DE1038720B - Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung und Regelung der Hoehenlage des Metallschmelzspiegels in Lichtbogenschmelzanlagen fuer Metalle - Google Patents

Description

Die Erfindung dient dazu, in Lichtbogenschmelzanlagen für Metalle, insbesondere aber in solchen Anlagen, in denen der entstehende Metallblock abgesenkt wird und die Schmelzzone dauernd in etwa derselben Höhe bleiben soll, die Höhenlage des Schmelzspiegels zu ermitteln und zu regeln.

Das Lichtbogenschmelzen von Metallen wird insbesondere bei den hochschmelzenden Metallen der Nebenreihe der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, wie Titan, Zirkon, Tantal und Molybdän, benutzt. Für eine Reihe von Verfahren ist es erforderlich, den oberen Spiegel der Metallschmelze sowohl in einer günstigen Entfernung von der Bogenelektrode wie auch bezüglich des Tiegelrandes einzustellen. Insbesondere bei automatisch geregelten Lichtbogenofen mit abwärts gleitendem Schmelzblock sollte der obere Spiegel der Metallschmelze immer eine bestimmte feste Lage einnehmen, so daß die Absenkvorrichtung für den Tiegelboden und damit für den Schmelzblock in Abhängigkeit von dem Zuwachs des Metalls gesteuert werden kann.

Bei der Erfindung war die Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, die gegenüber einer bisher üblichen rein optischen Ermittlung der Schmelzhöhe nicht nur unempfindlich sind, sondern auch eine einfache, selbsttätig wirkende Regelung des Absenkens des Tiegelbodens ermöglicht. Die bisher benutzten optischen Geräte besitzen den Nachteil, daß ihre optischen Elemente wie Linsen usw. durch Bedampfen und Bespritzen aus der Metallschmelze bzw. aus dem Lichtbogen sehr schnell unbrauchbar werden.

Nach dem Gedanken der Erfindung wird diese Aufgabenstellung durch ein neues, besonderes Verfahren gelöst, welches nur außerhalb des Tiegels anzuordnende zusätzliche Mittel zur Feststellung und Regelung der Schmelzhöhe benötigt. Schließlich müssen zumindest in der Lichtbogenzone und auch über der Metallschmelze Vakuumdrücke von nicht mehr als 100 Torr, vorzugsweise wesentlich niedrigere Drücke aufrechterhalten werden, so daß die Anordnung von Kontroll- und Meßeinrichtungen über der Metallschmelze innerhalb des Schmelztiegels nicht ohne umständliche Vorkehrungen für die Vakuum abdichtung oder zur Vermeidung von Gasentladungen möglich wäre.

Erfindungsgemäß werden die mit der Höhe des Schmelzsumpfes sich ändernden magnetischen Eigenschaften des aus Tiegel und Schmelzsumpf bestehenden Anlagenteils zur Bestimmung und gegebenenfalls unmittelbar zur Regelung der Schmelzhöhe herangezogen, indem die elektromagnetische Kopplung zwischen einem Erreger- und einem Anzeigestromkreis von den magnetischen Eigenschaften und der Menge bzw. Tiefe des erschmolzenen Metalls abhängt und die Verfahren und Einrichtung

zur Ermittlung und Regelung

der Höhenlage des Metallschmelzspiegels

in Lichtbogenschmelzanlagen

für Metalle

Anmelder:
W. C. Heraeus

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Hanau/M., Heraeusstr. 12/14

Dipl.-Phys. Helmut Gruber und Helmut Scheidig,

Hanau/M.,
sind als Erfinder genannt worden

zur Anzeige und Regelung nötigen Bestimmungsgrößen liefert.

Die Erfindung beruht also auf der überraschenden Erkenntnis, daß die mit der Niveauzunahme des erschmolzenen Metalls bedingte und sowohl von der Permeabilität als auch den induzierten Wirbelströmen abhängige Änderung der magnetischen Kraftfluß dichte und der induktiven Kopplung von außen am Tiegel befindlichen Spulenanordnungen ideale Umstände liefert, um eine genaue Bestimmung und Regelung der Schmelzhöhe zu erreichen.

Die Erfindung besteht also darin, daß mittels einer den Tiegelraum des Lichtbogenschmelzofens umschlingenden, von primärem Wechselstrom durchflossenen Spule im Tiegelraum ein magnetischer Kraftfluß erzeugt wird, dessen Änderung durch den während des Schmelzens hochsteigenden Metallschmelztiegel infolge der damit verbundenen Änderung der Permeabilität des Tiegelraumes zu einer Änderung des sekundären Wechselstromes führt, der in mindestens einer weiteren den Tiegelraum umschlingenden Spule induziert wird, wobei die Anzeige des sekundären Wechselstromes und/oder seiner Änderungen zur Ermittlung der Höhenlage des Metallschmelzspiegels dient. Die Spulen können auch aufgeteilt sein, so daß die primäre oder auch die sekundäre Spule in zwei Teilen

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symmetrisch zu beiden Seiten der anderen Spule angeordnet ist.

Zum Verständnis der Erfindung wird diese an Hand der Zeichnungen eingehender beschrieben.

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Lichtbogenschmelzanlage; -.·---■

Fig. 2 zeigt eine zur Durchführung des Erfindungsverfahrens geeignete und bewährte Spulenanordnung; Fig. 3 stellt die Prinzipschaltung dar.

Ein im wesentlichen zylindrischer, stehender Metall tiegel 2 hat ein mittels des Schaftes 6σ absenkbares Bodenstück 6; der Tiegel besteht dabei beispielsweise aus Kupfer, welches wegen seiner diamagnetischen Eigenschaften für das Verfahren der Erfindung besonders geeignet ist. Der Metallblock 4 bildet sich durch Schmelzen des zugeführten Ausgangsmaterials im Lichtbogen oder vorzugsweise durch Abschmelzen einer selbstverzehrenden, aus dem zu schmelzenden Metall bestehenden Elektrode 1. Die Elektrode 1 ragt von oben in den Schmelztiegel hinein. Der Lichtbogenstrom wird über die Elektrode und über den Bodenschaft 6 a in einer Weise zugeführt, die aus der Zeichnung ohne weiteres ersichtlich ist.

Der Schmelztiegel 2 ist von einem Kühlmantel 13 umgeben, der die in der Lichtbogenzone 5 entstehende Wärme abführt. Das strömende Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, wird über die Leitungen 39a und 39 fr zu- und abgeführt. Innerhalb des Kühlmantels sind Spulen angedeutet, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung dienen; ihre Arbeitsweise wird weiter unten beschrieben. Das Absenkgetriebe für den Bodenschaft 6 α setzt sich aus dem Antriebsmotor 7 c und einem Kegelradgetriebe 7a und 7 b zusammen, so daß die sich drehende Gewindemuffe 7 den mit Außengewinde versehenen Schaft 6σ in vertikaler Richtung nach oben oder unten bewegen kann.

In den Fig. 2 und 3 wird die zylindrische Wandung des Tiegels 2a bzw. 2b von Erregerspulen 8a, Sb bzw. 8 r und 8d umschlungen, welche vom Wechselstrom gespeist werden. Vorzugsweise benutzt man dazu niederfrequenten technischen Wechselstrom von etwa 30 bis 100 Hertz. Dadurch erzeugen sie im Inneren des Tiegels einen magnetischen Kraftlinienfluß, dessen Dichte von der Höhe des erschmolzenen Metalls bzw. von der Lage des Spiegels der Schmelze abhängig ist. Maßgebend sind dafür nicht nur die Permeabilität des Metalls, das in den wichtigsten Anwendungsfällen, also z. B. bei Titan. Zirkon und Molybdän, paramagnetisch' ist, sondern auch die in der Schmelze bzw. im erstarrten Metall induzierten Wirbelströme, welche das Kraftlinienfeld wieder schwächen. Beide Umstände wirken zusammen, um die magnetische Kopplung zwischen den Erregerkreisen 8 a bis 8d und dem Tndikatorkreis mit der Spule 10 bzw. 10 a in Abhängigkeit von der Höhenlage des Schmelzspiegels bzw. des erstarrenden Metallblockes zu ändern. Das im Sekundärkreis 10 eingeschaltete Meßinstrument 11 zeigt die Stärke des induzierten Stromes an; an seiner Stelle kann irgendein an sich bekannter Regelkreis oder eine Relaiseinrichtung angeschlossen werden, die auf den Motorantrieb 7 c für das Bodenstück 6 oder auf die Einstell- \'orrichtung für die Stellung der Elektrode zurückwirkt.

Eine bevorzugte Anordnung, wie sie die Fig. 2 und 3 zeigen, besteht aus einer empfindlichen Differenzschaltung, indem die Spulen 8a und Sb symmetrisch zur ungefähren Lage des Schmelzspiegels bzw. zur Indikatorspule 10 gewickelt sind, so daß der in der Spule 10 induzierte Strom von der Differenz der Kraftliniendichte in den beiden Syr.inu-triehälften abhängt.

Ohne weiteres können die koaxial zum Tiegelrohr angeordneten Spulen auch in ihrer Aufgabe vertauscht werden, so daß die Spule 10 als Primärspule wirkt und in den Spulenhälften 8a und Sb antiparallele Sekundärströme induziert werden, die sich etwa bei gleicher Kraftliniendichte in beiden Symmetriehälften gegenseitig aufheben wurden, jedoch bei ungleicher

ίο Dichte sich nicht ganz kompensieren. Der Differenzstrom wird dann zur Impulsgabe auf das Meßinstrument oder auf die Relais- oder Regeleinrichtung benutzt.

Erfindungsgemäß wird noch als empfehlenswerte Maßnahme vorgeschlagen, Abgleichmöglichkeiten einzubauen, um von vornherein die Einrichtung so einzujustieren, daß keine Spannung in der Indikatorspule induziert wird, solange das im Inneren der Spulen befindliche Tiegelrohr leer ist. Dazu kann einerseits der Abgleichwiderstand 14 für den bei 9 mit Wechselstrom gespeisten Erregerstromkreis dienen. Andererseits eignen sich auch Maßnahmen, die die magnetische Kraftliniendichte bzw. ihre Symmetrieverhältnisse durch paramagnetische oder ferromagnetische Stellglieder in gewissen Grenzen zu ändern gestatten. Wie die Fig. 2 und 3 veranschaulichen, werden zu diesem Zweck symmetrisch angeordnete, die Tiegel umschlingende, geschlitzte, aus ferromagneti schein Werkstoff, z. B. Eisen, bestehende Ringe 12 a und 12 J> über den Tiegel geschoben, durch deren Lage die Kraftflußdichte geregelt werden kann. Die aufgeschobenen Metallringe 12 a und 12/» können auch dazu verwendet werden, die Höhe des Schmelzspiegels innerhalb der Spulenanordnung in gewissen Grenzen einzustellen.

Die Bestimmung und Regelung der Schmelzhöhe beruht darauf, daß im Verlaufe des Betriebs die entstehende Schmelze bzw. der erstarrende Metallblock 4 allmählich in die Spulenanordnung hineinwächst und dadurch die Kopplungssymmetrie der Erregerspulen zur Indikatorspule 10 stört und in letzterer eine meßbare Spannung entsteht, die über Verstärker, Relais und Antriebsmotor das Senken des Tiegelschaftes 6a steuert.

Niederfrequenter, am einfachsten technischer Wechselstrom ist zur Speisung der Erregerspulen bestens geeignet, weil bei den niedrigen Frequenzen die Eindringtiefe der Kraftlinien noch am größten ist und die erzeugten Wirbelströme noch relativ klein sind, so daß die Verdrängung der Kraftlinien gering ist. Die ferromagnetischen Abgleicheinrichtungen 12σ bis 12rf dienen zweckmäßig auch zur Kompensation äußerer ferromagnetischer Unsymmetrien, die beispielsweise durch den Antriebsmotor usw. entstehen können.

Die zuvor näher beschriebenen Spulenanordnungen erschöpfen noch nicht alle Verwirklichungsmöglichkeiten der Erfindung. Es läßt sich beispielsweise auch unmittelbar eine einzelne Spule verwenden, da sich auch ihre Selbstinduktion mit der Höhe der als Spulenkern wirkenden Metallschmelze ändert. Zweckmäßig ist dann die Verwendung einer Meßbrückenanordnung mit anderen konstanten Induktivitäten in den Vergleichzweigen, wobei die den Tiegel umschlingende Spule als Meßzweig dient. Im Brückenzweig sind dann die bekannten Meß- und Regelgeräte anzuordnen. Es empfiehlt sich aber auch hier eine Differenzschaltung, indem eine einzige Spule in zwei räumlich getrennte Hälften aufgeteilt wird und mit ihren beiden Hälften zwei benachbarte Meßzweige der Brücke bildet, um die mit der Lageänderung des

Schmelzspiegels auftretende induktive Unsymmetrie ausnützen zu können.

So liefert das neue Verfahren einen praktisch wertvollen Weg zur Ermittlung und Regelung der Höhenlage einer Metallschmelze in Lichtbogenschmelzöfen, insbesondere Vakuumlichtbogenofen.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung der Höhenlage des Schmelzspiegels eines im Tiegelraum von Lichtbogenschmelzanlagen zu erzeugenden Metallblockes, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer den Tiegelraum umschlingenden, von primärem Wechselstrom durchfiossenen Spule im Tiegelraum ein magnetischer Kraftnuß erzeugt wird, dessen Änderung durch den während des Schmelzens hochsteigenden Metallschmelzspiegel infolge der damit verbundenen Änderung der Permeabilität des Tiegelraumes zu einer Änderung des in mindestens einer weiteren, den Tiegelraum umschlingenden Spule induzierten sekundären Wechselstromes führt, wobei die Anzeige des sekundären Wechselstromes und/oder seiner Änderungen zur Ermittlung der Höhenlage des Metall-Schmelzspiegels dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer der vom primären Wechselstrom durchfiossenen Spule noch zwei weitere Sekundärspulen vorgesehen sind, von denen eine oberhalb und eine unterhalb der ersten Spule symmetrisch angeordnet ist, und daß die verschiedene Größe und/oder Änderung der in den beiden Sekundärspulen induzierten Wechselströme beim Hochsteigen des Metallschmelzspiegels eine genaue Ermittlung der Höhenlage des Schmelzspiegels in einem durch die Lage der drei Spulen bedingten Höhenbereich ermöglichen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden symmetrisch liegenden Spulen von primärem erregendem Wechselstrom durchflossen werden und daß dabei der in der anderen, dritten Spule induzierte sekundäre Wechselstrom und seine Änderungen zur Ermittlung der Höhenlage des Metallschmelzspiegels benutzt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleichen des magnetischen Kraftflusses zusätzliche an sich bekannte Vorrichtungen, beispielsweise Ringe aus ferro- oder paramagnetischem Material benutzt werden, die zur Vermeidung von Verlusten noch geschlitzt sein können.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Höhenlage des Metallschmelzspiegels niederfrequenter Wechselstrom von 30 bis 100 Hertz, vorzugsweise technischer Wechselstrom von 50 Hertz, benutzt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, unter Verwendung einer solchen Anzeigevorrichtung, vorzugsweise eines Meßinstrumentes, die unmittelbar die Höhenlage des Metallschmelzspiegels anzeigt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Wechselströme und/oder deren Änderungen zur Anzeige und/oder über eine der bekannten Regeleinrichtungen auch zur Einstellung der Höhenlage des Schmelzspiegels benutzt werden.

8. Lichtbogenschmelzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aufrecht stehende, zur Aufnahme der Schmelze sowie des erstarrenden Metallblockes dienende, im wesentlichen zylindrische Tiegel, in den die Lichtbogenelektrode von oben hineinragt, von Spulen für den primären und sekundären Wechselstrom umgeben ist und mit Mitteln zum Verändern der Höhenlage des Metallschmelzspiegels, beispielsweise einem motorisch in seiner Höhenlage veränderlichen Tiegelboden, versehen ist.

9. Lichtbogenschmelzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen für den primären und sekundären Wechselstrom den Tiegelmantel etwa in der Höhe der Lichtbogenzone umgeben und der sekundäre Wechselstrom oder seine Änderung über an sich bekannte elektromechanische Regelgeräte die Höhenlage des Tiegelbodens sowie des Schmelzspiegels beeinflußt.

10. Lichtbogenschmelzanlage nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Tiegelraum umgebenden Spulen aus einer mittleren und zwei symmetrisch zu ihr liegenden Spulen bestehen, von denen entweder die mittlere oder die zu ihr symmetrisch liegenden Spulen vom primären Wechselstrom durchflossen werden und die in den anderen Spulen erzeugten sekundären Wechselströme und/oder deren Änderungen über an sich bekannte Geräte zum Verändern und Einstellen der Höhenlage des Schmelzspiegels benutzt werden.

11. Lichtbogenschmelzanlage nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgleichung des Magnetfeldes ein oder mehrere symmetrisch zur Spulenanordnung liegende Ringe aus ferro- oder paramagnetischem Material, beispielsweise Eisen, vorgesehen sind, die den Tiegelraum umgeben und in der Nähe der Spulenanordnung verschiebbar angeordnet sind, wobei diese Ringe zur Vermeidung von Induktionsverlusten geschlitzt sein können.

12. Lichtbogenschmelzanlage nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen und ferromagnetischen Abgleichringe bei Vorhandensein eines den Tiegelraum umgebenden Kühlmantels in diesem oder außerhalb von ihm angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 637/250 9.