DE1219141B - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von elektrische leitendem Material - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05b

Deutsche KL: 21h-16/30

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

U10149 VIII d/21h
24. September 1963
16.Juni 1966

Es ist bekannt, zum Schmelzen von in einem Ofen befindlichen elektrisch leitendem Material einen Lichtbogen zu verwenden, wobei der den Lichtbogen bildende Strom gleichzeitig Spulen durchfließt, welche in der Schmelze ein magnetisches Feld erzeugen und damit zum Rühren der Schmelze beitragen können. Es ist ferner bekannt, zum Schmelzen einen Lichtbogen mit Gasstabilisierung zu verwenden. Schließlich sind Lichtbogenöfen mit Metallelektroden bekannt, bei denen ein senkrecht zur Längsachse des Lichtbogens verlaufendes magnetisches Feld vorhanden ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von elektrisch leitendem Material mittels eines gasstabilisierten Lichtbogens unter Rühren der Schmelze durch ein Magnetfeld, welches durch Spulen erzeugt wird, die von dem den Lichtbogen bildenden Strom durchflossen werden, wobei der die Schmelze durchströmende Lichtbogenstrom und die Kraftlinien des Magnetfeldes etwa senkrecht zueinander zo verlaufen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Stärke des Rührens durch Änderung der Stelle regelt, an welcher der Lichtbogen auf die Schmelze auftrifft.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Ofenkammer aus elektrisch nichtleitendem Material, einer durch die Kammer geführten Ofenelektrode, die mit der Schmelze oder dem zu schmelzenden Material in Berührung steht, einem im oberen Teil der Kammer angeordneten Brenner zur Erzeugung eines gasstabilisierten Lichtbogens mittels einer nichtabschmelzbaren Elektrode, in oder an der Ofenkammer angeordneten Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die von dem den Lichtbogen bildenden Strom durchflossen werden, wobei die Ofenelektrode und die das Magnetfeld erzeugenden Spulen derart angeordnet sind, daß der die Schmelze durchströmende Lichtbogen und die Kraftlinien des Magnetfeldes etwa senkrecht zueinander verlaufen. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Lichtbogenbrenners, daß die Auftreffstelle es Lichtbogens auf die Schmelze geändert werden kann.

Das elektrisch leitende Material im Ofen kann aus Metallen, Metallegierungen, Oxyden oder Salzen bestehen, die in geschmolzenem Zustand wenigstens teilweise ionisiert sind. Die Lichtbögen können beispielsweise Einphasenwechselstrom-, pulsierende Gleichstrom- oder Gleichstromlichtbögen sein. Um den Lichtbogen mit Gas zu stabilisieren, kann man beispielsweise den Bogen zwischen einer nicht-Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von
elektrisch leitendem Material

Anmelder:

Union Carbide Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

Richard Clyde Myers, Scotch Plains, N. J.;

David Augustus Haid, Kenmore, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 24. September 1962
(225794)

abschmelzenden Elektrode und der Charge bilden und ihn zusammen mit einem Gasstrom durch eine Düse leiten, wo der Lichtbogen durch die kalten Wandungen der Düse eingeschnürt und mit dem Gasstrom vereinigt wird. Das Gas braucht indessen nicht die nichtabschmelzende Elektrode zu umgeben oder durch eine kalte Düsenwandung in unmittelbare Berührung mit dem Lichtbogen gebracht zu werden. Man kann den Gasstrom auch so lenken, daß er den Lichtbogen erst in der Nähe der Elektrode berührt und ihn mindestens in diesem Bereich umhüllt. Vorzugsweise läßt man das Gas so strömen, daß es die Elektrode gegen eine verunreinigende Ofenatmosphäre und gegen Metallteilchen und Dämpfe abschirmt.

Die Zeichnungen veranschaulichen beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines Ofens mit der Darstellung einer Feldspule in Reihe mit Mitteln zur Erzeugung und Lenkung einer richtungsstabilen Säule eines übertragenden Lichtbogens in Berührung mit einem leitenden Schmelzbad,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Ebene 2-2 der F i g. 1, mit der Darstellung der Lenkung der Bewegung des geschmolzenen leitenden Materials während des Rührens mittels einer Einrichtung ähnlich derjenigen gemäß der Fi g. 1,

609 579004

3 4

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer durch dem geschmolzenen Chargenmaterial gemäß

Wechselwirkung zwischen einem Magnetfluß und den Pfeilen in F i g. 2 eine Drallbewegung erteilt wird,

einem Stromleiter, zur Erzeugung des Rührdrucks, F i g. 3 gibt eine schematische Darstellung der

Fig.4 in senkrechtem Querschnitt eine sehe- Wechselwirkung zwischen Stromleiter und Magnet-

matische Darstellung eines Ofens, mit der Ver- 5 fluß wieder. Die vertikalen Linien 21 stellen die

anschaulichung einer weiteren Ausführungsform der durch das Magnetfeld hervorgerufenen Flußlinien

Erfindung, bei der Feldspulen so angeordnet sind, dar. Die Pfeile zeigen, daß der Nordpol des Feldes

daß horizontale Flußlinien erzeugt werden, an der Oberseite und der Südpol am Boden liegt.

F i g. 5 eine Quersehnittsansicht des Ofens nach Die Kreislinie 22 stellt den durch den Stromleiter 23

der F i g. 4 längs der Ebene 5-5, mit der Darstellung io erzeugten Fluß dar, so gesehen, als ob er den Strom

der Lenkung oder Ausrichtung der Bewegung des in das Darstellungsblatt hineintrüge und hierdurch

geschmolzenen leitenden Materials während des einen Fluß in Uhrzeigerdrehrichtung hervorriefe. Die

Rührens. Wechselwirkung der Linien ist schematisch dar-

Nach der Fig. 1 hat ein Ofen 11 einen Schmelz- gestellt und ergibt den Kraftpfeil 24.

tiegel 12, der eine Masse aus geschmolzenem Metall 15 Fig.4 zeigt eine weitere Rühreinrichtung. Wie

oder ein anderes leitendes Chargenmaterial 13 ent- zuvor hat ein Ofen 25 einen Lichtbogenbrenner 26,

hält. Ein Lichtbogenbrenner 14 ist vorgesehen und der eine Metalldüse 27 mit einem ringförmigen Kanal

so angeordnet, daß er einen richtungsstabilen über- 28 aufweist, durch den ein Kühlmittel, wie Wasser,

tragenen Lichtbogen 15 in Berührung mit dem leiten- im Umlauf hindurchgeführt wird, um die inneren

den Chargenmaterial lenkt. 20 Wandungen eines mittigen Lichtbogenkanals 29 in

Der Brenner 14 weist eine innere, nichtabschmel- der Düse kühlzuhalten. Kühlmitteleinlaß und -auslaß

zende Elektrode sowie eine Düse mit einem Mittel- sind nicht abgebildet. Innerhalb des Kanals 29 ist

kanal in axialer Ausfluchtung zur Elektrode auf. Die axial ausgefluchtet zu diesem eine Elektrode 30 an-

Brennerelektrode für den übertragenen Lichtbogen geordnet. Die Spitze der Elektrode kann sich ent-

ist elektrisch an den negativen Pol einer elektrischen 25 weder oberhalb des Düsenkanals 31 befinden oder

Gleichstromquelle angeschlossen. Der positive Pol in Ausfluchtung zum Auslaß der Düse oder unter-

dieser Kraftquelle ist über eine Feldspule 16 mit der halb derselben angeordnet sein. Die Düse ist mit

Bodenelektrode 17 in der Wand des Ofens verbunden Hilfe von Isolatoren 32 und 33 gegen den Ofen sowie

und im Tiegel außermittig so angeordnet^ daß er das gegen die Elektrode isoliert. Die Elektrode 30 ist

Chargenmaterial an der Seite des Tiegels berührt. 30 elektrisch mit dem negativen Pol einer elektrischen

Diese Anordnung ergibt eine elektrische Lichtbogen- Gleichstromleistungsquelle verbunden. Gas fließt

säule mit übertragenem Lichtbogen und gerader, unter Druck in den Lichtbogenbrenner hinein sowie

direkter Polarität. Die Bogenbrennerelektrode kann aus dem Kanal 29 heraus, um die Ausströmung 34

wahlweise mit dem positiven Pol einer elektrischen des Brenners zu bilden.

Gleichstromquelle verbunden sein. Bei dieser Anord- 35 Die mit kalter Wandung betriebene Düse lenkt

nung wäre die Lichtbogensäule eine richtungsstabile den ringförmigen Gasstrom in innige Berührung mit

Lichtbogensäule eines übertragenen Lichtbogens um- dem Lichtbogen, wodurch ein Teil des Gasstromes

gekehrter Polarität. ionisiert und richtungsstabilisiert wird, um den sta-

Beim Betrieb des Ofens wird ein Lichtbogen zwi- bilen Lichtbogenpfad oder -säule zur Schmelze zu

sehen der Brennerelektrode und der Charge gezündet, 40 bilden.

wobei der Strom zwischen der Brennerelektrode und Im Betrieb kann zuerst ein Hilfslichtbogen zwi-

der Bodenelektrode durch die leitende Charge hin- sehen der Elektrodenspitze 31 und der Düse mit Hilfe

durch verläuft. Zur selben Zeit wird ein Gasstrom eines Bürdenwiderstandes 35 gezündet werden, der

in den Brenner eingeführt, wobei mindestens ein an dem positiven Pol der Kraftquelle liegt. Hierauf

Teil des die Elektrode umgebenden ringförmigen 45 wird der Hauptlichtbogen zwischen der Elektrode

Gasstromes in innige Berührung mit dem Lichtbogen 30, einer Charge 36 und einer Bodenelektrode 38

gebracht wird, wodurch die Bogensäule richtungs- hergestellt. Die Bodenelektrode 38 ist dabei mittig

stabilisiert wird, um einen äußerst stabilen Licht- im Boden des Herdes angeordnet, während die aus

bogenpfad zur Charge zu verwirklichen. Feldpolen 39 und 40 bestehenden Magnetfeld-

Die Feldspule 16 ist hier so gewickelt, daß ihre 50 erzeugungsmittel an entgegengesetzten Seiten des Achse mit der Vertikalachse des Ofens zusammen- Ofens oder innerhalb der Wandungen des Ofens anfällt. Derselbe Strom, welcher den Brenner durch geordnet sind, wie es die Zeichnung wiedergibt. Die diese Spule erregte, erzeugt ein Magnetfeld mit ver- Spulen 41 und 42 liegen an dem positiven Pol der tikalen Flußlinien 18. Der Strompfad vom Licht- Kraftquelle, um einen Nordpol und einen Südpol bogenbrenner durch die geschmolzene Charge (Pfeil 55 zu bilden, wobei der elektrische Stromkreis zur 19) bildet den Stromleiter, der mit dem Magnetfeld Bodenelektrode 38 geschlossen wird. Bei dieser Anin Wechselwirkung steht, um die Rührwirkung her- Ordnung verlaufen die Flußlinien 43 horizontal, wähvorzurufen. Nur der rechtwinklig zur Richtung des rend der Strompfad 44 vertikal verläuft, was eine Flusses stehende Stromvektor wirkt mit dem Fluß 18 Bewegung von geschmolzenem leitendem Chargenzusammen, um eine Kraft oder einen Druck auf das 6° material ergibt, wie es in der Seitenansicht der F i g. 5 Chargenmaterial hervorzurufen; Die horizontale zu sehen ist. Es entsteht dabei eine Wälzbewegung, Komponente des Stromes, als horizontaler Strom- welche das geschmolzene Chargenmaterial vom Bovektor bezeichnet, ist mit dem Pfeil 20 beziffert und den der Schmelze zu deren Oberseite hin wirksam schneidet die vertikalen Flußlinien 18 unter rechten bewegt, an Stelle der ungleichförmigen Wirbel, die Winkeln. Bei Anwendung der Linke-Hand-Regel der 65 Me und da durch Wirbelstromrühreinrichtungen erWechselwirkung zwischen Stromleiter und Magnet- zeugt werden.

feld zeigt sich, daß diese Einrichtung eine Tangential- Mit der vorliegenden Erfindung werden viele Vorkraft auf das leitende Chargenmaterial ausübt, wo- teile erzielt. Beispielsweise lassen sich bei dem neuen

Verfahren die Richtung sowie das Ausmaß der Rührbewegung steuern, ohne daß hierbei entweder die Eintrittsstelle des Lichtbogenbrenners in den Ofen oder die Stellung der Bodenelektrode neu eingestellt zu werden braucht; es brauchen lediglich die Neigung des Brenners und hierdurch die Aufprallstelle des richtungsstabilen elektrischen Lichtbogens auf das Schmelzbad geändert zu werden.

Da die richtungsstabilen elektrischen Lichtbogensäulen gemäß der vorliegenden Erfindung richtungssteuerbar oder -regelbar sind, kann der Brenner so ausgerichtet werden, daß die Bogensäule unter jeder gewünschten Stellung auf die Oberfläche des leitenden Chargenmaterials auftrifft, ohne daß hierbei die Stelle des Eintritts des Brenners durch das Ofendach hindurch örtlich verändert zu werden braucht. Auf diese Weise ergibt sich eine wirksame und einfache Regelung der Größe des Stromvektors 20 und hierdurch auch des auf das gesamte Bad ausgeübten Drucks. Zum Extrem gebracht könnte die Rührbewegung angehalten werden, indem die Lage des Fußes der Lichtbogensäule zu einer Stelle unmittelbar oberhalb der Bodenelektrode verschoben wird, wodurch die Größe des Stromvektors 20 auf Null vermindert wird. Sonach gestattet die vorliegende Erfindung einer Bedienungsperson, die Intensität der Rührbewegung vom rührfreien Zustand zu intensivem Rühren zu ändern, ohne daß hierbei der elektrische Lichtbogen ausgelöscht oder der Stromfluß in der Anlage eingestellt oder unterbunden werden müßte.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde ein mit übertragenem Lichtbogen betriebener Brennerofen von 23 kg Fassungsvermögen mittels eines auf 50 kW eingestellten 500 Ampere-Lichtbogenbrenners erwärmt. Der Brenner wurde vertikal oberhalb der Mitte des Tiegels angeordnet. Eine Bodenelektrode von 2,5 cm Durchmesser wurde in der Seite des Tiegels nahe dem Boden außermittig vorgesehen.

Die Feldspule bestand aus 7 Windungen mit 38 cm Durchmesser, die um den Ofen herumgewunden waren, wobei die Spulenachse mit der Vertikalachse des Ofens zusammenfiel. Die Anordnung des Brenners, der Feldspule sowie der Bodenelektrode entsprachen somit derjenigen nach F i g. 1.

Die Feldspule bestand aus einem wassergekühlten Kupferrohr von 19 mm Durchmesser. Benutzt wurde eine 50-kW-Gleitstromkraftquelle, wobei der Brenner mit dem negativen Pol und die Feldspule sowie die Bodenelektrode mit dem positiven Pol verbunden waren; der Stromkreis wurde durch die Schmelze hindurch geschlossen. Im Betrieb wurde der Ofen mit festem Metall beschickt; man beobachtete einen Drall der Schmelze, sobald sich geschmolzenes Metall bildete. Die Rührwirkung erteilte dem Bad einen Drall von 60 U/min.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf metallische Chargen beschrieben wurde, läßt sie sich ebenso auch für nichtmetallische Chargen bei anderen Aufbereitungs- oder Schmelzvorgängen anwenden, vorausgesetzt nur, daß auch diese Chargen elektrisch leiten. Beispielsweise können elektrisch leitende Metallsalze oder Schlacken in einem Ofen nach der vorliegenden Erfindung wirksam gerührt werden. Außerdem sei bemerkt, daß der für den Brenner verwendete Gasstrom nicht auf Argon begrenzt ist, sondern Stickstoff oder ein anderes Gas oder ein Gemisch von Gasen sein kann, je nach der Art des gewünschten Behandlungs- oder Schmelzvorgangs und nach der Art des benutzten Lichtbogenbrenners. Die Kraftquelle kann außer einer Gleichstromquelle auch eine pulsierende Gleichstrom- oder eine Ein· phasenwechselstromquelle sein.

Wird eine Einphasenwechselstromkraftquelle benutzt, müssen indessen Vorkehrungen getroffen werden, um Wirbelstromverluste in der Ofenhülle weitestgehend zu vermindern, vorzugsweise ganz zu unterbinden, etwa indem unmagnetische Baustoffe benutzt werden. Da der Brenner und die Feldspulen in Reihe angeordnet sind, liegen die Änderungen der Intensität des Stromes und der Magnetfelder in Phase und stören daher nicht die Rührwirkung.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schmelzen von elektrisch leitendem Material mittels eines gasstabilisierten Lichtbogens unter Rühren der Schmelze durch ein Magnetfeld, welches durch Spulen erzeugt wird, die von dem den Lichtbogen bildenden Strom durchflossen werden, wobei der die Schmelze durchströmende Lichtbogenstrom und die Kraftlinien des Magnetfeldes etwa senkrecht zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stärke des Rührens durch Änderung der Stelle regelt, an welcher der Lichtbogen auf die Schmelze auftrifft.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Ofenkammer aus elektrisch nichtleitendem Material, einer durch die Kammer geführten Ofenelektrode, die mit der Schmelze oder dem zu schmelzenden Material in Berührung steht, einem im oberen Teil der Kammer angeordneten Brenner zur Erzeugung eines gasstabilisierten Lichtbogens mittels einer nichtabschmelzenden Elektrode, in oder an der Ofenkammer angeordneten Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die von dem den Lichtbogen bildenden Strom durchflossen werden, wobei die Ofenelektrode und die das Magnetfeld erzeugenden Spulen derart angeordnet sind, daß der die Schmelze durchströmende Lichtbogen und die Kraftlinien des Magenetfeldes etwa senkrecht zueinander verlaufen, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Lichtbogenbrenners, daß die Auftreffstelle des Lichtbogens auf die Schmelze geändert werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 428 003;

Patentschrift Nr. 2198 des Amtes für Erfindungsund Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands;

britische Patentschriften Nr. 554 229, 866 106.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 579/304 6.66 © Bundesdruckerei Berlin