Das Lichtbogenschmelzen mit abschmelzender Elektrode, auch Vakuumlichtbogenschmelzen (VAR) genannt, ist ein Verfahren, bei dem mit Hilfe einer Gleichstromversorgung ein Lichtbogen in einer Vakuumumgebung erzeugt wird.
Dieser Lichtbogen wird zwischen einer Verbrauchselektrode und einem wassergekühlten Kupfertiegel, der als Anode dient, erzeugt.
Die intensive Hitze des Lichtbogens schmilzt die Elektrode und bildet ein Schmelzbad im Tiegel.
Dieses geschmolzene Metall erstarrt dann schnell und kristallisiert zu einem Barren.
Die 5 wichtigsten Schritte werden erklärt
1. Aufbau und Elektrodenvorbereitung
Bevor der Prozess beginnt, wird die zu schmelzende Elektrode in den Ofen eingelegt.
Das Elektrodenmaterial variiert je nach Art des zu verarbeitenden Metalls.
Bei Spezialstählen und Superlegierungen wird die Elektrode in der Regel in Luft oder Vakuum gegossen.
Für reaktive Metalle wie Titan wird die Elektrode aus verdichtetem Schwamm und/oder Schrott oder durch ein Herdschmelzverfahren wie Plasma oder Elektronenstrahl hergestellt.
2. Elektrodentypen
Im Lichtbogenschmelzofen werden hauptsächlich drei Arten von Elektroden verwendet: Kohlenstoffelektroden, Graphitelektroden und selbstbackende Elektroden.
Die Wahl des Materials (Kohlenstoff oder Graphit) richtet sich nach seiner elektrischen Leitfähigkeit, Unlöslichkeit, Unschmelzbarkeit, chemischen Beständigkeit, mechanischen Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit.
Der Durchmesser dieser Elektroden kann zwischen 18 cm und 27 cm liegen, und die Lichtbogentemperatur kann zwischen 3.000 °C und 3.500 °C betragen.
3. Aufbau des Ofens
Der Ofen besteht aus zwei mechanischen Hauptbaugruppen: dem beweglichen Ofenkopf und der festen Schmelzstation.
Der bewegliche Ofenkopf trägt die Elektrode über eine Stößelanordnung, die durch einen Servoantrieb gesteuert wird.
Die Elektrode, die als Kathode fungiert, ist am unteren Ende des wassergekühlten Stößels festgeklemmt.
Die feststehende Schmelzstation umfasst einen abnehmbaren Kupfertiegel, der sich in einem feststehenden Wassermantel aus rostfreiem Stahl befindet.
4. Schmelzvorgang
Sobald die Elektrode befestigt und der Ofenkopf versiegelt ist, wird im Inneren des Gefäßes ein Vakuum erzeugt.
Dann wird die Gleichstromversorgung aktiviert, und das Steuersystem zündet einen Hochstrombogen zwischen der Abbrandelektrode (Kathode) und dem Tiegelboden (Anode).
Dieser Lichtbogen schmilzt die Elektrode schnell und bildet ein Schmelzbad.
Durch das kontinuierliche Schmelzen der Elektrode wird das Schmelzbad gespeist, so dass eine stetige Versorgung mit geschmolzenem Metall gewährleistet ist.
5. Erstarrung und Kristallisation
Das geschmolzene Metall im Tiegel wird durch den wassergekühlten Kupfertiegel schnell abgekühlt und erstarrt.
Diese schnelle Erstarrung trägt zu einer gleichmäßigen kristallinen Struktur bei und minimiert die Möglichkeit von Verunreinigungen oder Defekten im fertigen Barren.
Dieses Verfahren ist entscheidend für die Herstellung hochwertiger, reiner Metalle und Legierungen, insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit oder extreme Temperaturen erfordern.
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