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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen von nichtferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und Schmelzen durch elektrische Magnetfelder beim Durchfluss durch ein kanal- oder rohrartiges Leitelement, insbesondere beim Abstich von metallurgischen Behältern wie Hochöfen und Schmelzöfen
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Die
DE 2 023 901 A sowie die
DE 2 101 547 B beschreiben ein elektromagnetisches Ventil oder eine elektromagnetische Pumpe, die ein an eine Ausströmöffnung im Bodenbereich eines Behälters zur Aufnahme einer Schmelze angeschlossenes, schräg aufwärts gerichtetes Abzapfrohr umgibt. Die Pumpe besteht aus einer oder mehreren mehrphasengespeisten elektromagnetischen Spulen, die in dem durch das Abzapfrohr fließenden Schmelzestrom ein magnetisches Wanderfeld mit einer von der Phasenfolge abhängigen Richtung erzeugen, das zur Regelung der Ausströmgeschwindigkeit des Schmelzestroms eine Kraft auf den Schmelzestrom in oder entgegen dessen Strömungsrichtung ausübt.
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Aus der
DE 1 949 982 B sowie der
DE 2 248 052 C ist eine elektromagnetische Förderrinne zur Entnahme von flüssigem Metall aus einem Schmelz- oder Warmhalteofen bekannt, die einen schräg ansteigenden Rinnenkörper aufweist, der mit seinem unteren Ende in den Ofen einmündet. Unter dem Rinnenkörper ist ein Induktor, der beispielsweise durch die Statorwicklung eines Drehstromlinearmotors gebildet wird, zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wanderfeldes angeordnet, das eine offene Strömung flüssigen Metalls gegen die Schwerkraft im Rinnenkörper der Förderrinne bewirkt.
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Diese aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Pumpen zur Entnahme von Metallschmelzen aus metallurgischen Behältern über Fließkanäle oder Förderrinnen und zur Regelung der Ausströmgeschwindigkeit der Schmelzeströme arbeiten mit elektromagnetischen Wanderfeldern, die durch elektrische Spulenanordnungen erzeugt werden, die geschlossene beispielsweise als Rohre ausgebildete Abflusskanäle umschließen und die bei Verwendung von offenen Förderrinnen für die Schmelzeströme unter den Förderrinnen angeordnet sind. Zur Erzeugung derartiger elektromagnetischer Wanderfelder bedarf es einer aufwendigen Anordnung von mehreren elektrischen Spulen über eine größere Länge der Abflusskanäle beziehungsweise der Förderrinnen für die Schmelzeströme.
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Aus der
DE 2 333 802 A ist ein elektrodynamisches Dosiergerät für Metallschmelzen bekannt, das für Gießereien zum Ablassen von kleinen Mengen von Schmelzen bestimmt ist. Die Kräfte, die mit einem derartigen Dosiergerät in einem Schmelzestrom erzeugt werden, reichen bei weitem nicht aus, um einen Schmelzestrom im Stichlochkanal eines Hochofens abzubremsen oder gar anzuhalten.
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Die
DE 1 949 053 C offenbart ein elektromagnetisches Ventil zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung einer Metall- oder Metalllegierungsschmelze in einer rohrförmigen Rinne. Die Wirkungsweise des Ventils beruht darauf, dass durch den durch die Rinne fließenden Schmelzestrom ein externer elektrischer Strom geleitet wird und der Schmelzestrom gleichzeitig von einem externen Magnetfeld durchsetzt wird, derart, dass auf den in der Rinne befindlichen und von dem Magnetfeld durchsetzten Abschnitt des Schmelzestroms eine Kraft in oder entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Schmelzestroms ausgeübt wird. Dieses elektromagnetische Dosierventil ist nur für Induktionsrinnen in Ringöfen und Ausflussrinnen von Schmelzöfen und Gießpfannen vorgesehen. Ein weiterer Nachteil dieses Dosierventils besteht darin, dass zur Einleitung des elektrischen Stroms in den Schmelzestrom Elektroden benötigt werden, die in unmittelbarem Kontakt mit der Schmelze stehen und damit einem erheblichen Verschleiß unterliegen.
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Bei dem aus der
DE 694 19 598 T2 bekannten Abstichverfahren für Hochöfen wird ein Leitungsrohr verwendet, das mit der Außenseite eines Eisenschmelzeabstichlochs verbunden wird und auf dessen Außenmantel elektromagnetische Spulen zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes angeordnet sind, das auf die durch das Leitungsrohr strömende Eisenschmelze und Schmelzeschlacke wirkt. Mit dieser Vorrichtung werden zwei Ziele verfolgt:
- 1. Durch die Erzeugung eines Drehfeldes mit den Elektromagnetspulen wie bei einem Drehstromelektromotor soll der Schmelzestrom im Stichlochkanal des Hochofens in eine Drehbewegung versetzt werden, um nach dem Prinzip einer Zentrifuge das Roheisen und die Schlacke zu trennen. Nachteilig an dieser Lösung ist die gegenseitige Überlagerung der normalen Abflussgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit des Schmelzestroms, so dass der Verschleiß im Stichlochkanal durch die erhöhte Geschwindigkeit des Schmelzestroms und durch die auf den Schmelzestrom wirkende Zentrifugalkraft stark ansteigt. Ein Abbremsen vielweniger ein Anhalten des Schmelzestroms ist nicht möglich.
- 2. Es soll eine Kraft in Richtung der Mittelachse des Stichlochkanals ausgeübt werden, derart, dass wiederum Roheisen und Schlacke voneinander getrennt werden und außerdem der Roheisenfluss durch die Querschnittsverengung aufgrund des Schlackestroms im äußeren Bereich des Stichlochkanals durch die Querschnittsverengung des Stichlochkanals gehemmt und abgebremst wird. Nachteilig an dieser Lösung ist neben dem schlechten Wirkungsgrad die Tatsache, dass im Wesentlichen die äußere Schicht des Eisenschmelze-Schlackestrom im Stichlochkanal durch die Wechselmagnetfelder beeinflusst wird und eine Führung der Magnetlinien in die inneren Schichten des Schmelze-Schlackegemisches, insbesondere in den zentralen Bereich des Schmelze-Schlackestroms um die Mittelachse des Stichlochkanals nicht beziehungsweise nur schwach möglich ist. Gerade in diesem zentralen Bereich des Schmelze-Schlackestroms sind, hydrodynamisch bedingt, die Fließgeschwindigkeit und der Strömungsdruck am höchsten. Eine Abbremsung der Strömung erfolgt nur indirekt durch die Verengung des Durchströmquerschnitts des Stichlochkanals für die Eisenschmelze und prinzipbedingt nur in den äußeren Schichten und damit unvollständig. Ein vollständiges Anhalten des Schmelzestroms ist nicht möglich.
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Beiden Lösungen ist gemeinsam, dass sie nur mit Wechselmagnetfeldern funktionieren.
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Die
DE 2 110 401 A beschreibt das kontinuierliche Abziehen von Roheisen aus einem Hochofen mittels einer Wechselstrom-Magnetpumpe, die um einen dem Stichkanal nachgeordneten rohrförmigen Abflusskanal angeordnet ist. Mit der Magnetpumpe wird im Roheisen-Abflusskanal ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das sich linear in einer Richtung oder in der entgegengesetzten Richtung axial verschiebt. Durch das magnetische Wanderfeld wird ein Zieheffekt auf das flüssige Roheisen im Abflusskanal ausgeübt. Je nach den gegebenen Umständen und Erfordernissen kann mittels der Wechselstrom-Magnetpumpe der Fluss des Roheisens beschleunigt, gedrosselt oder auch abgesperrt werden.
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Bei dieser Magnetpumpe sind die Windungen der Induktionsspulen konzentrisch um den Abflusskanal geführt. Diese Spulenanordnung bietet zwar Vorteile bei der Förderung von elektrisch leitfähigen Medien bezogen auf den sich ergebenden Volumenstrom, ist aber für das Anhalten eines Schmelzestroms ungünstig, weil zwangsläufig die Magnetfeldstärke und damit die sich ergebenden Haltekräfte im Zentrum des Abflusskanals schwächer sind, das heißt, gerade dort, wo hydrodynamisch bedingt der Druck des Schmelzestroms am größten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen eines Schmelzestroms durch Magnetfelder insbesondere beim Abstich von metallurgischen Behältern wie Hochöfen und Schmelzöfen zu entwickeln, die die vorerwähnten Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit von Schmelzeströmen vermeiden und die es ermöglichen, durch Magnetkrafteinwirkung eine Bremswirkung zu erzeugen, die unmittelbar auf einen Schmelzestrom über dessen gesamten Strömungsquerschnitt bis zum Stillstand des Schmelzestroms einwirkt. Dabei soll ausschließlich mit induzierten Wirbelströmen gearbeitet werden, so dass die Vorrichtungen vollständig kontaktlos arbeiten und verschleißanfällige Kontakte zur Einleitung von elektrischem Strom vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 sowie die Regelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und die Regelvorrichtungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 20 und 33.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Verfahren nach Patentanspruch 1 und Patentanspruch 3 sowie der Regelvorrichtungen nach den Patentansprüchen 13, 20 und 33.
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Das erfindungsgemäße erste Verfahren zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen von nichtferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und Schmelzen durch elektrische Magnetfelder beim Durchfluss durch ein kanal- oder rohrartiges Leitelement, bei Abstich von metallurgischen Behältern wie Hochöfen und Schmelzöfen ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzestrom zur Verminderung des elektrischen Widerstandes und einer sich daraus ergebenden Verstärkung der Wirbelströme mit entsprechend verstärkter Bremskraft durch ein Leitelement aus elektrisch leitfähigem Material geführt wird und der Flüssigkeits- oder Schmelzestrom in einem geschlossenen Leitelement durch mindestens ein stationäres Magnetfeld mit gleichbleibender Polarität geleitet wird, derart, dass die Magnetfeldlinien den Schmelzestrom über dessen gesamten Querschnitt transversal durchdringen, dass innerhalb des Magnetfeldes rechtwinklig zu den Magnetfeldlinien Spannungen induziert werden, deren Höhe proportional der örtlichen Fließgeschwindigkeit des Schmelzestroms und der örtlichen Stärke des Magnetfeldes ist, dass die Spannungen über den Strömungsquerschnitt des Schmelzestroms örtlich unterschiedlich starke elektrische Wirbelströme erzeugen, die radial und axial zur Strömungsrichtung des Schmelzestroms gerichtet sind, wobei durch das Zusammenwirken von Magnetfeld und Wirbelströmen örtlich unterschiedlich starke Kräfte erzeugt werden, die die Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms beeinflussen, und dass das Strömungsprofil des Schmelzestroms mit steigender Magnetfeldstärke vergleichmäßigt und verlangsamt wird.
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Das erfindungsgemäße zweite Verfahren zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen von nichtferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und Schmelzeströmen durch elektrische Magnetfelder beim Durchfluss durch ein kanal- oder rohrartiges Leitelement bei Abstich von metallurgischen Behältern wie Hochöfen und Schmelzöfen beruht darauf, dass der Flüssigkeits- oder Schmelzestrom in einem geschlossenen Leitelement durch ein stationäres magnetisches Wechselfeld oder durch ein mehrpoliges elektromagnetisches Wanderfeld mit wechselnder Polarität geleitet wird, derart, dass die Magnetfeldlinien den Schmelzestrom über dessen gesamten Querschnitt transversal durchdringen und in dem Schmelzestrom eine Spannung induziert wird, durch die in dem Schmelzestrom axiale Wirbelströme in Richtung des Schmelzestroms erzeugt werden, und dass durch das Zusammenwirken von Magnetfeld und Wechselströmen Kräfte erzeugt werden, die die Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms verringern und beschleunigen und den Schmelzestrom anhalten können.
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Bei dem ersten Verfahren werden in dem Bereich des Schmelzestroms mit der höchsten Strömungsgeschwindigkeit in dem zentralen Bereich des Schmelzestroms, die größten auf den Schmelzestrom wirkenden Kräfte erzeugt.
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Durch das Zusammenwirken des Elektromagnetfeldes mit gleichbleibender Polarität, des magnetischen Wechselfeldes und des elektromagnetischen Wanderfeldes mit den Wirbelströmen wird eine Kraft erzeugt, welche bei gleichzeitiger Verringerung der Turbulenzen aufgrund einer erhöhten magnetischen Viskosität der Schmelze die Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms vermindert.
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Durch das Zusammenwirken des magnetischen Wechselfeldes oder der magnetischen Wechselfelder und der Wirbelströme wird eine der Fließrichtung des Schmelzestroms entgegengerichtete Kraft erzeugt, die die Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms verringern und den Schmelzestrom anhalten kann. Durch das Zusammenwirken eines elektromagnetischen Wanderfeldes mit den Wirbelströmen kann der Schmelzestrom angehalten und die Strömungsrichtung des Schmelzestroms umgekehrt werden.
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Durch eine Veränderung des Magnetfeldes mit gleichbleibender Polarität, des magnetischen Wechselfeldes und des elektrischen Wandermagnetfeldes wird eine Verstärkung oder Verringerung der auf den Schmelzestrom einwirkenden Kräfte erreicht.
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Die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes und des Wandermagnetfeldes sowie des die Magnetfelder erzeugenden elektrischen Stroms kann verändert und unterschiedlichen Gegebenheiten angepasst werden.
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Bei dem Magnetfeld mit gleichbleibender Polarität und bei dem Wandermagnetfeld wirkt der magnetische Fluss in einem geschlossenen Magnetkreis beim Eintritt des Schmelzestroms in das Magnetfeld und beim Austritt des Schmelzestroms aus dem Magnetfeld des Magnetkreises entgegen der Fließrichtung des Schmelzestroms auf diesen abbremsend. Auf diese Weise wird eine additive Wirkung auf den Schmelzestrom erzielt.
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Durch die Hintereinanderschaltung von mehreren in sich geschlossenen Magnetkreisen mit einer doppelten Ausnutzung des Magnetflusses von Magnetfeldern mit gleichbleibender Polarität kann die Bremswirkung auf den Schmelzestrom zusätzlich gesteigert werden.
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In dem Schmelzestrom in Stichlochkanälen von Hochöfen oder in anderen Schmelzeströmen, in welchen flüssiges Metall und Schlacke enthalten sind, ist die Wirkung der Magnetfelder mit gleichbleibender Polarität, von Wechselmagnetfeldern und elektromagnetischen Wanderfeldern in den flüssigen Metallen und in den Schlacken sehr unterschiedlich. Dadurch kann diese unterschiedliche Wirkung auch zur Trennung von flüssigem Metall und Schlacke genutzt werden.
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Vorrichtungen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen von Schmelzeströmen, die gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren arbeiten und die insbesondere beim Abstich von Hochöfen eingesetzt werden, sind nachfolgend anhand schematischer Zeichnungsfiguren erläutert, die folgendes darstellen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Regelvorrichtung mit einem Magnetfeld gleichbleibender Polarität zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen eines Schmelzestroms,
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2a einen Längsschnitt durch das Leitrohr der Regelvorrichtung mit dem Geschwindigkeitsprofil des Schmelzestroms,
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2b einen Querschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung mit den den Schmelzestrom transversal durchdringenden Magnetfeldlinien,
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2c einen Querschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung mit den durch das Magnetfeld in dem Schmelzestrom induzierten unterschiedlichen Spannungen,
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2d einen Querschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung mit den in dem Schmelzestrom erzeugten radialen Wirbelströmen,
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2e einen Längsschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung mit dem durch Lorentz-Kräfte aufgrund radialer Wirbelströme und Magnetfelder abgeflachten Geschwindigkeitsprofil des Schmelzestroms,
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2f einen Querschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung mit dem Verlauf der radialen Wirbelströme durch den Schmelzestrom und die Wand des Leitrohres,
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3a einen Längsschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung nach Linie A-A der 1 mit dem Magnetfeld der Regelvorrichtung,
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3b einen Längsschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung entsprechend Linie A-A der 1 mit den durch das Magnetfeld in dem Schmelzestrom induzierten Spannungen,
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3c einen Längsschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung nach Linie A-A der 1 mit den in dem Schmelzestrom erzeugten axialen Wirbelströmen,
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3d einen Längsschnitt des Leitrohres der Regelvorrichtung mit dem Verlauf der axialen Wirbelströme durch den Schmelzestrom und die Wand des Leitrohres,
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4 einen Querschnitt des mit Kühlkanälen ausgerüsteten Leitrohres der Regelvorrichtung,
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5 eine weitere Ausführungsform der mit einem Magnetfeld gleichbleibender Polarität arbeitenden Regelvorrichtung,
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6 die Prinzipdarstellung einer Regelvorrichtung mit einer Hintereinanderschaltung von zwei Magnetfeldern gleichbleibender Polarität,
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7a einen Längsschnitt der Regelvorrichtung nach Linie B-B der 6 mit den erzeugten axialen Wirbelstromfeldern,
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7b die mit der Regelvorrichtung nach 6 erzeugten radialen Wirbelstromfelder,
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8 die Prinzipdarstellung einer mit magnetischen Wechselfeldern betriebenen Regelvorrichtung,
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9 die Prinzipdarstellung einer auf einem Pol des Magnetkerns einer Regelvorrichtung angeordneten Induktionsspule aus supraleitendem Material, die
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10 und 11 die Anordnung der Vorrichtung zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen eines Schmelzestroms vor der Auslauföffung des Stichlochkanals eines Hochofens, die
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12a und 12b einen Schieber zum Absperren der Auslauföffnung des Stichlochkanals eines Hochofens in Offen- und Schließstellung, die
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13a und 13b eine Schwenkklappe zum Absperren der Auslauföffnung des Stichlochkanals in Offen- und Schließstellung,
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14 einen durch ein Außenrohr und ein Innenrohr gebildeten Stichlochkanal,
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15 das mit einem kombinierten Heiz- und Kühlsystem ausgestattete Außen- und Innenrohr des Stichlochkanals,
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16 das Schema einer mit einem elektromagnetischen Wanderfeld arbeitenden Regelvorrichtung,
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17 die praktische Ausführungsform der Regelvorrichtung nach 16 und die
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18a und 18b den Verlauf der resultierenden Magnetflussdichte des elektromagnetischen Wanderfeldes zu zwei verschiedenen Zeitpunkten, das mit einem mit Drehstrom betriebenen Induktionsspulensystem der Regelvorrichtung gemäß den 16 und 17 erzeugt wird.
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Die Regelvorrichtung 1 nach 1, die bevorzugt beim Abstich von Hochöfen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen eines Schmelzestroms 2 durch ein stationäres elektrisches Magnetfeld 3 mit gleichbleibender Polarität eingesetzt wird, weist einen Kern 4 aus ferromagnetischem Material auf, der als ein Joch 5 mit zwei Polen 6, 7 ausgebildet ist, die einen Spalt 8 zur Aufnahme eines geschlossenen Leitelements 9 in Form eines Rohres 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Kupfer, zum Durchleiten des Schmelzestroms 2 bilden.
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Der laminare Schmelzestrom 2, der in Pfeilrichtung a durch das Leitrohr 10 fließt, weist das in 2a dargestellte Geschwindigkeitsprofil 11 auf.
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Auf dem Joch 5 sitzen zwei mit Gleichstrom betriebene Induktionsspulen 12, 13 zur Erzeugung des Magnetfeldes 3 gleichbleibender Polarität zwischen den beiden Polen 6, 7, das durch Feldlinien 14 charakterisiert ist, die den Schmelzestrom 2 gemäß 2b über dessen gesamten Querschnitt transversal durchdringen.
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2c veranschaulicht, dass aufgrund des Geschwindigkeitsprofils 11 des Schmelzestroms 2 in Kombination mit dem stationären Magnetfeld 3 mit gleichbleibender Polarität in Abhängigkeit von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms 2 unterschiedlich starke Spannungen 15 quer zu den Feldlinien 14 des Magnetfeldes 3 in dem Schmelzestrom 2 induziert werden, die in der stationären Grenzschicht des Schmelzestroms 2 bis auf den Wert null abfallen.
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Um die elektrische Potenzialdifferenz auszugleichen, fließen gemäß 2d Wirbelströme 16, 17 radial zur Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2. Des Weiteren fließen axial zur Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 Wirbelströme, wie dies nachfolgend erläutert wird.
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Durch das Zusammenwirken von Magnetfeld 3 und radialen Wirbelströmen 16, 17 entstehen im Schmelzestrom 2 die sogenannten Lorentz-Kräfte 18, die der Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 entgegengerichtet sind. Dadurch wird das Geschwindigkeitsprofil 11 des Schmelzestroms 2 abgeflacht, so dass der Schmelzestrom insgesamt durch die Unterdrückung von Verwirbelungen vergleichmäßigt und verlangsamt wird, wie dies 2e verdeutlicht.
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Gemäß der Darstellung der 2f wird durch das elektrisch leitfähige Material, insbesondere Kupfer, des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 1 die Stärke der radialen Wirbelströme 16, 17 stark angehoben, da dann die Wirbelströme außer durch den Schmelzestrom 2 zusätzlich durch die Wand des Leitrohres 10 fließen. Dadurch wird die Bremswirkung auf den Schmelzestrom 2 entsprechend verstärkt.
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Der Längsschnitt des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 1 nach 3a gemäß der Schnittlinie A-A der 1 zeigt den Verlauf der quer zum Schmelzestrom 2 und in Richtung a des Schmelzestroms verlaufenden Feldlinien 14 des Magnetfeldes 3, das sich in und quer zur Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 erstreckt.
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Gemäß 3a tritt der Schmelzestrom 2 im Bereich 19 in das Magnetfeld 3 ein und verlässt dieses wieder im Bereich 20. Beim Eintreten des Schmelzestroms 2 in das Magnetfeld 3 wird in dem Schmelzestrom in einer Ebene senkrecht zu den Magnetfeldlinien 14 eine in 3b dargestellte Spannung 21 induziert, durch die nach der Regel von Lenz Wirbelströme 22 gemäß 3c zum Ausgleich der Potenzialdifferenz in dem Schmelzestrom 2 erzeugt werden. Die Wirbelströme 22 fließen axial zur Strömungssrichtung a des Schmelzestroms 2 bis außerhalb des Bereichs des Magnetfeldes 3.
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Durch das Zusammenwirken von Magnetfeld 3 und Wirbelströmen 22 entstehen im Schmelzestrom 2 Lorentz-Kräfte 23, die der Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 entgegengerichtet sind und die dadurch eine Bremswirkung auf den Schmelzestrom 2 ausüben, durch die die Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms herabgesetzt wird.
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Beim Verlassen des Austrittsbereichs 20 des Magnetfeldes 3 entstehen in dem Schmelzestrom 2 Wirbelströme 24, die durch Zusammenwirken mit dem Magnetfeld 3 wiederum Lorentz-Kräfte 25 erzeugen, die der Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 entgegengerichtet sind und damit eine zusätzliche Bremswirkung zu der Bremswirkung der Lorentz-Kräfte 23 im Eintrittbereich 19 des Schmelzestroms 2 in das Magnetfeld 3 auslösen.
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Durch das Zusammenwirken der radialen Wirbelströme 16, 17 und der axialen Wirbelströme 22, 24 mit dem Magnetfeld 3 entstehen Lorentz-Kräfte 18, 23, 25, die eine große Bremswirkung auf den Schmelzestrom 2 ausüben.
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Gemäß der Darstellung der 3d wird durch das elektrisch leitfähige Material, insbesondere Kupfer, des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 1 die Stärke der axialen Wirbelströme 22, 24 stark angehoben, da dann die Wirbelströme außer durch den Schmelzestrom 2 zusätzlich durch die Wand des Leitrohres 10 fließen. Dadurch wird die Bremswirkung auf den Schmelzestrom 2 entsprechend verstärkt.
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Gemäß 4 ist das aus elektrisch gut leitendem Material wie Kupfer hergestellt Leitrohr 10 der Regelvorrichtung 1 mit Kühlkanälen 26 ausgerüstet, durch die ein Kühlmedium geleitet wird, um zu verhindern, dass das Leitrohr von der flüssigen Schmelze des Schmelzestroms 2 angegriffen wird.
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Durch die Kühlung setzt sich an der Innenwand 10a des Leitrohres 10 eine erstarrte Schmelzeschicht 27 des Schmelzestroms 2 ab, die als Schutzschicht gegen einen Verschleiß des Leitrohres 10 wirkt. Wenn sich die Schmelzeschicht durch Verschleiß an irgendeiner Stelle verdünnt, stellt sich durch die an dieser Stelle aufgrund der verringerten Rohrwandstärke gesteigerte Kühlwirkung auf die Schmelze sofort eine örtliche Erstarrung der Schmelze ein mit dem Ergebnis eines Wiederaufbaus der Schutzschicht an dieser Stelle. Dadurch wird ein Verschleiß der Innenwand 10a des Leitrohres 10 durch den Schmelzestrom 2 verhindert.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen des Schmelzestroms kann der Abstichvorgang bei Hochöfen verlängert und die Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms in einer solchen Weise verringert werden, dass ein permanenter Abstich möglich ist und damit letztendlich auf das Verschließen und erneute Öffnen der Stichlöcher verzichtet werden kann.
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Da die Bremswirkung der Lorentz-Kräfte proportional der Strömungsgeschwindigkeit des Schmelzestroms ist, werden die Turbulenzen, die eine lokale Geschwindigkeitserhöhung bewirken, in dem ausfließenden Schmelzestrom reduziert.
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Um die Wirkung der Magnetfelder auf den Schmelzestrom möglichst intensiv zu gestalten und den Wirkungsgrad der Regelvorrichtung zu optimieren, müssen die geometrischen Abmessungen der Bauelemente der Regelvorrichtung folgende Anforderungen erfüllen:
Der Spalt zwischen dem in dem Leitrohr 10 geführten Schmelzestrom 2 und den Enden der beiden Pole 6, 7 muss möglichst klein sein. Das gleiche gilt für die Wandstärke des Rohres 10, wobei die Rohrwandstärke den Sicherheitsanforderungen beim Ausströmen und Leiten von extrem heißen Schmelzeströmen 2 entsprechen muss. Wenn das neue Verfahren zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen von Schmelzeströmen durch Magnetfelder mit der herkömmlichen Stichlochtechnik für den Abstich von Hochöfen kombiniert wird, müssen der Abstand der Enden der Pole 6, 7 sowie der Durchmesser des Leitrohres 10 so gewählt werden, dass die Einrichtungen einer Stichlochstopfmaschine sowie die Bohrkrone und die Bohrstange zum Öffnen des Stichlochkanals durch das Leitrohr 10 in dem Spalt 8 zwischen den Enden der beiden Pole 6, 7 des Magnetkerns beziehungsweise des Jochs 5 hindurchgeführt werden können.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform 28 der Regelvorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Magnetfeldern gleichbleibender Polarität, deren Kern 4 zur Verstärkung des Magnetfeldes 3 als Doppeljoch 29 mit zwei Jochen 5, 5a ausgebildet ist, auf denen vier Induktionsspulen 12, 13, 30, 31 angeordnet sind.
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6 veranschaulicht eine Regelvorrichtung 32 mit einer Hintereinanderschaltung von zwei Elektromagnetfeldern 3, 3a gleichbleibender Polarität, durch die ein in 7a im Längsschnitt nach Linie B-B der 6 dargestelltes mittleres axiales Wirbelstromfeld 33 mit einer erheblich gesteigerten Stromstärke erzeugt wird, das zusätzlich durch die in 7b gezeigten radialen Wirbelstromfelder 34, 35 verstärkt wird, so dass eine deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades und der Bremswirkung der Regelvorrichtung auf einen Schmelzestrom erreicht wird.
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Bei der in 8 dargestellten Vorrichtung 36 zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit, zum Abbremsen und zum Halten eines Schmelzestroms 2 sowie zum Umkehren der Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 baut sich zwischen den beiden Polen 6a, 7a ein elektromagnetisches Wechselfeld 3b auf, das durch die auf den Polen 6a, 7a angeordneten, nicht dargestellten Induktionsspulen, die mit Wechselstrom betrieben werden, erzeugt wird. In dem Schmelzestrom 2 werden innerhalb des magnetischen Wechselfeldes 3b Wirbelströme 37, 38 induziert, die durch Zusammenwirken mit dem magnetischen Wechselfeld 3b Lorentz-Kräfte 39, 40 erzeugen, die abstoßend wirken.
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Der Aufbau der Regelvorrichtung 36 mit einem magnetischen Wechselfeld 3b gemäß 8 entspricht dem Aufbau der Regelvorrichtung 1 mit einem Magnetfeld 3 gleichbleibender Polarität gemäß 1.
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Bei der Beeinflussung von Schmelzeströmen durch magnetische Wechselfelder können durch eine Veränderung der Frequenz dieser Felder und des die Magnetfelder erzeugenden elektrischen Stroms die Wirbelströme und die Lorentz-Kräfte verändert und damit unterschiedlichen Gegebenheiten angepasst werden.
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Die Induktionsspulen können aus supraleitendem Material hergestellt werden. Ein Supraleiter hat den Vorteil, dass er den elektrischen Strom verlustfrei leitet. Dadurch sind sehr hohe Stromdichten auf engem Raum möglich, so dass sehr starke Magnetfelder mit geringem Energieeinsatz und Platzbedarf sowie niedrigen Kosten erzeugt werden können.
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9 zeigt eine Induktionsspule 41 der beiden als Supraleiter ausgebildeten Induktionsspulen zur Erzeugung von Magnetfeldern der Regelvorrichtung 1. Die Induktionsspule 41 ist auf einem Pol 7 des Polpaares 6, 7 angeordnet, aus dem die Magnetfeldlinien 14 austreten, und ist vorzugsweise aus einem hochtemperatursupraleitenden Material hergestellt, das seine supraleitenden Eigenschaften in mehr oder weniger stark gekühltem Zustand entwickelt. Die Induktionsspule 41 ist in eine Kammer 42 eingebaut, die aus einer oder mehreren Lagen aus hochwärmeisolierendem Material 43 besteht. Die Induktionsspule 41 ruht im Zentrum der Kammer 42 in einem Kühlbad 44 aus Flüssiggas, vorzugsweise Stickstoff, das durch die bei seiner Verdunstung entstehende Verdampfungskälte am Siedepunkt gehalten wird, der unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Materials der Induktionsspule 41 liegen muss. Da sich durch die Verdunstung das flüssige Gas im Laufe der Zeit verbraucht, muss je nach Verbrauch Flüssigkeit in die Kammer nachgefüllt werden.
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Mittels einer elektrischen Schaltvorrichtung wird die supraleitende Induktionsspule je nach Bedarf mit elektrischem Strom be- beziehungsweise entladen.
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Aus 10 ist die Anordnung der Regelvorrichtung 28 zur Erzeugung von auf einen Schmelzestrom im Stichlochkanal 45 eines Hochofens 46 wirkenden Bremskräften mittels elektrischer Magnetfelder gleichbleibender Polarität als Vorsatzeinrichtung vor der Auslauföffnung 47 des Stichlochkanals 45 mit einem Anschluss des Stichlochkanals an das Leitrohr 10 der Regelvorrichtung 28 ersichtlich. Auf der Arbeitsbühne 48 an der Außenwand 49 des Hochofens 46 ist ein Tisch 50 verfahrbar, auf welchem die Regelvorrichtung 28 als geschlossener Kasten 51 gemäß 11 angeordnet ist. Mittels Justiereinrichtungen 52 kann der Kasten 51 der Regelvorrichtung 28 in eine Position gebracht werden, in der die Achse des Stichlochkanals 45 koaxial zur Achse des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 28 für die Durchleitung des Schmelzestroms 2 verläuft.
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Wenn die Regelvorrichtung 28 zusammen mit der herkömmlichen Stichlochtechnik bei Hochöfen eingesetzt wird, werden die Auslauföffnung 47 des Stichkanals 45 und die Einlauföffnung 53 des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 28 zum Abbremsen des Schmelzestroms 2 zunächst dichtend miteinander verbunden und anschließend wird der Stichlochkanal 45 in der Wand 54 des Hochofens 46 mit einer herkömmlichen Bohreinrichtung durch das Leitrohr 10 der Regelvorrichtung 28 hindurch aufgebohrt.
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Bei der in den 10 und 11 dargestellten Regelvorrichtung 28, die aus 5 ersichtlich ist, ist zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades das Doppeljoch 29 zur Führung und Leitung des Magnetflusses, der gemäß 5 durch die vier Induktionsspulen 12, 13, 30, 31 erzeugt wird, als ein geschlossener Kasten 51 ausgebildet, der sämtliche Bestandteile der Regelvorrichtung umschließt. In der Schemadarstellung gemäß 11 ist die Vorderseite des Kastens 51 abgenommen.
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Der freie Raum 55 des die Induktionsspulen 12, 13, 30, 31 und das Leitrohr 10 aufnehmenden geschlossenen Kastens 51 ist mit feinkörnigem fließfähigem Material, vorzugsweise Sand ausgefüllt, um Beschädigungen der beiden Joche 5, 5a des Doppeljochs 29 und der Induktionsspulen 12, 13, 30, 31 auch in dem Fall zu vermeiden, wenn bei betrieblichen Schäden Risse im Leitrohr 10 entstehen sollten und dadurch bedingt flüssiges Rohreisen oder Schlacke innerhalb des Kastens 51 austreten kann.
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Durch den Sand wird die ausgetretene Schmelze aufgefangen und zur Erstarrung gebracht. Durch eine Ablauföffnung 56 im Boden 57 des Kastens 51 kann der Sand abgelassen werden.
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In den 12a und 12b ist ein mechanischer Schieber 58 dargestellt, der gemäß 10 zwischen der Auslauföffnung 47 des Stichlochkanals 45 eines Hochofens 46 und der Einlauföffnung 53 des Leitrohres 10 der Vorrichtung 28 zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit sowie zum Abbremsen des aus dem Stichlochkanal 45 austretenden Schmelzestroms 2 angeordnet wird. Der Schieber 58, der aus hochtemperaturbeständigem Material besteht und auf seiner Innenseite mit feuerfester Keramik belegt ist, wird in seitlichen Führungen 59, 60 gehalten und geführt und durch einen Anschlag 61, der den Schieber 58 übergreift, in der Schließstellung arretiert. Wenn der Schmelzestrom 2 in dem Leitrohr 10 durch die Wirkung der Magnetfelder abgebremst beziehungsweise nahezu abgebremst ist, wird der Schieber 58 geschlossen. Auf diese Weise kann der aus dem Stichlochkanal 45 unter dem Innendruck des Hochofens 46 austretende Schmelzestrom 2 nach der Abbremsung durch die Magnetfelder der Regelvorrichtung 28 für längere Zeit unterbrochen werden. Sollte die im Stichlochkanal zurückgehaltene Schmelze erstarren, kann diese durch Heizvorrichtungen, wie sie nachstehend anhand von 14 beschrieben werden, wieder aufgeschmolzen werden, um einen erneuten Abstich einzuleiten.
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Die 13a und 13b zeigen ein Absperrorgan zum Unterbrechen des Schmelzestroms 2, das als Schwenkklappe 62 ausgebildet ist, die auf ihrer dem Stichlochkanal 45 zugewandten Seite mit feuerfestem Material belegt ist. Die Schwenkklappe 62 wird in der vor den Stichlochkanal 45 eingeschwenkten Schließstellung von Anschlägen 63 gehalten.
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Der Schieber 58 gemäß den 12a und 12b und die Schwenkklappe 62 gemäß den 13a und 13b können sowohl zwischen der Auslauföffnung 47 des Stichlochkanals 45 und der Einlauföffnung 53 des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 28 zum Regeln der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen des Schmelzestroms 2 im Stichlochkanal 45 als auch vor der Auslauföffnung 64 des Leitrohres 10 der Regelvorrichtung 28 angeordnet werden.
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Der in 14 gezeigte Stichlochkanal 45 des Hochofens 46 wird durch ein Außenrohr 65 und ein in diesem axial verschiebbares Innenrohr 66 gebildet, wobei das Außenrohr 65 fest mit der Ausmauerung 67 des Hochofens 46 verbunden ist. Beide Rohre 65, 66 bestehen aus einem hochfesten, vorzugsweise keramischen Material und das Material des Innenrohres 66, das dazu dient, den Abrasionsverschleiß durch das ausfließende Roheisen und die ausfließende Schmelze aufzuhalten, ist zusätzlich widerstandsfähig gegen Abrasion.
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Das Innenrohr 66 besteht aus Rohrabschnitten 68, die zur Kompensation des auftretenden Abrasionsverschleißes in bestimmten Zeitabständen durch neue Rohrabschnitte 68a ersetzt werden, wobei die Innenrohrabschnitte 68a durch die Auslauföffnung 47 des Stichlochkanals 45 entgegen der Strömungsrichtung a des Schmelzestroms 2 in das Außenrohr 65 eingeschoben und dabei gleichzeitig verschlissene Rohrabschnitte 68b durch die Einlauföffnung 69 des Stichlochkanals 45 aus dem Außenrohr 65 heraus in den Hochofen 46 geschoben werden. Der Innenrohrabschnitt 68b, durch den der Schmelzestrom 2 in den Stichlochkanal 45 des Hochofens 46 eintritt, ragt um ein bestimmtes Maß zum Schutz des Außenrohres 65 und der Außenmauerung 67 des Hochofens 46 gegen Abrasionsverschleiß in den Hochofen hinein. Dieser Innenrohrabschnitt 68b übernimmt die Funktion des sogenannten Pilzes auf der Innenseite der Ausmauerung eines Hochofens beim herkömmlichen Abstichverfahren. Der zeitliche Abstand des Einschiebens neuer Rohrabschnitte 68a wird so gewählt, dass eine Zerstörung der Innenrohrabschnitte 68 vermieden und dadurch eine Berührung der Schlacke oder der Schmelze mit dem Außenrohr 65 ausgeschlossen wird.
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Zwischen dem Außenrohr 65 und den Innenrohrabschnitten 68 befindet sich ein Schmiermittel 70 auf mineralischer Basis, das bei den hohen Temperaturen des ausfließenden Eisens und der ausfließenden Schlacke seine volle Gleitfähigkeit entfaltet.
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Außenrohr 65 und Innenrohr 66 des in 15 veranschaulichten Stichlochkanals 45 sind mit einem kombinierten Heiz- und Kühlsystem ausgestattet, das aus mindestens einer auf dem Außenrohr 65 angebrachten Hohlwendel 71 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, besteht, wobei ein die Wendel 71 durchströmendes Kühlmittel eine Erstarrung der im Stichlochkanal 45 nach dem Abbremsen eines Schmelzestroms 2 durch die Magnetfelder einer Regelvorrichtung 28 zum Abbremsen des Schmelzestroms nach einem Abstich zurückgehaltenen Schmelze bewirkt und wobei zum Einleiten eines erneuten Abstichvorgangs die an einen hochfrequenten Wechselstrom mit hohen Stromstärken angeschlossene Wendel 71 in der im Stichlochkanal 45 erstarrten Schmelze große Wirbelströme zum Aufschmelzen der Schmelze erzeugt.
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Durch dieses Stichlochkanalkonzept wird es möglich, den früher beim Abstichvorgang gefürchteten Effekt des Erstarrens beziehungsweise Einfrierens des Schmelzestroms im Stichlochkanal in positiver Weise nutzbar zu machen und zum Verschließen des Stichlochkanals heranzuziehen und zum Einleiten eines erneuten Abstichvorgangs große Wirbelströme vorzugsweise im äußeren Umfangsbereich des Roheisenstopfens im Stichlochkanal zum Aufschmelzen des Stopfens zu erzeugen. Das Aufschmelzen beginnt an der Grenzfläche des im Stichlochkanal erstarrten Stopfens zur Innenwand des Stichlochkanals, so dass der Stopfen durch den Innendruck des Hochofens aus dem Stichlochkanal herausgedrückt wird, bevor der Stopfen bis zum Kern vollkommen aufgeschmolzen ist.
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Die Vorrichtung 72 nach 16 zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und zum Abbremsen eines nichtferromagnetischen Schmelzestroms 2 bis zum Stillstand ist gekennzeichnet durch einen Kern 73 aus einem ferromagnetischen, wirbelstromdämpfenden Material, vorzugsweise einem Transformatorenblech, mit mehreren in Reihe angeordneten Polpaaren 74, die einen Spalt 75 zur Aufnahme eines als Rohr 10 ausgebildeten Leitelementes für den Schmelzestrom 2 bilden, sowie auf den Polschuhen 76, 77 der Pole 78, 79 der Polpaare 74 angeordnete Induktionsspulen 80, 81, die mit einem Drehstrom mit einer einmaligen Nutzung der drei Phasen L1, L2, L3 zur Erzeugung eines zweipoligen elektromagnetischen Wanderfeldes mit einem Maximum und einem Minimum der Feldstärke gespeist werden.
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Ein Nachteil der Regelvorrichtung nach 16 besteht darin, dass sich die Amplitude der Feldstärke bei der Wanderung von einem Polpaar zum nächsten in den Zwischenstellungen abschwächt. Um die Amplitudenabschwächung zu vermeiden beziehungsweise zu vermindern, wird die Regelvorrichtung 72 in der Praxis gemäß der Darstellung in 17 mit einer vermehrten Anzahl der Polpaare 74 und mit einer mehrmaligen Nutzung jeder Phase L1, L2, L3 des Drehstroms zur Erzeugung eines mehrpoligen Wandermagnetfeldes mit dem in den 18a und 18b dargestellten Verlauf der Magnetflussdichte ausgeführt, bei dem die zuvor anhand von 6 beschriebene Technik der Wirbelstromverstärkung mit deren doppelter Ausnutzung zur Anwendung gelangt.
