DE60209146T2

DE60209146T2 - Elektrode, insbesondere für elektrolichtbogenöfen der stahlindustrie und dergleichen, und entsprechende operationsmethode

Info

Publication number: DE60209146T2
Application number: DE60209146T
Authority: DE
Inventors: Domenico łCent. Sviluppo Materiali S CAPODILUPO; Vittorio łCent. Sviluppo Materiali S RATTO; Eugenio łCent. Sviluppo Materiali Sp REPETTO
Original assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2022-10-26
Also published as: DE60209146D1; ITRM20010634A1; WO2003037038A3; ES2260496T3; WO2003037038A2; AU2002353509A1; ATE317630T1; EP1446984B1; ITRM20010634A0; EP1446984A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode und ein zugehöriges Arbeitsverfahren, die sich insbesondere auf Stahl-Lichtbogenöfen und dergleichen beziehen.
In Stahlwerken werden Stahlherstellungs-Elektroöfen eingesetzt, die Primärmaterial, wie beispielsweise Metallschrott und dergleichen, durch die Wärme schmelzen, die (direkt oder indirekt) von einem oder mehreren Wechselstrom- oder Gleichstrom-Lichtbögen stammt.
Die Lichtbögen werden durch die Spannung zwischen den Graphit-Elektroden und der Metallfüllung erzeugt.
Diese Elektroöfen verwenden Elektroden, deren unteres Ende, das als Elektrodenspitze bezeichnet wird, in einem Abstand zu dem Metall (Schrott oder Bad), das geschmolzen wird, angeordnet ist, der proportional zu dem Wert der Spannung zunimmt, die zwischen den Elektroden und der Beschickung angelegt wird.
Herkömmliche Elektroden sind während ihres Betriebs Verschleißerscheinungen an der Spitze (Spitzenabbrand) und an der Elektroden-Seitenwand (oxidativer Abbrand) ausgesetzt.
Aus verschiedenen technischen Arbeiten, u.a. „The Electric Arc Furnace – 1990", veröffentlicht vom International Iron and Steel Institute, geht hervor, dass oxidativer Abbrand von der Temperatur und von der Atmosphäre abhängt, die diese Elektroden umgibt, während der Spitzenabbrand proportional zu dem Wert der Stromdichte zunimmt, die die Elektroden durchläuft.
Im Allgemeinen kann der Graphitabbrand einer Elektrode in einem Stahlherstellungs-Elektroofen wie folgt angegeben werden:
Oxidativer Abbrand: macht ungefähr 50–70% des Gesamtabbrandes bei Hochleistungsöfen aus; und
Spitzenabbrand: die restlichen 30–50%.
Dieser Abbrand führt, wenn er zu hoch ist, zu häufigen Stillstandszeiten, die erforderlich sind, um die Funktionsfähigkeit der Elektrode wieder herzustellen.
Abbrand und Stillstandszeiten machen zusammen mit dem Verbrauch von Elektroenergie die bedeutendsten Kosten der Stahlherstellung aus.
Um die oben hervorgehobenen Probleme und insbesondere den oxidativen Abbrand zu verringern, wurden Elektroden entwickelt, deren Außenfläche mit Wasserstrahlen gekühlt werden. Letztere gelangen jedoch nicht an den Elektrodenabschnitt, der sich im Inneren des Ofens befindet.
Für metallurgische und Prozesszwecke wurden auch Elektroden entwickelt, die koaxial dazu eine Leitung zum Einleiten von Feststoffen in das Bad direkt im Inneren des Elektroofens aufweisen.
Diese Feststoffe, z.B. Kohle, sind eingesetzt worden, um Schaumschlacke zu erzeugen und die metallurgische Reduktion der Oxide auszuführen, die in der chemischen Zusammensetzung der bei der Stahlherstellung erzeugten Schlacke vorhanden sind.
Das Einleiten dieser Feststoffe führt jedoch zu weiteren Problemen, d.h. der Lichtbogen arbeitet instabil und häufig wird das optionale axiale Loch der Elektrode verstopft, über das die Materialien eingeleitet werden.
US-A-3.730.961 (Bryce) offenbart ein Verfahren zum Zünden eines Lichtbogenofens, bei dem ein Brennöl oder ein Gas über den Elektrodenkörper in den Zwischenraum zwischen der Elektrode und der Ofenbeschickung eingeleitet wird.
US-A-4.827.487 (Brotzmann et al.) offenbart einen Lichtbogenofen, bei dem kohlenstoffhaltiger Brennstoff über eine oder mehrere hohle Elektroden eingeleitet wird.
Das technische Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, neuartige Elektroden zu schaffen, die es ermöglichen, die oben aufgeführten Nachteile zu überwinden und es insbesondere ermöglichen, den Abbrand derselben und damit die Wartungseingriffe zu verringern.
Dieses Problem wird mit einer Elektrode gelöst, wie sie im beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
Der Hauptvorteil der Elektrode und des zugehörigen Arbeitsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in einer erheblichen Verringerung sowohl des Spitzen- als auch des oxidativen Abbrandes der leitenden unteren (Graphit-) Komponente der Elektrode, wodurch die Lebensdauer verlängert wird und die Anzahl der Austauschvorgänge derselben verringert wird.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden gemäß einer bevorzugten Ausführung derselben, die als nicht einschränkendes Beispiel dient, und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Elektroofens ist, der eine Mono-Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
2 eine schematische Ansicht der Elektrode in 1 in einem Längsschnitt derselben ist;
3 ein vergrößertes Detail der in 2 dargestellten Elektrode zeigt;
4 ein vergrößertes Detail der Elektrodenspitze zeigt, über die zwei Fluide gleichzeitig eingespritzt werden;
5 ein Temperaturänderungs-Diagramm einer Elektrode zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung gekühlt wird.
In 1 ist ein Stahl-Lichtbogenofen mit 1 gekennzeichnet.
Der Ofen 1 ist ein Gleichstrom-Mono-Elektroden-Lichtbogenofen, der in einem sogenannten Flachbad-Betriebsabschnitt liegt und über eine Speiseleitung 3 kontinuierlich beispielsweise mit Metallschrott 2 gespeist wird.
Der Ofen 1 umfasst einen Gehäuse-Unterabschnitt 4, der aus einem Schacht 5, der ein Metallbad 12 aufnimmt, in das Metallschrott 2 abgegeben wird, und einem leitenden Herd 6 zur Stromleitung besteht, in dem sich der entstehende geschmolzene Stahl sammelt, und einen Gehäuse-Oberabschnitt 7. Letzterer bildet die Haube der Schmelzkammer 8 und hat eine Öffnung 9, die das Einführen einer Elektrode 10 ermöglicht. In der vorliegenden Ausführung wirkt die Elektrode 10 als die Kathode (negativer Pol), und die leitenden Elemente 11 des leitenden Herdes wirken als die Anode (positiver Pol).
Die Elektrode 10 und die leitenden Elemente 11 sind elektrisch mit einem Generator 13 verbunden.
Durch die Spannung wird ein Lichtbogen 15 zwischen der unteren Spitze 14 der Elektro de 10 und der Badoberfläche 12 gezündet. Die Elektrode 10 umfasst eine erste Einrichtung zum Ausstoßen wenigstens eines Fluids auf das Metallbad 12 zu, das in dem Elektroofen enthalten ist, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Die Elektrode 10 umfasst, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, in ihrem oberen Abschnitt einen zylinderförmigen Säulenkörper 16, der aus Graphit oder metallischem leitenden Material besteht. In letzterem Fall ist der Säulenkörper 16 wassergekühlt und teilweise mit einer Schutzschicht aus isolierendem keramischen Material 17 überzogen.
In beliebigen Ausführungsvarianten besteht der untere Abschnitt 26 der Elektrode 10 einschließlich der Spitze 14 aus Graphit.
Des weiteren ist die Elektrode 10 am unteren Abschnitt 26 mit einem axialen Loch 19 versehen, wobei eine erste Einrichtung zum Ausstoßen eines Fluids, die eine Düse 20 umfasst, darin aufgenommen ist. Die Düse 20, die mittels einer durch sie hindurch verlaufenden Kühlleitung 18 wassergekühlt wird, kann im Inneren des Lochs 19 verschoben werden.
Zwischen der Düse 20, die einen minimalen Durchmesser von 40 mm hat, und dem axialen Loch 19 der Elektrode 10 befindet sich ein Spalt 40 mit einem Zwischenraum der von 0,5 bis 2,0 mm reicht.
An ihrer Unterseite endet die Lanze 20 in einem Düsenkopf 21 mit einer Form, die sich dazu eignet, einem über sie ausgelassenen Fluid 22 die gewünschten fluiddynamischen Eigenschaften, und vorzugsweise die eines kompakten Stahls, zu verleihen. Der Abstand zwischen dem Düsenkopf 21 und dem Elektrodenabschnitt 10, der aus dem Ende der Spitze 14 besteht, das sich näher an dem Metallbad befindet, reicht von 100 bis 1000 mm und ist so, dass das Fluid 22 keinen nennenswerten chemischen oder physikalischen Änderungen im Inneren der Elektrode 10 unterliegt.
Das Fluid 22 umfasst wenigstens eine durch Wärme abbaubare kohlenstoffreiche brennbare Komponente, insbesondere einen gasförmigen Kohlenwasserstoff, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die Methan, Ethan, Propan, Butan und Gemische daraus umfasst, und wird als „reaktives Fluid" bezeichnet, das in der Lage ist, eine reduzierendelverbrennende Wirkung auszuüben und metallurgische Funktionen analog zu denen von Kohle hat, die normalerweise im Inneren eines Elektroofens zu finden ist.
Das Fluid 22 tritt über die Ausstoßdüse aus und durchläuft den Endabschnitt des axialen Lochs der Elektrode mit einer geeigneten Geschwindigkeit, so dass es sich erwärmt, jedoch nicht so langsam, dass es wesentliche chemische Veränderungen erfährt, bis es die Spitze 14 der Elektrode 10 erreicht, an der seine molekulare Aufspaltung durch die durch einen Lichtbogen erzeugte Wärme ausgeführt wird.
Nach der molekularen Zersetzung des Fluids 22 durch die Lichtbogenwärme verwandelt sich der Lichtbogen 15 aufgrund des Vorhandenseins des Gases in dem ionischen Zustand, das, wenn es sich von der Spitze 14 der Elektrode 10 löst, in der Ofen-Atmosphäre oxidiert und so thermisch zu letzterer beiträgt und damit Energie-Einsparung bei der Stahlherstellung ermöglicht, in einen Plasma-Lichtbogen-AP (bei sehr hohen Temperaturen, die zwischen 15.000 und 20.000°C liegen).
Damit das Fluid 22 an die Elektrodenspitze gelangen kann, ohne dass es über den Zwischenraum nach oben steigt, wird durch ein geeignetes ringförmiges System eine sichere Dichtung an dem oberen Abschnitt dieser Elektrode geschaffen, an dem die Lanze eingeführt wird.
Die Elektrode 10 (Ausführungen aus Graphit und metallischem Material) umfasst, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, des Weiteren eine zweite Einrichtung 23 zum Ausstoßen eines zweiten Fluids 24. Die Einrichtung 23 ist an der zylinderförmigen Fläche der Elektrode 10 am unteren Ende des Körpers 16 angeordnet.
Das zweite Fluid 24 zeichnet sich durch seine antioxidativen Eigenschaften aus und kann brennbare Zusammensetzung auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise brennbares Öl, Kohlenstaub oder andere Karbide, wie beispielsweise Karbide von Kalzium, von Silizium oder Aluminium, umfassen oder durch sie ersetzt werden.
Brennbare Öle können Gasöl, Dieselöl, Benzine, Leichtöle aus der Erdölverarbeitung oder auch Ablauföle, die von der Schmierung mechanischer Bauteile stammen, Aufschlämmungen, Schneidöle, kohlenstoff- und wasserstoffhaltige Emulsionen umfassen.
Schließlich kann das ausgestoßene Fluid 24 vollständig oder teilweise aus Wasser bestehen.
Das Fluid tritt in Wechselwirkung mit der zylinderförmigen Graphitoberfläche, um eine Schutzwirkung auszuüben, durch die die Oxidation des Graphits an der Oberfläche des Körpers 26 erheblich verringert wird.
Des Weiteren kann das Fluid 24 neben den reduzierenden Wirkstoffen (die aus wasserstoffhaltigen Materialien auf Kohlenstoffbasis bestehen) auch wahlweise suspendierte hoch stabile Oxide, wie beispielsweise CaO, MgO, Al₂O₃ oder Karbonate, derselben umfassen, deren Funktion darin besteht, die Graphitoberfläche der Elektrode mit einer Schicht aus schützendem Material zu überziehen. Aufgrund der hohen Temperatur des Ofens lässt dieses so ausgebildete Fluid, das an der Elektrodenoberfläche entlanggleitet, seine Fluidphase verdampfen, so dass der feste Bestandteil auf der Elektrode abgeschieden wird und so eine sauerstoffdichte Beschichtung erzeugt, die als „Antioxidans-Sperre" 27 bezeichnet wird.
Dies verhindert Kontakt mit der oxidierenden Atmosphäre, die optional in dem Ofen vorhanden ist.
Die zweite Einrichtung 23 zum Ausstoßen besteht aus einem Ring aus Umfangsdüsen, die in Bezug auf die Düse 20 mit einer geeigneten Speiseschleife, die in 2 mit 25 gekennzeichnet ist, separat gespeist werden.
Über den Düsenkopf 21 wird, wie unter Bezugnahme auf 2, 3 und 4 zu sehen ist, das erste Fluid 22 ausgestoßen, das mit dem Metallbad und mit der darüber befindlichen Atmosphäre in einer Umgebung mit einer sehr hohen Temperatur reagiert.
Der Düsenkopf 21 kann einen einzelnen Einlass umfassen, über den ein Fluid, wahlweise in einem Gemisch, das mit wenigstens einer reaktiven Fluidkomponente erzeugt wird, eingespritzt wird, oder er kann eine Vielzahl von Auslassen umfassen, die jeweils einem reaktiven Fluid entsprechen, das separat von den anderen Fluiden ausgestoßen und zugeführt wird.
Die Position des Düsenkopfs 21 im Inneren des axialen Lochs 19 kann im Zusammenhang mit dem Abbrand der Spitze 14 variieren. Daher sollte die Düse 20 nicht stationär in Bezug auf die Elektrode sein, sondern in dem Loch 19 verschoben werden können.
4 zeigt lediglich als Beispiel einen Abschnitt der Elektrodespitze 10 und des Düsenkopfes 20, wenn gewünscht wird, gleichzeitig ein zweites Fluid 24 (z.B. Öl) und ein erstes Fluid 22 (Gas) im Inneren des Elektrodenlochs auszuspritzen, jedoch die Fluide bis zu der Lanzenspitze hinunter getrennt zu halten.
Das Einspritzen des ersten und des zweiten Fluids erzeugt einen Bereich 28, der chemische Umwandlungen ermöglicht, an dem Vorsprung des Düsenkopfs 21 zwischen der Spitze 14 der Elektrode 10 und der Badoberfläche 12, sowie ein Abgasvolumen, das durch das Reaktionsgas der zwei Fluide erzeugt wird und feste/flüssige Teilchen, die durch die freie Oberfläche des geschmolzenen Bades 12 eingefangen werden, sowie feste Teilchen aufnimmt, die durch die molekulare Zersetzung von Fluiden entstehen. Ein derartiges Abgasvolumen 29 lagert die Teilchen beim erneuten Ansteigen entlang der Elektrode auf deren Oberfläche ab, so dass eine Schicht aus festem Material erzeugt wird, die eine Funktion analog zu der der Antioxidans-Sperre 27 hat und die gesamte Oberfläche des unteren Abschnitts der Elektrode 10 überzieht, der die Spitze 14 umfasst.
Unter Bezugnahme auf 2, 3 und 4 wird im Folgenden das Arbeitsverfahren für die neuartige Elektrode beschrieben, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wobei die technischen Haupteigenschaften desselben den Aspekten gemäß unterteilt hervorgehoben werden, die Elektrodenabbrand, Länge des Lichtbogens, Metallogie und Ökologie betreffen.
Elektrodenabbrand
Um den oxidativen Abbrand der Elektrode aufgrund des Vorhandenseins von Luft oder Sauerstoff zu reduzieren, wurden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:

– Erzeugen einer Schicht aus reduzierendem (oder zumindest nicht oxidierendem) Gas um die Graphitelektrode herum, die sich über die gesamte Länge der Elektrode erstreckt,
– Erzeugen einer dünnen Sperre 27 aus festem Material, um so die Graphitoberfläche der Elektrode physikalisch und chemisch von der umgebenden Atmosphäre zu trennen.

Die Antioxidans-Sperre 27 kann durch die Oxide gebildet werden, die in dem zweiten Ausstoßfluid 24 vorhanden sind, oder durch das Gas, das durch die molekulare Zersetzung des Fluids entsteht, das durch Gase/Flüssigkeiten gebildet wird, die über die Düse 20 ausgelassen werden, wenn die Gase/Flüssigkeiten mit dem Plasma-Lichtbogen und mit der freien Oberfläche des Bades in Wechselwirkung treten, an der sich im Allgemeinen eine Schlacke befindet. In diesem letzteren Fall ist es nicht notwendig, feste Substanzen in dem Fluid 24, das über die Düse 20 ausgelassen wird, über den Einlass 30 einzulassen, um die feste Antioxidans-Schicht 27 zu erzeugen, da feste Substanzen bereits weitgehend in der Schlacke vorhanden sind.
Die Reaktion des Brennstoffs (Gas) 22 und des Fluids (Öl) 24 mit der Schlacke sowie der Kohlenstoff, der durch den Abbau des Brennstoffs 22 und des Fluids 24 entsteht, erzeugen ein Volumen von opakem Abgas 29, das auch die Spitze 14 der Elektrode 10 vor der Strahlung des Lichtbogens 15 schützt.
Die chemischen Reaktionen, die in dem Bereich 28 stattfinden, der unter der Düse 14 der Elektrode 10 liegt, gelten für alle Kohlenwasserstoffe mit geeigneten Verhältnissen und werden im Folgenden unter Bezugnahme auf das Einspritzen von Methan-Brennstoff beispielhaft dargestellt. CH₄ → C + 2H₂ (1)endotherme Reaktion C + 2H₂ +3/20₂→CO + 2H₂O (2)exotherme Reaktion
Die erste Reaktion (1), die das Aufbrechen (Cracken) der Kohlenstoff-Wasserstoff Bindungen bezeichnet, ermöglicht ein Kühlen der Spitze 14, wodurch ihr Abbrand reduziert wird.
Die zweite Reaktion (2), die auftritt, wenn die Produkte der ersten Reaktion (1) auf den Sauerstoff treffen, der in der Ofen-Atmosphäre vorhanden ist oder in dem Metallbad aufgrund der ablaufenden Reduktion enthalten ist, erwärmt das Metallbad, und zwar am praktischsten, wenn letzteres mit Schrott gespeist wird.
Die Temperaturen des Lichtbogens sind sehr hoch, so dass Sauerstoff, der zum Ausführen der zweiten Reaktion erforderlich ist, teilweise durch die Oxide (FeO, SiO₂, MnO usw.) erzeugt werden kann, die in der Schlacke vorhanden sind, wobei letztere dadurch reduziert wird.
Dies bringt positive metallurgische Effekte, wie beispielsweise Stahl-Entschwefelung, Rückgewinnung von Mangan, Chrom und Silika über die Reduktion der entsprechenden Schlacke-Oxide mit sich.
Die Reaktionen 1 und 2 erzeugen das Abgasvolumen 29, das aufgrund des Vorhandenseins fester Teilchen opak ist und so auch die Strahlung des Plasma-Lichtbogens 15 auf die Spitze 14 zu begrenzt, wodurch die Temperatur des letzteren gesenkt wird und dadurch der Graphitabbrand verringert wird.
Die wassergekühlte Düse 20 bewirkt eine Verringerung von oxidativem Abbrand, da sie die Durchschnittstemperatur der Elektrode absenkt.
Der niedrigeren Temperatur dort entspricht ein geringerer elektrischer Widerstand des Graphits der Elektrode 10 und damit eine geringere Erwärmung derselben durch Joule-Effekt.
Eine beispielhafte Berechnung, die lediglich das Kühlen und den Joule-Effekt berücksichtigt, zeigt, dass die Durchschnittstemperatur der Elektrode 10 ungefähr 250°C niedriger ist als die einer nicht gekühlten Elektrode (5).
Bei diesem niedrigeren Temperaturwert ist der entsprechende elektrische Widerstand des Graphits sowie die Wärmeleistung derselben ungefähr 5% niedriger.
Ein weiteres Kühlen der Elektrode 10 kann erreicht werden, indem die Elektrode beim Ende jedes Gießvorgangs, bevor sie ihren stabilen thermischen Zustand erreicht, herausgezogen wird und in einen Behälter mit einer nicht-oxidierenden Atmosphäre eingesetzt wird, in dem sie vor erneuter Verwendung abgekühlt werden kann. In der Zwischenzeit wird für die Produktion eine zweite Elektrode verwendet, die zuvor gekühlt wurde, oder neu ist, und durch einen zweiten Elektroden-Tragearm unabhängig von dem ersten an eine Arbeitsposition gebracht wird.
So kann vor erneutem Einführen der Elektrode in den Ofen die Temperatur desselben auf Werte im Bereich von 600–800°C abgesenkt werden, d.h. Werte, die einem Widerstandswert entsprechen, der ungefähr 20% niedriger ist als der einer nicht herausgezogenen, die im Ofen gehalten wird.
So ermöglicht es die aufgeführte Elektrode, indem die auf das Metallbad übertragene Wärmeleistung erhöht wird, sowie aufgrund der Möglichkeit, bei gleichen Stromstärken höhere Spannungen des Lichtbogens und damit größere elektrische Leistungen einzusetzen, eine Erhöhung der Ofen-Produktivität zu erreichen.
Zusammengefasst wird der Abbrand der Elektrode, der von der Temperatur abhängt und proportional zur Stromdichte ist, die an ihrer Spitze herrscht und ihre Erwärmung bewirkt, aufgrund der folgenden drei kombinierten Effekte verringert:

1. Größerer Durchmesser der Spitze 14 aufgrund des geringeren oxidativen Abbrandes, der über die gesamte Elektrode 10 erreicht wird.
2. Ablagern des durch die molekulare Zersetzung der über die Lanzen-Düse eingespritzten Fluide erzeugten Kohlenstoffs, der anstelle des Graphits der letzteren bei Reaktion mit einer oxidierenden Atmosphäre oxidiert.
3. Spitzen-Kühlwirkung, die durch die Dissoziationsreaktionen des eingespritzten Fluids induziert wird. Die Dissoziationsreaktionen, die endothermisch sind, verringern den Graphit-Sublimationseffekt aufgrund der sehr hohen Temperaturen des Lichtbogens.

Länge des Lichtbogens
Das Einspritzen von Fluiden über die Elektrode ermöglicht es, eine 20–60%ige Verkürzung des Lichtbogens 15 zu erreichen.
So strahlt der Lichtbogen 15 weniger stark auf die feuerfesten Wände des Ofens 1, wodurch der daran verursachte Schaden verringert wird und auch die Wärmeübertragung auf das Bad 12 verbessert wird.
Die erwähnten Ergebnisse sind in Stahlwerk-Elektroöfen bei Flachbad-Verarbeitungsritten ständig angestrebt worden, indem Schaumschlacken erzeugt wurden oder die elektrische Leistung verringert wurde, wodurch es zu Bad-Oxidation bzw. Verringerung der Produktivität kam.
Bei Kohlenstoffstählen verringert sich durch die mit diesem Verfahren erreichte Verkürzung des Lichtbogens die Notwendigkeit, Materialien (C, CaCO₃, Karbide) zum Erzeugen von Schaumschlacken einzusetzen. Bei der Herstellung von rostfreiem Stahl ist die Erzeugung von Schaumschlacke außerordentlich schwierig und kostenaufwendig hinsichtlich der Cr-Ausbeute, da Cr durch den für die Erzeugung erforderlichen Sauerstoff oxidiert wird. Dadurch wird mit diesem neuartigen Verfahren die gewünschte Verkürzung des Lichtbogens 15 erreicht und gleichzeitig die Cr-Ausbeute verbessert.
Metallurgische Aspekte
Beim Einsatz der Elektrode, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, bewirken die Reaktionsprodukte der eingespritzten Fluide, die hauptsächlich aus Gasen von der Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen bestehen, in Bezug auf eine normale Atmosphäre eine Begrenzung des Luftgehaltes in der Lichtbogen-Atmosphäre in einem Schmelzofen.
In dieser neuartigen Atmosphäre haben die durch die Wirkung der sehr hohen Temperaturen des Lichtbogens erzeugten Stickstoffionen einen Teildruck (Konzentration), der niedriger ist als der mit einem in offener Luft erzeugten Lichtbogen erzielte. Dies führt auch dazu, dass der Stahl, der hergestellt wird, in der Zone des Auftreffens des Lichtbogens in geringerem Maße Stickstoffeintritt ausgesetzt ist.
Der Vorteil dieses Effekts besteht darin, dass der abschließende Stickstoffgehalt des in dem Schmelz-Elektroofen hergestellten Stahls Werte erreichen kann, die vergleichbar mit denen sind, die bei der Stahlherstellung im integrierten Zyklus (integrated cycle steelmaking) erreicht werden können (20–50 ppm).
So wird die Notwendigkeit von Denitrierungsbehandlungen verringert, die für die meisten Stähle zum Erreichen der analytischen Ziele erforderlich sind. Bei letzteren sollte der Stickstoffgehalt der niedrigstmögliche sein.
Des Weiteren haben die Produkte des Einlassens dieser Fluide, die im Wesentlichen aus Substanzen bestehen, die sich mit dem vorhandenen Sauerstoff verbinden können, bei ihrer Wechselwirkung mit der über dem geschmolzenen Bad 12 vorhandenen Schlacke einen reduzierenden Effekt.
Dieser Effekt bringt die folgenden metallurgischen Konsequenzen mit sich:

Verbesserung der Stahlqualität, insbesondere hinsichtlich der Verringerung von Stickstoff und Schwefelgehalt;
Rückgewinnung von Metallen (Cr, Si, Fe, Mn) aus der Schlacke.

Somit wurde eine allgemeine Verbesserung der Stahlqualität verzeichnet.
Ökologische Aspekte
Der Einsatz der Elektrode, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ermöglicht es, allgemein die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, wobei dies auf verringerte

NO_x Erzeugung aufgrund des geringeren Vorhandenseins von Stickstoffionen in dem Plasma-Lichtbogen;
CO₂Erzeugung zurückzuführen war, da die Verkürzung des Lichtbogens die Notwendigkeit verringert, Kohlenoxide zum Ausbilden von Schaumschlacken zu erzeugen. Des Weiteren wird die Notwendigkeit verringert, Kohle einzulassen, um Schlacke-Reduktion auszuführen.

Beispiele
Um die Wirkungen einer Elektrode gemäß dem Ziel der vorliegenden Erfindung zu prüfen, wurden Tests in einem Gleichstrom-Flachbad-Monoelektroden-Elektroofen ausgeführt, wobei Elektroden, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, und herkömmliche Elektroden getestet wurden.
Tabelle
Es versteht sich, dass analoge Vorteile mit anderen Elektroden-Konfigurationen und beim Einsatz des oben beschriebenen zugehörigen Arbeitsverfahrens erreicht werden können. An der oben beschriebenen Elektrode kann ein Fachmann, um weitere relevante Erfordernisse zu erfüllen, verschiedene weitere Abwandlungen und Veränderungen vornehmen, die jedoch sämtlich in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Elektrode (10), insbesondere für Stahl-Lichtbogenöfen und dergleichen, die umfasst: einen zylinderförmigen Säulenkörper (16) aus leitendem Material, der teilweise mit einer Schutzschicht (17) aus isolierendem Material überzogen ist, und ein axiales Loch (19), das in einem unteren Abschnitt (26) des Säulenkörpers (16) ausgebildet ist, eine Einrichtung (20, 23) zum Ausstoßen von Fluid (22) auf das Metallbad desselben zu, wobei das Fluid eine durch Wärme zersetzbare, kohlenstoffreiche brennbare Komponente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ausstoßen von Fluid umfasst: eine Lanze (20), die verschiebbar im Inneren des axialen Lochs (19) aufgenommen ist und in einem Düsenkopf endet, der das Fluid ausstößt, um eine Wolke zu erzeugen, die die Spitze (14) der Elektrode (10) abschirmt und die Oberfläche der Elektrode mit einer festen Schicht (27) überzieht, und Düsen, die auf die zylinderförmige Fläche der Elektrode (10) positioniert sind, um ein weiteres Fluid (24) auszustoßen, am unteren Ende des Säulenkörpers (16), um in Wechselwirkung mit der Oberfläche zu treten und eine schützende Wirkung auszuüben.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffreiche brennbare Komponente ein gasförmiger Kohlenwasserstoff ist, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Methan, Ethan, Propan, Butan und Gemischen daraus besteht.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei der Düsenkopf (21) eine Vielzahl von Auslassabschnitten umfasst, die jeweils wenigstens einer Komponente entsprechen, die separat zu den anderen ausgestoßen und zugeführt wird.
Elektrode (10) nach Anspruch 2, wobei sich der gasförmige Kohlenwasserstoff eignet, um eine reduzierende/verbrennende Wirkung auszuüben, und metallurgische Funktionen hat, die analog zu denen von Kohle sind, die sich normalerweise im Inneren eines Elektroofens befindet.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei das Fluid flüssige und/oder feste Brennstoffe umfasst.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei das weitere Fluid einen Wasserdurchfluss umfasst.
Elektrode (10) nach Anspruch 2, wobei der Durchfluss des gasförmigen Kohlenwasserstoffes von 3 bis 300 Nm³/h reicht und eine Gasauslassgeschwindigkeit aus dem axialen Loch der Elektrode von 0,5 bis 50 m/s reicht.
Elektrode (10) nach Anspruch 2, wobei für den Auslassquerschnitt des gasförmigen Kohlenwasserstoffs ≥ 80 mm² gilt.
Elektrode (10) nach Anspruch 3, wobei der Düsenkopf (21) einen geradlinigen Strahl hat.
Elektrode (10) nach Anspruch 3, wobei der Abstand zwischen der Düse (21) und der Spitze (14) der Elektrode (10) von 100 bis 1000 mm reicht.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der Lanze (20) und dem Loch (19) von 0,5 mm bis 2,0 mm reicht.
Elektrode (10) nach Anspruch 11, wobei die Lanze (20) einen minimalen Durchmesser von 40 mm hat.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei das weitere Fluid (24) Brennstoffzusammensetzungen auf Kohlenstoffbasis und/oder Karbide umfasst.
Elektrode (10) nach Anspruch 13, wobei die Brennstoffzusammensetzungen auf Kohlenstoffbasis Kohlenstaub, brennbare Öle, d.h. Gasöl, Dieselöl, Benzine, Leichtöle aus der Erdölverarbeitung, Ablauföle, die von der Schmierung mechanischer Bauteile stammen, Aufschlämmungen, Schneidöle, kohlenstoff- und wasserstoffhaltige Emulsionen umfassen; und wobei die Karbide Karbide von Kalzium, von Siliziumoxid und von Aluminium umfassen.
Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei das Fluid und/oder das weitere Fluid hoch stabile Oxide (CaO, MgO, Al₂O₃) oder Karbonate derselben umfasst.