DE2718293C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gleichstromgespeisten Lichtbo­ genofen mit mindestens einer Schmelzkontaktelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Lichtbogenofen ist bekannt aus der DE-OS 25 40 009.

Aus der DE-OS 25 25 720 ist es bekannt, durch Kühlung des in der Schmelzkontaktelektrode enthaltenen Rohlings mittels Wasser oder eventuell Luft über die den Rohling umgebende Futtermasse und deren Hülle zu verhindern, daß der gesamte Rohling unter dem Einfluß der Wärme von der Ofenschmelze schmilzt, so daß man einen festen Teil des Rohlings erhält, der am elektrischen äußeren Anschluß liegt, einen geschmol­ zenen Teil am ofeninneren Ende und eine mehr oder weniger lange Übergangszone zwischen dem festen und dem geschmolze­ nen Rohlingsteil. Die Kühlung verhindert, daß die Grenze zwischen festem und geschmolzenem Rohling allzu nahe an das Außenende des Rohlings wandert; darüber hinaus hat die Küh­ lung auch andere übliche Schutzfunktionen. Bei bekannten Ausführungen ist der Rohling der Schmelzkontaktelektrode bo­ genförmig mit einem teilweise horizontal verlaufenden Abschnitt ausgebildet.

In einem gleichstromgespeisten Lichtbogenofen der genannten Art besteht die Kathode gewöhnlich aus einer oder mehreren normalen Graphitelektroden, während eine oder mehrere Schmelzkontaktelek­ troden der oben genannten Art die Anode bilden. Eine solche Schmelz­ kontaktelektrode (Badelektrode) besteht somit aus einem durch die Futtermasse verlaufenden metallgefüllten Kanal, der von einer Schicht aus keramischem Material umgeben ist.Die Schmelzkontakt­ elektrode wird durch eine wassergekühlte Platte aus beispielsweise Kupfer abgeschlossen, welche ebenfalls über das keramische Material gekühlt werden kann. Die Schmelzkontaktelektrode wird entweder am Ofentiegel oder in einer mit dem Ofentiegel in Verbindung stehen­ den Tasche an der Gießschnauze angeordnet.

Bei diesen Schmelzkontaktelektroden besteht das Problem, daß beim Betrieb des Ofens auch der obere Teil des Rohlings (des Metallka­ nals) in der Schmelzkontaktelektrode schmilzt. In diesem flüssigen Teil bilden sich zwei einander zum Teil überlagernde Strömungen aus. Durch die Stromkräfte wird der elektrodynamische Druck im Zentrum des mit Schmelze (geschmolzener Rohling) gefüllten Metallkanals größer als am Umfang (bedingt durch den Pinch-Effekt). Dieser Druck verursacht eine Strömung von geschmolzenem Eisen, die von der Mitte der Mündung der Badelektrode zum Ofenbad und von dort zurück zum Kanal der Schmelz­ elektrode an dessen Umfang verläuft (siehe die Pfeile in der Anordnung gemäß Fig. 3).

Bei der Erzzufuhr (dem Frischkochen) wird über das Schmelzbad Sauerstoff zugeführt,wodurch sich Kohlenoxydgas bildet und ein kräftiges Kochen entsteht. Infolge der durch die Stromkräfte verur­ sachten, eben genannten Mündungsströmung werden Sauerstoff und Koh­ lenstoff, die in dem geschmolzenen Eisen gelöst sind, in die Badelek­ trode hineingetragen. Wenn das Eisen am Boden und an den Wänden der Badelektrode abgekühlt wird, sinkt die Löslichkeit für Sauerstoff und Kohlenstoff, so daß sich Kohlenoxydblasen bilden. Diese Blasen werden bei einer vertikal angeordneten Badelektrode, wenn der Druck längs der Mittelachse der Badelektrode größer ist als am Umfang, zum Umfang hin herausgedrückt, wodurch eine Strömung von warmem, sauerstoffreichem Eisen längs der Mittelachse herunter zur Kupferplatte hin auftritt und kaltes, sauerstoffarmes Eisen und Kohlenoxydblasen längs des Um­ fanges nach oben steigen. Diese Metallströmungen verursachen ein er­ höhtes Einschmelzen der Schmelzkontaktelektrode, bedingt einerseits dadurch, daß die Wärmeübergangszahl zwischen flüssigem und festem Eisen stark strömungsabhängig ist, und andererseits dadurch, daß mehr Wärme vom Schmelzbad zu der Schmelzkontaktelektrode transportiert wird. Als besonders gefährlich erweist sich hierbei die oben genannte Gasströ­ mung, welche bei einer vertikal angeordneten Badelektrode an Heftig­ keit die Pinch-Effektströmung übersteigt und tiefer in die Badelek­ trode hineinreicht. Die Pinch-Effektströmung bleibt im wesentlichen auf das Mündungsgebiet der Elektrode beschränkt. Infolge der genannten Gasströmung steigt somit die Strömungsgeschwindigkeit am Übergang zwischen flüssigem und festem Eisen, die entsprechende Wärmeüber­ gangszahl wird größer und das Einschmelzen des Rohlings nimmt stark zu.

Bei dem aus der DE-OS 25 40 009 bekannten gleichstromgespei­ sten Lichtbogenofen ist die in Futtermasse eingebettete Schmelzkontaktelektrode geradlinige ausgebildet. Die Längsachse der Schmelzkontaktelektrode bildet einen Winkel mit der Vertikalen, der nicht sehr groß ist und deutlich un­ ter 50 Grad liegt. Durch diesen Ofen soll im Vergleich zu einem zur Schmelzenbehandlung dienenden Konverter, dem sie Wärme mit Hilfe eines Rinnenofeninduktors zugeführt wird, die Möglichkeit geschaffen werden, der Schmelze eine wesent­ lich größere Energiemenge zuzuführen. Die oben beschriebenen Probleme, die sich durch Gasströme im Bereich der Schmelz­ kontaktelektrode ergeben, werden in dieser Druckschrift nicht behandelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichstrom­ gespeisten Lichtbogenofen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß das durch die oben beschriebene Strömung auftretende starke Einschmelzen des Rohlings der Schmelzkontaktelektrode weitgehend verhindert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gleichstromgespeister Lichtbogenofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorge­ schlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Dadurch, daß der Rohling der Schmelzkontaktelektrode einen flach-rechteckigen Querschnitt hat, dessen lange Seite horizontal verläuft, wird die oben beschriebene unerwünschte Materialströmung erschwert.

Durch eine möglichst große Schrägstellung der Schmelzkon­ taktelektrode gegenüber der Vertikalen wird erreicht, daß sich die Kohlenoxydblasen an der oberen Grenzfläche des Rohlings ansammeln, von wo aus sie relativ langsam zur Mün­ dung hochsteigen. Die kräftige Gasströmung, die bei einer vertikal angeordneten Schmelzkontaktelektrode auftritt, wird somit vermieden.

Durch die vorgenannten Maßnahmen wird die maximale Ein­ schmelzung des Rohlings folglich bedeutend geringer, so daß größere Stromdichten zugelassen werden können und die Bad­ elektrode bei gleichzeitiger Vergrößerung des Sicherheitsab­ standes gegenüber einem Durchbrennen kürzer ausgebildet wer­ den kann.

Ein anderes Problem bei derartigen Schmelzkontaktelektroden besteht darin, daß die Materialströmung auftritt, weil die Stromsdichte sich ändert. Dies ist an der Mündung der Bad­ elektrode unvermeidbar, jedoch nimmt der Einfluß dieser Strömung sukzessiv zum Boden der Elektrode hin ab. Dieses Problem wird durch eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung gelöst. Nach dieser Ausführungsform ist die Badelek­ trode so ausgebildet, daß der Querschnitt des Rohlings von der Mündung bis zur Kupferanschlußplatte unverändert ist. Hierdurch wird verhindert, daß eine weitere Strömung ausge­ löst wird. Dies bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Eisens am Boden der Badelektrode niedrig ist, vorausge­ setzt, daß die Badelektrode lang genug ausgebildet werden kann.

Dadurch, daß man eine maximale Stromdichte wählt und den Querschnitt des leitenden Kanals unver­ ändert beibehält, können keine weiteren Strömungen auftreten. Man kann so erreichen, daß die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolze­ nen Eisens am Übergang zwischen dem flüssigen und festen Eisen so klein wird, daß die entsprechende Wärmeübergangszahl ihren Mindest­ wert beibehält. (Ca. 9000 W/m² · °C). Dies ergibt bei angemessener Länge der Badelektrode eine maximale Sicherheit gegenüber Durch­ brennen.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nähe erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Gleichstromlichtbogenofen gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Gleichstromlichtbogenofen gemäß Fig. 1 längs der Linie A-A,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3a einen Querschnitt durch den festen Teil des Rohlings in der Schmelzkontaktelektrode gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Lichtbogenofen mit als Kathode geschalteten Graphitelektroden 1, die in einem Ofenraum 1 angeordnet sind. Der kippbare Ofen hat eine Gießschnauze 3, an welcher eine Elektro­ dentasche 4 für die Schmelzkontaktelektrode (Badelektrode) 5, 6 angeordnet ist. Die genauere Ausführung der Schmelzkontaktelek­ trode zeigt Fig. 2, wo auch der Raum der Elektrodentasche 4 er­ kennbar ist. Die genauere Ausführung der Schmelzkontaktelektrode geht aus Fig. 2 hervor, wo auch der Raum 4 gezeigt wird.

Der Rohling besteht aus einem Betrieb teilweise geschmolzenen Metallteil 5 und einem nicht geschmolzenen Metallteil 6. Der Roh­ ling 5, 6 ist in der Futtermasse 7 eingebettet, die ihrerseits in eine Metallhülle 8 eingeschlossen ist, welche mittels üblicher wasserdurchströmter Kühlorgane 9 gekühlt wird. Die Futtermasse wird in dem gezeigten Fall nach außen hin zu einer zum elektrischen An­ schluß dienenden Kupferplatte 10 schmaler, und die Kupferplatte 10 wird zweckmäßigerweise ebenfalls durch Kühlorgane 11 gekühlt.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Schmelzkontaktelektrode am Ofentiegel oder in einer besonderen, mit dem Ofentiegel verbundenen Tasche angeschlossen ist. Der Rohling be­ steht hierbei aus einem Betrieb des Ofens flüssigen Teil 12 und einem festen Teil 13. Durch Kühlorgane 14 wird verhindert, daß die Grenze 15 zwischen festem und flüssigem Teil zu nahe an die Kühlplatte 16 rückt, was die Gefahr eines Durchbrennens mit sich bringen würde. Die Futtermasse besteht aus dem üblichen kerami­ schen Material, und aus den oben genannten Gründen entstehen in Richtung der Pfeile 17 in Fig. 3a verlaufende Strömungen (Pinch- Effekt). Der Neigungswinkel zur Vertikalen soll, wie genannt, 30 bis 80° betragen, wodurch die genannten Vorteile erzielt wer­ den.

Der Querschnitt des Rohlings 12, 13 soll vom ofenseitigen Ende bis zu Anschlußplatte 16 möglichst konstant sein. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit am Boden der Badelektrode, also an der Grenze zwischen flüssigem und festem Teil, gering, vorausge­ setzt, daß die Elektrode lang genug ist.

Der Querschnitt des Rohlings der Badelektrode ist flach rechteckig (siehe Fig. 3a). Der Querschnitt des Rohlings in einer Ebene, in der die Längsachse des Rohlings liegt und die in einer Richtung horizontal verläuft, also senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2 oder 3, soll rechteckför­ mig sein.

Die flach rechteckige Ausbildung des Querschnitts der Badelektrode erfolgt aus den oben erläuterten Gründen, also um die Materialströ­ mung zu erschweren. Man wählt eine maximale Stromdichte und hält den Querschnitt des leitenden Kanals unverändert so, daß keine weiteren Strömungen entstehen, wodurch man erreicht, daß die Strömungsge­ schwindigkeit des geschmolzenen Eisens am Übergang zwischen flüssigem und festem Eisen so klein wird, daß die entsprechende Wärmeübergangszahl auf ihrem Mindestwert verbleibt (siehe oben). Der elektrodynamische Mitteldruck beträgt:

Dies gilt für einen Abschnitt, bei dem gemäß Fig. 3a die Höhe des Rohlings a und seine Breite b ist. Es kommt also darauf an, das Maß b möglichst groß zu machen, damit man bei gegebenem Strom eine möglichst kleine Strömung erhält.

Die Erfindung kann im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungs­ gedankens in vielfacher Weise variiert werden.

Claims (4)

1. Gleichstromgespeister Lichtbogenofen mit mindestens einer Schmelzkontaktelektrode, die einen Rohling (5, 6; 12, 13) aus Eisen oder Stahl enthält, der in Futtermasse eingebettet ist, mit dem Ofenraum in Verbindung steht, sich im wesent­ lichen gerade in Längsrichtung erstreckt und vom äußeren zum inneren Ende des Ofens nach oben geneigt verläuft, da­ durch gekennzeichnet, daß der Neigungs­ winkel, den die Längsachse des Rohlings mit der Vertikalen bildet, 30 bis 80°C beträgt, daß der Rohling einen flach­ rechteckigen Querschnitt aufweist und daß die Längsseite des Querschnitts des Rohlings horizontal liegt.

2. Gleichstromgespeister Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Futtermasse (7), in die der/die Rohling(e) eingebettet ist/sind, vom ofenseitigen Ende (2) zum elektrischen An­ schluß (16) hin abnimmt.

3. Gleichstromgespeister Lichtbogenofen nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Roh­ ling(e) (5, 6; 12, 13) über seine/ihre gesamte Länge vom ofen­ seitigen Ende bis zur Anschlußplatte (10, 16) einen kon­ stanten Querschnitt hat/haben.

4. Gleichstromgespeister Lichtbogenofen nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fut­ termasse, in die der Rohling eingebettet ist, seitlich von Kühlorganen (14) umgeben ist, die direkt auf die Futtermasse oder auf eine die Futtermasse umgebende Hülle wirken.