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Elektrischer Ofen zum Erschmelzen und Reinigen von IVletallen und
Legierungen aus Feinerzen Die Reduktion und Erschmelzung von Feinerzen, z. B. Eisensanden,
in einem senkrechten Schacht durch Erhitzen mittels des elektrischen Stromes in
verschiedenen Höhenlagen ist an sich bekannt. Hierzu wurden z. B. Heizwiderstände
üblicher Art verwendet, oder man benutzte auch den elektrischen Widerstand des Schmelzgutes
selbst, das man zu diesem Zweck auf Vorsprüngen aus 'Isolierstoff auffing. Auch
elektrische Zusatzheizungen an Hochöfen sind bekannt geworden.
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Demgegenüber hat der Erfinder vorgeschlagen, eine derartige Erhitzung
mittels elektrischer Lichtbögen zu bewirken, ein Vorschlag, der ihm durch das Patent
451 809
geschützt ist. Bei jenem Verfahren wird feinkörniges Erz, Eisensand
o. dgl., während des freien Falles durch einen senkrechten Schacht der Einwirkung
mehrerer Flammenbögen ausgesetzt. Der hierzu verwendete Ofen solleinen engen lotrechten
Schacht aufweisen, der mit Graphit verkleidet und in verschiedener Höhe mit versetzten
Elektradengruppen ausgerüstet ist.
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Zweck der neuen Erfindung ist eine Weiterausbildung und Verbesserung
dieses Ofens, derart, daß in noch höherem Maße die Möglichkeit geschaffen wird,
fein verteiltes Metallerz in wirtschaftlichem Ausmaß zum Zweck der Gewinnung von
Metall zu behandeln.
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Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf fein verteilte Erze von
der Art eines titanhaltigen Eisensandes, der auch unter dem Namen Ilmenit bekannt
ist, und auch von Alluvial-Zinnerz. Ein so fein. verteilter Stoff wie Eisensand
kann erfahrungsgemäß in einem Hochofen nicht zu Metall reduziert werden, während
anderseits zur erfolgreichen Behandlung in einem elektrischen Ofen zu dem gleichen
Zweck ein so ungeheurer Stramverbrauch notwendig war, daß das Erzeugnis teurer wurde
als die durch die gewöhnlichen Verfahren hergestellten Eisen- und Stahlsorten.
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Die durch das Patent 45 r 808 geschützte Lösung der gestellten
Aufgabe ist noch unvollkommen, besonders weil bei diesem Ofen der Eisensand das
Bestreben hat, viel zu schnell durch die Lichtbögen hindurchzugehen und so der beabsichtigten
Behandlung ganz oder teilweise zu entgehen. Prallflächen und Sammelrippen oder sonstige
Hindernisse üblicher Art können aber nicht mit Erfolg zur Überwindung dieser Schwierigkeit
verwendet werden, da sie durchweg ein Ansammeln von geschmolzenen oder halb geschmolzenen
Erzteilchen veranlassen, die sehr rasch den Ofen verstopfen und ihn stilleger würden.
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Die gegenüber dem früheren Patent des Erfinders sich ergebende Aufgabe
bestand also darin, den freien. Fall des Schmelzgutes genügend zu verzögern, tun
eine geeignete Beheizung durch die elektrischen Lichtbögen zu ermöglichen, ohne
jedoch diese Fallbewegung an irgendeiner Stelle stillzulegen und ohne auch nur die
geringste Ansammlung von ruhendem Schmelzgut zu bilden, durch die der Ofen verstopft
werden würde.
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Nach der Erfindung wird dies durch die Anordnung von untereinander
angeordneten Elektrodenkammern 12 erreicht, die so ausgebildet
sind,
daß sie, während sie den fallenden Eisensand auf seinem Weg durch den Ofen nicht
anhalten, den herabfallenden Strom in Teilströme unterteilen, die dabei von ihrer
eigentlichen Bahn etwas abgelenkt werden, derart, daß die fallenden Erzteilchen.
der von den Lichtbögen erzeugten Hitze bei den Elektroden lange genug ausgesetzt
werden, um eine vollständige Schmelzung und Reduktion des gesamten durch den Ofen
gehenden Gutes zu bewirken. Es kommt also im wesentlichen darauf an, die Einrichtung
so. zu treffen, daß die fallenden Teilchen an keiner Stelle des Ofens angehalten
werden, und daß keinerlei Ansammlung von Gut auf Prallflächen oder Rippen stattfinden
kann.
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Über den Lichtbogenkammern kann .eine Vo.rwäimkammer angeordnet sein;
unter der Säule von Lichtbogenkammern ist vorzugsweise ein heizbarer geschlossener,
meist kippbarer Herd angeordnet und mit Mitteln ausgerüstet, um Luftzutritt zum
Herd und zu den Kammern zu verhindern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform soll die Sohle jeder Kammer
einen trichterförmigen Auslauf aus Kohlenstoff (x. B. Graphit) besitzen, mit dem
ein doppelkegelförmiger Verteiler aus gleichem Stoff zusammenwirkt.
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Das Graphitfutter jeder Ofenkammer soll über dem trichterförmigen
Auslauf nach innen vorstehende Arme aus dem gleichen Stoff aufweisen, die, den Verteiler
konzentrisch in dem Auslauf haltend, den Auslaufraum in mehrere D urchtrittswege
unterteilen.
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Um das Gut unter Ausschluß der Außenluft von dem Füllrumpf nach dem
ebenfalls eingekapselten Einlaufstutzen des Ofens zu bringen, kann eine eingekapselte
Förderschnecke o. dgl. benutzt werden.
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Zweckmäßig ist es, den Herd des Ofens mit Lichtbogenheizung und .gegebenenfalls
mit Mitteln zu versehen, um durch ein bewegliches magnetisches Feld die Lichtbögen
nach bestimmten Stellen des Herdes abzulenken.
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Schließlich können Mittel vorgesehen sein, um den Herd gegen den'Kammerofen
im geeigneten Zeitpunkt abzuschließen, zum Zweck, den Reduktionsvorgang in dem Herd
unabhängig fortzusetzen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
dargestellt; es zeigen Abb. i die Gesamtanordnung des Ofens in teilweisem Schnitt
von oben nach unten, Abb. 2 den kippbaren Herd ebenfalls im Schnitt nach der senkrechten
Mittellinie in größerem Maßstab, Abb.3 die Außenansicht des Herdes.
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Der eigentliche elektrische Ofen ist röhrenförmig und umfaßt am oberen
Ende einen Füllrumpf 2, von dessen unterem Auslauf eine Förderschnecke 3 o. dgl.
das Behandlungsgut nach dem Einlaßstutzen 4 führt, der in der Mittelachse in der
Decke des Ofens i eingesetzt ist. Die Förderschnecl,-e 3 und der Einlaßstutzen 4
sind in ,geeigneter Weise in einem Gehäuse 5 eingekapselt, um den Zutritt der Luft
am oberen Ende des Ofens auszuschließen und die Oxydierung des Behandlungsgutes
zu vermeiden. Das eingeführte Gut fällt aus dem Einlaßstutzen 4 auf einen kegeligen
Verteiler 6, der den Zweck hat, den Strom des herabfallenden Gutes zu zerteilen
und nach den Ofenwänden abzulenken, um zu verhindern, daß die Gutsteile zu rasch
durch den Ofen herabfallen und so zum Teil sich der Behandlung durch die Lichtbögen
entziehen. Der kegelige Verteiler 6 ist mitten am Boden einer Vorwärmkammer y angeordnet
und stellt .einen doppelkegeligen Einsatz dar, der von Armen 8 getragen wird, die
von dem die Sohle der Vorwärmkammer bildenden und innen trichterförmig nach einem
Auslauf i o zusammenlaufenden Ofenfutter 9 aus nach innen radial vorstehen. Die
Teile 6, 8 und 9 sind aus Graphit oder einem ähnlichen Stoff hergestellt und in
einer Hülle aus Schamotte oder einem ähnlichen Stoff i i untergebracht, die di-Ofenwand
bildet und von einem Mantel aus Metall umschlossen ist.
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Die zu Qberst im Ofen gelegene Vorwärmkammer 7 steht durch den Ablauf
i o mit der ersten einer Reih :e von übereinander angeordneten Elektrodenkammern
12 in Verbindung, deren jede ebenfalls zylindrisch geformt und mit einem doppelkegelförmigen
Verteiler in einem trichterförmig ausgehöhlten Boden versehen ist, genau wie die
bereits beschriebene Anordnung der Vonvärmkammer.
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Zwei oder mehr Elektroden 13 sind in jeder Kammher 12 angeordnet und
mit den nötigen Einrichtungen versehen, um sie entweder selbsttätig oder von Hand
nach innen vorzutreiben, sobald ihre Spitzen abgenutzt sind. Die Wände des Ofens
sind in Abständen der Höhe nach mit einer Reihe von Schauöffnungen 14 - mit Deckeln.
ausgerüstet, die vorzugsweise teilweise durchsichtig gemacht sind, während ferner
jede Elektrodenkammer 12 mit einer abgedeckten Reinigungsöffnung 15 ausgerüatet
ist. Die Deckel der öffnungen 14 und 15 werden mittels feuerfesten Tons verkittet
oder sonstwie hermetisch verschlossen, bevor der Ofen, in Gang gesetzt wird.
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Die unterste Elektrodenkammer 12 besitzt keinen trichterförmigen Auslauf,
sondern mündet glatt in einem umschloseenen Herdraum 166, der unmittelbar unter
dem ElektreQfen angeordnet ist. Dieser Herd ist so gebaut, daß das Metall sich von
der Schlacke trennen kann, und zwei oder mehr getrennte Auslässe
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und 18 sind vorgesehen, um das geschmolzene Gut abzustechen. Diese öffnungen sind
während des Ganges mittels ausbalancierter Türen i 9 verschlossen. Der D ekkenaufsatz
2o des Herdes hat denselben lichten Durchmesser wie die unterste Elektrodenkammer
12, und ihre Verbindung erfolgt durch ein Paar zusammenwirkender gekrümmter Flächen
21, die die Möglichkeit bieten, den Herd zum Zweck des Abstechens zu kippen. Während
der Ofen in Betrieb isst, sind das untere Ende des Elektroofens und der Aufsatz
2o des Herdes miteinander gekuppelt durch eine Muffe 22, die angehoben werden kann,
wenn der Herd gekippt werden soll. Der Herd 16 besitzt Öffnungen 23 an jeder Seite,
durch die drei Paare von Elektroden in den Herdraum eingeschoben werden können;
die Zahl der Elektroden kann nach Erfordernis verändert werden, um eine Nachbehandlung
des in dem Herdraum gesammelten geschmolzenen Gutes zu ermöglichen. Diese Nachbehandlung
kann unabhängig von dem eigentlichen Ofengang durchgeführt werden; zu diesem Zweck
sind Schieber 24 und 25 gleitbar in dem unteren Ende der untersten Elektrodenkammer
und in dem Aufsatz 2o des Herdes angeordnet, durch die die Verbindung zwischen dem
Ofenoberteil 12 und dem Herd 16 unterbrochen werden k:a.nn, wenn eine derartige
Nachbehandlung durchgeführt werden soll. Unter dem Herd ist ein Gestell 26 angeordnet,
in dem ein Elektromagnet eingebaut werden kann, um die Lichtbögen nach dem Spiegel
des geschmolzenen Metallbades auf der Sohle 27 des Herdes abzulenken, und dieser
Elektromagnet kann so angeordnet sein, daß er ein drehbares oder sonst bewegliches
Magnetfeld erzeugt, um zu ermöglichen, daß die Heizwirkung der Lichtbögen auf jeden
Teil des auf dem Herd gesammelten Gutes hingelenkt werden kann.
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Die Kippvorrichtung für den Herd umfaßt ein Handrad 28 (Abb.3) auf
einer Spindel 29. Mit dieser wird .eine Schnecke 3o gedreht, die ein mit ihr kämmendes
Schnekkenrad 31 und ein auf seiner Achse befestigtes Stirnrad 32 in Bewegung setzt.
Das Stirnrad 32 kämmt mit einem Zahnbogen 33, der an der Flanke des Herdes 16 befestigt
ist und außerdem eine glatte Bogenfläche 34 trägt, die, gleichachsig mit dem Zahnbogen
33 angeordnet, sich an Bremsrollen ; 5 stützt, die die Kippbewegung des Herdes bei
Annäherung an die Kippstellung abbremsen.
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Der Ofen besitzt Auslässe 36 für die Abgase, und diese stehen mit
Schornsteinen 3; (Abb. i) in Verbindung.
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Das zu verarbeitende Erz wird nötigenfalls durch Mahlen oder Brechen
in einen fein unterteilten Zustand gebracht; wenn. es sich um Eisensand handelt,
schickt man ihn zunächst zur Entfernung von Verunreinigungen durch :eine Reinigungsvorrichtung,
vorzugsweise durch einen magnetischen Scheiden Das Verfahren spielt sich dann in
dein Ofen in folgender Weise. ab Das fein unterteilte- metallhaltige Gut gelangt
in ununterbrochenem Strom aus dem Einlaßstutzen in den Ofen, dessen innere Einrichtung
so getroffen ist, daß die herabfallenden Teilchen der von den Lichtbögen erzeugten
Hitze so lange ausgesetzt werden, wie nötig ist, um ein vollständiges Schmelzen
und Reduzieren des gesamten durch den Ofen gehenden Gutes zu erzielen. Da der Schmelzpunkt
des titanhaltigen Eisensandes beispielsrweise bei etwa i 5oo° C liegt und die Temperatur
der Lichtbögen über 3000° C beträgt, ergibt sich, daß, wenn Eisand behandelt wird,
seine Teilchen durch Durchführung durch die Lichtbögen vollständig geschmolzen und
reduziert werden. Anordnung und Aufbau des Ofens verhindern hierbei die Ausübung
einer zusammengeschmolzenen Gutmasse, die bisher ein Hindernis für die Anwendung
des elektrischen Ofens bei der Erschmelzung van Metall aus Eisensand gebildet hat.
Es ist zu bemerken, daß die oberste Kammer 7 keine Elektroden enthält, aber auf
die für das Vorwärmen des aufgegebenen Gutes nötige Wärme durch die Gase beheizt
wird, die aus den Reaktianszonen in den Elektrodenkammern aufsteigen. Das in dem
eigentlichen Elektroofen 1 behandelte Gut sammelt sich in dem Herd i 6, wo Schlackenteile,
wie Silicium, Kalk, Schwefel oder auch Phosphorverbindungen, sich in einer Schlakkenschicht
über den Schichten von Titan und Eisen oder Stahl sammeln. Die Abgase von der Reaktion
in dem Ofen gehen aufwärts durch das niederfallende Gut hindurch und werden meist
an einer Stelle unterhalb der Vorwärmzone durch die Auslässe 36 und die Kamine 37
abgezogen, während ein Teil dieser Gase durch die Kammer 7 geführt wird, ehe er
entweicht.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann die Gasauslaßleitung nach
dem Unterende des Ofens geführt werden, wo ein Luftzug eingeführt und das Gas um
den Herd 16 abgebrannt wird, um seinen Inhalt in geschmolzenem Zustand zu erhalten.
Diese Anordnung kann statt oder zusätzlich der Elektrodenbeheizung in dem Herd verwendet
werden. Gewünschtenfallskann auch Widerstandsheizung zusätzlich zu oder statt der
oben aufgezeigten Heizvorrichtung verwendet werden. Die Gasleitung kann weiterhin
mit einer Abzweigung versehen sein, die nach einer Kühl- und Waschxorriühtung führt,
von der
aus dass Gas in Vorratsräume gebracht werden kann, um es
zur Speisung eines Motors und einer Anlage zur Erzeugung von Elektrizität bereit
zu halten.
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Die Vorwärmkammer 7 kann auch elektrisch mit Hilfe von Elementen beheizt
werden, die außerhalb oder innerhalb dieser Kammer angeordnet sind.
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Die kegelförmigen Verteiler 6 werden vorzugsweise von vier sich rechtwinklig
kreuzenden Armen 8 getragen, derart, daß das herabfallende Gut abwechselnd in vier
Ströme unterteilt wird und dann in dem Auslauf i o wieder zusammenfließt, so daß
eine vollständige Ausbreitung des Guts erzielt wird, während es durch jede Stufe
des Ofens hindurchfällt, derart, daß jedes Gutteilchen der vollen Einwirkung der
Lichtbögen ausgesetzt wird. Die kegelförmigen Verteiler haben ferner die Wirkung,
daß sie ein Verstopfen durch das Gut, aber auch ein zu rasches Durchfließen des
Gutes durch den Ofen verhindern.
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Wenn Eisensand oder anderes Metalloxyd enthaltendes oder daraus bestehendes
Erzgut behandelt wird, kann .es mit einer gewissen Menge von Koks, Anthrazit oder
einem anderen Reduziermittel vermengt werden, bevor man es dem Füllrumpf 2 zuführt,
oder man bringt derartige Reduziermittel in den Herd 16 ein..
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Die Behandlung von Eisensand nach dem oben gezeigten Verfahren in
dem Ofen nach der Erfindung ermöglicht das Abstechen von =reinem Metall aus denn
Herd 16 durch einen der Auslässe und von Titanschlacke am anderen Auslaß, wobei
sich das ausgebrachte Metall als eine Titan-Stahl-Legierung erweist, in der der
Anteil an Titan sich nach der Zeitspanne richtet, während denen das behandelte Gut
in geschmolzenem Zustand in dem Herd gehalten wurde. Es wurde gefunden, daß immer
etwas Titan mit der Schlacke abgeht, die demgemäß verschiedene wirts,chaftliche
Wrwendungfinden kann, aber durch fortgesetzte Beheizung kann der Titangehalt der
Legierung auf weniger als i Prozent reduziert werden, wodurch die beste Sorte von
Titanstahl erzeugt wird. Gewünschtenfalls kann das neue Verfahren in einem inerten
Mittel ausgeführt werden; zu diesem Zweck müßte man ein inertes Gas am unteren Ende
der untersten Elektrodenkammer 12 einführen.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf irgendeine besondere Anordnung
der Elektroden in jeder Kammer 12, indem die Elektro,den in der einen Kammer unter
einem anderen Winkel angeordnet werden können als die in einer darüber-oder darunterliegenden
Kammer; es können- auch mehrere Elektrodenpaare in jeder Kammer angeordnet werdenn-'