DE1565274A1

DE1565274A1 - Lichtbogenschmelzofen

Info

Publication number: DE1565274A1
Application number: DE19651565274
Authority: DE
Inventors: Murtland Jun James Burt; Rebhun Charles Frederick; Jackson Harold Sylvester
Original assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Current assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Priority date: 1964-09-15
Filing date: 1965-09-10
Publication date: 1970-02-05
Also published as: GB1083236A; FR88589A; US3372224A; FR1456797A; US3381079A; AT256486B; DE1565275A1; BE669770A; FR88589E; AT276793B; BE669545A; GB1067335A

Description

DIPL-PHYS. F. ENDLICH βο3₄ tn<m-RPFAFPENHOFEN - 6—ISeptember 1965

.PATENTANWALT 1565274 »-München _e/ax

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TELEFON CMÖNOHEN3 8736 3B

TELEGRAMMADRESSE: PATENDLICH MÖNCHEN

Meine Akte: 1474

Anmelder: Allegheny Ludlum Steel Corporation, 2000 Oliver Building, Pittsburgh, Pennsylvania,. U.S.A.

Liohtbogen3chmelzofen

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für den Elektrodenabstand in einem Liohtbogenschmelzofen, insbesondere unter Berücksichtigung solcher Betriebsbedingungen, bei denen eine unbeabsichtigte Unterbrechung der Leistungπzufuhr während des Schmelzvorfangs auftritt.

Bekannte Lichtbogenschmelzöfen weisen gewöhnlich eine Schmelzelektrode aus dem zu schmelzenden Metnil auf, welche sich nach unten in einen Tiegel erstreckt, welcher das geschmolzene Metall aufnimmt und in dem ein Rohling geformt wird. Die Elektrode ist nit dem einen Anschluß einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der andern Anschluß der Olei.chr-pr.nnungsquell ο ist mit dem Tiegel und cla-ii t mit der Metallschmelze elektrisch verbunden. Zur Einleitung des Schmelzvorgangs wird gewöhnlich eine kleine Menge'von Spänen oder dergleichen in dom Tiegel angeordnet, so daß beim Zünden des Lichtbogens diese Spfino geschmolzen v/erden, um eine anfängliche Metallschmelze in de*n Ti. ogel auszubilden. Da der Lichtbogen zwischen der Schme] 7,el ektrⁿde und der darunter vorhandenen Metallschmelze' ver"^{1 ;;}uft, wird dan Ende <\nr Schmelzelektrode durch die im Licht-' fr-be Wärme geschmolzen. Von dor Schmelzelektrode gelangt

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das geschmolzene Metall in die Schmelze in dem Tiegel, wobei der Bodenteil der Schmelze sjch kontinuierlich verfestigt, während die Schmelzelektrode ab^chnilzt, wodurch ein sich vom Boden her vergrößernder Rohblock ausgebildet wird. Dabei gelangen Verunreinigungen zur Oberfläche d^r Schmelze. ^T7enn sich die "Schmelze während der Ausbildung des Rohblookp nicht verfestigt, wird deshalb der "-roßte Teil der Verunreinigungen nicht in den Hauptteil den Rohblocks eingeschlossen.

Derartige Schmelzofen werden gewöhnlich dazu verwandt, hochwertige Edelstahle oder andere hochwertige Lerier-ingsst^hle", Hetalle wie Titan, Zirkon oder deren legierungen zu schmelzen. T>s Schrei 7er. erfolgt in einem dprartigcr. Ofen gewöhnlich ir Vakuum oder in einem inerten Schutzgas, weil durch das Vorhandensein von Luft Oxyde gebildet werden können, welche das schließliche Produkt verunreinigen. Die Kornstruktur und die allgemeinen Qualitätsar.forderungen für den herzustellenden Rohbio eic sind Hehr bedeutsam. In dieser¹ Zusammenhang ist es oft erforderlich oder wünschenswert, einen Rohblock mit einer im wesentlichen gleichförmiger Kornstruktur herzustellen,und Einschlüsse, blockseigerungen, Ersader: oder dergleichen praktisch vollständig zu vermeiden.

Bei LichtbogensehneIzöfen können sich dadurch Schwierigkeiten ergeben, daß die Leistungszufuhr während des Schneizvorgan^s unbeabsichtigt ausfällt, beispielsweise wegen eines Kurzschlusses oder wegen anderer Umstünde, durch welche die Unterbrecher zwischen der Energiequelle und dem Ofen betätigt werden. Bei einer derartiger Unterbrechung der Leistungszufuhr muß der Operateur die Unterbrecher zwischen der Energiequelle und dem Ofen von Hand zurückstellen, was einen Betriebsausfall von mehreren Hinuten bedeuten

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kann. Wenn die Elektrode nicht nach oben und weg von der Schmelze während der für die Rückstellung der Unterbrecher erforderlichen Zeitspanne bewegt wird, wird die während des Schmelzvorgangs normalerweise schalenförmig ausgebildete Schmelze die übliche Oberflächenausbildung einnehmen und sich an der Elektrode verfestigen. Dadurch würde ein weiteres Schmelzen verhindert, so daß der unfertige Rohblock als Ausschuß anzusehen wäre.

Zur Vermeidung der Nachteile durch Unterbrechung der Leistungszufuhr ist es bei Regeleinrichtungen für Lichtbogenschmelzöfen bereits bekannt, die Schmelzelektrode während der für den Operateur zur Rückstellung der Unterbrecher erforderlichen Zeit ständig nach oben zu bewegen. Nach Beseitigung der Unterbrechung der Leistungszufuhr und nach der Rückstellung des Unterbrechers wird dabei die Elektrode zurück nach unten zu der Oberseite des Rohblocks um einen Abstand geführt, der gleich dem Abstand bei der zurückgelegten Aufwärtsbewegung ist. Wenn also die Leistungszufuhr eine Minute lang unterbrochen wird, wird der Elektrodenhalter eine Minute lang nach oben bewegt, während nach Wiederherstellung der Leistungszufuhr der Elektrodenhalter eine Minute lang nach unten bewegt wird. Unter diesen Voraussetzungen beträgt also der Zeitausfall zwei Minuten. Wenn die Unterbrechung frei Minuten beträgt, wurde also unter diesen Voraussetzungen der Zeitausfall sechs Minuten betragen. Je länger der Lichtbogen ausfällt, desto größer ist aber die Wahrscheinlichkeit dafür, daß der bei einem unterbrochenen Schmelzverfahren hergestellte Rohblock unbrauchbar ist, beispielsweise wegen des Einschlusses von Verunreinigungen oder einer fehlerhaften Kornstruktur. Leistungsunterbrechungen dieser Art sind deshalb bei Lichtbogenschmelzöfen der genannten Art sehr nachteilig, insbesondere weil eine verhältnismäßig große Anzahl von Rohblöcken als Ausschuß angesehen werden muß.

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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Regeleinrichtung für Lichtbogenschmelzöfen der genannten Art unter Vermeidung der erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten so auszubilden, daß ein unbeabsichtigter Ausfall der Leistungszufuhr möglichst nicht mit Nachteilen für den herzustellenden Rohblock verbunden ist. Die Regeleinrichtung soll so ausgebildet werden, daß die anfängliche Ausbildung des Lichtbogens in geeigneter Weise beeinflusst werden kann. Die Regeleinrichtung soll ferner so ausgebildet werden, daß insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses der Elektrodenabstand geeignet gesteuert werden kann.

Die Erfindung ist insbesondere auf eine bereits vorgeschlagene Regeleinrichtung anwendbar (Patentanmeldung A 45 654 VIIId/21h). Bei dieser Regeleinrichtung werden im Lichtbogen auftretende impulsförmige Spannungs-, Strom- oder Impedanzschwankungen nachgewiesen und der Elektrodenabstand in Abhängigkeit von der Wiederholungsfrequenz dieser Schwankungen geregelt. Bei anderen bekannten Regeleinrichtungen wird dagegen in den meisten Fällen die Größe des Lichtbogenspalts entsprechend der Lichtbogenspannung geregelt, und zwar in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall über dem Lichtbogenspalt. Es wird dabei also die Lichtbogenspannung oder eine entsprechende Größe nachgewiesen und zum Antrieb eines Motors verwandt, welcher die Schmelzelektrode zur Regelung des Elektrodenabstands hebt beziehungsweise senkt.

Von der Lichtbogenspannung für Regelzwecke abhängige Regeleinrichtungen sind deshalb nicht vollständig zufriedenstellend, weil die Änderung der Lichtbogenspannung mit dem Elektrodenabstand im Bereich üblicher Elektrodenabstände verhältnismäßig klein ist.

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Ferner wird der Spannungsabfall über dem Lichtbogen durch andere Variable wie durch den Druck in dem Tiegel beeinflusst, der sich bei der Freisetzung von Gasen während des Schmelzvorgangs plötzlich ändern kann. Ferner kann die Lichtbogenspannung gewöhnlich nicht direkt gemessen werden. Wenn die Regelspannung von den mit der Elektrode und dem Tiegel verbundenen Anschlüssen abgeleitet wird, wird diese durch den Spannungsabfall an den Kontaktstellen beeinflusst, deren elektrische Eigenschaften sich während des Schmelzvorgangs ändern können. Wenn also die Elektrode so angeordnet wird, daß eine konstante Spannung zwischen dem Elektrodenhalter und der Schmelze aufrecht erhalten wird, ist es in vielen Fällen nicht gewährleistet, daß der Elektrodenabstand innerhalb des gewünschten Bereichs liegt.

Bei der Regeleinrichtung gemäß dem erwähnten älteren Patent'. wird die Tatsache ausgenutzt, daß in der Liehtbogenspannung impulsförmige Spannungsschwankungen auftreten, welche eine momentane Erhöhung der Impedanz entlang des Elektrodenspalts darstellen und beispielsweise nur 40 Millisekunden andauern. Diese Schwankungen in der Liehtbogenspannung treten in Gruppen mit einer Wieder-

holungsfrequenz unterhalb etwa 30 Hz auf, was der minimalen Frequenz

*»<■■■ - irgend eines Welligkeitsgenalts der Gleichspannung entspricht.

Oberhalb einer- gewissen Liehtbogenspannung (also bei einem großen Elektrodenabstand) und unmittelbar nach beispielsweise durch einen Kurzschluß bewirkten Unterbrechungen des Lichtbogens treten die SpannungsSchwankungen nicht auf. Wenn jedoch der Elektrodenabstand verringert wird, treten die Schwankungen bei anscheinend optimalen Betriebsbedingungen auf. Überraschenderweise können diese Spannungsschwankungen in einem Servosystem zur Regelung des Elektrodenabstands ausgenutzt werden.

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Es wurde also festgestellt, daß die Lichtbogenspannung tatsächlich zwei Komponenten aufweist. Die erste Komponente kann als die Grundspannung bezeichnet werden, die sich aus einem Anoden-Spannungsabfall, einem Plasma-Spannungsabfall und einem Kathoden-Spannungsabfall zusammensetzt. Bei Betrachtung eines momentanen Zustande wird die Änderung dieser Grundspannung mit einer Änderung des Elektrodenabstands gewöhnlich als der Spannungsgradient des Lichtbogenplasmas bezeichnet. Die zweite Komponente der Lichtbogenspannung, welche im folgenden als impulsförmige Schwankung bezeichnet werden soll, umfasst dagegen Spannungsschwankungen, welche von Erhöhungen der Impedanz über dem Lichtbogenspalt
resultieren. Es wurde festgestellt, daß das Vorhandensein oder Fehlen dieser impulsförmigen Schwankungen einen beträchtlichen Einfluß auf die Schmelzgeschwindigkeit hat, wobei eine sehr kleine Änderung der Eingangs-Scheinleistung des Ofens auftritt. Beim Vorhandensein der Schwankungen während des Schmelzvorgangs ist die Schmelzgeschwindigkeit größer. Wenn das Schmelzen ohne das Auftreten dieser Schwankungen und bei einer im wesentlichen
konstanten Lichtbogenspannung durchgeführt wird, ergibt sich
ebenfalls eine verhältnismäßig gleichförmige Schmelzgeschwindigkeit, welche Geschwindigkeit aber beträchtlich niedriger als bei dem Auftreten dieser Schwankungen ist. Ferner kann beim Vorhandensein dieser Schwankungen die Schmelzgeschwindigkeit erhöht werden, ohne daß eine beträchtliche Erhöhung der Leistungszufuhr erforderlich ist. Unter gewissen Bedingungen scheint die Leistungszufuhr sich mit einer erhöhten Schmelzgeschwindigkeit zu erniedrigen, wenn die Schwankungen in der Lichtbogenspannung auftreten. Obwohl

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es viele Theorien über den Grund des Auftretens der impulsförmigen Schwankungen gibt, besteht andererseits aufgrund praktischer Erfahrungen kein Zweifel daran, daß deren Vorhandensein optimale Betriebsbedingungen anzeigt, und daß diese dazu Verwendung finden können, den Elektrodenabstand mit überraschend gutem Erfolg zu regeln.

Die impulsförmigen Spannungsschwankungen und die damit auftretenden momentanen Erhöhungen der Impedanz sind Anlass für andere Schwankungen einer elektrischen Eigenschaft in dem Lichtbogen, wie beispielsweise Stromschwankungen, die ebenfalls zu Steuer- oder Regelzwecken verwandt werden können. Zum Beispiel de* Stromschwankungen beinhalten Erniedrigungen des Lichtbogenstroms, die in einer Regeleinrichtung in derselben Weise wie die impulsförmigen Spannungsschwankungen ausgenutzt werden können.

Die Erfindung ist besonders gut für eine Regeleinrichtung geeignet, bei der diese impulsförmigen'Schwankungen ausgenutzt werden, ist aber auch auf übliche Lichtbogen-Regeleinrichtungen anwendbar. In jedem Fall ist selbst die Regeleinrichtung unter Ausnutzung der impulsfÖrmigen Schwankungen eine solche Einrichtung, bei der eine Regelung in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung während eines Teils.des Arbeitszyklus erfolgt. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die erwähnten impulsförmigen Schwankungen nicht dauernd in der Lichtbogenspannung vorliegen, sondern nur dann, wenn der Elektrodenabstand innerhalb eines vorherbestimmten optimalen Bereichs liegt, wie in der erwähnten Patentschrift näher beschrieben ist.

Weil die impulsförmigen Schwankungen nur innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs des Elektrodenabstands auftreten, wurde es

bisher als erforderlich erachtet, in der Regeleinrichtung eine

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Vorrichtung zum Nachweis einer vorherbestimmten hohen Lichitbogenspannung vorzusehen, sowie einer vorherbestimmten niedrigen Lichtbogenspannung, um die Regeleinrichtung auf eine Regelung entsprechend der Lichtbogenspannung umzustellen, wenn diese Spannungsgrenzen überschritten werden. Eine derartige« Maßnahme wurde als notwendig erachtet, um die Ausbildung des Lichtbogens zu Beginn eines Elektrodenschmelzvorgangs zu vereinfachen, wenn die Schwankungen nicht auftreten, um das Absinken der Elektrode unter solchen Bedingungen zu vereinfachen, bei denen der Elektrodenabstand größerals derjenige ist, bei dem die Schwankungen auftreten, und um die Elektrode bei dem Auftreten eines Kurzschlusses hochzuziehen.

Gemäß der Erfindung findet eine Regelung entsprechend Schwankungen der Lichtbogenspannung statt, um die Elektrode nach unten zu bewegen, aber nicht um diese nach oben zu bewegen. Die Einrichtung arbeitet so, daß zunächst die Elektrode mit einer Regelung in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung nach unten bewegt wird, um den Lichtbogen zu zünden, und daß die Elektrode entlang einem vorherbestimmten Abstand zurückgezogen wird, nachdem der Schmelzstrom fließt. Dies ist besonders wünschenswert, weil beim anfänglichen Zünden eines Lichtbogens keine Schmelze erzeugt wird und das Lichtbogenverhalten zu diesem Zeitpunkt sehr unregelmäßig ist, wodurch die Verwendung der Schwankungen als Regelgröße nicht wünschenswert erscheint. Nach dem Auftreten dines Kurzschlusses während des normalen Schmelzvorgangs wird das Fehlen der Lichtbogenspannung festgestellt und die Antriebseinrichtung für den Halter kann die Elektrode um einen solchen Betrag zurückziehen, der zur Beseitigung des Kurzschlusses erforderlich ist. Wenn die Leistungszufuhr ausfällt, wird dies durch die

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Einrichtung nachgewiesen, obwohl wegen des Leistungsausfalls keine Spannung vorhanden ist und auch kein Strom fließt. Nach dem Nachweis sowohl der Spannung Null als auch des Stroms Null bewirkt die Einrichtung sofort einen Rückzug der Elektrode entlang einer vorherbestimmten Strecke, welche so gewählt wird, daß sie ausreicht, eine Verfestigung der Elektrode mit der Schmelze zu verhindern. Durch Begrenzung dieser Rückführung und nach Wiederherstellung der Schmelzleistung wird die Elektrode automatisch nach unten geführt und der Lichtbogen nach einem minimalen Zeitverlust wieder gezündet, um eine Verfestigung der Schmelze zu verhindern. Deshalb wird der Zeitverlust für eine manuelle Betätigung zum Herabführen und erneuten Zünden des Lichtbogens vollständig vermieden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Lichtbogenschmelzofen mit der zugeordneten elektrischen Schaltung.

Der Lichtbogenschmelzofen 10 weist einen leitenden Tiegel 12 auf, der beispielsweise aus Kupfer bestehen kann. Das obere offene Ende des Tiegels 12 ist durch ein gasdichtes Gehäuse Ik mit einem Anschluß 16 verschlossen, mit welchem Anschluß eine Verbindung zu einer nicht dargestellten Vakuumpumpe zum Evakuieren der Kammer 18 in Verbindung steht, welche durch den Tiegel 12 und das Gehäuse Ik begrenzt wird. Wahlweise kann die Kammer 18 mit einem inerten Gas gefüllt werden. In jedem Falle wird das zu schmelzende Metall vor einer Oxydation geschützt. Ein Doppelmantel 20 umgibt die Form 12 und ist mit Einlassen beziehungsweise Auslassen 22 und 2k zur Hindurchleitung von Wasser umgeben.

Der Tiegel 12 enthält den Rahblock 26, der aus einer Schmelze 28 in der Nähe des unteren Endes der zu schmelzenden Elektrode 30

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gebildet wird. Die Elektrode 30 erstreckt sich nach oben von der Schmelze 12 und ist an ihrem oberen Ende mit einem hin- und herverschiebbaren Elektrodenträger 32 verbunden, welcher sich durch eine Abdichtung 34 in dem Gehäuse 14 erstreckt. Der Träger ist beispielsweise mit einer mechanischen oder hydraulischen Antriebseinrichtung verbunden. In jedem Falle wird die Antriebseinrichtung durch ein elektrisches Signal gesteuert, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Elektrodenantrieb 36 einen Zahnstangentrieb, ein Differential, einen Ketten- oder Schneckenantrieb auf und ist über eine schematisch dargestellte Welle 38 mit einem Antriebsmotor 40 verbunden. Diese Teile sind so angeordnet, daß die eine Drehrichtung des Motors 40 zur Folge hat, daß der Träger 32 und die davon getragene Elektrode 30 sich nach oben bewegt. Bei der entgegengesetzten Drehrichtung des Motors 40 wird die Elektrode nach unten bewegt. Beim normalen Schmelzvorgang, wenn keine Kurzschlüsse oder Leistungsunterbrechungen auftreten, bewegt sich der Träger 32 mit der Elektrode 30 nur nach unten.

Mit dem Träger 32 und damit mit der Elektrode 30 ist ein Leiter 42 verbunden, der ebenfalls über einen Satz von Kontakten eines Unterbrechers 41 mit dem negativen Anschluß einer Gleichspannungsquelle 43 verbunden ist. D_r positive Anschluß der Spannungsquelle ist über zwei weitere Kontakte des Unterbrechers und den Leiter 44 mit dem Tiegel 12 verbunden. Die Anordnung ist so gewählt, daß ein Lichtbogen 45 zwischen dem unteren Ende der Elektrode 30 und dem Boden des Tiegels 12 gezündet wird, so daß durch die erzeugte Wärme das Ende der Elektrode fortschreitend

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geschmolzen wird und die Ausbildung der erwähnten Schmelze 28 erfolgt. Obwohl ein spezieller Unterbrecher 41 dargestellt ist, , ist dieser Unterbrecher nicht erforderlich, wenn ein Unterbrecher in der nicht dargestellten Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, welche an der Gleichspannungsquelle 43 angeschlossen ist. Wenn die Elektrode 30 geschmolzen wird, muß sie mit Hilfe des Motors und des Elektrodenantriebs 36 nach unten bewegt werden, um den gewünschten Elektrodenabstand beizubehalten.

Die Lage der Elektrode 30 relativ zu der Schmelze 28 wird gesteuert, um den gewünschten Elektrodenabstand und eine konstante gleichförmige Schmelzgeschwindigkeit einzuregeln, und zwar in Abhängigkeit von einer elektrischen Eigenschaft des Lichtbogens. Bisher wurde beispielsweise als solche Eigenschaft der Spannungsabfall entlang dem Lichtbogen ausgenutzt. Eine andere Eigenschaft, die unten noch näher beschrieben werden soll, ist das Auftreten von impulsförmigen SpannungsSchwankungen, welche der Grundspannung des Lichtbogens überlagert sind, und von denen jede während einer kurzen Zeitspanne von etwa 40 Millisekunden mit einer Frequenz unterhalb 30 Hz andauert. Diese impulsförmigen Spannungsschwankungen haben Stromimpulse zur Folge, welche momentane Erniedrigungen des Lichtbogenstroms und periodische Erhöhungen der Impedanz des Lichtbogens darstellen, die ebenfalls zu Regel— oder Steuerzwecken verwandt werden können.

Gemäß der Erfindung finden entweder die Lichtbogenspannung oder die Impulsförmigen Schwankungen Verwendung, um die Abwärtsbewegung der Elektrode 30 zu steuern. Diese Eigenschaften werden jedoch niemals benutzt, um die Elektrode nach oben zu bewegen. Zunächst soll eine Abwärtsbewegung der Elektrode bei einer von der

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Lichtbogenspannung abhängigen Steuerung betrachtet werden. Die Lichtbogenspannung wird über die Leiter 48 und 50 an eine Lichtbogen-Steuerschaltung 52 angelegt, wo sie mit einer Bezugsspannung von der Quelle 54 verglichen wird. Die Differenzspannung von der • Schaltung 52 kann dann über den Leiter 55 und den Schalter 56 einem Impulsgene.rator 57 zugeführt werden, welcher Ausgangsimpulse auf den Leiter 58 mit einer Frequenz oder Häufigkeit abgibt, welche der Differenzspannung oder dem Pehlersignal von der Schaltung proportional ist. Die Impulse auf dem Leiter 58 werden dann über eine Motorsteuerschaltung 59 einem Gleichstrom-Servomotor 60 zugeführt. Obwohl die Differenzspannung von der Schaltung 52 der Motor-Steuerschaltung 59 zur Steuerung des Motors 60 direkt zugeführt werden könnte, gewährleistet eine Umwandlung in Impulse in der Schaltung 57 eine bessere Steuerung des Gleichstrom-Motors bei niedrigen Drehzahlen.

Der Servomotor 60 ist über ein schematisch dargestelltes Gestänge 62 mit dem beweglichen Abgriff eines ersten Potentiometers 64 mechanisch verbunden. Das Potentiometer 64 ist in einer Brückenschaltung 65 enthalten, welche ein zweites Potentiometer 66 aufweist, dessen beweglicher Abgriff über das schematisch angedeutete Gestänge 68 und eine Zahnraduntersetzung 70 mit dem Antriebsmotor 40 mechanisch verbunden ist. Die Anordnung ist so gewählt, daß während der Abwärtsbewegung der Elektrode 30 durch den Motor 40 der Abgriff des Potentiometers 66 um einen Betrag vorgeschoben wird, welcher proportional der Abwärtsbewegung der . Elektrode ist. Die Brückenschaltung 65 mit den Potentiometern und 66 wird von einer nicht dargestellten Spannungsquelle über Eingangsanschlüsse 72 und 74 erregt. Ausgangssignale von der BrUckenschaltung werden über Leiter 76 und 78 sowie den Verstärker

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79 zu einer Amplidyne-Schaltung 80 geführt, welche den Motor 40 steuert.

Es soll angenommen werden, daß der bewegliche Abgriff am Potentiometer 64 im Uhrzeigersinne rotiert, während der Abgriff am Potentiometer 66 im entgegengesetzten Uhrzeigersinne während eines Schmelzvorgangs rotiert, bei dem sich die Elektrode 30 nach unten bewegt. Vor dem Beginn des Schmelzvorgangs wird der Schalter 82 geschlossen, um die manuelle Steuerschaltung 84 mit dem Amplidyne 80 zu verbinden, und um den Verstärker 79 mit der Motorsteuerschaltung 59 für den Servomotor 60 zu verbinden. Der Halter 32 wird dann mit Handsteuerung in seine höchste Lage bewegt, wodurch der Abgriff am Potentiometer 66 im Uhrzeigersinne bewegt wird, bis ^er seinen oberen Totpunkt einnimmt. Aufgrund der Tatsache, daß die Ausgangsgröße des Verstärkers, welche den unausgeglichenen Zustand der Brückenschaltung 65 kennzeichnet, nun der Schaltung 59 zugeführt wird, verursacht der Servomotor 60 daß der Abgriff am Potentiometer 64 demjenigen am Potentiometer 66 folgt. Dies bedeutet, daß der Servomotor 60 den Abgriff am Potentiometer 64 im entgegengesetzten Uhrzeigersinne dreht, wenn der Abgriff am Potentiometer 66 sich im Uhrzeigersinne dreht, bis beide Abgriffe sich im oberen Totpunkt und der Halter 32 in seiner obersten Lage befinden. Der Schalter 82 wird nun geöffnet und die Schmelzelektrode 30 an dem Halter 32 befestigt. Die Einrichtung ist nun für die Durchführung eines Schmelzvorgangs betriebsbereit.

Um den Schmelzvorgang zu beginnen, wird der Schalter 56 in eine Lage bewegt, in welcher die Lichtbogen-Steuerschaltung 52 mit dem Prüfgenerator 57 verbunden ist. Wenn der Unterbrecher 41

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geschlossen ist, wird ein Spannungsabfall zwischen der Elektrode 30 und dem Tiegel 12 erzeugt. Die zwischen diesen beiden Elementen vorhandene Spannung ist die Spannung der offenen Schaltung, welche viel größer als diejenige der Bezugsspannungsquelle 54 ist. Deshalb ergibt sich eine Differenzspannung an dem Leiter 55, wodurch der Impulsgenerator 57 den Servomotor 60 und den Abgriff am Potentiometer 64 im Uhrzeigersinne antreibt. Ein unausgeglichener Zustand der Brückenschaltung 65 verursacht, daß sich der Träger nach unte/n bewegt und daß der Abgriff am Potentiometer 66 demjenigen am Potentiometer 64 folgt. Der Träger bewegt sich weiterhin nach unten, bis ein Lichtbogen zwischen dem unteren Ende der Elektrode 30 und dem Boden des Tiegels 12 gezündet wird. Zu diesem Zeitpunkt tritt erstmalig Lichtbogenstrom auf und der Träger wird nach oben entlang eines vorherbestimmten Abstands in einer noch zu beschreibenden Weise bewegt, um anfänglich den gewünschten Elektrodenabstand einzustellen.

Die Einrichtung arbeitet mit einer Steuerung entsprechend der Lichtbogenspannung, wobei der Schalter 56 die Schaltungen 52 und 57 verbindet, bis ein Schmelzbad unter der Elektrode 30 vorhanden ist. Dies dauert gewöhnlich etwa eine Stunde bei einer typischen Einrichtung dieser Art. ¥_enn der Lichtbogen zwischen der Elektrode 30 und der Unterseite des Tiegels 12 gezündet ist, beginnt die Elektrode zu schmelzen. Beim Schmelzen steigt die Lichtbogenspannung an, bis sie die Bezugsspannung 54 überschreitet. Dadurch ergibt sich ein Signal auf dem Leiter 55, wodurch der Servomotor 60 gedreht wird. Wenn der Servomotor 60 läuft, wird der Abgriff am Potentiometer 64 im Uhrzeigersinne gedreht, wo··- durch ein unausgeglichener Zustand der Brückenschaltung 65 herbeigeführt und ein Ausgangssignal auf den Leitern 76 und 78 erzeugt

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wird, um den Antriebsmotor ko zur Veranlassung einer Bewegung der Elektrode 30 nach unten zu betätigen. Dadurch sinkt die » Lichtbogenspannung, während gleichzeitig der Abgriff am Potentiometer 66 im Uhrzeigersinne gedreht wird, um die Brückenschaltung wieder abzugleichen. Wenn die Lichtbogenspannung aufgrund des weiteren Schmelzens der Elektrode wieder ansteigt, läuft der Servomotor 60 wieder, um den Abgriff am Potentiometer 6k weiter im Uhrzeigersinne zu drehen. Es ist ersichtlich, daß der Motor kO weiterhin in diesem Sinne arbeitet, um die Elektrode 30 nach unten zu bewegen, wobei der Abgriff am Potentiometer 66 demjenigen am Potentiometer 64 folgt, um die Brücke abgeglichen zu halten.

Nach Ausbildung eines Schmelzbads unter der Elektrode 30 wird der Schalter 56 in eine Lage bewegt, in welcher der Impulsgenerator 57 mit dem Leiter 86 verbunden ist. Unter diesen Voraussetzungen arbeitet die Einrichtung mit einer Steuerung entsprechend den impulsförmigen Schwankungen. Wenn die Schwankungssteuerung verwandt wird, wird die Lichtbogenspannung wiederum nachgewiesen. Sie wird jedoch durch ein Filter 88 geleitet, um den Velligkeitsgehalt der Gleichspannung zu beseitigen, welche den Leitern k2 und kk zugeführt wird. In gewissen Fällen kann jedoch das Filter 88 entfallen, wenn die impulsförmigen Schwankungen eine solche Amplitude haben, daß sie von dem Velligkeitsgehalt alt geringerer Amplitude unterschieden werden können. Von dem Filter 88 werden die impulsförmigen Schwankungen durch einen Impulsumformer 90 geführt, welcher sie in wohldefinierte Rechteckimpulse umwandelt. Diese Impulse werden dann einem Integrator 92 zugeführt, der seinerseits ein Ausgangssignal abgibt, dessen Größe proportional den Schwankungen

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ist. Dieses Ausgangssignal wird dann über einen Schalter 56 dem Impulsgenerator 57 zugeführt und steuert den Servomotor 60 praktisch in der gleichen Weise wie die Schaltung 52, mit der Ausnahme daß in diesem Fall die Einrichtung in Abhängigkeit vom Integral der impulsförmigen Schwankungen und nicht von der Lichtbogenspannung gesteuert wird.

Um die Elektrode 30 anzuheben, ist eine Schaltung 96 vorgesehen, welche eine Spannung über den Leiter 97 der Motorsteuerschaltung 59 zuführen kann, um den Servomotor 60 und den Abgriff am Potentiometer 6k im entgegengesetzten Uhrzeigersinne zu drehen.

Zum Anheben wird die Schaltung 96 aktiviert, wodurch die Elektrode 30 angehoben wird, wobei eine Verbindung zwischen 'den Leitern 98 und 100 vorhanden sein muß. Diese Verbindung ist in einer im folgenden zu beschreibenden Weise nur dann vorhanden: 1. Während des ZUndens des Lichtbogens, 2. nach dem Auftreten eines Kurzschlusses, oder 3. nach dem Auftreten einer Unterbrechung der Leistungszufuhr.

Die Art und Weise, in welcher die beiden Leiter 98 *nd 100 unterbrochen werden, um eine Bewegung der Elektrode nach oben zu verursachen, wird nun beschrieben. In Reihe mit dem Leiter 42 ist ein Nebenschluß 102, der seinerseits mit der Erregerwicklung eines Stromrelais CS verbunden ist. Bei normalen Sphaelzvorgängen wird über dem Nebenschluß 102 eine Spannung induziert, um das Relais CS zu erregen, wodurch dessen Kontakte CS-I geöffnet werden. Wenn sich jedoch die Kontakte CS-I beim Ausfall des Gleichstroms in den Leitern 42 und kk schließen, wird ein Relais C erregt.

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Über die Leiter 48 und 50 ist ein Spannungsrelais VS geschaltet, das beim Vorhandensein von Lichtbogenspannung normalerweise erregt ist, das aber abgeschaltet wird, wenn die Lichtbogenspannung unter einen vorherbestimmten niedrigen Wert fällt, beispielsweise unter 8 Volt. Unter diesen zuletzt genannten Voraussetzungen schließen sich die Kontakte VS-I,um ein Spannungsrelais V zu erregen. In Kombination mit den Relais C und V ist ein Lichtbogenzündungs-Relais SA vorgesehen. Dieses Relais SA wird durch einen Schalter 104 gesteuert. Die Anordnung ist so gewählt, daß während des Zündungszustands für den Lichtbogen der Schalter 104 offen ist, um das Relais SA abzuschalten. Nachdem der Lichtbogen jedoch anfänglich gezündet ist, wird der Schalter 104 geschlossen, um das Relais SA zu erregen. Normalerweise bleibt der Schalter 104 während etwa 15 Minuten offen, was zur Ausbildung des Lichtbogens ausreicht. Es ist ersichtlich, daß die Schalter 104 und 56 von Hand oder automatisch durch eine Lochkarten-Programmiereinrichtung oder dergleichen betätigt werden können.

Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise: Es sei angenommen, daß der Lichtbogen noch nicht gezündet ist und daß sich die Elektrode nach unten zu dem Boden des Tiegels mit Lichtbogenspannungs-Steuerung bewegt. Unter diesen Voraussetzungen ist eine Lichtbogenspannung vorhanden, während kein Strom.durch die Leiter 42 und 44 fließt. Gleichzeitig ist der Schalter 104 offen, um das Relais SA abgeschaltet zu halten. Die Relais V und SA werden abgeschaltet, während das Relais C aufgrund des Fehlens von Licht-, bogenstrom erregt ist. Die Schaltung enthält ein Verzögerungsrelais TD mit zwei normalerweise offenen Kontakten TD-I. Das Relais TD kann durch die Kontakte V-2 des Relais V und Kontakte

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SA-2 des Relais SA, über Kontakte V-I des Relais V und Kontakte SA-I des Relais SA, oder über Kontakte C-I des Relais C und Kontakte SA-2 des Relais SA erregt werden.

Unter den beschreibenen Voraussetzungen, wobei die Relais V und SA abgeschaltet sind, ist das Verzögerungsrelais TD nicht erregt und die Leiter 98 und 100 sind nicht verbunden.

Die Elektrode wird gesenkt, bis der Lichtbogen anfänglich gezündet wird, zu welchem Zeitpunkt die Lichtbogenspannung auf Null abfällt, wodurch das Relais VS abgeschaltet und das Relais V erregt wird. Dadurch werden die Kontakte V-I geschlossen. Weil das Relais SA zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet ist, wird eine Schaltung durch die Kontakte V-I und SA-I zu dem Verzögerungsrelais TD geschlossen, um dessen Kontakte TD-I zu schließen, wodurch die Schaltung zwischen den Leitern 98 und 100 über Kontakte SA-3 und TD-I oder über C-2, V-3 und TD-I geschlossen wird und ein Anheben der Elektrode 30 bewirkt wird. Die Elektrode beginnt sich zurückzuziehen, wodurch wieder eine Lichtbogenspannung ausgebildet und ein Abschalten des Relais V und ein Öffnen der Kontakte V-I bewirkt wird. Die Kontakte TD-I bleiben jedoch geschlossen, bis die Voreinstellzeit des Verzögerungsrelais TD abgelaufen ist. Die Elektrode wird während dieser Zeit weiter aufgrund der geschlossenen Kontakte SA-3 angehoben. Deshalb kann die Elektrode während einer vorbestimmten Zeitspanne zurückgezogen werden, was einen vorherbestimmten Abstand entspricht. Nach etwa 15 Minuten wird die Schaltung in ihren normalen Betriebszustand gebracht, indem der Schalter 104 geschlossen wird, woraufhin das Relais SA erregt wird, um die Lage seiner in der Zeichnung gezeigten Kontakte umzukehren. Da nun sowohl Lichtbogenspannung als auch Lichtbogenstrom vorhanden sind, schließen sich

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die Kontakte C-I und V-2. Da die Kontakte SA-2 nun geschlossen sind, wird das Verzögerungsrelais TD erregt, wodurch seine Kontakte TD-I geschlossen werden. Die Schaltung zwischen den Leitern 98 und 100 kann jedoch ζμ diesem Zeitpunkt nicht vervollständigt werden, weil dort zumindest ein Satz von normalerweise offenen Kontakten in den drei Stromwegen 106, 108 und 110 vorhanden ist, welche die Leiter 98 und 100 verbinden. So sind in dem Weg 106 die Kontakte SA-3 offen. In dem Weg 108 sind die Kontakte V-3 offen. In dem Weg 110 sind beide Kontakte C-3 und V-^t offen.

Wenn ein Ausfall der Leistungszufuhr auftritt, werden beide Relais C und V aufgrund eines Ausfalls sowohl von Strom als auch Spannung erregt, wodurch die Kontakte V-k und C-3 geschlossen werden. Wenn die Kontakte Y-k und C-3 schließen, wird eine Schaltung zwischen den Leitern 98 und 100 Über Kontakte SA-^t und Kontakte TD-I vervollständigt, welche während der voreingestellten Verzögerungszeit des Relais TD geschlossen bleiben. Bei Beendigung der Verzögerungszeit fällt jedoch das Relais TD aufgrund der Tatsache ab, daß die Kontakte C-I und V-2-wie die Kontakte SA-I offen sind. Wenn also ein Leistungsausfall auftritt, bewegt sich die Elektrode 30 nach oben entlang eines vorherbestimmten Abstands und hält an. Wenn danach der Operateur wieder den Unterbrecher kl schließt, bewirken entweder die Lichtbogenspannung oder die Schwankungen, je nach dem vorliegenden Fall, daß sie sich nach unten zurück in die optimale Arbeitslage bewegt.

Ein Kurzschluß während eines normalen Schmelzvorgangs, welcher zu einer Verringerung der Lichtbogenspannung unter den voreingestellten Wert des Relais VS oder zu einem Verschwinden der

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Spannung aber nicht des Stroms führt, verursacht ein Anheben der Elektrode 30 durch die Kontakte V-3 und C-2 nur bis zur Beseitigung des Kurzschlusses, da während eines Kurzschlusses Strom fließt und die Kontakte G-I geschlossen sind, um das Verzögerungsrelais TD erregt zu halten. *

Durch die Erfindung wurde deshalb eine Einrichtung geschaffen, um nachteilige Auswirkungen auf einen Rohblock während eines Leistungsausfalls praktisch weitgehend auszuschalten, indem die Elektrode entlang einer kurzen Strecke nur dann nach oben bewegt wird, wenn der Leistungsausfall auftritt. Ferner ist die Erfindung entweder auf eine Lichtbogensteuerung oder eine Schwankungssteuerung anwendbar, wie in der erwähnten Patentschrift näher beschrieben ist.

Die Erfindung ist nicht auf das eingehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, da entsprechend den vorliegenden Gegebenheiten und Anforderungen Abänderungen möglich sind.

Patentansprüche

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Claims

- 21 - 6. September 1965 Ε/ΑΧ Meine Akte: IW Patentansprüche

1. Lichtbogenschmelzofen in dem ein Lichtbogen zwischen einer Schmelzelektrode und einem darunter befindlichen metallischen Schmelzbad durch Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und der Schmelze erzeugt *e*-,so daß eine Lichtbogenspannung vorhanden ist und ein Lichtbogenstrom fließt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung um die Schmelzelektrode nach oben und weg von der Schmelze beim Ausfall der Leistungszufuhr zu führen, welche eine Nachweiseinrichtung für Lichtbogenstrom, eine Nachweiseinrichtung für Lichtbogenspannung und einen mit jeder Nachweiseinrichtung verbundenen Mechanismus aufweist, welcher beim Fehlen sowohl des Lichtbogenstroms als auch der Lichtbogenspannung die Schmelzelektrode nach oben und weg von der Schmelze bewegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Mechanismus eine zeitbestimmende Einrichtung aufweist, um die Schmelzelektrode nach oben und weg von der Schmelze um einen vorherbestimmten Abstand zu bewegen und dann anzuhalten, und daß der Mechanismus in Abhängigkeit von der Wiederherstellung sowohl des Lichtbogenstroms als auch der Lichtbogenspannung die Schmelzelektrode nach unten zu der Schmelze bewegen kann.

3« Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes Relais in Abhängigkeit von dem Vorhandensein der Lichtbogenspannung betätigbar ist, daß ein zweites Relais in Abhängigkeit von dem Vorhandensein des Li'chtbogenstroms betätigbar ist, und daß ein Verzögerungsrelais

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für eine vorherbestimmte Zeitspanne nur dann betätigbar ist, wenn die beiden ersten Relais abgefallen sind.

4. Einrichtung nach A_nspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung ua die Schmelzelektrode nach unten zu der Schmelze nach dem Ablauf der Betätigungszeitspanne des Verzögerungsrelais und nach einer erneuten Betätigung des ersten und des zweiten Relais zu führen.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf das Vorhandensein von Lichtbogenspannung und das Fehlen von Lichtbogenstrom ansprechende Einrichtung, um die Schmelzelektrode nach unten zu der Schmelze zu bewegen, bis ein Lichtbogen anfänglich gezündet wird, und durch eine auf das Vorhandensein von Lichtbogenstrom nach der anfänglichen Zündung des Lichtbogens ansprechende Einrichtung, um die Elektrode entlang eines vorherbestimmten Abstands nach oben zu bewegen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes Relais in Abhängigkeit von dem Vorhandensein einer Lichtbogenspannung betätigbar ist, daß ein zweites Relais in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von Lichtbogenstrom betätigbar ist, daß ein drittes Relais während der Zeit erregt wird, während der der Lichtbogen anfänglich zwischen dem unteren Ende der Schmelzelektrode und dem Boden des Tiegels gezündet wird, daß eine Einrichtung für eine Aufwärtsbewegung der Schmelzelektrode vorgesehen ist, um diese entlang eines vorherbestimmten Abstands nach Erregung des zweiten und des dritten Relais und nach dem Abfallen des ersten Relais zu bewegen, daß eine Einrichtung zur Aufwärtsbewegung

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der Schmelzelektrode entlang dieses vorherbestimmten Abstands nach dea Abfallen des ersten, zweiten und dritten Relais vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung zur Aufwärtsbewegung der Schmelzelektrode nach dem Abfallen des ersten und des dritten Relais und nach Betätigung des zweiten Relais vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Nachweis des Auftretens von Spannungsschwankungen in der Lichtbogenspannung, die mit einer Frequenz unter etwa 30 Hz periodisch wieder auftreten, und um ein sich in Abhängigkeit von der Frequenz der SpannungsSchwankungen änderndes elektrisches Signal zu erzeugen, und durch eine Einrichtung, die zur Regelung des Abstands der Elektrode zu der Schmelze in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal nach der anfänglichen Zündung des Lichtbogens betätigbar ist. .

8. Einrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine nur auf den Ausfall von Lichtbogenstrom ansprechende Einrichtung, welche nach der anfänglichen Zündung des Lichtbogens betätigbar ist, um die Elektrode nach oben entlang eines vorherbestimmten Abstands zu bewegen.

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