DE1962135B2

DE1962135B2 - Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektroschlackeumschmelzofen

Info

Publication number: DE1962135B2
Application number: DE1962135A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 6451 Rossdorf Doenecke; Karl-Georg 6451 Oberrodenbach Redel
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1969-12-11
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1975-05-28
Also published as: DE1962135A1; JPS5025885B1; DE1962135C3; US3744989A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektroschlackcumschmelzofen, wobei mindesten? eine Abschmelzelektrode unter der Wirkung eines elektrischen Stroms innerhalb einer Kokille durch eine flüssige Schlackeschicht zu einem festen Block umpcschmolzen wird. Ein derartiges Verfahren, bei dem die flüssige Schlacke zur Leitung des elektrischen Siroms, zur Wärmeerzeugung und zur metallurgischen Reaktion mit dem um zuschmelzenden Metall dient, ist seit langem, beispielsweise durch die USA.-Patentschrift 2191 479, bekannt. Auf Grund der bei dem bekannten Vcrfahren angewandten Betriebsbedingungen stellt sich stets ein Hauptstrompfad zwischen der Abschmelzelektrode und dem als Gegenpol dienenden Tiegclboden bzw. Schmelzsee ein. Durch die Wärmeerzeugung im Bereich des Strompfades weist die Schlacke bei dem bekannten Verfahren einen sehr heißen Kern mit vertikaler Achse und einen hohen Temperaturgradienten zur Kokillenwand hin auf. Infolge des direkten Strompfades zwischen der Abschmelzelektrode und dem Schmelzsee stellt sich beim Betrieb des Ofens mit Gleichstrom ein wesentlicher Nachteil ein. der darin besteht, daß ein Ionentransport von der Elektrode durch die Schlacke zum Schmelzsee hin erfolgt. Hiermit ist eine ungewollte Anreicherung des erschmolzenen Materials mit bestimmten Stoffen, z. B. mit Sauerstoff, verbunden. Durch die Anwendung von Wechselstrom wird dieser Nachteil zwar beseitigt, es tritt jedoch insbesondere bei Anwendung von Netzfrequenz der Nachteil hoher Verluste durch Jndukiion und Wärmeentwicklung auf.

Wesentlich bedeutsamere Nachteile treten jedoch in Erscheinung, wenn man mit dem bekannten Verfahren Abschmelzelektroden größerer Durchmesser, insbesondere oberhalb eines Durchmessers von 1000 mm, umschmelzen will. Die Fläche der elektrisch leitenden Schlacke nimmt mit dem Quadrat des Durchmessers zu und damit der wirksame elektrische Widerstand entsprechend ab. Man erhäit so bei größerem Elektrodendurchmesser höhere Stromstärken und geringere Spannungen, aus denen sich die erforderliche Schmelzleistung ergibt. Bei der Verwendung hoher Schmelzströme ergeben sich erhebliche Konstruktionsprobleme in bezug auf den elektrischen Teil der Anlage, wenn die Wärmcveriuste nicht in unerwünschte Höhen ansteigen sollen. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Qualität des umgeschmolzenen Blocks infolge größerer Schmelzbadtiefe verschlechtert wird.

Der Erfindung liegt daher außer einer Vermeidung der dem bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile auch die Aufgabe zugrunde, das Prinzip des Elektroschlacke-Umschmelzens für die Verarbeitung von Elektroden mit großem Querschnitt, insbesondere oberhalb 1000 mm Durchmesser, geeigneter zu machen.

Die Lösung der gestellten Aufgab - wird erfindungsgemäß durch eine solche Betriebsweise des Ofens erreicht, bei der die Strompfade des Schmelzstroms hauptsächlich von der Abschmelzelektrode radial zur Kokillenwand verlaufen. Dieses wichtigste Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Strompfade nicht vertikal oder überwiegend vertikal von der Abschmelzelektrode durch die Schlackcschidit zum Schmelzsee bzw. anfänglich zum Ticgclboden verlaufen, sondern daß sich die Strompfade überwiegend radial von der Elektrode bis zur Tiegelwand erstrecken, wobei sie im wesentlichen nahe der Schlackenoberfläche und etwa parallel zu ihr verlaufen. Hiermit ist zunächst der Vorteil verbunden, daß die Strompfade von einem bestimmten Verhältnis von Radialspalt zwischen Elektrode und Tiegel zur Höhe der geschmolzenen Schlackcschicht an langer sind als beim bekannten Verfahren, so daß der Spannungsabfall in der Schlacke einen entsprechend höheren Wert besitzt. L!ni also im Ofen die gleiche Wärmeenergie zu erzeugen, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit entsprechend höherer Spannung und niedrigerem Strom gearbeitet werden. Da der elektrische Widerstand der flüssigen Schlacke in vertikaler Richtung nun nicht mehr berücksichtig werden muß, um eine ausreichende Spannungsu^:i:\-

_{z zu} erzielen, kann die Höhe der Schlackeschicht beträchtlich verringert werden. Dies hat zur Folge, iaß die Berührungsfläche zwischen der hocherhitzten lässigen Schlacke und der wassergekühlten Kokillen-"•and wesentlich geringer ist, so daß die Wärmeferlusts an das Kühlwasser abnehmen. Der gesamte Leistungsbedarf des Ofens kann hierduxh fühlbar verringert und damit der Wirkungsgrad gesteigert

* Es soll hier nicht unterstellt werden, daß im klassi- $chen Fall ausschließlich vertikale, beim Gegenstand der Erfindung ausschließlich horizontale Strompfade «bildet weraen. Es handelt sich vielmehr darum, den überwiegenden Verlauf der Strompfade zu beeinflussen. ¹S

Ein weiterer Vorteil, der durch den radialen Stromfluß nahe der Schlackenoberiläche erzielt wird, beiteht darin, daß die Oberfläche der Schlackeschicht einen erheblich geringeren Temperaturgradienten in Richtung auf die Kokillenwand besitzt als beim klassischen Verfahren. Die Folge ist ein geringerer Temperaturgradient in radialer Richtung auch im Schmelzsee: Der Schmelzsee ist in der Mitte flacher und an den Rändern tiefer als bei dem klassischen Elektroschlackeumschmelzverfahren. Die Anwendung ier erfindungsgemäßen Betriebsweise des Ofens wirkt lieh sehr vorteilhaft im Hinblick auf die bei der Erstarrung entstehende Kristallstruktur des geschmoltenen Blockes aus.

Dadurch, daß der Stromfluß nicht mehr von der Elektrode zum Schmelzsee, sondern zur Kokil>cnwand erfolgt, kann bei Anwendung von Gleichstrom kein Ionentransport zum Schmelzsee hin erfolgen. Infolgedessen unterbleibt auch die Anreicherung des erschmolzenen Materials mit bestimmten unerwünschten Stoffen, wie z. B. Sauerstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren verhilft somit der Anwendung von Gleichstrom zu einem neuen Erfolg. Die Versorgung eines Elektroofens mit Gleichstrom ist mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad der Anlage sehr erwünscht, weil die bei Wechselstrom mit höherer, insbesondere mit Netzfrequenz auftretenden Induktions- und Wärmeverluste entfallen. Aber auch bei der Anwendung von Wechselstrom, insbesondere von solchem mit niederer Frequenz, ergeben sich besondere Vorteile, die darin bestehen, daß mit niederer Stromstärke bei höherer Spannung geschmolzen werden kann, wodurch sich die Wechselstromverluste verringern.

Es wurde überraschend gefunden, daß die erfindungsgemäße Betriebsweise des Ofens in einfacher Weise dadurch einreguliert werden und aufrechterhalten werden kann, daß als Verhältnis von lichter Weite des Ringspaltes zwischen Elektrode und Kokillenwand zur Höhe der Schlackeschicht ein Wert oberhalb 1,2, vorzugsweise oberhalb 1,5, gewählt wird, und daß die Abschmelzelektrode nach dem Vorhandensein einer flüssigen Schlackeschicht 211 Beginn des Abschmelzvorgangs so weit zurückgezogen wird, bis dem Spannungsgradienten innerhalb der Schlackeschicht impulsförmige Abweichungen von mehr als ±4 Volt, vorzugsweise von mehr als + 8VoIt, von der mittleren Betriebsspannung überlagert sind, und daß der Abschmelzvorgang unici Beibehaltung dieser Betriebsbedingungen bis zum Ende durchgeführt wird. Die angegebenen Verhältniszahlen besagen, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Höhe der Schlackeschicht von z. B. 110 mm und einem Ringspalt von 132 mm bzw. vorzugsweise von ] 65 mm, anfängt, dem klassischen Verfahren überlegen zu sein.

Bei Einhaltung der genannten Bedingungen berührt die Abschmelzelektrode gerade noch die Oberfläche der Schlacke. Die Elektrode darf jedoch nicht so weit angehoben werden, daß der Kontakt zeilweise abreißt und Lichtbogen entstehen. Durch die eenannte Maßnahme entsteht an der Kontaktfläche der Elektrode ein laufend wechselnder Übergangswiderstand, 'Jer sich in den beschriebenen impulsförmigen Abweichungen von der mittleren Betriebsspannung äußert. Naturgemäß gehen mit den Spannungsschwankungen Stromschwankungen einher, deren Amplituden von der Charakteristik der Stromversorgung abhängig sind. Die Folge ist eine Energiekonzentration an der Oberfläche der Schlacke unmittelbar unterhalb der Elektrode. Die stark überhitzte Schlacke tritt durch konvektive Bewegung des Schlackebades unter der Elektrode hervor, bleibt aber wegen ihrer höheren Temperatur und des damit verbundenen geringeren spezifischen Gewichtes an der Oberfläche. In vertikaler Richtung bildet sich ein merklicher Temperaturgradient aus. Der Verlauf der Strompfade ist nun im wesentlichen eine Frage der Temperaturverieilung in der Schlackeschicht, da die elektrische Leitfähigkeit der Schlacke bekanntlich mit steigender Temperatur zunimmt. Infolge der geschilderten Temperaturverteilung im Schlackebad nimmt der elektrische Widerstand beim Übergang von der Startphase in die erfindungsgemäße Betriebsphase in vertikaler Richtung zu und in radialer Richtung ab, wodurch sich der Stromfluß von der vertikalen in die horizontale bzw. radiale Richtung verlagert.

Das Eintreten des erfindungsgemäßen Betriebszustandes ist deutlich an zwei Merkmalen erkennbar. Der Spannungsabfall innerhalb der Schlackeschicht ist höher als es dem elektrischen Schlackenwiderstand in vertikaler Richtung entsprechen würde. Ferner treten die erwähnten impulsförmigen Spannungsschwankungen auf.

Wie bereits ausgeführt wurde, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem durch einen niedrigen Schlackebedarf aus. Gemäß der weiteren Erfindung soll die Höhe der Schackeschicht in geschmolzenem Zustand 30%, vorzugsweise 15⁰Zc des Innendurchmessers der Kokille nicht übersteigen. Die erforderliche Höhe der Schlackeschicht ist dabei in gewissem Maße abhängig vom Elektroden- bzw. Kokillendurchmesser, und zwar entspricht der höhere Wert den kleineren Kokillendurchmesser. Wie das nachfolgende Beispiel 1 zeigt, ist es sogar mit gutem Erfolg möglich, bei einem Kokillendurchmesser von 1500 mm mit einer Schlackeschicht von 110 mm auszukommen; das sind 7,3 ⁰Zo des Kokillendurchmessers. Dennoch ergab sich bei einer Umschmelzleistung von rund 1200 kW eine Stromaufnahme von weniger als 30 kA.

Man kann den Übergang von der Startphase in die eigentliche Schmelzphase auf elegante Weise dadurch erleichtern bzw. steuern, daß man Kokillenwand und -i,.)den elektrisch voneinander isoliert und die Stromzufuhr während der Starlphase an den Kokilienbodcn und wahrend der anschließenden Schmelzphasc an die Kokillenwand anschließt.

Das Wesen der Erfindung sei nachfolgend an Hand der F-" i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen ieilweisen Längsschnitt durch eine

beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des er- Schwankungen. Durch eine entsprechende, vorzugsfindungsgemäßen Verfahrens und weise elektronische Auswertung der Meßwerte wird

Fi g. 2 ein Diagramm eines typischen Spannungs- der Elcktiodenanlriebsmotor 11 über die Leitung33 Verlaufs, wie er in der Schmelzphase des erfindungs- in der Weise mit Strom beaufschlagt, daß die gegemäßen Verfahrens auftritt. 5 wünschte und für die Durchführung des erfindungs-In Fig. 1 ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus gemäß Verfahrens erforderliche relative Lage von einem beliebigen Metall oder einer Legierung be- Abschmelzelektrode 1 und Oberfläche der Schlackezeichnct, die mittels einer Zugstange 2 an einem Aus- schicht 16 eingestellt und beibehalten wird. Einzelleger 3 einer Elektrodenhaltevorrichtung befestigt ist. heiten des Regelgeräts sind nicht Gegenstand der Er-Der Ausleger 3 ist längsverschiebüch an einer senk- io findung und sollen daher an dieser Stelle auch nicht rechten Führungssäule 4 befestigt und mittels einer näher erörtert werden.

Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. F i g. 2 zeigt das Diagramm eines Spannungsver-

Zu diesem Zweck befindet sich im Ausleger 3 eine laufs, wie er beim Arbeiten des Ofens unter erfin-Spindelmutter 6. Die Gewindespindel 5 wird an ihrem dungsgemäßen Betriebsbedingungen typisch ist. Es oberen Ende von einem Lager 7 aufgenommen, das 15 ist ersichtlich, daß der SpannungsmiUelwert U_m auf mittels einer Traverse 8 an der Führungssäule 4 be- einem für große Elektroschlacke-Umschmelzofen mit festigt ist. Das untere Lager 9 der Gewindespindel niedriger Schlackeschichl verhältnismäßig sehr hohen befindet sich in einem Getriebekasten 10, in dem die Wert, nämlich zwischen 35 und 40 Volt liegt. DesDrehzahl des Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten gleichen ist ersichtlich, daß die Spannungsschwan-Wert untersetzt wird. Die Teile 2 bis 11 stellen die 20 kungen mindestens etwa ±4 Volt, höchstens jedoch sogenannte Elektrodenantriebsvorrichtung dar. etwa ± 10 bis 15 Volt betragen. Sobald der optimale

Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest Betriebsbereich verlassen wird, ändert sich der Vermit einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille lauf des Spannungsgradienten über der Zeit/ rnerk-12, die aus einer Kokillenwand 13 in Form eines zy- lieh: Bei einem zu tiefen Eintauchen — bei dem sich lindrischen Hohlmantels mit Anschlußstutzen 14 für 25 die Strompfade kurzfristig wieder in senkrechter Ein- und Austritt der Kühlflüssigkeit 15 besteht. In Richtung einstellen — glättet sich die Spannungsder Kokille 12 befindet sich während der Schmelz- kurve deutlich, wobei ihr Mittelwert bei erheblich phase, in der die Vorrichtung dargestellt ist, eine tieferen Werten, beispielsweise sogar unterhalb flüssige Schlackeschicht 16, in welche die Abschmelz- 20 Volt liegen kann. Die Werte hängen naturgemäß elektrode 1 in geringem Maße eintaucht. Die Elek- 3° von dem Widerstandsbeiwert auf Grund der Zusamtrode schmilzt tropfenweise durch die Schlacke- mensetzung der Schlacke und der Höhe der Schlackeschicht 16 ab, sammelt sich darunter in einem schicht ab. Wird die Elektrode hingegen weiter aus Schmelzsee 17, der nachfolgend durch Wärmeentzug der Schlackeschicht herausgezogen, so treten steile zum Schmelzblock 18 verfestigt wird. Der Wärme- Spannungsspritzen und eine wesentliche Verschiebung entzug erfolgt anfänglich im wesentlichen durch den 35 des Spannungsmittelwertes U_m zu höheren Spannunwassergekühlten Kokillenboden 19 und nachfolgend gen auf. Diese Erscheinung ist auf die unerwünschte im wesentlichen durch die Kokillenwand 13. Zwi- Ausbildung von Lichtbogen zwischen dem unteren sehen Kokillenwand und Kokillenboden befindet sich Ende der Abschmelzelektrode und der Oberfläche ein hitzebeständiger Isolierstoffring 20. Die gesamte der Schlackeschicht zurückzuführen. Anordnung beruht auf einer Basisplatte 21. 40 .

Die Schmelzstromzufuhr erfolgt einerseits mittels Beispiel 1

eines flexiblen Kabels22 und einer Anschlußklemme In einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem

23 zur Zugstange 2 und von hier aus zur Elektrode 1, inneren Kokillendurchmesser von 1500 mm befanden andererseits zu einer Anschlußklemme 24 eines elek- sich 500 kg stückiger Schlacke mit der Zusammentrischen Umschalters 25, dessen Ausgangsklemme 26 45 Setzung

mit dem Kokillenboden 19 über eine Leitung27 ver- _4n _{r v} ,_nrn ,_ni]n

bunden ist. Eine zweite Ausgangsklemme 28 führt - ^{JJLau JUA1}=^U3·

über die Leitung 29 zur Kokillenwand 13. Mittels des Im Zentrum der Schlacke befand sich ein Zünd-

Umschalters 25 ist es möglich, wahlweise den Kokil- widerstand aus Stahlwolle, der durch Stromfluß gelenboden 19 oder die Kokillenwand 13 zum Gegenpol 50 nügend Wärme erzeugte, um einen Teil der Schlacke für die Abschmelzelektrode 1 zu machen. Durch den zu schmelzen. Durch Einschalten der Schmelzstrom-Stromfluß innerhalb der Schlackeschicht 16 heizt sich Versorgung und Absenken der Abschmelzelektrode 1 die Schlacke in bekannter Weise auf und liefert die bis zur Berührung mit dem Zündwiderstand wurde erforderliche Schmelzwärme. das Verfahren in Gang gesetzt. Die Elektrode besaß

Die Regelung des Elektrodenvorschubs in Sinne 55 einen Durchmesser von 1000 mm, die Kokille einen der Erfindung erfolgt über ein Regelgerät30, welches solchen von 1500mm, d.h., zwischen der Elektrode mittels der Leitungen 31 bzw. 32 mit der Abschmelz- und der Kokille befand sich ein ringförmiger Raum elektrode 1 einerseits und mit der Kokillenwand 13 von 250 mm lichter Weite. Nach dem vollständigen andererseits verbunden ist. Es kann natürlich auch Aufschmelzen der Schlacke hatte die Schlackeschichl ein Anschluß der Leitung32 am Kokillenboden 19 60 eine Höhe von etwa llOnrm. Die Elektrode wurde vorgesehen werden, wobei dann ein Umschalter ana- jetzt zurückgezogen, bis sich ein Spannungsveriaul log Position 25 vorzusehen wäre. Da während des gemäß F i g. 2 zeigte. Das Regelgerät 30 wurde nuncigentlichen Schmelzverfahrens jedoch der radiale mehr so eingestellt, daß das Erscheinungsbild des Stromfluß gemessen werden soll, ist der in Fig. 1 zeitlichen Verlaufs der Spannung im wesentlichen dargestellte Anschluß der Leitung 32 der bedeut- 65 gleich blieb. Der mittere Spannungsanfall betrug etwa samere. Das Regelgerät 30 erfaßt een Spannungs- 39 bis 40 Volt bei einer Stromstärke von 28 bis gradicntcn innerhalb der Schlackeschicht 16 ein- 3OkA. Die damit erreichte Schmelzleistung lag zwischlicßlich der ihm überlagerten impulsförmigen sehen 1050 bis 1150 kW.

Beispiel 2

In einem Vergleichsversuch wurde die Abschmelzelektrode 1 durch Verstellen des Regelgerätes 30 etwas tiefer in die Schlackeschicht 16 eingetaucht. Sofort änderte sich der radiale Temperaturgradient an der Oberfläche der Schlackeschicht: Der ursprüngliche nahezu gleichmäßig helleuchtende Schlackering verdunkelte sich in etwa 1 bis 2 Minuten deutlich sichtbar zum Rand hin. Die mittlere Spannung U_n, sank bei gleichzeitiger Glättung des Spannungsverlaufs auf etwa 20VoIt ab, während die Stromstärke von etwa 3OkA im wesentlichen erhalten blieb. Die Schmelzleistung reduzierte sich hierdurch auf

600 kW, das heißt die Hälfte der in Beispiel 1 erreichten Umschmelzleistung.

Beispiel 3

Um die Umschmelzleistung gemäß Beispiel I mit einer Betriebsweise gemäß Beispiel 2 wieder zu erreichen, mußte die Spannung auf 28 bis 29 Volt erhöht werden, wodurch die Stromstärke auf 42 kA zunahm. Hiermit stiegen aber Belastung und Verluste im elektrischen Teil der Anlage in unerwünschter Weise an. Dieser Belastung waren aber die elektrischen Teile der Anlage auf die Dauer nicht gewachsen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509!

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektroschlackeumschmelzofen, wobei mindestens eine Abschmelzelektrode unter der Wirkung eines elektrischen Stroms innerhalb einer Kokille durch eine flüssige Schlackeschicht zu einem Block umgeschmolzen wird, gekennzeichnet durch eine solche Betriebsweise des Ofens, bei der die Strompfade des Schmelzstroms hauptsächlich radial von der Abschmelzelektrode zur Kokillenwand verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verhältnis von lichter Weite des Ringspaltes zwischen Elektrode (1) und Kokillenwand (13) zur Höhe 4er Schlackeschicht (16) ein Wert oberhalb 1.2, vorzugsweise oberhalb 1,5, gewählt wird und daß die Elektrode (1) nach dem Vorhandensein der flüssigen Schlackeschicht (16) zu Beginn des Umsehmelzvorganges so weit zurückgezogen wird, bis der Spannung zwischen der Elektrode und der Kokillenwand impulsförmige Schwankungen von mehr als ± 4 Volt, vorzugsweise von mehr als ± 8 Volt von der mittleren Betriebsspannung überlagert sind, und daß der Abschmelzvorgang unter Beibehaltung dieser Betriebsbedingungen bis zum Ende durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schlackeschicht (16) 3Oⁿ,'o, vorzugsweise 15%, des Durchmessers der Kokille (13) nicht übersteigt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung während der Startphase an den Kokillenboden und während der anschließenden Schmelzphase an die vom Kokillenboden isolierte Kokillenwand erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfallrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kokillenwand (13) und -boden (19) voneinander elektrisch isoliert sind und daß Schaltmittel (25) vorhanden sind, durch die wahlweise die Kokillenwand oder der Kokillenboden an die Stromversorgung anschließbar ist.