WO1989011774A1 - Wear-resistant electrode for direct current arc furnaces - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for melting metallic materials in a direct current arc furnace according to the preambles of claims 1 and 2.
  • the power supply to the DC arc furnaces is effected by electrodes connected to the energy station, which are usually arranged on support arms. The current is fed back to the same energy station.
  • the forces acting on the weld pool during operation of the arc furnace are directed perpendicular to the electromagnetic field lines and cause a bath movement which is directed from the outside against the axis of the electrode projecting in the bath.
  • the molten bath flow has a direct negative effect on the electrode face.
  • the object of the invention is to provide a direct current arc furnace which, with a simple structure and with unchanged melting capacity, has less wear on the refractory lining of the furnace and the positive electrodes.
  • the invention makes use of the property of such ceramic insulating materials, the specific electrical resistance of which decreases at high temperatures (Hütte, 5th edition, lafel 110).
  • the positive electrode is arranged between the vessel jacket and the refractory lining. This means that the positive electrode is no longer exposed to the melt and thus no longer exposed to chemical aggressiveness, thermal as well as erosive stress.
  • the user has a relatively high degree of freedom in the selection of the materials of the positive electrode.
  • the refractory lining arranged in front of the positive electrode is exposed to high temperatures due to the contact of the melt, so that there is a low specific electrical resistance.
  • the refractory lining in the area of the positive electrode must be heated in order to reduce the specific electrical resistance. This preheating of the furnace vessel can also be used to reduce the thermal shock effect when using cooled vessels.
  • the positive electrode is in direct contact with the vessel jacket.
  • This arrangement has the advantage that the current feedback can attack anywhere on a metallic part of the vessel. In the case of ladle ovens, the suspension or the bottom of the vessel are ideal. In the latter case, appropriate contact plates must be provided in the respective treatment stations.
  • the positive electrode is designed in a ring shape.
  • the following measures are provided for centering the arc between the negative electrode and the melt: Contrary to the blowing effect of the electromagnetic wind, the mass distribution of the electrode is designed. This is done either by changing the Cross section of the positive electrode or caused by interruptions in the electrode ring. The larger electrode mass is arranged on the energy supply and supply side of the furnace. This measure prevents the arc from deflecting. The consequence of the centrally burning arc is an even load on the refractory lining.
  • an electrical insulating layer is provided between the metallic vessel jacket and the refractory lining.
  • the electrical current flowing through the metallic vessel jacket is forced through the insulating layer to flow exclusively from the positive electrode to the contact jaws. This prevents leakage currents that could lead to local overheating of the refractory lining.
  • a material is proposed as insulation which, in addition to the lack of electrical conductivity, has sufficient thermal conductivity. Mica, zirconium dioxide or similar substances can be used as materials.
  • the thermal conductivity of the insulating layer allows the required degree of heat dissipation without the disadvantage of the possibility of reflux currents.
  • the insulating layer is guided over the edge of the furnace vessel in order to prevent that faulty currents occur due to material flowing over the edge of the vessel.
  • Fig. 2 shows a positive electrode ring with a variable cross section
  • Fig. 3 shows an electrode ring with interruptions.
  • FIG. 1 shows the section through the ladle furnace 10 with the negative electrode 21, which projects into the pot-shaped vessel 13 filled with melt 40.
  • the vessel 13 has a metallic vessel jacket 11, a refractory lining 12 and an insulating layer 30 between the vessel jacket and the refractory clothing.
  • the insulating layer 30 is not electrically conductive. In the upper region of the pan, the insulating layer 30 is guided over the upper jacket edge 31 of the furnace.
  • the arc 23 burns between the negative electrode 21 and the molten bath 40.
  • the electrical current is supplied to the negative electrode 21 via the current supply 24 and is removed again from the positive electrodes 22 via the current discharge 25.
  • the positive electrodes 22 are formed from the electroconductive refractory material 22 which is arranged between the vessel jacket 11 and the refractory clothing 12.
  • the electrical current is returned from the positive electrode 22 via the metallic vessel jacket 11.
  • outwardly facing elements 16 are provided for power dissipation. In an embodiment, these face outward Elements 16 formed as vessel feet 14.
  • the positive electrode 22 is annular and is arranged above the bottom of the vessel.
  • Figure 2 shows a section A-A through the vessel.
  • the power supply 24 and the power dissipation 25 are shown schematically.
  • the annular electrode 22 is shown between the furnace shell 11 and the refractory material 12.
  • the ring 22 has a different cross section, the larger cross section being arranged on the side of the furnace on which the current is fed in and discharged.
  • the negative electrode 21 is shown in the center of the furnace.
  • FIG. 3 shows the same elements as FIG. 2 with a ring 22 which has interruptions 26 which are lined with refractory material 12 and are separated from the vessel jacket 11 by the insulating layer 30. Outside the interruptions 26, the ring 22 has a uniform cross section.

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Description

Verschleißarme Elektrode in Gleichstromlichtbogenofen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einschmelzen von metallischen Materialien in einem mit Gleichstrom betriebenen Lichtbogenofen nach den überbegriffen der Ansprüche 1 und 2.
Die Stromzuführung zu den Gleichstromlichtbogenöfen wird durch mit der Energiestation in Verbindung stehenden Elektroden bewirkt, die üblicherweise an Tragarmen angeordnet sind. Die Stromrückführung erfolgt zur gleichen Energiestation.
Das aus dem relativ hohen elektrischen Strom resultierende magnetische Feld der Stromzu- und -rückführungen verschiebt das elektromagnetische feld in die entgegengesetzte Richtung. Folge dieses sogenannten elektromagnetischen Windes ist die Ablenkung des Lichtbogens aus dem Zentrum mit dem Nachteil hoher Errosionswirkung des Lichtbogens an den Wanden des Ofengefäßes.
Die bei Betrieb des Lichtbogenofens auf das Schmelzbad wirkenden Kräfte sind senkrecht zu den elektromagnetischen Feldlinien gerichtet und bewirken eine Badbewegung, die von außen gegen die Achse der in der Bad ragenden Elektrode gerichtet ist. Die Schmelzbadströmung wirkt dabei in negativer Weise unmittelbar auf die Elektrodenstirnfläche ein.
Aus DE-PS 32 32 551 ist bekannt, der negativen in das Ofengefäß hineinragenden Elektrode zwei symmetrisch zur Kathode angeordnete positive Elektroden vorzusehen, die mit der Elektrolytschlacke in Verbindung stehen. Nachteil dieser Anordnung ist der auch bei mehr als zwei positiven Elektroden nicht geschlossene Anodenring, der ein Ablenken des Lichtbogens noch zuläßt. Nachteilig wirkt sich aus der hohe Verschleiß der in die Schlacke eintauchenden positiven Elektroden aus, wobei das abbrennende Material die Schmelze verunreinigt. Aus der EP-OS 01 50483 ist ein elektrischer Ofen bekannt, bei dem eine positive Elektrode vorgesehen ist, die außermittig im Boden des Ofengefäßes angeordnet ist. Die stromführenden Teile der Bohrelektrode haben beim Einschmelzprozeß Kontakt mit dem flüssigen Schmelzgut. Nachteil der aus dieser Schrift bekannten Anordnung der positiven Elektroden ist die hohe Konzentration der elektrischen Energie auf der geringen Oberfläche der positiven Elektrode mit der Folge hoher Aufzehrung der Elektrode.
Aus der EP-OS 01 24 490 ist ein Gleichstromofen mit einer metallischen Bodenelektrode bekannt, die mit einem elektrischen leitenden Granulat bedeckt ist und die zum Gefäßmantel elektrisch isoliert ist. Nachteil der aus dieser Schrift bekannten positiven Elektroden ist, daß ausschließlich Einfluß auf die Wechselbarkeit der Verschleißelemente genommen wird, ohne aktiv die Verschleißrate zu mindern.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichstromlichtbogenofen zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und bei unveränderter Schmelzleistung einen minderen Verschleiß der Feuerfestauskleidung des Ofens und der positiven Elektroden aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen kennzeichnenden Merkmale.
Die Erfindung macht sich dabei die Eigenschaft solcher keramischer Isolierstoffe zu Nutze, deren spezifischer elektrischer Widerstand bei hohen Temperaturen sinkt (Hütte, 5. Auflage, lafel 110). Erfindungsgemäß wird die positive Elektrode zwischen dem Gefäßmantel und der Feuerfestauskleidung angeordnet. Damit ist die positive Elektrode nicht mehr der Schmelze und damit nicht mehr der chemischen Aggressivität, der thermi sehen wie auch der erosiven Belastung ausgesetzt. Für den Anwender ergibt sich ein relativ großer Freiheitsgrad bei der Auswahl der Materialien der positiven Elektrode.
Bei Betrieb der Pfanne ist die vor der positiven Elektrode angeordnete Feuerfestauskleidung durch den Kontakt der Schmelze hohen Temperaturen ausgesetzt, so daß ein geringer spezifischer elektrischer Widerstand vorliegt. Zum Starten des Schmelzprozesses ist die Feuerfestauskleidung im Bereich der positiven Elektrode zu erwärmen, um den spezifischen elektrischen Widerstand zu mindern. Dieses Vorwärmen des Ofengefäßes kann gleichzeitig zur Minderung der Thermo-Schockwirkung bei Einsatz abgekühlter Gefäße benutzt werden.
Erfindungsgemäß steht die positive Elektrode in direktem Kontakt zum Gefäßmantel. Durch diese Anordnung ergibt sich der Vorteil, daß die Stromrückführung an beliebiger Stelle eines metallischen Teil des Gefäßes angreifen kann. Bei Pfannenöfen bietet sich dabei die Aufhängung oder der Gefäßboden an. Im letzteren Fall sind in den jeweiligen Behandlungsstationen entsprechende Kontaktplatten vorzusehen.
Nach der Erfindung ist die positive Elektrode ringförmig ausgestaltet. Zur Zentrierung des Lichtbogens zwischen der negativen Elektrode und der Schmelze sind folgende Maßnahmen vorgesehen: Entgegen der Blaswirkung des elektromagnetischen Windes wird die Elektrode in ihren Massenverteilung ausgestaltet. Dies wird entweder durch Änderung des Querschnittes der positiven Elektrode oder durch Unterbrechungen des Elektrodenringes bewirkt. Die größere Elektrodenmasse ist dabei auf der Energieversorgungs- und -zuführungsseite des Ofens angeordnet. Durch diese Maßnahme wird der Lichtbogen an seiner Auslenkung gehindert. Die Folge des zentrisch brennenden Lichtbogens ist eine gleichmäßige Belastung der Feuerfestauskleidung.
Zwischen dem metallischen Gefäßmantel und der Feuerfestauskleidung ist erfindungsgemäß eine elektrische Isolierschicht vorgesehen. Durch die Isolierschicht wird der über den metallischen Gefäßmantel fließende elektrische Strom gezwungen, ausschließlich von der positiven Elektrode zu den Kontaktbacken zu fließen. Damit werden Fehlströme verhindert, die zu örtlichen Überhitzungen der Feuerfestauskleidung führen könnten.
Als Isolierung wird ein Material vorgeschlagen, das neben der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit eine ausreichende thermische Leitfähigkeit aufweist. Als Werkstoffe kommen Glimmer, Zirkoniumdioxide oder ähnliche Stoffe infrage. Die thermische Leitfähigkeit der Isolierschicht läßt das erforderliche Maß der Wärmeabfuhr zu, ohne den Nachteil der Möglichkeit von rehlströmen zu eröffnen. Die Isolierschicht ist dabei über den Rand des Ofengefäßes geführt, um zu verhindern, daß Tehlströme durch über den Gefäßrand fließendes Material auftreten.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Es zeigt :
Tig. 1 einen Schnitt durch das Ofengefäß,
Fig. 2 einen positiven Elektrodenring mit veränderlichem Querschnitt und
Fig. 3 einen Elektrodenring mit Unterbrechungen.
Die Figur 1 zeigt den Schnitt durch den Pfannenofen 10 mit der negativen Elektrode 21, die in das mit Schmelze 40 gefüllte topfförmige Gefäß 13 hineinragt. Das Gefäß 13 weist einen metallischen Gefäßmantel 11, eine Feuerfestauskleidung 12 und zwischen dem Gefäßmantel und der Feuerfestkleidung eine Isolierschicht 30 auf. Die Isolierschicht 30 ist elektrisch nicht leitend. Im oberen Bereich der Pfanne wird die Isolierschicht 30 über den oberen Mantelrand 31 des Ofens geführt.
Zwischen der negativen Elektrode 21 und dem Schmelzbad 40 brennt der Lichtbogen 23. Der elektrische Strom wird über die Stromzuführung 24 der negativen Elektrode 21 zugeführt und über die Stromabfuhr 25 von den positiven Elektroden 22 wieder abgeführt. Die positiven Elektroden 22 werden dabei aus dem elektrischen Strom leitenden Teuerfestmaterial 22 gebildet, das zwischen Gefäßmantel 11 und Teuerfestkleidung 12 angeordnet ist. Die Rückführung des elektrischen Stroms erfolgt von der positiven Elektrode 22 über dem metallischen Gefäßmantel 11 . Am Ofenmantel 11 sind nach außen weisende Elemente 16 zur Stromabführung vorgesehen. In einer Aucführungsform si nd diese nach außen weisenden Elemente 16 als Gefäßfüße 14 ausgebildet. Die positive Elektrode 22 ist ringförmig ausgebildet und oberhalb des Gefäßbodens angeordnet.
Die Figur 2 zeigt einen Schnitt A-A durch das Gefäß. Die Stromzufuhr 24 sowie die Stromabfuhr 25 sind schematisch dargestellt. Zwischen dem Ofengefäßmantel 11 und dem Feuerfestmaterial 12 ist die ringförmige Elektrode 22 dargestellt. Der Ring 22 weist einen unterschiedlichen Querschnitt auf, wobei der größere Querschnitt auf der Seite des Ofens angeordnet ist, auf der der Strom zu- und abgeführt wird. Im Zentrum des Ofens ist die negative Elektrode 21 dargestellt.
Die Figur 3 zeigt die gleichen Elemente wie Figur 2 mit einem Ring 22, der Unterbrechungen 26 aufweist, die mit Feuerfestmaterial 12 ausgekleidet und durch die Isolierschicht 30 vom Gefäßmantel 11 getrennt sind. Außerhalb der Unterbrechungen 26 weist der Ring 22 einen gleichmäßigen Querschnitt auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einschmelzen von metallischen Materialien in einem mit Gleichstrom betriebenen Lichtbogenofen, der ein einen metallischen Mantel und eine Feuerfestauskleidung aufweisendes topfförmiges Gefäß, eine koaxial zur vertikalen Gefäßachse in das Gefäß hineinragende negative Elektrode und im Bereich des Gefäßbodens positive Elektrode besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfestauskleidung (12) vor der Beschickung aufgeheizt wird und daß zum Einschmelzen des metallischen Materials ein Lichtbogen (23) zwischen dem Schmelzgut. (40) und der negativen Elektrode (21) ausgebildet wird und daß die Rückführung (25) des Gleichstromes über das im Bereich der positiven Elektrode (22) angeordnete Feuerfestmaterial der Auskleidung, die positive Elektrode (22) sowie den metallischen Gefäßmantel ( 1 1 ) durchgeführt wird.
2. Gleichstromlichtbogenofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem einen metallischen Mantel und eine Feuerfestauskleidung aufweisenden topfförmigen Gefäß, koaxial zur vertikalen Gefäßachse in das Gefäß ragende negative Elektrode und im Bereich des Gefäßbodens positive Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gefäßmantel (11) und Feuerfestauskleidung (12) ein den elektrischen Strom leitendes Feuerfestmaterial (22) vorgesehen ist, das als positive Elektrode dient, und daß zwischen Gefäßmantel (11) und Feuerfestauskleidung (12) außerhalb der positiven Elektrode (22) eine Isolierschicht (30) vorgesehen ist, die den elektrischen Strom nicht leitet.
3. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode (22) ringförmig ausgebildet ist.
4. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der positiven Elektrode (22) Graphit ist.
5. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die positive Elektrode (22) bildende Ring oberhalb des Gefäßbodens angeordnet ist.
6. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die positive Elektrode (22) bildende Ring unterschiedliche Querschnitte aufweist.
7. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Querschnitt des Ringes (22) auf der Seite des Ofens (13) angeordnet ist, auf der der Strom zu- und abgeführt (24, 25) wird.
8. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (22) Unterbrechungen (26) aufweist, die mit Feuerfestmaterial (12) ausgekleidet und durch die Isolierschicht (30) vom Gefäßmantel (11) getrennt sind.
9. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen (26) auf der Seite des Ofens angeordnet sind, die der Stromzu- und -abführung (24, 25) abgewandt sind.
10. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolierschicht (30) thermische Leitfähigkeit aufweist.
11 . Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nicht leitende, aber thermisch leitende Isolierschicht (30) Glimmer ist.
12. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (30) über den oberen Mantelrand (31) des Ofens geführt ist.
13. Gleichstromlichtbogenofen nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß an dem Ofenmantel nach außen weisende Elemente (16) zur
Stromabführung vorgesehen sind.
14. Gleichstromlichtbogenofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese Stromabführungselemente (16) im Bereich des Bodens des Ofengefäßes (13) angeordnet sind.
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