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Verfahren zum Schmelzen von Metallen mit hohem Wärmeleitvermtigen,
insbesondere zum Zusammenschmelzen von Kupfer und Zink zu Messing, im elektrischen
Lichtbogenofen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen
mit hohem Wärmeleitvermögen, insbesondere zum Zusammenschmelzen von Kupfer- und
Zink zu Messing, in einem elektrischen Lichtbogenofen. Wenngleich solche Schmelzöfen
zum Schmelzen von Stahl und Eisen weit verbreitet sind und auch schon hin und wieder
versucht wurde, Metalle mit hohem Wärmeleitungsv ermögen, insbesondere Messing,
in elektrischen Induktionsc
Jen zu schmelzen, so standen dem Zusammenschmelzen
von Kupfer und Zink zu Messing im elektrischen Lichthogenschmelzofen Eisher erhebliche
Schwierigkeiten entgegen. Die hohe Spannung, die solche Ofen für die Eisen- und
Stahlschmelzung verlangen, ergibt notwendigerweise einen verhältnismäßig langen
Lichtbogen vom Ende der Elektrode bis zur Badoberfläche, und die Änderung der elektrischen
Energiezufuhr erfolgt durch Änderung der Stromstärke, während die Spannung iin wesentlichen
konstant bleibt. Wird ein derartiger Ofen zum Zusammenschmelzen von Kupfer und Zink
benutzt, so entwickeln sich beim Anlassen starke Zinkdämpfe mit entsprechend hohem
Druck im Ofen, was zu Betriebsstörungen und schweren Schädigungen der Gesundheit
der beteiligten Ar]-eiter führen kann. Diese Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung
dadurch beseitigt, daß in vier den Elektroden zugeführten elektrischen Energie das
Verhältnis von Spannung und Stromstärke so geändert ist, daß die Voltzahl erheblich
geringer als üblich genommen wird, beispielsweise für einen Dreiphasenofen mit drei
Elektroden von i bis 5 Tonnen Fassung nur 18 bis 2o bzw. 32 bis 40 Volt, gemessen
zwischen Elektrode und Schmelzbadspiegel bei etwa 2 5oo bzw. ¢ Zoo Ampere. Gleichzeitig
hiermit wird das 11-laß der Zuführung der elektrischen Energie während des Schmelzprozesses
nach dem Maße des Wärmeleitvermögens des zunehmend schmelzenden Metall-1-ades geregelt.
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Hierdurch wird erreicht, daß das Schmelzen bzw. Zusammenschmelzen
solcher Metalle mit hohem Wärmeleitvermögen im elektrischen LichtLogenofen ohne
die Entwicklung schädlicher und verlustbringender Dämpfe vor sich geht.
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Vorteilhaft wird weiter das Wärmeausstrahlungsvermögen der Kammerwand
des geschlossenen Lichtbogenofens so bemessen, elaß sich auch bei der Steigerung
der Energiezufuhr für das Abgießen die hierbei entstehenden Metalldämpfe an der
Kammerwand niederschlagen. Der Betrie':sstroin wird ferner vorteilhaft durch einen
Generator von niedriger Frequenz geliefert, dem ein hochfrequenter Strom üi;erlagert
wird, um die Frequenz des in das Schmelzbad geleiteten Stromes zu steigern. Hierfür
werden vorteilhaft ein oder mehrere Kondensatoren in den Generatorstromkreis eingeschaltet.
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Die Zeichnung zeigt die beispielsweise Ausführungsforen eines Ofens
für das Verfahren nach der Erfindung.
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Abb. i zeigt schematisch einen Ofen mit von Hand geregelten Elektroden,
während Abb.2 eine Draufsicht auf einen Teil der Abb. i ist. Abb. 3 zeigt ein Kurvendiagramm,
welches die Wirkung der Steigerung der effektiven Stromfrequenz eines durch einen
Generator niedriger Frequenz gewonnenen Stromes veranschaulicht. Das Verfahren wird
wie- folgt ausgeübt: Ein Metall der Nichteisengruppe wird in einem Ofen heschickt,
und die Wärme wird diesem über eine Mehrzahl von wärmeaufnehmenden Flächen zugeführt,
welche vorteilhaft wesentlich kleiner sind als die Oberfläche der Beschickung. Die
Wärmezuführung wird so geregelt, daß das Maß der Zuführung oder ÜLertragung der
Wärme zu den wärmeaufnehmenden Flächen nicht diejenige Wärmemenge überschreitet,
welche zum Schmelzen des Metails an diesen Flächen notwendig ist, und zwar um den
Mehrl-etrag über die Wärme, welche durch die Beschickung fortgeführt werden kann,
unter Berücksichtigung des hohen Wärmeleitvermö gens des behandelten Metalls. Mit
anderen Worten, die Wärmezuführung zu den wärmeaufnehmenden Flächen wird so geregelt,
daß der Überschuß an Wärme über diejenige Menge, die zum Schmelzen des Metalls dieser
Flächen nötig ist, nicht mehr beträgt als die, welche unter Ausnutzung des hohen
Wärmeleitvermögens von diesen Flächen abgeführt werden kann. Das Ergebnis dieser
Wärmeregelung ist, daß, obgleich das Metall in den erhitzten Flächen geschmolzen
wird, und diese Flächen noch weiter nach dem Schmelzen Wärme aufnehmen, dieser überschuß
über die eigentliche Schmelzwärme rasch von diesen wärmeaufnehmenden Flächen durch
die Beschickung fortgeführt wird, so daß während desjenigen Teiles des Verfahrens,
das als Schmelzung in Frage kommt, das Metall auf den erhitzten Flächen nicht so
heiß wird, um eine überschüssige Schmelzung zu erfahren.
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@@7enn die Schmelzung «-eiter geht, so vergrößern sich die erhitzten
Flächen allmählich, und schließlich wird die ganze Beschickung gleichmäßig geschmolzen,
ohne claß in irgendeinem Teil derselben eine übermäßige Temperatur entsteht. Es
findet daher während des Schmelzprozesses kein üLermäßiges Erhitzen von Metall statt
und entsprechend keine unerwünschte und ül-ermäßige Entwicklung von Dämpfen. Da
der rasche Verlauf der Schmelzung von größter Wichtigkeit ist, so wird die Wärmeenergie
möglichst rasch und in solcher Menge zugeführt, wie es mit Rücksicht auf die Verhütung
einer Üterhitzung in den wärmeaufnehmenden Flächen vereinbar ist.
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Elektrische Energie eignet sich selbst gut zur Cherwachung und Reglung
zur Vermei-(lung einer CLerhitzung in den wärmeaufnehinenden Flächen. Der benutzte
Strom muß eine hohe Stromstärke, al:er zur Vermeidung einer zti hohen Energiezuführung
eine geringe .
Spannung haben. Stromstärke und Spannung ändern sich
naturgemäß mit der Größe des Ofens. Wenn deshalb auch genaue Zahlen nicht gegeben
werden können, so gilt doch, daß in Ofen, die nach ihrem Fassungsvermögen von 1
bis 5 Tonnen schwanken, die Stromstärke zwischene ungefähr 2,500
bis q. 2qo
Ampere sich eignet, wobei 2 5oo Ampere für den Eintonnenofen sind und 42oo Ampere
für den Fünftonnenofen. Für den Eintonnenofen werden befriedigende Ergebnisse bei
einer Potentialdifferenz, gemessen von Elektrode bis Beschickung, von ungefähr 18
bis 2o Volt erhalten, während für den Fünftonnenofen eine Voltzahl von 32 bis 40
vorteilhaft ist.
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Die Reglung tes Stromes und damit der Wärmeenergie wird in wirksamer
Weise durch Aufrechterhaltung einer richtigen Widerstandszone zwischen den Enden
der glektrolle unter Beschickung erreicht, -d. h. also, indem das Elektrodenende
von der Beschikkungsoberfläche richtig entfernt gehalten wird, bei richtig gewählter
Spannung. und Stromstärke ergibt die Aufrechterhaltung einer richtigen Widerstandszone
auch den richtigen Betrag an Wärmeenergie. Geeignete Instrumente zeigen die Änderungen
an Stromstärke und Volt während der Behandlung an.
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Das Verfahren ermöglicht die Schmelzung von Metall ohne eine schädliche
Entwicklung von Dämpfen und Gasen. In gewerblichen Betrieben wird indessen das Metall
nach der Schmelzung und vor dem Ausgießen etwas überhitzt, d. h. auf die Ausgießtemperatur
erwärmt. Während dieser Überhitzung werden etwas Dämpfe, wenn auch im geringen Ausmaß,
entwickelt. Weil aber diese Dämpfe wertvolle Bestandteile enthalten, ist es ein
wichtiges Kennzeichen der Erfindung; daß diese Bestandteile durch Kondensierung
derselben aus dem Dampf wiedergewonnen wer= den und in die Beschickung zurückgeführt
werden. Da während des Schmelzens selbst keine merkbare Menge von Dämpfen entsteht,
so läßt sich das Verfahren gut in einem geschlossenen Ofen ausführen, wodurch ein
merkliches Entweichen von Dämpfen verhütet wird. Die während der Schmelzungsperiode
zugeführte Wärme wird nahezu vollständig zum Schmelzen des Metalls nutzbar gemacht,
so daß die Wände und die Decke des Ofens durch Ausstrahlung nur sehr wenig erwärmt
werden. Sie sind daher verhältnismäßig kalt und können zum Niederschlagen der metallischen
Bestandteile aus den Dämpfen dienen. Da während des Schmelzens und des überhitzens
nur wenig Dämpfe erzeugt werden, so wird entsprechend der entstehende Druck im Ofen
nicht groß genug, um dessen richtiges Arbeiten zu beeinträchtigen. Wenn ein Ofen
mit geschlossener Kammer benutzt wird, so ist es nur wünschenswert, in diesem eine
reduzierende Atmosphäre zu erhalten, da die Kondensation und Reduzierung der metallischen
Bestandteile der Dämpfe hierdurch wesentlich unterstützt wird. Dies kann wirksam
dadurch erreicht werden, daß Elektroden von kohlehaltigem Stoff gebraucht werden,
wie beispielsweise Kohle oder Graphit. Der Sauerstoff im Ofen und der während der
Erhitzung aus dem Metall frei werdende verbindet sich mit dem Kohlenstoff der Elektrode
j und bildet eine CO-Atmosphäre in der Ofenkammer, welche für die Reduktion außerordentlich
günstig ist. Die Temperatur der Ofenwände ist ein regelbarer Faktor. Bei einer gegebenen
Wärmezufuhr steigt oder sinkt die Temperatur der Ofenwände durch Änderung der Ausführung,
so daß die in die Umgebung ausgestrahlte Wärme gesteigert oder verringert werden
kann. Je mehr Wärme von den Wänden in die Umgebung ausstrahlt, um so kühler bleiben
die Wände und umgekehrt. Anderseits kann die Temperatur der Wände durch Änderung
der Stromspannung geregelt werden. Für eine gegebene Ausführung der Wand steigert
die Voltzahl den Betrag der an die Wände gelieferten Wärme und damit deren Temperatur.
Die Temperatur der Wände ist wichtig, insbesondere beim Schmelzen von Legierungen,
welche Zink enthalten. Beim Schmelzen solcher Legierungen kondensieren die Zinkdämpfe,
wenn die Wände zu kalt werden, in der Form eines blau pulverisierten 'Niederschlages
und nicht als metallisches Zink.
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Bei dem in der Zeichnung in Abb. i und' 2 dargestellten Ofen- ist
i der übliche Metallmantel, 2 das übliche Mauerwerk und 3 die übliche innere Auskleidung.
Drei Elektroden q. mit Klemmen 5 liefern an die Beschikkung des Ofens einen Dreiphasenstrom;
statt aber die Leitungen 6 unmittelbar von den Elektroden wegzuführen, sind sie
mit Sammelschienen 7 verbunden, welche an den Seiten des Ofens innerhalb des Metallmantels
nach abwärts geführt werden. Die Leitungen zwischen den Sammelschienen und dem Transformator
sind mit 9 bezeichnet. Handeinstellvorrichtungen sind beispielsweise dargestellt,
welche aus Seilen io, Trommel und Schneckenwelle i i, Schnecken 12 und Handradwelle
13 bestehen.
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Es ist vorteilhaft, in dem Ofen Ströme zu i verwenden, welche die
Ströme niedriger Frequenz, welche gewöhnlich bei elektrischen Ofen benutzt werden,
bei denen der Strom unmittelbar von der Elektrode in die Beschikküng geht, erheblich
überschreitet. Die An- j wendung von Generatoren höherer Frequenz für Schmelzöfen
bildet mannigfache Schwierigkeiten.
Die Kosten der Anlagen werden
hoch, die elektrischen Verluste sind erheblich, insbesondere dann, wenn es nötig
ist, den Strom über eine verhältnismäßig lange Leitung zu führen, und es ist daher
wünschenswert, die gewünschte hohe Frequenz für den Ofen dadurch zu erhalten, daß
die Frequenz eines Stromes aus einem Generator von niedriger Frequenz erhöht wird.
Dies geschieht vorteilhaft durch Anwendung eines oder mehrerer Kondensatoren. Nach
der Zeichnung werden Kondensatoren nach dem elektrolytischen Typ benutzt, die aus
einer Gruppe aneinandergestellter Aluminiumplatten in einem Elektrolyt bestehen,
der durch eine geeignete Lösung von doppelkohlensaurem Natron gebildet wird, und
welche sich für den Betrieb als vorteilhaft erwiesen haben. Nach der Zeichnung sind
drei solcher Kondensatoren 21, 22 und 23 benutzt, deren Schaltungsanordnung
eine solche des Y-Types ist. Eine solche Platte in jeder Schale ist mit denen der
anderen Schalen durch einen gemeinsamen Streifen 2q. verbunden, während die anderen
Platten durch Drähte 25, 26 und 2; mit den Leitungen 28, 29 und 30 verbunden
sind, die von den Leitungen 6 nach den Elektroden abgezweigt sind. Durchgeführte
Betriebsergebnisse mit einem Generator niedriger Frequenz, der einen Strom mit der
Periodenzahl etwa 6o liefert, und bei denen drei Kondensatoren von einer Kapazität
von ungefähr 3 2,00 Mikrofarad für jeden Kondensator benutzt wurde, haben
gezeigt, daß eine effektive Frequenz von i2oo erreicht wurde und damit eine höhere
Temperatur in dem !, Metall erhalten und aufrechterhalten werden konnte. Dabei ergibt
sich folgerichtig eine Höhererhitzung ohne schädliche Entwicklung von Dämpfen als
mit derselben Anlage ohne die Kondensatoren. Der Heizeffekt in der Beschickung wird
gesteigert, ohne daß die Temperatur im Ofen über der Beschickung gesteigert wird,
so daß solche Dämpfe, die etwa abgegeben werden, sich leicht an den Ofenwänden kondensieren
und die wertvollen Metallbestandteile auf diese Weise in die Beschickung zurückgewonnen
werden. Das Ergebnis durch die Einschaltung eines Kondensators in den Stromkreis
ist aus der Abb. 3 ersichtlich, in welcher die obere Gruppe A den Strom ini Transforinatorstronikreis
darstellt und sich als eine charakteristische Wechselstromkurve ergibt. Die untere
Gruppe B stellt den Strom im Kondensatorstromkrei#: dar und ist, wie ersichtlich,
eine charakteristische Hochfrequenzkurve. Die mittlere Kurve C- zeigt den @troin
in dein elektrischen Stromkreis entsprechend der Überdeckung des Stromes
B und des Stromes A, wobei die Unebenheiten in der Kurve die erhaltene
höhere Frequenz erkennen lassen.