Gleichstrom-Lichtbogenofen

Abstract

 Bei einem Gleichstrom-Lichtbogenofen wird der Lichtbogen unter Einwirkung der unter dem Ofengefäss verlaufenden Hochstromleitungen (18) in Richtung weg von der Stromversorgungseinrichtung (19) abgelenkt. Dies führt zur thermischen Ueberlastung eines Teils der Ofengefässwandung. Werden die Futterschichten so ausgebildet, dass in einem ersten Sektor (21), der sich hin zur Stromversorgungseinrichtung (19) öffnet, aus einem Material mit einer geringeren spezifischen Leitfähigkeit als die Futterschicht im zweiten Sektor (22) aufgebaut, so brennt der Lichtbogen wieder symmetrisch. Eine in diesem Sinne inhomogene Futterschicht kann darüber hinaus zur gezielten Ablenkung des Lichtbogens herangezogen werden.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Lichtbogenofen mit einem Ofengefäss, das mit einem metallischen Mantel umgeben ist, mit mindestens einer als Kathode geschalteten Elektrode und mindestens einem Bodenkontakt, wobei der Boden des Ofens aus einer oder mehreren Futterschichten besteht, welche elektrisch leitende Ziegel oder andere gleichwirkende Einsätze aufweist, welche Futterschicht(en) auf einer den grössten Teil des Bodens überdeckenden Kontaktplatte aufliegt, welche Kontaktplatte den als Anode geschalteten Bodenkontakt bildet und auf einer Bodenplatte aufliegt, die genannte Kontaktplatte mit einer Mehrzahl von Anschluss-Armaturen versehen ist, welche durch Oeffnungen in der Bodenplatte hindurchreichen und über elektrische Leitungen an eine neben dem Ofengefäss vorgesehene Stromversorgungseinrichtung angeschlossen sind.

[0002] Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der US-Patentschrift 4,550,413 ergibt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

[0003] Bei Gleichstrom-Lichtbogenöfen hoher Leistung führen die in den Stromzu- und -ableitungen fliessenden hohen Ströme zu Ablenkungen des Lichtbogens. Das Abbrennen des Lichtbogen erfolgt nicht vertikal. Der Lichtbogen ist vielmehr gegen die Ofenwandung gerichtet und führt dort zu einer Ueberhitzung.

[0004] Durch eine besondere Führung der Stromzu-und -abfuhrleitungen unter und neben dem Ofengefäss lässt sich eine "Zentrierung" des Lichtbogens erzielen. So wird in der US-A-4,550,413 und der US-A-4,577,326 vorgeschlagen, diese Leitungen so zu verlegen, dass die durch den fliessenden Gleichstrom hervorgerufenen magnetischen Felder symmetrisch auf den Lichtbogen einwirken. Diese Massnahmen sind jedoch aufwendig und erhöhen heben den Kosten auch den Platzbedarf des Ofens. Eine andere Lösung besteht darin, die Elektrode samt Elektrodenhalterung relativ zum Ofengefäss horizontal verschiebbar zu machen, um damit Unsymmetrien in der Stromzu- und -abführung zu kompensieren. Auch diese Massnahme ist sehr aufwendig, weil im Ofendeckel entsprechend Platz für den Verfahrweg der Elektrode vorgesehen werden muss.

[0005] Während die Stromzuführungen zu ungewollten Ablenkung des Lichtbogens führen, kann es in der Praxis durchaus vorkommen, dass der Lichtbogen gezielt in die eine oder andere Richtung abgelenkt werden sollte, um z.B. im Bereich eines exzentrischen Bodenabstichs oder bei Oefen mit kontinuierlicher Chargierung in besagten Bereichen mehr Wärme einzubringen. Dies wäre nur durch horizontales Verfahren der Elektrode relativ zum Ofengefäss möglich, was jedoch sehr aufwendig wäre.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Lichtbogenofen zu schaffen, bei welchem mit einfachen Mitteln eine gezielte Ablenkung und/oder Symmetrierung des Lichtbogens erreicht wird.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur gezielten Ablenkung des Lichtbogens ein oder mehrere Abschnitte der Futterschicht aus einem Material bestehen, das eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Futterschicht im restlichen Abschnitt.

[0008] Vorzugsweise besteht dabei die Futterschicht in ihrem der Stromversorgungseinrichtung zugewandten Abschnitt zumindest teilweise aus einem Material, das eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Futterschicht im restlichen Abschnitt.

[0009] Bei Lichtbogenöfen mit exzentrischem Bodenabstich ist es zweckmässig, wenn die Futterschicht im Bereich des Bodenabstichs eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist als im restlichen Bereich, um auf diese Weise eine Ablenkung des Lichtbogens zu vermeiden. Auf diese Weise wird der Lichtbogen in Richtung Bodenabstich abgelenkt und somit dort mehr Wärme in die Schmelze eingebracht.

[0010] Bei Lichtbogenöfen für die kontinuierliche Chargierung von Eisenschwamm oder Schrott, kann eine Ablenkung des Lichtbogens dadurch bewerkstelligt werden, wenn die Futterschicht in dem Bereich, in welchen chargiert wird, eine niedrigere spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, als im restlichen Bereich. Dies führt analog zum vorgenannten zu Ablenkung des Lichtbogens hin zu Chargierung und damit zu einer erhöhten Wärmezufuhr.

[0011] Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass ohne aufwendige Leitungsführung unter oder neben dem Ofengefäss oder Verfahren der Elektrode zur gezielten Ablenkung des Lichtbogen, wobei diese Ablenkung bedarfsweise zu einer Symmetrierung führt, oder bewusst eine Ablenkung des Lichtbogens in eine vorbestimmte Richtung führen kann. Da die Futterschicht ohnehin in regelmässigen Zeitabständen erneuert werden muss, lassen sich auch bestehende Lichtbogenöfen mit der erfindungsgemässen Futterschicht ausrüsten.

[0012] Ausführungsformen der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0013] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig.1 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Lichtbogenofen mit exzentrischen Bodenabstich im Längsschnitt;

Fig.1 a ein Detail aus Fig.1, das den elektrischen Anschluss am Ofenboden verdeutlicht;

Fig.2 eine Draufsicht auf den Ofengefässboden des Lichtbogenofens gemäss Fig.l;

Fig.3 eine Draufsicht auf die Futterschicht des Gleichstrom-Lichtbogenofensgemäss Fig.1 mit zusätzlichen Vorkehrungen zur vermehrten Wärmezufuhr im Bereich des Bodenabstichs;

Fig.4 eine Draufsicht auf die Futterschicht des Gleichtrom-Lichtbogenofens gemäss Fig.1 mit zusätzlichen Vorkehrungen zur vermehrten Wärmezufuhr im Bereich der Chargierung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0014] Ein Gleichstrom-Lichtbogenofen nach Fig.1 weist ein Ofengefäss 1 auf, das mit einem Mantel 2 aus Metall versehen ist. Der Ofendeckel sowie die Elektrodenhalterung sind fortgelassen worden. Im Ausführungsbeispiel weist der Ofen nur eine als Kathode geschaltete massive Elektrode 3 auf, doch kann diese Zahl auch zwei, drei oder mehr betragen. Unter der Elektrode 3 erhält man auf übliche Weise einen Elektrodenfleck, d.h. eine schlackenfreie Fläche der Schmelze 4. Der Ofen hat eine Abstichvorrichtung in Form eines exzentrischen Bodenabstichs 5 in einem erkerartigen Vorsprung 6 des Ofengefässes. Im Ofengrund ist ein Bodenkontakt angebracht. Der Bodenkontakt besteht aus im Beispielsfall drei Futterschichtlagen 7a, 7b und 7c Graphit- oder graphithaltigen Ziegeln 8a, 8b, 8c, die auf einer kalottenförmigen Kontaktplatte 9 aufliegen. Anschluss-Armaturen 10 (Fig.1 a) an der Kontaktplatte 9 ragen durch Oeffnungen 11 im Gefässboden 12 nach unten ins Freie.

[0015] An die Bodenfutterschicht schliesst sich nach aussen hin die konventionelle Ofenausmauerung 13 an. Der Gefässboden 12 kann mit einer Kühleinrichtung (nicht dargestellt) versehen sein, um sie auf möglichst niedriger Temperatur zu halten. Die Ziegel 8a, 8b und 8c der Futterschichten 7a, 7b und 7c dienen als Stromleiter zwischen der Schmelze 14 und der Kontaktplatte 9. Insoweit entspricht der Gleichstrom-Lichtbogenofen dem Stand der Technik und ist beispielsweise ausführlich in dem US-Patent 4,228,314, der DE-Patentschrift 30 22 566, der GB-A 21 33 125 oder auch der DE-A-32 41 978 ausführlich beschrieben, wobei die erstgenannten Dokumente klassische Lichtbogenöfen, die letztegenannten Lichtbogenöfen mit exzentrischem Bodenabstich betreffen..

[0016] Der Mantel 2 des Ofengefässes radial nach innen gezogen und bildet einen nach innen ragenden Kragen 15, dessen Ende 16 nach oben umgebogen ist. Die Bodenplatte 12 überragt den Kragen 15 in radialer Richtung. Im Ueberlappungsbereich ist eines Ring 17 aus Isoliermaterial angeordnet. Auf diese Weise stützt sich die gesamte Bodenpartie des Ofens elektrisch isoliert auf dem Kragen 15 ab. Die Bodenpartie des Ofens schwimmt quasi im Ofengefäss 1. Gleichzeitig wird über das Isoliermaterial die elektrische Isolation zwischen Ofenmantel 2 und Bodenplatte 12 und damit dem Bodenkontakt bewerkstelligt.

[0017] Die Verteilung der Anschluss-Armaturen 9 geht aus der Draufsicht auf die Unterseite des Ofengefässes 1 gemäss Fig.2 hervor. Man erkennt vier regelmässig über den Boden verteilte Armaturen 10 und die Hochstromleitungen 18 zu der Stromversorgungseinrichtung 19 des Lichtbogenofens. Die Draufsicht auf die obere Futterschicht 7a gemäss Fig.3 lässt die erfindungsgemässe Verteilung der Ziegel 8a erkennen: In einem ersten Sektor 21 mit einem Oeffnungswinkel a von typisch 45 bis 90°, der sich zur Stromversorgungseinrichtung 12 hin symmetrisch öffnet, bestehen die Ziegel 8a, 8b und/oder 8c der Futterschichten 7a, 7b bzw. 7c aus einem Material mit weniger Kohlenstoffgehalt als die Ziegel des zweiten Sektors 22, welche einen Kohlenstoffgehalt von typisch 10 - 20 Gew% Kohlenstoff aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit im ersten Sektor 21 ist demgemäss niedriger als ausserhalb dieses Gebiets.

[0018] Ohne diese Massnahme und einer Leitungsführung, wie sie in Fig.2 (in Fig.1 ist die Leitungsführung und die Lage der Stromversorgungseinrichtung 19 nur schematisch angedeutet) eingezeichnet ist, würde der Lichtbogen unter dem Einfluss der in der Elektrode 3 und den Hochstromleitungen 18 fliessenden Stromes in Richtung weg von der Stromversorgungseinrichtung 19 abgelenkt. Mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung der Futterschicht(en) hingegen wird quasi das elektrisch/magetische Zentrum des Bodenkontakts - für sich allein betrachtet - aus der geometrischen Mitte heraus verschoben. Auf diese Weise wird die Stromverteilung in der Schmelze so beeinflusst, dass im Bereich des zweiten Sektors 22 in diese mehr Strom eindringt und so das ablenkende Gleichfeld, das von den Hochstromleitungen 18 herrührt, kompensierend überlagert. Die Folge davon ist ein ablenkungsfreier Lichtbogenbetrieb.

[0019] Sowohl die "normal-leitenden" als auch die "schwächerleitenden" Ziegel entsprechen durchwegs dem Stand der Technik und werden von einschlägigen Firmen mit den verschiedensten Spezifikationen angeboten. Danaben können aber auch Ziegel verwendet werden, die andere elektrische Leiter als Graphit aufweisen, z.B. solche, bei denen die elektrische Leitfähigkeit durch den Gehalt an Boriden bestimmt ist. Auch können Ziegel verwendet werden, die aus einem im wesentlichen nichtleitenden Kern bestehen, der mit einer metallischen Hülle ganz oder nur teilweise umhüllt ist.

[0020] Anstelle von Sektoren 21, 22 unterschiedlicher Leitfähigkeit können die besagten Futterschichten auch auf andere Weise in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise dadurch, dass im Abschnitt der Futterschicht, welcher der Stromversorgungseinrichtung (12) zugewandt ist, in die Futterschicht(en) Ziegel mit geringerer Leitfähigkeit oder nichtleitende Ziegel eingestreut sind.

[0021] Es könnte als nachteilig angesehen werden, dass die vorgeschlagenen Massnahmen bei einer Neuinstallation nicht zu einer vollständigen Beseitigung der Ablenkung führt, zum Beispiel weil der Oeffnungwinkel a zu klein oder zu gross gewählt wurde, oder die Leitfähigkeit der Futterschicht(en) im ersten Sektor 21 falsch dimensioniert wurde. Da jedoch Futterschichten regelmässig ohnehin erneuert werden müssen, ist die Erprobungsphase vergleichsweise kurz im Vergleich zur Lebensdauer des Ofens und beeinträchtigt demgemäss den Ofenbetrieb und dessen Wirtschaftlichkeit nur wenig.

[0022] Bei Lichtbogenöfen mit exzentrischem Bodenabstich oder bei Lichtbogenöfen, bei denen Schrott oder Eisenschwamm kontinuierlich chargiert wird, ist im Bereich des Bodenabstichs bzw. der Chargierung die Temperatur in der Schmelze niedriger als im restlichen Bereich der Schmelze. Durch die Wahl unterschiedlich elektrisch leitfähiger Abschnitte der Futterschicht kann auch für derartige Spezialzwecke eine gezielte Ablenkung des Lichtbogens erreicht werden, um auf diese Weise bestimmten Zonen der Schmelze:

In Fig.4 ist neben dem Sektor 21 ein zweiter Sektor 23 mit elektrisch weniger gut leitenden Ziegeln vorgesehen, welcher Sektor sich mit einem Oeffnungswinkel β hin zum Bodenabstich 5 symmetrisch öffnet. Für die Bemessung des Oeffnungswinkel β und des Leitfähigkeit der Ziegel gelten diesselben Uebrlegungen, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit der Symmetrierung angesprochen wurden. Selbstverständlich lässt sich die gezielte Ablenkung durch den Aufbau des Sektors 23 auch für sich alleine anwenden, wenn beispielsweise eine Führung der Leitungen nach dem Stand der Technik gemäss US-PS 4,577,326 oder US-PS 4,550,413 verwendet wird.

In Figur 3 ist ferner einer dritte Möglichkeit der Einflussnahme auf den Lichtbogen angedeutet. Sie gilt für Lichtbogenöfen mit kontinuierlicher Chargierung mit eisenschwamm-Pellets oder Schrott. Bei eine Chargierung gegenüber der Stromversorgungseinrichtung 19 - angedeutet durch den Pfeil 24 - wird eine Ablenkung in Richtung der Charge dadurch erreicht, dass in einem Sektor 25 mit dem Oeffnungswinkel 4) das Material der Futterschicht eine kleinere Leitfähigkeit aufweist als in den Abschnitt(en) 22. Auch hier gilt, dass diese Massnahme im Bedarfsfall allein für sich getroffen werden kann.

Ansprüche

1. Gleichstrom-Lichtbogenofen mit einem Ofengefäss (1), das mit einem metallischen Mantel (2) umgeben ist, mit mindestens einer als Kathode geschalteten Elektrode (3) und mindestens einem Bodenkontakt, wobei der Boden des Ofens aus einer ein- oder mehrlagigen Futterschicht (7a,7b,7c) besteht, welche elektrisch leitende Ziegel (8a,8b,8c) oder andere gleichwirkende Einsätze aufweist, welche Futterschicht auf einer den grössten Teil des Bodens überdeckenden Kontaktplatte (9) aufliegt, welche Kontaktplatte den als Anode geschalteten Bodenkontakt bildet und auf einer Bodenplatte (12) aufliegt, die genannte Kontaktplatte (9) mit einer Mehrzahl von Anschluss-Armaturen (10) versehen ist, welche durch Oeffnungen (11) in der Bodenplatte (12) hindurchreichen und über elektrische Leitungen (18) an eine neben dem Ofengefäss vorgesehene Stromversorgungseinrichtung (19) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Ablenkung des Lichtbogens ein oder mehrere Abschnitte (21,23; 21,25) der Futterschicht (7a,7b,7c) aus einem Material bestehen, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Futterschicht im restlichen Abschnitt (22).

2. Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Futterschicht(en) (7a,7b,7c) in ihre der Stromversorgungseinrichtung (19) zugewandten Abschnitt (21) zumindest teilweise aus einem Material besteht bzw. bestehen, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Futterschicht(en) im restlichen Abschnitt (22).

3. Lichtbogenofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Futterschicht(en) (7a,7b,7c) in einem ersten Sektor (21), der sich hin zur Stromversorgungseinrichtung (19) öffnet, aus einem Material besteht, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Futterschicht(en) im zweiten Sektor (22).

4. Lichtbogenofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oeffnungswinkel (a) des ersten Sektors (21) zwischen 20° und 180°, vorzugsweise zwischen 45° und 90°, beträgt.

5. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Futterschicht (7a,7b,7c) im ersten Abschnitt bzw. Sektor (21) mindestens um 25 % kleiner ist als die Leitfähigkeit der Futterschicht (7a,7b,7c) im anderen Abschnitt bzw. Sektor (22).

6. Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2 mit einem exzentrischen Bodenabstich (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Futterschicht-(en) im Bereich des Bodenabstichs (5) eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist als im restlichen Bereich.

7. Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2 für die kontinuierliche Chargierung von Eisenschwamm oder Schrott, dadurch gekennzeichnet, dass die Futterschicht(en) im Bereich (25), in welchen chargiert wird, eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist, als im restlichen Bereich.

8. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Futterschicht aus einer oder mehreren Lagen Ziegel (14) besteht, die Graphit, Boride oder Metall als elektrischer Leiter enthalten, oder aus zumindest teilweise aus metallumhüllten Ziegeln besteht.

Zeichnung