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Verfahren zur Erzeugung von Stahl und ähnlichen Metallen in elektrischen
Lichtbogenöfen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Stahl
und ähnlichen Metallen in elektrischen Lichtbogenöfen mit zusätzlicher Brennerbeheizung
für die Vorwärmung des Einsatzes.
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Lichtbogenöfen hoher Leistung erfordern ein ihrer hohen Leistung entsprechend
ausgelegtes elektrisches Stromnetz, insbesondere Transformatoren hoher Leistung.
Nach der französischen Patentschrift 1275 221 ist es zwar bekannt, zur Vorwärmung
des Einsatzgutes Hilfsbrenner zu verwenden und auf diese Weise durch Erhöhung der
anfänglich niedrigen Schmelztemperatur die Schmelzdauer zu verkürzen. Dabei erfolgt
das Vorwärmen des Einsatzes jedoch gleichzeitig mit dem Einschmelzen desselben durch
den Lichtbogen. Obgleich sich durch die Verwendung zusätzlicher Hilfsbrenner die
dem Einsatz zugeführte Gesamtenergie erhöhen läßt, bleibt der Betrieb solcher Lichtbogenöfen
insbesondere wegen der Auslegung des Stromnetzes und der zeitlichen Ausnutzung des
elektrischen Teils der Anlage insgesamt teuer.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein
Verfahren zur Erzeugung von Stahl und ähnlichen Metallen in elektrischen Lichtbogenöfen
zu entwickeln, das bei gegebener Erzeugung eine im Vergleich zu den herkömmlichen
Schmelzverfahren geringere installierte Leistung erfordert bzw. eine bessere Ausnutzung
der installierten Leistung erlaubt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in der Weise, daß der elektrische
Strom dem Einsatz stetig, aber abwechselnd periodisch in jeweils einem von zwei
Öfen zugeführt wird, wobei im Intervall zwischen dem Schmelzen mit dem Lichtbogen
das Einsatzgut des betreffenden Ofens durch Brenner vorgewärmt wird. Im einzelnen
besteht die Erfindung darin, daß der Einsatz in zwei elektrischen Lichtbogenöfen
wechselseitig und periodisch zunächst mit Brenner- und dann mit Elektrodenbeheizung
erschmolzen wird, wobei der Beginn des Abgießens des mittels der Brenner vorgewärmten
und mittels der Elektroden geschmolzenen und gefrischten Einsatzes in dem einen
elektrischen Lichtbogen mit dem Ende der Vorwärmung und dem Beginn der Schmelzperiode
in dem anderen elektrischen Lichtbogen zeitlich zusammenfällt. Über die ständige
Benutzung der elektrischen Teile der Anlage hinaus ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Möglichkeit, einen der Öfen zum Zwecke der Neuzustellung außer Betrieb
zu setzen, ohne daß dabei die Erzeugung unterbrochen werden muß.
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Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise
so geschaltet, daß die zwei mit Elektroden und Brennern versehenen elektrischen
Lichtbogenöfen zur Speisung der Elektroden einen einzigen Transformator und einen
an die Sekundärwicklung dieses Transformators angeschlossenen Umschalter besitzen,
dessen Kontaktstellen einzeln mit den entsprechenden Elektroden der elektrischen
Lichtbogenöfen verbunden sind. Nach einem anderen Merkmal der Erfindung sind im
oberen Ofenteil Abzugsöffnungen angeordnet, die in eine gekühlte Ringleitung einmünden,
wobei diese über eine Sammelleitung mit Einrichtungen zum Absaugen, Reinigen und
Ableiten des Abgases verbunden ist. Schließlich können die Elektroöfen auch mit
einer Sauerstofflanze ausgestattet sein, die als Brenner ausgebildet ist und Zuführungen
für reinen Sauerstoff, Sauerstoffträger, Brennstoff und Kühlmittel besitzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Elektroofenanlage des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Elektroofenanlage nach
der Erfindung, F i g. 2 das Arbeitsdiagramm der Anlage nach F i g. 1 im Vergleich
zu einem herkömmlichen Lichtbogenofen, F i g. 3 das Schaltschema der Elektroden
beider Öfen, F i g. 4 einen Horizontalschnitt durch einen der Öfen,
F
i g. 5 einen Vertikalschnitt durch den in F i g. 4 dargestellten Ofen und F i g.
6 einen anderen Elektroofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Gesamtanlage besteht aus zwei Lichtbogenöfen 1 und 2 mit abnehmbaren
Deckeln 3. Die Öfen 1 und 2 sind in der Nähe ihrer Oberkante mit über den Umfang
verteilten Öffnungen 4 versehen, die in eine Ringleitung 5 einmünden, deren Wandung
6 gekühlt ist. Die Ringleitung 5 ist mit einem Anschlußstutzen 7 ausgestattet, der
über einen Flansch 8 mit einer Sammelleitung verbunden ist, die zu Einrichtungen
zum Absaugen, Reinigen und Ableiten des Abgases führt.
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Im Bereich der Abzugsöffnungen 4 sind mit flüssigem oder gasförmigem
Brennstoff und Sauerstoffträgern bzw. reinem Sauerstoff gespeiste Brenner 9 angeordnet,
die über Zuleitungen an eine parallel zur Ringleitung 5 angeordnete Brenn- und Sauerstoffleitung
angeschlossen sind.
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Jeder Ofen besitzt eine über einer Gießgrube 11 liegende Gießschnauze
10 sowie durch die Ofendeckel 3 geführte Elektroden 12 und 13.
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Außer den drei Haltearmen für die Elektroden kann noch eine besondere
Halterung für eine Sauerstofflanze vorgesehen sein, die unabhängig von den Elektroden
mittels einer besonderen Winde betätigt wird und mit einem auf die Unterkante der
Lanze eingestellten Höhenmesser verbunden ist. Die Verbindungen zwischen der Lanze
einerseits und einer Sauerstoffleitung bzw. der Zu- und Ableitung für das Kühlwasser
der Lanze erfolgt über biegsame Rohre bzw. Schläuche. Die Öfen selbst besitzen ein
basisches Futter oder auch, beispielsweise für die Herstellung von Gußstahl, ein
saures Futter.
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An Stelle einzelner Brenner kann zum Vorwärmen des Einsatzgutes auch
eine aus fünf, vorzugsweise gleichachsig verlaufenden Rohren bestehende Lanze benutzt
werden, wobei ein zentrales Rohr zum Einblasen von Sauerstoff, ein Brennstoffrohr
für Öl oder Gas, ein weiteres Sauerstoffrohr und zwei Rohre für den Kühlwasserumlauf
erforderlich sind.
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Die Öfen 1 und 2 liegen beiderseits eines Energieblocks
14, der unter anderem aus einer Kabine 15
mit Steuer- und Regelpult
16 besteht, von dem aus die beiden Öfen gesteuert und überwacht werden können. Vor
dem Steuer- und Regelpult liegt ein Regler 17 und vor diesem eine Reaktanzspule
18. Bei 19 ist in der Kabine 15 eine Kontrolltafel angebracht, während der Transformator
20 und dessen Umschalter 21 im vorderen Teil des Energieblocks 14 liegen.
Der Umschalter 21 ist ausgangsseitig über geschichtete Sammelschienen 22 sowie biegsame
Kabel 23 mit den Elektrodenhaltern bzw. den Elektroden verbunden.
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Im Hochspannungskreis liegen außerdem ein Trennschalter, ein Selbstschalter
und Meßtransformatoren, die den bei Lichtbogen üblichen entsprechen, so daß die
Anlage, abgesehen von den durch die Erfindung bedingten doppelt vorhandenen Teilen,
einer üblichen Anlage entspricht.
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Die Steuerkreise umfassen im wesentlichen die für die Bewegung der
beiden Öfen beim Gießen und Entschlacken sowie für die Betätigung der Sauerstofflanzen
und die Elektrodensteuerung erforderlichen Elemente, die unabhängig voneinander
für beide Öfen vorgesehen sind. Hierbei handelt es sich um üblicherweise bei Elektroöfen
der vorgenannten Art benutzte elektrische Bauelemente. Die Steuerung und Regelung
der Anlage kann jedoch auch so erfolgen, daß für beide Öfen gemeinsame Meßgeräte
und getrennte Registriergeräte vorgesehen sind. Die Kippbewegung der Öfen ist zur
Vermeidung von Unfällen und Beschädigungen durch Verriegelungen undEndschalter begrenzt.
Die Kühlung der Schaltmesser des Umschalters 21 erfolgt unter Verwendung von Ventilatoren
durch Luft.
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Wie sich aus F i g. 3 ergibt, besteht die Sekundärseite des Transformators
20 bei Verwendung von Drehstrom aus einer Dreieckschaltung der Spulen 22, 23 und
24. Jede Spule ist mit einem Schaltmesser 25 verbunden, wobei das Schaltmesser 25
der Spule 22 neben dem Schaltmesser 26 der Spule 23 liegt. Zwei einander entsprechende
feste Kontakte 27 und 28 sind durch eine Leitung 29 miteinander verbunden, von der
eine Abzweigung 30 zur Elektrode 31 des Ofens 1 führt. Zwei weitere einander entsprechende
Kontakte 32 und 33 sind über eine Leitung 34 miteinander verbunden, von der eine
Abzweigung 35 zur Elektrode 36 des Ofens 2 führt. In F i g. 3 sind die zum Ofen
1 führenden Leitungen sowie die Stellungen der Schaltmesser voll ausgezogen
dargestellt, während die entsprechenden Teile des Ofens 2 strichpunktiert dargestellt
sind.
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Die Anlage enthält insgesamt sechs Umschaltmesser, so daß in diesen
nur verhältnismäßig geringe Ströme fließen. Die Dreieckschaltung erfolgt für jeden
Ofen getrennt in größtmöglicher Nähe der Elektroden, um die induktiven Verluste
möglichst klein zu halten. Die Schaltmesser bestehen aus versilbertem Kupfer und
werden durch einen Elektromotor betätigt, der seinerseits durch einen Umschalter
mit drei Schaltstellungen (Ofen 1, Ofen 2, Nullstellung) gesteuert wird. Der Umschalter
schaltet gleichzeitig auch die jeweiligen Meß- und Regelkreise um, wenn die Elelttroden
außer Berührung mit dem Metall gebracht werden.
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Die Arbeitsweise der Anlage ergibt sich aus F i g. 2, in der in Stunden
geeichte Zahlenstrahlen 37 und 38 zusammen mit dem Arbeitsdiagramm A und
B
zweier Öfen in der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich mit dem Arbeitsdiagramm
C einer Einzelofenanlage dargestellt sind. Die punktierten Zonen D entsprechen der
Gießdauer, die vertikal schraffierten Zonen E der Reparatur- und Wartungszeit, die
horizontal schraffierten Zonen F den Verlustzeiten sowie die diagonal schraffierten
Zonen G der Chargierzeit bei Korbbeschickung.
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Wie sich aus dem Arbeitsdiagramm A ergibt, beginnt der Arbeitsablauf
beim Nullpunkt mit dem Gießen (D), das etwa 10 Minuten in Anspruch nimmt, wonach
die erforderlichen Herdreparaturen erfolgen (Zone E). Daran schließt sich eine Chargierzeit
(Zone G) von etwa 10 Minuten an, wobei noch Verlustzeiten (Zone F) von ebenfalls
etwa 10 Minuten berücksichtigt sind.
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Mit dem Chargierende beginnt das Vorwärmen des Einsatzes mittels der
Brenner 9 (Zone H), worauf bei einer Vorwärmtemperatur von etwa 900°C, d. h. nach
etwa 3 Stunden, die Brenner abgestellt und die Elektroden des betreffenden Ofens
für eine Schmelzzeit von etwa einer Stunde (Zone I) eingeschaltet werden. Die folgenden
2 Stunden umfassen bei stets eingeschalteten Elektroden die Frischperiode (Zone
J).
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Aus einem Vergleich der beiden ArbeitsdiagrammeA und B ergibt sich,
daß im Zeitpunkt des Einschaltens der Elektroden des Ofens 1 im Ofen 2 die Elektroden
hochgefahren werden und das Gießen, die Reparatur
und das Chargieren
des Ofens 2 beginnen und auch das Vorwärmen des im Ofen 2 befindlichen Einsatzgutes
mittels der Brenner 9 noch bei eingeschalteten Elektroden des Ofens 1 erfolgt.
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Bei Beendigung des Vorwärmens erfolgt das Umschalten, d. h. die Inbetriebnahme
der Elektroden des Ofens 2 bei gleichzeitigem Abschalten der Elektroden des Ofens
1. Daraus ergibt sich, daß die elektrische Anlage praktisch ohne wesentliche
Unterbrechung benutzt wird.
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In der Frischperiode kann eine Beschleunigung des metallurgischen
Prozesses durch Verwendung einer Sauerstofflanze erfolgen.
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Aus dem Arbeitsdiagramm C ist zu entnehmen, daß bei gleichen Zeiten
für das Gießen, die Reparatur und das Chargieren sowie bei gleichen Verlustzeiten
die Arbeitszeiten der Elektroden (I und J) wesentlich ausgedehnter sind und sich
beträchtliche Leerzeiten ergeben.
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Die nachstehenden Tabellen zeigen den spezifischen Verbrauch an elektrischer
Energie, Elektroden und Brennstoff für einen üblichen Lichtbogenofen in Einzelschaltung
mit basischem Futter sowie für eine entsprechend der Erfindung aufgebaute 2-Ofen-Anlage
mit oxydierender Atmosphäre.
| Basischer |
| Spezifischer Verbrauch Lichtbogen- 2-Ofen-Anlage |
| ofen |
| 30/50 t 30/50 t |
| Elektrische Energie, |
| kWh/t . . . . . . . . . . . . . 600 bis 650 400 bis 450 |
| Graphitelektrode, kg/t . 7 bis 8 5 bis 5,5 |
| Brennstoff für die |
| Vorwärmung des |
| Einsatzgutes (Brenn- |
| stoffwirkungsgrad |
| 35 °/o Vorwärmtem- |
| peratur 900°C), kcal/t - 400 - 103bis |
| 450-103 |
Aus der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß der Vorteil einer 2-Ofen-Anlage in
einer starken Verringerung des Energie- und Elektrodenverbrauchs liegt.
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Weitere Kenndaten eines basischen Elektroofens in Einzelschaltung
ergeben sich im Vergleich zu einer 2-Ofen-Anlage nach der Erfindung bei gleicher
Leistung aus der nachfolgenden Tabelle.
| Elektroofen 2-Ofen- |
| Kenngrößen in Einzel- Anlage |
| Schaltung |
| Ofenkapazität, t . . . . . . . . . . 50 2-30 |
| Transformatorleistung, kVA 18000 12 000 |
| Spezifische Leistung, kVA/t 360 400 |
| Schmelzdauer (von Guß zu |
| Guß), Stunden...... . . .. 5 3 |
| Schmelzen pro Tag, |
| S/täglich .............. 4,8 8 |
| Leistung, t/täglich . . . . . . . . 240 240 |
Die nachfolgende Tabelle stellt einen Vergleich der einzelnen Arbeitsphasen eines
üblichen Ofens in Einzelschaltung sowie einer erfindungsgemäßen 2-Ofen-Anlage dar,
wie er sich aus dem Arbeitsdiagramm der F i g. 2 ergibt.
| Elektroofen 2-Ofen- |
| Vorgang in Einzel- Tage |
| Schaltung |
| Füllung, Minuten . . . . . . . . . 10 10 |
| Vorwärmen mit Öl oder Gas, |
| Minuten ............... - 140 |
| Schmelzen (Lichtbogen), |
| Minuten ............... 110 60 |
| Frischen, Minuten ........ 150 120 |
| Gießen, Minuten.......... 10 10 |
| Reparaturen, Minuten .... 10 10 |
| Verlustzeiten, Minuten..... 10 10 |
In der vorstehenden Tabelle entsprechen die Zeitangaben bei der 2-Ofen-Anlage den
Arbeitsphasen eines der beiden Öfen. Die Ausnutzung der Elektroden bzw. der elektrischen
Anlage bei einem Elektroofen in Einzelschaltung liegt unter 90 °/o, während bei
der erfindungsgemäßen 2-Ofen-Anlage die Elektroden ständig in Betrieb bleiben.
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Wie sich aus F i g. 6 ergibt, können die Öfen der erfindungsgemäßen
Anlage einen Deckel 3 mit einem Abgaskanal 7a besitzen, der flexibel oder lösbar
mit Einrichtungen zum Absaugen, Reinigen und Ableiten der Ofengase verbunden ist.
In diesem Falle kommen die Gasaustrittsöffnungen 4 im oberen Ofenteil in Fortfall.
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Die erfindungsgemäße 2-Ofen-Anlage ermöglicht ein flexibles Arbeiten
bei im Vergleich zu einer Einzelofenanlage geringeren Betriebskosten. Darüber hinaus
kann auch im Falle längerer Reparaturen an einem der Öfen der Betrieb der Anlage
mit dem verbleibenden Ofen weitergeführt werden, wobei sich zwar eine geringere
Leistung ergibt, jedoch ein völliges Stillsetzen der Anlage vermieden wird. Im übrigen
ist es durch die Erfindung möglich, Verlustzeiten beispielsweise durch Abkürzen
der Vorwärmperiode wieder aufzuholen, da die Energie des Lichtbogens für einen Ausgleich
zu geringer Vorwärmung ausreichend ist.