EP3707451A1 - Schmelzofen mit gleichzeitig rotierbarer und verfahrbarer elektrodenstange - Google Patents

Schmelzofen mit gleichzeitig rotierbarer und verfahrbarer elektrodenstange

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EP3707451A1
EP3707451A1 EP18807877.8A EP18807877A EP3707451A1 EP 3707451 A1 EP3707451 A1 EP 3707451A1 EP 18807877 A EP18807877 A EP 18807877A EP 3707451 A1 EP3707451 A1 EP 3707451A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
furnace
electrode rod
melting furnace
melting
Prior art date
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Pending
Application number
EP18807877.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cihangir Demirci
Ros EL-RABATI
David Robinson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Mevac GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by SMS Mevac GmbH filed Critical SMS Mevac GmbH
Publication of EP3707451A1 publication Critical patent/EP3707451A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/08—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat
    • F27B3/085—Arc furnaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
    • B22D23/10—Electroslag casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/08—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat
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    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/20—Arrangements of heating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/08—Heating by electric discharge, e.g. arc discharge
    • F27D11/10—Disposition of electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection
    • H01R39/646—Devices for uninterrupted current collection through an electrical conductive fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/10—Mountings, supports, terminals or arrangements for feeding or guiding electrodes

Definitions

  • the invention relates to a melting furnace, in particular for the production of metal alloys and non-ferrous alloys by melting alloy constituents, with a crucible, an electrode rod with a self-consuming electrode attached thereto, and a power supply adapted to energize the electrode via the electrode rod to supply.
  • Melting furnaces are used for the production of metal alloys by melting alloy components and possibly additives. Melting furnaces are known in various designs. They are used both in the remelting of metal by means of an arc under vacuum and in so-called electroslag remelting. The melting process takes place in that an electrode is immersed in a melt and supplied with a so-called melt stream. The melt acts as an electrical resistance, causing the melt to be heated by the melt stream.
  • the furnace usually comprises a crucible, which may be cold or refractory lined, a furnace hood closing the crucible, and an electrode rod immersed in the crucible by a vacuum and / or gas tight passage in the furnace.
  • the Electrode rod carrying the electrode is connected to a high current power supply.
  • the electrode Since the electrode is gradually consumed - this is referred to as a "self-consumable electrode" - the electrode must be tracked during operation.
  • the system In order to be able to track the electrode rod with the electrode attached thereto, the system usually has a height-adjustable electrode carriage or a drive technology for holding and moving the electrode rod.
  • An object of the invention is to provide an improved melting furnace, in particular for the production of metal alloys and non-ferrous alloys by melting alloy constituents.
  • the object is achieved with a melting furnace with the features of claim 1.
  • Advantageous developments follow from the subclaims, the following description of the invention and the description of preferred embodiments.
  • the melting furnace is a plant used for the production of metal alloys and non-ferrous alloys by electrical remelting of an electrode, if necessary under vacuum.
  • the melting furnace is designed, for example, as: electroslag remelting unit (ESC) under protective gas or atmosphere with stationary and / or sliding seal; Pressure electro-slag remelting plant (DESU) under different protective gases or process gases with stationary and / or sliding bar; Electro-slag rapid remelting plant (ESSU) with stationary and / or sliding strip for the continuous production of cast or molten strands; Light Arc Vacuum Melting Furnace (LBV); Combination system of the types mentioned, in particular for an ESU system with stand crucible and / or sliding bar and an "Electron Beam Furnace” (EB).
  • ESC electroslag remelting unit
  • DESU Pressure electro-slag remelting plant
  • ESSU Electro-slag rapid remelting plant with stationary and / or sliding strip for the continuous production of cast or molten strands
  • LUV Light Arc Vacuum Melting Furnace
  • the melting furnace comprises a crucible, which is preferably lined cold or refractory.
  • the crucible designed for instance as a hollow-cylindrical vessel closed at the bottom, is designed for melting alloy constituents, additives, etc.
  • the smelting furnace further comprises an electrode rod having a self-consumable electrode attached thereto and a power supply configured to energize the electrode via the electrode rod, so that melting energy into the molten metal in the crucible, also referred to as a molten pool, sump or Metal bottom is called, can be introduced, for example, between the electrode and the molten metal, an arc is ignitable.
  • the electrode rod is rotatable about its own axis during the melting process and can be moved along its own axis.
  • the rotatability and movability of the electrode rod during the melting process allows a precise tracking and adjustment of the electrode, whereby the stability of the melting process is improved.
  • the mobility is in this case provided in particular along the axial direction of the electrode rod, ie usually in Schwerkraftrichtu ng.
  • uneven melting of the electrode tip can be compensated by a combination of rotation and lifting / lowering of the electrode.
  • the mobility of the electrode rod preferably allows an oscillating movement in order to be able to track the electrode rod in an oscillating manner in accordance with the electrode consumption.
  • the electrode tip is kept constant in the slag bath in a defined range, in particular the distance between the electrode tip in the slag bath and the surface thereof is kept constant.
  • the electrode rod is attached via an electrode holder on an electrode carriage, which is held on a furnace column and guided to the mobility.
  • the furnace column for example as part of a frame of the melting furnace, allows the modular attachment and guidance of movable components of the melting furnace.
  • the electrode carriage by means of a spindle drive or hydraulic cylinder is movable, the spindle drive is particularly preferably attached to the electrode carriage and one or more motorized, such as electric motor driven spindle nuts, which cooperate with a spindle which extends substantially parallel to the furnace column.
  • the vertical mobility of the electrode in a structurally simple and reliable and modular way to accomplish.
  • the melting furnace has a motor, such as electromotive, rotary drive for rotating the electrode rod about its axis, wherein the rotary drive is preferably mounted on the electrode holder. In this way, the rotatability of the electrode in a structurally simple and reliable and modular way accomplish. In addition, a simultaneous rotation and procedure of the electrode during the melting process is ensured.
  • the electrode rod is electrically connected to the power supply via a current collector, the current collector having one or more contacting means arranged to transfer the current supplied from the power supply to the electrode rod.
  • the current collector can be designed to be compatible for various formats of the electrode rod.
  • the pantograph may have bushings for receiving power lines and / or for protection against damage and dirt.
  • the current collector provides a reliable connection of the electrode to the power supply, even during any rotation and / or any method of the electrode rod.
  • the current collector may be a separate component or, for example, also part of the electrode rod.
  • the contacting device (analogous to a plurality of contacting devices) can be constructed in various ways, moreover consisting of different conductive and non-conductive materials, as long as reliable contact with the rotatable and movable electrode rod is ensured.
  • the contacting device may have a receptacle that is electrically connected to the electrode rod and contains a conductive liquid, preferably liquid gallium, in which a current output, which is electrically connected to the power supply, is immersed.
  • the contacting device one or more brushes, preferably from a graphite-containing and / or copper-containing material, which are in frictional contact with the electrode rod have.
  • the contacting device may comprise at least one shell element, preferably of a graphite-containing and / or copper-containing material which is in frictional contact with the electrode rod.
  • the shell element can be designed as a ring or ring segment.
  • the furnace has a movable furnace hood, which is adapted to close the crucible, wherein the electrode rod and / or the electrode is immersed in the crucible by a preferably vacuum and gas-tight implementation in the furnace hood.
  • the furnace hood is compatible for different crucible dimensions. The performance of the furnace hood allows despite the preferred vacuum and gas tightness, the vertical movement of the electrode rod relative to the crucible.
  • the furnace hood is attached according to a preferred embodiment of a hood car on the furnace column and guided by this.
  • the height adjustment of the furnace hood can be done for example by means of a spindle drive.
  • the furnace hood is instead mounted by means of a hydraulic cylinder or spindle drive on the electrode carriage, whereby a relative distance therebetween in a hydraulic manner is adjustable.
  • the crucible is attached via a furnace platform on a stage wagon, which is held on the furnace column and guided to the mobility.
  • the crucible can be attached to the furnace column in a modular manner.
  • the stage wagon is movable by means of a stage spindle drive, wherein the stage spindle drive is preferably mounted on the stage wagon and has one or more motor-driven spindle nuts which are connected to a stage spindle which is substantially parallel to the furnace column runs, interact.
  • the vertical mobility of the crucible can be done in a structurally simple and reliable and modular way.
  • the furnace has one or more weighing cells which are measuring cells for weighing the weight of the electrode and / or the molten block in the crucible.
  • the load cells are installed below the bottom plate of the crucible and / or on the electrode carriage and / or on the stage wagon, particularly preferably below the fusible link.
  • load cells are installed at the top of the crucible with associated receiving plates. In this case, the measured weight measured values can be falsified by the rotation operation of the electrode.
  • An installation of the load cells below the bottom plate of the crucible, optionally alternatively or additionally on the electrode carriage and / or on the stage wagon, can improve the measurement accuracy in a melting furnace with a rotating electrode.
  • the invention is particularly preferably used in the technical field of production of metal alloys, the invention can also be implemented in other areas, in particular if a self-consuming electrode is used by electrically igniting and maintaining an arc between the electrode and a melt.
  • a self-consuming electrode is used by electrically igniting and maintaining an arc between the electrode and a melt.
  • Specific examples include the electrochemical melting of aluminum, silicon and calcium carbide.
  • the invention is also suitable for producing metal powder for 3D printers.
  • FIG. 1 shows a melting furnace with crucible and a rotatable and movable electrode rod.
  • Figures 2a to 2c show exemplary embodiments of contacting devices for electrically conductive connection of the rotatable and movable electrode rod with a power supply.
  • Figures 3a and 3b show shapes of the electrode tip and the underlying metal bottom.
  • FIG. 1 shows a melting furnace 1 which serves for the production of metal alloys by electrical remelting of an electrode, if appropriate under vacuum.
  • the melting furnace 1 is embodied, for example, as: electro-slag remelting plant (ESC) with stationary and / or sliding seal; Pressure electro-slag remelting plant (DESU) with stationary and / or sliding bar; Electro-slag quick-remelting plant (ESSU) with stationary and / or sliding block for continuous production of cast or molten strands; Light Arc Vacuum Melting Furnace (LBV); Combination system of the types mentioned, in particular for an ESU system with stand crucible and / or sliding bar and an "Electron Beam Furnace" (EB).
  • ESC electro-slag remelting plant
  • DESU Pressure electro-slag remelting plant
  • ESSU Electro-slag quick-remelting plant
  • LUV Light Arc Vacuum Melting Furnace
  • the melting furnace 1 has a crucible 10, which is preferably lined cold or refractory.
  • the crucible 10 is a bottom-closed hollow cylindrical vessel designed for melting alloying ingredients, aggregates, etc.
  • the melting furnace 1 further has a furnace hood 20, which is designed to close the crucible 10.
  • the oven hood 20 is compatible for different crucible dimensions.
  • the furnace hood 20 preferably has a cooling, such as water cooling on.
  • a height-adjustable electrode carriage 30 for holding, rotatable bearings, rotating and method of an electrode rod 40 is provided.
  • the electrode carriage 30 has an electrode receptacle 31 which rotatably supports the electrode rod 40.
  • the electrode carriage 30 can also have a rotary drive 32 for rotating or rotating the electrode rod 40 about its axis.
  • the rotary drive 32 may for example be attached to the electrode holder 31 or integrated with it, so that a height adjustment of the electrode carriage 30 is ensured together with the electrode rod 40 at the same time rotating electrode rod 40.
  • the electrode rod 40 supports a self-consumable electrode 4, also referred to as a "self-consumable electrode”.
  • the electrode bar 40 and / or the immersed Electrode 41 by a akuum- and gas-tight passage 21 in the furnace hood 20 in the crucible 10 a.
  • the melting energy inside the crucible 10 is generated, for example, by an arc burning between the tip of the electrode 41 and the surface of the molten bath S (also referred to as "sump or" metal sump.)
  • the distance between the electrode tip and the surface of the molten bath S are kept constant in the defined range.
  • a melt current to the electrode 41 it is connected via power lines 51 to a power supply 50, which is preferably a high-current power supply.
  • the power lines 51 can be realized by busbars 52 which are connected to flexible power strips or power cables 53, solely by flexible power cable 53 or otherwise, to ensure a reliable power supply despite adjustability of the electrode carriage 30.
  • the power lines 51 are connected to contacting devices 43 of a current collector 42.
  • the current collector 42 is part of or connected to the electrode rod 40 in order to transfer the current supplied by the power supply 50 via the contacting devices 43 to the rotatable and movable electrode rod 40.
  • the current collector 42 may in this case be designed to be compatible for various formats of electrode rods 40.
  • the current collector 42 may have bushings for receiving the power lines 51 and / or for protection against damage and dirt.
  • the current collector 42, via which the current is transmitted to the electrode rod 40 is preferably water- or air-cooled.
  • a coupling 44 is provided between the electrode rod 40 and a stub 45, whereby a circuit for supplying the electrode 41 and a holder of the electrode 41 is constructed, so that between the electrode 41 and the melt, an arc in the crucible 10 is flammable or melt energy can be introduced into the melt and this can be kept constant with the height-adjustable electrode carriage 30 over the entire melting time under vacuum, protective gas or atmosphere.
  • the melting energy is generated by the arc burning between the tip of the electrode 41 and the surface of the molten bath S in the crucible 10.
  • the distance between the electrode tip and the surface of the molten bath S must be kept constant. This is done via a control, not shown, which can be done, for example, computer-aided and algorithmic.
  • the melting energy is converted into Joule heat by the conversion of electrical energy to the resistance of the slag.
  • the melting furnace 1 has the above-mentioned height-adjustable electrode carriage 30 for holding the electrode rod 40.
  • the mobility of the electrode rod 30 is in this case provided along the axial direction of the electrode rod 40, ie in the up / down direction according to FIG. 1.
  • the electrode rod 40 is preferably adjusted according to the electrode consumption oscillating.
  • the electrode tip is kept constant in the slag bath in a defined range, in particular the distance between the electrode tip in the slag bath and the surface thereof is kept constant.
  • the mobility is preferably realized by a spindle drive 33, which is part of the electrode carriage 30 or rigidly connected thereto.
  • the spindle drive 33 acts with a spindle 61 of a frame 60 together, the components of the melting furnace 1, in particular the electrode carriage 30, the furnace hood 20 and the crucible 10 carries.
  • the spindle drive 33 may have one or more motor-driven spindle nuts which engage in a thread of the spindle 61 in order to adjust the electrode carriage 30 in height by rotation of the spindle nuts.
  • the contacting devices 43 can be constructed in various ways, moreover consist of different conductive and non-conductive materials, as long as a secure contact with the rotatable electrode rod 40 is ensured.
  • FIG. 2a shows a receptacle 43a into which liquid gallium 43b has been introduced. Also, into the liquid gallium is immersed a current output 43 c connected to the power supply 50 via the power lines 51. In this case, other current-carrying liquids come into consideration as liquid power transmission means.
  • FIG. 1 shows a receptacle 43a into which liquid gallium 43b has been introduced. Also, into the liquid gallium is immersed a current output 43 c connected to the power supply 50 via the power lines 51. In this case, other current-carrying liquids come into consideration as liquid power transmission means.
  • FIG. 2b shows a further exemplary structure for current transmission using brushes 43d, for example of a graphite-containing and / or copper-containing material (such as graphite, hard graphite, carbon, carbon fiber, copper, copper alloy, etc.), which is connected to a receptacle 43e the electrode rod 40 are in frictional contact.
  • FIG. 2 c shows a further construction which, instead of the brushes 43 d, uses a shell element 43 f, which is held in a receptacle 43 g in frictional contact with the electrode rod 40.
  • the shell element 43f may be made in one piece or in several parts and, for example, from a graphite-containing material.
  • the shell element 43f can be pressed against the electrode rod 40 by means of elastic elements, such as springs, in order to ensure a secure contact.
  • the electrode rod 40 can also along or around more Axles movably mounted to improve the adjustability and thus stability during melting.
  • the current collector 42 may be adjustably arranged to be adapted to the electrode rod 40 can.
  • the current collector 42 may have one or more media connections, which are supplied and controlled by appropriate control points.
  • the interaction between it and the electrode rod 40 can be modularized.
  • the contacting means 43 may be fixed by fixing means on the current collector 42 and engage in corresponding Fixierfactn on the electrode rod 40 and be included in this, as was exemplified for the embodiments of Figures 2a to 2c.
  • the current collector 42 can be reliably connected to the electrode 41 as a consumer.
  • the electrode rod 40 may be divided by the above-mentioned coupling 44 (or the electrode 41 may be connected to the electrode rod 40 via the coupling 44) to change the electrode 41, in particular the replacement of a spent electrode 41 with a new electrode 41, to simplify.
  • the coupling can be hydraulically or pneumatically actuated.
  • the frame 60 may have a furnace column 62, on which the electrode carriage 30 and / or the furnace hood 20 are guided and held.
  • other components such as the spindle drive 33, can be guided and held on the furnace column 62 in order to achieve a modular construction of the melting furnace 1 in this way.
  • the crucible 10 is also guided and held on the furnace column 62 via a furnace platform 1 1 and a stage carriage 12 according to the present embodiment. While the furnace platform 1 1 is fixed in a level crucible installation, according to the embodiment shown in FIG. 1 (sliding-plate installation), the crucible 10 is thereon Way height adjustable.
  • the furnace platform 1 1 via a guide 13 and / or the stage carriage 12 may be mounted on the furnace column 62 movable.
  • the mobility can be realized via a stage spindle drive 14, which cooperates with a stage spindle 15.
  • the stage spindle drive 14 may have one or more motor-driven spindle nuts which engage in a thread of the stage spindle 15 in order to adjust the crucible 10 in height by rotation of the spindle nuts.
  • the crucible 10 can be lowered and / or raised in accordance with the filling rate of the crucible 10 and / or the electrode melting rate.
  • the crucible 10 can also be movably mounted along further axes in order to improve the adjustability and thus stability during melting.
  • the adjustment along axes that are perpendicular to the axis of the furnace column 62 be realized by means that are integrated below the bottom plate of the crucible 10, such as in the furnace platform 1 1.
  • the vacuum-tight passage 21 of the furnace hood 20 ensures the vertical movement of the electrode rod 40 through the center of the furnace hood 20, which is attached and guided according to the present embodiment via a hood carriage 22 on the furnace column 62.
  • the height adjustment can also be done by means of a spindle drive or as shown in Figure 1, for example by means of one or more hydraulic cylinders 23 which are mounted on one side on the hood car 22 and on the other side of the electrode carriage 40 and arranged to a Set relative distance in between.
  • the rotatable and vertically movable electrode rod 40 allows the end face of the electrode 41 of a conventional V-shape, cf. 3a, in a flat U-shape, cf. Figure 3b, modify.
  • the shape of the metal sump S under the electrode 41 is also changed from the V shape to a flat U shape.
  • the smelting furnace 1 has one or more weighing cells (not shown in the figures) which are measuring cells for weighing the weight of the electrode 41 and / or the molten block S in the crucible 10.
  • the load cells are installed below the bottom plate of the crucible 10 and / or on the electrode carriage 30 and / or on the stage wagon 12, particularly preferably below the fusible link 10. In this way, the measurement accuracy can be improved in a rotating furnace 1 with rotating electrode.

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Abstract

Schmelzofen (1), insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, mit einem Schmelztiegel (10), einer zylindrischen Elektrodenstange (40) mit einer daran angebrachten sich selbst verzehrenden Elektrode (41) und einer Stromversorgung (50), die eingerichtet ist, um die Elektrode (41) über die Elektrodenstange (40) mit Strom zu versorgen, wobei die Elektrodenstange (40) während des Schmelzvorgangs um die eigene Achse rotierbar und entlang der eigenen Achse verfahrbar ist.

Description

Schmelzofen mit gleichzeitig rotierbarer und verfahrbarer Elektrodenstange
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen, insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, mit einem Schmelztiegel, einer Elektrodenstange mit einer daran angebrachten sich selbst verzehrenden Elektrode und einer Stromversorgung, die eingerichtet ist, um die Elektrode über die Elektrodenstange mit Strom zu versorgen.
Hintergrund der Erfindung
Schmelzöfen werden zur Herstellung von Metalllegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen und ggf. Zuschlägen verwendet. Schmelzöfen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie werden sowohl beim Umschmelzen von Metall mittels eines Lichtbogens unter Vakuum genutzt als auch bei so genannten Elektroschlacke-Umschmelzverfahren. Der Schmelzvorgang erfolgt dadurch, dass eine Elektrode in eine Schmelze eingetaucht und mit einem sogenannten Schmelzstrom versorgt wird. Die Schmelze wirkt als elektrischer Widerstand, wodurch die Schmelze durch den Schmelzstrom erhitzt wird.
Der Schmelzofen weist üblicherweise einen Schmelztiegel, der kalt oder feuerfest ausgekleidet sein kann, eine Ofenhaube, die den Schmelztiegel verschließt, und eine Elektrodenstange auf, die durch eine Vakuum- und/oder gasdichte Durchführung in der Ofen ha übe in den Schmelztiegel eintaucht. Die Elektrodenstange, welche die Elektrode trägt, ist an eine Hochstromversorgung angeschlossen.
Da die Elektrode nach und nach verbraucht wird - man spricht hierbei von einer "sich selbst verzehrenden Elektrode" - muss die Elektrode während des Betriebs nachgeführt werden. Um die Elektrodenstange mit der daran angebrachten Elektrode nachführen zu können, besitzt die Anlage gewöhnlich einen höhenverstellbaren Elektrodenwagen oder eine Antriebstechnik zum Halten und Verfahren der Elektrodenstange.
Schmelzöfen der oben beschriebenen Art gehen beispielsweise aus der DE 42 07 967 A1 , DE 101 56 966 A1 , WO 2013/1 17529 A1 und WO 2014/177129 A2 hervor.
Im laufenden Prozess ist es erforderlich, die Elektrode nachzuführen und die Abschmelzrate genau zu regeln, beispielsweise um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Doch nicht nur die Eintauchtiefe der Elektrode in den Schmelztiegel beeinflusst den Einschmelzvorgang, sondern auch die Abschmelzform, d.h. die Geometrie und Lage der Elektrodenspitze.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Schmelzofen, insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, bereitzustellen.
Gelöst wird die Aufgabe mit einem Schmelzofen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Der Schmelzofen ist eine Anlage, die zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch elektrisches Umschmelzen einer Elektrode, ggf. unter Vakuum, dient. Der Schmelzofen ist beispielsweise ausgeführt als: Elektro- Schlacke-Umschmelzanlage (ESU) unter Schutzgas oder Atmosphäre mit Stand- und/oder Gleittiegel; Druck-Elektro-Schlacke-Umschmelzanlage (DESU) unter unterschiedlichen Schutzgasen oder Prozessgasen mit Stand- und/oder Gleittiegel; Elektro-Schlacke-Schnell-Umschmelzanlage (ESSU) mit Stand- und/oder Gleittiegel zur kontinuierlichen Herstellung von gegossenen oder geschmolzenen Strängen; Licht-Bogen-Vakuum-Schmelzofen (LBV); Kombinationsanlage aus den genannten Bauformen, insbesondere für eine ESU- Anlage mit Standtiegel und/oder Gleittiegel sowie einen "Electron Beam Furnace" (EB). Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung "Schmelzofen" nicht im engeren Sinne nur den "Ofen" oder den Schmelztiegel umfasst, sondern die Schmelzanlage insgesamt bezeichnet.
Der Schmelzofen gemäß der Erfindung weist einen Schmelztiegel auf, der vorzugsweise kalt oder feuerfest ausgekleidet ist. Der Schmelztiegel, etwa als bodenseitig geschlossenes hohlzylindrisches Gefäß ausgeführt, ist zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, Zuschlägen usw. ausgelegt. Der Schmelzofen weist ferner eine Elektrodenstange mit einer daran angebrachten sich selbst verzehrenden Elektrode und eine Stromversorgung auf, die eingerichtet ist, um die Elektrode über die Elektrodenstange mit Strom zu versorgen, so dass Schmelzenergie in die Metallschmelze im Schmelztiegel, die auch als Schmelzbad, Sumpf oder Metallsumpf bezeichnet wird, einbringbar ist, beispielsweise zwischen der Elektrode und der Metallschmelze ein Lichtbogen entzündbar ist. Die Elektrodenstange ist während des Schmelzvorgangs um die eigene Achse rotierbar und entlang der eigenen Achse verfahrbar. Die Rotierbarkeit und Verfahrbarkeit der Elektrodenstange während des Schmelzprozesses erlaubt eine präzise Nachführung und Justierung der Elektrode, wodurch die Stabilität des Schmelzprozesses verbessert wird. Die Verfahrbarkeit ist hierbei insbesondere entlang der Axialrichtung der Elektrodenstange vorgesehen, d.h. üblicherweise in Schwerkraftrichtu ng . Insbesondere kann ein ungleichmäßiges Abschmelzen der Elektrodenspitze durch eine Kombination aus Rotation und Anheben/Absenken der Elektrode kompensiert werden.
Die Verfahrbarkeit der Elektrodenstange erlaubt vorzugsweise eine oszillierende Bewegung, um die Elektrodenstange entsprechend dem Elektrodenverbrauch oszillierend nachführen zu können. Durch das Oszillieren der Elektrode wird die Elektrodenspitze im Schlackebad konstant in einem definierten Bereich gehalten, insbesondere wird der Abstand zwischen der Elektrodenspitze im Schlackebad und der Oberfläche desselben konstant gehalten.
Vorzugsweise ist die Elektrodenstange über eine Elektrodenaufnahme an einem Elektrodenwagen befestigt, der an einer Ofensäule gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist. Die Ofensäule, etwa als Teil eines Gestells des Schmelzofens, erlaubt die modulare Anbringung und Führung verfahrbarer Komponenten des Schmelzofens.
Vorzugsweise ist der Elektrodenwagen mittels eines Spindelantriebs oder Hydraulikzylinders verfahrbar, wobei der Spindelantrieb besonders bevorzugt am Elektrodenwagen befestigt ist und eine oder mehrere motorisch, etwa elektromotorisch, angetriebene Spindelmuttern aufweist, die mit einer Spindel, die im Wesentlichen parallel zur Ofensäule verläuft, zusammenwirken. Auf diese Weise lässt sich die vertikale Verfahrbarkeit der Elektrode auf baulich einfache und zuverlässige sowie modulare Weise bewerkstelligen. Vorzugsweise weist der Schmelzofen einen motorischen, etwa elektromotorischen, Drehantrieb zum Rotieren der Elektrodenstange um deren Achse auf, wobei der Drehantrieb vorzugsweise an der Elektrodenaufnahme angebracht ist. Auf diese Weise lässt sich die Rotierbarkeit der Elektrode auf baulich einfache und zuverlässige sowie modulare Weise bewerkstelligen. Zudem ist ein gleichzeitiges Rotieren und Verfahren der Elektrode während des Schmelzprozesses gewährleistet.
Vorzugsweise ist die Elektrodenstange über einen Stromabnehmer elektrisch mit der Stromversorgung verbunden, wobei der Stromabnehmer eine oder mehrere Kontaktiereinrichtungen aufweist, die eingerichtet sind, um den Strom, bereitgestellt von der Stromversorgung, an die Elektrodenstange zu transferieren. Der Stromabnehmer kann hierbei für verschiedene Formate der Elektrodenstange kompatibel aufgebaut sein. Der Stromabnehmer kann Durchführungen zur Aufnahme von Stromleitungen und/oder zum Schutz vor Beschädigungen und Schmutz aufweisen. Der Stromabnehmer sorgt für einen zuverlässigen Anschluss der Elektrode an die Stromversorgung, auch während einer etwaigen Rotation und/oder eines etwaigen Verfahrens der Elektrodenstange. Der Stromabnehmer kann eine separate Komponente oder beispielsweise auch Teil der Elektrodenstange sein.
Die Kontaktiereinrichtung (analog mehrere Kontaktiereinrichtungen) kann auf verschiede Art und Weise aufgebaut sein, zudem aus verschiedenen leitenden und nicht-leitenden Materialien bestehen, solange eine sichere Kontaktierung mit der rotierbaren und verfahrbaren Elektrodenstange gewährleistet ist. So kann die Kontaktiereinrichtung eine Aufnahme aufweisen, die elektrisch mit der Elektrodenstange in Verbindung steht und eine leitende Flüssigkeit, vorzugsweise Flüssig-Gallium, enthält, in die eine Stromabgabe, die elektrisch mit der Stromversorgung in Verbindung steht, eingetaucht ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktiereinrichtung eine oder mehrere Bürsten, vorzugsweise aus einem graphithaltigen und/oder kupferhaltigen Material, die mit der Elektrodenstange im Reibkontakt stehen, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktiereinrichtung zumindest ein Schalenelement, vorzugsweise aus einem graphithaltigen und/oder kupferhaltigen Material, das mit der Elektrodenstange im Reibkontakt steht, aufweisen. Das Schalenelement kann als Ring oder Ringsegment ausgeführt sein.
Vorzugsweise weist der Schmelzofen eine verfahrbare Ofenhaube auf, die zum Verschließen des Schmelztiegels eingerichtet ist, wobei die Elektrodenstange und/oder die Elektrode durch eine vorzugsweise vakuum- und gasdichte Durchführung in der Ofenhaube in den Schmelztiegel eintaucht. Vorzugsweise ist die Ofenhaube für verschiedene Tiegelabmessungen kompatibel. Die Durchführung der Ofenhaube gestattet trotz der bevorzugten Vakuum- und Gasdichtigkeit die vertikale Bewegung der Elektrodenstange relativ zum Schmelztiegel. Die Ofenhaube ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform über einen Haubenwagen an der Ofensäule angebracht und durch diese geführt. Die Höhenverstellung der Ofenhaube kann beispielsweise mittels eines Spindelantriebs erfolgen. Vorzugsweise ist die Ofenhaube jedoch stattdessen mittels eines Hydraulikzylinders oder Spindelantriebs am Elektrodenwagen angebracht, wodurch ein Relativabstand dazwischen auf hydraulische Weise einstellbar ist.
Vorzugsweise ist der Schmelztiegel über eine Ofenbühne an einem Bühnenwagen befestigt, der an der Ofensäule gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist. So lässt sich der Schmelztiegel auf modulare Weise an der Ofensäule anbringen.
Vorzugsweise ist der Bühnenwagen mittels eines Bühnenspindelantriebs verfahrbar, wobei der Bühnenspindelantrieb vorzugsweise am Bühnenwagen befestigt ist und eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern aufweist, die mit einer Bühnenspindel, die im Wesentlichen parallel zur Ofensäule verläuft, zusammenwirken. Auf diese Weise lässt sich die vertikale Verfahrbarkeit des Schmelztiegels auf baulich einfache und zuverlässige sowie modulare Weise bewerkstelligen.
Vorzugsweise weist der Schmelzofen eine oder mehrere Wiegezellen auf, die Messzellen zum Wiegen des Gewichtes der Elektrode und/oder des (um)geschmolzenen Blockes bzw. Schmelzbads im Schmelztiegel sind. Vorzugsweise sind die Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels und/oder am Elektrodenwagen und/oder am Bühnenwagen, besonders bevorzugt unterhalb des Schmelziegels, installiert. Üblicherweise werden Wiegezellen am Kopf des Schmelztiegels mit zugehörigen Aufnahmeplatten installiert. In diesem Fall können die gemessen Gewichtsmesswerte durch den Rotationsbetrieb der Elektrode verfälscht werden. Ein Einbau der Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels, gegebenenfalls alternativ oder zusätzlich am Elektrodenwagen und/oder am Bühnenwagen, kann die Messgenauigkeit bei einem Schmelzofen mit rotierender Elektrode verbessern.
Wenngleich die Erfindung besonders bevorzugt im technischen Umfeld der Herstellung von Metalllegierungen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden, insbesondere wenn eine sich selbst verzehrende Elektrode durch elektrisches Entzünden und Aufrechterhalten eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und einer Schmelze zum Einsatz kommt. Speziell seien genannt das elektrochemische Schmelzen von Aluminium, Silizium und Kalziumkarbid. Die Erfindung ist ferner zur Herstellung von Metallpulver für 3D-Drucker geeignet.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt einen Schmelzofen mit Schmelztiegel und einer rotierbaren und verfahrbaren Elektrodenstange.
Die Figuren 2a bis 2c zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Kontaktiereinrichtungen zur stromleitenden Verbindung der rotierbaren und verfahrbaren Elektrodenstange mit einer Stromversorgung.
Die Figuren 3a und 3b zeigen Formen der Elektrodenspitze und des sich darunter befindlichen Metallsumpfes.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholende Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Die Figur 1 zeigt einen Schmelzofen 1 , der zur Herstellung von Metalllegierungen durch elektrisches Umschmelzen einer Elektrode, ggf. unter Vakuum, dient. Der Schmelzofen 1 ist beispielsweise ausgeführt als: Elektro-Schlacke- Umschmelzanlage (ESU) mit Stand- und/oder Gleittiegel; Druck-Elektro-Schlacke- Umschmelzanlage (DESU) mit Stand- und/oder Gleittiegel; Elektro-Schlacke- Schnell-Umschmelzanlage (ESSU) mit Stand- und/oder Gleittiegel zur kontinuierlichen Herstellung von gegossenen oder geschmolzenen Strängen; Licht-Bogen-Vakuum-Schmelzofen (LBV); Kombinationsanlage aus den genannten Bauformen, insbesondere für eine ESU-Anlage mit Standtiegel und/oder Gleittiegel sowie einen "Electron Beam Furnace" (EB).
Der Schmelzofen 1 weist einen Schmelztiegel 10 auf, der vorzugsweise kalt oder feuerfest ausgekleidet ist. Der Schmelztiegel 10 ist ein bodenseitig geschlossenes hohlzylindrisches Gefäß, das zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, Zuschlägen usw. ausgelegt ist. Der Schmelzofen 1 weist ferner eine Ofenhaube 20 auf, die zum Verschließen des Schmelztiegels 10 eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die Ofenhaube 20 für verschiedene Tiegelabmessungen kompatibel. Zudem weist die Ofenhaube 20 vorzugsweise eine Kühlung, etwa Wasserkühlung, auf.
Oberhalb der Ofenhaube 20 ist ein höhenverstellbarer Elektrodenwagen 30 zum Halten, drehbaren Lagern, Rotieren und Verfahren einer Elektrodenstange 40 vorgesehen. Zu diesem Zweck weist der Elektrodenwagen 30 eine Elektrodenaufnahme 31 auf, welche die Elektrodenstange 40 drehbar lagert. Der Elektrodenwagen 30 kann zudem einen Drehantrieb 32 zum Rotieren bzw. Drehen der Elektrodenstange 40 um deren Achse aufweisen. Der Drehantrieb 32 kann beispielsweise an der Elektrodenaufnahme 31 angebracht oder mit dieser integriert sein, so dass eine Höhenverstellung des Elektrodenwagens 30 zusammen mit der Elektrodenstange 40 bei gleichzeitig rotierender Elektrodenstange 40 gewährleistet ist.
Die Elektrodenstange 40 trägt bzw. hält eine sich selbst verzehrende Elektrode 4 , die auch als "sich selbst verbrauchende Elektrode" bezeichnet wird.
Bei aufgesetzter Ofenhaube 20 und im montierten Zustand des Elektrodenwagens 30 und der Elektrodenstange 40 taucht die Elektrodenstange 40 und/oder die Elektrode 41 durch eine akuum- und gasdichte Durchführung 21 in der Ofenhaube 20 in den Schmelztiegel 10 ein. Die Schmelzenergie im Innern des Schmelztiegels 10 wird beispielsweise durch einen Lichtbogen erzeugt, der zwischen der Spitze der Elektrode 41 und der Oberfläche des Schmelzbades S (auch als "Sumpf oder "Metallsumpf" bezeichnet) brennt. Um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, muss der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und der Oberfläche des Schmelzbades S im definierten Bereich konstant gehalten werden.
Zum Anlegen eines Schmelzstroms an die Elektrode 41 ist diese über Stromleitungen 51 mit einer Stromversorgung 50, die vorzugsweise eine Hochstromversorgung ist, verbunden. Die Stromleitungen 51 können durch Stromschienen 52, die mit flexiblen Strombändern oder Stromkabeln 53 verbunden sind, allein durch flexible Stromkabel 53 oder auf andere Weise realisiert werden, um trotz Verstellbarkeit des Elektrodenwagens 30 eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Die Stromleitungen 51 sind mit Kontaktiereinrichtungen 43 eines Stromabnehmers 42 verbunden. Der Stromabnehmer 42 ist Teil der Elektrodenstange 40 oder mit dieser verbunden, um den Strom, bereitgestellt von der Stromversorgung 50, über die Kontaktiereinrichtungen 43 an die rotierbare und verfahrbare Elektrodenstange 40 zu transferieren. Der Stromabnehmer 42 kann hierbei für verschiedene Formate von Elektrodenstangen 40 kompatibel aufgebaut sein. Der Stromabnehmer 42 kann Durchführungen zur Aufnahme der Stromleitungen 51 und/oder zum Schutz vor Beschädigungen und Schmutz aufweisen. Der Stromabnehmer 42, über den die Stromübertragung an die Elektrodenstange 40 erfolgt, ist vorzugsweise wasser- oder luftgekühlt.
Gemäß der Ausführungsform der Figur 1 ist eine Kupplung 44 zwischen der Elektrodenstange 40 und einem Stub 45 vorgesehen, wodurch ein Stromkreis zur Versorgung der Elektrode 41 und eine Halterung der Elektrode 41 aufgebaut wird, so dass zwischen der Elektrode 41 und der Schmelze ein Lichtbogen im Schmelztiegel 10 entzündbar ist bzw. Schmelzenergie in die Schmelze einbringbar ist und dieser mit dem höhenverstellbaren Elektrodenwagen 30 über die gesamte Schmelzzeit unter Vakuum, Schutzgas oder Atmosphäre konstant gehalten werden kann.
Bei Anlagen, die unter Vakuum betrieben werden, wie etwa LBV oder EB-Öfen, wird die Schmelzenergie durch den Lichtbogen erzeugt, der zwischen der Spitze der Elektrode 41 und der Oberfläche des Schmelzbades S im Schmelztiegel 10 brennt. Um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, muss der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und der Oberfläche des Schmelzbades S konstant gehalten werden. Dies erfolgt über eine nicht dargestellte Regelung, die beispielsweise rechnergestützt und algorithmisch erfolgen kann. Bei Anlagen, die unter Schutzgas oder Atmosphäre betrieben werden, wie etwa ESU oder Schutzgas-ESU-Anlagen, wird die Schmelzenergie durch die Umwandlung der elektrischen Energie mit dem Widerstand der Schlacke in joulesche Wärme umgewandelt.
Zur Nachführung, Justierung und Oszillation der Elektrodenstange 30 weist der Schmelzofen 1 den oben genannten höhenverstellbaren Elektrodenwagen 30 zum Halten der Elektrodenstange 40 auf. Die Verfahrbarkeit der Elektrodenstange 30 ist hierbei entlang der Axialrichtung der Elektrodenstange 40 vorgesehen, d.h. in der Hoch-/Runterrichtung gemäß der Figur 1 . Die Elektrodenstange 40 wird entsprechend dem Elektrodenverbrauch vorzugsweise oszillierend nachführt. Durch das Oszillieren der Elektrode 41 wird die Elektrodenspitze im Schlackebad konstant in einem definierten Bereich gehalten, insbesondere wird der Abstand zwischen der Elektrodenspitze im Schlackebad und der Oberfläche desselben konstant gehalten. Die Verfahrbarkeit wird vorzugsweise durch einen Spindelantrieb 33 realisiert, der Teil des Elektrodenwagens 30 oder mit diesem starr verbunden ist. Der Spindelantrieb 33 wirkt mit einer Spindel 61 eines Gestells 60 zusammen, das Komponenten des Schmelzofens 1 , insbesondere den Elektrodenwagen 30, die Ofenhaube 20 sowie den Schmelztiegel 10 trägt. Beispielsweise kann der Spindelantrieb 33 über eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern verfügen, die in ein Gewinde der Spindel 61 eingreifen, um durch Drehung der Spindelmuttern den Elektrodenwagen 30 in der Höhe zu verstellen.
Die Kontaktiereinrichtungen 43 können auf verschiedene Weise aufgebaut sein, zudem aus verschiedenen leitenden und nicht-leitenden Materialien bestehen, solange eine sichere Kontaktierung mit der drehbaren Elektrodenstange 40 gewährleistet ist. So zeigt die Figur 2a eine Aufnahme 43a, in die Flüssig-Gallium 43b eingebracht ist. In das Flüssig-Gallium ist ferner eine Stromabgabe 43c, die mit der Stromversorgung 50 über die Stromleitungen 51 verbunden ist, eingetaucht. Als flüssiges Stromübertragungsmittel kommen hierbei auch andere stromleitende Flüssigkeiten in Betracht. Die Figur 2b zeigt einen weiteren beispielhaften Aufbau zur Stromübertragung, der Bürsten 43d, beispielsweise aus einem graphithaltigen und/oder kupferhaltigen Material (etwa Graphit, Hartgraphit, Kohle, Kohlefaser, Kupfer, Kupferlegierung usw.), nutzt, die verbunden mit einer Aufnahme 43e mit der Elektrodenstange 40 im Reibkontakt stehen. Die Figur 2c zeigt einen weiteren Aufbau, der anstelle der Bürsten 43d ein Schalenelement 43f anwendet, das gehalten in einer Aufnahme 43g mit der Elektrodenstange 40 im Reibkontakt steht. Das Schalenelement 43f kann einstückig oder mehrteilig und beispielsweise aus einem graphithaltigen Material gefertigt sein. Ferner kann das Schalenelement 43f mittels elastischer Elemente, etwa Federn, gegen die Elektrodenstange 40 gedrückt werden, um eine sichere Kontaktierung zu gewährleisten.
Neben der Rotierbarkeit um die eigene Achse und vertikalen Verfahrbarkeit entlang der eigenen Achse (entspricht der Achse der weiter unten beschriebenen Ofensäule 62) kann die Elektrodenstange 40 auch entlang oder um weitere Achsen beweglich gelagert sein, um die Justierbarkeit und damit Stabilität beim Aufschmelzen zu verbessern. Ferner kann der Stromabnehmer 42 verstellbar eingerichtet sein, um an die Elektrodenstange 40 angepasst werden zu können. Zu diesem Zweck kann der Stromabnehmer 42 über einen oder mehrere Medienanschlüsse verfügen, die von entsprechenden Regelstellen versorgt und gesteuert werden.
Um die Stromversorgung über den Stromabnehmer 42 zu vereinfachen, kann die Zusammenwirkung zwischen diesem und der Elektrodenstange 40 modularisiert werden. So können die Kontaktiereinrichtungen 43 durch Fixiereinrichtungen am Stromabnehmer 42 befestigt sein und in korrespondierende Fixieraufnahmen an der Elektrodenstange 40 eingreifen bzw. in diesen aufgenommen sein, wie dies beispielhaft für die Ausführungsformen der Figuren 2a bis 2c dargelegt wurde. Auf diese Weise kann der Stromabnehmer 42 zuverlässig mit der Elektrode 41 als Verbraucher verbunden werden. Die Elektrodenstange 40 kann durch die oben erwähnte Kupplung 44 geteilt sein (oder die Elektrode 41 kann über die Kupplung 44 mit der Elektrodenstange 40 verbunden sein), um einen Wechsel der Elektrode 41 , insbesondere den Austausch einer verbrauchten Elektrode 41 mit einer neuen Elektrode 41 , zu vereinfachen. Die Kupplung kann hydraulisch oder pneumatisch betätigbar sein.
Das Gestell 60 kann eine Ofensäule 62 aufweisen, an welcher der Elektrodenwagen 30 und/oder die Ofenhaube 20 geführt und gehalten werden. Zudem können weitere Komponenten, so etwa der Spindelantrieb 33, an der Ofensäule 62 geführt und gehalten werden, um auf diese Weise einen modularen Aufbau des Schmelzofens 1 zu erzielen. So wird der Schmelztiegel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform über eine Ofenbühne 1 1 und einen Bühnenwagen 12 ebenfalls an der Ofensäule 62 geführt und gehalten. Während bei einer Standtiegelanlage die Ofenbühne 1 1 feststeht, ist gemäß der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform (Gleittiegelanlage), der Schmelztiegel 10 auf diese Weise höhenverstellbar. Zu diesem Zweck kann die Ofenbühne 1 1 über eine Führung 13 und/oder den Bühnenwagen 12 an der Ofensäule 62 verfahrbar angebracht sein. Die Verfahrbarkeit kann über einen Bühnenspindelantrieb 14 realisiert sein, der mit einer Bühnenspindel 15 zusammenwirkt. Beispielsweise kann der Bühnenspindelantrieb 14 über eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern verfügen, die in ein Gewinde der Bühnenspindel 15 eingreifen, um durch Drehung der Spindelmuttern den Schmelztiegel 10 in der Höhe zu verstellen. So lässt sich der Schmelztiegel 10 entsprechend der Füllrate des Schmelztiegels 10 und/oder der Elektrodenabschmelzrate absenken und/oder anheben. Neben der vertikalen Verfahrbarkeit entlang der Achse der Ofensäule 62 kann der Schmelztiegel 10 auch entlang weiterer Achsen verfahrbar montiert sein, um die Justierbarkeit und damit Stabilität beim Aufschmelzen zu verbessern. Beispielsweise kann die Verstellung entlang von Achsen, die senkrecht auf der Achse der Ofensäule 62 stehen, durch Mittel realisiert werden, die unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels 10, etwa in der Ofenbühne 1 1 , integriert sind.
Die vakuumdichte Durchführung 21 der Ofenhaube 20 gewährleistet die vertikale Bewegung der Elektrodenstange 40 durch die Mitte der Ofenhaube 20, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform über einen Haubenwagen 22 an der Ofensäule 62 angebracht und geführt ist. Die Höhenverstellung kann ebenfalls mittels eines Spindelantriebs oder auch, wie in der Figur 1 gezeigt, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Hydraulikzylinder 23 erfolgen, die auf der einen Seite am Haubenwagen 22 und auf der anderen Seite am Elektrodenwagen 40 angebracht und so eingerichtet sind, um einen Relativabstand dazwischen einzustellen.
Die rotierbare und vertikal verfahrbare Elektrodenstange 40 ermöglicht, die Stirnfläche der Elektrode 41 von einer herkömmlichen V-Form, vgl. Figur 3a, in eine flache U-Form, vgl. Figur 3b, abzuändern. Somit wird vorzugsweise auch die Form des sich unter der Elektrode 41 befindlichen Metallsumpfes S von der V- Form in eine flache U-Form abgeändert. Vorzugsweise weist der Schmelzofen 1 eine oder mehrere Wiegezellen (in den Figuren nicht gezeigt) auf, die Messzellen zum Wiegen des Gewichtes der Elektrode 41 und/oder des (um)geschmolzenen Blockes bzw. Schmelzbads S im Schmelztiegel 10 sind. Vorzugsweise sind die Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels 10 und/oder am Elektrodenwagen 30 und/oder am Bühnenwagen 12, besonders bevorzugt unterhalb des Schmelziegels 10, installiert. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit bei einem Schmelzofen 1 mit rotierender Elektrode verbessert werden.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Schmelzofen
10 Schmelztiegel
1 1 Ofenbühne
12 Bühnenwagen
13 Führung
14 Bühnenspindelantrieb
15 Bühnenspindel
20 Ofenhaube
21 Durchführung
22 Haubenwagen
23 Hydraulikzylinder
30 Elektrodenwagen
31 Elektrodenaufnahme
32 Drehantrieb
33 Spindelantrieb
40 Elektrodenstange
41 Elektrode
42 Stromabnehmer
43 Kontaktiereinrichtung
43a Aufnahme
43b Flüssig-Gallium
43c Stromabgabe
43d Bürste
43e Aufnahme
43f Schalenelement
43g Aufnahme
44 Kupplung
45 Stub Stromversorgung
Stromleitung
Stromschiene
Stromband
Gestell
Spindel
Ofensäule Metallsumpf/Schmelzbad

Claims

Patentansprüche
1. Schmelzofen (1 ), insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, mit einem Schmelztiegel (10), einer Elektrodenstange (40) mit einer daran angebrachten sich selbst verzehrenden Elektrode (41 ) und einer Stromversorgung (50), die eingerichtet ist, um die Elektrode (41 ) über die Elektrodenstange (40) mit Strom zu versorgen, wobei
die Elektrodenstange (40) während des Schmelzvorgangs um die eigene Achse rotierbar und entlang der eigenen Achse verfahrbar ist.
2. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dieser so eingerichtet ist, dass die Elektrodenstange (40) während des Schmelzvorgangs gleichzeitig rotierbar und oszillierbar ist.
3. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstange (40) über eine Elektrodenaufnahme (31 ) an einem Elektrodenwagen (30) befestigt ist, der an einer Ofensäule (62) gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist.
4. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwagen (30) mittels eines Spindelantriebs (33) verfahrbar ist, wobei der Spindelantrieb (33) vorzugsweise am Elektrodenwagen (30) befestigt ist und eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern aufweist, die mit einer Spindel (61 ), die im Wesentlichen parallel zur Ofensäule (62) verläuft, zusammenwirken.
Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen motorischen Drehantrieb (32) zum Rotieren der Elektrodenstange (40) um deren Achse aufweist, wobei der Drehantrieb (32) vorzugsweise an der Elektrodenaufnahme (31 ) angebracht ist.
Schmelzofen (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstange (40) über einen Stromabnehmer (42) elektrisch mit der Stromversorgung (50) verbunden ist, wobei der Stromabnehmer (42) eine oder mehrere Kontaktiereinrichtungen (43) aufweist, die eingerichtet sind, um den Strom, bereitgestellt von der Stromversorgung (50), an die Elektrodenstange (40) zu transferieren.
Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktiereinrichtung (43) aufweist:
eine Aufnahme (43a), die elektrisch mit der Elektrodenstange (40) in Verbindung steht und eine leitende Flüssigkeit (43b), vorzugsweise Flüssig- Gallium, enthält, in die eine Stromabgabe, die elektrisch mit der Stromversorgung (50) in Verbindung steht, eingetaucht ist; und/oder eine oder mehrere Bürsten (43d), vorzugsweise aus einem graphithaltigen und/oder kupferhaltigen Material, die mit der Elektrodenstange (40) im Reibkontakt stehen; und/oder
ein Schalenelement (43f), vorzugsweise aus einem graphithaltigen und/oder kupferhaltigen Material, das mit der Elektrodenstange (40) im Reibkontakt steht.
Schmelzofen (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine verfahrbare Ofenhaube (20) aufweist, die zum Verschließen des Schmelztiegels (10) eingerichtet ist, wobei die Elektrodenstange (40) und/oder die Elektrode (41) durch eine vorzugsweise vakuum- und gasdichte Durchführung (21 ) in der Ofenhaube (20) in den Schmelztiegel (10) eintaucht.
9. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenhaube (20) an der Ofensäule (62) gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist, wobei die Ofenhaube (20) mittels eines Hydraulikzylinders (23) am Elektrodenwagen angebracht ist, wodurch ein Relativabstand dazwischen einstellbar ist.
10. Schmelzofen (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel (10) über eine Ofenbühne (1 1) an einem Bühnenwagen (12) befestigt ist, der an der Ofensäule (62) gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist.
1 1 . Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bühnenwagen (12) mittels eines Bühnenspindelantriebs (14) verfahrbar ist, wobei der Bühnenspindelantrieb (14) vorzugsweise am Bühnenwagen (12) befestigt ist und eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern aufweist, die mit einer Bühnenspindel (15), die im Wesentlichen parallel zur Ofensäule (62) verläuft, zusammenwirken.
12. Schmelzofen (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzofen (1 ) eine oder mehrere Wiegezellen zum Wiegen des Gewichtes der Elektrode (41 ) und/oder des Schmelztiegels (10) aufweist.
13. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels (10) installiert ist.
14. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 12 und einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Wiegezellen am Elektrodenwagen (30) installiert ist.
15. Schmelzofen (1 ) nach Anspruch 12 und Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Wiegezellen am Bühnenwagen (12) installiert ist.
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