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Elektro schmelzofen Die Eisen- und Stahlherstellung kann mittels
Elektroöfen, Hochöfen, durch direkte Reduktion und viele andere Verf ahren erfolgen.
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Beim Ublichen Elektro schmelzen wird beispielsweise ein Einsatz aus
Erz, teilreduziertem Flußmittel in Form von Pellets und einem Reduktionsmittel,
wie Kohle, in einen Elektroniederschachtofen a, wie er in Fig. 1 mit der vergleichsweise
-geringen Höhe h dargestellt ist, eingebracht und Strom an eine Söderberg-Dauerbrand-Elektrode
c angelegt, die im wesentlichen mit der Ofenachse fluchtet und einen Lichtbogen
zwischen dem Einsatz und der Elektrodenspitze erzeugt. Dabei werden das Erz und
die das Flußmittel bildenden Pellets durch die Strahlungswärme des des Lichtbogens
und die Widerstandserwärmung im Inneren des Einsatzes reduziert und geschmolzen
und so eine Roheisenschmelze erzeugt.
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Ein derartiges Elektro-Lichtbogenschmelzen weist jedoch eine Reihe
von Nachteilen auf. Vor allem ist der Energiebedarf, der bei 1500 bis 2000 KWh pro
Tonne geschmolzenen Roheisens liegt, sehr hoch, da die Pür die Reduktion und
die
Erschmelzung des Einsatzes erforderliche Energie über wiegend in Form elektrischer
Energie bereitgestellt werden muß. Da weiterhin die Höhe h des Ofens gering ist,
ist der Wärmeaustausch zwischen dem Einsatz und den im Ofen a erzeugten Verbrennungsgasen
ungenügend und so der thermische Wirkungsgrad gering. Dies hat zur Folge, daß die
Produktionsleistung eines solchen Ofens begrenzt ist; so liegt beispielsweise die
Produktionsleistung des größten bestehenden Elektroofens mit 50 MVA in der Größenordnung
von lo bis 15 Mill. Tonnen pro Jahr, was selbst für ein kleines Hüttenwerk mit einer
Produktionsleistung von 50 bis 100 Mill. Tonnen prq Jahr unzureichend ist.
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Andererseits ergibt sich die Eindringtiefe des Wechselstromes in die
Elektrode durch die Gleichung &= 5030 (&/»Ap)1/2 (cm), wobei s der spezifische
Widerstand in A cm, , die spezifische Permeabilität und f die Frequenz in Hertz
ist.
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Somit liegt im Falle eines durch 3-Phasen-Drehstrom mit 50 Hz gespeisten
Elektroofens mit 6 = 2 x 10-3 #cm (im Falle von Graphitelektroden) und einer spezifischen
Permeabilität von su -31 die Eindringtiefe d des Wechselstromes bei 35 cm. Der wirksame
Durchmesser der Elektrode ist daher D = 2& = 70 cm; Für eine Leistung von 50
MVA muß bei einem erforderlichen Elektrodenstrom von 50 kA der Durchmesser der Elektrode
bei etwa 160 cm liegen. Folglich kann eine ausreichende Stromdurchdringunginnerhalb
eines Durchmessers von 90 cm (entsprechend 160 - 70 cm) um den Mittelpunkt der Elektrode
herum
nicht erreicht werden, so daß ein Selbstsintern des inneren Bereiches der Elektrode
nicht erfolgt.
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Als Folge hiervon brechen Teile des inneren Bereiches der Elektrode
zuweilen ab und fallen in den Ofen. Somit ist die Leistung der elektrischen Öfen
auch durch die Abmessungen der Elektroden begrenzt.
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In jüngerer Vergangenheit ist durch die verschiedenen direkten Reduktionsverfahren
erzeugtes Schwammeisen (sponge iron) als Roheisen für die Stahlerzeugung in einem
elektrischen Lichtbogenofen eingesetzt worden. Um unter Verwendung von Schwammeisen
in einem Lichtbogenofen eine Stahlschmelze unter wettbewerbsfähigen Kosten gegenüber
einer Erzeugung der Stahlschmelze in einem einem HochoPen zugeordneten LD -Konverter
zu erzeugen, muß das stark metallische Schwammeisen aus hochqualitativem Erz mit
hohem Eisengehalt und geringer Gangart erzeugt werden. Es bestehen hier jedoch noch
einige ungelöste Probleme, etwa im Zusammenhang mit der Temperatursteuerung des
Prozesses oder der Reoxidation des hochmetallischen Schwammeisens bei seiner Erzeugung
und bei der Warmbeschickung (hot charging) mit Schwammeisen bei dem Betrieb des
Lichtbogenofens.
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Beim Hochofenverfahren wird bekanntlich im wesentlichen Koks benötigt
und verbessert sich die Wirtschaftlichkeit des Hochofenbetriebes, wenn der Ofen
auf gewaltige Kapazität ausgelegt wird. Dadurch entstehen bei neuen Hochöfen immense
Anlagekosten und bestehen überdies Beschränkungen bei der Standortwahl und hinsichtlich
der Rohstoffe, wie etwa der Kohle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher in erster Linie die Schaffung
eines Elektroschmelzofens, der nicht dieselbe qualitativ hochwertige Steinkohle
wie ein Hochofen
braucht und die im Zusammenhang mit der Qualität
des Schwammeisens bestehenden Schwierigkeiten beseitigt. Dabei soll eine größere
Freizügigkeit hinsichtlich der Standortwahl, der Konstruktion, des Betriebes und
der Kapazität des Ofens erzielt werden. Schließlich soll mit der vorliegenden Erfindung
auch ein Elektro-Lichtbogenofen mit hohem thermischen Wirkungsgrad und minimdler
Umweltbelastung geschaffen werden. Dabei Soll Uberdic3 eine Stahlerzeugung ermöglicht
werden, bei der die Probleme der Minderung der Qualität des Eiseherzes, der Kohle
und anderer Rohstoffe, der Energieeinsparung und dergleichen, gelöst sind und die
in der Produktionsleistung weitestgehend Prei einstellbar ist.
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Diese Zielsetzung wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch einen
Elektroschmelzofen gelöst, in dem vertikal eine hohle Elektrode mit einer von der
Eindringtiefe des Stromes abhängigen Wanddicke angeordnet ist und in einem gewünschten
Abstand vom Boden des Ofens endet, wobei der Oberteil der hohlen Elektrode mit einer
Leitung zur Abfuhr rung der Ofenabgase und zur Beschickung des Ofens mit Rohstoffen
nach deren Vorwärmung durch die Ofenabgase in der Leitung und ihrer Vorreduktion
in der hohlen Elektrode verbunden ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines AusfUhrungsbeispiels anhand der Zeichnung,
insbesondere mit den zusätzlichen Ansprüchen verbunden.
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Es zeigen Fig. 1 schematisch vereinfacht, einen Vertikalschnitt durch
einen Elektroschmelzofen üblicher Bauart, Fig. 2 in einer Fig. 1 entsprechenden
Ansicht einen erfindungsgemäßen Schmelzofen und
Fig. 3 eine Schaltbilddarstellung
einer Regeleinrichtung für den erfindungsgemäßen Elektroschmelzofen.
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In Fig. 2 ist mit 1 ein geschlossener Ofenmantel bezeichnet, in dessen
Mittellinie eine hohle Elektrode 3 mit -einer Wasserkühlung 2 angeordnet ist. Die
Wanddicke der Elektrode 3 hängt von der Eindringtiefe t des Stromes ab, wie dies
weiter oben bereits erläutert wurde. Das obere Ende der hohlen Elektrode 3 ist bei
4 offen, so dan selbstsinterrldes Elektlodenmuteridl in dLn Raum 4' einige fUhrt
werden kann.
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In den oberen inneren hohlraum der Elektrode 3 ist eine Leitung 5
zur Ableitung der Abgase und zur Beschickung des Ofens mit Rohstoffen eingesetzt.
Das obere Ende der als Rohr ausgebildeten Leitung 5 ist mittels eines flexiblen
Schlauchstückes 6 mit einer Leitung 7 verbunden, die nicht nur zur Ableitung der
Ofenabgase, sondern auch zur Beschickung mit Rohstoffen dient. Das flexible Schlauchstück
6 dient zur Einstellung der Stellung der hohlen Elektrode 3 in Abhangigkeit vom
Verbrauch der selbstsinternden -Elektrodenmasse und zur Steuerung des durch die
Elektrode 3 fließenden Stromes. Darüber hinaus dient das flexible Schlauchstück
6 auch als Isolator zwischen der Elektrode 3 und der Leitung 7.
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Mit 1a ist der Elektroschmelzofen bezeichnet, mit 8 eine Energiequelle,mit
9 ein Abgaskanal, mit 10 das Stichloch beispielsweise für Stahlschmelze, mit 11
der Schlackenabstich und mit 12 der aus Eisenerz, Pellets, teilreduziertem Eisen,
Kohle und Dolomit bestehende Einsatz.
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Der Ofen la wird kontinuierlich im Innenraum der hohlen Elektrode
3 mittels der Kanäle 7 und 5 beschickt. Der
Einsatz 12 wird mittels
der Strahlungswärme des zwischen der Spitze der Elektrode 3, die von der Energiequelle
8 mit Energie versorgt wird, und dem Einsatz erzeugten Lichtbogens und der Widerstandserwärmung
im Inneren des Einsatzes geschmolzen. Im Innenraum der hohlen Elektrode 3 wird das
den Einsatz bildende Beschickungsmaterial bereits teilreduziert und durch die Ofenabgase,
die durch die Leitungen 5 und 7 entweichen, vorgewärmt. Das Be-.
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schickungsmaterial 12 wird dUber hinaus im Inneren der hohlen Elektrode
3 und der Leitungen 5 und 7 bereits grob entstaubt.
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Stahlschmelze oder Roheisen wird am Stichloch 10 abgelassen, während
die Schlacke durch den Schlackenabstich 11 abfließen kann. Durch die Kühleinrichtung
2 wird slitLels einer nicht naher dargestellten Kühleinrichtung Wasser gepumpt,
um die Elektrode 3 zu kühlen und eine Überhitzung der Elektrode zu verhindern.
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Beim Erschmelzen des Einsatzes 12 verbrennt Elektrodenmasse, die durch
eine Zufuhr von selbstsinterndem Elektrodenmaterial in den Raum 4' durch die Öffnung
4 hindurch ersetzt wird. Das flexible Schlauchstück 6 wird angehoben oder abgesenkt
und in seiner Länge auf geeignete Weise eingestellt, so daß der durch die Elektrode
3 fließende Strom gesteuert werden kann.
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In Fig. 3 ist ein Steuerschaltbild der Regeleinrichtung des in Fig.
2 dargestellten Elektroschmelzofens 7a veranschaulicht. Mit dem Bezugszeichen 1a
ist dabei unverändert der Elektroofen bezeichnet, mit 3 die hohle Elektrode.
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Mit 13 ist ein Dieselmotor oder eine Gas- oder DampEturbine bezeichnet,
mit 14 ein Generator, mit 15 ein Trennschalter, mit 16 ein Transformator, mit 17
ein automatischer
Spannungsregler, mit 18 eine Steuereinheit für
die gesamte Regeleinrichtung, mit 19 eine Meßeinrichtung für die Leistung, mit 20
eine Meßeinrichtung für den Leistungsfaktor, mit 21 Anschlußleitungen zur Meßwertübertragung
von Steuergrößen des Schmelzprozesses, mit 22 ein Motor zur Positionierung der hohlen
Elektrode 3, mit V ein Voltmeter und mit A ein Amperemeter.
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Der Generator 14 wird von der Turbine 13 aus angetrieben und erzeugt
den Speisestrom für die Elektrode 3, mittels dessen der Einsatz 12 in der weiter
oben im Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Weise erschmolzen oder umgeschmol zen
wird. In Abhängigkeit von den über die Meßwertleitungen 21 und von der Meßeinrichtung
20 für den Leistungsfaktor sowie der Meßeinrichtung 19 für die Leistung eingehenden
Meßwerten steuert die Steuereinrichtung 18 die Frequenz und die Spannung mittels
des automatischen Spannungsreglers 17, so daß optimale Betriebsbedingungen des Elektroschmelzofens
aufrechterhalten werden können. Die Steuereinrichtung 18 steuert auch die Beschickung
des Ofens mit Rohstoffen, die Nachfüllung von selbstsinternder Elektrodenmasse und
die Stellung der hohlen Elektrode 3. Auf diese Weise können optimale Betriebsbedingungen
im Elektroschmelzofen aufrechterhalten werden.
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Vorstehend ist die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Eisen-
und Stahlherstellung erläutert worden, wobei offensichtlich ist, daß der erfindungsgemäße
Elektroschmelzofen auch als Lichtbogenofen in kleinen Eisenhüttenwerken oder Walzwerken
und als Ofen zur Erzeugung verschiedener Legierungen oder Karbide eingesetzt werden
kann, wo bei selbstverständlich Abänderungen vom vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel
im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich sind.
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Ein erfindungsgemäßer Elektroschmelzofen weist, wie sich aus der vorstehenden
Beschreibung ergibt, eine große Anzahl wesentlicher Vorteile auf. Im Vergleich zu
üblichen Schmelzverfahren und Schmelzeinrichtungen für Metalle können Beschränkungen
hinsichtlich der Arten, Qualitäten, Festigkeiten usw. der Rohstoffe weitgehend entfallen
bzw.
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die entsprechenden Anforderungen an die Rohstoffe wesentlich vermindert
werden. Das Ausbrechen des Mittelabschnittes üblicher Kohleelektroden ist sicher
vermieden, so daß Elektroden mit großem Durchmesser und mit großem Stromdurchsatz
eingesetzt werden können.
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Der hohle Innenraum der Elektrode wird als Reaktionskammer oder Reaktionssäule
nutzbar gemacht, so daß der thermische Wirkungsgrad und dadurch die Produktivität
erheblich verbessert werden können mit dem Ergebnis einer Verminderung der laufenden
Betriebskosten, einer Energieeinsparung und einer Minimierung der Umweltverschmutzung.
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Im Vergleich zu Hochöfen kann eine Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich
der Produktionsleistung, des Betriebes usw.erzielt werden, wobei die Produktionskapazität
auf einfache Weise auf gewünschte Werte eingestellt werden kann, so daß ein erfindungsgemäßer
Elektroschmelzofen den Erfordernissen kleiner Eisenhüttenwerke oder Walzwerke optimal
angepaßt werden kann.
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Im Vergleich zu einer Stahlherstellung mit direkter Reduktion und
einem anyeschlossenen Elektrolichtbogenofen, kann erfindungsgemäß Edelstahl erzeugt
werden und dabei dennoch der Energiebedarf vermindert werden.
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Da einem erfindunysgem>ßen Elektroschrnelzofen ein eigener Generator
zugeordnet ist, kann eine optimale Steuerung der
Spannung und der
Frequenz erzielt werden und können optimale und stabile Betriebsbedingungen automatisch
durch Rückkopplung verschiedener Meßwerte in eine Steuereinheit für das gesamte
Regelsystem aufrechterhalten werden. Bei Verwendung einer Einrichtung zur Sammlung
der Ofenabgase können diese als Treibstoff für den Generator und andere Antriebseinrichtungen
eingesetzt werden. Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Elektro schmelzofen
auch bei einer Eisen und Stahlerzeugung eingesetzt werden, die gemäß zukünftiger
Entwicklungen Atomenergie benutzt.'