DE1565891A1 - Lichtbogenofen - Google Patents

Description

PATE NTANWALT DIPL.-1N Q. Q ERHARD SCHWAN 1 56 5 8 9

8 MÜNCHEN 8 · QOERZER STWASSE 15 - . " .

UNION CARBIDE CORPORATION -27O₉ Park Avanue, Hem York, M.V. 10017, U.S.A.

Lichtbogenofen

Die Erfindung befaßt sich mit Lichtbogenofen und betrifft insbesondere Öfen* bei denen Lichtbogenbrenner verwendet werden, mittala deren richtungsstabile Lichtbogenplaamen erzeugt werden können.

Bsi jedem Elektroofen, hei dem das Chargenmaterial unter Bildung eines Schmelzbads heruntergsschfliolzen werden soll, kommt es darauf an, eine möglichst große Schnrelzgeschßiindigkeit zu erzielen. In letzter Zeit wur den Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Elektroöfen entwickelt, bei denen ein offener Lichtbogen mit Hilfe v/on Graphitölaktroden erzeugt wird» Edit offenem Lichtbogen arbeitende Öfen sind technischen Beschränkungen untaruiorfen, die die dem öfen zugeführte Leistung und damit die Schtnelzgeschutindigkeit begrenzen. Ein im Rahmen dieser Beschränkungen wichtiger Faktor ist die mangelnde Stabilität des offenen Lichtbogens selbst. Es

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uiurde gefunden, daß richtungsstabile LichJfcbogenplasmsn sich hervorragend in Verbindung mit Hoehlelstungs-Elektroöfen verwanden lassen, fllittsla tferairtiger Bogenplasmen kann konstant Wärme hoher Intensität erzeugt werden, weil sich das UJarineerzeugungsvaymSgaji solcher Plasmen durch Einstellung der Lichtbogenlänge und/oder durch tUahl der Atmosphäre steuern IaOt₉ innerhalb deren das Bogenplasma gebildet uiird*

Ein richtungsstabiles Boganplasraa kann als elektrische Lichtbogensäule definiert merden, bei der die mit dem Stromfluß zusammenfallende Längsachse unabhängig von der umgebenden Atmosphäre und der Stellung das Branners selbst hinsichtlich ihrer Richtung unverändert bleibt.

Bislang sind herkömmliche Elektroöfen In allgemeinen mit einer abnehmbaren Ofendecke versehen, durch die hindurch eine mehrzahl von Graphitelektrodan reicht. Die Elektroden morden dabei stets durch die Ofendecke hindurch in den Ofen eingeführt, weil das Gewicht, dia Blasse und die Festigkeit der Elektroden eine anders geartete Anordnung nicht zulassen. Um das Schmelzgut in einen derartigen Ofen einzubringen, müssen die Elektroden aus dem Ofen herausgehoben werden, worauf die Ofendecke abgenommen wird. Dies ist zeitraubend, unbequem und bedingt, daß die Lichtbogen gelöscht werden,während zusätzliches

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Schmelzgut in dan Ofen eingegeben wird»

Auch bei dem Aufkommen von Brennarn, dia ein sichtungestabiles Bogenplasma erzeugen, wurde die Praxis» die ^:Brenner durch die Ofendecke hindurch in den Ofen einzuführen, beibehalten. Oieeee Vorgehen ist unter anderen dadurch alt Nachteilen verbunden, daß die Brenner selbst, tvehn sie in der erforderlichen Uioisa von der Ofendecke weit in die Ofenetmosphäre hineinreichen, einen erheblichen Teil der lüfirme absorbieren, der sndernfalia ale Schmelzanergie an das Schmelzgut abgegeben würde·

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung iat dementsprechend die Schaffung eines Elektroofens mit verbesserter Ulärmeausbeuts·

Ein weiteres Ziel der Erfindung iat die Schaffung eines Elektroofens, bei dem das Schmelzgut in den Ofen von oben her eingeführt »erden kann, wahrend die Stromzufuhr eingeschaltet let.

Ein Lichtbogenofen mit einer durch einen Boden, nach oben stehende Seitenwände und sine abnehmbare Decke begrenzten - Schnelzka.mmBr. soaie mit mindestens einem Lichtbogsnbrenner, dar eine innerhalb eines Gaedurchlassee sitzende Stabelektrode aufseist und derart angeordnet let, daß eine richtungsatahile, stromführende Lichtbogen-

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plaemaetrömung zwischen der Elektrode und einer in dem Ofen befindlichen» elektrisch leitenden Charge ausgabildet wird, ist erfindungsganMQ dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Lichtbogenbrenner in einer Seitenwand der Schmelzkammer angeordnet und die LSngaechsa des Brenners in Richtung auf die Oberfläche des Schmelzgutee geneigt ist«

!Heitere Merkmale, Vorteile und AnwendungsroBglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen! Es zeigern

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemSß ausgebildeten Elektroofens,

Figur 2 einen senkrechten Querschnitt eines Elektroofens mit seitlich montierten Lichtbogenbrennarn,

Figur 3 eine von oben gesehene Schnittensicht des Ofens nach Fig· 1,

Figur 4 eine abgewandelte Form der Anordnung der Licht» bogenbrsnner in der Seitenwand des Ofens,

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Figuren 5, 6 und 7 Teilfrontansichten des Ofen« in Schnitt» die einen Lichtbogenbrsnner in Verbindung mit -. dar zugehörigen Zündeinrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten dee Zündzyklus veranschauliehen, und

Figur 8 eine graphische Darstellung der Ulärmevarluste bei erfindungsgemäS montierten Lichtbogenbrennsrn im Vergleich zu Itiärmeverlusten bekannter Öfen·

Bei der Beschreibung der bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung wird auf einen Lichtbogenbrenner Bezug genommen, bei dsm eine rohrförmlge Elektrode in axialem Abstand von einer Auslaßdüse und mit dieser im wesentlichen ausgefluchtet angeordnet ist» Der die Elektrode von der Düse trennende Raum hat die Form einer erweiterten Zylindsrkanraer, in die Gas tangential eingeleitet wird, so daß das Gas eine Wirbelbewegung um einen Lichtbogen aueführt, der zwischen der rohrförmigen Elektrode und dem im Ofen befindlichen Schmelzgut brennt· Der srfindungsgeoäß verwendete Brenner wird im allgemeinen mit Wechselstrom betrieben« Es. kann jedoch auch Gleichstrom verwandet «erden, wenn sich dies als wünschenswert oder notwendig erweist·

Zu u/eiteren Einrichtungen, die sich für die Ausbildung der richtungsstabilen Lichtbogensäule benutzen lassen» gehören

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Brenner mit ainsr nichtabschmelzenden Elektrode» ira allgemainan aus Wolfram oder wassergekühltem Kupfer, sowie einer Düse mit einem verengten AualaBteil, durch den dar Lichtbogen zusammen mit einem Lichtbogangea hindurchtritt. Die Düse stabilisiert den das Gaa enthaltenden Lichtbogen und erzeugt einen Plaaraaetrom mit hohem UIHrraeinhalt.

Unter dam Bagriff Schraelzgufc soll vorliegend jedes Material verstanden «erden, das, zumindest in geschmolzenen Zustand, elektrisch leitend ist· Das Schmelzgut kann aus Metallen, Metallegierungen, geschmolzenen Salzen» »ie Alkali- und Crdalkallhalogeniden» und Schlacken, beispielsweise Metalloxydan und Silikaten baatehan.

Entsprechend Fig. 1 lat ein inageaaat mit 1 bezeichneter Lichtbogenofen vorgesehen, der in grundsätzlich bekannter Ulelsa aufgebaut ist. Der Ofen ist auf Stützen 3 «ontiart, die mit Schankeinrichtungen 5 versehen sind, um den Ofen Über die Auagußlipps 7 abzustechen· 0er veranschaulichte Ofen ist alt einer Ofendecke 9 versehen, die an einer Stütze 11 angelenkt ist und «eggaschtvenkt werde« kann» nährend dar Ofen über einen Beschickungskubal 13 von oben her «it Schnslzgut gefüllt »ird. fflahrere Brenner 15 zur Erzeugung richtungaetabiler LichtbBgsn sind in entsprechenden Öffnungen 17 (Flg. 2) dar Seitenvsnd dss Ofens 1 angeordnet. Bei diesem AuefQhrungebeiapial sind die Branner

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um 120° gegeneinander versetzt (Fig» 3) und votzugevei.ee um ungefähr 45° nach unten geneigt, se daß dasBogen-ρ la »tue auf die Scheeizbödoberf lache trifft (figuren 1 und 3). AuSerdea sind die Lichtbogenbrenner «it Bezug auf die Rediniebene R (Fig. 3) des Qfens geneigt. In dem veranschaulichten AuafUhrung&baispial beträgt dieses Winkel 10°. Der Winkel darf nicht ep groß sein, daß der Lichtbogen die hitzebeständigan UJInde des Ofens beschädigt. Andererseits sollte der UJinkel einen ausreichenden Ufert haben, um alndeetena auf die Badoberflache ein Drehno&ant auszuüben und damit in OberfIMchenbereich eine Badbauegüng zu bewirken. 3eder Lichtbogenbrenner let vorzugsweise an eine Phase einer Draiphseen-Ulachssl» strotaquelle angeschlosean. Statt dessen könnten die Brenner auch mit einer Gleichstromquelle oder anderen Wechselstromqusllsn verbunden sein, beispielsweise IMSt sich in Verbindung alt asche Lichtbogenbrennern eins Sschsphasenanlage einsetzen. Die Erfindung ist nicht auf eins beet ine te Anzahl der Lichtbogenbrenner oder eine bestlernte Art dee elektrischen Anschlüsse· dieser Brenner beschränkt.

Jeder Brenner 15 ist mit einer Einrichtung 21 versehen, mittels deren der Brenner in der zugehörigen GfenSffmmg 17 vor- oder rUckbaeegt werden kann. Davon «ird insbesondere beim Zünden der Brenner Gebrauch gemacht. Um den Lichtbogen xu zünden» werden die Brenner eo dicht an das Schtsslzgut herangeführt, daß dia Zündsinrichtung einen

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Lichtbogen zwischen der Elektrode des Brenners und dem Schraelzgut ausbilden kann· Entsprechend einer abgewandelten AusfUhrungsform können die Brenner 15 auch ortsfest in den Öffnungen 17 engaordnet sein, so daß Probleme hinsichtlich einer zweckentsprechenden Abdichtung vermieden werden.

Gemäß den Figuren 5, 6 und 7 ist die Zündeinrichtung jedes Brenners 15 mit einem Motor 23 und einer zugehörigen, an hinteren Ende 27 jedes Brenners 15 angeordneten Drahtvorschubeinrichtung 2*5 versehen. Ein Draht 29 wird durch den Brenner hindurch zum hinteren Ende der rohrförmigen Elektrode 31 geführt (Fig. 5). Ist der Ofen zum Zünden bereit, wird der fllotor eingeschaltet und der Draht 29 über die mit ihm in elektrischem Kontakt stehende Elektrode 31 und durch die Düse 33 hindurch bis zur Oberfläche 35 des Schmelzguts 37 geschoben (Fig. 6). Bei der in Fig» 7 gezeigten Arbeitsphaae wurde der Strom zwischen der Elektrode 31 und dem Schmelzgut 37 eingeschaltet, so daß der Draht abbrennt und zwischen Elektrode und Schmelzgut ein Lichtbogen ausgebildet vird. Dieses Zündverfehren erlaubt es, den Lichtbogenbrenner bis zu 30 cm entfernt von der Badoberflache anzuordnen. Wenn der Lichtbogenbrenner, mie oben beschrieben; eine nichtebachmelzende Wolframelektrorie oder eins uieesargekühlte Kupferslektrode aufweist, wird dsr Draht entlang der Elektrode geführt, um einen elektrischen Kontakt mit dieser sicherzustellen.

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Der Draht luird dann durch die Düae hindurchgeleitet, bis er mit dem Schmelzgut in Berührung kommt, während des elektrische Kontakt mit der nlchtabschmelzenden Elektrode aufrechterhalten löird. Oar Strom wird eingeschaltet. Wie zuvor geschildert, uilrd der Draht verdampft« Diase Art der Zündung trägt erheblich zu dam einwandfreien Betrieb der in den Seitenumnden des Elektroofens angeordneten Lichtbogenbr anner bei· Bislang uiar ein UTeg für ein verläßliches Zünden seitlich angeordneter Lichtbogenbrenner nicht bekannt.

Die Anbringung der Lichtboganbrennsr in der Seitenwand des Ofens erlaubt es, UJärmeverluste an die Lichtbogenbrenner kleinetmSglich zu halten. Bei bekannten Öfen sind, wie eingange erläutert, die Brenner an der Ofendecke aufgehängt und reichen in die Ofenatmosphäre hinein· Dabei müssen die Brenner wassergekühlt sein, um ein Abbrennen derselben innerhalb des Ofens zu verhindern* Es uturds gefunden, daß ein erheblicher Betrag der im Ofen entwickelten lärme über das Kühlwasser der Lichtbogenbrenner aus dsm Ofan abgeführt wurde· Seitlich montierte Lichtbo^enbrannsr brauchen nicht so lang zu sein wie an de? Ofendecke angebrachte Brenner und ragen in der Praxis nur sehr wenig in den Ofen hinein· Dementsprechend sind» uiis aus den in Fig. 8 In Form von Kurven dargestellten ftleSesgebnissen zu entnehmen 1st, die Ulärraeverluste an seitlich montierte Brenner (untere Kurve) erheblich

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geringer als diejenigen an an de? Ofendecke angebrachte Brenner (obere Kurwo)=, Oi-j -auf Grund dar seitlich montierten brenner erzielte itaiqerung dar Uärmeauebauta lag zwischen ungefähr 45 % und 75 %. .

Bai der praktischen Anwendung dar Erfindung kann fast jedes Gas odar jade Gasmiachung ν er tuend at werden, dia eich mit dem durchzuführenden metallurgischen Prozeß verträgt. So lass3an sich Gase, mis Luft_rC0_? und 0« entwedar allein oder in Komi: Ina ti on anwenden. In diesen Fällen besteht dia Elektrode 31 vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupfer-Silber-Legierung mit beispielsweise ungefähr 80 % Silber und ungefähr 20 % Kupfer. Ui ei tar a brauchbare Gase sind CO oder mischungen aus CO und Argon oder Stickstoff· Auch in diesem Fall besteht die Elektrode vorzugsweise aus Kupfer. IDerden reine Inertgase» beispielsweise Argon oder Helium, benutzt, uilrd vorzugsweise sine Elektrode 31 aus Graphit oder aus Kupfer mit einer Kohlenstoff auskleidung

Fig. 4 zeigt sine Abwandlung dar bevorzugten, zuvor be schriebenen Dreibrenneranordnung, bsi dar dia Brenner nebeneinander gelagert sind.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Lichtbogenofen mit einer durch einen Boden« nach oben stehende Seitenwand« und eine abnehmbare Decke begrenzten Schmelzkanner Bouiie mit mindesten» einem Llchtbogenbrenner, der eine innerhalb eines Gaedurchlasses sitzende Stabelektrode aufweist und derart angeordnet ist, daß eine richtungsstabils, stromführende Lichtbogenplaaroaetröraung zwischen der Elektrode und einer in dem Ofen befindlichen, elektriech leitenden Charge ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Lichthagenbrenner in einer Seitenwand der Schmelzkammer angeordnet und die Längsachse des Brenners in Richtung auf die Oberfläche dee Schmelzgute geneigt ist.

2. Lichtbogenofen nach Anepruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse mindestens eines der Lichtbogen·» brenner zusätzlich gegen eine Radialebene des Ofens geneigt ist.

3. Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Lichtbogenbrenner eine Drahtvorschubeinrichtung aufweist, mittels deren sin entlang der Stabslektrade oder in Längerichtung durch die Stabslektrode des Brenners hindurch geführter und damit in elektrischem Kontakt

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mit der Elektrode stehender Draht mit der im Ofen befindlichen Charge in Berührung zu bringen ist.

4. Lichtbogenofen nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtbagonbrenner in einer Öffnung der Ofenwand verschiebbar angeordnet und mit einer Einrichtung zum Vor- oder RUckbetuegen das Brenners innerhalb der Öffnung versehen ist.

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L e e r s e i t e