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Steuerschaltung zur Regelung des Elektrodenabstandes in einem Lichtbogenschmelzofen
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Regelung, des Elektrodenabstandes
in einem Lichtbogenschmelzofen mit einer von einer elektrischen Eigenschaft über
dem Lichtbogenspalt elektrisch gesteuerten Motoreinrichtung zur Abwärtsbewegung
der Schmelzelektrode zu der Schmelze entsprechend ihrem Abschmelzen.
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Bekanntlich enthalten Lichtbogenschmelzöfen eine Elektrode aus dem
zu schmelzenden Metall, welche sich nach unten in einen Schmelztiegel erstreckt,
in dem das geschmolzene Metall zu einem Rohblock erstarrt. Die Elektrode wird an
den einen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen, während der andere Pol
der Gleichspannungsquelle mit dem Schmelztiegel und damit mit der Metallschmelze
in Verbindung steht. Gewöhnlich wird zur anfänglichen Ausbildung einer Schmelze
eine kleine Menge von Spänen od. dgl. in den Schmelztiegel gebracht, um eine anfängliche
Schmelze in dem Schmelztiegel auszubilden, wenn der Lichtbogen gezündet wird. Nach
der anfänglichen Zündung des Lichtbogens wird dieser zwischen der Schmelzelektrode
und der darunter befindlichen Metallschmelze aufrechterhalten, so daß die Elektrode
durch die Wärmeerzeugung des Lichtbogens geschmolzen wird. Durch die Schmelzelektrode
wird dabei die erwähnte Metallschmelze ausgebildet, die sich von unten her kontinuierlich
während des Schmelzens der Elektrode verfestigt, wodurch ein vom Boden nach oben
wachsender Rohblock ausgebildet wird. Bei diesem Verfahren gelangen die Verunreinigungen
zu der Oberfläche der Schmelze. Wenn sich die Schmelze während der Ausbildung des
Rohblocks nicht verfestigt, wird der Hauptteil der Verunreinigungen aus dem Hauptkörper
des Rohblocks entfernt.
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Bei Lichtbogenschmelzöfen ist es wünschenswert, eine konstante und
gleichförinige Schmelzgeschwindigkeit zur Erzeugung von Rohblöcken guter Qualität
vorzusehen. Eine konstante Schmelzgeschwindigkeit erfordert ihrerseits eine genaue
Einregulierung des Abstands der Elektrode von der darunter befindlichen Schmelze,
um einen mehr oder weniger festliegenden Lichtbogenspalt beizubehalten. In den meisten
Fällen finden Elektrömotoren zur Bewegung der Elektrode Verwendung. Jedoch ergibt
die Beschleunigung einer verhältnismäßig großen Masse durch derartige Motoren gewisse
Probleme. In manchen Fällen ist es erforderlich, den Rotor des Motors vom Stillstand
in einer kurzen Zeitspanne zu beschleunigen, wobei die Elektrode ebenfalls bewegt
wird.. In anderen Fällen finden zwei dauernd laufende Motoren Verwendung, deren
Drehzalildifferenz zur Bewegung der Elektrode Verwendung findet. In dieseni Falle
ist es lediglich erforderlich, die Drehzahl von einem oder beiden Motoren in einem
gewissen Ausmaß zu erhöhen oder zu erniedrigen, damit sich nur verhältnismäßig kleine
Beschleunigungen ergeben. Jedoch ergibt die Kopplung der beiden Motoren und die
übertragung der Drehzahldifferenz auf die Elektrode beträchtliche Schwierigkeiten.
Durch Elektromotoren angetriebene mechanische Differentialgetriebe ergaben ferner
dieselben Schwierigkeiten bei der Beschleunigung einer großen veränderlichen Masse
zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Lichtbogenspalts.
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Die zur Bewirkung der Elektrodenbewegung verwendeten Elektromotoren
werden in Abhängigkeit von einer elektrischen Eigenschaft des Lichtbogens gesteuert,
welcher zwischen dem unteren Ende der Elektrode und der darunter befindlichen Schmelze
verläuft. Diese Eigenschaft ist für die Länge. des Lichtbogens kennzeichnend und
kann z. B. die Lichtbogenspannung oder wiederauftretende Spannungsdiskontinuitäten
mit einer charakteristischen Frequenz betreffen, welche der Lichtbogen-Gleichspannung
überlagert sind.
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Bei bekannten Einrichtungen wird ein der Lichtbojzenspannun2 proportionales
elektrisches Sipnal
den Antriebsmotoren als Steuezsigal über eine
Servoanordnung zugeführt, um damit den Spaltabstand möglichst konstant zu halten.
Dabei besteht nach der dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden Erkenntnis jedoch
nicht nur die obenerwähnte Schwierigkeit, daß eine verhältnismäßig große Masse beschleunigt
werden muß; vielmehr bedeutet dies, daß ein einer Eigenschaft des Lichtbogens proportionales
elektrisches Steuersignal bei einem vorgegebenen Lichtbogenspult oder bei einer
Anderung der Spaltlänge zu Beginn und am Ende des Schmezvora -"angs dasselbe ist.
Da sich jedoch die Masse und da mit die Trägheit der Elektrode, beim Schmelzen verringert,
kann dasselbe Steuersignal beim Beginn eines Schmelzvorgangs eine andere räumliche
Bewegung der Elektrode beim Beginn des Schmelzvorgangs als in der Nähe von dessen
Ende bewirken, wegen der Gewichtsabnahme und damit einer anderen Trägheit der Elektrode,
auf Grund von Reibungswiderständen von Zahnrädern und anderen beweglichen Teilen
des Antriebssystems sowie anderen Effekten dieser Art.
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Schwierigkeiten dieser Art bestehen auch bei einer anderen bekannten
Regeleinrichtung, bei welcher ein Motor eine Winde antreibt und die Elektrode nach
oben oder nach unten bewegt, während ein Zusatzmotor ein Moment ausübt, welches
beim automatischen Arbeiten des Windenmotors kontinuierlich einwirkt und das Gewicht
der Elektrode ausgleichen soll, weil dabei ein tatsächlicher Ausgleich des Elektrodengewichtes
nicht erfolgt.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Steuerschaltung zur Regelung
des Elektrodenabstandes in einem Lichtbogenschmelzofen anzugeben, welche die genannten
Nachteile und Schwierigkeiten nicht aufweist und einen tatsächlichen Ausgleich des
Elektrodengewichtes ermöglicht.
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Gemäß der Erfindun- wird eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines
elekrischen Signals vorgesehen, dessen Größe sich-mit der Bewegung der Elektrode
nach unten zu der Metallschmelze ändert, eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines
elektrischen Signals, dessen Größe sich mit der gewünschten Lage der Schmelzelektrode
ändert, eine, Einrichtung zum elektrischen Vergleich des ersten und zweiten Signals,
um ein Differenzsignal zu erzeugen, sowie eind Schaltung zur Zufuhr des Differenzsignals
zu einer elektrisch gesteuerten Motoreinrichtung, damit diese die Elektrode, nach
unten bewegt. Vorzugsweise weisen die erste und zweite der obengenannten Einrichtungen
zwei Potentiometer in einer Brückenschaltung und einer derartigen Anordnung auf,
daß eine Bewegung eines Abgriffs an dem einen Potentiometer ohne eine entsprechende
Bewegung eines Abgriffs an dem anderen Potemtiometer den abgeglichenen Zustand der
Brückenschaltung beseitigt und ein Ausgangssignal erzeugt. Der Abgriff des. einen
Potentiometers ist mit der Elektrode so verbunden, daß der Abgriff sich um einen
Betrag bewegt, der proportional der Bewegung der Elektrode nach unten zu der Schmelze
ist. Das zwischen die-sem Abgriff und einem Bezugspunkt in der Brücke erze ugte
Signal stellt das erste obenerwähnte Signal dar, dessen Größe, sich mit der Abwärtsbe.wegung
der Elektrode ändert, Der Ab-
griff des anderen Potentiometers ist mit einem
ServomQtor verbunden, der sich, 111 Abhängigkeit von einem Signal dreht, das in
Abhängigkeit von der Ab-
weichung des Lichtbogenspalts von einem gewünschten
Wert ansteigt. Die Geschwindigkeit und die Dauer der Rotation des Servomotors sind
proportional der Größe und Dauer dessen Steuersignals. In dieser Weise steigt der
Betrag der Bewegung des Abgriffs des anderen Potentiometers mit dem Schmelzen der
Elektrode an. Das zwischen diesem Abgriff und einem Bezugspunkt in der Brück
. #,nscbaltungerzeugte Signal stellt das zweite erwähnte el ektrische Signal
dar, das sich in Abhängigkeit von dem Ausmaß des Schmelzens der Elektrode ändert.
Das Ausgangssignal der Brückenschaltung, welches das erwähnte Differenzsignal darstellt,
das sich durch den Vergleich des ersten und zweiten Signals ergibt, wird dann dem
Antriebsmotor der Elektrode in der oben beschriebenen Weise, zugeführt.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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In der einzigen Figur ist ein Lichtbogenschmelzofen 10 schematisch
dargestellt. Der Schmelzofen enthält einen leitenden Tiegel 12, der 'z. B. aus Kupfer
hergestellt sein kann. Das obere offene Ende des Tiegels 12 ist durch ein Gehäuse
14 gasdicht abgeschlossen, an dem ein Anschlußstutzen 16 vorgesehen ist,
über den die Kammer 18, welche durch den Tiegel 12 und das Gehäuse 14 gebildet
wird, mit Hilfe einer nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert werden kann. Wahlweise
kann die Kammer 18
mit einem inerten Gas gefällt werden. In jedem Falle muß
jedoch das zu schmelzende, Metall vor einer Oxydation geschützt werden. Der Tiegel
12 ist von einem Doppelmantel 20 umgeben, durch den Wasser über Anschlußstutzen
22 und 24 durchgeleitet werden kann.
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Der Tiegel 12 enthält den Rohblock 26, welcher aus einer Schmelze
28 gegenüber dem unteren Ende einer Elektrode 30 aus dem zu schmelzenden
Metall ausgebildet wird. Die Elektrode 30 erstreckt sich -von dem Tiegel
12 nach oben und ist an ihrem oberen Ende mit einem hin- und herverschiebbaren Elektrodenträger
32 verbunden, der sich durch eine Ab-
dichtung 34 in dem Gehäuse 14
erstreckt. Der Träger 32 ist mit einem geeigneten mechanischen oder
hy-
draulischen Antrieb verbunden, der von einem elektrisch#a Signal gesteuert
wird, wie im fol '-enden er# läutert werden soll. Bei diesem Ausführungsbeispiel
besteht der Elektrodenantrieb 36 aus einer Anordnung mit einem Zahnstangentriebwerk,
einer Kette oder einem Schraubenantrieb, welche über die Welle 38 mit einem
Antriebsmotor 40 verbunden ist. Die Anordnung ist so gewählt, daß die eine Drehrichtung
des Motors 40 den Träger 32 mit der Elektrode 30
nach oben bewegt,
während bei der entgegengesetzten Drehrichtung des Motors 40 eine Abwärtsbewegung
der Elektrode 30 erfolgt. Während des Schmelzvor-Z, Crangs wird der Träger
32 mit der Elektrode 30 nur nach unten bewegt, während eine Aufwärtsbewegung des
Trägers nur dazu verwendet wird, die Elektrode vorbereitend vor einem folgenden
Schmelzvorgang zurückzustellen. Mit dem Träger 32 und damit mit der Elektrode
30 ist der negative Pol 42 einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle
verbunden. Der positive Pol 44 dieser Spannungsquelle ist mit dem Tiegel 12 verbunden,
so daß ein Lichtbogen 45 zwisehen dem unteren Ende der Elektrode 30 und dem
Boden des Tiegels 12 gezündet wird, durch dessen Wärmeerzeugung das Ende, der Elektrode,
fortschreite,nd, geschmolzen und die Ausbildung der erwähnten Schmelze
28 bewirkt wird. Während die Elektrode 30 geschmolzen wird, muß diese
mit Hilfe, des Motors
40 und des Elektrodenantriebs 36 nach
unten bewegt werden, damit der gewünschte Lichtbogenspalt beibehalten wird.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann die zur Steuerung der Elektrode
30 auszunutzende, Eigenschaft entweder die Lichtbogenspannung oder die beschriebene
Spannungsdiskontinuität sein. Zunächst soll eine Steuerung in Abhängigkeit von der
Lichtbogenspannung betrachtet werden. Die Lichtbogenspannung wird über Leiter 48
und 50 einer Steuerschaltung 52 für die Lichtbogenspannung zugeführt,
wo diese mit einer Bezugsspannung einer Spannungsquelle 54 verglichen wird. Die
Differenzspannung der Schaltung 52 kann dann über eine Leitung
56 und einen Schalter 58 einer Steuerschaltung 59 für einen
Servomotor 60 zugeführt werden, welcher Servomotor mechanisch über ein Gestänge
62 mit dem beweglichen Abgriff eines ersten Potentiometers 64 verbunden ist.
Das Potentiometer 64 ist in einer Brückenschaltung 65 vorgesehen, welche
ein zweites Potentlometer 66 enthält, dessen beweglicher Ab-
griff
über ein mechanisches Gestänge 68 und ein Untersetzungsgetriebe
70 mit dem Antriebsmotor 40 verbunden ist. Die Anordnung ist so gewählt,
daß bei einer Abwärtsbewegung der Elektrode 30 durch den Motor 40 der Abgriff
des Potentiometers 66 um einen Betrag vorgeschoben wird, der proportional
der Ab-
wärtsbewegung der Elektrode ist. Die, Brückenschaltung 65 mit
den Potentionietern 64 und 66 wird von einer nicht dargestellten Spannungsquelle.
über Eingangsanschlüsse 72 und 74 erregt. Die Ausgangssignale von der Brückenschaltung
werden über Leitungen 76 und 78 und einen Verstärker 79 zu
einer Amplidyne (Wz)-Schaltung 80 geführt, welche den Motor 40 steuerte wie
aus der Figur ersichtlich ist.
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Es soll angenommen werden, daß sich der bewegliche Abgriff des Potentiometers
64 im Uhrzeigersinn dreht, während sich der Abgriff des Potentiometers
66 im entgegengesetzten Uhrzeigersinn dreht. Beim Beginn eines Schmelzvorgangs,
wobei sich der Träger 32 in seiner höchsten Lage befindet, befindet sich
der Abgriff des Potentiometers 66 beispielsweise in seiner oberen Ruhelage.
In entsprechender Weise wird der Abgriff des Potentiometers 64 manuell oder sonstwie
so eingestellt, daß er sich ebenfalls in seiner oberen Ruhelage befindet. Unter
diesen Voraussetzungen wird deshalb der Steuerschaltung 80 über die Leitungen
76, 78 und dem Verstärker 79 kein Ausgangssignal zugeführt.
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Um den Schmelzvorgang anzufachen, wird der Schalter 58 in seine
unterste Lage bewegt, die in der Figur dargestellt ist, so daß die Steuerschaltung
59 für den Servomotor 60 mit dem Verstärker 79 verbunden ist,
In dieser Weise spricht der Servomotor direkt auf irgendeinen unabgeglichenen Zustand
der Brückenschaltung an und bewirkt dessen Rückführung in den abgeglichenen Zustand.
Deshalb ist in dem Augenblick des Zündens des Lichtbogens die Brückenschaltung abgeglichen.
Unmittelbar danach verbindet der Schalter 58 die Schaltung 59 entweder
mit der Schaltung 52 oder der Schaltung 84, was davon abhängt, ob eine Impulsgemisch-
oder Lichtbogenspannungs-Steuerung erwünscht ist.
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Wenn der Lichtbogen zwischen der Elektrode 30
und dem Boden
des Tiegels 12 gezündet wird, beginnt die Elektrode zu schmelzen. Durch dieses Schmelzen
erhöht sich die Lichtbogenspannung, bis sie die Bezugsspannung 54 überschreitet.
Dadurch wird ein Signal auf der Leitung 56 erzeugt, wodurch der Servomotor
60 gedreht wird, wenn sich der Schalter 58 in seiner zentralen Lage
befindet. Wenn sich der Servomotor 60 dreht, wird der Abgriff des Potentiometers
64 im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch die Brückenschaltung 65 aus ihrem abgeglichenen
Zustand gelangt und ein Aus.gangssignal auf die Leitungen 76
und
78 abgibt, wodurch der Antriebsmotor 40 betätigt wird und die Elektrode
30 nach unten bewegt. Dadurch sinkt die Lichtbogenspannung. Gleichzeitig
wird dadurch der Abgriff des Potentiometers 66 im entgegengesetzten Uhrzeigersinn
gedreht, um die Brückenschaltung wieder abzugleichen. Wenn sich die Lichtbogenspannung
wieder wegen des andauernden Schmelzens der Elektrode erhöht, dreht sich der Servomotor
60 wieder, um den Abgriff des Potentiometers 64 weiter im Uhrzeigersinn zu
drehen. Daraus ist ersichtlich, daß der Motor 40 die Elektrode 30
nach unten
bewegt, wobei der Abgriff des Potentiometers 66 demjenigen an dem Potentiometer
64 folgt, um die Brückenschaltung abgeglichen zu halten.
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Wenn also die Elektrode weiterhin schmilzt, bewegt der Motor 40 diese
kontinuierlich nach unten, wobei die Abwärtsbewegung durch die tatsächliche Lage
der Elektrode 30 in Verbindung mit der Lichtbogenspannung gesteuert wird
und nicht nur, wie bei bekannten Systemen, durch die Lichtbogenspannung allein.
Deshalb wird die Elektrode30 unabhängig von Unterschieden hinsichtlich Trägheits-
und Reibungskräften am Beginn und am Ende des Schmelzvorgangs durch den Motor 40
auf Grund der Wirkung des Potentiometers 66 um einen geeigneten Betrag nach
unten bewegt.
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Im folgenden soll der Fall beschlieben werden, bei dem eine Steuerung
mit Hilfe der Spannungsdiskontinuitäten erfolgt, wobei auch die Lichtbogenspannung
nachgewiesen wird. Diese wird jedoch durch ein Filter 82 geleitet, um die Welligkeit
der den Anschlüssen 42 und 44 zugeführten Gleichspannung zu beseitigen. Bekanntlich
ist ein Gleichstrom, der nicht von einer Batterie oder einer anderen chemischen
Stromquelle abgeleitet wird, nicht absolut konstant, sondern enthält eine kleine
Welligkeit, die sich entweder durch die vorhandenen Gleichrichter beim Gleichrichten
eines Wechselstroms ergibt oder durch den Kommutator eines Gleichspannungsgenerators.
Die Gleichspannung wird deshalb durch das Filter 82 geleitet, welches deren
Welligkeit beseitigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel läßt das Filter
82 nur diejenigen wiederauftretenden Spannungsschwankungen hindurch, die
eine Frequenz unter etwa 30 Hz besitzen. Der spezielle Wert von
30 Hz ist jedoch nicht als Begrenzung anzusehen, da die einzige an das Filter
zu stellende Anforderung die Beseitigung der Welligkeit ist. Es ist an sich zu erwarten,
daß nach der Durchleitung durch das Filter 82, welches die Welligkeit der
Gleichspannung beseitigt, eine im wesentlichen konstante Gleichspannung erhalten
wird. Die Ausgangsgröße des Filters 82 enthält jedoch positive Spannungsdiskontinuitäten,
welche der Gleichspannungsgrundspannung überlagert sind. Diese Spannungsdiskontinuitäten
treten in charakteristischer Weise in Bündeln auf, wobei jede Diskontinuität etwa
40 bis 100 Millisekunden andauert und die, oben beschriebenen Spannungsschwankungen
beinhaltet. Der genaue Grund für das Auftreten derartiger Spannungsdiskontinuitäten
ist unbekannt. Im vorliegenden Fall kommt es jedoch nur darauf an, daß sie tatsächlich
zur
Steuerung der Lage der Elektrode 30
Verwendung finden können.
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Die Ausgangsgröße des Filters 82, welche die Spannungsdiskontinuitäten
enthält, wird einer zu deren Nachweis dienenden Steuerschaltung 84 zugeleitet. Die
Ausgangsgröße, der Steuerschaltung 84, wie diejenige auf der Leitung 56,
enthält ein Steuersignal, das beim Schmelzen der Elektrode 30 auftritt und
dessen Größe von der Schmelzgeschwindigkeit abhängt. Wenn also der Schalter
58 so eingestellt ist, daß der Servomotor 60 mit der Schaltung 84
und nicht mit der Schaltung 52 verbunden ist, können die Spannungsschwankungen
in derselben Weise, wie die Lichtbogenspannung zum Zwecke der Einstellung des beweglichen
Abgriffes des Potentiometers 64 und zur Steuerung des Motors 40 Verwendung fmden.
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Obwohl die Erfindung an Hand eines speziellen Ausführungsbeispiels
erläutert wurde, können zahlreiche Änderungen in der Form und Anordnung von Teilen
erfolgen, um eine Anpassung an vorliegende Anforderungen zu erzielen. Zum Beispiel
kann für die Elektrode 30 ein hydraulischer Antrieb an Stelle eines elektrischen
Antriebmotors Verwendung finden. In dem letzteren Fall würde die Ausgangsgröße,
der Brückenschaltung 65 dazu benutzt, die Steuerventile des hydraulischen
Antriebs zur Erzielung des gleichen Endergebnisses einzustellen. In jedem Fall wird
also der Antrieb in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße der Brückenschaltung elektrisch
gesteuert.