DE2811877A1 - Vorrichtung zur behandlung von metallschmelzen unter nichtatmosphaerischen bedingungen und mit lichtbogenbeheizung durch permanentelektroden sowie betriebsverfahren fuer diese vorrichtung - Google Patents

Description

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15. März 1978 78506

LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Vorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzen unter nichtatmosphärischen Bedingungen und mit Lichtbogenbeheizung durch Permanentelektroden sowie Betriebsverfahren für diese Vorrichtung "

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Behandlung von Metallschmelzen unter nichtatmosphärischen-Bedingungen und mit Lichtbogenbeheizung durch mehrere, mit Wechselstrom versorgte Permanentelektroden, bestehend aus einer gasdichten Kammer mit einem Kammeroberteil, an dem mehrere druckmitte!betätigte ElektrodenVorschubeinrichtungen angeordnet sind, die je einen Zylinder, einen Kolben und eine Kolbenstange aufweisen und mit der jeweiligen Permanentelektrode elektrisch und odermechanisch in Verbindung stehen.

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Die Behandlung flüssiger Metalle unter nichtatmosphärischen Bedingungen zum Zwecke der Entgasung und anderer metallurgischer Behandlungen geschieht zweckmäßigerweise in Behandlungsgefäßen, die dem Schmelzaggregat nachgeschaltet sind und unabhängig von diesem betrieben werden können. Unter dem Ausdruck "nichtatmosphärische Bedingungen" sind sämtliche Gasdrücke und/oder Gaszusammensetzungen zu verstehen, die nicht den atmosphärischen Bedingungen entsprechen. Hierunter fällt auch und insbesondere die Schmelzenbehandlung im Vakuum.

Für die Vakuumbehandlung sind sogenannte Vakuumheizanlagen mit Vakuumkammern entwickelt worden, bei denen die für das Vergießen des flüssigen Metalles vorgesehenen Pfannen als Behandlungsgefäße dienen, in denen nacheinander oder gleichzeitig eine Vakuumbehandlung des flüssigen Metalles und ein Aufheizen oder Warmhalten des Metallbades durchgeführt werden können. Die Wahl der Gießpfannen als Behandlungsgefäß ist notwendig, um die Vorteile einer präzisen Temperatureinstellung durch die Vakuumbehandlung nicht durch Umfüllen von einem separaten Behandlungsgefäß in eine Gießpfanne zu verlieren.

Ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen mittels Dreiphasenwechselstrom Lichtbogen zwischen drei nichtabschmelzenden Elektroden und der Metallschmelze erzeugt werden, sind bereits in der DT-AS 15 65 534 beschrieben worden. Außerdem wird über Betriebserfahrungen mit Vakuum-Beheizungsanlagen in folgenden Literaturstellen berichtet: Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, (1974), Heft 1, Seiten 1 - 9 und Heft 9, Seiten 338 - 343; (1975), Heft 9, Seiten 416 -

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Ferner in Proceedings 4th ICVM, Tokio, (1974), Sect. 2, Seiten 117 - 120 und Proceedings 5th ICVM, München, (1976), Sect. 2, Seiten 57 - 58.

Bei der Vakuumbehandlung von Stählen durch die bekannten Verfahren und Vorrichtungen hat sich folgendes gezeigt: Im Gegensatz zu offenen Lichtbogenofen ist in einer Gießpfanne die freie Badoberfläche, die durch den Lichtbogen beheizt wird, klein im Verhältnis zum Schmelzvolumen, und die Gefäßwandungen befinden sich in der Nähe der Energiequelle. Um eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf das gesamte Schmelzvolumen zu erreichen, ohne das Bad oder die Gefäßwandungen örtlich zu überhitzen, ist daher ein dauerndes Umrühren durch induktiv wirkende Spulen oder durch Einleiten von Gasen notwendig. Hierbei ist die Auskleidung der Pfannen einer erhöhten Erosion durch die bewegte Schmelze ausgesetzt.

Um die thermische Belastung der Gefäßwandung zu verringern, wird der Tei1kreisdurchmesser.für die Elektrodenanordnung möglichst gering gehalten, und es wird mit sehr kurzen Lichtbogen ge-•20 heizt. Bei kleinem Teilkreisdurchmesser wird der Abstand zur Gefäßwand größer, und durch die dicht über dem Bad stehenden Elektroden wird die k'ärmeabstrahl ung zur Wand vermindert. Kurze Lichtbogen haben eine kleine Lichtbogenspannung. Die Forderung nach niedrigen Lichtbogenspannungen ergibt sich auch dadurch, daß einer Glimmentladung im Vakuum vorgebeugt werden muß.

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Um zu einer hohen Aufheizgeschwindigkeit durch entsprechend hohe Leistung zu gelangen, werden wegen der niedrigen Lichtbogenspannungen hohe Ströme benötigt. Die Induktivität der Elektroden und der Hochstromzuleitungen muß wegen der hohen Ströme und der kleinen Lichtbogenspannung klein gehalten werden. Anderenfalls wird die Netzblindleistung sehr groß, und der Ofentransformator muß für eine sehr große Scheinleistung ausgelegt werden.

Die Einhaltung kleiner Ofeninduktivitäten bereitet erhebliehe Schwierigkeiten bei den von konventionellen Lichtbogenschmelzöfen bekannte Konzept der Elektrodenbefestigung an Tragarmen.

Eine große Heizleistung wird angestrebt, um die Schmelzöfen, die den Vakuumheizanlagen vorgeschaltet sind, weitgehend von allen Verfahrensschritten der metallischen Feinung zu befreien, bzw. um ihnen eine reine Schmelzfunktion zu geben und um damit ihre Produktivität zu erhöhen. Es wird also in den Vakuumheizanlagen nicht nur entgast, sondern auch in verstärktem Maße legiert, über Schlackenarbeit entschwefelt gefrischt, etc. Die Behandlung kann dabei unter Vakuum oder unter Atmosphären aus Inertgas, Frischgas oder Reduktionsgas durchgeführt werden. Alle diese Verfahrensmaßnahmen verlängern die Vakuumheizbehandlung oder erfordern erhöhte Energiezufuhr. Weiterhin wird eine große Heizleistung deshalb angestrebt, um die Vakuumheizbehandlung zeitlich beschränken zu können.

Da die Anwendung großer Heizleistungen bei tiefen Drücken

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zu unerwünschten Nebenlichtbögen durch Glimmentladung führen kann, sind die Vakuumheizverfahren bisher in zwei Verfahrensschritte unterteilt worden:

- Das eigentliche Vakuumheizen ist auf Vakuumdrücke von 200 - 350 mbar beschränkt und wird daher periodisch durchgeführt j jeweils gefolgt von

- der eigentlichen Vakuumbehandlung ohne Heizen bei Drücken um 1 mbar oder weniger.

Während der Heizphase bei den relativ hohen Drücken kann man daher keine metallurgischen Reaktionen erwarten, wie sie bei einer Vakuumbehandlung angestrebt werden. Es wird in der Heizphase lediglich erreicht, daß die Schmelze unter Schutzgas gehalten wird, so daß unerwünschte Rückreaktionen, wie z.B. eine Rückoxidation durch die Atmosphäre, vermieden werden.

Die Abdichtung des Vakuumheizsystems ist insofern schwierig, als sich die stromführenden Elemente durch die notwendige hohe Stromdichte erwärmen und die Elektroden auch durch die Wärmeübertragung von der Metallschmelze erhitzt werden. Zudem müssen die Elektroden beweglich durch die Vakuumabdichtung geführt werden, da sie folgende Bedingungen erfüllen müssen:

- sich der veränderlichen Badhöhe anpassen

- auf unterschiedliche Lichtbogenlänge einstellbar sein

- Abbrandverluste der Elektroden durch geregeltes Absenken ausgleichen

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- den Unregelmäßigkeiten der bewegten Badoberfläche durch eine ständige Auf- und Abwärtsbewegung entgegenwirken, sowie

- zum Zünden der Lichtbogen bis zur Badoberfläche abgesenkt werden.

Weiterhin kommt erschwerend hinzu, daß der in den Vakuumraum hineinragende Elektrodenteil Metal 1spritzern sowie dem Kondensat von Dämpfen ausgesetzt ist, die bei der Aufwärtsbewegung der Elektroden die Vakuumdichtung zerstören können.

Durch die nachstehend beschriebene seitliche Vibrationsbewegung der Elektroden besteht außerdem die Gefahr, daß die Vakuumdichtung frühzeitig zerstört wird.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Elektroden-Tragarme von Vakuumheizanlagen und konventionellen Lichtbogenschmelzöfen je nach ihrer Stellung mit Frequenzen zwischen 1 und 5 Hz schwingen. An den Elektroden werden dabei Amplituden bis zu einigen Zentimetern beobachtet. Hierdurch treten erhebliche Beschleunigungskräfte auf, die auf die Elektroden als Biegebeanspruchung wirken. Auf sie ist ein erheblicher Teil der bekannten Elektrodenbrüche zurückzuführen. Die Schwingung der Tragarme entsteht durch eine elektromagnetische Rückkoppelung der mechanischen Resonanzschwingung des Elektroden-Tragarmsystems. Der mechanisch weiche Elektroden-Tragarm bildet zusammen mit seinen stromführenden Teilen einen Schwingungsgenerator hoher Güte, der erhebliche mechanische Schwingungsenergie speichern kann. Die speziellen Bedingungen der Vakuumheizanlagen mit ihren hohen Strömen bei kleinen Spannungen, ihren kleinen Elektroden-Tei1kreisdurch-

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messern und großen Elektrodenlängen vergrößern die Schwingungsneigung gegenüber konventionellen Lichtbogenschmelzöfen.

Bei der durch die eingangs genannte DT-AS 15 65 534 bekannten Vorrichtung befinden sich die Druckmittelantriebe für die Permanentelektroden ausschließlich auf dem Kammerobertei1, und zwar sind die Zylinder ortsfest auf Rohrstutzen am Kammeroberteil aufgesetzt, und die Kolbenstangen ragen mit Ausnahme in der ZyIinderdichtung ungeführt in die Kammer hinein. Die Kolbenstangen sind notwendigerweise wenig biegesteif und bilden zusammen mit der Masse der Grafitumhül1ung₅ die die Permanentelektroden darstellt, ein schwingungsfähiges Gebilde mit unvorteilhaft niedriger Frequenz und großer Amplitude. Um Elektrodenbrüche einzuschränken, ist durch die gesamte Grafitumhüllung bis nahezu zum untersten Ende der Elektroden ein metallischer Zuganker hindurchgeführt, der stets von der Umhüllung bedeckt bleiben muß. Hieraus resultiert eine relativ kurze Lebensdauer der Permanentelektroden. Die bekannte Anlage kann weder mit hohen Strömen noch gleichzeitig bei einem wünschenswert niedrigen Vakuum unterhalb 150 mbar betrieben werden. Sie hat zudem eine unvorteilhaft große Bauhöhe.

Bei den bekannten Vorrichtungen für die Anwendung der Vakuumheizverfahren für Metallschmelzen besteht also ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Verfahrens- und Vorrichtungsparametern, dergestalt, daß

- die Heizleistung und

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- das Strom/Spannungsverhältnis groß gehalten werden müssen,

- die Abstrahlungsverluste durch den Lichtbogen kleingehalten werden müssen,

- die Elektroden zwangsweise lang und stark im Durchmesser

werden, dagegen aber wegen der elektromagnetischen Wechselwirkung und dadurch bedingten Resonanzschwingungen, sowie wegen der drohenden Bildung von Nebenlichtbögen möglichst weit voneinander entfernt sein müssen, dagegen aber nicht zu nah an die Pfannenausmauerung geraten dürfen, - die Vakuumabdichtung trotz bewegter Elektroden eine geringe Leckrate garantieren soll und bei/stillstehenden Elektroden absolut vakuumdicht sein soll,

- die Vakuumatmosphäre sowohl die Metallschmelze schützen als auch gezielte metallurgische Reaktionen bewirken soll und gleichzeitig günstige Bedingungen für die Zündung des Lichtbogens schaffen soll, wobei die gewünschten metallurgischen Effekte jeweils voll erzielt werden sollen,

- der Vakuumdruck in jeder Phase der Behandlung möglichst niedrig sein soll und

- die Lichtbogenführung jeweils nur zwischen dem Metallbad und den Elektroden stattfinden soll und

- die Gefäßausmauerung thermisch., mechanisch und chemisch geschont werden sol I.

Wie sich aus der vorstehenden Aufzählung ergibt., führen die Forderungen teilweise zu einander entgegenstehenden Anlagenkonstruktionen, so daß eine sorgfältige Abwägung der einzelnen Forderungen und der Konstruktionselemente hinsichtlich ihrer Bedeutung und ihres Einflusses unerläßlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde_s eine Vorrichtung

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der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, mit der ein zuverlässiger Betrieb ohne das Auftreten unzulässig^großer Elektrodenschwingungen und damit ohne die Gefahr von Elektrodenijrüchen auch bei hohen Strömen und großer Elektrodenlänge bzw. Lebensdauer möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs angegebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß außerhalb eines jeden Zylinders der Elektrodenvorschubeinrichtung auf dem Kammeroberteil mindestens ein Stützelement angeordnet ist, an dem der Kolben über die nach oben gerichtete Kolbenstange ortsfest gehalten ist, und daß der Zylinder gegenüber dem Kolben beweglich ist und axial geführt durch das Kammeroberteil in die Kammer hineinragt und an seinem unteren Ende eine Befestigungseinrichtung für die Permanentelektrode aufweist.

Die Erfindung besteht also im Prinzip darin, daß der Zylinder als Trag- und Haltestange für d^e betreffende Permanentelektrode dient, der ein wesentlich größeres Widerstandsmoment als die (dünne) Kolbenstange) aufweist, und der außerdem wirksam gekühlt werden kann. Die ortsfeste Kolbenstange hat zusätzlich zur Aufnahme der Reaktionskräfte des auf dem beweglichen Zylinder einwirkenden Druckmittels noch die Aufgabe, den Zylinder an der notwendigerweise vorhandenen Durchführung der Kolbenstange durch den Zylinder axial zu führen. Die zweite Axialführung befindet.sich an der Stelle der Durchführung des Zylinders durch das Kammerobertei1, so daß eine definierte Parallelführung des Zylinders gegeben ist. Durch eine ent-

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sprechende Dimensionierung des Zylinders im Hinblick auf den Arbeitshub kann erreicht werden, daß die beiden Axialführungen des Zylinders an der Kolbenstange einerseits und an der Durchführungsstelle durch das Kammeroberteil andererseits bei jeder Stellung des Zylinders weit genug auseinander liegen, so daß die Axial führungen in ihrer Gesamtheit große Biegemomente aufgrund der auf den Zylinder einwirkenden Querkräfte aufnehmen können.

Die große Biegesteifigkeit eines derartigen Zylinders ermöglicht die Halterung von Permanentelektroden mit großer Länge und großem Querschnitt und den Verzicht auf einen durchgehenden, metallischen Zuganker, wodurch die Lebensdauer der Permanentelektroden um ein Mehrfaches gesteigert werden kann. Außerdem können mit einer derartigen Anordnung größere . Differenzen im Hinblick auf den Fül1 stand des Schmelzenbehälters in der Kammer überbrückt werden. Die biegesteife Ausbildung des Zylinders bzw. der Trag- und Haltestange ermöglicht außerdem die Versorgung der gesamten Anlage mit hohen Strömen bei niedrigen Drücken, ohne daß es zu Glimmentladungen und Elektrodenschwingungen mit unzulässiger Amplitude kommt. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, begünstigen hohe Ströme bei kleinen Spannungen die Schwingungsneigung des Elektrodensystems. Die Heranziehung des Zylinders als bewegliches und biegesteifes Bauteil führt dabei zu einer Vielzahl von Vorteilen, die sich aus der Gesamtheit der vorstehend beschriebenen Einflußgrößen ergeben.

Die Beweglichkeit des Zylinders gegenüber dem Kolben ermöglicht außerdem die Unterbringung des Kolbens im Innern des Kammer-

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Oberteils, so daß sich die Bauhöhe der Vorrichtung verringert, was wiederum zur Folge hat, daß die Stromwärmeverluste in den Stromzuführungen gleichfalls verringert werden. Auch diese Maßnahme ist im Zusammenhang mit der hohen Strombelastung zu sehen, die - für sich betrachtet - zu einer Steigerung der elektrischen Verluste führen würde. Abgesehen von den konduktiven Verlusten führen aber die Wirbelstromverluste in den metallischen Teilen der Vorrichtung zu einer Erwärmung der betreffenden Bauteile, so daß eine wirksame Kühlung erfolgen müßte.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung dient der Zylinder, sofern keine weiteren Bauelemente vorgesehen sind, sowohl zur Halterung als auch zur Stromversorgung der Permanentelektrode. Der Zylinder wird infolgedessen zweckmäßig doppelwandig ausgeführt, wobei der Hohlraum von einem Kühlmittel durchströmt wird. Der Zylinder bzw. seine äußere Oberfläche dienen hierbei unmittelbar zur Führung des Zylinders an oer Durchdringungsstelle durch das Kammeroberteil.

Eine solche Lösung kann jedoch in besonders vorteilhafter Weise dadurch weiter ausgestaltet werden, daß der Zylinder koaxial von einem Stromführungsrohr umgeben ist, das sich in radialer Richtung gegen das Kammeroberteil abstützt und das seinerseits als Axialführung für den Zylinder dient. Bei einer solchen Bauweise werden die Funktionen der Stromzuführung und der Aufnahme von Querkräften einerseits und des Antriebs der Permanentelektrode andererseits getrennt. Das Stromführungsrohr überträgt hierbei den erforderlichen

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Heizstrom und hat außerdem ein noch größeres Widerstandsmoment als der Zylinder, der weitgehend von der Aufnahme von Biegemomenten befreit ist,

Es ist dabei besonders zweckmäßig, das Stromführungsrohr doppelwandig auszubilden und aus einem äußeren Rohr und aus einem konzentrischen inneren Rohr herzustellen, wobei die Rohre an den Enden eines zwischen ihnen gebildeten Hohlraums flüssigkeitsdicht abgeschlossen sind und wobei der Hohlraum an eine Kühlmittelquelle anschließbar ist. Weder große Ströme noch die Wärmestrahlung der Metallschmelze können infolgedessen das Stromführungsrohr auf eine schädliche Temperatur aufheiz en.

Als Stützelement kann in seiner einfachsten Form ein Rahmen dienen, der auf dem Kammerob.ertei 1 angeordnet und an dem das obere Ende der Kolbenstange befestigt ist. Hierbei stützt sich der bewegliche Zylinder an der OurchdringungsstelIe der Kolbenstange gegenüber dieser ab. Es ist jedoch mit besonderem Vorteil auch möglich, das Stützelement mit mindestens einer Parallelführung zu versehen, an der das obere Ende des Zylinders längsbeweglich geführt ist. Eine solche Parallelführung besteht dabei besonders vorteilhaft aus zwei Führungssäulen, an denen das obere Ende des Zylinders über eine Traverse geführt ist. Bei einer solchen Maßnahme wird die Kolbenstange ganz oder größtenteils von der Aufnahme von Querkräften durch das obere Zylinderende befreit. Diese Ouerkräfte werden vielmehr auf die Parallelführung übertragen, die besonders biegesteif ausgeführt werden kann.

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Bei der Ausführung der Axialführung ist dafür Sorge zu tragen, daß der Zylinder gegenüber dem Kolben keine Drehbewegung ausführen kann. Dies ist deswegen von Bedeutung, weil beispielsweise bei Verwendung von flexiblen Stromkabeln diese Stromkabel an den Zylindern bzw. an den Stromführungsrohren seitlich befestigt sein müssen und infolgedessen aufgrund ihres Gewichts die Tendenz haben, den Zylinder bzw. das Stromführungsrohr in eine kraftneutrale Stellung zu verdrehen. Bei Verwendung von zwei Führungssäulen als Parallelführung kann eine solche Verdrehneigung auf einfache Weise ausgeschaltet werden. Es ist jedoch außerdem möglich, einem Zylinder beispielsweise zwei Kolbenstangen zuzuordnen, durch die gleichfalls eine Verdrehung des Zylinders verhindert wird.

Besonderes Augenmerk ist auch einer leichten Auswechselbarkeit der Permanentelektroden oder einem Ersatz der Permanentelektroden beispielsweise durch eine Blaslanze zu widmen. Das Auswechseln der Elektroden gestaltet sich beispielsweise bei der weiter oben beschriebenen bekannten Vorrichtung außerordentlich schwierig und zeitaufwendig. Eine sehr einfache und doch wirksame Möglichkeit der Ausführung der Befestigungseinrichtung für die Permanentelektrode ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Stromführungsrohr gegenüber dem Zylinder längsbeweglich angeordnet, mit dem Zylinder über eine Spannvorrichtung verbunden ist und am unteren Ende eine Steuerkante für die Befestigungseinrichtung

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der Permanentelektrode aufweist, und daß die Befestigungseinrichtung aus einem mit dem Zylinder verbundenen Käfig besteht, in dem auf dem Umfang verteilt, mehrere Klemmkörper radial beweglich angeordnet sind, die durch eine Absenkbewegung des Stromflihrungsrohres über die Steuerkante mit einem an der Permanentelektrode angeordneten Anschlußstück in Eingriff bringbar und mit dem Zylinder anhebbar sind. Eine solche Befestigungseinrichtung hat den wesentlichen Vorteil, daß sie auch bei Ausfall der Spannvorrichtung, beispielsweise durch Druckabsenkung im hydraulischen System, aufgrund des Eigengewichts des Stromführungsrohrs stets zwangsverriegelt bleibt, so daß Betriebsunfälle durch Freigabe der Permanente!ektrqde ausgeschlossen sind.

Der Zylinder kann in besonders vorteilhafter Weise so ausgestaltet sein, daß durch ihn bzw. durch eine in die Befestigungseinrichtung eingesetzte Blaslanze auch metallurgische Zuschläge in die Vorrichtung eingeführt werden können. Die Voraussetzungen hierfür werden gemäß der weiteren Erfindung dadurch geschaffen, daß der Zylinder eine Durchführung für das Einleiten von Gasen bzw. Gas-Feststoff-Gemischen enthält, und daß die Permanentelektrode gegen eine Blaslanze mit entsprechendem Anschlußstück austauschbar ist.

Der Erfindungsgegenstand eignet sich ganz besonders für ein Betriebsverfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schmelzenbehandlung unterhalb 150 mbar bei gleichzeitiger Beheizung durch die Permanentelektroden durchgeführt wird.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; deren Vorteile sind in der Detailbeschreibung aufgeführt, die die Figuren 1 bis 4 zum Gegenstand hat.

Es zeigen:

Figur 1 einen schematischen Vertikaischnitt durch eine vollständige erfindungsgemäße Vorrichtung,

Figur 2 eine Variante eines Tei1ausschnitts aus Figur 1 anhand eines Vertikalschnitts durch einen Antriebszylinder mit angesetzter Permanente!ek-.,. trode,

Figur 3 eine Variante des Gegenstandes nach Figur 2 mir einem vom Zylinder getrennten Stromführungsrohr und

Figur 4 eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Figur 1.

In Figur 1 ist eine Kammer 10 dargestellt, die aus einem Kammerunterteil 11 und einem Kammeroberteil 12 besteht. Das Kammeroberteil 12 hat die Form eines druckfesten Deckels mit einem domförmigen Aufsatz 13, in dem bzw. auf dem eine Elektrodenvorschubeinrichtung 14 angeordnet ist. Diese besteht aus drei Zylindern 15 mit Kolben 16 und Kolbenstange 17 sowie einem Stützelement 18, an dem der Kolben über die nach oben gerichtete Kolbenstange befestigt ist. Der Zylinder 15 ist gegenüber dem Kolben beweglich und durch eine Abschlußplatte 19 des Kammer-

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Oberteils 12 in die Kammer 10 hineingeführt. An der Durchführungsstelle befindet sich eine dynamische Dichtung 20, und am unteren Ende des Zylinders 15 eine Befestigungseinrichtung 21 für eine Permanentelektrode 22, die an ihrem oberen Ende ein Ans-chl ußstück 23 für den Eingriff in die Befestigungseinrichtung 21 aufweist. Die Permanentelektrode 22 besteht aus mehreren Elektrodenabschnitten, die durch doppelseitig konische Schraubnippel 24 miteinander verbunden si nd.

Der Zylinder 15 ist auf seiner gesamten Länge, d.h. innerhalb und außerhalb des Kammeroberteils 12 von einem Stromführungsrohr 25 umgeben, welches sowohl die axiale Führung als auch die Abdichtung innerhalb der dynamischen Dichtung 20 übernimmt. Das Stromführungsrohr 25 ist gegenüber dem Zylinder 15 um ein geringes Maß 1ängsbeweg 1 ich und besitzt an seinem oberen Ende ein Kopfstück 26, welches über zwei Spannelemente 27 an einer Traverse 28 aufgehängt ist, die ihrerseits fest mit der Kolbenstange 17 verbunden ist. Die Spannelemente 27 sind als Hydraulikzylinder ausgeführt und bewirken eine Anhebung des Stromführungsrohrs 25 gegenüber der Kolbenstange 17. Die Kolbenstange 17 ist ihrerseits mit mehreren Hohlräumen versehen, die in einem Verteilerkopf 29 am oberen Ende der Kolbenstange 17 münden. Weitere Einzelheiten der Kolben-Zylinderanordnung sind in Figur 3 näher erläutert.

Das Stützelemente 18 besitzt zwei ParalIeI führungen 30, an denen das obere Ende des Zylinders 15 über die Traverse 28

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und zwei Schiebehülsen 31 längsbeweglich geführt ist. Diese Führung stellt die zweite Axialführung des Zylinders 15 dar. Am Kopfstück 16 eines jeden Stromführungsrohres 25 sind außerdem über horizontale Stromschienen 32 flexible Stromkabel 33 befestigt, die jedoch nur angedeutet sind. Einzelheiten der dynamischen Dichtung 20 sind gleichfalls in den Figuren 2 und 3 ausführlich erörtert.

Unterhalb der Permanentelektroden 22 befindet sich ein Schmelzenbehälter 34, der mit zwei unterschiedlichen Schmelzenspiegeln 35 und 36 dargestellt ist. Die linksgezeigte Permanentelektrode befindet sich in richtiger Stellung zum Schmelzenspiegel 35, während die rechts dargestellte Permanentelektrode 22 sich in richtiger Stellung zum Schmelzenspiegel 36 befindet. Der Schmelzenbehälter 34 ist nach oben gasdurchlässig durch einen Innendeckel 37 abgedeckt, der als Strahlungs- und Spritzschutz für den Inhalt des Schmelzenbehälters 34 dient. Zwischen den Elektroden befindet sich ein elektrischer Potential schirm 38, der die Entstehung von Glimmentladungen zwischen den unterschiedlichen Potentialen der Elektroden vermindert. Es ist erkennbar, daß die Verbindung von Zylindern 15, Stromführungsrohren 25 und Permanentelektroden 22 ein sehr biegesteifes Gebilde darstellt, durch welches die Schwingungsneigung des gesamten Systems stark verringert wird.

In Figur 2 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer Elektrodenvorschubeinrichtung 14 der erfindungsgemäSen Vorrichtung dargestellt. In diesem Falle sind der Zylinder 15

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und das Stromführungsrohr 25 gemäß Figur 1 zu einer doppelwandigen Baueinheit vereinigt. Hierbei ist der Zylinder 15 unter Freilassung eines hohlzylindrischen Raumes 39 von einem Mantelrohr 40 umgeben, wobei im Raum 39 ein zylindrisches Leitblech 41 angeordnet ist. Der Raum 39 ist über nicht dargestellte Anschlüsse mit einer Kühlmittelquelle verbunden. Die vom Kolben 16 zum Stützelement 18 führende Kolbenstange 17 besteht aus zwei koaxialen Rohren 42 und 43, deren Hohlräume mit Kanälen 44 und 45 im Verteilerkopf 29 in Verbindung stehen. Bei Zuführung eines Druckmittels über den Kanal 44 und das Rohr 42 wird in dem Raum 46 ein Druck aufgebaut, der sich auf eine im zylinder 15 befestigte Trennwand 47 überträgt und den Zylinder nach unten bewegt. Wird umgekehrt über den Kanal 45 und den Zwischenraum zwischen den Rohren 42 und 43 ein Druckmittel^ugeführt, so tritt dies durch radiale öffnungen 48 in den Raum 49 und baut hier einen Druck auf, der auf die obere Abschlußwand 50 des Zylinders 15 einwirkt und diesen gegenüber dem ortsfesten Kolben 16 nach oben verschiebt bzw. anhebt. In der Abschlußwand 50 befindet sich noch eine nicht dargestellte Dichtung gegenüber der Kolbenstange 17. Die Kolbenstange stellt in Verbindung mit der Abschlußwand 50 eine der beiden Axial führungen des Zylinders 15 dar, da die Kolbenstange 17 über den Verteilerkopf 29 und ein Distanzstück 51 fest mit dem Stützelement 18 verbunden ist. Eine Verdrehung des Zylinders 15 gegenüber dem Stützelement 18 wird durch einen am Zylinder 15 befestigten Ausleger 52 verhindert, der beidseitig an einer von zwei Säulen 53 senkrecht geführt ist, die das Stützelement 18 mit der Ab-

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schlußplatte 19 am Kamnieroberteil verbinden.

Die dynamische Dichtung 20 besteht aus einem im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Hohlkörper 54, der das Mantelrohr 40 möglichst eng umschließt. An beiden Enden des Hohlkörpers 54 befinden sich Ringdichtungen 55 und 56, zwischen denen zwei Räume 57 und 58 angeordnet sind, die' die Form von Ringnuten aufweisen und über Kanäle 59 und 61 mit einer Vakuumpumpe oder eine Schutzgasquelle verbunden sind. Eine derartige dynamische Dichtung wird auch als Druckstufenstrecke bezeichnet. Sie bildet die zweite Axialführung für den Zylinder 15.

Die Befestigungseinrichtung 21 setzt zunächst eine spezielle Ausbildung des oberen Endes der Permanentelektrode 22 voraus, Diese ist mit einem Anschlußstück 23 versehen, das aus einer runden Platte 62 besteht, auf deren Unterseite ein dem Plattendurchmesser entsprechender axialer Kragen 63 und auf deren Oberseite ein Fortsatz 64 geringeren Durchmessers angeordnet ist, der einen radial vorspringenden Rand 65 aufweist. In einer zentralen Bohrung des Anschlußstücks ist eine Zugschraube 66 für die Verspannung des Anschlußstücks mit der Permanentelektrode 22 angeordnet. Zu diesem Zweck ist das obere Elektrodenteilstück 67 in der Weise ausgebildet, daß es den Kopf 68 der Zugschraube 66 umschließt und in den Kragen 63 eingreift, der an der Berührungsstel1e konisch ausgebildet ist. Hierdurch wird ein Auseinanderbrechen des ElektrodenteiIstücks 67 unter der

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Wirkung von Querkräften und der Zugschraube 66 wirksam verhindert.

Auf der Zylinderseite gehören zur Befestigungseinrichtung ein Käfig 69 in Form eines Hohlzylinders, der am unteren Ende auf seinem Umfang mit mehreren Ausnehmungen versehen ist, in die Klemmkörper 70 eingesetzt sind. Diese sind radial beweglich und haben die Form von Kugeln oder Rollen. Der Käfig 69 steht mit einem Hydraulikzylinder 71 mit einem Kolben 72 in Verbindung., durch den der Käfig und mit ihm die Klemmkörper 70 gegenüber dem Zylinder 15 in axialer Richtung bewegt werden können. Die Klemmkörper wirken dabei mit einer schrägen Steuerkante 73 zusammen, und zwar werden die Klemmkörper 70 beim Anheben durch den Hydraulikzylinder 71 durch die Steuerkante 73 radial nach innen bewegt und kommen dabei unterhalb des Randes 65 an dem Fortsatz 64 des Anschlußstücks 23 zur Anlage. Hierdurch wird eine formschlüssige Verriegelung der Permanentelektrode 22 mit dem Zylinder 15 bewirkt_s die nur durch die Betätigung des Hydraulikzylinders 71 aufhebbar ist. Dies geschieht beispielsweise zum Auswechseln der Permanentelektrode 22.

In Figur 3 sind gleiche Teile wie in den Figuren 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 3 zeigt jedoch weitere Details aus dem Gegenstand von Figur 1. In diesem Fall sind der Zylinder 15 und das Stromführungsrohr 25 als getrennte Bauteile ausgeführt, und zwar ist der

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Zylinder 15 von dem Stromführungsrohr 25 koaxial umgeben, wobei sich der Zylinder in radialer Richtung gegen das Stromführungsrohr und dieses sich wiederum gegen die dynamische Dichtung 20 abstützt. Die Auf- und Abwä'rtsbewegung des Zylinders 15 erfolgen über eine Ansteuerung der Kanäle 44 und 45 und die Rohre 42 und 43 der Kolbenstange 17 in der bereits beschriebenen Weise. Der Zylinder 15 wird bei einem Druckanstieg im Raum 49, der sich auf die Abschlußwand 50 auswirkt, gehoben; er wird bei einen Druckanstieg im Raum 46, der sich auf die Trennwand 47 auswirkt, sowie unter der Wirkung des Eigengewichts der beweglichen Teile abgesenkt.

Das Stromführungsrohr 25 ist doppelwandig ausgebildet und besteht aus einem äußeren Rohr 74 und einem inneren Rohr 75, zwischen denen ein Hohlraum 76 gebildet wird, in dem sich in Analogie zu Figur 2 ein zylindrisches Leitblech 77 befindet. Der Hohlraum 76 kann auch in diesem Falle an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden, und zwar über einen weiteren Verteilerkopf 78, in dem entsprechende Kühlmittelkanäle angeordnet sind.

Das Stromführungsrohr 25 ist gegenüber dem Zylinder 15 um ein begrenztes Maß längsverschieblich angeordnet. Die relative Längsbewegung erfolgt dadurch, daß das Kopfstück 26, an dem das Stromführungsrohr 25 aufgehängt ist, über die beiden Spannelemente 27 in Form von Hydraulikzylindern an der Traverse 28 aufgehängt ist. Bei einer Druckbeaufschlagung der Spannelemente 27 wird das Stromführungsrohr

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gegenüber dem Zylinder 15 angehoben; es senkt sich bei Druckabbau unter dem Einfluß seines Eigengewichts selbsttätig wieder ab. Die Relativbeweglichkeit des Stromfuhrungsrohres 25'Wird zur Betätigung der Befestigungseinrichtung 21 benutzt, die in analoger Weise wie in Figur 2 aus Klemmkörpern 70 und einem entsprechend geformten Anschlußstück 23 besteht. Der die Klemmkörper aufnehmende Käfig 69 stellt in diesem Falle jedoch eine starre Verlängerung des Zylinders 15 dar. Entsprechende Steuerkanten für die Klemmkörper sind am unteren Ende an der Innenkante des Stromfuhrungsrohres angeordnet. Bei einem Anheben des Stromfuhrungsrohres werden die Klemmkörper in radialer Richtung freigegeben; bei einem Absenken kommen sie mit dem Anschlußstück 23 in Eingriff. Die Steuerkante ist hierbei als getrenntes Bauteil ausgeführt und isoliert am Stromführungsrohr 25 befestigt, um eine definierte Aufteilung der Strompfade zu erreichen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel fließt über den Zylinder 15 kein Strom, vielmehr wird dieser ausschließlich über das Stromführungsrohr 25 geleitet. Zum Zwecke einer Stromübertragung auf die Permanentelektrode 22 sind die untere Stirnseite 79 des Stromfuhrungsrohres 25 und die obere Stirnseite 80 des Anschlußstücks 23 als elektrische Kontaktflächen ausgebildet. Durch die Art des Anschlusses wird ein einwandfreier elektrischer Kontakt in Verbindung mit einer guten Kühlung der Kontaktflächen gewährleistet. Außerdem wird es ermöglicht, die Permanentelektrode gefahrlos abzutrennen und durch Annippeln neuer Grafitteile zuverlängern.

Die obere Stirnfläche 80 des Anschlußstücks 23 ragt in

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radialer Richtung über den Durchmesser des Stromführungsrohres 25 hinaus. Die Ringdichtung 56 der dynamischen Dichtung 20 steht gleichfalls etwas nach unten aus dem Hohlkörper hervor, so daß bei vollständig hochgezogenem Zylinder 15 eine Berührung der Stirnfläche 80 und der Dichtung 56 erfolgt, wodurch nicht nur die Abdichtung verbessert, sondern auch die hochglänzende Oberfläche des Stromführungsrohres 25 geschützt wird, solange die Permanentelektroden 22 beispielsweise, in der Entgasungsphase nicht benötigt werden.

Durch den Zylinder bzw. durch die Kolbenstangen führt eine Durchführung 81, die am unteren Ende in die Befestigungseinrichtung 21 mündet. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Permanentelektrode 22 durch eine Blaslanze zu ersetzen, die ein geometrisch gleiches Anschlußstück aufweist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung mit Gasen bzw. Gas-Feststoff-Gemischen beschickt werden, die zu einer gezielten metallurgischen Behandlung der Schmelze dienen. Dadurch wird die Vorrichtung für kombinierte Pfannenbehandlungen von Schmelzen wesentlich vereinfacht.

So können z.B. in ein und derselben Anlage nacheinander Vakuumheizbehandlungen, Vakuumfrischbehandlungen sowie Kalk-Kalzium-Behandlungen durchgeführt werden.

In Figur 4 ist die Gesamtanordnung von drei Elektrodenvorschubeinrichtungen 14 dargestellt, welche die Position der Permanentelektroden bestimmen. Diese befinden sich an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks D, durch die die senkrechten Achsen der Zylinder 15 bzw. der Permanentelektroden 22 hin-

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durchgehen. Gestrichelt angedeutet sind die zwischen den Elektroden liegenden Potentialschirme 38, die den Raum innerhalb der Kammer 10, durch den die Elektroden geführt sind, in drei Sektoren unterteilen. Das dreieck D besitzt drei Kanten D-,, Dp und Dg, von denen die Kante D, senkrecht zu den Stromschienen 32 verläuft und diesen zugekehrt ist. Die gegenüberliegende Spitze des Dreiecks D ist von den Stromschienen weggerichtet. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jeweils die an den Enden der Kante D, .liegenden Elektroden zur Stromquelle, beispielsweise zum Transformator 82 hingerichtet sind, während die mittlere Elektrode von der Stromquelle entfernt angeordnet ist. Dadurch wird eine Bündelung der Stromschienen 32 ermöglicht, welche die induktiven Spannungsabfälle verringert und dadurch zusätzlich größere Strom/Spannungsverhältnisse bzw. größere Heizleistungen ermöglicht.

Die durch die erfindungsgemäße Lösung ermöglichte Erniedrigung des Drucks während der Heizphase erlaubt es schon, während des Heizens gleichzeitig metallurgische Entgasungsreaktionen durchzuführen, die bereits bei 100 mbar in verstärktem Maße auftreten. Obwohl eine Metallentgasung in Druckbereichen von 10 bis 100 mbar zum Teil für höchste Qualitätsansprüche unzureichend ist, so ermöglicht sie doch eine Vorentgasung in diesem Druckbereich, wodurch die Anzahl der Heiz- und Entgasungszyklen verringert werden kann. Auch der Unterschied zwischen der Höchsttemperatur am Ende einer Heizphase und der Tiefsttemperatur am Ende einer Entgasungstemperatur kann dadurch verringert werden. Beides führt zu einer Schonung der Wandungen des Schmelzenbehälters 34.

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In den Aufsatz 13 (Figur 1) mündet eine Gaszuleitung 60 für die geregelte Einleitung eines Schutzgases. Dadurch wird vermieden, daß sich im Lichtbogen erzeugte Dämpfe
auf dem Stromführungsrohr 25 niederschlagen, so daß ein Verschleiß in der dynamischen Dichtung 20 durch Abstreifen der Kondensatniederschläge bei der Aufwärtsbewegung der Elektroden verhindert wird.

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Claims (1)

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Ansprüche:

1. Vorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzen unter nichtatmosphärischen Bedinungen und mit Lichtbogenheizung durch mehrere, mit Wechselstrom versorgte Permanentelektroden, bestehend aus einer gasdichten Kammer mit einem Kammeroberteil, an dem mehrere druckmittel betäti gte Elektrodenvorschubeinrichtungen angeordnet sind, die je einen Zylinder, einen Kolben und eine Kolbenstange aufweisen und mit der jeweiligen Permanentelektrode elektrisch und/oder mechanisch in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb eines jeden Zylinders (15) der Elektrodenvorschubeinrichtung (14) auf dem Kammeroberteil (12) mindestens ein Stützelement (18) angeordnet ist, an dem der Kolben (16} über die nach oben gerichtete Kolbenstange (17) ortsfest gehalten ist., und daß der Zylinder (15) gegenüber dem Kolben beweglich ist und axial geführt durch das Käüimerobertei 1 in die Kammer (10) hineinragt und an seinem unteren Ende eine Befestigungseinrichtung (21) \~ für die Permanentelektrode (22) aufweist.

2L Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (15) koaxial von einem Stromführungsrohr (25) umgeben ist, das sich in radialer Richtung gegen das Kammeroberteil (12) abstützt und das seinerseits als Axialführung für den Zylinder (15) dient.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromführungsrohr (25) doppelwandig ausgebildet ist und aus einem äußeren Rohr (74) und aus einen konzentrischen inneren Rohr (75) besteht, daß die Rohre an den Enden eines zwischen ihnen gebildeten Hohlraums (76) flüssigkeitsdicht abgeschlossen sind und daß der Hohlraum an eine Klihlmi ttel quelle anschließbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützelement (18) mindestens eine Parallelführung (30) vorhanden ist, an der das obere Ende des Zylinders (15) längsbeweglich geführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelführung (30) aus zwei Säulen (53) besteht, an denen das obere Ende des Zylinders (15) über eine Traverse (28) geführt ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2_} dadurch gekennzeichnet, daß das Stromführungsrohr (25) gegenüber dem Zylinder (15) längsbeweglich angeordnet, mit dem Zylinder über eine Spannvorrichtung (27) verbunden ist, und am unteren Ende eine Steuerkante (73) für die Befestigungseinrichtung (21) der Permanentelektrode (22) aufweist und daß die Befestigungseinrichtung (21) aus einem mit dem Zylinder verbundenen Käfig (69) besteht, in dem auf dem Umfang verteilt mehrere Klemmkörper (70) radial beweglich angeordnet sind, die durch eine Absenkbewegung des Stromführungsrohrs (25) über die Steuerkante mit einem an der Permanentelektrode angeordneten

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Anschlußstück (23) in Eingriff bringbar und mit dem Zylinder anhebbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Stirnseite (79) des Zylinders (15) bzw. des Stromführungsrohres (25) und die obere Stirnseite (80) des Anschlußstücks (23) als elektrische Kontaktflächen ausgebiIdet sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzei chnet, daß das Anschlußstück (23) aus einer runden Platte (62) besteht, auf deren einer Seite ein dem Durchmesser entsprechender axialer Kragen (63) und auf deren anderer Seite ein Fortsatz (64) geringeren Durchmessers mit einem radial vorspringenden Rand angeordnet ist, und daß in einer Bohrung des Anschlußstücks eine Zugschraube (66) für die Verspannung des Anschlußstücks mit der Permanentelektrode angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (15) eine Durchführung (81) für das Einleiten von Gasen bzw. Gas-Feststoff-Gemischen enthält und daß die Permanentelektrode (12) gegen eine Blaslanze mit entsprechendem Anschlußstück (23) austauschbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung des Zylinders (15) durch das Kammeroberteil (12) aus einer dynamischen Dichtung (20) besteht, die zwischen mehreren Ringdichtungen (55, 56) Räume (57, 58) gegenüber dem Zylinder (15) bzw. dem Stromführungsrohr (25) aufweist, in denen Drücke erzeugbar sind, die zwischen dem Atmosphärendruck und einem Druck unterhalb oder

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oberhalb des in der Kammer (10) herrschenden Druckes liegen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet; daß die Durchführung des Zylinders (15) durch das Kammeroberteil (12) gleichzeitig als Radiallager für den Zylinder (15) bzw. für das Stromführungsrohr (25) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (23) bis an die dynamische Dichtung (20) heranziehbar ist und in anliegendem Zustand mit ihr eine Abdichtung bildet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kammeroberteil (12) eine Gaszuleitung (60) einmündet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zylindern (15) bzw. zwischen den Permanentelektroden (22) mindestens ein elektrischer Potentialschirm (38) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (15) in der Weise im Kammeroberteil (12) angeordnet sind, daß die Zylinderachsen an den Ecken eines Dreiecks liegen, daß die eine Kante des Dreiecks senkrecht zum Verlauf der Stromschienen (32) und auf diese zugerichtet ist '.-d daß die Spitze des Dreiecks von den Stromschienen wej gerichtet ist.

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16. Betriebsverfahren für die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzenbehandlung unterhalb 150 mbar bei gleichzeitiger Beheizung durch die Permanentelektroden durchgeführt wird.

17. Betriebsverfahren für die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzenbehandlung unterhalb 100 mbar bei gleichzeitiger Beheizung durch die Permanentelektroden durchgeführt wird.

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