DE1508268A1 - Verfahren zum Erhitzen einer Metallcharge in einem unmittelbaren Lichtbogenofen und unmittelbarer Lichtbogenofen zur Durchfuehrung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, Univertitätntraee 31

AnIo₀.

xur Elhaab« vom 12. - Mftt

Dr.Expl

Verfahren zum Erhitzen einer Metallcharge in einem unmittelbaren Lichtbogenofen und unmittelbarer Lichtbogenofen zur Durchführung

dieses Verfahrens. .

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Erhitzen einer Metallcharge in einem unmittelbaren Lichtbogenofen mit Kohleelektroden, in dem die Charge durch eine zusätzliche GasVerbrennungseinheit ebenso wie durch den elektrischen Lichtbogen erhitzt wird.

Bei der Herstellung von Legierungen und Gußstücken in der Metallindustrie finden die unmittelbaren elektrischen Lichtbogenöfen sehr verbreitete Anwendung. Es erhoben sich jedoch große wirtschaftliche Probleme bei der Verwendung von Elektroöfen zum Schmelzen von Metall, weil die elektrische Schmelzung einer möglichst großen Charge ziem- *, Hch viel Zeit in Anspruch nimmt und zum Aufschmelzen einer kalten Charge sehr viel Strom verbraucht wird. Zu Beginn oder während der Schmelzperiode ist bei Elektroöfen der Strom- und Elektrodenverbrauch überaus hoch und beträgt häufig ein Mehrfaches des während der anschließenden Prischperiode auftretenden Verbrauches. Vom Beginn der Schmelzung der Charge in einem elektrischen Ofen bis zu deren Vollendung tritt im Ofen eine Oxydation in wechselndem Maße auf, so daß

z. B. bei der Herstellung von Stahl die Phosphor-, Silizium-, Mangan-

■ - ·■ *

Kohlenstoff- und anderen vorhandenen Elemente zu Schlacke oder Gasen oxydiert werden. Dieser Oxydationsprozeß bewirkt die "Reinigung" des

'Stahls und führt gleichzeitig zu einem unerwünschten Verlust an koh-

T 45/1 909845/0262

COPY

lenstoff und anderen Legierungselementen. Folglich müssen nach der Aufschinelzung des Stahls und der Beseitigung der Jchl^cko häufig Kohlenstoff- und Legierungselementzugaben in den Ofen gegeben werden, um den Verlust an Kohlenstoff und erv/ünschten Elementen auszugleichen und zu der gewünschten chemischen Zusammensetzung der Schmelze zu kommen. Ein Problem erhebt sich jedoch insofern, als, wenn während des Schmelz- und Frisch- odor Entaschung^Vorganges zuviel Kohlenstoff und andere Elemente aus der Ofencharge ausgebrannt worden sind, große Kohlenstoff- und Legierungselementzugaben zum Ausgleich der Verluste erforderlich sind, was zu einer unerwünschten und vorzeitigen Abkühlung des 'Jchmelzbades führen kann. E.j ist daher äußerst vorteilhaft, die Oxydation des Kohlenstoffes möglichst gering zu halten und zu steuern, so daß die erforderlichen Zugaben nicht groß genug sind, um die Temperatur der geschmolzenen Charge wesentlich zu verändern.

Die bekannten Versuche zur Lösung des Problems, nämlich des hohen Stromverbrauches während der MetallSchmelzung in einem elektrischen Ofen führten zu verschiedenen Systemen und Verfahren, bei denen bei den herkömmlichen elektrischen öfen zusätzliche Verbrennungseinrichtungen verwendet werden. Typisch für diese bekannten Versuche ist die Anordnung aufwendiger und unwirksamer Verbrennungseinrichtungen, die in ganz besonderer geometrischer Anordnung um den inneren Hohlraum des elektrischen Ofens angeordnet v/erden, urn zur Unterstützung der Ofenelektroden während des 3chmelzvorganges zusätzliche Wärme zu erzeugen.

Aus der Verwendung der bisher bekannten zusätzlichen Heizeinrichtungen ergab sich jedoch ein grpßes Problem durch die erhöhte Oxydation ddes Kohlenstoffs und anderer Legierungseleniente, weil infolge der

909845/0212

BAD ORIGINAL „ ₂ -

unvollständigen Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes und der Luft in der in den Bereich des Metalles eintretenden Flamme Sauerstoff enthalten war, der die Oxydation indirekt verstärkte. Diese verstärkte Oxydation des Kohlenstoffs und anderer iilemente führte · dazu, daß zum Ausgleich große Mengen teurer Zusätze in die Metallschmelze gegeben v/erden mußten, wobei diese Mengen so groß waren, daß sie abkühlend auf das Metallschmelzbad wirkten.

Neuere Versuche zur Vermeidung eines zu großen .Sauerstoffgehaltes in diesen zusätzlichen Flammen führten zu verschiedenen teueren und komplizierten Brennerarten, die besondere Vormisch- und Vorverbrennungskammern aufwiesen. Diese Brenner mußten wegen ihrer besonderen Flammenerzeugungseigenschaften derart angeordnet werden, daß die Flamme nicht unmittelbar auf die Charge traf, weil die Charge und die in deren Mitte angeordneten Elektroden besonders leicht durch überschüssigen Sauerstoff beschädigt werden. Das Ergebnis war ein Verfahren, bei dem die Flamme der zusätzlichen Heizvorrichtung nur tangential oder peripher auf die Charge einwirkte, wobei allerdings ein Kompromiß zu Lasten des Wirkungsgrades der von der Flamme zusätzlich erzeugten Wärme geschlossen wurde und sich folglich also ein Brennstoffverbrauch ergab, der größer war als in dem Falle, wo die Flamme unmittelbar auf die Mitte der Charge gerichtet werden kann.

Der elektrische Ofen und die zusätzliche Verbrennungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung wurden so gestaltet, daß die unerwünschte Oxydation des Kohlenstoffes und anderer Legierungselemente des Metalls möglichst gering wird, während zugleich die Möglichkeit besteht, die Flamme unmittelbar auf den Mittelteil der Charge einwirken zu lassen. Durch die neue Anordnung erreicht man also, daß die

909845/0262

BAD ORIGINAL „ ₅ _

τ*

Schmelze nicht mehr durch große und teuere Ausgleichszugaben an Kohlenstoff und Legierungs.elernenten abgekühlt wird und die .Elektroden des elektrischen Ofens nicht mehr beschädigt v/erden.

Allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Ofens und einer zusätzlichen Verbrennungseinheit zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der Erzeugung von Metall und Metallegierungen.

Ferner soll die Erfindung einen unmittelbaren Lichtbogenofen schaffen, der eine einfache und abnehmbare Verbrennungseinheit aufweist, die mechanisch am Ofen befestigt wird, wenn die Schmelzkapazität des elektrischen Ofens erhöht werden soll.

Im einzelnen soll die Erfindung einen unmittelbaren Lichtbogenofen und ein Hllfsgasverbrennungssystem schaffen, bei dem die unerwünschte Oxydation der Metallcharge äußerst gering ist und eine Beschädigung der Elektroden vermieden wird, während die Flamme unmittelbar auf die Metallcharge gerichtet wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die vom Lichtbogen verbrauchte Menge an elektrischer Energie durch Einregulierung des Elektrodenhitzeausganges innerhalb bestimmter Grenzen gehalten und eine intensive Flamme von der Gasverbrennungs-

einheit unmittelbar auf die Charge gerichtet wird, um eine sehr viel größere Erhitzung der Charge als durch den Lichtbogen zu erreichen.

Ein unmittelbarer Lichtbogenofen gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer der Verbrennungseinheit eine Abgabeseite für eine offene Flamme hat und daß der Brenner lös-

909845/0262

bar auf einer Wandseite des Ofens befestigt ist, wobei der Ofen- im Inneren im wesentlichen zylindrische Gestalt hat und die Flamme derart gerichtet ist, daß sie unmittelbar auf die Metallcharge und radial auf die Elektroden trifft.

Die Grundlage der vorliegenden Kombination ist das Ergebnis der Verbrennung von Luft und einem Naturgas, wie es marktmäßig an industrielle Verbraucher geliefert wird, in einem Ofen mit offener Vorderseite, wobei der Brenner während der Verbrennung große Mengen tragen Stickstoffes erzeugt und zugleich mit der Flamme diesen tragen Stickstoff an die Charge und die Elektroden führt, so daß weder das Metall noch die Elektroden im Ofen eine wesentlich über dem Normalen liegende Oxydation erfahren. Tatsächlich v/erden die Charge und die Elektroden dauernd mit einer trägen oder inerten Umhüllung versehen, die auch durch den Ofen streicht und durch die Entlüftungsöffnungen, die Elektrodenöffnungen und die Abstichöffnung abzieht, während der Brenner die Flamme unmittelbar auf die Charge richtet, um so den Gehalt des Brennstoffes an Wärmeeinheiten maximal auszunützen. Diese , Ergebnisse werden durch die Erfindung erzielt, ohne daß der Brenner eine spezielle geometrische Anordnung haben muß oder die herkömmlichen elektrischen öfen eine größere Abwandlung erfahren müssen und ohne daß Brenner mit einer speziellen Vorverbrennungskammer oder entsprechende Brennstoffe erforderlich wären.

Die'Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen vielter beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen herkömmlichen unmittelbaren Lichtbogenofen, an dem die transportable Verbrennungseinheit befestigt ist.

90984 S/0262

Pig. 2 zeigt in größerem Maßstab eine jtirnansicht dor transportablen Verbrennungseinheit gemäß der Erfindung, v/obei ein Teil der Brennereinrichtung um der besseren Darstellung '..'!Ilen weggebrochen ist.

Pig. j5 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Ofen.

Pig. 4 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch den Ofen nach der Linie 4 - 4 in Pig. jj.

Pig. 5 zeigt in einer Seitenansicht die erfindungsger/iäße Kombination einer Verbrennungseinheit und eines elektrischen Ofens, wobei beide Elemente in ausgezogenen Linien getrennt voneinander dargestellt sind, während die Darstellung in strichpunktierten Linien die Verbrennungseinheit an Ofen befestigt darstellt.

Pig. 6 zeigt eine detaillierte Draufsicht auf die Verbrennungseinheit teilweise im Querschnitt, um das Verbrennungssystein arn Ofen befestigt und in Betriebsstellung zu zeigen.

Pig. 7 zeigt in einer Seitenansicht diejenige Seite der Verbrennungseinheit, die am Ofen befestigt wird.

Beispielsweise aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß der elektrische Ofen eine im wesentlichen zylindrische Metallschale 12 mit einer feuerfesten Steinauskleidung 14 aufweist, die einen inneren, im wesentlichen zylindrischen Hohlraun 16 bildet, der eine entweder saure oder baäsche 3odenauskleidung oder Herdfläche Io hat. J,±ne mit einer feuerfesten Ausleidung versehene Beschickungstüre 20 ist an einer Seite der Schale 12 vorgesehen und ein Abstichloch und eine Auslaufrinne

909845/0262

BAD ORIGINAL _ 6 -

2?. .sind in herkömmlicher './eise gegenüber der Doschickungstüre 20 um 90 in Ui.ifangsrichtung versetzt angeordnet. In der Wand der Schale 12 kann man nach lie darf oder Zweckmäßigkeit (nicht dargestellte) ge eignete ISntlüftungsdüsen vorsehen, um die Gasableitung aus dem Ofen 7λχ erleichtern.

Ein etwa doniartit? gestaltetes Dach 2h ist abnehmbar auf dem Ofen montiert und weist drei Öffnungen 26 auf. In jeder der Öffnungen 26 ist eine längliche Graphit- oder Kohlenstoffelektrode 2o vorgesehen und außerdem sind herkömmliche Klammern ^O auf Tragarmen J>2 angeordnet, die von einem neben dem Ofen angeordneten Mast y\ wegragen, so daß der Hast durch geeignete mechanische Einrichtungen zum Anheben oder Absenken der Elektroden gegenüber der Metallcharge auf der Herdfläche 18 angehoben oder abgesenkt werden kann. Die Arme 32 tragen Stromzuleitungskabel 36, welche die Elektroden 28 zur gesteuerten Zufuhr elektrischer Energie in den Ofen mit (nicht dargestellten) Transformatoren verbinden. Zum Abnehmen des Daches 24 vom Ofen können in bekannter Weise geeignete Hubvorrichtungen oder andere mechanische Einrichtungen vorgesehen sein, so daß man den Ofen von oben beschicken kann; nach Belieben kann man den Ofen auch durch die Tür 20 beschicken. Nach der Beschickung des Ofens und nach Abschluß des Schmelz- und Frischvorganges kann der Ofen nach vorne in Richtung des Abstichloches und der Rinne 22 gekippt werden, um das Metall aus dem Ofen abzuziehen. Geeignete mechanische Schwenkmechanismen zum Kippen des Ofens sind in Fachkreisen bekannt und folglich in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Zur Herstellung der Ofenkombination gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Beschickungstür 20 mit einer ringförmigen öffnung 38 versehen, durch die eine tragbare Verbrennungseinheit, die allgemein

909845/0262 bad

mit 40 bezeichnet ist und einen im wesentlichen zylindrischen Brenner 42 hat, gleichzeitig eine intensive Flamme und einen Strom eines trägen Stickstoffgases unmittelbar auf die Metallcharge auf der Herdfläche 18 leiten. Die transportierbare Verbrennungseinheit 40 ist mechanisch an der Türe befestigt, wobei der zylindrische Brenner 42 in axialer Richtung mit einer offenen Vorderseite 4} und einem ringförmigen Flansch 44 fluchtet, der die erwähnte Bohrung konzentrisch zur öffnung 38 umgibt. Ein Ring 45 aus feuerfestem Werkstoff oder aus nicht rostendem Stahl ist auf dem Flansch 44 zwischen der Tür 20 und dem Flansch 44 vorgesehen, um die Kante der Öffnung 38 vor der Flamme zu schützen und eine Abdichtung zu schaffen und so eine Einwirkung von Luft in den Ofen hinein nahe der Flamme zu verhüten.

Mehrere schnellwirkende Keil-Löse-Klammern 39 (cam release clamps) auf der Tür 20 sorgen für eine schnelle mechanische Verriegelung und Entriegelung des Brennergehäuses 42 mit der Tür 20, indem sie mit dem Ringflansch 44 zum Singriff kommen. Die Einheit 40 weist βΐηφ vierrädriges Fahrgestell 47 auf, um auf einer Laufbahn 46 in und außer Eingriff mit der Beschiokungstür 20 bewegt zu werden, so daß die Einheit im Wechsel einmal in die Stellung gebraoht werden kann, in der sie eine zusätzliche Beheizung bewirkt, und zum anderen aus " dieser Stellung heraus, um den Ofen kippen und die Türe 20 zur seitlichen Beschickung öffnen zu können.

Zusätzlich zum Brenner 42 weist die transportable Verbrennungseinheit 40 einen Elektromotor 48'und ein Niederdruokgebläse 50 auf, das vom Elektromotor angetrieben wird, um durch einen Luftleitungsarm 52 Luft in den Brenner 42 einzuführen. Der Brenner 42 mit seiner offenen Seite 43 umschließt ein sohalenförmiges Element mit im wesentlichen flachem Boden, das eine einseitig offene perforierte Hülse 54

909845/0262

hat, die konzentrisch zum schalenförmigen Glied angeordnet und auf deren Boden 5j5 montiert ist. Mehrere Perforationen 55 ermöglichen einen Luftstrom durch die Hülse 54 von der Luftleitung 52 in die mittlere Verbrennungskammer 56 des Brenners 42. Sine Gaszuteitung 58 ist am flachen Boden 55 des schalenförmigen Gliedes 42 koaxial zur Hülse 54 befestigt, so daß Gas mit reguliertem Leitungsdruck unmittelbar in die Kammer 56 eingetrieben werden kann. Unter der Wirkung des vom Niederdruckgebläse 50 in der Leitung 52 und dem Kanal zwischen der äußeren Hülse des Brenners 42 und der perforierten Hülse $4 erzeugten Luftdruckes strömt die Luft radial durch die Perforationen 55 nach innen in Richtung auf den Gasstrom von der Gaszuleitung 58 und mischt sich gleichzeitig mit diesem Gasstrom und brennt in der Kammer 56. Der durch diese Verbrennung erzeugte extreme Druck zusammen mit der Kraft der durch die öffnungen 55 in die Kammer 56 eintretenden Luft treibt die Flamme axial aus der offenen 3eite 4j der Kammer durch die öffnung 58 in der Be3ChickungstUr 20 und unmittelbar auf die Metallcharge auf der Herdfläche l8.

* In der Wand 53 des Brenners 42 ist neben der Gaszuleitung 58 eine Zündkerze 60 zum Zünden des Brenners vorgesehen. Die Zündkerze 60 ist an einen Transformator 62 herkömmlicher Art angeschlossen, der, wenn er eingeschaltet wird, die erforderliche Spannung zum Zünden der Zündkerze und damit des Brenners liefert. Zum Zünden ist in der Wand 55 außerdem eine Zündgasleitung 64 vorgesehen, die infolge ihres verhältnismäßig kleinen Durchmessers eine begrenzte Gaszufuhr zur Zündung liefert und dadurch eine Explosion verhindert, die auftreten könnte, wenn der Gasstrom der Leitung 58 unmittelbar gezündet würde. Sin geeignete>Gasverschlußventil 65 ist in der Zündgas-

■ leitung 64 vorgesehen, um den Gasstrom nach Bedarf und Wunsch zur Zündung zu steuern.

909845/0262

Man erkennt, daß der soeben.beschriebene Brenner insofern etuas anders arbeitet als die Luft-Gas-Brenner, die bisher im Zusammenhang mit elektrischen öfen verwendet wurden, als keine Mischung vor dem Eintritt des Gases und der Luft in die an ihrer Vorderseite offene Verbrennungskammer selbst auftritt. Außerdem ist keine herkömmliche Düse vorgesehen, um die Vorwärtsströmung der Flamme und des Stickstoffes zu begrenzen und einzuengen, und infolgedessen wirft der Brenner eine verhältnismäßig breite Flamme und einen breiten Stickstoff strom unmittelbar gegen die Metallcharge; auf diese V/eise ergibt sich eine verhältnismäßig gleichförmige und wirksame Erhitzung der Charge, die sich innerhalb eines Schutzmantels aus trägem Gas befindet, wobei dieses Gas kontinuierlich über die Oberfläche der Charge streicht und dann durch die Slektrodenöffnungen, das Abstichloch und die ßntlüftungsöffnungen ausströmt und vor sich die statische Luft innerhalb der Ofenschale hertreibt.

Die Gaszufuhrleitung 58 ist an ihrem Einlaßende an einen Gaszufuhrschlauch 66 angeschlossen, so daß die Verbrennungseinheit 40 entlang der Laufbahn 46 in und außer Eingriff mit dem Ofen bewegt v/erden kann. In der Gaszuleitung 58 sind hintereinander der Einlaß der Zünd-

gasleitung 64, ein Gasabschlußventil 67, das ein herkömmliches Drehventil ist, und eine das Luft-Gas-Verhältnis regulierende Membran 68 montiert, die durch die Leitung 52 an die Luftzufuhr angeschlossen ist, so daß das Luft-Gas-Verhältnis gesteuert und konstant gehalten werden kann. In herkömmlicher Weise sind weitere Ventile vorgesehen, etwa eine Drossel 69 in der Luftleitung 52 zur Steuerung der Luftzufuhr mit der Hand und ein Gasventil 71 am Ende der Leitung 58, um die Gasströmungsgeschwindigkeit abschließend zu regulieren.

Die Gaszue3rfcleitung 70, an die das andere Ende des Gaszuleitungs-

909845/0262 COPY . ₁₀ -

Schlauches 66 angeschlossen ist, weist einen Membranregulator 72 auf, der saisonbedingten Änderungen des Gasdruckes von der Gasquelle her Rechnung trägt. In der Gaszuleitung 70 ist außerdem ein Sicherheitsverschlußventil 7^ vorgesehen, das mit einem druckempfindlichen Schalter 75 gekoppelt ist, um für einen automatischen Verschlug zu sorgen, wenn der Schlauch 66 beschädigt oder zertrennt " ^! werden sollte. Zum Ablesen des Leitungsdruckes können geeignete Meßgeräte vorgesehen sein, die schematisch bei 76 dargestellt sind.

Beim Steuersystem kommen nach Belieben verschiedene Abwandlungen in Betracht und man kann halbautomatische Steuerungen verwenden, die mit Bedarfmeßgeräten gekoppelt sind, die den Stromverbrauch der Elektroden des elektrischen Ofens aufzeichnen, so daß bei Erreichen eires bestimmten Stromverbrauches eine automatische Schaltung automatisch ein Alarmzeichen gibt, damit die Bedienungsleute auf zusätzliche Feuerung oder Zündung des Gasbrenners schalten und die Stromzufuhr zu den Elektroden abschalten oder verringern. Diese Anordnung ist sehr wirksam, ivenn der Strom auf Antrag während bestimmter Zeitspannen zu unterschiedlichen Tarifen verkauft wird, wie dies bei vielen Stromlieferanten in Industrierevieren üblich ist;

Eine geeignete Art der Verwendung der zusätzlichen Verbrennungseinheit in Verbindung mit einer besonderen Hitze des Ofens besteht darin, die zusätzliche Verbrennungseinheit solange zu benutzen, bis der _; Schrott zu 80 % bis 90 % geschmolzen ist, woraufhin die zusätzliche Verbrennungseinheit abgeschaltet wird. Wenn man die zusätzliche Ein- , heit auf diese Weise einsetzt, ist der am meisten Kosten verursachende hohe Anschlußwert des elektrischen Ofens selten erforderlich, da der Frischvorgang und die letzte Schmelzstufe, im Vergleich zum Beginn des Schmelzvorganges sehr wenig Strom verbraucht.

909845/0262 _copv

*"^Y 11

Das Prinzip der Verwendung einer mechanisch befestigten, tragbaren Verbrennungseinheit, um eine Flamme unmittelbar auf eine Metallcharge in der Herdfläche eines elektrischen Ofens aufzubringen, wurde bisher für undurchführbar gehalten, weil dabei eine untrgagbare Oxydation und Ausbrennung des Kohlenstoffes und anderer notwendiger Leglerungselemente und außerdem eine Beschädigung und vorzeitige Verbrennung der Elektroden auftritt. Die hier beschriebene spezielle Anordnung, bei der eine mit einer offenen Vorderseite versehene, das richtige Luft-Gas-Verhältnis aufnehmende Verbrennungskammer unmittelbar auf die Metallcharge gerichtet wird, kann nur dann verwendet werden, wenn diese unerwünschte Oxydation vermieden oder auf ein Minimum herabgedrückt werden kann.

In der Brenner- und Ofen-Kombination gemäß dem hier dargestellten Beispiel wurde beispielsweise Naturgas verwendet, das von der Firma OHIO FUEL GAS COMPANY in Toledo, Ohio, geliefert wird, wobei dieses Gas eine spezielle Schwere von etwa 0,6} hat und etwa aus 85,5 % Methan, 12,5 % Athen, 0,2 Jg Kohlendioxyd und 3,8 % Stickstoff zusammengesetzt ist und etwa 1047 DTU (British Thermal Units) je Kubikfufl enthält. Folglich benötigt das das gemäß diesem Beispiel etwa 10 Kublkfuß Luft je Kublkfuß Gas zur vollständigen Verbrennung des Brenn-, stoffes. Da der Brenner gemäß der Erfindung einen Membran-Verhältnis-Regulator 68 aufweist, der das in den Brenner eingeführte Luft-Gas-Verhältnls steuert, findet die Verbrennung des erwähnten Gases faßt genau im theoretischen Verhältnis von Luft zu Gas von 10 : 1 statt. Da die Luft in erster Linie eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff im Verhältnis von etwa 20 % Sauerstoff zu 79 % Stickstoff let, kann man folgende B beispielhafte Gleichungen zur Darstellung der Reaktion beim Verbrennen einer Mischung von Luft und Naturgas, d. h. beispielsweise eines Gases, das etwa 86 $> Methan und 1? % Äthan ent-

909845/0262

- 12 - .

hält, aufstellen:

1) 2 CH₄ / 2 O₂ * CO / CO₂ / 3H₂ / H. 2%

2) Q₀Wf- / 2 O₀ ** CO / CO₀ / 2H_O /

Außer diesen erzeugten Gasen wird als Gas vor allem Stickstoff erzeugt. 3o entsteht z. B. beim Verbrennen von etwa 1415 irr (5O.OOO cu.ft.) Luft mit Naturgas etwa II30 irr (40.000 cu.ft.) Stickstoff. Tatsächlich bestimmt dieses große Stickstoffvolumen die Atmosphäre im Ofen. Daa Volumen und der Druck des durch den Ofen hindurchgehenden trägen Gases be3ieitigt oder reinigt die unerv/ünschten oxydierenden Verbrennungsgase bei ihrer Snt3tehung und erzeugt eine dauernd vorbeiatreichende träge Umhüllung um die Charge und die Elektroden, so daß die Menge d«3 durch Oxydation verursachten Kohlenstoffverlustes auf ein Minimum herabgesetzt wird. Die in den Ofen bei der Verbrennung eingeleiteten Oase bestehtn in erster Linie au3 tragen oder reinigenden Oasen Insofern, al« z. B. beim Verbrennen von etwa 0,0283 ti? (1 ou.ft.) des oben erwähnten Oases mit 0,283 *? (10 ou.ft) Luft etwa 73 % der insgesamt entstehenden Oase Stickstoff 1st, während der Rest der vorhandenen Gase in erster Linie aus Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd und Wasserstoff besteht. Das Volumen oder die Verhältnisanteile der erzeugten Gase hängt natürlich davon ab, wie vollständig die Reaktion der Gase mit der Luft ist. Bine unvollständige Verbrennung führt zu kleineren Stickstoffmengen und anderen Gasen. Um den maximalen Wirkungsgrad des Systems zu erzielen, ist es daher wesentlich, daß der Brenner so gestaltet wird, dafl er so nahe wie möglich an die theoretische Ausbeute herankommt. Der Brenner 42 gemäß der vorliegenden Erfindung hat sich in dieser Hinsicht als äußerst wirkungsvoll erwiesen und die Erzeugung von Stlokstdff während der Anwendung des Brenners zur zusätzlichen Erhitzung der Charge des

909846/0282 Ia_{0 0RI}G,NAL . ₁₃ .

elektrischen Ofens kommt der theoretischen Menge bei einen bestimmten Naturgas nahe. Die Zusammensetzung von Naturgas ändert sich natürlich in gewissem Umfang, es steht jedoch fest, daß durch die beschriebene Verwendung der Verbrennungsprodukte des Brenners eine ausreichende Umhüllung aus trägem Gas erzeugt wird, sofern die Stickst off erzeugung bei irgendeinem gegebenen Gas mehr als 50 ;i ier gesamten erzeugten Gasmenge beträgt. Beispiels für derartige Naturgase sind bekannt und diese Gase treten an vielen 3tellen der Welt auf.

Bei der Verwendung einer transportablen Verbrennungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem elektrischen Ofen, der eine Kapazität von sechs Tonnen hat, hat sich beispielsweise erwiesen, daß die 3chmelzzeit für eine kalte Charge derart herabgesetzt wird, daß in einer normalen 3chicht von etv/as weniger als acht Stunden fünf itatt bisher vier 3chmeIzvorgänge durchgeführt v/erden können, wobei ein Oasverbrauch von etwa 140 or (5*000 cu.ft.) pro Stunde gegeben 1st» Die entsprechend· WMrmeerseugunf ImI dieser -Menge Naturgas liegt etwa bei 5 Millionen BTU je Stunde, wobei gleichzeitig etwa die gleiohe WIrraemtnge durch die Elektroden de* elektrischen Ofens bei mittlerem Anachluflwert erzeugt wird* Bei der Betrachtung dieser Angaben muß man berücksichtigen, dafl eine hohe Stromabnahme des elektrischen Ofens im Vergleich zu einer niedrigen oder mittleren 3tromaufnähme sehr teuer i3t, so dafl bei einer möglichst weitgehenden Herabsetzung oder Vermeidung des Betriebs mit hoher Stromaufnahme eine wesentliche Ersparnis beim 3chmelzvorgang erzielt wird. Diese Ersparnis ist natürlich nur möglich, weil.während der al3 Beispiel beschriebenen Verbrennung im Brenner etwa I.I30 Ώ? (40.000 cu.ft.) Stickstoff pro Stunde erzeugt wird und . . gleichzeitig die Flamme unmittelbar auf die Charge gerichtet wird

909845/0262 B_AD original

- 14 -

und die Elektroden arbeiten.

Der wirksame Schutz der Charge und der Elektroden Gegen Oxydation bei diesen extremen Bedingungen uird noch durch die große Querschnitt sflache der Flamme und des 3tick3toffgasstrome3 verbessert, der durch den beschriebenen Brenner mit offener Vorderseite erzeugt wird, da ein wesentlicher Teil der - wenn nicht sogar die ganze Charge bei der Verweftbrennung im wesentlichen gleichmäßig erhitzt und geschützt wird. Die ungeheuren Stickstoffmengen, die während dieses Vorganges in den Ofen eingeführt werden, treiben die statische Luft im Ofen durch die Abstichöffnung, die Entlüftungsöffnungen und die Elektrodenöffnungen aus, so daß der Ofen insbesondere im Bereich der Charge eina nahezu vollkommen aus Stickstoff bestehende Gasfüllung hat.

Eine merkliche Abnahme der Verbrauchsgeschv/indigkeit der Elektroden ergibt sich daraus, daß diese Elektroden von dem aufsteigenden heißen Stickstoff umgeben werden, während dieser durch die Elektrodenöffnungen ausströmt. Es hat sich erwiesen, daß diese inerte oder träge Atmosphäre für die Zusammensetzung der Charge nicht schädlich ist und iiii Gegenteil tatsächlich die Qualität der im Ofen erzeugten Schmelzen standardisiert. Der Grund hierfür ist die Tatsache, daß Stickstoff im trockenen Zustand gegenüber Eisen vollkommen passiv ist. Es liegt jedoch auf der Hand, daß, wenn der Stickstoffgehalt der Atmosphäre sich in irgendeiner Hinsicht als schädlich für den speziellen Legierungsprozeö erweist, der im Elektroofen mit zusatz-Hoher Verbrennungseinheit durchgeführt wird, der prozentuale Anteil des Stickstoffs im Ofen durch die Anordnung zusätzlicher Entlüftungsöffnungen Im Ofen und durch die Erhöhung des öasanteils beim Verbrennungsgemisch verändert werden kann. Es hat sich Jedooh ge-

909845/0262

- 15 -

zeigt, -laß lurch -lie kontinuierliche Sticks toffuimiiantclung, die durch das Verfahren und das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt i.'ird, bei normalen Met alliier s teilungsverfahren keine nachteiligen V/irkungen auftreten.

Zur Vereinfachung der Beschreibung wurden die Grundlagen der Erfindung anhanl eines einzigen Ausführungsbeispiels erläutert. Jelbstverständlich soll jedoch weder diese dargestellte Aus führung 3 form noch die bei Ihrer Beschreibung verwendete Terminologie zur Abgrenzung der Erfindung dienen, da viele Abwandlungen möglich sind, die selbstverständlich im Rahmen des Erfindungsgedankens liegen. Zur Abgrenzung des Erfindungsgedankens dienen ausschließlich die folgenden Ansprüche.

Patentansprüche ;

BAD ORIGINAL

909845/0262

- 16 -

Claims (1)

1. Dr. Ing. E. BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, Universitättitraße 31

   Anlag« Mt*u»i<J»n

   zur Eingab· vom 12. MärZ 11)66 VA+ Nom.d.Anm. T iS X T R O N INC.

   PATiHT A IJ 3 P R U C H J,

   1. Verfahren zum Erhitzen einer Mütallcharge in einem unmittelbaren Lichtbogenofen, der Kohlenstoffelektroden hat und in dem die Charge durch eine zusätzliche Gasverbrennungseinheit ebenso wie durch den Lichtbogen erhitzt v/ird, dadurch gekennzeichnet, daß iie Menge des insgesamt vom Lichtbogen verbrauchten elektrischen Stromes durch entsprechende üinregulierung des Wärmeausganges der Elektrode innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird und eine intensive Flamme der Gasverbrennungseinheit unmittelbar auf die Charge gerichtet wird, um in diese eine Wärmemenge einzuleiten, die wesentlich größer ist die vom Lichtbogen erzeugte Wärmemenge.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammgase zu mehr als 50 % aus einem tragen Gas, insbesondere Stickstoff, bestehen.

   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (42) der Verbrennungseinheit (40) eine Vorderseite (43) seiner Verbrennungskammer (56) zum Austritt einer offenen Flamme hat, wobei diese Vorderseite derart gerichtet ist, daß sie die Flamme radial im wesentlichen in Richtung auf die Elektroden (28) richtet.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder J>, dadurch gekenn-

   909845/0262 bad ORiGiNAf. _

   zeichnet, daß durch ein Gebläse (50) Luft in He Verbrennungskammer (56) geblasen wird und gleichzeitig eine gasförmige Kohlen;;a.:-jaerstoffmischung in die 7er brennungs kammer (yo) eingeleitet v:ird, um in dieser eine Mischung zu erzeugen, leren Mischungsverhältnis eine im wesentlichen vollständige Vebrennung gewährleiiet, uni daß dor in der Verbrennungskammer (56) erzeugte Druck einen Überdruck im Ofen erzeugt. _s

   5. Unmittelbarer Lichtbogenofen mit einer zusätzlichen Gasverbrennungseinheit zur Durchführung des Verfahrens nach An.3pi.uch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (5o) des Brenners (42) der Verbrennungseinheit (.40) eine Voriersjite (4;·) zum Austritt einer offenen Flamme aufweist und la.3 ler Brenner (^c.) lösbar auf einer Seitenwand (12) des Ofens befestigt ist, v;obei der Ofen einen im wesentlichen zylindrischen Innenraum hat und lie Ausrichtung derart ist, daß die Flamme unmittelbar auf die Metallcharge und radial in Richtung auf die iSlektroden (28) gerichtet ist.

   6. Öfen nach Anspruch 5> gekennzeichnet durch Regulatoren (6d, 69, 71) für das Druckverhältnis und die 3trömung in den gesonderten Luft- und Gasleitungen (52, 58) zum Brenner (42).

   7. Ofen nach den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine bewegliche Lagerung (47) für die Verbrennungseinheit (40), deren Brenner einen Befestigungsflansch (44) zur Befestigung am Ofen aufweist.

   8. Ofen nach den Ansprüchen 5» 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (42) einen elektrischen Funkenzünder (60) und eine Zündgasleitung (64) zur Zündung des Gases aufweist. g^-. Q_RjQf_NÄL

   909845/Q2B2 r

   >■. U'fen Hi-jii eine;n 3er Ansprüche 3 bi "- Ό, dad arch ζ -kennzeichnet, laß -\r;v 2i'j:i:iar (4Ii) eine- perforierte innere Hülse (54) aufweist, --,oo-.-iJ ;io Luft rul al tun;;: außerhalb ier llül.sc-i und iie Hauptgas ^ innerhalb ^:\3V Hülse lio£t.

   10. .Ju^at2-7erbrennun^.r.-.?inhait für Ofen cu-niäfi einein '1er Ansprüche 3 f'i? 9t -3aiurch gekennseichnot, da3 sie einen mit einei.r Flansch versehenen 3renner (4^) aufweist, Ier eine mittige Verbrennungskamwer (30) mit offener Vorlerseite hat, laß eine Liegsarne Gaszufuhrleitung (υυ) in -iiesem Brenner (42) vorgesehen ist, daß ein Nieder-Iruckgebläae (30) zur Zufuhr von Luft ±i rien Brenner (42) vorgesehen ist, daß ferner ein Druckverhältnisregulator (6B) für die Luft- und Gasleitungen (i?2, 5^) vorgesehen ist, daß ferner Regulatoren (69* 71) in diesen Leitungen (52, 58) vorgesehen sind, daß außerdem ein Funkenzünder (60) und eine Zündgasleitung (64) sov/ie eine bewegliche Auflagerung (47) vorgesehen ist.

   BAD

   909845/0262

   no

   L e e r s e i t e