DE2525720A1

DE2525720A1 - Schmelzkontaktelektrode fuer einen mit gleichstrom gespeisten lichtbogenofen

Info

Publication number: DE2525720A1
Application number: DE19752525720
Authority: DE
Inventors: Sven-Einar Dipl Ing Stenkvist
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-06-19
Filing date: 1975-06-10
Publication date: 1976-01-08
Also published as: FR2285044A1; CH587598A5; FR2285044B1; IT1036320B; US3997712A; DE2525720C2; GB1501207A; JPS5114104A

Description

d,lITS^ELINQ Prankfurt Alain, den 14. 5. 1975

DIPL.-INQ. R. SCHLEE Boe/Prs 12.510 GIESSEN, BtemarckstreBe 43

dr.-ing. j.BOECKER 2525720

β FRANKFURT 1, RattMKMUf>L 2

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget Västeras/Schweden

Schmelzkontaktelektrode für einen mit Gleichstrom feespeisten Lichtbogenofen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzkontaktelektrode der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Bei lichtbogenofen mit solchen Schmelzelektroden möchte man eine Eontaktelektrode haben, die eine hohe Lebensdauer hat und hohe Temperaturen verträgt. Bei bisher bekannten Eontaktelektroden hat man wegen der damit zusammenhängenden Schwierigkeiten eine Wasserkühlung nach Möglichkeit vermieden.

Es ist an sich bekannt, bei Gleichstromofen Schmelzkontaktelektroden am Boden oder am Herd des Ofengefäßes anzuordnen, wobei die Elektroden die Form einer langgestreckten Stange haben, die zum Anschluß an den positiven Pol der Stromquelle aus der Schmelze herausragt. Auch hier bestehen jedoch Temperaturprobleme .

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzelektrode der eingangs genannten Art zu entwickeln, die unter Vermeidung der obengenannten Schwierigkeiten eine hohe lebensdauer hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schmelzkontaktelektrode nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß.die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Y/eiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Eine Schmelzkontaktelektrode gemäß der Erfindung ist auch bei Öfen mit hohen Temperaturen, wie Stahlöfen, anwendbar und kann auch an Öfen mit größerem Chargeninhalt angeschlossen werden. Durch die spezielle Ausführungsform, bei der der Querschnitt des Stahl- oder EisenrohxLings sich zur Schmelzenseite hin verringert, wird dieser Teil des Rohlings beim Stromdurchgang höher belastet, wodurch er aufgrund der Stromwärmeverluste stärker erwärmt wird. Hierdurch wird an diesem Teil der Schmelzkontaktelektrode ein "Kühlkochen" vermieden. Das Verhältnis zwischen dem kleinsten Querschnitt des Kanals, in welchem der Rohling liegt, und dem größten Querschnitt des Rohlings soll vorzugsweise 1:2 betragen. Bei den Elektroden

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gemäß der Erfindung kann man eine Wasserlriililung ararenden, wodurch man eine bedeutend höhere Widerstandskraft gegen hohe Temperaturen erhält, als es bei den bekannten Elektroden der Fall ist.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Hs zeigen:

Pig. 1 einen Querschnitt durch eine Schmelzkontaktelektrode gemäß der Erfindung,

Pig. 2 den Anschluß der Schtnelzkontakt elektrode gemäß Fig. 1 an den Ofentiegel,

Pig. 3 eine Ausfuhrungsform der Erfindung bei einem größeren Ofen für Gleichstrom,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform gemäß der

Erfindung, und zwar im Schnitt durch die Schmelzelektrode.

In Fig. 2 bezeichnet 1 den Außenmantel eines Ofentiegels. 2 ist das Putter im Ofen, beispielsweise Stampfmasse und/oder Ziegel, und 3 ist die zum Ofenraum hin gelegene Innenseite des Futters. Als Beispiel für das Material der Stampfmasse kann ragnesitmasse genannt werden. Durch das Futter läuft ein Kanal 4

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(siehe auch Fig. 1), der vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt hat. Dieser Kanal führt von einem Niveau unterhalb des entstehenden Schmelzbades zu einem Schmelzenkanal, der mit der Schmelzkontaktelektrode in Kontakt steht. Die Schmelzkontaktelektrode, beispielsweise aus Eisen oder Stahl, ist u.a. aus Fig. 1 ersichtlich und besteht aus einem, zwei oder mehreren gebogenen Eisen- oder Stahlrohlingen 6, die mit der Schmelze in direktem Kontakt stehen. Die Rohlinge sind von der Futtermasse 7 umgeben, wozu später mehr gesagt wird. Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist der Kanal 4 an einen geteilten Kanal 12 angeschlossen, an den die Rohlinge 6 grenzen, Das eine Ende der Rohlinge 6 bildet somit Kontakt mit der Schmelze unter der Badoberfläche, siehe bei 12, wobei dieses Ende abschmilzt, so da/3 in der Kontaktelektrode ein Kanal mit Schmelze gebildet wird. Von diesem schmelzengefüllten Kanal und dem ungeschmolzenen Teil des Rohlings geht durch Wärmeleitung durch das Futtermaterial zu der gekühlten Außenhülle Wärme verloren (siehe weiter unten Figur 3). Hierdurch wird das Abschmelzen des Rohlings behindert, und es stellt sich ein Wärmegleichgewichtszustand ein, bei dem die Wärme, die durch Leitung und Konvektion von der Schmelze zugeführt wird, zuzüglich der Wärme, die im Rohling und im Kanal durch den

gleich der Wärmemenge ist, die

Stromdurchgang erzeugt wird,/von der Außenhülle der Kontaktelektrode abgeführt wird (siehe Figur 3). Der Rohling 6 wird nicht verbraucht, da sich sein geschmolzener Teil unterhalb

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des Badniveaus befindet und bei der Entleerung des Ofens nicht abgegossen wird. Die Schmelzkontaktelektroden oder Rohlinge 6 werden von der Futtermasse 7» vorzugsweise Gießmasse, z.B. Magnesitmasse, umgeben, in welche sie eingegossen sind. Die Futtermasse kann eventuell auch aus derselben Futtermasse bestehen, die im übrigen im Ofen verwendet wird. Aufgrund der Wärmeleitung durch dieses Futter zur wassergekühlten Aui?enhülle 3 der Eontaktelektrode (nicht in Fig. 1, jedoch in Fig. 3 gezeigt) schmelzen die Eohlinge 6 teilweise in Richtung auf deren Kontaktvorrichtung unter Wärmeverlust durch die Futtermasse j diesem wirkt jedoch der Kühleffekt von der gekühlten Außenhülle 8 entgegen, und ein gewisser Teil des Rohlings verbleibt fest, wodurch ein gewisses Gleichgewicht zv/isehen Schmelze und festem Rohling entsteht. Die Rohlinge können beispielsweise, wie Fig. 1 zeigt, bis zum Verzweigungspunkt 12 reichen. Durch die Erwärmung wird der geschmolzene Teil dieser Rohlinge im Kanal allmählich in Richtung auf die Kontaktvorrichtung sich ausdehnen, jedoch nicht über den obengenannten Gleichgewichtszustand hinaus.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Kontaktelektrode 13 so gebogen, daß deren oberes Ende in der Nähe des Badnivea,us mündet. Dies gibt eine gewisse Sicherheit gegen ein Ausrinnen der Schmelze für den Fall, daß das Futter nicht ganz dicht am Rohling anliegt. Im Rahmen der Erfindung

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kann man die Kontaktelektrode 6, 13 jedoch auch auf andere Weise formen. Man kann sie beispielsweise gerade zur Seite oder gerade nach unten herausführen. Die Elektrode 13 liegt an der Seite des Ofentiegels.

Ein anderes Ausfülirungsprinzip, das häufig bei hohen Strömen von Vorteil ist, zeigen die Figuren 1 und 2, wo die Kontaktelektrode aus zwei gebogenen Rohlingen 6 mit zugehörigem Futter und äußeren Kühlflächen besteht. In gewissen Fällen, z.3. wenn die Kontaktelektrode 6 außerhalb des Ofentiegels angeordnet ist, ist ein besonderer Verbindungskanal 4 und ein Expansionsraum 11 erforderlich. Wird die Kontaktelektrode über die Düsenöffnung direkt im Ofenboden oder in der Ofenwand angeschlossen, so fällt die Notwendigkeit eines Verbindungskanals oder Expansionsraumes ganz oder teilweise fort.pFig. 1 und 2 zeigen in das Futter eingegossene Kühlzylirider oder Kühlfutter 19. Die Endflächen 10 der Stahlrohlinge 6 sind als IContaktvorrichtungen ausgebildet, und an diesen Kontaktvorrichtungen soll der positive Pol der Speisegleichspannung angeschlossen v/erden. Auch diese Endflächen 10 können kühlbar ausgebildet werden. Im Expansionsraum 11, der gemäß Figur 1 trichterförmig sein kann, schwimmt auch Schlacke, die über den Kanal 4 in den Expansionsraum gelangt. Diese Schlacke wird periodisch abgeschöpft oder abgeschäumt. In der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 sind die beiden Rohlinge 6 U-förmig gebogen; es ist jedoch auch möglich, die Kontakt-

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elektrode nur aus einem solchen !Rohling· aufzubauen. Ferner ist es möglich, unter Verzicht auf einen Verbindungskanal

die
4/stahlelektrode derart, wie sie bei Rinnenofen vorkommt, direkt an eine Düsenöffnung im Ofenboden anzuschließen. Außerdem kann man, genau wie bei Rinnenofen, einen wassergekühlten Rahmen an der Verbindung zwisehen der Zontaktelektrode und der Ofenpfanne verwenden. Hierdurch wird ein Zusammensintern der Ofenausfütterung und der Kontaktelektrode verhindert, und die Kontaktelektrode kann dann, wie bei einem Rinnenofeninduktor, ausgetauscht werden, ohne daß das Futter des Kanals oder der Düse zerstört wird. Iuan kann z.B. in gleicher Weise vorgehen, wie bei den austauschbaren Rinnenofen, die in der DT-PS 1 440 270 beschrieben sind. Auch kann men bei dem an den Ofentiegel anliegenden Teil der Kontaktelektrode eine nicht sinterbare Fugenmasse der Art anbringen, wie sie in der DT-PS 1 266 777 beschrieben wird.

In Fig. 3 werden bei 14 die wassergekühlten Organe gezeigt, die den Wärmeverlusten der Eontaktelektrode und ihrem Abschmelzen entgegenwirken sollen. Durch den Einfluß dieser Kühlorgane I4 erreicht man zwischen dem festen Teil der Elektrode und dem abgeschmolzenen Teil ein gewisses Gleichgewicht. Wie man sieht, sind die Kühlorgane 14 auch in einer Hülle an der Innenseite der Kontaktelektrode angeordnet. Der trichterförmige Ofentiegel ist mit 12 bezeichnet, und 15 sind Temperaturmeßpunkte zur Kontrolle der Temperatur in dem abgeschmolzenen Teil der Kontaktelektrode. Der sich einstellende Gleich-

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gewicht szu st and ist durch die Stelle 16 in Pig·. 3 angedeutet.

Es hat sich gezeigt, daß eine solche Schmelzkontaktelektrode manchmal zu einem sogenannten Kühlkochen in der Schmelze führt. Stahl enthält bekanntlich eine gewisse Menge Sauerstoff, die er zurückhält. Kommt Stahl in die Nähe einer kalten Wand o. dgl., so nimmt seine Fähigkeit, Sauerstoff zu binden, ab, und der Sauerstoff wird frei und vereinigt sich mit dem Kohlenstoff im Stahl. Dabei bildet sich Kohlenmonoxid CO, welches aus dem Stahl austritt. Diesen Vorgang bezeichnet man als "Kühlkochen". Dieses Kühlkochen ist vor allem dann hinderlich, wenn die Schmelzkontaktelektrode vor der Schlackenschwelle im Ofen angeordnet ist, da das Kochen dann die Schlacke zurückschiebt und die Entschlackung des Ofens in der Nähe dieser Schwelle erschwert. Es kann auch nicht ausgeschlossen werden, daß das Kühlkochen auf die Dauer die Ausfütterung verschleißt. Der Grund dieses Kühlkochens liegt, wie gesagt, darin, daß ein Teil des mit der Schmelze in Kontakt stehenden Stahlrohlings zu kalt ist. Diesem Übelstand kann durch eine andere Ausführung der Ausfütterung in dem betroffenen Bereich für die Schmelzkontaktelektrode abgeholfen werden, durch die die Wärmeverluste verringert werden.

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Diese alternative Ausführung si" orm, die normalerweise, jedoch nicht notwendig, eine Y/asserkühlung enthält, stellt eine Lösung dieses und anderer hiermit zusammenhängender Probleme dar.

Figur 4 zeigt einen Teil eines Ofens gemäß einer solchen Ausführungsform, und zwar im wesentlichen einen Schnitt durch die Schmelzelektrode. Die Figur zeigt die Schmelze 21 in Kontakt mit der Ofenschmelze, von v/o ein in die Futtermasse 22 eingebetteter Stahl- oder Eisenrohling 23 zu einem äußeren Teil führt, wo in bekannter Weise eine Stromkontaktanordnung angebracht ist. Die Futtermasse oder Stampfmasse kann hier beispielsweise Magnesitmasse sein. In dieser Futtermasse 22 befindet sich ein Kanal, in dessen weiter innen gelegenem Teil sich der geschmolzene Teil der Kontaktelektrode befindet. Der Abschnitt 28 enthält den festen Teil der Kontaktelektrode, und dazwischenliegt eine Übergangszone 27 mit teilweise geschmolzener Kontaktelektrode. Die Schmelzkontaktelektrode besteht beispielsweise aus Eisen oder Stahl und kann aus einem, zwei oder mehreren gebogenen Eisen- oder Stahlrohlingen bestehen, die in direktem Kontakt mit der Schmelze 21 stehen. In dem gezeigten Fall ist nur eine Schmelzkontaktelektrode vorhanden, doch kann man sich leicht die Anordnung von zwei oder mehreren solcher Kontaktelektroden vorstellen. Das innere Ende des Stahl- oder Sisenrohlings 23 bildet Kontakt mit der

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Schmelze unter der Badoberfläche 21, und dieses Ende schmilzt dabei ab, so daß in der Kontaktelektrode ein Kanal aus Schmelze gebildet wird. Man kann auch sagen, daß der Rohling 23 in einen Kanal in der Futtermasse 22 gelegt ist. Von diesem Kanal für den geschmolzenen und ungeschmolzenen Teil des Rohlings geht durch Wärmeleitung durch das Futtermaterial Wärme an die Außenhülle verloren. Diese Außenhülle kann durch Wasser oder in einer anderen Art gekühlt werden. Hierdurch wird ein weiteres Abschmelzen des Rohlings verhindert, und man erhält einen Wärmegleichgewichtszustand, bei dem die Y/ärme, die durch Leitung und Konvektion von der Schmelze zugeführt wird, zuzüglich der Wärme, die durch den Stromdurchgang durch den Rohling und Kanal erzeugt wird, genauso groß ist, wie die an die Außenhülle der Kontaktelektrode abgegebene und von dort abgeführte Wärme. Der Rohling wird nicht verbraucht, da sich der geschmolzene Teil unter dem Badniveau befindet und nicht abgegossen wird, wenn der Ofen entleert wird, Wie erwähnt, kann die Futtermasse eine Gießmasse sein, z.B. Magnesitmasse, oder sie kann eventuell aus derselben Futtermasse bestehen, die im Ofen im übrigen verwendet wird. Durch die Wärmeleistung durch diese Ausfütterung zur Außenhülle der Kontaktelektrode schmilzt die Stahl- oder Eisenelektrode 23 teilweise in Richtung auf ihre Kontaktvorrichtung ab aufgrund des Wärmeverlustes durch die Futtermasse. Diesem

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wirkt jedoch die Kühlung an der Außenhülle 24 entgegen, und ein gewisser Teil des Rohlings 23 bleibt fest, wodurch ein gewisses Gleichgewicht zwischen Schmelze und festem Rohling entsteht.

Bei einer solchen Elektrode läßt man den Querschnitt des Rohlings von dessen innerstem Teil an der Schmelze 21 zu seinem äußersten Teil an der Kontaktvorrichtung 25 größer werden. Beispielsweise kann ein Teil des Rohlings an seinem innersten Teil einen konstanten Querschnitt haben, wonach der Querschnitt zum Kontaktteil 25 hin kontinuierlich oder stufenweise zunimmt. Auch der geschmolzene Teil des Rohlings 23 kann einen kleineren Querschnitt als der Außenteil haben, und als ein günstiges Verhältnis zwischen entweder/äem innersten Teil des ungeschmolzenen Rohlings oder dem Querschnitt des Kanals für den Rohling und dem Querschnitt an der Kontaktvorrichtung 25 kann ca. 1 : 2 - 1 : 3 genannt v/erden.

Bei einem Versuch mit einem Rohling mit konstantem Querschnitt

ρ
betrug dieser Querschnitt 12500 mm und führte einen Strom von

ο 12,5 kA. Die Strombelastung war somit 1 A/mm .

Als Vergleich kann erwähnt werden, daß ein 500 kV/ Rinnenofen-

2 induktor an der Rinne einen Querschnitt von 14 600 mm hat,

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2 wobei die Rinne mit 52 kA, d.h. 3,5 A/mm , belastet wird.

Es besteht also die Möglichkeit, den Stahlrohling in der Badelektrode stärker mit Strom zu belasten, und ein geeigneter V/ert liegt bei ungefähr 2 A/mm , um eine ausreichende Erwärmung zu erhalten und ein Kühlkochen zu verhindern. Dies erreicht man durch eine Ausführung des Rohlings gemäß Figur 4» d.h. dadurch, daß man den schmelzenseitigen Teil des Rohlings, gleichgültig, ob dieser Teil geschmolzen oder ungeschmolzen ist, mit kleinerem Querschnitt ausführt, als den kontaktseitigen Teil (25) des Rohlings. Der Stahlrohling wird somit in der Weise bemessen, daß er an dem Ende, das in Kontakt mit der Schmelze steht, einen kleineren Querschnitt als an dem äußeren Anschlußende 25 hat. Der Übergang vom kleineren zum größeren Querschnitt soll möglichst ausgeglichen sein und am besten ca. 500 mm vom Schmelzkontaktende bzw. vom Endteil des Kanals für den Rohling 23, also dort, wo der Kanal in die Schmelze 21 mündet, erfolgen. Das Anschlußende 2^bleibt infolge des niedrigen elektrischen Widerstandes in diesem Bereich beim Stromdurchgang relativ kalt, und die Verluste an den Stromkontaktelektroden sind niedrig. Die Stromwärmeverluste nehmen zum Schmelzkontaktende zu, welches hierdurch warmgehalten wird, während das äußere Anschlußende 25, wie erwähnt, fortwährend kühl ist und niedrige Verluste hat.

Die Erfindung kann im Rahmen des offenbarten Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.

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Claims

Patentansprüche:

1.j Schmelzkontaktelektrode für einen mit Gleichstrom gespeisten Lichtbogenofen, bestehend aus mindestens einem Rohling aus Stahl oder Eisen, der in Futtermaterial eingebettet und von einer Hülle umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Hülle (8), zumindest teilweise kühlbar ist und daß der Rohling (6, 13) in einen Kanal (12) für Schmelze reicht, der mit dem Ofenraum in Verbindung steht.

2. Schmelzkontaktelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der Außenseite der Hüllen (8) mit V/asser arbeitende Kühl organe (14) vorhanden sind, beispielsweise Wasserzylinder oder Wasser schlangen.

3. Schaelzkontaktelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zwei Stahl- oder Eisenrohlinge (6) enthält, die vorzugsweise gebogen sind und deren Enden zu je einem Endpunkt einer Düse im Ofentiegel oder einem Kanal verlaufen, der direkt oder über einen anderen Kanal mit dem Ofenraum unter dem Schmelzenniveau in Kontakt steht, und daß die Kühlung der Hülle (8) so bemessen ist, daß das Rohlingsende, das in Kontakt mit der Schmelze steht, um ein bestimmtes Ende abschmilzt, bevor ein Gleichgewichtszustand des Wärmeaustausches erreicht ist.

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4. Schmelzkontaktelektrode nach. Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß über oder im Anschluß zu dem genannten Schmelzenkanal (4) oder den -kanälen ein Expansionsraum (11) angeordnet ist.

5. Sehmelzkontaktelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahl- oder Eisenrohlinge in Futtermasse, z.B. Magnesitmasse, eingebettet sind.

6. Sehmelzkontaktelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kühlorgane, wie Wasserkühlzylinder oder -schlangen in der Masse zum Verhindern oder Erschweren des Schmelzens des Rohlings angeordnet sind.

7. Sehmelzkontaktelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenabschnitten der Stahlrohlinge elektrische Zontaktvorrichtungen angeordnet sind, die vorzugsweise mit Kühl Organen versehen sind.

8. Sehmelzkontaktelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an einen Ofentiegel anschließbar und vorzugsweise austauschbar ist.

9. Sehmelzkontaktelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an der Seite des Tiegels angeordnet ist.

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10. Schmelzkontaktelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der schraelzenseitige Teil (26) des Rohlings einen kleineren Querschnitt als der zur Kontaktvorrichtung v/eisende Teil (23) hat.

11. Schmelzkontaktelektrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling in einem Kanal im Einbettungsmaterial liegt, wobei das schmelzenseitige Ende des Rohlings durch den Kontakt mit dem Ofenraum geschmolzen ist und das schmelzenseitige Ende des ungeschmolzenen Teils des Rohlings einen kleineren Querschnitt hat als der kontaktseitige Teil (23) des Rohlings.

12. Schmelzkontaktelektrode nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der innerste Teil des Kanals einen Querschnitt hat, der ungefähr 1/2 bis 1/3 des Rohlingsquerschnittes an seinem kontaktseitigen Ende beträgt.

13. Schmelzkontaktelektrode nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzkontaktelektrode an ihrem schmelzenseitigen Ende zunächst einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt hat und sich daran der Übergang zu dem größeren Querschnitt anschließt.

14. Schmelzkontaktelektrode nach Anspruch 13t dadurch gekennzeichnet, daß von der Übergangsstelle zwischen konstantem Querschnitt und sich erweiterndem Querschnitt diese Querschnittzunahme kontinuierlich bis zu dem Außenende der Elektrode erfolgt .

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