DE2525935C3 - Nichtabschmelzende Elektrode für einen Lichtbogenofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nichtabschmelzende Elektrode für einen Lichtbogenofen zum Schmelzen von Metallen, mit einem metallischen, hohlen Endstück, durch dessen Hohlraum eine Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet wird und das so ausgebildet ist, daß es den Lichtbogenstrom zu einem schraubenförmigen Verlauf veranlaßt derart, daß an der Elektrodenspitze ein den Lichtbogen in Rotation versetzendes Magnetfeld entsteht. Eine solche Elektrode ist aus der US-Patentschrift 33 95 240 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist die Elektrode in Form einer vom Lichtbogenstrom durchflossenen, kühlflüssigkeitsdurchströmten Rohrleitung ausgebildet, welche an ihrem unteren Ende in Form einer Spule gewunden ist, wobei der Brennfleck des Lichtbogens längs des Umfangs der untersten Windung wandert. Diese Ausbildung ist von komplizierter Konfiguration und wenig robust. Ihre Betriebszuverlässigkeit und Lebensdauer läßt deshalb zu wünschen übrig.

Aus der US-Patentschrift 33 69 067 ist eine Ausbildung bekannt, bei der das Endstück der Elektrode in Form eines an der unteren Stirnfläche geschlossenen doppelwandigen Zylinders ausgebildet ist, wobei in den so gebildeten ringkanalförmigen Hohlraum eine Spule eingelegt ist, welche allerdings nicht den Lichtbogenstrom zu einem schraubenförmigen Verlauf veranlaßt, sondern den von einer besonderen Speisequelle zugeführten Strom, und dadurch ein umlaufendes Wandern des Lichtbogenflecks längs des Umfangs der unteren Stirnfläche des Endstücks bewirkt.

Diese bekannte Ausbildung ist wegen der gekapselten Ausführung der Elek'rode mechanisch weniger empfindlich, jedoch ist auch bei ihr der konstruktive Aufbau recht kompliziert. Da die Spule von Kühlflüssigkeit umströmt ist, muß sie in einem besonderen Gehäuse aus unmagnetischem Werkstoff untergebracht sein. Als Stromquelle für die Spule findet eine Niedrigspannungsstromquelle Verwendung, damit die Gefahr eines Isolationsdurchschlags begrenzt bleibt. Ausschließen läßt sich diese Gefahr jedoch nicht, so daß immer die Möglichkeit empfindlicher Betriebsstörungen und sogar die Möglichkeit der Explosion, z. B. beim Schmelzen von Titan, besteht. Die Notwendigkeit einer besonderen Speisequelle der Spule stellt natürlich einen zusätzlichen Aufwand dar, der außerdem unter dem Gewichtspunkt des Raumbedarfs nachteilig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau eine hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist erfindungsgemäß das Endstück zwei konzentrische zylindrische Wandungen auf, von denen mindestens eine, die einen wesentlichen Anteil des Lichtbogenstroms führt, mit einer schraubenförmigen Nut von solchen Abmessungen versehen ist, daß der Lichtbogenstrom mindestens teilweise schraubenförmig verläuft.

Es kann zweckmäßig sein, wenn beide Wandungen des Endstücks an der Stromführung beteiligt und mit je einer schraubenförmigen Nut versehen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wird trotz kompakter und robuster Bauart auf sehr einfache Weise durch den Lichtbogenstrom selbst das Magnetfeld erzeugt, welches das Rotieren des Lichtbogens bewirkt. Eine besondere spule und eine besondere Speisequelle für diese ist entbehrlich.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Lichtbogenofen zum Erschmelzen eines Blocks aus stückigem Einsatzgut mit einer erfindungsgemäßen nicht abschmelzenden Elektrode,

Fig.2 eine zweite Ausbildung der erfindungsgemäßen Elektrode mit einer mehrgängigen schraubenförmigen Nut im Längsschnitt,

Fig. 3 den Querschnitt gemäß Linie III —III in Fig. 2, Fig.4 eine dritte Ausbildung der Elektrode mit in beiden Seitenwänden des Endstücks ausgebildeten schraubenförmigen Nuten im Längsschnitt.

Der Körper der nichtabschmelzenden Elektrode 1 zum Schmelzen von Metallen besteht im wesentlichen aus zwei koaxial zueinander angeordneten Stahlrohren, einem Außenrohr 2 und einem Innenrohr 3. In dem zwischen diesen gebildeten Hohlraum ist ein Kupferrohr 4 angeordnet, das Kanäle 5 und 6 zum Durchgang einer Kühlflüssigkeit bildet, die über einen Stutzen 7 zugeführt und über einen Stutzen 8 abgeleitet wird.

An der unteren Stirnfläche des Eiektrodenkörpers und des Kupferrohres 4 ist mittels Gewindeverbindungen ein Endstsück 9 befestigt, welches aus einem

50- Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem spezifischen Widerstand, z. B. Kupfer, gefertigt ist. Das Kupferrohr 4 dient als Stromzuführung des Endstückes 9 der Elektrode 1.

In einer der Wandungen 10 des Endstückes 9 ist eine zum Kanal 6 offene schraubenförmige Nut 11 ausgeführt, die Vorsprünge 12 in der Wandung 10 ausbildet.

Im Betrieb führt die Wandung 10 einen wesentlichen Anteil des Lichtbogenstroms, der dabei mindestens teilweise schraubenförmig durch die Vorsprünge 12 und nun zum Teil nach Maßgabe der kleinen Wandstärke δ auf geradem Wege zur Elektrodenspitze fließt, so daß an der Elektrodenspitze das den Lichtbogen in Rotation versetzende Magnetfeld entsteht.

b5 Die Stärke b des Vorsprungs 12 soll gleich der Breite der schraubenförmigen Nut 11 sein. Wenn die schraubenförmige Nut mehrgängig ausgebildet ist, so soll demnach die Stärke b des Vorsprungs 12 (Fig. 2)

gleich der Ganghöhe τ einer beliebigen Nut, geteilt durch die doppelte Anzahl der Gänge, d. h. der Nuten 11 (Fig. 3) und 13, sein. Algemein wird die Stärke b des Vorsprungs nach der Beziehung

2 η

gewählt; worin η die Zahl der Gänge bedeutet.

Die Tiefe h (Rg. 2) des Vorsprungs 12 mit seiner obenei wähnten Stärke und die Stärke ό der Wandung 10 des Endstückes 9 sind derart bemessen, daß der Leiterquerschnitt insgesamt für den durch die Speisequelle 14gelieferten Spitzenstrom ausreicht.

Die Gestaltung der schraubenförmigen Nut(en) richtet sich nach den fertigungstechnischen Forderungen bei den verschiedenen Schmelzverfahren. Durch die Ausbildung von zwei schraubenförmigen Nuten in einer Wand wird z. B. eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung des Magnetfeldes unweit der Stirnfläche des Endstücks 9 gewährleistet

Es ist auch eine dritte Ausbildung der Elektrode möglich, bei der in jeder der beiden Wandungen 10 und 15 (Fig. 4) je eine schraubenförmige Nut 11 bzw. 16 ausgeführt ist. Auch bei dieser Ausführung gelten für die Nuten 11 und 16 die oben erwähnten Bemessungsregeln entsprechend.

Die Elektrode 1 ist oberhalb des Schmelzraums 17 (Fig. 1) des Lichtbogenofens koaxial zu einer wassergekühlten Kokille 18 angeordnet. Unterhalb der Kokille 18 jo befindet sich eine absenkbare wassergekühlte Bodenplatte 19, die an einer Stange 20 befestigt ist. Die Elektrode 1 und die Stange 20 sind an die Speisequelle 14 angeschlossen.

In der Anfangsschmelzperiode bilden die Wände 21 r, der Kokille 18 und die Bodenplatte 19 einen wassergekühlten Schmelztiegel, in den das Einsatzgut 22 aus einem Bunker 23 aufgegeben wird. Der erschmolzene Block 24 wird mit Hilfe der Stange 20 gezogen und zusammen mit der Bodenplatte 19 abwärtsbewegt.

Beim Anfahren des Lichtbogenofens brennt der Lichtbogen 25 zwischen der Stirnfläche des Endstücks 9 und dem stückigen Beschickungsgut und anschließend zwischen dem Endstück 9 und dem Spiegel des ^ Metallbades 26. Zur Stabilisierung des Lichtbogens 25 wird über einen Stutzen 27 und den Zentralkanal 28 der Elektrode 1 ein inertes oder aktives Gas zugeführt, wobei im letzteren Falle eine Teilnahme des Gases am Schmelzprozeß im Sinne einer metallurgischen Beeinflussung desselben stattfinden kann.

Der Schmelzvorgang im Lichtbogenofen mit Hilfe der beschriebenen Elektrode verläuft wie folgt:

In die Kokille 18 wird das stückige Einsatzgut 22 gefüllt, wobei die Bodenplatte hochgefahren ist und die Kokille 18 von unten verschließt.

Nach der Beschickung des auf diese Weise gebildeten Schmelztiegels mit einer bestimmten Menge von stückigem Einsatzgut 22 wird die Elektrode 1 auf einen die Zündung eines Lichtbogens ermöglichenden Abstand abgesenkt

Dann wird die Elektrode 1 und die Bodenplatte 19 über die Stange 20 an die Speisequelle 14 angeschlossen. Mit Hilfe einer geeigneten Technik, z. B. des hochfrequenten Durchschlags, wird der elektrische Lichtbogen 25 zwischen der Stirnfläche des Endstücks 9 der Elektrode 1 und dem zu schmelzenden Gut 22 gebildet.

Der Strom des Lichtbogens 25 fließt durch die Vorsprünge 12, die durch die schraubenförmige Nut 11 in der Wandung 10 des Endstücks 9 gebildet sind, und durch die eigentliche Wand 10. Beim Durchgang durch die Vorsprünge 12 in der Wand 10 des Endstücks 9 erzeugt der Strom des Lichtbogens 25 eine Längskomponente des Magnetfeldes. Da der Lichtbogen 25 selbst ein transversales Magnetfeld erzeugt, dessen Flußdichtevektor nach einer Tangente an die Magnetfeldlinien gerichtet ist, so bewirkt die Überlagerung des durch die Nut 11 erzeugten longitudinalen Magnetfeldes ein Rotieren des Lichtbogens 25. Dabei wandert der Brennfleck des Lichtbogens an der Stelle seines Austretens bzw. Auftreffens an der Stirnfläche des Endstücks 9 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit über diese Stirnfläche. Das Vorhandensein der schraubenförmigen Nut 11 in der Wandung 10 des Endstücks 9 bietet also die Möglichkeit, zwei Komponenten des Magnetfeldes des Lichtbogenstroms zu schaffen, deren Überlagerung die Rotation des Lichtbogens 25 bewirkt. Das Erschmelzen von Metall kann bei Gleichstrom sowohl mit normal als auch mit umgekehrt gepoltem Lichtbogen erfolgen.

Bei gleicher Anzahl der Windungen der Vorsprünge 12 kann eine Änderung der Induktion des Magnetfeldes erzielt werden durch eine Änderung der Tiefe der schraubenförmigen Nut 11 bzw. durch eine Änderung der Dicke ö (Fig. 2) der Wandung 10 des Endstücks 9 an der Stelle der Ausbildung der Nut 11.

Nach Maßgabe des Schmelzfortschritts wird die Bodenplatte 19 mit Hilfe der Stange 20 abwärtsbewegt und der Block 24 ausgezogen. Dabei wird das stückige Einsatzgut 22 aus dem Bunker 23 in die Kokille 18 kontinuierlich zugegeben.

Mit Hilfe der vorliegenden Elektrode kann Metall unter Vakuum oder in Anwesenheit eines inerten oder eines aktiven Gases unter Normaldruck oder Überdruck geschmolzen werden.

Die Ausführung einer weiteren schraubenförmigen Nut 16 (Fig. 4) in der anderen Wandung 15 des Endstücks 9 bietet die Möglichkeit, Entladungen zwischen dieser Wandung und dem Einsatzgut 22 zu beseitigen. Wenn es zu einer solchen Entladung kommt, so wirkt diese mit dem durch die die Nut 16 bildenden Vorsprünge der Wand 15 erzeugten Magnetfeld zusammen, wodurch ihre Länge bis zum Abreißen und Erlöschen vergrößert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Nichtabschmelzende Elektrode für einen Lichtbogenofen zum Schmelzen von Metallen, mit einem metallischen, hohlen Endstück, durch dessen Hohlraum eine Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet wird und das so ausgebildet ist, daß es den Lichtbogenstrom zu einem schraubenförmigen Verlauf veranlaßt derart, daß an der Elektrodenspitze ein den Lichtbogen in Rotation versetzendes Magnetfeld entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (9) zwei konzentrische zylindrische Wandungen (10,15) aufweist, von denen mindestens eine, die einen wesentlichen Anteil des Lichtbogenstroms führt, mit einer schraubenförmigen Nut (11) von solchen Abmessungen versehen ist, daß der Lichtbogenstrom mindestens teilweise schraubenförmig verläuft

2. Nichtabschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wandungen (10, 15) an der Stromführung beteiligt und mit je einer schraubenförmigen Nut (11,16) versehen sind.