DE2137476A1 - Elektroofen - Google Patents

Description

Anmelderin: Oorhart Refractories Company Louisville, Kentucky, USA

Elektroofen

Die Erfindung "betrifft einen Elektroofen zum Erschmelzen von feuerfesten Oxidkeramiken, in dem mit der Schmelze umsetzungsfähiges Gas in das Schmelzgut eingeschossen wird.

In Schmelzgussverfahren hergestelltes feuerfestes Material ist gebranntem oder gesintertem Material vielfach überlegen, führt aber zu einer Reihe von Herstellungsschwierigkeiten. Beim Schmelzen mit Elektroden (durch Eintauchen der Elektroden in die Schmelzmasse oder bei Material hoher Leitfähigkeit durch einen Lichtbogen) wird das Schmelzgut stark reduziert, was eine Reihe von nachteiligen Folgen hat. Das französische Patent 1,208,577 schlägt daher einen längeren Lichtbogen, Durchrühren der Schmelze und ständig erneuerte oxidierende Atmosphäre über der Schmelze vor. Dabei erhöhen sich aber die

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Wärmeverluste sehr stark. Die äfceren Schmelzverfahren durch eingetauchte oder mit kurzen Lichtbogen arbeitenden Verfahren sind daher noch günstiger, wenn entsprechend der japanischen Anmeldung 39 - 24347 (veröffentlicht) Luft oder Sauerstoff mit einer über der Schmelze angeordneten und in diese tauchenden Lanze eingeblasen wird. Nachteilig hierbei ist der aufwendige Aufbau der Lanze, die sehr stark gekühlt werden fc muss, ohne dass Kühlmittel austritt. (Explosionsgefahr bei Kontakt mit der Schmelze). Kritische Schweißstellen tauchen in das Schmelzbad und werden zersetzt, so dass die Vorrichtung ständig untersucht werden muss. Dazu muss der Ofenbetrieb unterbrochen und die Lanze ausgebaut werden. Das muss häufig geschehen, da die Lebensdauer der Lanze kurz ist.

Ein weiterer Nachteil liegt in dem durch den Gaseinschuss verursachten Aufspritzen von Schmelzmaterial, das auf die feste Schmelzkruste oder Krone fällt und diese ständig vergrössert, bis die weitere Bewegung der Lanze so stark gehemmt ist, dass die Krone in mühsamer Arbeit aufgebrochen werden muss. Ferner besteht die Gefahr eines übermässig starken Gaseinschusses, so dass das Schmelzgussmaterial stark porös wird. Die richti-■ ge Gaszufuhr ist besonders schwer regelbar, weil durch Spritzverluste das Schmelzvolumen von Ansatz zu Ansatz starken Schwankungen unterworfen ist.

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Diese Nachteile werden auch, durch die dauernd eingetauchte Lanzenanordnung des französischen Patents 82310 nicht behoben, sondern z. T. noch verstärkt. Die Lanze ist noch aufwendiger und wird zudem durch erstarrendes Schmelzmaterial so häufig verstopft, dass der Gasdurchsatz enorm erhöht werden muss.

All diese Nachteile werden durch den Elektroofen der Erfindung dadurch vermieden, dass durch eine abdichtend durch eine Auslassöffnung in den Schmelztiegel einführ- und herausziehbare und in der eingeführten Lage beim Vorschwenken des Tiegels in die Beschickung tauchende, gekühlte Lanze Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Beschickung eingeschossen werden kann.

Günstigerweise ragt die Lanze im eingeführten Zustand nur mit einem stumpfen, mit der ^üaseinschussdüse versehenen Ende in den Tiegel, während ein sich an dieses Ende nach hinten anschliessendes, verjüngtes Teil in der Auslassöffnung des Tiegels abgedichtet ist.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

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die Figuren 1 und 2 im Längsschnitt den Elektroofen der Erfindung im umgekippten und nach vorne gekippten Zustand;

die Figur 3 das in den Ofen einzuführende Lanzenende in Stirnansicht;

die Figur 4 die Lanze im eingeführten Zustand im Schnitt ent- W lang der Schnittlinie 4-4 der Figur 3>

die Figur 5 als Detail den verjüngten Lanzenteil im Schnitt entlang der Schnittlinie 5-5 der Figur 3j

die Figur 6 schematisch die Vorrichtung zum Einführen der Lanze in den Ofen.

Die Figur 1 zeigt eine als solche bekannte, wassergekühlte und * mit feuerfestem Material ausgekleidete Ofenschale IO mit dem konkaven Boden 14, der zylindrischen Seitenwand 12 und dem oberen Rand 16. Eine Auslassöffnung 20 ist in Form einer zylindrischen Bohrung etwa in der Mitte zwischen dem Boden 14 und dem Rand 16 durch die Seitenwand 12 geführt und mit dem Mundstück 22 versehen.

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Drei Graphitelektroden 24, 25 (die dritte Elektrode ist verdeckt) reichen in der gewöhnlichen Dreiphasenanordnung nach unten in den Ofen. Sie werden in einen vorgeschmolzenen oder im Ofen belassenen Schmelzvorrat getaucht und in "bekannter Weise entsprechend der erforderlichen Eintauchtiefe nachgestellt. In der Anordnung der Figur 1 werden die Elektroden bis zur Tiefe 24a, 25a in die mit ihrem Spiegel 28 dicht unter die Auslassöffnung 20 reichende Schmelze getaucht, beim Lichtbogenschmelzen dagegen dicht über dem Spiegel 28 gehalten.

Der untere Teil der Auskleidung 18 bleibt im Schmelzbetrieb leicht konkav und besteht aus teils geschmolzener und wieder erstarrter, teils ungeschmolzener Beschickung. Es entsteht ferner die in der Nähe des Schmelzspegels ringförmige und um die Auslassöffnung bei 33 und 34 etwas verformte Schmelzkrone 32.

Beim Schmelzen wird die öffnung 20 gewöhnlich mit einem Graphitstöpsel 36 ähnlicher Form wie die der Lanze 40 verschlossen. Der Stöpsel kann mit dem Griff 37 herausgezogen werden.

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Zur Betätigung der Lanze 40 sind die beweglichen, starr mit den Gelenkhebeln 50, 52 verbundenen Arme 42, 44 vorgesehen (s. Figur 6). Die Gelenkhebel sind an den am Ofen befestigten Tragflanschen 46, 48 angelenkt. Die Arme 42, 44 sind gelenkig vermittels der Stifte 54, 56 an den Tragflanschen 58, 60 befestigt, die ihrerseits starr an dem Kühlmantel 70 der Lanze 40 montiert sind. Der Gelenkhebel 50 trägt einen Nocken 62, ™ dessen Nockenflächen 64, 65 abwechselnd von der Stange 66 befahren werden. Die Stange ist zwischen den Tragarmen 67 parallel zum Gelenkhebel 50 montiert, die ihrerseits auf einer an den Flanschen 46 und 48 angelenkten Welle 68 befestigt ist.

Zum Einschiessen von Gas in die Schmelze wird die Lanze durch die Arme 42, 44 nach unten geschwungen und in der öffnung 20 abdichtend gehalten, in-dem die Stange 66 an die Nockenfläche 65 greift. Danach wird die Stange 66 mit den Tragarmen 67 angehoben, so dass die Nockenscheibe 62 frei umlaufen kann. Die Lanze wird dann aus der öffnung 20 gezogen und entlang der durch die Stifte 54 und 56 beschriebenen bogenförmigen Bahn X und Y in die Ruhestellung 40a zurückgeschwungen (vgl. die gestrichelten Linien der Figur 6). Hierbei laufen die Arme 42 und 44 in verschiedenen Ebenen, um sich nicht gegenseitig zu stören oder zu hemmen. Beim Zurückschwnken fällt das Stangenende auf die Nockenfläche 63 geringeren Durchmessers und liegt

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in der Ruhestellung auf der Nockenfläche 64. Zur erneuten Betätigung wird die Stange von dieser Nockenflache abgehoben, so dass die Nockenscheibe entgegen dem Uhrzeigersinn frei umlaufen kann.

Vor einem Einschuss werden die Elektroden angehoben, bis ihre Spitzen in der Ebene 24b - 25b liegen; sodann wird der Stöpsel 36 aus der öffnung 20 herausgezogen. Die Lanze kann nun nach unten geschwungen werden.

Durch die Lanze 40 läuft zentral eine Gasleitung 71 > cLie mit Ausnahme des an die nicht gezeigte Gaszufuhr angeschlosssenen kurzen Endstücks 73 von dem Kühlmantel 70 umgeben ist. Die Leitung ist mit dem Kühlmittel und dem mittleren Rohrstück 74 in dem verjüngten Ende 75 durch die Lot- oder Schweißstellen 72 bzw. 73 abdichtend verbunden. Das äussere Rohrstück 76 des Endes 75 bildet mit dem Rohrstück 74 eine Ringkammer, in der der Kühlmantel 70 mit seiner Ringspitze 77 im Abstand vom geschlossenen Ende des Ringraums gelagert ist. Ein äusserer Kühlmantel 79 umgibt einen !Teil des Kühlmantels 70 dem Endstück 75 anliegend und ist mit dem Mantel 70 abgedichtet durch die Dichtungsstelle 80 verbunden. Der Kühlmantel 79 ist auch mit dem Endstück 75 durch die Dichtungsstelle 81 verbunden.

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Durch zwei Einlassrohre 82 lind 83 wird über Einlassöffnungen 85 das Kühlmittel (vorzugsweise Wasser) in den Kühlmantel 79 geleitet und fliesst in Pfeilrichtung (Figur 4-) in die Ringkammer, um die Spitze 77 des Endstücks 75» im Rücklauf durch den Kühlmantel 70 und aus den Auslassöffnungen 87 in die abdichtend mit dem Mantel 70 verbundenen Auslassrohre 88 und Bei Verwendung von Leitungswasser als Kühlmittel kann dieses mit seiner Eigentemperatur unmittelbar eingeleitet werden.

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit besteht die Lanze 40 .vorzugsweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen.

Das Endstück 75 besitzt zur guten Abdichtung mit der z. T« durch die feuerfeste Auskleidung 18 gebildeten Auslassöffnung 20 ringförmige, verjüngte Flächen 90 und 91- Die stumpfe Endflache 93 des Endstücks 75 ragt nur ein kurzes Stück in den Schmelzraum, nicht dagegen die übrigen Flächen, so dass kritische Stoßstellen wie z. B. die Schweißstelle 81 nicht mit der Schmelze in Berührung gelangen. Mehrere Gaseinschussdüsen 95 führen im Endstück 75 von dem Hohlraum in dem Rohrstück zur·Endfläche 93? und zwar günstigerweise in spitzem Winkel nach unten (Figur 4), bzw. fächerartig auseinanderlaufend (Figur 5)» mit Winkeln zur Horizontalen bzw. Längsachse der

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Lanze von "beispielsweise 15 - 4-5° hei der Anordnung im spitzen Winkel und 10-75 (z. B. 15 für die inneren "beiden Düsen, 4-0 für die äusseren Düsen) hei der fächerartigen Anordnung.

Nachdem die Lanze 40 mit angestellter Kühlmittelzufuhr abdichtend in die Öffnung 20 eingeführt ist, wird die Gaszufuhr eingeschaltet. Das Gas strömt durch die Leitung 71» das Rohrstück 74- und durch die Düsen 95° Nun wird der Ofen nach vorne geschwenkt (Figur 2), his der Spiegel 28 der Schmelze 26 über die Auslassöffnung 20 steigt und die Fläche 93 der Lanze 40 bedeckt. Es bildet sich dann auf der gekühlten Fläche 93 j mit Ausnahme der Düsenöffnungen 95» eine dünne, feste Schicht 97 aus feuerfestem Material, die das Endstück 75 zusätzlich abdichtet und vor Hitze und Abnutzung schützt. Der Düsenstrom geht durch die Schmelze 26 in Richtung der gestrichelten Linien der Figur 2 und tritt an der Fläche 28 mit nur geringer Turbulenz und Wellenbildung 96 aus.

Nach Beendigung des Gaseinschusses wird der Ofen zurückgekippt, bis der Spiegel 28 unter die Auslassöffnung sinkt; die Gaszufuhr wird abgeschaltet, die Lanze in die Ruhelage 40a zurückgeschwenkt, die dünne Schicht 97 abgestossen und der Ofen zum Giessen der Schmelze in geeignete Formen vorgekippt.

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Vor Inbetriebnahme des Ofens wird bei aufrechter Lage des Ofens zunächst etwas Schmelze in den Tiegel gegeben oder vom vorhergehenden Schmelzvorgang belassen. Sodann werden die Elektroden eingeschaltet und eine grössere Menge 26 erschmolzen, deren Spiegel 28 aber immer noch unter der Auslassöffnung liegt, zumindest wenn der Ofen ohne Schmelzgut auszuschütten nach hinten gekippt wird. Alsdann wird die Lanze 40 in die öffnung 20 eingeführt, und der Ofen nach vorne gekippt, bis das Schmelzgut die Öffnung 20 und das eingeführte Ende der Lanze bedeckt. Ein Teil erstarrt zu einer dünnen Schicht und bildet eine vorübergehende Abdichtung zwischen Lanze und öffnung. Gleichzeitig wird durch die Lanze Gas in die Schmelze für die erforderliche Umsetzungsdauer eingeschossen. Dann wird der Ofen zurückgekippt bis der Schmelzspiegel unter die Auslassöffnung sinkt und die Gaszufuhr abgeschaltet. Schliesslich wird die Lanze herausgezogen, und die Schmelze ist z. B. für den Schmelzguss verwendungsbereit.

Für die erfindungsgemäss erreichten Vorteile ist es an sich nicht kritisch, wie weit der Schmelzspiegel bis über die Auslassöffnung reicht. Der Wirkungsgrad der eingeschossenen Gasmenge steigt aber mit zunehmendem Volumen der über den Düsen befindlichen Schmelzmasse. Ein möglichst hoher Anstieg des

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Schmelzspiegels ohne Gefahr des Verlustes an Schmelzgut durch Überlauf usw. ist daher wünschenswert.

Ebenfalls nicht kritisch ist der Gasdurchsatz, im Rahmen der zu beachtenden Gesichtspunkte nicht zu starker Turbulenz und Wärmeverluste.

Beim Schmelzen unter reduzierenden Bedingungen entsteht ein Sauerstoffmangel, der durch Einschiessen eines oxidierenden Gases, wie z. B. Sauerstoff, Stickoxydul, Kohlendioxid usf., einzeln oder in Mischung, ausgeglichen werden kann.

Eine besonders günstige Anwendung des erfindungsgemässen Elektroofens besteht im Erschmelzen feuerfester Oxidkeramiken zur Weiterverarbeitung im Schmelzguss, für die Auskleidung von Glasschmelzwannen oder Hochöfen zur Stahl- und Kupfererzeugung usw., der Zusammensetzung, analytisch in Gew.%: 25-90% ZrOp, bis zu 20% SiO₂, bis zu 4% Na₃O₁ Rest Al₃O₅ und zufällige Verunreinigungen; oder Magnesiumoxid/Ghromerzmischungen mit wenigstens 40% MgO und wenigstens 4%

Der Ofenaufbau ist gegenüber dem bisher bekannten wesentlich vereinfacht. Das gilt insbesondere auch für die Lanze, die

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mit kleinen Abmessungen herstellbar ist und mit einem KühlwasserVerbrauch von 0,5% der bisherigen Lanzen auskommt. Sie kann in der zurückgezogenen Ruhestellung ohne Abschalten des Ofens geprüft und gegebenenfalls ersetzt werden. Da nur die Spitze der Lanze mit der Schmelzmasse in Berührung kommt, ist bei geringer Kühlung der Einsatz für Hochtemperaturschmelzen, z. B. mit mehr als 60% ZrOp oder Magnesiumoxid/Chromerzmischun-P gen möglich. Aus noch nicht bekannten Gründen arbeitet die Lanze ohne Aufspritzen oder Versprühen von Schmelzgut. Kritische Schweißstellen liegen seitlich ausser Berührung mit der Schmelze; dadurch verringert sich auch die Gefahr der Leckverluste an Kühlmittel. Die Lebensdauer ist ganz beträchtlich erhöht. Der Betrieb mit der kleinen Lanze ist weniger kritisch, und die Gefahr übermässigen Gaseinschusses geringer. Es besteht also eine grössere Toleranz des Gaseinschusses und eine weniger genaue Regelung desselben genügt.

Überraschenderweise kann auch im Gegensatz zu bisherigen öfen die im Auslassloch gebildete Schmelzkruste leicht herausgebrochen und der ursprüngliche Auslassdurchmesser wiederhergestellt werden. Möglicherweise beruht dies auf der Innenform der um den verjüngten Teil des Lanzenendes gebildeten Schmelzkruste.

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Der weiteren Erläuterung ohne Beschränkung dienen die folgenden Beispiele.

Ein mit der oben beschriebenen Lanze ausgerüsteter Elektroofen hatte einen Durchmesser von 2,10 m. Es wurde ein Ansatz von ca. 850 kg von Zirkon-Aluminium-Oxid mit Pottasche zu einer Schmelze der Zusammensetzung, in Gew.%, 32,9% 49,3% Al₂O₅. 15,1% SiO₂, 1,56% Na₂O, 0,07 TiO₃, 0,04% durch eingetauchte Elektroden mit 1115 KW-Std. während 29 Min. erschmolzen. Nach Einführen und Abdichten der Lanze 40 in der Auslassöffnung wurden in die Lanze 1180 - 1416 ccm/Sek. Sauerstoff eingeleitet. Der Ofen wurde 3»5 Min. von der aufrechten Stellung um 17° nach vorne gekippt und sodann zur Entnahme der Lanze und zur Vorbereitung des Schmelzgusses wieder zurückgekippt. Der Schmelzguss besass geringe Porösität, geringe Blasenbildung bei Kontakt mit geschmolzenem Glas und geringe Ausschwitzung einer glasigen Phase bei den in Glasschmelzwannen üblichen Temperaturen. Die Eigenschaften waren qualitativ und quantitativ mit Schmelzguss gleicher Zusammensetzung aus Schmelzen, die mit von oben eingeführter Lanze oder langem Lichtbogen erzielt wurden vergleichbar und waren Produkten aus Schmelzen, die mit kurzem Lichtbogen hergestellt waren sogar weit überlegen.

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Als weiteres Beispiel wurde in einem kleineren Ofen mit 30 cm Durchmesser und zwei Graphitelektroden mit 120 KW Zweiphasenleistung und entsprechend kleinerer Lanze eine Magnesiumoxid/ Ghromerzmischung zu 56-57% MgO, 20-21% Or₂O.,, 10-11% FeO, 8-9% Al₂O₃, 0,5-0,7% GaO, 1-1,2% SiO₂ und 1,5-1,7% TiO₂ erschmolzen. Mit einem kurzen Bogen von 7?6 mm mit einer Leistung von 1,3 KW-Std. pro 450 g Ansatz wurden etwa 55 kg erschmolzen. Diese Schmelze hatte einen Mangel an Sauerstoff. Der Ofen wurde vorgekippt und insgesamt 84.960 ecm Sauerstoff mit einem Durchsatz von 2.548.800 ccm/Sek. in die Schmelze eingeschossen. Beim Erhitzen des Schmelzgussprodukts in Luft auf 1000° "bis zur völligen Reoxidierung nahm das Produkt nur 0,32% an Gewicht zu, im Vergleich zu einer Gewichtszunahme von 0,806%, also weit grösserem Sauerstoffmangel, der nicht mit der Lanze behandelten Schmelze.

An Stelle von Sauerstoff können Stickoxydul, Kohlendioxid, und/oder Luft eingeblasen werden. Die eingeblasene Menge muss entsprechend angepasst, meist erhöht werden. Die Ergebnisse entsprechen aber in etwa denen der obigen Beispiele.

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Claims (9)

1. Pat ent ansprüche

   Schwenkbarer Elektroofen zum Erschmelzen einer Beschickung in einem feuerfest ausgekleideten Schmelztiegel durch Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mit Mitteln (4-2, 44·) abdichtend durch eine Auslassöffnung (20) in den Tiegel einführ- und herausnehmbare und in der eingeführten Lage beim Vorschwenken des Tiegels in die Beschickung tauchende, gekühlte Lanze Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Beschickung eingeschossen werden kann.
2. 2. Elektroofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze im eingeführten Zustand nur mit einem mit einer Gaseinschussdüse (95) versehenen stumpfen Ende (93) in den Tiegel ragt und mit einem verjüngten Teil (90, 91) in der Auslassöffnung des Tiegels abgedichtet ist.
3. 3. Elektroofen gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinschussdüse aus mehreren Düsenöffnungen besteht, deren Achse in der Einschußstellung in einem spitzen Winkel zur Längsachse der Lanze nach unten verläuft.
4. 4. Elektroofen gemäss Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen fächerartig auseinanderlaufen.

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5. 5. Elektroofen gemäss Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung in der Mitte zwischen dem oberen und unteren Ende der Stirnwand des Tiegels liegt.
6. 6. Elektroofen gemäss .Ansprüchen 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze aus Kupfer besteht und wassergekühlt ist.
7. 7- Elektroofen gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Erschmelzen einer feuerfesten Oxidkeramik der Zusammensetzung, in Gew.%, 25-90% ZrO₂, 0-20% SiO₂, 0-4% Na₃O, Rest Al₂O₃ Verunreinigungen.
8. 8. Elektroofen gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die "Verwendung zum Erschmelzen einer Mischung von Magnesiumoxid und Chromerz mit wenigstens 40% MgO und wenigstens 4%

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9. 9. Elektroofen gemäss Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eingeschossene Gas aus Sauerstoff, Luft, Stickoxydul, Kohlendioxid oder Mischungen derselben besteht.

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