DE2758654C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beheizen einer in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Beheizen einer Metallschmelze, die aus einem 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.

Sofern eine Metallschmelze aus einem Konverter 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 Heizwirkung auf die Oberfläche der Schmelze sehr gering ist. Bei diesen Untersuchungen kann die Flamme durch einen Plasmabrenner ersetzt werden. Auch un>er 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 gehinder t wird.

Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Heizeinrichtung bereitzustellen, mittels der einer in einer üblichen Pfanne befindliche Metallschmelze sehr einfach beheizt werden kann.

Eine weitere Au'gabe der vorliegenden Erfindung besteht dann, eine Heizeinrichtung bereitzustellen, mittels der eine in einer großen Pfa.jie befindliche Metallschmelze bequem durch eine Anzahl solcher Heizeinrichtungen 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 hohler /uführelektrode umgeben ist. und wobei die Oberfläche der Metallschmelze die vom Lichtbogen abgegebene Warme mit hoher thermischer Wirksamkeit (d. h. bei vermindertem Wärmeverlust) zu der restlichen Metallschmelze abzuleiten vermag.

Noch 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 Zuführeleklrode von Gas. das in das In-

nere 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.

In ihrer allgemeinsten Form ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe 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 zeigt

F i g. 1 die Darstellung eines Längsschnitts durch eine Pfanne und eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung;

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

H ι g. 4 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine andere Ausführungsform der Zuführelektnjde;

F i g. 5 einen Ausschnitt aus F i g. 4 in vergrößerter Darstellung;

F i g. 6 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine größere Pfanne mit mehreren Heizeinrichtungen; und

F i g. 7 die Darstellung eines Längsschnittes durch eine Heizeinrichtung mit einer Graphitelektrode.

Nachfolgend soll die mit Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Hierzu ist eine Pfanne 10 mit einer Innenauskleidung 10a aus hitzebeständigem Werkstoff vorgesehen. Wie das in der Fachwelt gut bekannt ist, kann in einer solchen Pfanne 10 eine Metallschmelze 11 aufbewahrt werden, die aus einem Konverter 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 zugeführt 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 Übertragungsbrenner ausgebildet, so daß eine hohe thermische W irks^mkeit 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 21 ist als hohler, kreisförmiger Zylinder ausgebildet und besteht aus einem Material, das für den elektrischen Kontakt mit der Metallschmelze 11 geeignet ist; vorzugoweise ist für diesen Zweck wegen seiner überlegenen elektrischen Leitfähigkeit und seiner hohen thermischen Leitfähigkeit Graphit vorgesehen. Die Elektrode 21 kann auch von der kreisförmigen Zylinderform abweichen und eine beliebige Zylinderform aufweisen. An dem unteren, wassergekühlter, Abschnitt 15 der Halterung ist ein Anschluß 22 vorgesehen, der über ein Kabel 23 mit dem positiven Pol einer (nicht dargestellten) Stromquelle verbunden ist; über den Anschluß 22 und das Kabel 23 ist die Zuführelektrode 21 mit dem positiven Pol der Stromquelle verbunden. In das hohle Innere der Zuführelektrode 21 reicht ein Ende einer Gasleitung 24 hinein, um aus dem Innenraum der

ίο Zuführelektrode 21 Gas nach außen zu führen. An dieser Gasleitung 24 ist weiterhin ein Druckregulierventil 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 Me' ,!schmelze 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 11a der Metallschmelze innerhalb der Elektrode 2¹ endet. Anschließend wird eine Verbindung zwischen dem hohlen Innenraum der Zuführelektrode 21 und der umgebenden Atmosphäre hergestellt. Daraufhin wird die Spannung der Stromquelle einerseits an den Plasmabrenner 17 und über die Zuführelektrode 21 an die gegenüberliegende Oberfläche lla der Metallschmelze 11 angelegt. Daraufhin wird mittels bekannter Maßnahmen, etwa durch Anlegung einer hochfrequenten Spannung, ein Plasma erzeugt. Hierzu wird das über die Gaszuführungs'.eitung 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 Zuführelektrode 21 auf einen Wert von etwa 2 bis 3 Atmosphären; weiterhin wird dadurch die Oberfläche bzw. der Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der Zuführeleiurode 21 aogesenkt. Der Ausstoß des Plasmabrenners 17 wird dahingehend geregelt, daß das Plasma über eine lange Distanz (über eine Länge von erwa 600 bis 800 mm oder mehr) erhalten bleibt. Dadurch wird der Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 21 auf dem mit 116 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 11 in der Pfanne 10 zugeführt. Hierbei wird der Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der hohlen Zufi'hrelektrode 21 durch entsprechend..* Regelung des Druckregelventils 25 auf einem solchen Wert gehalten, so daß ein Teil des Gases innerhalb der Zuführelektrode üri die Atmosphäre abgegeben wird. Hierbei ist es möglich, den Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 21 auf verschiedenen Niveaus zu halten, etwa auf dem unteren Niveau 116 oder auf dem höheren Niveau 1 Ic. so 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, in dem die Halterung 14 entsprechend nach unten verschoben wird.

Mit den Fig.2 und 3 ist eine Modifizierung der mit F i g. 1 dargestellten Zuführelektrode wiedergegeben.

Auch in diesem Falle besteht die 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 Wd des Flüssigkeitsspiegels der Metallschmelze innerhalb der Zuführelektrode 28 im Verlauf des Betriebs willkürlich angehoben oder ab- !5 gesenkt werden; hierbei kann das Niveau Wd bis zur unteren öffnung der Zuführelektrode 28 abgesenkt werden, so 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 Iediglich die Blasenbildung heftiger, ohne daß eine Gefährdung der Heizeinrichtung auftritt.

Nachfolgend soll mit Bezugnahme auf die F i g. 4 und 5 eine weitere Ausbildung der Zuführelektrode der oben erläuterten Heizeinrichtung erläutert werden. Bei dieser Ausfuhrungsform besteht die Zuführelektrode 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 aus keramischem Material versehen. Am Kern 31 sind verschiedene Vorsprünge 33 ausgebildet, weiche 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 elektrische Stromübergang von der Zuführelektrode 30 zu der Metallschmelze 11 lediglich an dem kleinen Abschnitt 31a des Kerns 31. der am unteren Ende der Zuführelektrode 30 unbedeckt ist.

Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die F i g. 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. Die Anzahl der auf diese Weise eingesetzten Heizeinrichtungen 13 kann beliebig groß gewählt werden, wie das das Volumen der Pfanne 35 zulaßt und erfordert Die von den verschiedenen Heizeinrichtimgen 13 jeweils erzeugten Piasma-Lichtbogen sind mittels der hohlen, zylindrischen Zuführelektroden 215 voneinander abgeschirmt, so daß nicht einmal die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Plasma-Lichtbogen die Lichtbogen unbeständig macht. Bei der in F i g. 6 auf der rechten Seite dargestellten Heizeinrichtung 13 ist eine Sauerstoff-Zuführleitung 36 vorgesehen. Dadurch kann über die Zuführleitung 36 Sauerstoff in das Innere der Zuführelektrode 28 eingeführt werden, wo sich die Argon-Gasblasen mit den Sauerstoff-Gasblasen vereinigen. Dadurch kann im wesentlich eine AOD-Wirkung hervorgerufen 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, wodur. h die Entkohlung noch wirksamer wird.

Weiterhin wird bei dieser Ausführungsform der Heizeinrichtung 13 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 Siabelektrode 37 vorgesehen, die 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 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 43 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 gegenüberlieg nden Flüssigkeitsspiegel 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1.Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Rahmen eine Elektrode befestigt ist. die einen elektrischen Lichtbogen zwischen der Elektrode und einer in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze erzeugt, daß weiterhin an dem Rahmen eine hohle, zylindrische Zuführelektrode mit der Maßgabe angebracht ist, daß die Elektrode den elektrischen Lichtbogen umschließt, und das offene untere Ende der Elektrode in die Metallschmelze eingetaucht ist.

   Z Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rahmen eine Gasleitung is

   (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) angecracht 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 durchgeherde öffnungen ausgebildet sind, durch weiche Gas hindurchzutreten vermag.

   5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführelektrode aus Jraphit besteht und an ihrer Innenseite und ihrer Außensei'e mit rnem hitzebeständigen Mantel versehen ist.

   6. Heizeinrichtung nach ei 2m 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. durch gekennzeichnet, daß die den Lichtbogen erzeugende Elektrode aus Graphit besteht.

   9. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche I bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere der Zufuhrelektrode über eine Leitung (36, 44) Gas einbringbar ISi.

   10. Verfahren zum Beheizen einer in einer Pfanne befindlichen Metallschmelze mittels einer Heizeinrichtung nach den Ansprüchen I bis 9. dadurch gekennzeichnet, diß die Zuführelektrode in die Metallschmelze eingetaucht wird, ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Lichtbogen erzeugenden Elektrode und der Metallschmelze erzeugt wird, über die Gas/uführung Gas in das Innere der hohlen, zylindrischen Zuführelcktrode eingebracht wird, um den Flüssigkeitsspiegel innerhalb der hohlen Elektrode unterhalb des außerhalb der Elektrode bestehenden Flüssigkeitsspiegeis abzusenken, und die Wärme des elektrischen Lidubogens dem Schmelzbad direkt so oder über die Seilenwand der hohlen, zylindrischen Zuführelektrode zugeführt wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in der Seitenwand der Zuführclektrode durchgehende öffnungen ausgebildet sind, durch welche Gas auszutreten vermag, dadurch gckennzcichnel, daß ein Teil des in das Innere der hohlen, zylindrischen Zuführclektrodc 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.