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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen und Schützen der
Kathode in Gleich- oder Wechselstrom-Lichtbogenöfen (EAF), wie sie in Stahlwerken
zum Schmelzen von eisenhaltigen Materialien, vorzugsweise Schrott,
und anderen Metallen verwendet werden.
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Genauer
betrifft die die Erfindung eine Vorrichtung, die zum Kühlen und
Schützen
des sich verbrauchenden Teils, zum Beispiel aus Graphit, der Elektroden
des Ofens geeignet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
Stand der Technik umfaßt
Lichtbogenöfen
(EAF), bei denen die Elektroden oder Kathoden aus Graphit vertikal
von jeweils einer Klemmvorrichtung gehalten werden, die sich am
Ende eines horizontalen Arms befindet, dessen anderes Ende mit einer
Haltesäule
verbunden ist.
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Die
Graphitsäule,
die die Elektrode bildet, wird durch Verbinden von mehreren Segmenten
erhalten, die mittels Zwischenelementen verbunden werden, die Nippel
genannt werden und die aus dem gleichen Material sind.
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Die
maximalen thermomechanischen Spannungen und die dynamischen Kräfte aufgrund
von Vibrationen des Arms treten sowohl an den verbindenden Zwischenelementen
als auch an der Klemmvorrichtung des Elektroden-Haltearms auf.
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Diese
Spannungen können
zur Folge haben, daß die
Elektrode bricht: Je größer die
freie Länge der
Auslenkung (Höhe)
der Säule
und des freien Auslegers des Arms ist und um so höher die
Temperatur der Elektrode ist, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit,
daß die
Elektrode bricht.
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In
einem elektrischen Ofen erreicht während des Schmelzens von Metall
die Graphitsäule
in der Tat normalerweise aufgrund der Auswirkungen des Lichtbogens,
des Durchgangs der angewendeten elektrischen Ströme (Joule-Effekt) und des Wärmeaustausches
mit dem Inneren des Ofens eine sehr hohe Temperatur, so daß sie dazu
neigt, zunehmend verbraucht zu werden. Es ist daher erforderlich,
sie mit neuen Graphitsegmenten zu versehen.
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Der
Stand der Technik umfaßt
Kühlsysteme und
Vorrichtung, die vor allem, wenn nicht ausschließlich, auf den metallischen
Teil der Elektrode einwirken, um einen Teil der Wärme abzuführen, der durch
Wärmeleitung
von der Graphitsäule
zum metallischen Teil gelangt. Auf diese Weise versuchen diese Systeme,
durch Senken der Temperatur des metallischen Teils der Elektrode
die Temperatur der Graphitsäule
zu senken.
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Solche
Kühlsysteme
und Vorrichtungen sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend und
erreichen auch nicht den gewünschten
Zweck; das heißt sie
bewirken in der Praxis keine wirksame Kühlung des unteren Teils der
Kathode, der aus Graphit ist.
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Die
FR-A-2 697 398 beschreibt eine Vorrichtung, bei der die Elektroden
zwischen mehreren Kontaktplatten gehalten werden, die jede eine
schmale untere Kammer mit einer langen Kontaktfläche aufweisen, die sich in
eine weite obere Kammer öffnet, die
durch Wasser gekühlt
wird, das in doppelten Wänden
umläuft.
Eine genau berechnete Menge einer Flüssigkeit, z. B. Quecksilber
oder ein metallisches Halogenid wie TiBr4,
mit einem verringerten Druck in den Kammern verdampft in der unteren Kammer,
kondensiert in der oberen Kammer und fällt als Flüssigkeit über Verteilungsdeflektoren
zurück. Auf
die Platten wird über äußere Klemmstücke, die ebenfalls
mit Kammern versehen und wassergekühlt sind, Druck ausgeübt. Bei
dieser bekannten Vorrichtung wird die Flüssigkeit, die in der oberen
Kammer gekühlt
und kondensiert wurde, mittels zwei oberen geneigten Hauptdeflektoren
und einer Anzahl von geneigten kleinen Deflektoren in der unteren
Kammer in der Nähe
der inneren Wand auf die innere Wand gerichtet, die mit der Elektrode
in Kontakt steht. Die auf die innere Wand gerichtete Flüssigkeit verdampft,
sobald sie mit dieser Wand in Kontakt kommt, und steigt zu der oberen
Kammer auf, so daß zwischen
den Deflektoren und der inneren Wand eine gefährliche und unerwünschte Gegenströmung nach
oben entsteht.
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Die
Anmelderin hat die vorliegende Erfindung ersonnen, geprüft und ausgeführt, um
die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und weitere Vorteile
zu erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Kühlen
und Schützen
der Kathode in einem Lichtbogenofen ist im Hauptanspruch 1 dargelegt
und charakterisiert. Die Unteransprüche beschreiben andere, innovative
Eigenschaften der Erfindung.
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Ein
Zweck der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es ermöglicht,
den unteren, sich verbrauchenden Teil der Kathode zu kühlen und
die gleichzeitig diese gegen mögliche
mechanische Beanspruchungen und/oder Strukturschäden schützt, die vor allem durch die
hohen Temperaturen entstehen.
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Ein
anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung
zu schaffen, die die Verdampfung von Wasser und den hohen Wärmeaustausch
ausnutzt, der mit einer Zustandsänderung (Gas-Flüssigkeit)
verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, das Problem des Brechens der Elektroden dadurch zu
beheben, daß in
die Struktur von Öfen
des herkömmlichen
Typs ein Kühlelement
mit mechanischer Verstärkungswirkung
eingebaut wird.
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Das
Element weist einen hüllenartigen
Aufbau auf und wird mittels eines geschlossenen Verdampfungskreislaufs
gekühlt,
der geeignet ist, sich mit der Elektrode als Einheit zu bewegen
und davon elektrisch isoliert zu sein.
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Die
Hülse ist
innen durch eine vertikale Trennwand in wenigstens zwei Hohlräume oder
Kanäle
aufgeteilt, die an ihren oberen und unteren Enden miteinander in
Verbindung stehen.
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Die
Trennwand ermöglicht
es auch, den Verdampfungsbereich vom Kondensationsbereich, der gegen
die Umgebung thermisch isoliert ist, zu trennen.
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Ein
Kondensator, der aus einem Wärmetauscher
besteht, dient zur Kondensation des Dampfes, der durch den Antischwerkrafteffekt
in den oberen Bereich des Elements aufsteigt.
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Im
Gegensatz dazu sinkt das kondensierte Wasser aufgrund der Schwerkraft
in den unteren Sammelteil ab, wo es zu verdampfen beginnt und so den
Kreislauf schließt.
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Genauer
gesagt umfaßt
somit die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen metallischen Aufbau oder eine metallische Hülse, der
bzw. die an der Außenseite
des sich verbrauchenden Graphitbereichs der Kathode angeordnet ist
und der bzw. die mit einer Gruppe von aufsteigenden und absteigenden
Leitungen versehen ist, die die untere Kammer, in der sich das Kühlwasser
sammelt, mit der oberen Kammer verbinden, in der der Dampf kondensiert und
in Wasser übergeführt wird.
Der Dampf steigt in einer der Leitungen von der unteren Kammer in
die obere Kammer auf während
das Wasser in einer anderen Leitung von der oberen Kammer in die
untere Kammer absinkt.
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Bei
einer Ausführungsform
steigt der Dampf in der Leitung auf, die der Außenseite der Kathode am nächsten ist,
während
das Wasser in der äußeren Leitung
absinkt, die daher von der Außenseite
der Kathode am weitesten weg ist.
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Der äußere Bereich,
das heißt
der Bereich, der nicht zur Kathode zeigt, kann mit einem beliebigen
Isoliermaterial abgedeckt sein, um ihn vor den hohen Temperaturen
im Ofen zu bewahren.
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Diese
Lösung
kühlt nicht
nur die Kathode, sondern verringert auch die Gefahr, daß sie bricht. Nur
ein Teil des sich verbrauchenden Graphitabschnitts steht aus der
Hülse vor,
weshalb die Kathode gegen die radialen Spannungen, denen die Elektrode normalerweise
unterliegt, viel widerstandsfähiger
ist.
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Bei
einer anderen Variante befindet sich der Wassertank in der Hülse oder
dem Ra diator, das heißt
der unteren Kammer, oberhalb der Hälfte oder sogar oberhalb zwei
Dritteln des gesamten metallischen Aufbaus, mit Ausnahme der Kondensatorzone.
Auf diese Weise wird die Oberfläche
vergrößert, die
von dem hohen Wärmeaustausch
beeinflußt
wird, und es ist möglich,
die Elektrode leichter zu kühlen, so
daß ihre
Temperatur um 300–400°C fällt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist die Hülse
mit drei Kanälen
versehen, von denen wenigstens einer, zum Beispiel der, der der
Kathode am nächsten
ist, für
den Dampf ist und ein anderer, zum Beispiel der mittlere, für das Wasser
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
mit drei Kanälen
wird der mittlere Kanal für
den Abstieg des Wassers verwendet, während die beiden seitlichen
Kanäle,
die beide aufgrund des Vorhandenseins der Dämpfe und der Kathode hohen
thermischen Gradienten unterliegen, für den Aufstieg des Dampfes
verwendet werden.
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Bei
allen diesen Ausführungsformen
steigt der sich bildende Dampf im Aufstiegskanal oder den Aufstiegskanälen nach
oben, bis er die obere Kammer des Kreislaufs oder die Kondensationszone
erreicht, wo er mit den relativ kühlen Wänden des Kondensators in Kontakt
kommt, kondensiert und Wärme abgibt.
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Die
Kondensattropfen, die sich auf den Wänden bilden, führen zu
der Ausbildung einer Wasserschicht, wobei das Wasser aufgrund der
Auswirkungen der Schwerkraft im nach unten führenden Kanal abfließt, bis
es die untere Kammer oder die Verdampfungszone erreicht und den
Abschnitt der Kathode kühlt,
der damit verbunden ist.
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Beim
Einfließen
in die Verdampfungszone vermischt sich das Kondensat mit dem dort
befindlichen Wasser und führt
so Wärme
von der Kathode ab. Durch die latente Energie, die eine Zustandsänderung
begleitet, wird eine große
Wärmemenge
von der Verdampfungszone zu der Kondensationszone befördert.
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Der
gesamte Wärmeaustausch
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine Funktion der Werte der Koeffizienten für den Wärmeaustausch im Verdampfungs-
und Kondensationsschritt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
die folgenden Vorteile erhalten werden:
- – Der Verbrauch
an Graphitelektroden wird verringert;
- – das
mechanische System Säule-Arm-Elektrode wird
verstärkt;
- – die
Elektrode wird mit dem Nutzen einer erhöhten mechanischen Festigkeit
gekühlt;
- – die
freie Länge
der Auslenkung der Elektrodensäule
wird verringert.
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Dies
führt zu
einer Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Lebensdauer
der Elektrode.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der
folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen als nicht einschränkende Beispiele
anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Kühlen
der Kathode eines Lichtbogenofens;
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2 einen schematischen Längsschnitt durch
eine erste Variante der Vorrichtung der 1; und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch
eine zweite Variante der Vorrichtung der 1.
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GENAUE BESCHREIBUNG VON
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 10 gezeigt,
die an einer Elektrode oder Kathode 11 in einem Lichtbogenofen
eines herkömmlichen
Typs, der in der Zeichnung nicht gezeigt ist, angebracht ist.
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Die
Kathode 11 umfaßt
eine vertikale Säule 12 aus
Graphit, die von einer Klemmvorrichtung 13 gehalten wird,
die sich am Ende eines horizontalen Arms 15 befindet, der wiederum
auf die herkömmliche
Art durch eine Haltesäule
gehalten wird, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist.
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Die
Vorrichtung 10 umfaßt
einen ringförmigen
metallischen Aufbau oder eine ringförmige metallische Hülse 16,
zum Beispiel aus Stahl, der bzw. die um die Graphitsäule 12 angeordnet
ist und sich teilweise innerhalb eines Loches 14 in der
oberen Abdeckung 20 des elektrischen Ofens befindet.
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Der
Aufbau 16 umfaßt
eine innere Wand 17, eine äußere Wand 18 und wenigstens
eine Trennwand 19, die zusammen einen ersten vertikalen
Kanal 21 zwischen der inneren Wand 17 und der
Trennwand 19 und einen zweiten vertikalen Kanal 22 zwischen
der Trennwand 19 und der äußeren Wand 18 festlegen.
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Im
unteren Teil des Aufbaus 16 befindet sich eine erste Kammer 23,
während
sich im oberen Teil des Aufbaus 16 eine zweite Kammer 25 befindet,
die mit der ersten Kammer 23 über die vertikalen Kanäle 21 und 22 in
Verbindung steht.
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Der
Aufbau 16 kann außen
mit einer Schicht 26 aus einem feuerfesten Material umkleidet
sein.
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In
den Aufbau 16 wird eine Kühlflüssigkeit gegeben, zum Beispiel
Wasser.
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In
Entsprechung zur oberen Kammer 25 ist ein Kondensator 27 eines
herkömmlichen
Typs vorgesehen, an dem der Dampf, der sich in der unteren Kammer 23 oder
der Verdampfungszone bildet und der durch einen der vertikalen Kanäle nach
oben steigt, zum Beispiel durch den Kanal 21, kondensieren
kann. Die Kondensattropfen, die sich in der oberen Kammer 25 oder
der Kondensationszone bilden, gelangen durch den anderen vertikalen
Kanal, zum Beispiel den Kanal 22, wieder in die untere
Kammer 23 hinab.
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Die
beschriebene Vorrichtung ist dafür
geeignet, die Säule 12 zu
kühlen
und gleichzeitig zu schützen,
die sich sehr stark aufheizt und sehr hohe Temperaturen erreicht.
Sie ermöglicht
es, die Säule 12 so
einzuspannen, daß die
Gefahr eines Bruchs verringert ist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform,
die in der 2 gezeigt
ist, ist der Aufbau 16 mit einer zweiten Trennwand 30 versehen,
die zur Wand 18 parallel ist und die einen dritten äußeren vertikalen Kanal 31 festlegt.
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In
diesem Fall sinken die Wassertropfen, die in der oberen Kammer 25 kondensieren,
durch den mittleren Kanal 22 in die untere Kammer 23 ab,
während
der Dampf, der sich in der unteren Kammer 23 bildet, über die
seitlichen Kanäle 21 und 31 nach oben
steigt.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform,
die in der 3 gezeigt
ist, hat die untere Kammer 23 eine Höhe von bis zu etwa zwei Dritteln
der Gesamthöhe des
Aufbaus 16.
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Es
ist offensichtlich, daß die
beschriebene Kühlvorrichtung
modifiziert und mit Zusätzen
versehen werden kann, die innerhalb des Gebiets und Umfangs der
Erfindung bleiben.