Das Lichtbogenschmelzen ist ein Verfahren zum Schmelzen von geladenem Material, in der Regel Metallerz oder Metallschrott, unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens. Dabei wird Wechselstrom an eine Elektrode in einem Schmelzofen angelegt. Die durch den Lichtbogen erzeugte Wärme bringt die Rückstände auf der Metallbasis zum Schmelzen.
Hauptbestandteil eines Lichtbogenschmelzofens ist ein Elektroschweißgerät, das wie ein großer Transformator funktioniert und Hochspannung in Niederspannung und Hochstrom umwandelt. Das Elektroschweißgerät zündet den Lichtbogen, indem es einen sofortigen Kurzschluss zwischen dem positiven und dem negativen Pol erzeugt. Der Lichtbogen ist ein sich selbst erhaltendes Entladungsphänomen, das eine relativ lange, stabile Verbrennung des Lichtbogens aufrechterhält, ohne dass eine hohe Spannung erforderlich ist.
Der Lichtbogenschmelzofen arbeitet bei extrem hohen Temperaturen, mit einer Höchsttemperatur von 3000℃. Er nutzt den Lichtbogen, der ein gewöhnliches thermisches Plasma ist, um die zum Schmelzen des Materials erforderliche Wärme zu erzeugen. Der Ofen gewährleistet einen gleichmäßigen Schmelzprozess, indem er Faktoren wie die Beckengeometrie und die Schmelzgeschwindigkeit steuert.
Während des Lichtbogenschmelzverfahrens wird die zu schmelzende Elektrode in den Ofen geladen. Bei Spezialstählen und Superlegierungen wird die Elektrode zuvor an Luft oder im Vakuum gegossen. Bei primär reaktiven Metallen wie Titan wird die Elektrode aus verdichtetem Schwamm und/oder Schrott oder aus einem Herdschmelzverfahren wie Plasma oder Elektronenstrahl hergestellt.
Das Vakuumgefäß, in dem das Schmelzen stattfindet, besteht aus zwei mechanischen Hauptbaugruppen - dem beweglichen Ofenkopf und der festen Schmelzstation. Der bewegliche Ofenkopf ist der obere Teil des Gefäßes und enthält eine integrierte Stößelbaugruppe, die mit einem Servoantrieb verbunden ist. Diese Baugruppe stützt und steuert die Bewegung der Elektrode. Der wassergekühlte Stößel erstreckt sich durch eine Vakuumdichtung im Kopf, an dessen unterem Ende die Elektrode geklemmt wird, die die Kathode des Lichtbogenschmelzvorgangs bildet.
Die feste Schmelzstation bildet die untere Hälfte des Vakuumgefäßes und besteht aus einem abnehmbaren Kupfertiegel, der in einen festen Wassermantel aus Edelstahl eingesetzt ist. Sobald die Elektrode an der Stößelanordnung festgeklemmt ist, hebt der Stößel die Elektrode an, während der Ofenkopf abgesenkt wird, um eine Vakuumabdichtung über dem Tiegel zu erzeugen.
Nach dem Aufbau des Vakuums wird die Gleichstromversorgung aktiviert und das Steuersystem zündet einen Hochstrombogen zwischen der Verbrauchselektrode (Kathode -) und dem Tiegelboden (Anode +). Dadurch bildet sich schnell ein Schmelzbad aus Metall. Der Lichtbogenabstand zwischen der Schmelzelektrode und dem Metallbad wird genau eingehalten, und es wird eine kontrollierte Schmelzgeschwindigkeit erreicht. Die durch den Lichtbogenspalt fallenden Metalltröpfchen sind der Vakuumumgebung und den extremen Temperaturen der Lichtbogenzone ausgesetzt, was zur Beseitigung gelöster Gase, zur Verdampfung von Begleitelementen und zur Verbesserung der Oxidreinheit führt.
Der wassergekühlte Tiegel ermöglicht eine gerichtete Erstarrung des Schmelzbades, wodurch Makroseigerungen verhindert und Mikroseigerungen reduziert werden. Dadurch verbessern sich die Materialeigenschaften des erstarrten Blocks. Gegen Ende des Prozesses wird die Leistung schrittweise reduziert, um eine kontrollierte Heißspitze zu erreichen und die Ausbeute an brauchbarem Produkt zu maximieren.
Insgesamt ermöglicht der Lichtbogenschmelzprozess im Elektrolichtbogenschmelzofen das Schmelzen von geladenem Material durch die Anwendung eines elektrischen Lichtbogens, was zu einer kontrollierten und effizienten Methode zum Schmelzen von Metallen führt.
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