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Elektromagnetische Rührvorrichtung für metallurgische Schmelzöfen
oder Mischer
Es ist bekannt, in metallurgischen Schmelzöfen oder Mischern eine Umrührung
des Bades durch eine unter dem Ofenboden angeordnete Rührvorrichtung herbeizuführen,
die aus einem mehrphasigen, mit Wechselstrom von sehr niedriger Frequenz gespeisten
Spulensystem mit magnetischem Kern besteht, d. h. mit einer Frequenz, die erheblich
unter der Netzfrequenz liegt. Dieser »induktive Umrührer« erzeugt ein in der Phasenfolge
fortschreitendes Feld, das Ströme in der Schmelze induziert. Durch Wechselwirkung
zwischen diesen Strömen mit dem Feld der Spule werden in der Schmelze Kräfte erzeugt,
die die Schmelze den Ofenboden entlang in der Richtung der Phasenfolge treiben.
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In der Zeichnung ist in Fig. I die bisher übliche Anordnung bei Schmelzöfen
mit Umrührern dargestellt, während Fig. 2 bis 7 verschiedene Anordnungen der Umrührer
nach der Erfindung zeigen.
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In der Zeichnung bezeichnet in allen Figuren I den Ofenherd, 2 die
Einsatzöffnung oder Einsatzöffnungen und 3 das Stichloch. Der oder die Umrührer
sind mit 4 bezeichnet und sind auf der Zeichnung gestrichelt angegeben, da sie unter
dem Ofen liegen. B bezeichnet die Stelle oder die Stellen im Ofen oder in der Schmelze,
wo der Bodenstrom sich wendet und in den Oberflächenstrom übergeht, während S die
Stelle bezeichnet, wo der Oberflächenstrom in denBodenstrom übergeht. Die in die
Umrührer eingezeichneten Pfeile geben die
Wanderrichtung des magnetischen
Kraftfeldes an, während die voll ausgezogenen Kurven die Strömungsrichtung an der
Oberfläche des Bades wiedergeben.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung eines einfachen Umrührers nach der Erfindung
in einem axialsymmetrischen Ofen, Fig. 3 die Anordnung eines Umrührers in einem
langgestreckten Ofen; die Fig. 4a und 4b zeigen die Strömungsverhältnisse bei einem
langgestreckten Ofen mit zwei Umrührern und mit verschiedener Wanderrichtung des
magnetischen Feldes, Fig. 5 a und 5 d eine Anordnung nach der Erfindung bei einem
axialsymmetrischen Ofen mit zwei Umrührern; Fig. 6 zeigt die Anordnung von drei
Umrührern bei einem langgestreckten Ofen und Fig. 7 die Anordnung von vier Umrührern
bei einem langgestreckten Ofen.
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Die für den vorliegenden Zweck verwendeten Umrührer sind symmetrisch
um eine alle Phasen schneidende Längssymmetrieebene aufgebaut, und in bisher bekannten
Öfen wird nur ein Umrührer benutzt, der immer so im Verhältnis zum Ofen angeordnet
ist; daß die genannte Symmetrieebene sich symmetrisch in Hinsicht auf den Schmelzraum
erstreckt. Die Absicht ist nämlich, die Strömung der Schmelze symmetrisch zu beiden
Seiten der Symmetrieebene des Umrührers auszubilden.
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Ist beispielsweise der Schmelzraum wie in den meisten Lichtbogenöfen
axialsymmetrisch, so enthält immer die Längssymmetrieebene des Umrührers die Ofenachse,
und das Strömungsbild in der Badoberfläche bildet sich ungefähr, wie in Fig. I dargestellt,
aus, wenn die Bodenströmung in Richtung von der Einsatzöffnung gegen das Stichloch
gerichtet ist. Die Oberflächenströmung, die man beobachten kann, ist nämlich nicht
gleich der von den magnetischen Kräften hervorgerufenen, sondern man sieht hier
nur die Rückströmung von der Mischzone B, wo die Bodenströmung heraufkommt bis zur
Zone S, wo die Rückströmung wieder von der Bodenströmung nach unten gesaugt wird.
Dieser Strömungsverlauf wird auch nicht in dem Falle geändert, wenn der Ofen und
der Umrührer im Verhältnis zueinander drehbar gemacht werden, da ja die Drehung
immer um die Ofenachse erfolgt. Es ist nur der Durchmesser B-S, der sich dreht,
und damit auch das Strömungsbild, aber nicht die Geschwindigkeitsverteilung um B-S.
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In langgestreckten Öfen, wie Roheisenmischern oder Martinöfen, sind
die Verhältnisse dieselben, gleichgültig, ob die Längssymmetrieebene des Umrührers
die Längsachse oder kurze Achse des Schmelzraumes enthält.
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Es hat sich aber gezeigt, daß beachtliche Vorteile gewonnen werden,
wenn der Umrührer aus der oben beschriebenen Symmetrielage seitlich verschoben wird,
d. h. senkrecht zu der eigenen Längssymmetrieebene, so daß er nicht mehr den Schmelzraum
halbiert. Hierdurch wird nämlich auf der einen Seite der Längssymmetrieebene des
Umrührers der Raum, der für den Rückstrom der Schmelze von der Mischzone B bis zur
Beschleunigungszone S bestimmt ist, vergrößert, und statt der zwei kleinen Wirbel
in der Oberflächenströmung der Schmelze nach Fig. I beobachtet man nun hauptsächlich
einen großen Wirbel nach Fig. 2, der das ganze Bad in Rotation versetzt.
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Wählt man diesen Strömungsverlauf, so geschieht dies nicht, um eine
bessere Mischung der Bodenschicht mit der Oberflächenschicht der Schmelze zu erhalten.
Wenn man die Mischung der Schmelze intensiver machen will, ist es besser, die Anordnung
nach Fig. I beizubehalten und ab und zu die Phasenfolge umzukehren und damit die
Mischungszone um I800 zu versetzen. Dagegen ist der neue Strömungsverlauf dem älteren
während der Abschlackungsperiode überlegen. Der große Wirbel-streicht nämlich direkt
an der Einsatzöffnung vorbei und bringt mit großer Geschwindigkeit die Schlacke
von der ganzen Badfläche mit sich, so daß die Schlacke von selbst abfließen kann,
wenn der Ofen etwas nach hinten geneigt wird. In der Anordnung nach Fig. I dagegen
hört die Bewegung der Schlacke bei S in einem verhältnismäßig großen Abstand von
der Einsatzöffnung auf. Da also die beiden Anordnungen ihre besonderen Vorteile
während verschiedener Arbeitsperioden haben, die ältere während der Raffinierung
und die neue während der Abschlackung, wird der Umrührer am besten ausgenutzt, wenn
er in seitlicher Richtung senkrecht zu seiner eigenen Längssymmetrieebene verschiebbar
gemacht wird.
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In langgestreckten Öfen kleiner Größe, z. B.
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Martinöfen von 10 und dem Mehrfachen von 10 t, ist der Schmelzraum
so eng (z. B. 2t/2 m bei 20 daß bei symmetrischer Anordnung des Umrührers unter
der großen Achse des Schmelzraumes die Rückströmung der Schmelze (die eine entgegengesetzte
Richtung wie die Bodenströmung hat), einen zu großen Strömungswiderstand erfährt,
weil der Querschnitt für die Rückströmung unzureichend ist. Bei solchen Ofen ist
es deshalb zweckmäßig, den Umrührer in der Längsrichtung des Ofens, z. B. auf der
Rückseite der Längssymmetrieebene anzuordnen, denn die andere Hälfte des Schmelzraumes
soll sowenig wie möglich von den Kräften des Umrührers beeinflußt werden, da sie
ja für den Rückstrom vorgesehen ist (s. Fig. 3). Um die Verhältnisse in der linken
und rechten Ofenhälfte möglichst gleich zu machen, ist es zweckmäßig, ab und zu
die Phasenfolge umzukehren und dadurch auch die Strömungsrichtung während der Raffinierung
sowie während der Abschlackung.
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Bei großen, langgestreckten Öfen, z. B. Martinöfen von 50 und dem
Mehrfachen von 50 t, kann es zweckmäßig sein, wie beispielsweise in Fig. 4a und
4b gezeigt, zwei oder mehrere Umrührer in Reihe hintereinander anzuordnen. Werden
mehrere Umrührer unter dem Ofen angeordnet, so liegt es am nächsten, sie in der
Längssymmetrieebene des Ofens anzuordnen, aber nach der Erfindung werden sie seitlich
dieser Symmetrieebene angeordnet,
z, B. unter der hinteren Hälfte
des Schmelzraumes, wobei sie mit gleicher oder entgegengesetzter Phasenfolge angetrieben
werden. Wenn bei entgegengesetzter Phasenfolge die Schmelze in der linken und rechten
Ofenhälfte nach außen entlang der Rückseite des Ofens getrieben wird, entstehen
Mischzonen B am linken und rechten Ende des Ofens, und die Schlacke wird von der
Rückströmung zu den Einsatzöffnungen auf der Vorderseite des Ofens getrieben (s.
Fig. 4a). Wird die Phasenfolge für beide Umrührer umgeschaltet, werden die Mischzonen
B zur Ofenmitte hin versetzt, wohin auch die Schlacke getrieben wird, um später
mit der Rückströmung nach außen zu wandern und an allen Einsatzöffnungen vorbeizustreichen
(Fig. 4b). Werden beide Phasenfolgen abwechselnd benutzt, so wird die Schmelze auch
in sehr großen Öfen sehr gut gemischt und gleichzeitig damit die Abschlackung bedeutend
erleichtert. Natürlich hindert nichts, daß auch in diesem Falle die Umrührer senkrecht
zu ihrer Längssymmetrieebene verschiebbar sind.
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Schließlich kann es aus Normalisierungs- und Transportgründen vorteilhaft
sein, z. B. bei sehr großen Lichtbogenöfen oder Mischern oderMartinöfen von einem
gewissen Durchmesser ab nicht mehr die Umrührer zu vergrößern, sondern statt dessen
ihre Anzahl größer zu machen. Bei einem großen Lichtbogenofen können also zwei kleine
Umrührer einander gegenüber mit einem gewissen Abstand zwischen ihren Längssymmetrieebenen
angeordnet werden, und zwar auch symmetrisch zur Ofenachse oder zu einer der Symmetrieebenen
des Ofens.
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Zusammen mit der Umschaltung der Phasenfolge erhält man beispielsweise
vier Kombinationen nach den Fig. 5 a, gb, 5 c, 5 d mit Mischzonen an vier verschiedenen
Stellen und nach Fig. 5c bzw. 5 d außerdem die Möglichkeit, eine Rotation des Bades
im Uhrzeigersinn bzw. gegen denselben zu erhalten. In Martinöfen mit 100 oder einem
Mehrfachen von 100 t (z. B. mit einer Badfläche von 6 X 15 m2 für 500 t) geht man
vielleicht zu drei Umrührern nach Fig. 6 oder vier Umrührern nach Fig. 7 über, um
die Dimensionen der Einheit zu begrenzen und um die Mischzonen gleichmäßiger über
den sehr großen Schmelzraum zu verteilen.