Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitskupplung für einen Schmelzofen, insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, sowie einen Schmelzofen mit einer solchen Flüssigkeitskupplung.

Hintergrund der Erfindung

Schmelzöfen werden zur Herstellung von Metalllegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen und ggf. Zuschlägen verwendet. Schmelzöfen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie werden sowohl beim Umschmelzen von Metall mittels eines Lichtbogens unter Vakuum genutzt als auch bei so genannten Elektroschlacke-Umschmelzverfahren. Der Schmelzvorgang erfolgt dadurch, dass eine Elektrode in eine Schmelze eingetaucht und mit einem sogenannten Schmelzstrom versorgt wird. Die Schmelze wirkt als elektrischer Widerstand, wodurch die Schmelze durch den Schmelzstrom erhitzt wird.

Der Schmelzofen weist üblicherweise einen Schmelztiegel, der kalt oder feuerfest ausgekleidet sein kann, eine Ofenhaube, die den Schmelztiegel verschließt, und eine Elektrodenstange auf, die durch eine Vakuum- und/oder gasdichte Durchführung in der Ofenhaube in den Schmelztiegel eintaucht. Die Elektrodenstange, welche die Elektrode trägt, ist an eine Hochstromversorgung angeschlossen. Da die Elektrode nach und nach verbraucht wird - man spricht hierbei von einer "sich selbst verzehrenden Elektrode" - muss die Elektrode während des Betriebs nachgeführt werden. Um die Elektrodenstange mit der daran angebrachten Elektrode nachführen zu können, besitzt die Anlage gewöhnlich einen höhenverstellbaren Elektrodenwagen oder eine Antriebstechnik zum Halten und Verfahren der Elektrodenstange.

Schmelzöfen der oben beschriebenen Art gehen beispielsweise aus der DE 42 07 967 AI DE 101 56 966 A1 , WO 2013/1 17529 A1 und WO 2014/177129 A2 hervor.

Im laufenden Prozess ist es erforderlich, die Elektrode nachzuführen und die Abschmelzrate genau zu regeln, beispielsweise um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Doch nicht nur die Eintauchtiefe der Elektrode in den Schmelztiegel beeinflusst den Einschmelzvorgang, sondern auch die Abschmelzform, d.h. die Geometrie und Lage der Elektrodenspitze.

Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Einschmelzvorgang in einem Schmelzofen, insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen und NichtEisenlegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, zu verbessern.

Gelöst wird die Aufgabe mit einer Flüssigkeitskupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Schmelzofen mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Die Flüssigkeitskupplung gemäß der Erfindung ist für einen Schmelzofen, insbesondere zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, ausgelegt.

Der Schmelzofen ist eine Anlage, die zur Herstellung von Metalllegierungen und Nicht-Eisenlegierungen durch elektrisches Umschmelzen einer Elektrode, ggf. unter Vakuum, dient. Der Schmelzofen ist beispielsweise ausgeführt als: Elektro- Schlacke-Umschmelzanlage (ESU) unter Schutzgas oder Atmosphäre mit Stand- und/oder Gleittiegel; Druck-Elektro-Schlacke-Umschmelzanlage (DESU) unter unterschiedlichen Schutzgasen oder Prozessgasen mit Stand- und/oder Gleittiegel; Elektro-Schlacke-Schnell-Umschmelzanlage (ESSU) mit Stand- und/oder Gleittiegel zur kontinuierlichen Herstellung von gegossenen oder geschmolzenen Strängen; Licht-Bogen-Vakuum-Schmelzofen (LBV); Kombinationsanlage aus den genannten Bauformen, insbesondere für eine ESU- Anlage mit Standtiegel und/oder Gleittiegel sowie einen "Electron Beam Furnace" (EB). Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung "Schmelzofen" nicht im engeren Sinne nur den "Ofen" oder den Schmelztiegel umfasst, sondern die Schmelzanlage insgesamt bezeichnet.

Die Flüssigkeitskupplung gemäß der Erfindung weist einen ersten Kupplungsteil und einen zweiten Kupplungsteil auf, die zumindest entlang eines Freiheitsgrads relativ zueinander beweglich sind. Die Flüssigkeitskupplung stellt somit eine mechanische, nicht-starre Verbindung zwischen zwei Komponenten des Schmelzofens bereit. Vorzugsweise ist die Flüssigkeitskupplung mit einer sich selbst verzehrenden Elektrode des Schmelzofens verbunden. Die oben angegebene Beweglichkeit entlang eines Freiheitsgrads umfasst beispielsweise eine Verschiebbarkeit zumindest einer der beiden Kupplungsteile entlang einer Trajektorie oder Richtung und/oder Rotierbarkeit um eine oder mehrere Achsen. Der erste Kupplungsteil und der zweite Kupplungsteil weisen jeweils zumindest eine elektrisch leitfähige Kupplungsfläche auf, die einander zugewandt, relativ zueinander gemäß dem Freiheitsgrad beweglich und um einen Spalt voneinander beabstandet sind. In diesem Spalt befindet sich zumindest abschnittsweise eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Vorzugsweise ist die leitfähige Flüssigkeit eine wässrige und/oder salzhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige und/oder metallische Flüssigkeit. Die leitfähige Flüssigkeit ist beispielsweise Flüssig-Gallium

Die so aufgebaute Flüssigkeitskupplung erlaubt nicht nur eine verschleißarme, bewegliche Kopplung zweier Komponenten des Schmelzofens, sondern gleichzeitig kann ein elektrischer Strom auf zuverlässige Art und Weise zwischen den beiden Komponenten übertragen werden. Die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeitskupplung ist nicht durch sich abnutzende Reibkontakte beeinträchtigt. Vielmehr bleibt die Leitfähigkeit unabhängig von der Nutzungsdauer und Nutzungsart konstant hoch. Insbesondere wird die Leitfähigkeit auch bei Rotationen mit hohen Drehzahlen nicht beeinträchtigt, wodurch die Flüssigkeitskupplung zum Nachführen und Oszillieren einer sich selbst verzehrenden Elektrode besonders gut geeignet ist.

Vorzugsweise ist der erste Kupplungsteil ein zylindrischer Innenteil und der zweite Kupplungsteil ein zumindest abschnittsweise hohlzylindrischer Außenteil, wodurch letzterer eine zylindrische Öffnung aufweist, in die der Innenteil zumindest teilweise eingebracht und koaxial gelagert ist. Auf diese Weise lässt sich auf baulich einfache und zuverlässige Weise eine relative Rotierbarkeit bzw. Oszillierbarkeit der beiden Kupplungsteile um eine gemeinsame Achse (die Zylinderachse) und/oder axiale Verschiebbarkeit realisieren.

Vorzugsweise befindet sich in dem Spalt zwischen den Kupplungsflächen des ersten Kupplungsteils und des zweiten Kupplungsteils ferner ein Schutzgas, das beispielsweise eine temperaturbedingte Ausdehnung der leitfähigen Flüssigkeit kompensieren kann. Die Zusammensetzung und Beschaffenheit des Schutzgases kann gemäß den Prozessbedingungen und der leitfähigen Flüssigkeit geeignet gewählt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das Schutzgas der Flüssigkeitskupplung nicht mit einem etwaigen Schutzgas des Schmelzofens zu verwechseln ist.

Vorzugsweise weist die Flüssigkeitskupplung ferner eine oder mehrere Dichtungen auf, die den Spalt zwischen den Kupplungsflächen des ersten Kupplungsteils und des zweiten Kupplungsteils fluiddicht abdichten.

Der erste Kupplungsteil oder der zweite Kupplungsteile ist vorzugsweise ein Abschnitt einer sich selbst verzehrenden Elektrode oder mit einer solchen verbunden. Der entsprechende Kupplungsteil ist beispielsweise über eine Elektrodenstange mit der Elektrode verbunden. Der andere Kupplungsteil ist vorzugsweise mit einer Stromversorgung verbunden, die eingerichtet ist, um die Elektrode über die Flüssigkeitskupplung mit Strom zu versorgen. Je nach Anwendung kann die Stromversorgung hierbei Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen.

Der Schmelzofen gemäß der Erfindung weist einen Schmelztiegel auf, der vorzugsweise kalt oder feuerfest ausgekleidet ist. Der Schmelztiegel, etwa als bodenseitig geschlossenes hohlzylindrisches Gefäß ausgeführt, ist zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, Zuschlägen usw. ausgelegt. Der Schmelzofen weist ferner eine Elektrodenstange mit einer daran angebrachten sich selbst verzehrenden Elektrode und eine Stromversorgung auf, die eingerichtet ist, um die Elektrode über die Elektrodenstange mit Strom zu versorgen, so dass Schmelzenergie in die Metallschmelze im Schmelztiegel, die auch als Schmelzbad, Sumpf oder Metallsumpf bezeichnet wird, einbringbar ist, beispielsweise zwischen der Elektrode und der Metallschmelze ein Lichtbogen entzündbar ist. Der Schmelzofen weist ferner eine Flüssigkeitskupplung gemäß der obigen Beschreibung auf, die mechanisch und elektrisch mit der Elektrodenstange und zumindest elektrisch mit der Stromversorgung verbunden ist, um die Elektrode über die Elektrodenstange und die Flüssigkeitskupplung mit Strom zu versorgen. Zu diesem Zweck ist der erste oder zweite Kupplungsteil mit der Elektrodenstange verbunden, worunter auch eine integrale oder einstückige Ausbildung fällt.

Vorzugsweise ist die Elektrodenstange während des Schmelzvorgangs um die eigene Achse rotierbar und entlang der eigenen Achse verfahrbar.

Die Rotierbarkeit und Verfahrbarkeit der Elektrodenstange während des Schmelzprozesses erlaubt eine präzise Nachführung und Justierung der Elektrode, wodurch die Stabilität des Schmelzprozesses verbessert wird. Die Verfahrbarkeit ist hierbei insbesondere entlang der Axialrichtung der Elektrodenstange vorgesehen, d.h. üblicherweise in Schwerkraftrichtung. Insbesondere kann ein ungleichmäßiges Abschmelzen der Elektrodenspitze durch eine Kombination aus Rotation und Anheben/Absenken der Elektrode kompensiert werden.

Die Verfahrbarkeit der Elektrodenstange erlaubt vorzugsweise eine oszillierende Bewegung, um die Elektrodenstange entsprechend dem Elektrodenverbrauch oszillierend nachführen zu können. Durch das Oszillieren der Elektrode wird die Elektrodenspitze im Schlackebad konstant in einem definierten Bereich gehalten, insbesondere wird der Abstand zwischen der Elektrodenspitze im Schlackebad und der Oberfläche desselben konstant gehalten.

Vorzugsweise ist die Elektrodenstange über eine Elektrodenaufnahme an einem Elektrodenwagen befestigt, der an einer Ofensäule gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist. Die Ofensäule, etwa als Teil eines Gestells des Schmelzofens, erlaubt die modulare Anbringung und Führung verfahrbarer Komponenten des Schmelzofens.

Vorzugsweise ist der Elektrodenwagen mittels eines Spindelantriebs oder Hydraulikzylinders verfahrbar, wobei der Spindelantrieb besonders bevorzugt am Elektrodenwagen befestigt ist und eine oder mehrere motorisch, etwa elektromotorisch, angetriebene Spindelmuttern aufweist, die mit einer Spindel, die im Wesentlichen parallel zur Ofensäule verläuft, zusammenwirken. Auf diese Weise lässt sich die vertikale Verjährbarkeit der Elektrode auf baulich einfache und zuverlässige sowie modulare Weise bewerkstelligen.

Vorzugsweise weist der Schmelzofen einen motorischen, etwa elektromotorischen, Drehantrieb zum Rotieren der Elektrodenstange um deren Achse auf, wobei der Drehantrieb vorzugsweise an der Elektrodenaufnahme angebracht ist. Auf diese Weise lässt sich die Rotierbarkeit der Elektrode auf baulich einfache und zuverlässige sowie modulare Weise bewerkstelligen. Zudem ist ein gleichzeitiges Rotieren und Verfahren der Elektrode während des Schmelzprozesses gewährleistet.

Vorzugsweise weist der Schmelzofen eine verfahrbare Ofenhaube auf, die zum Verschließen des Schmelztiegels eingerichtet ist, wobei die Elektrodenstange und/oder die Elektrode durch eine vorzugsweise vakuum- und gasdichte Durchführung in der Ofenhaube in den Schmelztiegel eintaucht. Vorzugsweise ist die Ofenhaube für verschiedene Tiegelabmessungen kompatibel. Die Durchführung der Ofenhaube gestattet trotz der bevorzugten Vakuum- und Gasdichtigkeit die vertikale Bewegung der Elektrodenstange relativ zum Schmelztiegel. Die Ofenhaube ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform über einen Haubenwagen an der Ofensäule angebracht und durch diese geführt. Die Höhenverstellung der Ofenhaube kann beispielsweise mittels eines Spindelantriebs erfolgen. Vorzugsweise ist die Ofenhaube jedoch stattdessen mittels eines Hydraulikzylinders oder Spindelantriebs am Elektrodenwagen angebracht, wodurch ein Relativabstand dazwischen auf hydraulische Weise einstellbar ist.

Vorzugsweise ist der Schmelztiegel über eine Ofenbühne an einem Bühnenwagen befestigt, der an der Ofensäule gehalten und zur Verfahrbarkeit geführt ist. So lässt sich der Schmelztiegel auf modulare Weise an der Ofensäule anbringen.

Vorzugsweise ist der Bühnenwagen mittels eines Bühnenspindelantriebs verfahrbar, wobei der Bühnenspindelantrieb vorzugsweise am Bühnenwagen befestigt ist und eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern aufweist, die mit einer Bühnenspindel, die im Wesentlichen parallel zur Ofensäule verläuft, zusammenwirken. Auf diese Weise lässt sich die vertikale Verfahrbarkeit des Schmelztiegels auf baulich einfache und zuverlässige sowie modulare Weise bewerkstelligen.

Vorzugsweise weist der Schmelzofen eine oder mehrere Wiegezellen auf, die Messzellen zum Wiegen des Gewichtes der Elektrode und/oder des (um)geschmolzenen Blockes bzw. Schmelzbads im Schmelztiegel sind. Vorzugsweise sind die Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels und/oder am Elektrodenwagen und/oder am Bühnenwagen, besonders bevorzugt unterhalb des Schmelziegels, installiert. Üblicherweise werden Wiegezellen am Kopf des Schmelztiegels mit zugehörigen Aufnahmeplatten installiert. In diesem Fall können die gemessen Gewichtsmesswerte durch den Rotationsbetrieb der Elektrode verfälscht werden. Ein Einbau der Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels, gegebenenfalls alternativ oder zusätzlich am Elektrodenwagen und/oder am Bühnenwagen, kann die Messgenauigkeit bei einem Schmelzofen mit rotierender Elektrode verbessern. Wenngleich die Erfindung besonders bevorzugt im technischen Umfeld der Herstellung von Metallegierungen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden, insbesondere wenn eine sich selbst verzehrende Elektrode durch elektrisches Entzünden und Aufrechterhalten eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und einer Schmelze zum Einsatz kommt. Speziell seien genannt das elektrochemische Schmelzen von Aluminium, Silizium und Kalziumkarbid. Die Erfindung ist ferner zur Herstellung von Metallpulver für 3D-Drucker geeignet.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Figur 1 zeigt einen Schmelzofen mit Schmelztiegel und einer rotierbaren und verfahrbaren Elektrodenstange.

Die Figuren 2a bis 2c zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Kontaktiereinrichtungen zur stromleitenden Verbindung der rotierbaren und verfahrbaren Elektrodenstange mit einer Stromversorgung.

Die Figuren 3a und 3b zeigen Formen der Elektrodenspitze und des sich darunter befindlichen Metallsumpfes. Die Figuren 4a und 4b zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Flüssigkeitskupplungen zur stromleitenden Verbindung zweier relativ zueinander beweglicher Komponenten.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholende Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.

Die Figur 1 zeigt einen Schmelzofen 1 , der zur Herstellung von Metalllegierungen durch elektrisches Umschmelzen einer Elektrode, ggf. unter Vakuum, dient. Der Schmelzofen 1 ist beispielsweise ausgeführt als: Elektro-Schlacke- Umschmelzanlage (ESU) mit Stand- und/oder Gleittiegel; Druck-Elektro-Schlacke- Umschmelzanlage (DESU) mit Stand- und/oder Gleittiegel; Elektro-Schlacke- Schnell-Umschmelzanlage (ESSU) mit Stand- und/oder Gleittiegel zur kontinuierlichen Herstellung von gegossenen oder geschmolzenen Strängen; Licht-Bogen-Vakuum-Schmelzofen (LBV); Kombinationsanlage aus den genannten Bauformen, insbesondere für eine ESU-Anlage mit Standtiegel und/oder Gleittiegel sowie einen "Electron Beam Furnace" (EB).

Der Schmelzofen 1 weist einen Schmelztiegel 10 auf, der vorzugsweise kalt oder feuerfest ausgekleidet ist. Der Schmelztiegel 10 ist ein bodenseitig geschlossenes hohlzylindrisches Gefäß, das zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, Zuschlägen usw. ausgelegt ist. Der Schmelzofen 1 weist ferner eine Ofenhaube 20 auf, die zum Verschließen des Schmelztiegels 10 eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die Ofenhaube 20 für verschiedene Tiegelabmessungen kompatibel. Zudem weist die Ofenhaube 20 vorzugsweise eine Kühlung, etwa

Wasserkühlung, auf.

Oberhalb der Ofenhaube 20 ist ein höhenverstellbarer Elektrodenwagen 30 zum Halten, drehbaren Lagern, Rotieren und Verfahren einer Elektrodenstange 40 vorgesehen. Zu diesem Zweck weist der Elektrodenwagen 30 eine Elektrodenaufnahme 31 auf, welche die Elektrodenstange 40 drehbar lagert. Der Elektrodenwagen 30 kann zudem einen Drehantrieb 32 zum Rotieren bzw. Drehen der Elektrodenstange 40 um deren Achse aufweisen. Der Drehantrieb 32 kann beispielsweise an der Elektrodenaufnahme 31 angebracht oder mit dieser integriert sein, so dass eine Höhenverstellung des Elektrodenwagens 30 zusammen mit der Elektrodenstange 40 bei gleichzeitig rotierender Elektrodenstange 40 gewährleistet ist.

Die Elektrodenstange 40 trägt bzw. hält eine sich selbst verzehrende Elektrode 41 , die auch als "sich selbst verbrauchende Elektrode" bezeichnet wird.

Bei aufgesetzter Ofenhaube 20 und im montierten Zustand des Elektrodenwagens 30 und der Elektrodenstange 40 taucht die Elektrodenstange 40 und/oder die Elektrode 41 durch eine Vakuum- und gasdichte Durchführung 21 in der Ofenhaube 20 in den Schmelztiegel 10 ein. Die Schmelzenergie im Innern des Schmelztiegels 10 wird beispielsweise durch einen Lichtbogen erzeugt, der zwischen der Spitze der Elektrode 41 und der Oberfläche des Schmelzbades S (auch als "Sumpf oder "Metallsumpf bezeichnet) brennt. Um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, muss der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und der Oberfläche des Schmelzbades S im definierten Bereich konstant gehalten werden.

Zum Anlegen eines Schmelzstroms an die Elektrode 41 ist diese über Stromleitungen 51 mit einer Stromversorgung 50, die vorzugsweise eine Hochstromversorgung ist, verbunden. Die Stromleitungen 51 können durch Stromschienen 52, die mit flexiblen Strombändern oder Stromkabeln 53 verbunden sind, allein durch flexible Stromkabel 53 oder auf andere Weise realisiert werden, um trotz Verstellbarkeit des Elektrodenwagens 30 eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Die Stromleitungen 51 sind mit Kontaktiereinrichtungen 43 eines Stromabnehmers 42 verbunden. Der Stromabnehmer 42 ist Teil der Elektrodenstange 40 oder mit dieser verbunden, um den Strom, bereitgestellt von der Stromversorgung 50, über die Kontaktiereinrichtungen 43 an die rotierbare und verfahrbare Elektrodenstange 40 zu transferieren. Der Stromabnehmer 42 kann hierbei für verschiedene Formate von Elektrodenstangen 40 kompatibel aufgebaut sein. Der Stromabnehmer 42 kann Durchführungen zur Aufnahme der Stromleitungen 51 und/oder zum Schutz vor Beschädigungen und Schmutz aufweisen. Der Stromabnehmer 42, über den die Stromübertragung an die Elektrodenstange 40 erfolgt, ist vorzugsweise wasser- oder luftgekühlt.

Gemäß der Ausführungsform der Figur 1 ist eine Kupplung 44 zwischen der Elektrodenstange 40 und einem Stub 45 vorgesehen, wodurch ein Stromkreis zur Versorgung der Elektrode 41 und eine Halterung der Elektrode 41 aufgebaut wird, so dass zwischen der Elektrode 41 und der Schmelze ein Lichtbogen im Schmelztiegel 10 entzündbar ist bzw. Schmelzenergie in die Schmelze einbringbar ist und dieser mit dem höhenverstellbaren Elektrodenwagen 30 über die gesamte Schmelzzeit unter Vakuum, Schutzgas oder Atmosphäre konstant gehalten werden kann.

Bei Anlagen, die unter Vakuum betrieben werden, wie etwa LBV oder EB-Öfen, wird die Schmelzenergie durch den Lichtbogen erzeugt, der zwischen der Spitze der Elektrode 41 und der Oberfläche des Schmelzbades S im Schmelztiegel 10 brennt. Um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, muss der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und der Oberfläche des Schmelzbades S konstant gehalten werden. Dies erfolgt über eine nicht dargestellte Regelung, die beispielsweise rechnergestützt und algorithmisch erfolgen kann. Bei Anlagen, die unter Schutzgas oder Atmosphäre betrieben werden, wie etwa ESU oder Schutzgas-ESU-Anlagen, wird die Schmelzenergie durch die Umwandlung der elektrischen Energie mit dem Widerstand der Schlacke in joulesche Wärme umgewandelt.

Zur Nachführung, Justierung und Oszillation der Elektrodenstange 30 weist der Schmelzofen 1 den oben genannten höhenverstellbaren Elektrodenwagen 30 zum Halten der Elektrodenstange 40 auf. Die Verfahrbarkeit der Elektrodenstange 30 ist hierbei entlang der Axialrichtung der Elektrodenstange 40 vorgesehen, d.h. in der HocIWRunterrichtung gemäß der Figur 1. Die Elektrodenstange 40 wird entsprechend dem Elektrodenverbrauch vorzugsweise oszillierend nachführt. Durch das Oszillieren der Elektrode 41 wird die Elektrodenspitze im Schlackebad konstant in einem definierten Bereich gehalten, insbesondere wird der Abstand zwischen der Elektrodenspitze im Schlackebad und der Oberfläche desselben konstant gehalten. Die Verfahrbarkeit wird vorzugsweise durch einen Spindelantrieb 33 realisiert, der Teil des Elektrodenwagens 30 oder mit diesem starr verbunden ist. Der Spindelantrieb 33 wirkt mit einer Spindel 61 eines Gestells 60 zusammen, das Komponenten des Schmelzofens 1 , insbesondere den Elektrodenwagen 30, die Ofenhaube 20 sowie den Schmelztiegel 10 trägt. Beispielsweise kann der Spindelantrieb 33 über eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern verfügen, die in ein Gewinde der Spindel 61 eingreifen, um durch Drehung der Spindelmuttern den Elektrodenwagen 30 in der Höhe zu verstellen.

Die Kontaktiereinrichtungen 43 können auf verschiedene Weise aufgebaut sein, zudem aus verschiedenen leitenden und nicht-leitenden Materialien bestehen, solange eine sichere Kontaktierung mit der drehbaren Elektrodenstange 40 gewährleistet ist. So zeigt die Figur 2a eine Aufnahme 43a, in die Flüssig-Gallium 43b eingebracht ist. In das Flüssig-Gallium ist ferner eine Stromabgabe 43c, die mit der Stromversorgung 50 über die Stromleitungen 51 verbunden ist, eingetaucht. Als flüssiges Stromübertragungsmittel kommen hierbei auch andere stromleitende Flüssigkeiten in Betracht. Die Kontaktiereinrichtung 43 umfasst somit vorzugsweise eine Flüssigkeitskupplung, die weiter unten mit Bezug auf die Figuren 4a und 4b im Detail beschrieben ist.

Die Figur 2b zeigt einen weiteren beispielhaften Aufbau zur Stromübertragung, der Bürsten 43d, beispielsweise aus einem graphithaltigen und/oder kupferhaltigen Material (etwa Graphit, Hartgraphit, Kohle, Kohlefaser, Kupfer, Kupferlegierung usw.), nutzt, die verbunden mit einer Aufnahme 43e mit der Elektrodenstange 40 im Reibkontakt stehen. Die Figur 2c zeigt einen weiteren Aufbau, der anstelle der Bürsten 43d ein Schalenelement 43f anwendet, das gehalten in einer Aufnahme 43g mit der Elektrodenstange 40 im Reibkontakt steht. Das Schalenelement 43f kann einstückig oder mehrteilig und beispielsweise aus einem graphithaltigen Material gefertigt sein. Ferner kann das Schalenelement 43f mittels elastischer Elemente, etwa Federn, gegen die Elektrodenstange 40 gedrückt werden, um eine sichere Kontaktierung zu gewährleisten.

Neben der Rotierbarkeit um die eigene Achse und vertikalen Verfahrbarkeit entlang der eigenen Achse (entspricht der Achse der weiter unten beschriebenen Ofensäule 62) kann die Elektrodenstange 40 auch entlang oder um weitere Achsen beweglich gelagert sein, um die Justierbarkeit und damit Stabilität beim Aufschmelzen zu verbessern. Ferner kann der Stromabnehmer 42 verstellbar eingerichtet sein, um an die Elektrodenstange 40 angepasst werden zu können. Zu diesem Zweck kann der Stromabnehmer 42 über einen oder mehrere Medienanschlüsse verfügen, die von entsprechenden Regelstellen versorgt und gesteuert werden. Um die Stromversorgung über den Stromabnehmer 42 zu vereinfachen, kann die Zusammenwirkung zwischen diesem und der Elektrodenstange 40 modularisiert werden. So können die Kontaktiereinrichtungen 43 durch Fixiereinrichtungen am Stromabnehmer 42 befestigt sein und in korrespondierende Fixieraufnahmen an der Elektrodenstange 40 eingreifen bzw. in diesen aufgenommen sein, wie dies beispielhaft für die Ausführungsformen der Figuren 2a bis 2c dargelegt wurde. Auf diese Weise kann der Stromabnehmer 42 zuverlässig mit der Elektrode 41 als Verbraucher verbunden werden. Die Elektrodenstange 40 kann durch die oben erwähnte Kupplung 44 geteilt sein (oder die Elektrode 41 kann über die Kupplung 44 mit der Elektrodenstange 40 verbunden sein), um einen Wechsel der Elektrode 41 , insbesondere den Austausch einer verbrauchten Elektrode 41 mit einer neuen Elektrode 41 , zu vereinfachen. Die Kupplung kann hydraulisch oder pneumatisch betätigbar sein.

Das Gestell 60 kann eine Ofensäule 62 aufweisen, an welcher der Elektrodenwagen 30 und/oder die Ofenhaube 20 geführt und gehalten werden. Zudem können weitere Komponenten, so etwa der Spindelantrieb 33, an der Ofensäule 62 geführt und gehalten werden, um auf diese Weise einen modularen Aufbau des Schmelzofens 1 zu erzielen. So wird der Schmelztiegel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform über eine Ofenbühne 1 1 und einen Bühnenwagen 12 ebenfalls an der Ofensäule 62 geführt und gehalten. Während bei einer Standtiegelanlage die Ofenbühne 1 1 feststeht, ist gemäß der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform (Gleittiegelanlage), der Schmelztiegel 10 auf diese Weise höhenverstellbar. Zu diesem Zweck kann die Ofenbühne 11 über eine Führung 13 und/oder den Bühnenwagen 12 an der Ofensäule 62 verfahrbar angebracht sein. Die Verfahrbarkeit kann über einen Bühnenspindelantrieb 14 realisiert sein, der mit einer Bühnenspindel 15 zusammenwirkt. Beispielsweise kann der Bühnenspindelantrieb 14 über eine oder mehrere motorisch angetriebene Spindelmuttern verfügen, die in ein Gewinde der Bühnenspindel 15 eingreifen, um durch Drehung der Spindelmuttern den Schmelztiegel 10 in der Höhe zu verstellen. So lässt sich der Schmelztiegel 10 entsprechend der Füllrate des Schmelztiegels 10 und/oder der Elektrodenabschmelzrate absenken und/oder anheben. Neben der vertikalen Verfahrbarkeit entlang der Achse der Ofensäule 62 kann der Schmelztiegel 10 auch entlang weiterer Achsen verfahrbar montiert sein, um die Justierbarkeit und damit Stabilität beim Aufschmelzen zu verbessern. Beispielsweise kann die Verstellung entlang von Achsen, die senkrecht auf der Achse der Ofensäule 62 stehen, durch Mittel realisiert werden, die unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels 10, etwa in der Ofenbühne 1 1 , integriert sind.

Die vakuumdichte Durchführung 21 der Ofenhaube 20 gewährleistet die vertikale Bewegung der Elektrodenstange 40 durch die Mitte der Ofenhaube 20, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform über einen Haubenwagen 22 an der Ofensäule 62 angebracht und geführt ist. Die Höhenverstellung kann ebenfalls mittels eines Spindelantriebs oder auch, wie in der Figur 1 gezeigt, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Hydraulikzylinder 23 erfolgen, die auf der einen Seite am Haubenwagen 22 und auf der anderen Seite am Elektrodenwagen 40 angebracht und so eingerichtet sind, um einen Relativabstand dazwischen einzustellen.

Die rotierbare und vertikal verfahrbare Elektrodenstange 40 ermöglicht, die Stirnfläche der Elektrode 41 von einer herkömmlichen V-Form, vgl. Figur 3a, in eine flache U-Form, vgl. Figur 3b, abzuändern. Somit wird vorzugsweise auch die Form des sich unter der Elektrode 41 befindlichen Metallsumpfes S von der V- Form in eine flache U-Form abgeändert.

Vorzugsweise weist der Schmelzofen 1 eine oder mehrere Wiegezellen (in den Figuren nicht gezeigt) auf, die Messzellen zum Wiegen des Gewichtes der Elektrode 41 und/oder des (um)geschmolzenen Blockes bzw. Schmelzbads S im Schmelztiegel 10 sind. Vorzugsweise sind die Wiegezellen unterhalb der Bodenplatte des Schmelztiegels 10 und/oder am Elektrodenwagen 30 und/oder am Bühnenwagen 12, besonders bevorzugt unterhalb des Schmelziegels 10, installiert. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit bei einem Schmelzofen 1 mit rotierender Elektrode verbessert werden.

Die Figuren 4a und 4b zeigen zwei beispielhafte Ausführungsformen von Flüssigkeitskupplungen 100 zur stromleitenden Verbindung zweier relativ zueinander beweglicher Komponenten, die entsprechend einen ersten Kupplungsteil 101 und einen zweiten Kupplungsteil 102 umfassen. Der erste Kupplungsteil 101 und der zweite Kupplungsteil 102 sind zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall, gefertigt.

Im Beispiel der Figur 4a ist der erste Kupplungsteil 101 ein Innenteil und der zweite Kupplungsteil 102 ein Außenteil. Der Innenteil 101 und der Außenteil 102 sind jeweils zylindrisch ausgebildet und um eine gemeinsame Achse relativ zueinander drehbar gelagert. Zu diesem Zweck ist der Außenteil 102 teilweise hohlzylindrisch ausgebildet, wodurch dieser eine zylindrische Öffnung, offen auf der einen und geschlossen auf der anderen Seite, aufweist, in die der Innenteil 101 eingebracht und koaxial gelagert ist.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 4b ist ähnlich aufgebaut, wobei zusätzlich zur Rotationsbewegung eine relative axiale Bewegung des Innenteils 101 und Außenteils 102 möglich ist. Zu diesem Zweck ist der Außenteil 102 vollständig hohlzylindrisch ausgebildet, wobei der Innenteil 101 in die dadurch ausgebildete Durchgangsöffnung eingebracht und koaxial gelagert ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Innenteil 101 und der Außenteil 102 nicht auf zylindrische Formen beschränkt sind. Vielmehr können diese auf unterschiedliche Art und Weise gestaltet sein, solange der Innenteil 101 und der Außenteil 102 im montierten Zustand eine solche Kupplung bilden, dass diese zumindest entlang eines Freiheitsgrads relativ zueinander beweglich sind. Vorzugsweise berühren sich der Innentei! 101 und der Außenteil 102 im montierten Zustand an keiner Stelle direkt, um eine verschleißarme Kopplung zu realisieren. Somit sind eine oder mehrere Flächen (im Weiteren als "Kupplungsflächen" bezeichnet) des Innenteils 101 und des Außenteils 102 einander zugewandt, relativ zueinander beweglich und um einen Spalt voneinander beabstandet.

Um gleichzeitig die Übertragung eines elektrischen Stroms zwischen dem Innenteil 101 und dem Außenteil 102 zu ermöglichen, befindet sich in dem Spalt zwischen den Kupplungsfiächen des Innenteils 101 und des Außenteils 102 zumindest abschnittsweise eine leitfähige Flüssigkeit 103. Zumindest an den mit der leitfähigen Flüssigkeit 103 benetzten Stellen der Kupplungsflächen sind diese ebenfalls leitfähig. In den Beispielen der Figuren 4a und 4b befindet sich die leitfähige Flüssigkeit 103 im ringförmigen Spalt zwischen der äußeren Mantelfläche des zylindrischen Innenteils 101 und der inneren Mantelfläche des hohlzylindrischen Abschnitts des Außenteils 102. Die leitfähige Flüssigkeit 103 kann eine wässrige, salzhaltige, kohlenwasserstoffhaltige und/oder metallische Flüssigkeit sein. Die genaue Zusammensetzung der Flüssigkeit 103 kann auf die Anwendung und Betriebsbedingungen der Flüssigkeitskupplung 100 abgestimmt sein. Die leitfähige Flüssigkeit 103 ist beispielsweise Flüssig-Gallium.

In dem Spalt zwischen den Kupplungsflächen des Innenteils 101 und des Außenteils 102 kann sich zudem abschnittsweise ein Schutzgas 104 befinden, das beispielsweise eine temperaturbedingte Ausdehnung der Flüssigkeit 103 kompensieren kann. Die Zusammensetzung und Beschaffenheit des Schutzgases 104 kann gemäß den Prozessbedingungen und der leitfähigen Flüssigkeit 103 geeignet gewählt werden. Ferner weist die Flüssigkeitskupplung 100 vorzugsweise eine oder mehrere Dichtungen 05 auf, welche den Spalt zwischen den Kupplungsflächen des Innenteils 101 und des Außenteils 02 fluiddicht abdichten.

Die so aufgebaute Flüssigkeitskupplung 100 erlaubt nicht nur eine verschleißarme, bewegliche Kopplung zweier Komponenten, sondern gleichzeitig kann ein elektrischer Strom auf zuverlässige Art und Weise zwischen den beiden Komponenten übertragen werden. Die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeitskupplung 100 ist nicht durch sich abnutzende Reibkontakte beeinträchtigt. Vielmehr bleibt die Leitfähigkeit unabhängig von der Nutzungsdauer konstant hoch. Insbesondere wird die Leitfähigkeit auch bei Rotationen mit hohen Drehzahlen nicht beeinträchtigt, wodurch die Flüssigkeitskupplung 100 zum Nachführen und Oszillieren einer sich selbst verzehrenden Elektrode 41 eines Schmelzofens 1 besonders geeignet ist.

Aus diesem Grund ist die Kontaktiereinrichtung 43 des Schmelzofens 1 gemäß der Figur 1 vorzugsweise durch eine solche Flüssigkeitskupplung 100 gebildet oder umfasst eine solche.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

I Schmelzofen

10 Schmelztiegel

I I Ofenbühne

12 Bühnenwagen

13 Führung

14 Bühnenspindelantrieb

15 Bühnenspindel

20 Ofenhaube

21 Durchführung

22 Haubenwagen

23 Hydraulikzylinder

30 Elektrodenwagen

31 Elektrodenaufnahme

32 Drehantrieb

33 Spindelantrieb

40 Elektrodenstange

41 Elektrode

42 Stromabnehmer

43 Kontaktiereinrichtung 43a Aufnahme

43b Flüssig-Gallium

43c Stromabgabe

43d Bürste

43e Aufnahme

43f Schalenelement

43g Aufnahme

44 Kupplung

45 Stub Stromversorgung Stromleitung

Stromschiene

Stromband

Gestell

Spindel

Ofensäule Flüssigkeitskupplung Erster Kupplungsteil Zweiter Kupplungsteil Flüssigkeit

Schutzgas

Dichtung Metallsumpf