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Schnellumlaufender elektrischer Lichtbogenofen und Verfahren zu seinem
Betrieb Die Erfindung betrifft einen schnellumlaufenden elektrischen Lichtbogenofen
und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
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Für die Verarbeitung nicht oder schlecht leitender technischer Rohstoffe
mittels metallurgischer und anderer Prozesse sind verschiedene Verfahren zum Betrieb
von rotierenden elektrischen Öfen gebräuchlich. Vielen Verfahren ist gemeinsam,
daß durch eine hohe Umdrehungszahl des Ofens das zu verarbeitende Gut mittels Zentrifugalkraft
an den inneren Ofenmantel gedrückt wird, so daß im Kein des Ofens ein freier Innenraum
in Gestalt eines Rotationskörpers längs der Ofenachse entsteht. In diesem Kemraum
sind die Elektroden fest oder beweglich angeordnet. Der Lichtbogen zwischen den
Elektroden wird möglichst in der Nähe der Oberfläche des an die innere Trommelwand
gedrückten Gutes erzeugt. Dieses wird durch die entstehende hohe Temperatur geschmolzen
und gegebenenfalls umgesetzt.
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Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Verarbeitung
von Rohstoffen, welche zunächst elektrisch nicht oder schlecht leitend sind, deren
Oberflächenschicht in einer gewählten Breite mit einer Zündschicht bedeckt wird,
auf welche die Lichtbögen der Elektroden brennen, so daß unterhalb der Lichtbögen
und der Zündschicht sich eine Reaktionsrinne ausbildet, auf welche die Umsetzung
des Ofens begrenzt ist.
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Demgegenüber ist ein langsam umlaufender Ofen bekanntgeworden,
d. h., das Rohmaterial wird bei ihm nicht durch Zentrifugalkraft an die Gehäusewandung
gepreßt. Ein weiterer Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren besteht bei diesem
Ofen darin, daß der Lichtbogen direkt zwischen den Elektroden überspringt, während
beim erfindungsgemäßen Verfahren der Lichtbogen von den Elektroden durch das Rohmaterial
innerhalb der Reaktionsrinne hindurchgeht.
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Daraus resultiert der große Vorteil beim erfindungsgemäßen Verfahren,
daß die größte Energieumsetzung innerhalb des Rohmaterials selbst vor sich geht,
d. h. bei hoher Spannung nur kleine Elektrodendurchmesser erforderlich sind,
wobei z. B. bei einem Elektrodendurchmesser von 150 mm je nach Rohmaterial,
z. B. Quarz, etwa 6000 A bei etwa 300 V, also eine Leistung von etwa
2700 kW bei Drehstrom und cos = 0,9 erzielt wird. Die Leistung beim
Ofen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also erheblich größer als diejenige
des bekanntgewordenen Ofens.
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Weitere bekanntgewordene Öfen betreffen auch wieder nur langsam umlaufende
Öfen. Bei diesen Öfen gibt es wiederum keine Reaktionsrinne und daher hohe Stromdichte
bei niederer Spannung und somit große Querschnitte der Elektroden und Zuleitungen.
Die zylinderförmigen Elektroden gemäß dem einen bekannten Ofen und die radialfilicherförmigen
Elektroden gemäß dem anderen bekanntgewordenen Ofen berühren unmittelbar das Rohmaterial
und sind daher hohem Verschleiß unterworfen. Beim Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung
berühren hingegen die Elektroden das Rohmaterial im Betrieb nicht, sondern Elektroden
und Rohmaterial sind nur durch den Lichtbogen verbunden, was eine große Schonung
der Elektroden herbeiführt. Demgegenüber streicht das Rohmaterial bei den bekannten
Öfen entlang den zylindrischen bzw. fächerfönnigen Elektroden. Ein weiterer großer
Nachteil dieser bekannten Öfen besteht darin, daß ihre Elektroden rotieren müssen
und daher den Strom mittels Schleifringen zugeführt erhalten, während die Elektroden
beim Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung stillstehen und feste Zuleitungen aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zum Verdampfen von Stoffen,
z. B. hochdisperser Kieselsäure aus Sand, sowie zur Reduktion von Aluminium, Eisenerzen
u. dgl. Als Zündschicht können exotherm erhitzende Stoffe verwendet werden.
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Der Ofen zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen einem Innen-und
einem Außenkonus, die mit Differenzgeschwindigkeit
umlaufen, ein Spalt zur Zuspeisung des zu behandelnden Gutes vorgesehen ist.
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In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lichtbogenofens dargestellt. Es ist Fig. 1 ein senkrechter Längsschnitt durch
den Lichtbogenofen, F i g. 2 ein Querschnitt nach der Linie II-II der F i
g. 1, in der Pfeilrichtung betrachtet, unter Fortlassung von Einzelheiten,
F i g. 3 der Bodenteil des Ofens als Einzelheit der F i g. 1 in vergrößerter
Darstellung, F i g. 4 eine Ansicht auf die Bodenplatte gemäß F i
g. 3 in Pfeilrichtung und F i g. 5 die Reaktionsrinne und ihre Veränderung
in schematischer Darstellung.
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Im einzelnen ergibt sich aus der Zeichnung der folgende Aufbau des
schnellumlaufenden elektrischen Lichtbogenofens: Das Gehäuse besteht aus einem Stahlblechmantel
1, getragen von drei oder vier Stützen 2. Nach oben ist das Gehäuse
1 durch einen Deckel 3 abgedeckt, der zylindrische Wände 4 aufweist.
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In dem festen Gehäuse 1 rotiert ein Außenkonus 5,
dessen
Laufkranz 6 getragen und angetrieben ist durch z. B. drei Treibrollen
53, von denen je eine auf das Achsenende eines Motors 7 aufgesetzt
ist. Diese Motoren 7 sind fest auf dem festen Gehäuse 1 angeordnet.
An den Außenkonus 5 ist unten ein weiterer Konus 8 angesetzt, an den
sich ein kurzer zylindrischer Teil mit einem Laufkranz 9 anschließt. An den
zylindrischen Teil ist ein Gegenkonus 10 angeschlossen. Der Laufkranz
9 wird zentrisch geführt mittels z. B. dreier Rollen 11, die, im wesentlichen
gegen die Einwirkungen des Ofens geschützt und von außen zugänglich, in Kapseln
54 auf dem festen Gehäuse 1
sitzen. Innerhalb des umlaufenden Außenkonus
5 ist ein Innenkonus 25 mit kleinerem Durchmesser angeordnet, welcher
mit einer gegenüber dem Außenkonus 5 abweichenden Geschwindigkeit rotiert,
damit die auf dem Innenkonus 25 vorgesehenen Schneckengänge 26 das
durch die Umdrehung der Schnecke 14 zugeführte Material 55 nach unten weiterfördern
können, so daß es in den inneren Ofenraum gelangt, und zwar gegen eine sich etwa
bildende pyroplastische Phase, die erfahrungsgemäß durch bloße Einwirkung der Schleuder-
und Schubkraft nicht überwunden wird. Dieser Innenkonus 25 trägt oben einen
zylindrischen Aufsatz 27 und ist mit einer feuerfesten Ausmauerung
28, einer Labyrinthdichtung 29 und einem Satz Schleifringe
30 für den elektrischen Anschluß versehen.
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Der Innenkonus 25 ist durch eine tragende Stahlplatte
31 gehalten, und zwar dadurch, daß ein nach oben ragender kegelstumpfförmiger
Teil derselben durch Stege 13 mit dem Innenkonus 25 verbunden ist.
Die erwähnte Platte 31 ist mittels eines Flansches 32 auf dem Laufring
6 gelagert. Die Teile 25, 13, 31
werden durch einen Elektromotor
33, wie erwähnt, mit einer Geschwindigkeitsdifferenz gegenüber dem rotierenden
Außenkonus 5 (je nach Rechts- oder Linksgang) angetrieben. Der Motor
33 ist an die Schleifringe 30 angeschlossen.
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In den Zwischenraum 12 zwischen dem Außenkonus 5 und Innenkonus
25 fällt das mittels einer Förderschnecke 14 eingeführte zu behandelnde Material
55 hinein. Dasselbe erhält durch den Einfluß der Schwer- und Schleuderkraft
einen Schub nach unten. Es bildet einen Mantel um die sich gegenüber den Elektroden
18 ausbildende Reaktionsrinne 16.
Das in der Reaktionsrinne
16 behandelte Material wird schmelzflüssig.
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Infolge der durch die Verflüssigung verminderten Reibung und unter
der Einwirkung des nachgeschobenen Materials und der Schwerkraft wird das flüssige
Material aus der Reaktionsrinne 16 herausgedrückt und sinkt bis zum Rand
17 des Gegenkonus 10, von wo es auf die äußere Gehäusewand
1 geschleudert wird. Auf die Reaktionsrinne 16 wird die elektrische
Energie durch die Lichtbögen von z. B. drei bzw. sechs Elektroden 18 übertragen.
Diese Elektroden 18
sind von unten her in das Ofeninnere des Gehäuses
1
durch Elektrodenhalter 19 eingeführt. Diese sind an einem Boden 20
isoliert befestigt. Dieser Boden 20 ist seinerseits mitsamt den Elektrodenhaltem
19 und den Elektroden 18 mittels dreier Hubspindeln 21 absenkbar,
damit gegebenenfalls die Graphit-Elektroden ausgewechselt oder sonstige Schäden
im Ofeninnern beseitigt werden können. In dem Boden 20 ist außer den Elektroden
18 mit den Elektrodenhaltern 19 noch ein längsverschiebbares Rohr
34 zum Aufspritzen einer Zündschicht oder zum Einführen einer Zündflamme befestigt,
womit die Zündung der Elektroden eingeleitet bzw. sichergestellt werden kann. Zum
Vorschub der Elektroden ist ein Getriebemotor 35 angeordnet, der mit einer
Gewindespindel 59 des Elektrodenhalters 19 zusammenwirkt. Ein weiterer
Getriebemotor 36 in einem Gehäuse 58 dient zum Antrieb des Ausräumer-Zahnkranzes
23. Die Hubspindeln 21 für den Boden 20 werden gemeinsam durch die an den
Sockeln 37 angeordneten Getriebe 38 angetrieben, z. B. mit zwei Getriebemotoren
39,
damit keine Verklemmung beim Heben und Senken des Bodens 20 eintritt.
Senkt man mittels der Motoren 39 die Gewindespindeln 21 und damit den Boden
20 ab, so wird das Ofeninnere frei zugänglich.
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F i g. 2 läßt im Schnittbild nach der Linie 11-11 der
F i g. 1 im einzelnen den beschriebenen Antrieb für das Heben und Senken
des Bodens 20 erkennen.
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Das abgeschleuderte flüssige Reaktionsgut 57, z. B. Metall,
wird an der Wand des Ofenteiles 1 abgekühlt und fällt dann granuliert in
die Sammelrinne 22, von wo es z. B. durch einen Ausräumer-Zahnkranz 23 bis
zu dem Gehäuse 58 weitergeführt und schließlich durch die Förderschnecke
24 zur weiteren Verwendung abgeleitet wird.
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In F i g. 3 ist die Verbreiterung der Reaktionsrinne
16 durch die Anordnung von schwenkbaren Elektrodenhaltern 19 dargestellt.
Diese Halter 19 sind mit einem Kragen 60 versehen, welcher ein Schneckenradsegment
61 enthält, in das eine Schnecke 40 eingreift, die durch eine Spindel
62 und ein Handrad 41 in dem jeweils erwünschten Sinne nach rechts oder links
gedreht werden kann. Gestrichelt ist in den F i g. 3 und 4 die Wirkung dieser
Verstellung eingezeichnet sowie die dadurch bewirkte Änderung der Form der Reaktionsrinne
16. Im besonderen zeigt die Strichelung in F i g. 3, daß bei Abwärtsschwenken
der Elektroden 18 oder bei Einsetzen dickerer Elektroden die Reaktionsrinne
an eine tiefer gelegene Stelle des Ofens wandert. F i g. 4 läßt eine gestrichelte
Stellung der Elektroden erkennen, die näher an der Reaktionsrinne 16 liegt
als die dick ausgezogene Stellung der Elektroden. Die Folge dieser Annäherung nach
F i g. 4 ist die Ausbildung einer tieferen, jedoch
engeren
Rinne 1.6 etwa gemäß dem in F i g 3 schraffierten Querschnitt.
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In F i g. 5 ist entsprechend den F i g. 1 und
3 ein Teil der Reaktionsrinne 16 dargestellt. Man erkennt, daß bei
Förderung des Materials oder Frischgutes 55
in Richtung des Pfeiles
63 die Rinne 16 schmäler wird; bei Förderung des Frischgutes
55 in Richtung des Pfeiles 64, d. h. wenn sich eine Sinterschicht
gebildet hat, wird die Rinne 16 hingegen flacher.
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Die Inbetriebsetzung des Lichtbogenofens geht so vor sich, daß zur
Verarbeitung von Rohstoffen, welche zunächst elektrisch schlecht oder nicht leitend
sind, deren Oberflächenschicht, die durch Fliehkraft an der Innenwand des durch
den Außenkonus 5 gebildeten Ofens haftet, in einer wählbaren Breite mit einer
Zündschicht aus exothermisch erhitzenden Stoffen, z. B. aluminothermischen Stoffen,
bedeckt wird, die während der Rotation des Ofens ringförmig auf die Rohstoffschicht
aufgebracht wird, und daß auf diese Zündschicht die Lichtbögen der Elektroden einwirken,
so daß unterhalb der Zündschicht sich die Reaktionsrinne aus geschmolzenem, nunmehr
leitendem Gut ausbildet, auf welche die Umsetzung des Ofens begrenzt ist.
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Wenn die Reaktionsrinne 16 des Ofens einmal entstanden ist,
so bleibt sie während des ganzen weiteren Ofenbetriebes bestehen, auch dann, wenn
dieser Rinne immer neues Material zur Behandlung von den Rändern oder der Oberfläche
her zugeführt wird.
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Der außerordentliche Vorzug und die Einfachheit des beschriebenen
Verfahrens bestehen darin, daß infolge der Ausbildung dieser genau definierten Rinne
16 der Arbeitsprozeß des Ofens sich nur in dieser Rinne abspielt und daher
nur in ihr flüssiges Gut enthalten sein kann. Dieses Gut kann unter dem Einfluß
des nachdrängenden Materials oder nötigenfalls durch Absenken der Drehzahl auf sehr
einfache Weise aus dieser örtlich scharf begrenzten Zone aus dem Ofen abgezogen
werden. Das Gut kann aber auch innerhalb dieser Reaktionsrinne verdampfen oder vergasen.
In jedem Falle läßt sich die Behandlung des Gutes genau überwachen.
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Auf Grund von Erfahrungen sind für jeden einzelnen Betriebsfall und
für jedes zu behandelnde Gut der Querschnitt und die Länge der sich ausbildenden
Reaktionsrinne bestimmbar. Aus diesen Massen, der Natur des Gutes und den Temperaturgradienten
ergibt sich der elektrische Widerstand im Betrieb. Dieser hängt also außer von den
elektrischen Konstanten des zu verarbeitenden Materials, nämlich z. B. der Veränderung
der Leitfähigkeit des jeweiligen Rohstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur,
noch von der Länge, der Strombahn und der Breite des Strombandes ab. Die Breite
der Rinne ist unter anderem wiederum in ganz bestimmter, durch Versuche zu ermittelnder
Weise abhängig von der Größe der Elektroden, ihrem Anstellwinkel gegenüber dem Gut
und daher der Art des ausgebildeten Lichtbogens und in geringerem Maße auch von
der Breite der Zündschicht.
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Der beim Betrieb elektrischer öfen zur Durchführung von metallurgischen
und anderen Prozessen immer wieder angestrebte wirtschaftliche Vorteil, mit hohen
Spannungen und niedrigen Stromstärken zu arbeiten, wird bei dem beschriebenen Verfahren
erreicht. Diese günstigen Daten lassen sich sogar vorausberechnen. Während des Betriebes
lassen sie sich ferner in erwünschter Weise regeln, weil die entstehenden Spannungen
in erster Linie durch den Querschnitt der Reaktionsrinne bestimmt werden und dieser
Querschnitt innerhalb weiter Grenzen während des Betriebes regelbar ist.
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Beim beschriebenen Verfahren zum Betrieb des Ofens stehen unter anderem
die folgenden Mittel bequem zur Verfügung, um die Spannungen und Stromstärken zu
regeln: a) Die Dicke bzw. Tiefe der Reaktionsrinne wird auf einfache Weise durch
den Nachschub von neu zu verarbeitendem Material mechanisch beeinflußt. Ihre Breite
läßt sich mechanisch verringern durch vermehrte Zuführung von neuem zu verarbeitendem
Material von der Rinnenoberfläche aus. b) Die Breite der Rinnenoberfläche
läßt sich ferner elektrisch beeinflussen durch den Abstand der Elektroden von der
Oberfläche der zu behandelnden Schicht, ferner durch die Winkelstellung der Elektroden
gegenüber der Oberfläche der Reaktionsrinne, durch die Größe des Durchmessers der
Elektroden, außerdem dadurch, daß die verschiedenen auf die Reaktionsrinne wirkenden
Elektroden nicht in der gleichen Ebene senkrecht zur Drehachse liegen.
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Die Beeinflussungsmöglichkeiten nach a) und b)
sind weitgehend
unabhängig voneinander; sie ergänzen einander nach Wahl des Betriebes.