DE2211456A1

DE2211456A1 - Wasserkühlsystem für Vakuum-Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE2211456A1
Application number: DE19722211456
Authority: DE
Inventors: der Anmelder. M ist
Original assignee: BEJSEROW S
Current assignee: BEJSEROW S
Priority date: 1971-03-17
Filing date: 1972-03-09
Publication date: 1972-09-28
Also published as: DE2211456C3; IT960771B; GB1351422A; SU384435A1; JPS48102331A; US3723632A; FR2129686A5; JPS5136914B2; DE2211456B2

Description

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BCOO M.i-ichen 22

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Tel. 22 45 85

Semön Maiseevic Bejzerov P 42 822/2

9. März 1972 " Moskau/UdSSR _L/Br

WÄSSERKÜHLSYSTEM FÜR VAKUUM-LI CHDBOGENOEB)Ii

Die Erfindung bezieht sich, auf das Gebiet des Hüttenwesens und genauer auf Wasserkühlsysteme für Schiaelzanlagen.

Die Erfindung kann am erfolgreichsten beim Kühlen von Vakuum-LichtbogenÖfen verwendet werden, deren einzelne Abschnitte verschieden hohen Wärmebelastungen unterworfen sind.

Insbesondere kann das erfindungsgematte bystem beim Erzeugen von hochreaktiven und speziellen Metallen und Legierungen nach dem Umschmelzverfahren in Vakuum-Lichtbogenöfen Verwendung finden.

Es sind Wasserversorgungssysteme von Vakuum-Lichtbogenöfen, welche eine Elektrodenkammer,,einen Elektrodenhalter, eine Kokille und eine Untersatzplatte besitzen, bekannt.

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Diese Systeme arbeiten nach dem Prinzip der individuellen Wasserversorgung, d.h. durch jeden gekühlten .Anlagenabschnitt wird selbständig Wasser gepumpt, das aus der Sammel-

leitung, welche dauernd Külwasser unter einem Druck von bis at zuführt, zugeleitet und in einen Kühlturm oder einen Kühlteich abgeleitet wird. Hierbei wird danach gestrebt, dem durchgepümpten Wasser hohe Geschwindigkeiten zu erteilen, um Sieden des Wassers oder zumindest Schichtsieden desselben zu verhindern. Das Einhalten dieser Bedingung erfordert einen hohen Kühlwasserverbrauch, der bei einem neuzeitlichen Vakuum-Lichtbogenofen 100 r/h und mehr betragen kann. Jedoch auch bei einem solchen Verbrauch bedecken sich die am höchsten wärmebelasteten Elemente, wie z.B. die Kokille, mit dichtem Kesselstein, der stark die Wärmeaustauschbedingungen verschlechtert. Das Kühlen der öfen mit chemisch gereinigtem oder destilliertem Wasser erfordert eine zusätzliche Ausrüstung. Der erhöhte Wasserdruck im Wasserversorgungssystem ruft eine zusätzliche Belastung der Ofenwände hervor.

Beim Umschmelzen von beispielsweise Titan und seinen Legierungen kann es verkommen, daß die Kokillenwände oder die Untersatzplatte infolge einer instabilen Lichtbogenentladung durchgeschmolzen werden. Das in die Schmelzzone geleitete Wasser wird in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Der Sauerstoff wird durch das geschmolzene Titan aufgenommen, während die in den Ofen gelangende Luft mit dem Wasserstoff

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ein Kanallgas bildet, welches eine Explosion hervorruft. Daher gewährleisten die bestehenden Wasserversorgungssysteme keinen gefahrlosen Betrieb und keine Betriebssicherheit.

Es sind auch Wasserversorgungssysteme bekannt, welche einen Reservebehälter besitzen, der durch ein Rohrleitungssystem mit den Kühlräumen der Schmelzanlage und mit der Sammelleitung zum dauernden Zuführen von Kühlwasser verbunden ist.

Solche Systeme arbeiten nach dem System der Verdampfungskühlung und werden weitgehend im Eisenhüttenwesen in Siemenskartin-, Hoch-, Anwärmöfen und anderen öfen verwendet·

Diese Systeme bestehen aus einer Reihe von selbständigen Kühlkreisen mit natürlichem Umlauf des siedenden Wassers. Alle Kreise sind durch Rohrleitungen parallel am Eeservebehälter angeschlossen, der in einer bestimmten Höhe aufgestellt ist, die je nach dem Strömungs-Widerstand der Yerbindungsleitungen und der Gestalt der Kühlraum©,, deren Anordnung und der Häufigkeit des Wasseraustaus©h@s gewählt mrd. Mir alle diese öfen ist kennzeichnend₉ da£ die Wäbsetoelastun- · gen bei ihrer Kühlung nicht die kritische überschreiten. Ihre Kühlsysteme weraen mit chemisch gereinigtem Wasser gespeist. Da beia Verdampfen ©in Teil des wassers in Form-von Dampf verloren geht, so wird bei dem System you einer äußeren Quelle Wasser dem Reservebehälter zugeleitet«

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Der Reservebehälter besitzt zum Aufrechterhalten eines konstanten Wasserniveaus einen Niveauregler. Zu den Nachteilen dieser Systeme ist zu rechnen, daß sie mit chemisch greinigtem Wasser gespeist werden und auch daß sie kompliziert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein betriebssicheres und explosionssicheres Wasserkühlsystem für einen Vakuum-Lichtbogenofen zu schaffen, das mit verhältnismäßig niedrigem Kühlwasserverbrauch arbeitet.

Die Erfindung sieht auch ein im Ganzen vereinfachtes Wasserkühlsysteai mit einer geringeren Anzahl von Meß- und Überwachungsgeräten vor. Diese Aufgabe wird durch ein Wasserkühlsystem gelöst, bei dem die Sammelleitung zum dauernden Zuführen von Kühlwasser mit dem Kühlraum des Elektrodenhalters verbunden ist, der wiederum durch Rohrleitungen mit den Kühlräumen der Kokille und der üntersatzplatte in Verbindung steht, und das einen Reservebehälter besitzt, welcher nicht niedriger als die Oberkante des Oiens aufgestellt und über Rohrleitungen mit den Kühlräumen der Kokille, der Untersatzplatte und der Elektrodenkammer verbunden ist.

Ein solches Schema der Rohrleitungsverbindungen wurde beim Kühlsystem gewählt? um den Kühlwasserverbrauch zu ver-r mindern.

Beim Vakuuai-Lichtbogenofen sind die Kokille und die Untersatzplatte die am meisten wärmebeanspruchten Abschnitte, während der Elektrodenhalter und die JBlektrodenkammer weniger

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wärmebeanspruchte Abschnitte darstellen.

Das erfindungsgemäße Wasserkühlsystem arbeitet mit Verdampfungskühlung bei natürlichem Umlauf des siedenden Wassers, wobei das aus der Sammelleitung kommende Wasser sum Kühlen des Elektrodenhalters geleitet wird, während das von dort ausströmende Wasser in die Kühlräume der Kokille und der Untersatzplatte geleitet wird.

Eine solche Lösung ermöglicht es, den Kühlwasserverbrauch 8..,1O mal bei bedeutender Erhöhung der Betriebssicherheit des Systems und der Explosionssicherheit desselben zu vermindern.

Der Reservebehälter ist beim erfindungsgemäßen System mit einem Wasserüberlaufstutzen ausgerüstet. Das Wasserniveau im Behälter befindet sich dauernd in der Höhe dieses Stutzens. Der garantierte Wasservorrat ermöglicht es, in Notfällen den Reservebehälter als Wasserverschluß zu verwenden.

Nachstehend wird eine Ausführung des Wasserkühlsystems für einen Vakuum-Lichtbogenofen unter Hinweis auf beiliegende Zeichnung ausführlich beschrieben, auf der schematisch sein Wasserkühlsystem dargestellt ist.

Vakuum-LichtbogenÖfen werden zum Umschmelzen von hochreaktiven Metallen und Legierungen verwendet· Der Block wird bei einem Vakuum von 1*10 .....1.10"^ mm WS geschmolzen und erstarren gelassen. * Das umzusc&melzende Mecail dient

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als Elektrode. Durch Untersuchungen der Wärmebelastungen von ·. Vakuum-Lichtbogenöfen wurde festgestellt, daß diese Belastungen die kritischen Belastungen der Untersatzplatte und der Kokille überschreiten, aber unbedeutend in der Elektrodenkammer und am Elektrodenhalter sind.

Das erfindungsgemäße Wasserkühlsystem enthält einen Reservebehälter 1, der im gegebenen Falle in der Höhe der Ofenoberkante aufgestellt ist. Die Höhe, in der der Reservebehälter 1 aufgestellt wird, wird so gewählt, daß das Dampf Wasser-Gemisch am höchsten Punkt des Kühlraums der Elektrodenkammer ungehindert austreten kann. Der Rauminhalt des Reservebehälters 1 hängt vom Ofendurchsatz und der Dauer eines Schmelzyklus ab, wobei davon ausgegangen wird, daß während dieses Zyklus keine Zuspeisung im Kühlsystem erforderlich ist. Der Behälter 1 ist mit den Kühlräumen jedes Ofenabschnitts durch Zu- und Ableitungen und zwar folgendermaßen verbunden: mit dem Kühlraum 2 der Kokille 3 durch eine Zuleitung M- und eine Ableitung 5j mit dem Kühlraum 6 der Untersatzplatte 7 durch Leitungen 8 und 9» mit der Kammer 10 der Elektrode 11 durch Leitungen 12 und 15,

Die EinflußÖffnungen der Zuleitungsrohre 4, 8 und 12 befinden sich im Boden des Behälters 1, während die Ausflußöffnungen der Ableitrohre 5, 9 und 13 über dem Wasserniveau im Behälter 1 liegen. Im Oberteil des Behälters 1 befindet sich ein Stutzen 14·, durch den Dampf in die Außenluft oder

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zum Wärmeverbraucher strömt. Das Wasserniveau im Behälter wird durch einen Stutzen 15 bestimmt, der zum Überlauf dient. Das aus dem Behälter 1 abfließende Wasser verläßt das System und gelangt in die Sammelleitung, die zur äußeren (aus der Zeichnung nicht ersichtlichen) Kühlwasserquelle führt.

Der Abstand zwischen den Wänden des Ofens und den seine Elemente umgebenden Mänteln, welche die Kühlräume bilden, wird so gewählt, daß das in diesen Räumen entstehende Dampf-Wasser-Gemisch ungehindert in den Beservebehälter ausströmen kann.

Das aus der Sammelleitung kommende Kühlwasser wird in das Kühlrohr 16 eines Elektrodenhalter® 17 geleitet» Die öffnung, durch die das Wasser aus dem Elektrodenhalter ausströmt, ist durch eine Rohrleitung 18 mit dem Unterteil des Kühlraums 2 der Kokille 3 und mit dem Kühlraum 6 der Untersatzplatte 7 verbunden«

Das Wasserkühlsystem arbeitet f olgeadsmaBeBo

Beim Vakuum-Lichtbogenofen dient der musuedha©!sende Metallblock als Elektrode 11· Beim Anschließen der Elektrode 11 und der Untersatzplatte 7 an die Pole d©s (ams der Zeichnung nicht ersichtlichen) Stromquell© wisd awieohen ihnen ein Lichtbogen gesüBdet· Das unsugeömelsenae Metall läuft auf die Untersatzplafcte 7 la©3?ab und in der Kokille J wird ein Block geformt«

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Während des Schmelzprozesses werden Strahlungswärme und Wärme vom erstarrenden Block über die Wände der Kokille 3 und der Untersauaplatte 7 auf ^Kühlwasser übertragen, das "bis zum Sieden erhitzt wird.

Das entstandene Dampf-Wasser-Gemisch gelangt über die Eohre 5, 9 und 13 in den Behälter 1, wo der Dampf abgeschieden wird und in die Außenluit ausströmt, während das Wasser über die Rohre 4, δ und 12 von neuem in die Kühlräume 2 und 6 der Kokille 3 und der Untersatzplatte 7 strömt.

Ebenso wird die Kammer 10 der Elektrode 11 gekühlt, welche durch die schmelzende Elektrode 11 und das flüssige Metallbad in der Kokille 3 erwärmt wird.

In den Kühlkreisen der Kammer 10 der Elektrode 11, der Kokille 3 und der Untersatzplatte 7 stellt sich ein Siedezustand bei ungehinderter Konvektion und bei natürlichem Umlauf ein. Die Wärme wird hauptsächlich durch die Verdanv pfungswärme abgeleitet.

Nach dem Kühlen des Elektrodenhalters 17 strömt das Wasser über die Rohrleitung 18 in die Kühlräume 6.und 2 der Untersatzplatte 7 und der Kokille 3· Auf diese Weise werden die Wasserverluste in Form von Dampf, der aus dem Reservebehälter in die Außenluft austritt oder dem Wärmeverbraucher zugeführt wird, wettgemacht. Überflüssiges Wasser fließt über den Stutzen 15 in die Sammelleitung ab.

Daher ist der gesamte Wasserverbrauch für den Ofen

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gleich dem Wasserverbrauch zum Kühlen des Elektrodenhalters 17 und Ö...10 mal niedriger als bei den bestehenden Vakuum-Lichtbogenöfen»

Wenn im Notfall die Wasserzuleitung zum Kühlrohr 16 des Elektrodenhalters 17 abgeschaltet wird., so wird das normale Kühlen der Kokille 5» dei" Untersatzplatte 7 'und der Kammer 10 der Elektrode 11 nicht unterbrochen.

Versuchsweiser Betrieb eines experimentellen Vakuum-Lichtbogenofens hat gezeigt j daß trotz der Speisung des Kühlsystems mit Gebrauchswasser sich kein Kesselstein an den Ofenwänden bildet.

Das Kühlen der Kokille J> durch Sieden bei ungehinderter Konvektion macht das genaue Zentrieren derselben im Mantel überflüssig.

Da das Kühlsystem über den Stutzen 14 des Behälters mit der Außenluft verbunden ist, unterscheidet sich der Druck in den Ofenkühlräumen wenig vom atmosphärischem, wodurch die mechanische Belastung der Ofenwände bedeutend vermindert wird.

Wenn der Lichtbogen beim Schmelzen von beispielsweise Titan oder seinen Legierungen die Wände der Kokille 5 oder der Untersatzplatte 7 durchschmilzt, so wird die Explosionsgefahr des Ofens bedeutend vermindert, da praktisch so lange keine Luft in aen Ofen gelangen kann, wie der Reservebehälter 1 mit 'Wasser gefüllt ist, d.h. als Wasserverschluß dient.

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Außerdem behält das Wasser, welches im Behälter 1, in den Rohrleitungen 4, 8 und 12 sowie in den Kühlräumen 2, 6 und 19 des Ofens enthalten ist, auch in den Pausen zwischen den Schmelzen eine Temperatur von ca. 10O⁰C und führt fort, im System umzulaufen, wobei es die Ofenwände erwärmt. Hierdurch werden bessere Bedingungen für die Evakuierung der Luft aus dem Ofen vor der nächstfolgenden Schmelze geschaffen.

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Claims

Β--C-. i.i:-:nehvn 22 * ^ 0^ ^ ,„■.•.aicü ksr.at'. 6 -11- 9· März 1972 L/Br PATENTANSPRÜCHE

1. Wasserkühlsystem für Yakuum-Lichtbogenofen, welcher einen Elektrodenhalter, eine Elektrodenkammer, eine Kokille und eine Untersatzplatte mit Kühlräumen für dieselben besitzt, wobei das System eine Sammelleitung zum dauernden Zuführen von Kühlwasser hat, dadurch gekennzeichnet, daß die = Sammelleitung mit dem Kühirohr (16) des Elektrodenhalters (17) verbunden ist, das mederum$lurch eine Rohrleitung (18) mit den Kühlräumen (2 und 6) der Kokille O) und der Untersatzplatte (7) in Verbindung ist, woDei das System einen Eeservebehälter (1) besitzt, dessen Bedenteil nicht niedriger als die Oberkante des Ofens liegt und der über die Rohrleitungen (4, 8, 12 und 5, 9, 13) mit den Kühlräumen (2 und 6) der Kokille O)» der Untersatzplatte (7) und der Kammer (10) der Elektrode (11) verbunden ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Reservebehälter (1) mit einem Stutzen (15) ausgerüstet ist, der zum Aufrechterhalten des Wasserniveaus im Behälter (1) auf der Höhe, in der sich der Stutzen (15) befindet, dient.

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