DE2758654A1

DE2758654A1 - Verfahren und vorrichtung zum beheizen einer in einer pfanne befindlichen metallschmelze

Info

Publication number: DE2758654A1
Application number: DE19772758654
Authority: DE
Inventors: Isamu Eguchi; Susumu Hiratake
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1978-07-13
Also published as: JPS5841939B2; JPS5383932A; US4152532A; DE2758654C2

Description

BLUMBACH · WESEP · BERGEN· KRAMER ZWfRNER. HIRSCH-BREHM

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aza-Kurldashi, Hoshisaki-cho, Minaai>ku_f Hagoya-shi, Alchi-ken, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Beheizen einer in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze

Beschreibung:

Biese Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Beheizen einer Metallschmelze, die aus «inem Ofen herausgenommen worden ist und sich zeitweise in einer Pfanne befindet, bevor die Schmelze in eine Gießform gegossen wird; weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beheizen der Metallschmelze mit der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.

: R. Kranwr Oipt.-Ing. · W. W*«w Dipl.-Pfiy·. Dr. rar. rat · P. Hindi MpMn» · KP. Bratan Dlpl.-Ch»m. Or. phil. net. WlMbadan: P.O.KurabadiOipL-tng.. P.e*r0»nD!pf.-b>g.Dr.)gr.. O. ZwInMr OlpL-Mg. DOI.-W.-Ia»

Sofern eine Metallschmelze aus einem Konvertor herausgenommen worden ist und zeitweilig in einer Pfanne aufgehoben wird, um anschließend beispielsweise in einer kontinuierlich arbeitenden Gießvorrichtung vergossen zu werden, besteht die Gefahr, daß die Temperatur der Metallschmelze absinkt, wenn die Schmelze über eine längere Zeitspanne in der Pfanne aufbewahrt wird. In den meisten Fällen wirkt sich ein solcher Temperaturabfall nachteilig auf die Gießbedingungen aus, unabhängig vom Betrag des Temperaturabfalls. In der Fachwelt besteht deshalb ein Bedarf, einem solchen Temperaturabfall entgegenzuwirken.

Zu diesem Zweck ist im Rahmen dieser Erfindung versucht worden, die Metallschmelze mit der Flamme eines Ölbrenners zu beheizen, die auf den Flüssigkeitsspiegel der Schmelze geblasen wird. In der praktischen Durchführung dieser Maßnahme hat sich jedoch gezeigt, daß der größte Teil des Flammenvolumens sich nach oben weg bewegt, ohne die Oberfläche der Metallschmelze zu berühren, wodurch die Heiawirkung auf die Oberfläche der Schmelze sehr gering ist. Bei diesen Untersuchungen kann die Flamme durch einen Plasmabrenner ersetzt werden. Auch unter diesen Bedingungen bleibt die Heizleistung des Plasmabrenners recht gering, solange nicht dafür gesorgt wird, daß die vom Plasmabrenner abgegebene Wärme von einer besonderen, den Brenner umgebenden Konstruktion an der Ausbreitung gehindert wird.

Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Heizeinrichtung bereitzustellen, mittels der eine in einer üblichen

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Pfanne befindliche Metallschmelze sehr einfach beheizt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Heizeinrichtung bereitzustellen, mittels der eine in einer großen Pfanne befindliche Metallschmelze bequem durch eine Anzahl solcher Heiζeinrichtungen beheizt werden kann, die in die Pfanne eintauchbar sind, und nahe aneinander angeordnet werden können, ohne einander zu behindern.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Heizeinrichtung bereitzustellen, mittels der ein elektrischer Lichtbogen in einem Raum erzeugt wird, der von einer hohlen Zuführelektrode umgeben ist, und wobei die Oberfläche der Metallschmelze die vom Lichtbogen abgegebene Wärme mit hoher thermischer Wirksamkeit (d.h. bei vermindertem Wärmeverlust) zu der restlichen Metallschmelze abzuleiten vermag.

Koch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wirksames Heizverfahren anzugeben, gemäß dem die Oberfläche einer Metallschmelze innerhalb einer hohlen, teilweise In die Metallschmelze eingetauchten Zuführelektrode von Gas, das in das Innere der Elektrode eingeführt wird, unter den außerhalb der Elektrode bestehenden Flüssigkeitsspiegel abgesenkt wird, so daß der verlängerte Lichtbogen seine Wärme mit hoher Wirksamkeit über die vergrößerte Innenseite der Zuführelektrode an die gesamte Metallschmelze abgeben kann.

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In ihrer allgemeinsten Form ist die exfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8 wiedergegeben. Weitere Besonderheiten und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen auch 4 Blatt Abbildungen mit den Fig. 1 bis 7; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine Pfanne und eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung;

Fig. 2 in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 1 eine und 3 alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;

Fig. 4 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine andere Ausführungsform der Zuführelektrode;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 4 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 6 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine größere Pfanne mit mehreren Heizeinrichtungen; und

Fig. 7 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine Heizeinrichtung mit einer Graphitelektrode.

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Nachfolgend soll die mit Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden· Hierzu ist eine Pfanne 10 mit einer Innenauskleidung 10a aus hitzebeständigem Material vorgesehen. Wie das in der Fachwelt gut bekannt ist, kann in einer solchen Pfanne 10 eine Metallschmelze 11 aufbewahrt werden, die aus einem Konvertor oder einem sonstigen Ofen stammt. Die in der Pfanne 10 befindliche Metallschmelze 11 kann aus einer Auslaßöffnung 12 in der Pfanne 10 austreten und einer kontinuierlich betriebenen Gießvorrichtung Eugeführt werden.

Zu der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 13 gehört eine Halterung 14* die mittels üblicher Maßnahmen vertikal und transversal verschieblich ausgebildet ist. Der untere Abschnitt 15 der Halterung 14 kann mittels Wasser gekühlt werden, wozu ein Kühlwasserkanal 16 vorgesehen ist; dieser untere Abschnitt 15 ist als ein Rahmen der Halterung ausgebildet. Mittels einem durch Asbest isolierten Flansch 18 ist an dem unteren, wassergekühlten Abschnitt 15 der Halterung ein Plasmabrenner 17 angebracht, der als Lichtbogen erzeugende Elektrode verwendet wird. Dieser Plasmabrenner 17 ist als Obertragungsbrenner ausgebildet, so daß eine hohe thermische Wirksamkeit gewährleistet ist. Ein Kabel 19 für die Zuführung negativer Ladung verbindet den Plasmabrenner 17 mit dem negativen Pol einer (nicht dargestellten) Stromquelle. An den Plasmabrenner 17 ist eine Gaszuführleitung 20 angeschlossen, über welche der Plasmabrenner 17 mit Argon versorgt wird. Weiterhin ist an dem unteren, wassergekühlten Abschnitt 15 der Halterung eine Zuführelektrode 21 angebracht; diese Zuführelektrode

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21 ist als hohler, kreisförmiger Zylinder ausgebildet und besteht aus einem Material, das für den elektrischen Kontakt mit der Metallschmelze 11 geeignet ist; vorzugsweise ist für diesen Zweck wegen seiner überlegenen elektrischen Leitfähigkeit und seiner hohen thermischen Leitfähigkeit Graphit vorgesehen. Die Elektrode 2 1 kann auch von der kreisförmigen ZyLLnderform abweichen und eine beüebige Zyllnderform aufweisen. An dem unteren, wassergekühLten Abschnitt 15 der Halterung Ist ein Anschluß 22 vorgesehen, der über ein Kabel 23 mit dem positiven Pol einer (nicht dargestellten) Stromquelle verbunden L:;t; über den Anschluß 22 und das KabeL 2 5 ist die ZufUhrelektrode 21 mit dem positiven Pol der stromquelle verbunden. In das hohle Innere der ZuführeLektrode 2 1 reicht ein Ende einer Gasleitung 24 hinein, um aus dem Innenraiim der Zuführelektrode 21 Gas nach außen zuführen. An dieser Gasleitung 24 ist weiterhin ein DruckregulLerventil 25 und eine Druckanzeige 26 vorgesehen. Zwischen dem unteren, wassergekühlten Abschnitt 15 der Halterung 14 und dem Plasmabrenner 17, sowie zwischen dem Plasmabrenner 17 und der Zuführelektrode 21 ist hitzebeständiges Material 27 vorgesehen.

Nachfolgend soll der Betrieb der oben geschilderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung erläutert werden. Zuerst wird die Zuführelektrode 21 der Heizeinrichtung 13 in die Metallschmelze 11 eingetaucht. Hierbei wird die Eintauchtiefe der Elektrode 21 mit der Maßgabe festgelegt, daß das untere Ende 17a des Plasmabrenners 17 ungefähr 55 mm oberhalb der Oberfläche

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11a der Metallschmelze innerhalb der Elektrode 21 endet. Anschließend wird eine Verbindung zwischen dem hohlen Innenraum der Zuführelektrode 21 und der umgebenden Atmosphäre hergestellt. Baraufhin wird die Spannung der Stromquelle einerseits an den Plasmabrenner 17 und über die Zuführelektrode 21 an die gegenüberliegende Oberfläche 11a der Metallschmelze 11 angelegt. Daraufhin wird mittels bekannter Maßnahmen, etwa durch Anlegung einer hochfrequenten Spannung, ein Plasma erzeugt. Hierzu wird das über die Gaszuführungsleitung 20 herangeführte Argon im Plasmabrenner 17.in ein heißes, ionisiertes Gas verwandelt. Dieses ionisierte Gas tritt aus dem Plasmabrenner 17 aus und steigert den Druck innerhalb der Zuftihrelektrode 21 auf einen Wert von etwa 2 bis 3 Atmosphären; weiterhin wird dadurch die Oberfläche bzw. der Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 21 abgesenkt. Der Ausstoß des Plasmabrenners 17 wird dahingehend geregelt, daß das Plasma über eine lange Distanz (über eine länge von etwa 600 bis 800 mm oder mehr) erhalten bleibt. Dadurch wird der Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 21 auf dem mit 11b bezeichneten abgesenkten Niveau gehalten und die vom Plasma-Lichtbogen des Plasmabrenners 17 abgegebene Wärme wird direkt oder über die Seitenwand der Zuführelektrode 21 der Metallschmelze in der Pfanne 10 zugeführt. Hierbei wird der Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der hohlen Zuführelektrode 21 durch entsprechende Regelung des Druckregelventils 25 auf einem solchen Wert gehalten, so daß ein Teil des Gases innerhalb der Zuführelektrode an die Atmosphäre abgegeben wird. Hierbei ist es möglich,

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den Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 21 auf verschiedenen Niveaus zu halten, etwa auf dem unteren Niveau 11b oder auf dem höheren Niveau 11c, •o daß eine Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse gegeben ist. In dem Ausmaß, in dem die Metallschmelze durch den Auslaß 12 austritt und damit die Gesamtmenge an geschmolzenem Metall abnimmt, kann die gesamte Heizeinrichtung 13 abgesenkt werden, indem die Halterung 14 entsprechend nach unten verschoben wird.

Mit den Fig. 2 und 3 ist eine Modifizierung der mit Fig. 1 dargestellten Zuführelektrode wiedergegeben. Auch in diesem Falle besteht die Zuführelektrode 28 aus Graphit, weist jedoch zusätzlich in ihrer Seitenwand viele durchgehende Öffnungen 29 auf, durch welche Gas hindurchzutreten vermag.

Bei dieser Ausführungsform wird das im hohlen Inneren der Zuführelektrode 28 befindliche Gas durch die öffnungen 29 in die umgebende Metallschmelze 11 ausgestoßen, so daß Gasblasen auftreten, während gleichzeitig die Beheizung durch den aus dem Plasmabrenner 17 austretenden Plasma-Lichtbogen durchgeführt wird. Diese Blasenbildung mit gasförmigem Argon ist vom Gazal-Verfahren her bekannt. In dieser Phase der Beheizung kann das Niveau 11d des Flüssigkeitsspiegels der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 28 im Verlauf des Betriebs willkürlich angehoben oder abgesenkt werden; hierbei kann das Niveau 11d bis zur unteren Öffnung der Zuführelektrode 28 abgesenkt werden,

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ao daß das Gas durch diese untere öffnung austreten kann. Sofern die Beheizung der Metallschmelze von dieser Blasenbildung begleitet ist, kann eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden, da die Metallschmelze durch die aus den öffnungen austretenden Gasbläschen bewegt bzw. gerührt wird. Sofern der Druck innerhalb der Zuführelektrode 28 wegen einer fehlerhaften Druckeinstellung ansteigt, wird dadurch lediglich die Blasenbildung heftiger, ohne daß eine Gefändung der Heizeinrichtung auftritt.

Nachfolgend soll mit Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 eine weitere Ausbildung der Zuführelektrode der oben erläuterten Heizeinrichtung erläutert werden. Bei dieser Ausführungsform besteht die ZufUhrelektrode 30 aus einem Kern 31 aus Graphit oder einem vergleichbaren Material; dieser Kern 31 ist an seiner Innenseite und an seiner Außenseite mit einer hitzebeständigen Verkleidung 32 au· keramischem Material versehen. Am Kern 31 sind verschiedene Voriprünge 33 ausgebildet, welche in entsprechende Vertiefungen der Verkleidung 32 eingreifen, womit eine Loslösung der Auskleidung 32 vom Kern 31 verhindert wird. Weiterhin sind öffnungen 34 vorgesehen, durch welche Gas hindurchperlen kann, wie das auch bei der oben erläuterten Ausführungsform vorgesehen ist. Die mit dieser Ausführungsform dargestellte Zuführelektrode 30 wird dort angewandt, wo eine Aufkohlung der Metallschmelze durch Graphit verhindert werden muß. In diesem Falle erfolgt der. elektrisch« StroHÜbergang von der ZufUhrelektrode 30 zu der Metallschmelze 11 lediglich an des kleinen Abschnitt 31a des Kerns

31, der am unteren Ende der Zuführelektrode 30 unbedeckt ist.

Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die Pig. 6 eine weitere Anwendung der Erfindung beschrieben, wobei sich die Metallschmelze 11 in einer größeren Pfanne 35 befindet, welche von mehreren erfindungsgemäßen Heizeinrichtungen 13 beheizt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Heizeinrichtungen 13 und 13 vorgesehen, die in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind, so daß jede Zuführelektrode 28 unterschiedlich tief in die Metallschmelze 11 eintauchen kann. Dadurch kann eine gleichmäßige Einstellung der Temperatur der Metallschmelze erreicht werden. Wie dargestellt, kann die Eintauchtiefe jeder Zuführelektrode 28 unabhängig voneinander eingestellt werden. Di« Anzahl der auf diese Weise eingesetzten Heizeinrichtungen 13 kann beliebig groß gewählt werden, wie das das Volumen der Pfanne 35 auläßt und erfordert. Die von den verschiedenen Heizeinrichtungen 13 jeweils erzeugten Plasma-Lichtbogen sind mittels der hohlen, zylindrischen Zuführelektroden 28 von einander abgeschirmt, so daß nicht einmal die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Plasma-Lichtbogen die Lichtbogen unbeständig macht. Bei der in Fig. 6 auf der rechten Seite dargestellten Heizeinrichtung 13 ist eine Sauerstoff-Zuführleitung 36 vorgesehen. Dadurch kann über die Zuführleitung 36 Sauerstoff in da· Innere der Zuführelektrοde 28 eingeführt werden, wo sich die Argon-Gasblasen mit den Saueretoff-Gasblasen vereinigen. Dadurch kann im wesentlichen eine A 0 D - Wirkung hervorge-

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rufen werden» d.h., es ist mit einer Entkohlung durch Argon und Sauerstoff zu rechnen.

Obwohl eine solche Entkohlung auch alleine mit Sauerstoff durchgeführt werden kann, wird durch das Vermischen mit dem heißen Argon eine stärkere Blasenbildung gewährleistet,wodurch die Entkohlung noch wirksamer wird.

Weiterhin wird bei dieser Ausführungsform der Heizeinrichtung das inerte Argon als Wärmeübertragungsmedium verwendet, um chemische Auswirkungen auf das Schmelzbad 11 zu verhindern. Andererseits ist es auch möglich, das Schmelzbad (etwa geschmolzenen Stahl) mittels Stickstoff zu behandeln und dadurch eine Nitrierung durchzuführen, sofern als Wärmeübertragungsmedium Stickstoff verwendet wird.

Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf Fig. 7 eine andere Ausführungsform der den Lichtbogen erzeugenden Graphitelektrode erläutert. Wie mit Fig. 7 dargestellt, ist eine wassergekühlte Stabelektrode 37 vorgesehen, ^d*^e mittels Kühlwasser gekühlt wird, das in Pfeilrichtung strömt. Die Stabelektrode 37 wird von Walzen 38 gehalten, so daß die Elektrode 37 in vertikaler Richtung gegenüber dem Flansch 18 und dem unteren, wassergekühlten Abschnitt 15 der Halterung 14 verschoben werden kann. Das untere Ende der Stabelektrode 37 ist über einen Nippel 39 mit einer Graphitelektrode 40 verbunden. Die Stabelektrode 37 ist über einen Anschluß 41 und ein Kabel 42 mit einer Stromquelle 43 verbunden. Dem hohlen

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Inneren der zylindrischen Zuführelektrode 21 wird über eine Gaszuführleitung 44 Argon oder ein anderes beliebiges Gas zugeführt.

Bei dieser Ausführungsform wird die Spannung der Stromquelle an einerseits die Graphitelektrode 40 und andererseits die gegenüberliegende Oberfläche der Metallschmelze 11 angelegt; weiterhin wird zwischen dieser Elektrode 40 und der Metallschmelze 11 in gleicher Weise wie bei den obigen Ausführungsformen ein Lichtbogen erzeugt, um die Metallschmelze 11 zu beheizen. Nachdem mit der Beheizung der Metallschmelze 11 begonnen worden ist, kann der Abstand D zwischen der Graphitelektrode 40 und dem gegenüberliegenden Plüssigkeitsspiegel der Metallschmelze 11 durch entsprechende Einstellung des Druckregelventils 25 verändert werden, um das Niveau dieses Flüssigkeitsspiegels zu verschieben; andererseits kann eine solche Niveauverschiebung auch dadurch erreicht werden, daß die Graphitelektrode 40 mittels der Walzen 38 in vertikaler Richtung verschoben wird.

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DAIDOTOKÜSHUKO KABUSHIKIKAISHA 10.04-1

aza-Kuridashi, Hoshiaaki-cho, Minami-ku, Nagoya-shi, Aichi-ken, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Beheizen einer in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze

Patentansprüche:,

1· Heiseinrichtung,

gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile und/oder Merkmale:

an einem Rahmen ist eine Elektrode befestigt, die einen elektrischen Lichtbogen zwischen der Elektrode und einer, in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze erzeugt; weiterhin ist an dem Rahmen eine hohle, zylindrische Zuführelektrode mit der Maßgabe angebracht, daß die Elektrode den

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ORIGINAL JNSPECTED

elektrischen Lichtbogen umschließt, und das offene untere Ende der Elektrode in die Metallschmelze eingetaucht ist.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

an dem Rahmen eine Gasleitung (24) angebracht ist, um Gas aus dem Inneren der Zuführelektrode nach Außen abzuführen.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

an dem Rahmen ein Druckregler (25) angebracht ist, um die durch die Gasleitung (24) hindurchtretende Gasmenge zu regulieren, so daß in dem Inneren der Zufuhrelektrode ein bestimmter Druck einstellbar ist.
4. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß

in der Wand der Zuführelektrode durchgehende öffnungen ausgebildet sind, durch welche Gas hindurchzutreten vermag.
5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Zuführelektrode aus einem zylindrischen Kern aus Graphit besteht, und

der Kern an seiner Innenseite und seiner Außenseite mit einer hitzebeständigen Auskleidung versehen ist.

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6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet» daß

die den Lichtbogen erzeugende Elektrode als Plasmabrenner ausgebildet ist.
7. Heizeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

dem Plasmabrenner über die Gaszuführung (20) ein inertes Gas zuführbar ist.
8. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die den Lichtbogen erzeugende Elektrode aus Graphit besteht.
9. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

in das Innere der Zufuhrelektrode über eine Leitung (36, 44) Gas einbringbar ist.
10. Verfahren zum Beheizen einer in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze mittels einer Heizeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9»

dadurch gekennzeichnet, daß

die Zuführelektrode in die Metallschmelze eingetaucht wird; ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Lichtbogen erzeugenden Elektrode und der Metallschmelze erzeugt wird; über die Gaszuführung Gas in das Innere der hohlen, zylindrischen Zuführelektrode eingebracht wird, um den Flüssig-

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keitsspiegel innerhalb der hohlen Elektrode unterhalb den außerhalb der Elektrode bestehenden Flüssigkeitsspiegel abzusenken; und die Wärme des elektrischen Lichtbogens dem Schmelzbad direkt oder über die Seitenwand der hohlen, sylindrischen Zuführelektrode zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,

wobei in der Seitenwand der Zuführelektrode durchgehende Öffnungen ausgebildet sind, durch welche Gas auszutreten vermag,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Teil des in das Innere der hohlen, zylindrischen Zuführelektrode eingebrachten Gases durch diese durchgehenden öffnungen in der Seitenwand der Elektrode oder durch das offene untere Ende dieser Elektrode in die Metallschmelze außerhalb der Zuführelektrode austritt.

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