DE1914212A1

DE1914212A1 - Elektrischer Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE1914212A1
Application number: DE19691914212
Authority: DE
Inventors: Young Claude Frank; Deweese Richard Owen
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-03-21
Filing date: 1969-03-20
Publication date: 1969-10-09
Also published as: BE730286A; GB1228128A; NO124335B; FR2004452A1; LU58258A1; SE349328B; AT297354B; US3471626A; DE1914212B2

Description

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DIPL.-INO. ' ' ^H ^ '

HELMUT GÜRTZ ⁵· ^{Mäq?z 1969}

6 Frankfuri

Union CarMde Corporation, New York

Elektrischer Lichfbogenofen

Die Erfindung "betrifft hohle Elektroden zur Verwendung in elek« trischen Lichtbogenöfen. Insbesondere "betrifft sie ein Regelsystem, um den kontinuierlichen Betrieb der hohlen Elektroden zu sichern.

Die Verwendung einer hohlen Elektrode in einem elektrischen Lichtbogenofen "bei der Herstellung großer. Mengen von Legierungen kann sehr vorteilhaft sein. Die hohle Elektrode dient nicht nur als Quelle für den Lichtbogen, der auf das Metall in dem Ofentiegel auf trifft, sondern dient auch als Zufuhrkanal, durch welchen die Ausgangsstoffe in den Tiegel gelangen. Da die Ausgangsstoffe durch die Mitte der Elektrode in den Tiegel kommen, fallen sie direkt im Bereich des Bogens in das Gemisch. Auf diese Art wird eine schnelle und wirksame Mischung der Stoffe erreicht. Man kann hierbei auch die richtige Menge der Zusatzstoffe leicht regeln und damit eine gute Legierung herstellen.

Trotz dieser augenscheinlichen Vorteile werden hohle Elektroden nur in geringem Umfange verwendet, weil es schwierig ist, sie

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kontinuierlich im Betrieb zu'halten. Da das Material durch die Elektrode hindurch gefördert wird» darf sich im Hohlraum kein Aus gangs material aufbauen und damit verstopfend wirken. Zur Entfernung solcher Verstopfungen muß die Elektrode gereinigt werden, was ein Abschalten des Systems -voraussetzt. Verstopfungen treten besonders am unteren Ende auf, wo das flüssige Metall erstarrt, wenn es in Berührung mit den kalten Ausgangsstoffen gelangt. Eine solche Verstopfung wird in der Regel nur dann festgestellt, wenn sie vollständig ist, was wieder ein Abschalten des Ofens erfordert»

Aus diesen Gründen können hohle Elektroden trotz ihrer guten Eigenschaften in metallurgischen Öfen bisher noch nicht erfolgreich verwendet werden. Ein Ziel der Erfindung ist ein Regelsystem, das ein Verstopfen der hohlen Elektrode während des Betriebes verhindert.

Durch das erfindungsgemäße Regelsystem wird in Zeitabständen ein geeignetes Gas unter Druck durch den Hohlraum der Elektrode geleitet, wodurch dieser Hohlraum gereinigt wird, bevor ein Verstopfen auftreten kann. Die Erfindung betrifft einen elektrischen Lichtbogenofen mit einem Tiegel zum Niederschmelzen von F et all und einer hohlen Elektrode. Der Ofen ist gekennzeichnet durch ein Gehäuse am oberen Ende der Elektrode, eine Gaszuleitung in das Gehätise und eine gelenkig in dem Gehäuse vorgesehene Platte, die so angeordnet ist,-daß sie sich beim Einleiten von Gas hebt, die Zufuhrleitung für das Fetall sperrt und das Gas durch die Elektrode hindurch nach unten durchtreten läßt. Wenn also das Gas durch die

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Elektrode hindurch tritt, können keine Ausgangsstoffe zugeführt werden. Das Gas wird der hohlen Elektrode von einer Gasquelle durch ein Ventil zugeführt. Das Ventil wird in programmierter Weise nur für jeweils kurze Zeitabstände geöffnet. In regelmäßigen Zeitabständen tritt daher das Gas in die Elektrode ein und ■beseitigt etwa angesammelte Teilchen, Ein Programmierer setzt die Zufuhr der Ausgangsstoffe eine oder zwei Sekunden vor der Öffnung des Gasventils still.

Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung.

10 In der Fig. 1 ist ein elektrischer Lichtbogenofen dargestellt. Der Ofen enthplt hohle Elektroden 12, einen Tiegel 14 und in diesem Tiegel "befindliches Metall 16. Die Elektroden 12 sind unterbrochen dargestellt, um zu zeigen, daß mehrere in üblicher_ Weise verbundene Elektroden vorhanden sind. Jede Elektrode enthält einen mittigen Hohlraum 18. In üblicher Weise befindet sich am Ende der Elektrode ein mit einem Gewinde versehener Aufnahmebehälter 20, so daß leicht ein weiteres Elektrodenstück angeschraubt werden kann. Über dem Behälter 20 befindet sich ein Gehäuse 22 mit einem Kasten 24 mit einer Seitenwandung 26. An der Innenseite dieser Seitenwandung ist eine bewegliche Platte 28 befestigt. Der Kasten 24 ist ganz geschlossen mit Ausnahme der Öffnungen 30 und 32 im oberen und im unteren Teil und der Öffnung 34 in d er Seitenwandung 26. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform enthält der Kasten 24

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schräg verlaufende Leitbleche 36 und 38. Durch diese Leitbleche werden das Ausgangsmaterial und das Gas herab in den Hohlraum geleitet, wie weiter unten "beschrieben wird. Ein Trichter 40 für die Ausgangsstoffe "befindet sich über dem Kasten 24 und ist mit der Öffnung 30 verbunden. Ein Rohrstüek 42 ist mit dem Boden des Karstens 24 an der Öffnung 32 verbunden. !Dieses Rohrstück führt die Ausgangsstoffe direkt in den Hohlraum 18, so daß keine Verluste in dem Behälter 20 eintreten. Ein Unterlage stück 44 überbrückt den Behälter 20 und trägt das Gehäuse 22. Eine biegsame Gasleitung 46 ist mit der Seitenwandung 26 des Kastens durch die Öffnung 34 mittels einer isolierten Verbindung 48 mit Planschen verbunden. Die Leitung ist biegsam und so lang, daß sie der Bewegung der Elektroden bei ihrem Verzehr während des Betriebes des Ofens folgen kann.

In der Gasleitung 46 befindet sich ein Ventil 50 zur Regelung des Gaszuflusses von einer nicht abgebildeten Quelle. Elektrische Verbindungen 52 verbinden das Ventil 50 mit einer Regelvorrichtung 54, die nicht nur das Ventil 50 sondern auch die Antriebsmittel 56 regelt. Eine Zufuhrvorrichtung. 58, wie z.B'· ein rotierender ' Schneckenförderer ist unter einem Trichter 60 mit den Ausgangsstoffen angeordnet. Die Ausgangsstoffe gelangen aus dem Äusgangsende der Fördervorrichtung 58 in den Trichter 40.

Beim Betriebe des Systems gelangen die zuzusetzenden Stoffe in Teilchenform aus dem Trichter 60 durch die Fördervorrichtung 58, den Trichter 50, das Gehäuse 22 und das Rohrstück 42 in den Hohl -

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raum 18 der Elektrode. Das Material wird mit einer solchen Geschwindigkeit und in einer solchen Menge zugeführt, wie es für die jeweils herzustellende Legierung erforderlich ist. Die Regelvorrichtung 24» durch welche der Schneckenförderer 58 in Bewegung gesetzt wird, enthält auch Bestandteile, durch welche das Ventil 50 alle dreißig oder sechzig Sekunden für einige Sekunden geöffnet wird. Wenn das Ventil 50 offen ist, strömt ein geeignetes Gas durch die Leitung 46 und die Öffnung 34 und schwenkt die Platte 28 in die durch gestrichelte Linien dargestellte Stellung, das heißt direkt vor die Öffnung 50 in dem Kasten 24. Das Gas kann daher nicht nach oben in den Trichter 40 strömen, sondern wird nach unten in den Hohlraum 18 geleitet, wo es etwa angelagertes Material 17 am unteren Ende des Hohlraumes 18 in der Nähe des Metalls 16 entfernt. Nach einigen Sekunden schließt die Regelvorrichtung 24 das Ventil 50, stoppt den Gasstrom und bringt die Platte 28 wieder in ihre senkrechte Stellung zurück. Gleichzeitig wird der Schneckenförderer 58 in Bewegung gesetzt, der während des Einströmens des Gases stillgesetzt war, so daß wieder Ausgangsstoffe in den Hohlraum 18 der Elektrode gelangen können. Dieser Zyklus kann automatisch wiederholt werden.

Die Platte 28 und ihre Ausrüstung sind in Mg. 2 dargestellt. Die Platte 28 ist schwenkbar mittels der Lager 64 und 66 an einem Trägerrahmen 62 montiert. In den Lagern befindet sich eine Spange 68, die mittels einer Querplatte 70 mit der Platte 28 verbunden ist. Wenn also das Gas auf die Platte 68 drückt, so wird diese

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von dem Rahmen 62 nach o"ben hinwegbewegt, und diese Bewegung wird durch, die Rotation der Stange 68 in den Lagern unterstützt. Die Stange 68 erstreckt sich vorzugsweise über den ganzen Trägerrahmen, so daß sie die Wandungen des Kastens 24 fast "berührt und damit die Platte 28 richtig zentriert. Bei 72 können natürlich auch gelenkige Verbindungen zwischen der Platte 68 und dem Rahmen vorgesehen sein, so daß die Stange 68 und die Lager 64 und 66 nicht erforderlich sind. Die Querplatte 70 kann in diesem Falle direkt mit dem Rahmen 62 verschweißt oder sonstwie an ihm befestigt sein. Die Platte 28 wird auch hierbei durch den Gasdruck nach oben bewegt.

Nach Fig. 2 besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß die Platte mit einem Rahmen verbunden ist, der von dem Kasten 24 getrennt werden kann. In den Rahmen sind löcher 74 gebohrt, durch welche er mittels Bolzen an der Seitenwandung 26 des Gehäuses befestigt werden kann. Wenn eine Ausbesserung oder ein Ersatz erforderlich sind, so sind daher diese Teile leiclrb zugänglich.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Systems geht aus der Fig. 3 hervor. Die Platte 28 befindet sich während der meisten Zeit praktisch parallel zu dem Hohlraum der Elektrode, wenn kein Gas einströmt. Wenn Gas durch die Öffnung 34 strömt, so wird die Platte 28 in eine Stellung gebracht, die um etwa 90 Grad von d er s enkrechten abweicht und daher senkrecht zu der Längsachse der Elektrode liegt. Die Platte sitzt auf dem Bohr 76, das entweder ein

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Teil des Trichters 40 ist oder aus einem "besonderen Teil "besteht, der vom Flansch 78 nach abwärts führt. In jedem Falle muß die Öffnung 30 in dem Rohr 76 kleiner sein, als die Platte 28, so daß eine gute Abdichtung erreicht wird.

Eine Ausführungsform der Regelvorrichtung 54 ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Motor 82, der die Antriebsvorrichtung 56 und damit die Fördervorrichtung 58 nach Fig. 1 regelt, ist mit dem Kontaktpunkt 84 des Schalters 86 verbunden. Der Kontaktarm 88 desselben Sehalters 86 ist durch einen Schalter 90 mit einer nicht abgebildeten Kraftquelle verbunden. Die Spule 92 eines Solenoids ist elektrisch verbunden mit dem Kontaktpunkt 94 des Schalters 96. Der Kontaktarm 98 ist ebenfalls verbunden mit dem Schalter 90 für die Stromquelle. Eine rotierende Nockenwelle 100 befindet sich in Berührung mit den Kontaktarmen 88 und 98 und wird durch einen nicht abgebildeten Motor in rotierende Bewegung gesetzt.

Zum Einschalten des Stromes wird der Schalter 90 geschlossen, wodurch kein Strom von 110 V und 60 Hz mit den Kontaktarmen 88 und 98 verbunden wird. Die Nockenwelle rotiert und schließt de Kontaktarm 88, wodurch der Motor 82 in Bewegung gesetzt wird und die Fördervorrichtung antreibt. Die Nockenwelle hat eine derartige Form, daß während einer kurzen Zeitspanne beim Rotieren der Kontaktarm 98 den Kontaktpunkt 94 berührt, und daß gleichzeitig der Kontaktarm 88 vom Kontaktpunkt 94 abgehoben wird. Während dieser Zeitspanne entsteht ein Stromfluß durch die Spule, und die hier-

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durch erzeugte elektromagnetische Kraft zieht den Arm 102 im Ventil 50 in die Stellung 104. In dieser Stellung blockiert der Arm 102 nicht mehr den Durchgang von Gas durch die Leitung 46. Beim weiteren Rotieren der Nockenwelle wird die Spule 92 inaktiviert und der Schalter 96 geöffnet. Der Gasstrom durch die Leitung 46 wird wieder gestoppt, während gleichzeitig der Motor 82 die Fördervorrichtung zu treiben beginnt. Dieser Zyklus wird dann wiederholt.

Die in Fig. 4 dargestellte Regelvorrichtung ist nur eine der vielen Möglichkeiten der Ausführungsformen. Die Regelung kann auch auf andere Art geschehen. Wichtig ist es, daß periodisch ein Gasstoß erfolgt, wobei vorzugsweise während dieser kurzen Zeit vor und während des Gasstromes die Zufuhrvorrichtung stillgesetzt wird. Es können natürlich auch andere Systeme für diesen Zweck verwendet werden,

Beispiel 1;

Verwendet wurde eine hohle Graphitelektrode mit 150 cm Länge und einem Durchmesser von 30 cm, die eine zentral-e Bohrung mit einem Durchmesser von 5 cm hatte. Diese Elektrode wurde nach Fig. 1 über einem Ofentiegel mit einer Ferromanganschlacke angeordnet. In die Bohrung wurde ein Rohr mit einem Durchmesser von 3»2 cm eingeführt. Dieses Rohr war mit einem Gehäusekasten von 7 x 9 χ 10 cm verbunden. Teilchen aus metallischem Silicium wurden durch eine Förderschnecke mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Länge von 125 cm zugeführt. Während 13 Stunden wurden stündlich 64 kg zugeführt.

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Die Hegelvorrichtung nach Pig. 4 gab jede dreißig Sekunden während eines Zeitraumes von einer Sekunde Argongas von 1 AtIi frei, -um die Bohrung der Elektrode zu klären. Das Gehäuse entsprach der in Fig. 3 dargestellten lOrm. Es enthielt eine Platte 28 aus Schmiedeeisen von 6,6 cm Länge und 5 cm Breite, Die Platte war starr "befestigt an einer Stange aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 31 mm mit Hilfe einer Querplatte von 35 x 6 mm. Die Stange lief in zwei Lagern, die an einem Trägerrahmen angeschweißt waren. Der Trägerrahmen bestand ebenfalls aus Schmiedeeisen und war 7»2 cm lang und 10,3 cm breit. Der Rahmen war an der Seitenwandung des Kastens mittels vier Bronzebolzen von 6 χ 19 mm befestigt. Das Loch 34 in der Seit.enwandung des Kastens hatte einen Durchmesser von 19 mm. Denselben Durchmesser hatte die Gasleitung 46, die mit dem Trägerrahmen und dem Loch verbunden war. Ein Rohr von 5 cm Durchmesser war ein Teil des Kastens, wie die i"ig, 4 es zeigt. Das System funktionierte ununterbrochen während der gesamten Versuchs zeit, 82,5 % der gesamten Legierung bestanden aus dem zugeführten Silicium,

Beispiel 2;

Es wurde wie nach Beispiel 1 gearbeitet mit der Ausnahme, daß stündlich 78 kg zugeführt wurden und das System 8 1/2 Stunden betrieben wurde, ohne daß ein Stillsetzen zum Reinigen der Elektrode erforderlich war.

Der Druck von 1 Atü kann natürlich geändert werden, ohne den Betrieb zu beeinflussen. Der Druck muß nur so groß sein, um die -

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Platte vor die Öffnung des' Rohres im Oberteil des Gehäuses zu bringen, und um die Bohrung der Elektrode zu reinigen. Drücke unter 1 Atü genügen, wenn kein starkes Verstopfen stattfindet. Auch größere Drücke entfernen die Verstopfungen aus der Bohrung sehr wirksam. Der ZyMus von 30 Sekunden und die Vorzeit von einer Sekunde für den Gasstrom können natürlich erforderlichenfalls ebenfalls geändert werden.

In einigen Fällen kann das verwendete Gas auch mit dem Metall in ^ dem Tiegel reagieren. Es braucht daher kein inertes Gas allein verwendet zu werden, obwohl das in den meisten Fällen so ist„ Brauchbar sind beispielsweise Methan, Kohlendioxyd, Argon, Stickstoff und dergleichen. Unabhängig, von der Art des verwendeten Gases ist seine Hauptaufgabe das Reinigen der Bohrung. Es trägt aber auch dazu bei, daß die Stoffe schnell und wirksam gemischt werden, wodurch eine legierung hoher Qualität erhalten v/ird.

Das Gehäuse kann mit der hohlen Elektrode auf verschiedene Arten verbunden sein. Es ist z.B. nicht erforderlich, daß es. direkt an der Elektrode befestigt ist oder von ihr getragen wird, sondern das Gehäuse kann auch auf besonderen Trägern montiert sein, wobei es durch ein Rohr mit der Bohrung der Elektrode verbunden ist. In den mit einer Windung versehenen Behälter der Elek« trode um das Einführungsrohr kann eine hohle mit einem Gewinde versehene Armatur eingeschraubt werden. Dadurch kamn die Elektrode" gegen die Armatur gleiten, wobei das Gehäuse seine Stellung bei-

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Tdehalt. Eine Dichtung zwischen dem Rohr und dem mit Gewinde versehenen Behälter kann vorgesehen werden, wenn man ein toxisches Gas wie Chlor verwendet.

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Claims

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Patentansprüche

1. Elektrischer Lichfbogenofen mit einem Tiegel zum Niederschmelzen von Metall und einer hohlen Elektrode, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (26) am oberen Ende der Elektrode (12), einer

' Gaszuleitung (46) in das Gehäuse (26) und eine gelenkig in dem Gehäuse vorgesehene Platte (28), die so angeordnet ist, daß sie sich beim Einleiten von Gas hebt, die Zufuhrleitung für das Metall sperrt und das Gas durch die Elektrode hindurch nach unten durchtreten läßt.

2. Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) aus einem Kasten mit einer oberen Öffnung (30), einer unteren Öffnung (32) und einer seitlichen Öffnung (34) besteht, und daß die Platte (28) mittels eines Trägerrahmens (62) an der Seitenwandung des Kastens befestigt ist.

. 3· Lichtbogenofen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mit der Platte (28) starr verbundene Stange (6'8), die rotierbar mit dem Trägerrahmen (62) verbunden ist.

4. Lichtbogenofen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein mit der Öffnung (30) im oberen Teil des Kastens verbundenes, für die Zufuhr des zu schmelzenden Metalls vorgesehenes Rohr (76), dessen unteres Ende beim Heben der Platte (28) verschlossen wird.

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5. lichtbogenofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein

der Öffnung (32) im unteren Teil des Kastens in das Innere der Elektrode führendes Rohr,

6. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 "bis 5» gekennzeichnet durch eine mit dem Gehäuse verbundene Fördervorrichtung (58) für die Zufuhr des zu schmelzenden Metalls.

7· lichtbogenofen nach Anspruch 6, - gekennzeichnet durch " -

a) zwei Schalter (86, 967» "von denen der zweite (86) mit der Fördervorrichtung (58) für die Zufuhr des zu schmelzenden Metalls verbunden ist}

b) eine Nockenwelle (lOO) in Berührung mit den beiden Schaltern (86, 96)j

c) ein Ventil (50) in der Gaszuleitung (46)}

d) mit dem ersten Schalter (96) verbundene Mittel zur Betätigung des Ventils (50)}

e) Mittel zu einem derartigen Bewegen der Nockenwelle (100), daß während des größten Teiles der Betriebszeit der erste Schalter (96) die Fördervorrichtung (58) für das zu schmelzende Metall offenhält, daß hierbei die Gaszuleitung (46) geschlossen bleibt, und daß nur während kurzer Zeitintervalle durch die beiden Schalter die Fördervorrichtung (58) für das zu schmelzende Metall geschlossen und die Gaszuleitung (46) geöffnet wird.

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9. Lichfbogenof en nach einem der Ansprüche 1 "bis 8, gekennzeichnet durch im "unteren Teil des Gehäuses angeordnete Leifbleche (36, 38).

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