DE1758772B1

DE1758772B1 - Lichtbogenofen mit wenigstens einer nicht-abschmelzenden und und nicht-abbrennenden Elektrode

Info

Publication number: DE1758772B1
Application number: DE19681758772
Authority: DE
Inventors: Schlienger Max Peter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-01-04
Filing date: 1968-08-05
Publication date: 1971-01-14
Also published as: US3420939A; GB1240547A; FR1594189A; SE332490B

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenofen mit wenigstens einer nicht-abschmelzenden und nicht-abbrennenden Elektrode zum Schmelzen und Gießen von elektrisch leitendem Material, mit einem geschlossenen Gehäuse zur Erzielung einer definierten Atmosphäre und einer in diesem Gehäuse angeordneten Form, worin das Material geschmolzen wird.

Bei Lichtbogenöfen wird gewöhnlich zwischen der Schmelzbadoberfläche und einer Elektrode in einer unter vermindertem Druck stehenden Atmosphäre eine elektrische Bogenentladung aufrechterhalten, wobei durch die. dabei entstehende Wärmeenergie Material geschmolzen wird. Bei einem allgemein angewandten Verfahren ist die Elektrode als Abschmelzelektrode ausgebildet und besteht aus dem gewünschten zu erschmelzenden Material. Bei diesem Verfahren ist es allerdings erforderlich, daß der zu verarbeitende Werkstoff vorher in die Form einer Elektrode gebracht wird. In Fällen, wo der Werkstoff in pulvriger, körniger, schwammartiger oder sonstiger loser oder poröser Form vorliegt, muß zur Lichtbogenerzeugung eine nicht-abschmelzende Elektrode verwendet werden. Bei entsprechender Kühlung erfüllen solche Elektroden gut ihrem Zweck, so daß durch Energieumwandlung im Lichtbogen dem Schmelzbad so viel Wärmeenergie zugeführt werden kann, daß zugesetztes pulvriges oder körniges Material ebenfalls geschmolzen wird. Die Hitze des Lichtbogens wirkt aber selbstverständlich auch auf die Spitze der Elektrode und hat dort eine starke Erosion zur Folge, so daß bei Hochtemperaturanwendungen diese Technik sehr schwierig, wenn nicht unmöglich wird. Dies gilt besonders für die Verarbeitung hochschmelzender und reaktiver Metalle wie Niob, Molybdän, Wolfram, Zirkon und Titan.

Bei den zuvor erwähnten Lichtbogenöfen mit Abschmelzelektrode ist es auch bekannt, einen ungekühlten Schmelztiegel mit einer Auskleidung aus dem umzuschmelzenden Material zu verwenden. Dabei kann die Abschmelzelektrode einen verdickten, etwa halbkugelförmigen Kopf erhalten, der in die Höhlung der Auskleidung gesenkt wird; der Elektrode wird eine Drehbewegung um ihre etwa lotrechte Achse und zusätzlich eine Taumelbewegung erteilt, so daß sowohl der obere Teil der Auskleidung als auch die Elektrode je die Form eines Rotationskörpers annehmen bzw. beibehalten (USÄ.-£atentschrift 2 796 452).

Die Anwendung einer radförmigen Elektrode ist von einer Elektro-Erosionsmaschine her bekannt, die ähnlich wie eine Rundschleifmaschine zur materialabtragenden Bearbeitung von Rotationskörpern dient, wobei die kreiszylindrische Umfangsfläche des rotierenden Rades die Gegenelektrode zum Werkstück bildet (USA.-Patentschrift 2 015 415).

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Lichtbogenofens mit¹ einer .verbesserten Elektrodenanordnung und -ausbildung. Die Lösung hierfür ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein bei seinem Umfang mit einer elektrisch leitenden kreisförmigen Elektrodenfläche versehenes Rad, das durch eine Antriebsvorrichtung mittels einer im Gehäuse lagenfest in einer von der Vertikalen abweichenden Ebene gelagerten Welle derart in Drehung versetzbar ist, daß unter ständigem Wechsel des für die Liehtbogenerzeugung benutzten Teils der Elektrodenfläche aufeinanderfolgende Stellen dieser Fläche in stets der gleichen zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderlichen geringen Entfernung über dem Schmelzspiegel des Materials in der Form verbleiben.

Auf diese Weise wird die Wärmebelastung der gesamten Elektrodenfläche klein gehalten, so daß auch in Hochtemperaturanlagen die Gefahr von Erosion gering ist. Wenn für die Lichtbogenerzeugung eine kleine wirksame Elektrodenfläche günstig ist, kann hierfür der schmal ausgebildete Umfangsrand des Rades verwendet werden, so daß für Kühlungszwecke dennoch eine möglichst große Gesamt-Elektrodenfläche vorhanden ist. Außerdem kann das Rad mit

.ίο einer inneren Wasserkühlung versehen werden. Während jedes Flächenelement der Elektrodenfläche nur kurzzeitig der Hitze des Lichtbogens ausgesetzt ist und daher nicht die Endtemperatur einer stillstehenden Elektrode erreichen kann, wird gleichzeitig ein kontinuierlicher Lichtbogen aufrechterhalten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt Fi g. 1 im Schnitt einen Lichtbogenofen mit der

so Elektrodenanordnung,

Fig. 2 die Elektrode dieses Ofens im Schnitt gemäß Linie 2-2 von F i g. 1, 4Ü Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer V anderen Ausführungsform der Erfindung und

F ig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 verwiesen. Der Lichtbogenofen 1 besitzt ein Gehäuse 15, in welchem der Druck mit Hilfe einer Vakuumpumpe 16 vermindert werden kann. Die im Gehäuse 15 herzustellenden Vakuumbedingungen hängen von dem zu bearbeitenden Material und vom Zweck der Bearbeitung ab. Der Schmelzprozeß kann aber auch in einer Atmosphäre von inerten Gasen oder Gasgemischen unter Druck durchgeführt werden. Letzteres ist manchmal erforderlich, um ein Verdampfen des Materials oder einzelner Legierungsbestandteile hiervon zu verhindern.

Die Form, in der das Material geschmolzen wird, besteht aus einem im Gehäuse 15 angeordnetenZylinder 19 mit lotrechter Achse, in welchem ein Boden 20 auf und ab bewegbar ist, so daß eine Stranggußkokille gebildet ist. Der Boden 20 sitzt auf einer Stange ^ 21, die während eines Schmelzvorganges mittels der fl Vorrichtung 22 abwärts bewegbar ist. Damit wird die Oberseite 25 der Schmelze 26 auf einer vorbestimmten Höhe gehalten. Beim Zusetzen von Material in die Schmelze 26 wird der Boden 20 entsprechend abgesenkt. Die hier beschriebene Kokillenausbildung ist nur eine von vielen Möglichkeiten, und die erfindungsgemäß ausgebildete und angeordnete Elektrode kann selbstverständlich auch mit anderen Gießformen kombiniert werden.

Die Elektrode ist als Rad 30 ausgebildet und über der Schmelze 26 angeordnet. Die Achse 36 des Rades ist in Lagern 31 und 32 gelagert, die an Armen 33 bzw. 34 hängen. Diese Arme sind mit Hilfe eines Isolators 35 elektrisch isoliert am Gehäuse 15 befestigt. Die Achse 36 des Rades 30 ist durch eine elektrisch isolierende und drucksichere Dichtungsanordnung 39 aus dem Gehäuse 15 nach außen geführt und wird durch einen außerhalb des Gehäuses 15 angebrachten Motor 40 in Drehung versetzt.

Im Innern des Rades 30 befindet sich eine Rohrschlange 42 mit einem Einlaß 45 und einem Auslaß 46, die beide bei der Achse 36 angeordnet sind. Wenigstens eine vollständige Windung 48 der Rohrschlange 42 ist in unmittelbarer Nähe des Umfanges 50 des

Rades 30 vorgesehen. Die Achse 36 ist außerhalb des Gehäuses 15 von einem Anschlußstück 51 umgeben, durch welches Kühlwasser für die Rohrschlange 42 zugeführt und aus dieser wieder abgeführt wird. An das Anschlußstück 51 sind ein Zuleitungsrohr 55 und ein Ableitungsrohr 56 für das Kühlwasser angeschlossen, das durch Kanäle in der hohlen Achse 36 weitergeleitet wird. Die Zu- und Ableitung 55, 56 für Wasser oder ein anderes Kühlmittel und der Motor 40 sind vom Gehäuse 15 elektrisch isoliert.

Über eine Leitung 60 und eine Stromübertragungseinrichtung 61 ist ein Pol einer elektrischen Energiequelle mit der Achse 36 und damit auch mit dem Rad 30 verbunden. Der andere Pol der Energiequelle ist mit Erde 62 und mit dem Zylinder 19 verbunden, so daß auch die Schmelze 26 auf Erdpotential liegt. Somit ist zwischen der Oberseite 25 der Schmelze und dem Umfang 50 des Rades eine Potentialdifferenz vorhanden.

Das zu schmelzende Material kann auf herkömmliche Weise in die Schmelze 26 geleitet werden. In F i g. 1 ist hierfür eine Schurre 70 mit einer Luftschleuse 71 angedeutet. Das untere Ende der mit Material 73 beschickten Schurre 70 endet knapp über der Form 19, 20.

Im Betrieb wird Material 73 durch die Luftschleuse 71 über die Schurre 70 in die Form 19, 20 eingeführt. Das Innere des Gehäuses 15 wird mit Hilfe der Pumpe 16 bis auf den gewünschten Druck evakuiert. Der Motor 40 wird eingeschaltet, um das Rad 30 in Drehung zu versetzen. Dann wird zwischen die Leitung 60 und Erde 62 Spannung angelegt, um zwischen dem Rand des Rades 30 und der Oberseite des Materials 26 einen Lichtbogen 75 zu zünden. Durch die im Lichtbogen in Wärme umgewandelte elektrische Energie werden die Teilchen 73 geschmolzen und bilden die Schmelze 26. Infolge der Drehung des Rades 30 wird die Stelle, von welcher der Lichtbogen 75 ausgeht, dauernd geändert. Während nur wenige Bogengrade des Umfangs 50 des Rades 30 für den Lichtbogen in Anspruch genommen werden, wird der gesamte übrige Teil des Umfangs unter Mitwirkung des Kühlwassers in der Rohrschlange 42 gekühlt. Es wird also in jedem Augenblick nur ein kleiner Teil des Umfangs des Rades 30 für den Lichtbogen in Anspruch genommen, wogegen der größte Teil für die Kühlung zur Verfügung steht. Der Umriß des Meridianschnittes des Rades 30 sowie der Abstand zwischen dem Rad und der Oberseite 25 der Schmelze 26 werden auf herkömmliche Weise festgelegt/Wenn die Erhitzung der Schmelze 26 fortgesetzt wird, wird das Material durch vorzeitige Verdampfung von Verunreinigungen und deren Abführung aus dem Gehäuse 15 gereinigt. Dann wird der Schmelze 26 Material 73 zugesetzt, und der Boden 20 der Form wird abgesenkt. Auf diese Weise wird die Oberseite 25 der Schmelze stets in angenähert gleicher Höhe gehalten, damit der Spalt zwischen dieser Oberseite und der Unterseite des Rades 30, wo der Lichtbogen 75 brennt, dauernd gleich groß bleibt.

Die gezeigte und beschriebene erste Ausführungsform ist ein Lichtbogenofen zum Reinigen und Gießen von Material, das in körniger Form zugeführt wird. Das Elektrodenrad 30 kann aber auch in anderen, an sich bekannten Ofentypen Verwendung finden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besteht die Form wieder aus einem Zylinder 80 mit lotrechter Achse und einem darin auf und ab bewegbaren Boden 82, über dem sich die Schmelze 83 befindet. Ein als Elektrode wirkendes Rad 85 ist in einer etwas gegen die Waagerechte geneigten Ebene drehbar angeordnet, so daß die untere Kante des Rades mit ihrer am tiefsten liegenden Stelle 88 sich knapp über der Oberseite 89 der Schmelze 83 befindet. Das Rad 85 wird durch einen Motor 86 in Drehung versetzt, so daß sich immer ein anderer Teil der Unterkante des Rades über der Schmelze befindet. Das Rad 85 kann

ίο mittels Wasser gekühlt werden und ist mit einem Pol einer elektrischen Energiequelle verbunden. Die Schmelze 83 steht mit dem anderen Pol der Energiequelle in Verbindung, so daß zwischen Schmelze und Rad ein Lichtbogen 90 gezündet werden kann. Wegen der schrägen Lage des Rades 85 entsteht der Lichtbogen beiderseits der Kante 88. Infolge der Drehung des Rades werden nacheinander alle Teile der Umfangsstreifen beiderseits der Kante 88 zur Lichtbogenbildung herangezogen, wodurch trotz einer klei-

ao nen Fläche, an der sich der Lichtbogen ausbildet, eine große Kühlfläche zur Verfügung steht. Ähnlich wie gemäß F i g. 1 kann das zu schmelzende Material der Schmelze 83 über eine Schurre 92 zugeführt werden.

In F i g. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel' der Erfindung dargestellt, wobei das Elektrodenrad 100 unter etwa 45° geneigt auf einer waagerechten Achse 105 montiert ist. Die Achse wird durch einen Motor in der durch den Pfeil 107 angedeuteten Richtung angetrieben. Dabei wandert der Umfang 108 des Rades, wie durch den Pfeil 109 angedeutet, knapp über der Oberseite 101 der Schmelze 102 hin und her. Auf diese Weise wird ein Großteil der Oberseite der Schmelze abgetastet, und dementsprechend wird der Lichtbogen 110 über die Oberseite 101 geführt. Das Elektrodenrad 100 wird analog wie beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 gekühlt. Infolge der Taumelbewegung des Rades bei seiner Drehung kommt die Hitze des Lichtbogens 110 gut über die Oberseite 101 der Schmelze 102 verteilt zur Wirkung. Dadurch wird die Bildung überhitzter Stellen auf der Schmelzbadoberfläche sicher vermieden.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtbogenofen mit wenigstens einer nichtabschmelzenden und einer nicht-abbrennenden Elektrode zum Schmelzen und Gießen von elektrisch leitendem Material mit einem geschlossenen Gehäuse zur Erzielung einer definierten Atmosphäre und einer in diesem Gehäuse angeordneten Form, in der das Material geschmolzen wird, gekennzeichnetdurchein bei seinem Umfang mit einer elektrisch leitenden kreisförmigen Elektrodenfläche versehenes Rad (30, 85, 100), das durch eine Antriebsvorrichtung (40, 86) mittels einer im Gehäuse (15) lagenfest in einer von der Vertikalen abweichenden Ebene gelagerten Welle (36, 105) derart in Drehung versetzbar ist, daß unter ständigem Wechsel des für die Lichtbogenerzeugung benutzten Teils der Elektrodenfläche aufeinanderfolgende Stellen dieser Fläche in stets der gleichen zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens (75, 90, 110) erforderlichen geringen Entfernung über dem Schmelzspiegel (25, 89, 101) des Materials (26, 83, 102) in der Form (19, 20, 80, 82) verbleiben.

2. Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß bei waagerechter Anordnung der Welle (36) das Rad (30) in einer lotrechten Ebene drehbar ist und daß die Elektrodenfläche durch die Umfangskante (50) des Rades gebildet ist

3. Lichtbogenofen nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß bei waagerechter Anordnung der Welle (105) das Rad (100) schräg zur Mittelachse der Welle (105) unter einem Winkel angeordnet ist, der auf einen solchen Wert begrenzt ist, daß der untere Umfangsteil (108) des Rades nur innerhalb der lichten Weite der Form hin- und herbeweglich ist, wobei die Elektrodenfläche durch den Umfangsbereich des Rades gebildet ist.

4. Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei in schräger Neigungslage neben der Form (80, 82) angeordneter Welle das Rad (85) in einer zur Waagerechten leicht geneigten Ebene umlaufbar ist, wobei sich jeweils der die Elektrodenfläche bildende untere Umfangs- so rand (88) des Rades über der Form befindet.

5. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Zuführen von zu schmelzendem Material (73) in die Form (19, 20; 80; 82), beispiels- as weise eine Schurre (70; 92), vorgesehen ist und daß eine Einrichtung (22) zum Absenken des Bodens (20; 82) der Form vorhanden ist, damit die Oberseite (25; 89) der Schmelze bzw. des Materials (26; 83) in der Form auf gleichbleibender Höhe gehalten werden kann.

6. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (30) zwei Rohranschlüsse (45, 46) zum Einführen bzw. Ableiten eines Kühlmediums besitzt, die im Rad durch eine Leitung (Rohrschlange 42) verbunden sind, welche nahe bei der Elektrodenfläche (50) vorbeigeführt (48) ist, und daß eine Einrichtung zum Zuführen des Kühlmediums an den einen Rohranschluß (Einlaß 45) und zum Abführen vom anderen Rohranschluß (Auslaß 46) vorgesehen ist, so daß ein dauernder Umlauf von Kühlmedium durch die Leitung (Rohrschlange 42) erzielbar ist.

7. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (36) druckdicht durch eine Wandung des Gehäuses (15) nach außen geführt ist, wo sich die Antriebseinrichtung (40) befindet.

8. Lichtbogenofen nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranschlüsse (45, 46) des Rades (30) durch Kanäle in der hohlen Achse (36) fortgesetzt sind und daß außerhalb des Gehäuses (15) an ein die Achse (36) umgebendes und mit deren Kanälen in Verbindung stehendes Anschlußstück (51) ein Zuleitungsrohr (55) und ein Ableitungsrohr (56) für das Kühlmedium angeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen