DE2923294C2

DE2923294C2 - Nichtabschmelzende Elektrode zum Schmelzen von Metallen und Legierungen

Info

Publication number: DE2923294C2
Application number: DE19792923294
Authority: DE
Inventors: Grigorij B. Kiev Asojants; Georgij M. Kiev Kievskaja Oblast' Grigorenko; Jurij V. Latas; Jurij V. Irpen Kievskaja Oblast' Lisovoj; Boris E. Paton; Viktor V. Vasilkov Kievskaja Oblast' Stepanenko
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1979-06-08
Filing date: 1979-06-08
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE2923294A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine nichtabschmelzende Elektrode zum Schmelzen von Metallen und Legierungen, mit einem hohlen Zylindergehäuse, an dessen unterem Ende ein hohles abnehmbares Endstück in Form eines mit dem Gehäuse koaxialen Drehkörpers mit einem zylindrischen, vom Lichtbogen nicht beaufschlagten Mantelteil und einem gekrümmten, vom Lichtbogen beaufschlagten Stirnteil befestigt ist, mit einer Magnetspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die wenigstens zum Teil im Hohlraum des Endstückes untergebracht ist, und mit einer Trennwand, die im Hohlraum des Gehäuses und des Endstückes koaxial so angeordnet ist, daß zwischen der Trennwand und den Wänden des Gehäuses und des Endstücks ein Spiel für den Durchgang eines Kühlmittels gebildet ist.

Eine Elektrode dieser Art, wie sie aus der DE-OS 25 935 bekannt ist, ist hohl und hat eine torusförmige Stirnfläche, auf der der Lichtbogen durch seine Wechselwirkung mit dem Feld einer Spule zum Kreisen veranlaßt wird. Es sind auch beispielsweise aus der US-PS 36 10 796 Elektroden bekannt, die Permanentmagneten enthalten und teilweise so mit Isolierstoff verkleidet sind, daß eine Ringfläche frei bleibt, auf der der Lichtbogen durch das Magnetfeld zum Kreisen gebracht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nicht abschmelzende Elektrode der eingangs erwähnten Art anzugeben, deren Stirnteil und bauliche Gestaltung des Endstückes einen sicheren Betrieb und stabile elektrisehe Betriebsdaten im Laufe einer langen Zeitspanne zu gewährleisten vermögen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Stirnteil des Endstücks als geschlossene konvexe Haube ausgeführt ist und daß das untere Ende der Magnetspule

ίο innerhalb des Mantelteils des Endstücks untergebracht ist

Die Ausführung des Stirnteils als konvexe Haube unc" die Anordnung des unteren Endes der Magnetspule innerhalb des Mantelteils des Endstückes verhindern eine unerwünschte Verschiebung des Lichtbogens an die Seitenwand des Endstückes und des Gehäuses. Gleichzeitig gewährleistet dies eine Stabilisierung der Längskomponente des Magnetfelds der Magnetspule auf dem konvexen Stirnteil des Endstücks der nicht abschmelzenden Elektrode. Die Verteilung der magnetischen Feldlinien der Magnetspule längs des Stirnteils ist nämlich so, daß die Lage des Lichtbogens infoige der auf ihn wirkenden elektrodynamischen Kräfte durch die Zone der Mindestfeldstärke der Magnetspule begrenzt ist. Dadurch wird eine Beschädigung des Stirnteils während des Schmelzens weitgehend verhindert und somit die Betriebssicherheit der nicht abschmelzenden Elektrode über eine lange Zeitspanne erhöht, und es wird eine hohe Stabilität der elektrischen Betriebsdaten der nicht abschmelzenden Elektrode erzielt. Gleichzeitig ist es möglich, die Elektroden mit einem kleineren Durchmesser herzustellen, was durch das Fehlen eines Axialhohlraumes im Endstück erklärbar ist, und somit den thermischen Wirkungsgrad des Schmelzprozesses, bei dem die Elektrode eingesetzt wird, bedeutend zu erhöhen und Gefahrrisiken auszuschließen, die infolge einer Verschiebung des Lichtbogens längs des Mantelteils entstehen, wobei dieses durchbrennen kann. Die Unterbringung des unteren Endes der Magnetspule des Mantelteils des Endstückes ermöglicht auch eine günstige Kühlmittelführung und gewährleistet eine intensive Kühlung des Endstückes während des Schmelzens, was auch der Entstehung von Gefahrensituationen entgegenwirkt.

Besonders einfach in der Herstellung und betriebssicher ist eine Ausführungsform, bei der das Stirnteil des Endstücks in Form einer Halbkugel ausgebildet ist. Nicht abschmelzende Elektroden dieser Ausführungsform eignen sich besonders zur Verwendung in elektrometallurgischen Anlagen, bei denen mit einem Druck von 1,33 · 10~³ Pa bis zum Atmosphärendruck gearbeitet wird.

In elektrometallurgischen Anlagen, in denen die Behandlung unter einem Druck von 1,33 Pa bis zum Atmosphärendruck durchgeführt wird, ist es zweckmäßig, das Stirnteil des Endstückes in Form eines Rotationsparaboloids auszuführen. Dies verbessert die Stabilisierung des Lichtbogens zwischen dem Stirnteil und dem zu schmelzenden Metall.

In elektrometallurgischen Anlagen, in denen mit Überdruck gearbeitet wird, ist es zweckmäßig, das Stirnteil des Endstückes in Form eines Rotationsellipsoidteils auszuführen. Dies trägt zur Herabsetzung des spezifischen Wärmestroms vom Lichtbogen zu der nicht abschmelzenden Elektrode bei.

In elektrometallurgischen Anlagen, in denen mit einem Vakuum von 1,33 ■ 10~³ Pa bis 1,33 Pa gearbeitet wird, kann es auch vorteilhaft sein, das Stirnteil des

Endstuckes in Form eines Teils eines zweischaligen Rotationshyperboloids auszuführen. Diese Ausführungsform verbessert die Stabilisierung des Lichtbogens im Vakuum.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße nichtabschmelzende Elektrode mit Stirnteil des Endstücks in Form einer Halbkugel im Schnitt durch die Vertikalebene die Längsachse entlang,

F i g. 2 den unteren Teil einer nichtabschmelzenden Elektrode mit einem Stirnteil des Endstücks in Form eines Rotationsparaboloids im Schnitt durch die Vertikalebene längs der Längsachse,

F i g. 3 den unteren Teil einer nichtabschmelzenden Elektrode mit einem Stirnteil des Endstücks in Form einss Rotationsellipsoidteils im Schnitt durch die Vertikalebene längs der Längsachse,

Fig. 4 den unteren Teil einer nichtabschmelzenden Elektrode mit einem Stirnteil des Endstücks in Form eines Teils eines zweischaligen Rotationshyperboloids im Schnitt durch die Vertikalebene längs der Längsachse,

F i g. 5 einen Lichtbogenofen mit nichtabschmelzender Elektrode, deren Magnetspule und Endstück in Reihe an eine Gesamtgleichstromquelle angeschlossen sind, im Schnitt durch die Vertikalebene, und

Fig.6 einen Lichtbogenofen mit nichtabschmelzender Elektrode, deren Magnetspule und Endstück an selbständige Gleichstromquellen angeschlossen sind im Schnitt durch die Vertikalebene.

Alle dargestellten nichtabschmelzenden Elektroden zum Schmelzen von Metallen und Legierungen enthalten ein hohles Zylindergehäuse 1, an dessen einer Stirnseite ein hohles abnehmbares Endstück 2 befestigt ist. sowie eine Magnetspule 3 zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Ein Teil der Magnetspule 3 erstreckt sich in den Hohlraum des Endstückes 2. Außerdem ist im Hohlraum des Gehäuses 1 und des Endstückes 2 eine Trennwand 4 koaxial so angeordnet, daß zwischen der Trennwand 4 und den Wänden des Gehäuses 1 und des Endstückes 2 ein Spiel für den Durchgang eines Kühlmittels gebildet ist. Dabei ist die Trennwand 4 mittels einer ihrer Stirnwände 5 des Gehäuses 1 befestigt. Das hohle Endstück 2 ist als zum Gehäuse 1 koaxialer Rotationskörper ausgeführt, der e^:n zylindrisches nichtbeauischlagtes Mantelteil 6 sowie ein Stirnteil besitzt, das als geschlossene konvexe Haube ausgeführt ist und verschiedene Konfigurationen haben kann. Am einfachsten in der Herstellung und am betriebssichersten ist die Konfiguration nach F i g. 1, bei der das Stirnteil des Endstückes in Fosm einer Halbkugel 7 ausgeführt ist. Wie F i g. 2 zeigt, kann man das Stirnteil auch in Gestalt eines Rotationsparaboloids 8 oder wie Fig. 3 zeigt, in Gestalt eines Teiles eines Rotationsellipsoids 9 oder wie F i g. 4 zeigt, als Teil eines zweischaligen Rotationshyperboloids 10 ausführen. Die untere Stirnseite der Magnetspule 3 erstreckt sich in den Hohlraum des Endstückes 2, der durch das zylindrische nichtbeaufschlagte Mantelteil 6 begrenzt ist. In die Stirnwand 5 ist ein Eingangsstutzen 11 für die Zuführung eines Kühlmittels so montiert, daß er ein Kühlsystem (in den Zeichnungen nicht gezeigt) mit einem Raum verbindet, der durch die Wände der Trennwand 4 begrenzt ist. In die Seitenwand des Gehäuses 1 ist ein Austrittsstutzen 12 zur Ableitung des Kühlmittels so montiert, daß er das (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Kühlsystem mit dem Spielraum zwischen den Wänden der Trennwand 4 und den Wänden des Gehäuses 1 und des Endstückes 2 verbindet

In F i g. 5 ist ein Lichtbogenofen mit nichtabschmelzender Elektrode dargestellt, bei dem diese mit der Möglichkeit einer hin- und hergehenden Bewegung durch die obere Stirnwand des Schmeb.raumes 13 des Ofens luftdicht durchgeführt ist Im Inneren des ίο Schmelzraumes 13 ist koaxial mit dem Gehäuse 1 der nichtabschmelzenden Elektrode eine wassergekühlte Kokille 14 untergebracht, die einen Untersatz 15 aufweist, welcher mittels einer Stange 16 hin und her bewegbar montiert ist. Das Endstück 2 ist über das Gehäuse 1 der nichtabschmelzenden Elektrode und die Magnetspule 3 und der Untersatz 15 über die Stange 16 in Reihe an eine Gleichstromquelle 17 angeschlossen. In einer der Seitenwände des Schmelzraumes 13 ist ein Bunker 18 luftdicht montiert, dessen Stutzen 19 eine Austrittsöffnung über dem Hohlraum der Kokille 14 aufweist.

In F i g. 6 ist ein Lichtbogenofen mit nichtabschmelzender Elektrode dargestellt, bei dem die Magnetspule 3 und das Endstück 2 jeweils getrennt an Gleichstromquellen angeschlossen sind. Hierbei ist das hohle Endstück 2 über das Gehäuse 1 der nichtabschmelzenden Elektrode sowie der Untersatz 15 über die Stange 16 in Reihe an eine Gleichstromquelle 20 angeschlossen. Die Magnetspule 3 ist über Durchführungen 22 an eine Gleichstromquelle 21 angeschlossen.

Der Schmelzvorgang wird, wie folgt, durchgeführt.
Die wassergekühlte Kokille 14 (Fig.5), die im Inneren des Schmelzraumes 13 angeordnet ist, wird mit Stückcharge beschickt, welche aus dem Bunker 18 durch J5 den Stutzen 19 zugeführt wird. Nach Beschickung mit einer bestimmten Menge Stückcharge läßt man die nichtabschmelzende Elektrode sich bei vorgegebenem Druck im Schmelzraum nach unten so lange absenken, bis der Abstand zwischen der Stirnfläche (in diesem Fall •40 der Halbkugel 7) und der Stückcharge eine Größe erreicht, die den Erfordernissen für die Erzeugung eines Lichtbogens entspricht. Dann erfolgt eine Speisung von der Gleichstromquelle 17 zum Endstück 2 zur Magnetspule 3 der nichtabschmelzenden Elektrode und zum Untersatz 15 des Ofens. Der Lichtbogen wird durch Berührung der Stückcharge mit dem Stirnteil des Endstücks 2 und nachfolgende Wegführung der nichtabschmelzenden Elektrode auf den vorgegebenen Abstand gezündet, der dann den Lichtbogenraum ίο begrenzt. Bei dem Stromdurchfluß erzeugt die Magnetspule 3 ein Magnetfeld. Der Lichtbogen, der ein magnetisches Eigenfeld aufweist, das mit dem Magnetfeld der Magnetspule zusammenwirkt, wird daher im Bereich geeigneter Stärke des Magnetfeldes der Magnetspule 3 orientiert, der in der Zone der Spitze des Stirnteiles des Endstückes 2 liegt. Die Stärke des Magnetfeldes der Magnetspule 2 nimmt von der Spitze des Stirnteils zu dem nichtbeaufschlagten Mantelteil 6 des Endstückes zu. Eine solche Verteilung des feo Magnetfeldes der Magnetspule 3 längs des Stirnteils des Endstückes 2 wird durch die oben beschriebene gegenseitige Anordnung der Magnetspule 3 und des Stirnteils (im vorliegenden Fall der Halbkugel 7) sowie durch die Form des Stirnteils erzielt. Dies gewährleistet eine stabile räumliche Anordnung des Lichtbogens, da die Axialkomponente des Magnetfeldes der Magnetspule 3 in der Zone des Stirnteils etwas größer als die Radialkomponente ist. Während des Schmelzens wird

die Steuerung des elektrischen Betriebszustandes durch Änderung der Größe des zuzuführenden Gleichstroms von der Gleichstromquelle 17 und durch Änderung der Länge der Lichtbogenstrecke durchgeführt. Das Schmelzen des Metalls kann mit dem Lichtbogen sowohl in normaler als auch in umgekehrter Polung erfolgen.

Je nach Erschmelzen der Stückcharge wird der Untersatz 15 mit Hilfe der Stange 16 abgesenkt und der Gußblock oder Strang, welcher aus dieser Stückcharge erschmolzen ist, wird aus der Kokille herausgezogen. Dabei wird der Kokille 14 Stückcharge aus dem Bunker 18 durch den Stutzen 19 in Teilmengen ununterbrochen zugeführt.

Während des Schmelzens erfolgt eine Wärmeabführung von der Fläche des Gehäuses 1 und des Endstückes 2 der nichtabschmelzenden Elektrode. Dazu wird Kühlmittel aus dem (in den Zeichnungen nicht gezeigten) Kühlsystem der nicht abschmelzenden Elektrode ununterbrochen zugeführt. Das Kühlmittel tritt durch den Eintrittsstutzen 11 ein, durchläuft dann den innen durch die Wände der Trennwand 4 begrenzten Hohlraum und wird über den Austrittsstutzen 12 entfernt, wobei es im Durchlauf Wärme den Wänden des Gehäuses 1 und des Endstückes 2 der nichtabschmelzenden Elektrode entzieht.

Der Schmelzvorgang kann sowohl im Vakuum als auch unter einem Überdruck durchgeführt werden. Dabei ist eine vorteilhafte Form des Stimteils des Endstückes 2 der nichtabschmelzenden Elektrode für die Arbeit im Vakuum bei einem Druck von 1,33 ■ IO-³ Pa bis zum Atmosphärendruck eine Halbkugel 7 (Fig. 1). Für die Arbeit bei einem Druck von 1,33 Pa bis zum Atmosphärendruck kann man auch das Stirnteil in Gestalt eines Rotationsparaboloids 8 (Fig. 2) ausführen. Bei Arbeiten mit Überdruck (oberhalb des Atmosphärendrucks) gibt man am zweckmäßigsten dem Stirntei! des Endstückes 2 die Gestalt eines Rotationsellipsoidteils 9 (Fig.3). Bei Arbeiten mit Vakuum in einem Bereich von <io 1,33 ■ IO-³ Pa bis 1,33 Pa kann man auch zweckmäßig das Stirnteil des Endstückes 2 als Teil eines zweischaligen Rotationshyperboloids 10(F i g. 4) ausführen.

Das Metallschmelzen in dem in F i g. 6 der Zeichnungen dargestellten Lichtbogenofen verläuft analog. Ein Unterschied besteht nur darin, daß zuerst das Magnetfeld der Magnetspule 3 durch Einschaltung der Gleichstromquelle 21 und sodann der Lichtbogen durch Einschaltung der Gleichstromquelle 20 an das Endstück 2 und den Untersatz 15 erzeugt wird. Dieses Schmelzverfahren ist beim Betrieb mit geringer Stromstärke während des Schmelzens von Metallen mit einem hohen Gasgehalt besonders zweckmäßig.

Durch die Verwendung der oben beschriebenen nichtabschmelzenden Elektrode zum Schmelzen von Metallen und Legierungen in Lichtbogenöfen wird der gesamte und der spezifische Wärmestrom vom aktiven Fleck des Lichtbogens zum hohlen Endstück 2 der nichtabschmelzenden Elektrode stark vermindert. Dies ergibt sich infolge einer Herabsetzung des elektrodennahen Potentialabfalls, welcher durch die stabile Lage des Lichtbogens bedingt ist. Der stabile Lichtbogen hat weniger intensiven Energieaustausch mit der Umgebung, was zu einer Verminderung von Axial- und Radialgradienten der Gastemperaturen im Raum der Lichtbogenentladung führt. Die Herabsetzung des Axialgradienten führt zu einer Verminderung der Länge der elektrodennahen Lichtbogensäule und folglich zu einer Herabsetzung des elektrodennahen Potentialabfalls. Die Verminderung des Radialtemperaturgradienten im Raum der Lichtbogenentladung führt zu einer Durchmesservergrößerung des aktiven Flecks des Lichtbogens. Beide beschriebene Effekte gestatten es außerdem, den spezifischen Wärmestrom in dem Lichtbogen auf 1 bis 2mal 10⁴ kW/m² herabzusetzen. Solche Wärmeströme lassen sich unter Verwendung bekannter Kühlverfahren leicht abführen. Der stabile Lichtbogen, der geringe spezifische Wärmeströme aufweist, kann im Werkstoff des Endstückes keine großen thermischen und mechanischen Spannungen verursachen, was Deformationen und spezifische Erosion des Endstückes 2 auf 10~⁹ bis 10-⁸g/C stark vermindert und die Lebensdauer des Endstücks 2 der Elektrode auf 300 bis 500 Std. erhöht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtabschmelzende Elektrode zum Schmelzen von Metallen und Legierungen, mit einem hohlen Zylindergehäuse, an dessen unterem Ende ein hohles abnehmbares Endstück in Form eines mit dem Gehäuse koaxialen Drehkörper mit einem zylindrischen, vom Lichtbogen nicht beaufschlagten Mantelteil und einem gekrümmten, vom Lichtbogen beaufschlagten Stirnteil befestigt ist, mit einer Magnetspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die wenigstens zum Teil im Hohlraum des Endstückes untergebracht ist, und mit einer Trennwand, die im Hohlraum des Gehäuses und des Endstückes koaxial so angeordnet ist, daß zwischen der Trennwand und den Wänden des Gehäuses und des Endstücks ein Spiel für den Durchgang eines Kühlmittels gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnteil des Endstücks (2) als geschlossene konvexe Haube ausgeführt ist und daß das untere Ende der Magnetspule (3) innerhalb des Mantelteils (6) des Endstücks (2) untergebracht ist.

2. Nichtabschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnteil des Endstücks (2) in Form einer Halbkugel (7) ausgeführt ist.

3. Nichtabschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnteil des Endstücks (2) im Form eines Rotationsparaboloids (8) ausgeführt ist.

4. Nichtabschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnteil des Endstücks (2) in Form eines halben flachen Rotationsellipsoids (9) ausgeführt ist.

5. Nichtabschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnteil des Endstücks (2) in Form einer Schale eines zweischaligen Rotationshyperboloids (10) ausgeführt ist.