DE102013222159A1

DE102013222159A1 - Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens sowie Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE102013222159A1
Application number: DE201310222159
Authority: DE
Inventors: Manfred Baldauf; Martin Hergt; Thomas Matschullat
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30
Also published as: WO2015062956A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens (10), der zumindest eine Elektrode (18) umfasst, die aus Grafit gefertigt ist und die eine Durchgangsöffnung (32) aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Lichtbogen (20) zwischen der zumindest einen Elektrode (18) und einem Schmelzgut (16) erzeugt wird und ein erster Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung (32) der Elektrode (18) eingebracht wird, wobei durch das Einbringen des ersten Zusatzstoffes in die Durchgangsöffnung (32) eine chemische Reaktion bewirkt wird, wobei bei der chemischen Reaktion Kohlenstoff gebildet wird, der sich an der zumindest einen Elektrode (18) ablagert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung einen Lichtbogenofen zum Schmelzen eines Schmelzgutes.
Bei einem Lichtbogenofen, insbesondere einem Elektrolichtbogenofen, führt ein Elektrolichtbogen über Grafitelektroden festem Schrott und in einer späteren Phase einer Schmelze elektrische Energie in Form von Lichtbögen zu. In der ersten Phase wird der feste Schrott direkt durch den Lichtbogen und/oder indirekt durch die Abstrahlung des Lichtbogens aufgeheizt und eingeschmolzen. In späteren Phasen wird die Schmelze durch die Energie des Lichtbogens auf die gewünschte Zieltemperatur gebracht. Dabei ist ein hoher Energieeintrag in den Schrott bzw. die Schmelze wichtig, um die Schmelzdauer zur Gewährleistung hoher Produktionskapazitäten kurz zu halten und die Energieeffizienz des Prozesses zu steigern.
Üblicherweise wird mit einem Ofentransformator eine Mittelspannung in eine Niederspannung transformiert und an die Elektroden angelegt. Der Abstand der Elektroden zum Schrott bzw. zu der Schmelze kann variiert werden, um bei kleinem Abstand den Lichtbogen zu zünden und während des Betriebs durch Vergrößern des Abstands elektrische Betriebsparameter, wie die elektrische Spannung und/oder die Stromstärke, zu beeinflussen.
Während des Betriebs des Lichtbogenofens unterliegen die Grafitelektroden einem hohen Temperaturgradienten. Am oberen Ende ist die Elektrodentemperatur im Bereich der Umgebungs- bzw. Hallentemperatur, während das untere Ende knapp oberhalb der Schmelze ca. 3000 K heiß wird. Diese hohen Temperaturen führen in Verbindung mit dem Lichtbogen zu einem verstärkten Abbrand der Elektroden in der umgebenden Luft. Der Abbrand der Grafitelektroden ist zu ca. 50% der Seitenoxidation zuzuordnen. Im Übrigen ist der Abbrand proportional zum Quadrat der Stromstärke. Dies bedeutet, dass man beim Betrieb konventioneller Lichtbogenöfen versucht, möglichst hohe Stromstärken mit gleichzeitig kleinen Lichtbögen zu vermeiden, um den Grafitabbrand niedrig zu halten.
Temperaturgradienten entlang der Elektroden können weiterhin zu mechanischen Spannungen führen, die zum Abplatzen von Bruchstücken oder im Extremfall zum Abbrechen der Elektrode führen können. Ein Elektrodenbruch würde nicht nur zu erhöhtem Elektrodenverbrauch sondern auch zu Produktionsunterbrechungen und zur Aufkohlung des Stahls führen, wenn die Grafitelektrode oder Bruchstücke davon in die Schmelze fallen. Der Energieeintrag in die Schmelze bzw. in den Schrott wird heute ausschließlich durch die elektrischen Parameter und den mechanischen Abstand von der Elektrode zu dem Metall beeinflusst.
Aus der WO 2013/064413 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens bekannt, bei dem der Lichtbogen durch Zumischen von Zusatzstoffen beeinflusst werden kann, damit in den einzelnen Betriebsphasen des Lichtbogenofens bestimmte Kenngrößen vorteilhaft eingestellt werden können. Je nach Art des zugesetzten Zusatzstoffes kann die Leitfähigkeit im Lichtbogen und die Strahlungsleistung erhöht oder gesenkt werden.
Eine Erhöhung der Leitfähigkeit im Lichtbogen bzw. im Plasma führt zu größeren Elektrodenabständen und damit zu einer Verringerung der Stromschwankungen und dem sogenannten Flicker. Gleichzeitig wird die Strahlungsleistung erhöht und fällt großvolumig aus, so dass die großvolumige Energieabstrahlung zu einem schnellen Schrottaufheizprozess führt. Damit kann in dieser Phase der Energiebedarf reduziert werden. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit im Lichtbogen kann ein Metall oder ein Metallsalz in das Plasma eingebracht werden.
Andererseits führt eine Verringerung der Leitfähigkeit des Plasmas zu einem geringen Elektrodenabstand und zu geringeren Strahlungsleistungen und somit auch zu niedrigeren Strahlungsverlusten an den Ofenwänden. Dadurch wird im Betrieb mit flüssiger Phase sehr effizient elektrische Energie in die Schmelze eingetragen. Zur Verringerung der Leitfähigkeit des Lichtbogens können Gase wie Argon, Stickstoff, Methan, Kohlendioxid oder dergleichen in das Plasma eingebracht werden.
Zum Einleiten der Gase in den Lichtbogen können Hohlelektroden aus Grafit verwendet werden, die in ihrem oberen Bereich entsprechende Nippel für den Anschluss von Gaszuführungen aufweisen. Über die Nippel kann das Gas in das Innere der Hohlelektrode und von dort in den Lichtbogen, der am unteren Ende der Hohlelektrode fußt, eingebracht werden.
Im Falle des konventionellen Lichtbogenofens zum Schmelzen von Schrott ist ein derartiges Verfahren bis dato noch nicht im Einsatz. Bei einigen Pfannenöfen ist das Prinzip der Gaseinleitung über Hohlelektroden hingegen bekannt. Hierbei wird aber vorrangig Argon eingeblasen, um eine Aufkohlung der Schmelze zu vermeiden.
Die Kühlung der Elektroden erfolgt üblicherweise auf der Außenseite durch Aufsprühen oder Herabrieseln von Wasser. Diese Maßnahme hatte nach ihrer Einführung vor ca. 30 Jahren einen immensen Einfluss auf den Grafitverbrauch. Da das herabrieselnde Wasser aber verdampft, wird der untere Teil der Elektrode nicht gekühlt. Zudem erfährt das Innere der Elektrode überhaupt keine Kühlwirkung. In diesem Zusammenhang beschreibt die WO 2013/064413 A1 weiterhin, dass dem Lichtbogen ein Zusatzstoff zugeführt werden kann, der eine Reaktion bewirkt, die aufgrund ihres Energieverbrauchs zu einer Kühlung der Elektrode führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Lichtbogenofen der eingangs genannten Art effizienter zu betreiben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Lichtbogenofen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens, der zumindest eine Elektrode umfasst, die aus Grafit gefertigt ist und die eine Durchgangsöffnung aufweist, wird ein Lichtbogen zwischen der zumindest einen Elektrode und einem Schmelzgut erzeugt und ein erster Zusatzstoff wird in die Durchgangsöffnung der Elektrode eingebracht, wobei durch das Einbringen des ersten Zusatzstoffes in die Durchgangsöffnung eine chemische Reaktion bewirkt wird und wobei bei der chemischen Reaktion Kohlenstoff gebildet wird, der sich an der zumindest einen Elektrode ablagert.
Der Lichtbogenofen kann insbesondere als Elektrolichtbogenofen ausgebildet sein. Der Lichtbogenofen umfasst zumindest eine Elektrode, die aus Grafit bzw. Kohlenstoff gefertigt ist. An der Elektrode kann mit Hilfe eines Ofentransformators eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, in Folge der sich zwischen der Elektrode und dem Schmelzgut ein Lichtbogen ausbildet. Als Schmelzgut kann insbesondere Stahlschrott verwendet werden. Die zumindest eine Elektrode ist als Hohlelektrode ausgebildet. In das Innere der Elektrode, also in deren Durchgangsöffnung, kann ein erster Zusatzstoff eingebracht werden. Als erster Zusatzstoff kann ein Feststoff, ein Aerosol und/oder ein Fluid eingebracht werden. Insbesondere wird als erster Zusatzstoff ein Gas in die Öffnung der Elektrode eingebracht.
Der erste Zusatzstoff wird vorliegend so gewählt, dass eine chemische Reaktion bewirkt wird, bei der Kohlenstoff gebildet wird. Der bei der Reaktion gebildete Kohlenstoff lagert sich an der zumindest einen Elektrode an. Damit kann dem Abbrand der Elektrode beim Betrieb des Lichtbogenofens entgegengewirkt werden. Der erste Zusatzstoff kann dabei so gewählt werden, dass eine endotherme chemische Reaktion bewirkt wird. Bei dieser chemischen Reaktion wird also Energie benötigt. Diese Energie kann der erwärmten Elektrode entnommen werden. Dies hat zur Folge, dass die Elektrode Wärmeenergie abgibt und somit gekühlt wird. Somit kann der Bereich der Elektrode, der beim Betrieb des Lichtbogenofens erhitzt wird, gekühlt werden.
Bevorzugt wird ein Kohlenwasserstoff als der erste Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung eingebracht. Beispielsweise können Methan, Ethan und/oder Propan in die Durchgangsöffnung eingebracht werden. Ein derartiges Gas kann in einer Speichereinrichtung gespeichert werden und über eine entsprechende Verbindungsvorrichtung in die Durchgangsöffnung der Elektrode eingebracht werden. Zudem kann das Gas durch eine entsprechende Steuervorrichtung, beispielsweise ein steuerbares Ventil, dosiert werden.
In einer Ausführungsform wird das Einbringen des ersten Zusatzstoffes derart gesteuert, dass die chemische Reaktion zumindest bereichsweise innerhalb der Durchgangsöffnung der zumindest einen Elektrode bewirkt wird. Zudem kann das Einbringen so gesteuert werden, dass die chemische Reaktion in einem dem Schmelzgut zugewandten Bereich der Elektrode stattfindet. Somit kann eine Ablagerung des Kohlenstoffs innerhalb der Durchgangsöffnung, insbesondere in einem dem Schmelzgut zugewandten Bereich der Elektrode, erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird beim Einbringen des ersten Zusatzstoffes eine Menge des ersten Zusatzstoffes, die in die Durchgangsöffnung eingebracht wird, in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert. Durch die Beeinflussung der Menge des ersten Zusatzstoffes kann die Ablagerung des Kohlenstoffs an der Elektrode in Folge der chemischen Reaktion gesteuert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird beim Einbringen des ersten Zusatzstoffes eine Strömungsgeschwindigkeit des ersten Zusatzstoffes innerhalb der Durchgangsöffnung gesteuert. Durch die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten Zusatzstoffes entlang der Durchgangsöffnung, kann eingestellt werden, an welcher Position innerhalb der Durchgangsöffnung der Kohlenstoff abgelagert wird.
Bevorzugt wird beim Einbringen des ersten Zusatzstoffes eine Position, an der ersten Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung eingebracht wird, verändert. Zu diesem Zweck kann die Elektrode mehrere Öffnungen aufweisen, durch die der erste Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung eingebracht werden kann. Damit kann der Bereich, an dem sich der Kohlenstoff an die Elektrode ablagert, beeinflusst werden.
In einer Ausführungsform wird zusätzlich ein zweiter Zusatzstoff, der dazu ausgebildet ist, Kohlenstoff zu oxidieren, in die Durchgangsöffnung eingebracht. Insbesondere kann zusätzlich zu dem ersten Zusatzstoff ein oxidierendes Gas wie Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserdampf in die Durchgangsöffnung eingebracht werden. Durch die Beimischung des zweiten Zusatzstoffes kann eine ungewollte Ablagerung des Kohlenstoffs in einem oberen Bereich der Elektrode, der dem Schmelzgut abgewandt ist, verhindert werden.
Bevorzugt wird eine Menge des ersten Zusatzstoffes und/oder eine Menge des zweiten Zusatzstoffes, die in die Durchgangsöffnung eingebracht werden, in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert. Durch die Anteile des ersten und/oder des zweiten Zusatzstoffes kann gesteuert werden, in welchem Bereich der Elektrode der Kohlenstoff abgelagert wird. Zudem kann beeinflusst werden, in welchem Bereich der Elektrode eine Oxidation des gebildeten Kohlenstoffs erfolgt. Des Weiteren kann die Menge des sich ablagernden Kohlenstoffs beeinflusst werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich ein zweiter Zusatzstoff zur Verringerung und/oder zur Erhöhung einer Feldstärke des Lichtbogens in die Durchgangsöffnung eingebracht wird. Zur Verringerung der Feldstärke des Lichtbogens bzw. des Plasmas kann ein zweiter Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung eingebracht werden, der die Ionisationsenergie in dem Lichtbogen herabsetzt. Hierzu kann beispielsweise ein Metall oder ein Metallsalz als zweiter Zusatzstoff eingebracht werden. Um die Feldstärke zu erhöhen kann ein zweiter Zusatzstoff eingebracht werden, der die Ionisationsenergie in dem Lichtbogen erhöht. Dazu können als zweiter Zusatzstoff beispielsweise ein Gas, wie Argon, Stickstoff, Methan, Kohlendioxid oder dergleichen, in das Plasma eingebracht werden. Somit kann zusätzlich zur Kühlung der zumindest einen Elektrode der Lichtbogen beeinflusst werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Außenfläche der zumindest einen Elektrode mit Wasser gekühlt. Beispielsweise kann Wasser von außen auf die Elektrode aufgesprüht werden. Bevorzugt kann die Elektrode nur in dem unteren Bereich, der dem Schmelzgut zugewandt ist, mit Wasser gekühlt werden. Somit kann zusätzlich zur chemischen Kühlung im Inneren der Elektrode die Elektrode von außen gekühlt werden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Lichtbogenofen zum Schmelzen eines Schmelzgutes mit zumindest einer Elektrode, die aus Grafit gebildet ist und die eine Durchgangsöffnung aufweist, einer elektrischen Energiequelle zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der zumindest einen Elektrode und dem Schmelzgut, einer Speichereinrichtung, in der ein erster Zusatzstoff angeordnet ist, wobei der erster Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung der Elektrode einbringbar ist, wobei durch das Einbringen des ersten Zusatzstoffes in die Durchgangsöffnung eine chemische Reaktion bewirkbar ist und wobei bei der chemischen Reaktion Kohlenstoff gebildet wird, der sich an der zumindest einen Elektrode ablagert.
Die zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können sinngemäß auf den erfindungsgemäßen Lichtbogenofen übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Darstellung eines Lichtbogenofens gemäß dem Stand der Technik in einer ersten Betriebsphase;
2 den Lichtbogenofen gemäß 1 in einer zweiten Betriebsphase; und
3 eine schematisch Darstellung einer Elektrode eines Lichtbogenofens.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
1 zeigt einen Lichtbogenofen 10 gemäß dem Stand der Technik in einer geschnittenen Seitenansicht. Der Lichtbogenofen 10 ist als Elektrolichtbogenofen ausgebildet. Der Lichtbogenofen 10 umfasst ein oberes Gehäuseteil 12 und ein unteres Gehäuseteil 14, die zueinander bewegt werden können. Der Lichtbogenofen 10 dient zum Schmelzen eines Schmelzgutes 16, insbesondere Stahlschrott. Das Schmelzgut 16 befindet sich in dem unteren Gehäuseteil 14.
Des Weiteren umfasst der Lichtbogenofen 10 zumindest eine Elektrode 18. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Lichtbogenofen 10 drei Elektroden 18. Die Elektroden 18 sind mit einem hier nicht dargestellten Ofentransformator verbunden, mit dem eine elektrische Spannung an den Elektroden 18 bereitgestellt werden kann. An den Elektroden 18 werden die elektrische Spannung und/oder die elektrische Stromstärke so gewählt, dass sich jeweils zwischen den Elektroden 18 und dem Schmelzgut 16 ein Lichtbogen 20 ausbildet. Der Abstand der Elektroden 18 zum Schmelzgut 16 kann eingestellt werden, um bei kleinem Abstand den Lichtbogen 20 zu zünden und während des Betriebs durch Vergrößern des Abstands elektrische Betriebsparameter zu beeinflussen.
In 1 ist der Lichtbogenofen 10 in einer ersten Betriebsphase dargestellt. Hier liegt das Schmelzgut 16 als Feststoff 22 vor. Dem Feststoff 22 bzw. dem Schrott wird durch die Lichtbögen 20 Energie zugeführt. Dies bewirkt, dass der Feststoff 22 geschmolzen wird und das Schmelzgut 16 somit als Schmelze 24 vorliegt.
2 zeigt den Lichtbogenofen 10 gemäß 1 in einer zweiten Betriebsphase. Hierbei liegt das Schmelzgut 16 bereits vollständig als Schmelze 24 vor. Durch die Energie, die mittels der Lichtbögen 20 in die Schmelze 24 eingebracht wird, kann eine vorbestimmte Zieltemperatur der Schmelze 24 eingestellt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrode 18 eines Lichtbogenofens 10 in einer geschnittenen Seitenansicht. Während des Betriebs des Lichtbogenofens 10 bildet sich ein Temperaturgradient entlang der Elektrode 18 aus. Dieser entsteht dadurch, dass die Elektrode 18 in einem unteren, dem Schmelzgut 16 zugewandten Bereich 26 durch den Lichtbogen 20 und die Schmelze 24 auf eine Temperatur von bis zu 3000 K erwärmt wird. An dem unteren Bereich 26 der Elektrode 18 bildet sich auch der Lichtbogen 20 aus. Ein oberer Bereich 28 der Elektrode 18, der dem unteren Bereich 26 gegenüberliegt, weist in etwa die Temperatur der Umgebung, beispielsweise die Umgebungstemperatur in einer Halle, auf. Der Temperaturgradient ist vorliegende durch den Pfeil 30 veranschaulicht. Durch den Temperaturgradienten können mechanische Spannungen innerhalb der Elektrode 18 entstehen, die eine Beschädigung der Elektrode 18 zur Folge haben können. Zudem können die hohen Temperaturen im unteren Bereich 26 der Elektrode 18 einen Abbrand der Elektrode 18 bewirken.
Die Elektrode 18 ist vorliegend als Hohlelektrode ausgebildet. Die Elektrode 18 weist im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf. Die Elektrode 18 weist eine Durchgangsöffnung 32 auf, die sich von dem oberen Bereich 28 bis zum unteren Bereich 26 der Elektrode 18 entlang einer Längserstreckungsrichtung der Elektrode 18 erstreckt. In die Durchgangsöffnung 32 kann ein erster Zusatzstoff eingebracht werden. Dies ist vorliegend durch den Pfeil 36 veranschaulicht. Zu diesem Zweck kann an der Elektrode 18 ein entsprechendes Anschlusselement angeordnet sein, das mit einer Speichereinrichtung oder einem Reservoir verbunden ist, in dem der erste Zusatzstoff angeordnet ist.
Als erster Zusatzstoff kann ein Kohlenwasserstoff in die Durchgangsöffnung 32 der Elektrode 18 eingebracht werden. Beispielsweise kann Methan, Ethan oder Propan in die Durchgangsöffnung 32 eingebracht werden. Durch das Einbringen des ersten Zusatzstoffes in die Durchgangsöffnung 32 wird eine chemische Reaktion bewirkt, bei der Kohlenstoff entsteht. Dies bewirkt im Inneren der Hohlelektrode eine Kohlenstoffablagerung. Damit kann dem Abbrand der Elektrode 18 in einem unteren heißen Bereich 34, der dem Schmelzgut 16 zugewandt ist, durch in-situ Produktion von Kohlenstoff entgegengewirkt werden. Diese Reaktion ist für Methan als ersten Zusatzstoff beispielhaft in Gleichung (1) veranschaulicht. Die Reaktion kann in analoger Weise auch mit höheren Kohlenwasserstoffen, die sogar im stärkeren Maße der Rußbildung unterliegen, erfolgen. CH₄ → C + 2H₂; ΔH_R = +74,5,0 kJ/mol (1)
Dabei beschreibt ΔH_R die Energiemenge, die für die Reaktion benötigt wird. Da die Reaktion nach Gleichung (1) endotherm, also unter Wärmeverbrauch, verläuft, kann sie gleichzeitig zur Kühlung des heißen Bereichs 34 der Elektrode 18 dienen. Die Reaktion nach Gleichung (1) setzt bei Temperaturen oberhalb von 200 °C ein und die Gleichgewichtslage wird mit steigender Temperatur mehr auf die Seite der Produkte H₂ und C verschoben. Gleichzeitig wird durch Temperaturerhöhung die Kinetik schneller, so dass sowohl thermodynamisch als auch kinetisch unterstützt am heißen Bereich 34 der Elektrode 18 mehr Kohlenstoff gebildet wird als in den übrigen Bereichen der Elektrode 18.
Zudem soll die Zudosierung von Methan zum Gasstrom durch das Innere der Elektrode 18 so erfolgen, dass das Methan hauptsachlich im untersten heißen Bereich 34 der Elektrode 34, vorteilhafterweise am Ausgang, zersetzt wird. Somit wird der gebildete Kohlenstoff an der Stelle abgeschieden, an der durch Elektrodenabbrand die Graphitelektrode verbraucht wird. Würde die Kohlenstoffbildung ein einem oberen Bereich 36 der Elektrode 18 erfolgen, würden die Ablagerungen den Strömungsquerschnitt verengen und die Gaszuführung verstopfen, da in diesem Bereich durch den Lichtbogen 20 kein Abtrag erfolgt.
Um die Abscheidung des Kohlenstoffs im gewünschten Bereich ablaufen zu lassen, kann deshalb eine Regelung vorgesehen sein, mit der die Menge des ersten Zusatzstoffes und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Zusatzstoffes so gesteuert wird, dass der erste Zusatzstoff im oberen Bereich 36 der Elektrode 18 nur vorgewärmt wird und erst im unteren Bereich 34 bzw. am Ausgang ein großer Teil des Zusatzstoffes zersetzt wird. Deshalb wird weiterhin vorgeschlagen, die unerwünschte Abscheidung des Kohlenstoffes im oberen Bereich 36 der Elektrode 18 durch die Beimischung eines zweiten Zusatzstoffes zu unterdrücken. Der zweite Zusatzstoff kann ein oxidierend wirkendendes Gas, wie Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserdampf sein. Derartige Gase können unerwünscht gebildeten Kohlenstoff umsetzen und so ein Zusetzen des Strömungsquerschnitts in Regionen mit niedrigen Temperaturen verhindern. Beispiele für solche Reaktionen können z.B. sein: CO₂ + C → 2CO; ΔH_R = +172,6 kJ/mol (2) C + H₂O → CO + H₂; ΔH_R = +131,4 kJ/mol (3) C + 2H₂O → CO₂ + 2H₂; ΔH_R = +90,2 kJ/mol (4) C + O₂ → CO₂; ΔH_R = –393,82 kJ/mol (5)
Durch die Steuerung der Menge des ersten und des zweiten Zusatzstoffes und deren Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Durchgangsöffnung 32 entsteht ein Regelungs- und Automatisierungskonzept für Lichtbogenöfen 10.
Da die Reaktionen gemäß den Gleichungen (1) bis (4) endotherm sind, führen sie, falls sie im oberen Bereich 36 der Elektrode 18 ablaufen, auch dort zu einer weiteren Temperaturabsenkung, wodurch die Kinetik verlangsamt wird. Bei günstiger Wahl der Mengen- und
Strömungsverhältnisse kann durch Abreagieren von ungewollten Kohlenstoffablagerungen über die Temperaturabsenkung eine Nachbildung von neuem Kohlenstoff verhindert werden. Beim Zudosieren des zweiten Zusatzstoffes bzw. dem oxidierenden Gas ist bevorzugt nur so viel von dem zweiten Zusatzstoff einzubringen, dass das oxidierende Gas im oberen Bereich 36 der Elektrode 18 durch eine der Reaktionen nach den Gleichungen (2) bis (5) verbraucht wird. Am Ausgang der Elektrode 18 im Bereich 34 ist die Ablagerung von Kohlenstoff gewollt. Dort soll kein zusätzlicher chemischer Verbrauch durch die Reaktionen nach den Gleichungen (2) bis (5) stattfinden. Am Elektrodenende erfolgt der Abtrag ohnehin durch den Lichtbogen 20.
Zusätzlich kann ein dritter Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung 32 der Elektrode 18 eingebracht werden, durch die die Eigenschaften des Lichtbogens 20 beeinflusst werden können. Beispielsweise kann die Feldstärke des Lichtbogens 20 durch den dritten Zusatzstoff beeinflusst werden. Damit kann eine Kombination der Lichtbogenbeeinflussung und der chemischen Kühlung der Elektroden 18 mit einem gemeinsamen apparativen Aufbau bereitgestellt werden. Zur Steuerung des Einbringens des ersten, des zweiten und/oder des dritten Zusatzstoffes können die elektrische Spannung und/oder die Stromstärke des Lichtbogens überwacht werden.
Durch das Einbringen von Gasen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf und/oder Methan, die neben Gasen wie Argon, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Pressluft ohnehin zur Beeinflussung des Lichtbogenplasmas eingesetzt werden können, kann zusätzlich durch die Zersetzung eines Kohlenwasserstoffs im Inneren und/oder am Ausgang der Elektrode 18 eine chemische Reparatur bereitgestellt werden und dadurch der Abbrand der Elektrode 18 kompensiert werden.
Dies bietet die Möglichkeit ein Regelungs- und Automatisierungskonzept zu entwickeln, in dem in einem mehrdimensionalen Parameterraum sowohl die Energieeintrag in das Schmelzgut 16 durch den Lichtbogen 20 als auch die Kühlung der Elektroden 18 und der Abbrand der Elektroden 18 in günstiger Weise durch die Wahl der Gaskombinationen, deren Mischverhältnisse, dem Ort der Einspeisung der Gase in die Durchgangsöffnung 32, der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumenstroms der Gase beeinflusst werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/064413 A1 [0006, 0011]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens (10), der zumindest eine Elektrode (18) umfasst, die aus Grafit gefertigt ist und die eine Durchgangsöffnung (32) aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Lichtbogen (20) zwischen der zumindest einen Elektrode (18) und einem Schmelzgut (16) erzeugt wird und ein erster Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung (32) der Elektrode (18) eingebracht wird, wobei durch das Einbringen des ersten Zusatzstoffes in die Durchgangsöffnung (32) eine chemische Reaktion bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Reaktion Kohlenstoff gebildet wird, der sich an der zumindest einen Elektrode (18) ablagert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kohlenwasserstoff als der erste Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung (32) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des ersten Zusatzstoffes derart gesteuert wird, dass die chemische Reaktion zumindest bereichsweise innerhalb der Durchgangsöffnung (32) der zumindest einen Elektrode (18) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen des ersten Zusatzstoffes eine Menge des ersten Zusatzstoffes, die in die Durchgangsöffnung (32) eingebracht wird, in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen des ersten Zusatzstoffes eine Strömungsgeschwindigkeit des ersten Zusatzstoffes innerhalb der Durchgangsöffnung (32) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen des ersten Zusatzstoffes eine Position, an der ersten Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung (32) eingebracht wird, verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein zweiter Zusatzstoff, der dazu ausgebildet ist, Kohlenstoff zu oxidieren, in die Durchgangsöffnung (32) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des ersten Zusatzstoffes und/oder eine Menge des zweiten Zusatzstoffes, die in die Durchgangsöffnung (32) eingebracht werden, in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein dritter Zusatzstoff zur Verringerung und/oder zur Erhöhung einer Feldstärke des Lichtbogens (20) in die Durchgangsöffnung (32) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche der zumindest einen Elektrode (18) mit Wasser gekühlt wird.
Lichtbogenofen (10) zum Schmelzen eines Schmelzgutes (16) mit zumindest einer Elektrode (18), die aus Grafit gefertigt ist und die eine Durchgangsöffnung (32) aufweist, einer elektrischen Energiequelle zum Erzeugen eines Lichtbogens (20) zwischen der zumindest einen Elektrode (18) und dem Schmelzgut (16), einer Speichereinrichtung, in der ein erster Zusatzstoff angeordnet ist, wobei der erster Zusatzstoff in die Durchgangsöffnung (32) der Elektrode (18) einbringbar ist und durch das Einbringen des ersten Zusatzstoffes in die Durchgangsöffnung (32) eine chemische Reaktion bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Reaktion Kohlenstoff gebildet wird, der sich an der zumindest einen Elektrode (18) ablagert.