist.