DE4138724C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Instandsetzung einer Elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere für Lichtbogenöfen, Gießpfannen, Verteilerrinnen, zur Instandsetzung mindestens einer im Boden mit Feuerfestmaterial ausgekleideten, mit einer Kathode versehenen metallischen Gefäßes, als Alt-Anode bzw. Anode dienende Elektrode, die aus mit der Schmelze metallurgisch verträglichem Werkstoff besteht und an ihrem an dem Ofen herausragenden Ende Anschlüsse für elektrischen Strom und für ein Kühlmittel aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Instandsetzung einer Elektrode.

Beim Betreiben von metallurgischen Gefäßen zeigt sich im Bereich der Bodenelektrode ein voreilender Verschleiß des Feuerfestmaterials aufgrund von höherer thermischer und/oder chemischer Beanspruchung. Der Verschleiß des Feuerfestmaterials führt auch zu einem verstärkten Abtragen der Elektroden.

Üblicherweise wird bei der Instandsetzung der Feuerfestauskleidung eines Lichtbogenofens die Elektrode mitgewechselt. Die bei einem Gleichstromofen als Anode dienende Bodenelektrode besteht in einigen Fällen aus einem Kupferteil und einem metallischen, der Schmelze entsprechenden Werkstoff. Bei diesen Elektroden ist der Kupferteil konstruktiv und fertigungstechnisch aufwendig hergestellt, so daß der Wunsch besteht, diesen Kupferteil möglichst wiederzuverwerten.

So ist aus DE 35 43 278 C1 die Bodenelektrode eines Gleichstromlichtbogenofens bekannt, bei der ein Verschleißelement bekannt ist, das eine Sackbohrung aufweist, in die eine Kühlbuchse einsteckbar ist. Nach Trennen der Verschleißbüchse von der aus Kupfer bestehenden Kühlungsbuchse kann der Kupferteil wiederverwandt werden.

Der aus dieser Schrift bekannten Bodenelektrode haftet der Nachteil an, daß bei Instandsetzungsarbeiten die komplette Elektrode zu wechseln ist. Hierzu gehört neben den typischen Schwierigkeiten des Herausziehens der Elektrode auch die De- und Remontage der Kühlanschlüsse und der elektrischen Leitungen.

Aus DE 38 35 785 A1 ist eine zweiteilige Bodenelektrode bekannt, bei der die einzelnen Teile durch Schrauben miteinander verbindbar sind. Theoretisch ist bei der vorliegenden Bodenelektrode eine Trennung beider Teile denkbar. Hierzu wäre aber eine aufwendige, instandsetzungsfeindliche und arbeitssicherheitsunfreundliche Arbeit im Ofengefäß und unterhalb des Ofens erforderlich. In der Praxis wird daher die Elektrode komplett herausgenommen und neu eingesetzt.

Bei beiden Fällen wird durch das Wechseln der kompletten Bodenelektrode oder durch einen Gefäßwechsel die Stillstandszeit des Gleichstromofens in nachteiliger Weise verlängert.

Aus DE 33 39 514 A1 ist eine Elektrodenanordnung zur Kontaktierung des geschmolzenen Metalls im Boden warmgängiger Gefäße bekannt, bei der eine Kupferhülse bis nahe an den Rand der Feuerfestauskleidung geführt ist und sich oberhalb des Kopfes eine Verschleißschutzschicht aus erstarrter Metallschmelze bildet.

Die Bauart dieser Bodenelektrode hat zum einen den Nachteil, daß nur eine geringe Verschleißrate zulässig ist und daß die Verschleißschicht unmittelbar am Kopf des empfindlichen wasserführenden Elektrodenteils aus Kupfer sich befindet. Bei Abnutzung des Feuerfestmaterials oberhalb des Kupferkopfes besteht die Gefahr der Stromübertragung direkt auf den Kupferteil mit der Möglichkeit der Zerstörung der Oberfläche. Durch das tief in die Feuerfestschicht hineingeführte Kühlwassersystem birgt bei Undichtigkeiten die Gefahr des Kontaktes von Wasser und flüssigem Material mit der Folge großer Zerstörung des Ofengefäßes.

Aus DE-Z: "elektrowärme-international 41" (1983, Ausgabe B, 3. Juni, S. 124-128) ist es bekannt, den Boden eines Gleichstromlichtbogenofens mit Kontaktstiften zu versehen. Nach einer Zustellung des Herdes ragen diese teilweise aus der Ausmauerung heraus. Während des Betriebes verschließt der Boden einschließlich der Kontaktstifte in Form eines großflächigen Kegels. Wird ein Nacharbeiten des Kegels notwendig, so wird Späne und/oder kleinstückiges Material auf die Kontaktflächen der noch heißen Bodenelektrode gegeben und dann die Böschung nachgearbeitet.

Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein Verfahren zur Instandsetzung einer Bodenelektrode genannter Art zu entwickeln, bei dem eine vollwertige aufbereitete Elektrode unter zeitlich, arbeits- und kostenmäßig minimalen Instandsetzungsaufwand zum Einsatz kommt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 13.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der verschlissene Teil der Bodenelektrode in der Form ersetzt, daß an den verbleibenden Teil metallischer Werkstoff an einem der Schmelzschweißverfahren vergleichbaren Verfahren angebracht wird. Als metallischer Werkstoff findet dabei ein fester Metallklotz bzw. ein dickwandiges Rohr ebenso Verwendung wie kleinstückiges Material oder auch zu Beginn des Produktionsbetriebes des Lichtbogens zum Kopf der Anode fließendes schmelzflüssiges Material. Zum Einbringen der elektrischen Energie wird die im Gleichstromlichtbogenofen vorhandene Kathode und die im Boden sich befindende Alt-Anode verwandt. Der metallische Werkstoff wird durch einen in seiner Leistung einstellbaren Lichtbogen verflüssigt, um dann durch gezielte Kühlung der Anode sich wieder zu verfestigen. Dieses Verfahren ist mit einfachsten Mitteln einsetzbar und kann ohne besonderen Einsatz von Instandhaltungsleistungen, beispielsweise durch besondere Schlossertätigkeiten, durchgeführt werden.

Um dem zum Ofeninneren weisenden Anodenteil die gewünschte Form zu geben, wird eine Bohrung in der Feuerfestmasse gelassen, die als Form zur Bildung dieses Anodenteils dient oder vorgefertigte Feuerfestringsteine in Position gebracht.

In einer besonderen Ausführungsform wird ein zylindrischer Metallklotz benutzt, der durch den zwischen der Kathode und der Anode sich bildenden Lichtbogen nur an seiner Oberfläche aufgeschmolzen wird, dessen schmelzflüssige Masse am Klotz entlang zum Kopf der Alt-Anode fließt und sich dort zwischen dem Anodenkopf und dem Fuß des Klotzes ansammelt. Gleichzeitig wird aufgrund fehlender Kühlung die untere Fläche des Metallklotzes teigig und hilft mit beim Kontakt zur Alt-Anode. Durch anschließende intensive Kühlung des Alt-Anodenteils erstarrt diese Schmelze und verbindet innig beide Anodenteile.

Die nach diesem Verfahren aufbereitete Anode kann nach ausreichend langer Ofenreise wieder aufbereitet werden. Bei jeder Aufbereitung ist die Verbindung beider Anodenteile innig mit unverminderter Übertragungsmöglichkeit des elektrischen Stromes und der Wärmeabfuhr verbunden.

Zur Durchführung des Verfahrens kommt beim Einsatz von mehreren Anoden im Boden des metallurgischen Gefäßes die vorgeschlagene Hilfsvorrichtung zum Einsatz. In dem einen Fall wird eine Hilfselektrode, eine sogenannte Stinger-Elektrode eingesetzt. Diese Stinger-Elektrode wird an das Gleichstromsystem parallel zur Hauptkathode angeschlossen und mittels eines Manipulators in das Ofengefäß, ggf. durch die Schlackentür, in Stellung gebracht.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform stellt das unmittelbare Ausnutzen des Elektrodenstranges als Halterung einer Vorrichtung zur Instandsetzung der Bodenelektrode dar. Hierbei wird die konstruktiv einfache Vorrichtung an die vorhandene Kathode angeschlossen und erfordert somit keine besonderen Einrichtungen für die Stromführung. In vorteilhafter Weise können die einzelnen Elektrodenspitzen in ihrem Abstand zur Mitte der Hauptelektrode verstellt werden und gewährleisten somit ein sicheres Übertragen des Lichtbogens an der gewünschten Stelle. Zur Verlängerung der Standzeit und zur Erhöhung der Maßgenauigkeit kann die Vorrichtung doppelwandig ausgeführt sein zur Durchleitung eines Kühlmediums.

Ein Beispiel der Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1-4 die Instandsetzung einer Anode mit

Fig. 1 einem Metallklotz,

Fig. 2 einem dickwandigen Rohr,

Fig. 3 kleinkörnigem Material,

Fig. 4 Schrottcharge,

Fig. 5 eine Vorrichtung zur Verteilung des elektrischen Stromes.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines Ofengefäßes 10 mit einem Gefäßmantel 11 und einer Feuerfestauskleidung 12 und die Anordnung der Elektroden 20, u. z. der Kathode 21 und der Anode 24.

Die Anode 24 besteht dabei aus einem Anodenkupferteil 22 und mit diesem verbundenen Alt-Anodenteil 23.

In der Feuerfestauskleidung 12 sind die Alt-Anode 23 radial umgreifende Feuerfestringsteine 13 angeordnet. Zwischen der Anode 24 und dem Gefäßmantel 11 ist eine Isolierung 14 vorgesehen.

Der Anodenkupferteil 22 ist mit einer Medienversorgung 30 verbunden, u. z. mit einer Stromzufuhr 31 sowie einer Wasserzufuhr 32 und einer Wasserabfuhr 33.

Zu den Fig. 1 und 2 sei bemerkt, daß hier aus Gründen des besseren Verständnisses des Verfahrens der vorhandene Abstand zwischen den Feuerfestringsteinen 13 und den nachfolgend beschriebenen Anodenteilen 40, d. h. dem Metallblock 41 bzw. Rohr 42 - durch eine Schlangenlinie angedeutet - stark vergrößert dargestellt ist.

Für die in die Feuerfestmasse eingebrachte - ebenfalls als Form dienende - Bohrung würde eine entsprechende Darstellung gelten.

Auf den zum Gefäßinneren weisenden Kopf der Alt-Anode 23, der sich in der Höhe eines angenommenen Verschleißprofils V befindet, sind Anodenteile 40 aufbringbar. So zeigt die Fig. 1 einen zylindrischen Metallkörper in Form eines Metallblockes 41 und die Fig. 2 in Form eines dickwandigen Rohres 42. Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Kopf des Anoden-Neuteils aufgeschmolzen, und das schmelzflüssige Metall fließt zum Fuß des Metallblockes 41 bzw. des dickwandigen Rohres 42, um hier in Form eines Schmelzschweißverfahrens den Anoden-Altteil mit dem Neuteil zu verbinden. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann eine besondere Form, beispielsweise die stufenförmige Ausgestaltung des Fußringes, das Anschweißen des Anoden-Altteils mit dem Neuteil unterstützen.

In die Bohrung 43 des dickwandigen Rohres 42 der Fig. 2 kann kleinstückiges Material eingebracht werden.

Die Fig. 3 zeigt ein Anoden-Neuteil, das ausschließlich aus kleinstückigem Material erzeugt wird. Zum Einsatz kommen hier Späne oder Graphit sowie auch Stanzabfälle. Dieses Material läßt sich besonders einfach in die Bohrung der Feuerfestringsteine einbringen und mit geringem Aufwand aufschmelzen. Gegebenenfalls können hier noch Beschleuniger zulegiert werden.

Bei der Fig. 4 wird kein gesondertes Material zur Herstellung des Anoden-Neuteils 40 in die Bohrung der Feuerfestringsteine eingebracht, sondern bei Beginn des Schmelzens der normalen Charge wird sich Schmelze oberhalb der Alt-Anode 23 ansammeln.

Der Kopf der Alt-Anode 23 ist jeweils metallisch, evtl. anhaftende Schlacke aus dem vorhergehenden Produktionsbetrieb wird während der Instandsetzungsarbeit entfernt.

Die Fig. 5 zeigt den Einsatz eines Stromverteilers 50. Im Boden des metallurgischen Gefäßes 10, mit dem Gefäßmantel 11 und der Feuerfestauskleidung 12 sind im vorliegenden Beispiel zwei Anoden 24 angeordnet. Die Anoden-Neuteile 40 können dabei unterschiedlichen Aufbau haben. So ist einmal ein zylindrischer Metallkörper als Metallklotz 41 und ein andermal als dickwandiges Rohr 42 mit der Bohrung 43 dargestellt, wobei in die Bohrung 43 kleinstückiges Material 44 eingebracht wurde.

Der Stromverteiler 50 weist eine Büchse 51 aus, den dem mindestens zwei Arme 52 angeordnet sind. Die Büchse 51 ist an der Spitze der Elektrode 21 befestigbar, beispielsweise durch einen Befestigungskeil 55 oder durch Befestigungsschrauben 56. Der Stromverteiler 50 kann aber auch mit einem Gewinde versehen (nicht dargestellt) und an eine normale Elektrode bzw. an den metallischen wassergekühlten Teil einer Elektrode angeschraubt werden.

Die Büchse 51 wie auch die Arme 52 können einen Hohlraum 54 aufweisen, in den ein Kühlmedium 34, beispielsweise Luft, einführbar ist.

An den Armen 52 sind mittels Verschiebeelementen 50 Elektrodenspitzen 53 befestigt. Auf einfache Weise kann somit die jeweilige Elektrodenspitze 53 exakt oberhalb der Anoden-Neuteile 40 eingerichtet werden.

Zur Erhöhung des elektrischen Kontaktes zwischen der Kathode 21 und dem Stromverteiler 50 kann in die Büchse 21 den elektrischen Strom gut leitende Kontaktmasse 59 in Form von Pulver oder Paste eingebracht werden.

Bezugszeichenliste

10 metallurgisches Gefäß
11 Gefäßmantel
12 Feuerfestauskleidung
13 Feuerfestringsteine
14 Isolierung
20 Elektroden
21 Kathode
22 Anodenkupferteil
23 Alt-Anode
24 Anode
30 Medienversorgung
31 Stromzufuhr
32 Wasserzufuhr
33 Wasserabfuhr
34 Kühlmedium
40 Anoden-Neuteil
41 Metallblock
42 dickwandiges Rohr
43 Bohrung
44 kleinstückiges Metall
45 Charge
46 geschmolzenes Metall
50 Hilfsmittel
51 Büchse
52 Arm
53 Elektrodenspitze
54 Hohlraum
55 Befestigungskeil
56 Befestigungsschraube
57 Verschiebeelement
58 Medienanschluß
59 Kontaktmasse
60 Manipulator
70 Gleichstromeinrichtung
V angenommenes Verschleiß­ profil

Claims (17)

1. Verfahren zur Instandsetzung mindestens einer im Boden eines mit Feuerfestmaterial ausgekleideten, mit einer Kathode (21) versehenen metallurgischen Gefäßes (10) als Alt-Anode (23) bzw. Anode (24) dienenden Elektrode, die aus mit der Schmelze metallurgisch verträglichem Werkstoff besteht und an ihrem aus dem Ofen herausragenden Ende Anschlüsse für elektrischen Strom und für ein Kühlmittel aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) nach einer festgelegten Verschleißrate wird am zum Ofeninneren zugewandten Kopf der Alt-Anode (23) eine zylindrische Form mit flacher Stirnfläche belassen,
• b) an der Stirnfläche haftende Schlackenreste werden weggebrannt,
• c) in das Ofengefäß werden koaxial zur Anodenmittenachse Feuerfestringsteine (13) eingebracht,
• d) der Verschleißbereich des Ofengefäßes wird mit Feuerfestmaterial wieder aufgefüllt,
• e) in die Bohrung der Feuerfestringsteine (13) wird metallischer, dem Anodenkopf entsprechender Werkstoff (41) eingebracht,
• f) vor oder kurz nach Wiederinbetriebnahme des metallurgischen Gefäßes (10) werden zumindest Teile des als Anode vorgesehenen metallischen Werkstoffs durch einen zwischen der Kathode (21) und der Alt-Anode (23) gezündeten axial zur Anodenmittenachse brennenden Lichtbogen aufgeschmolzen und so mit dem Kopf der Alt-Anode (23) in Verbindung gebracht,
• g) durch angepaßte Kühlung der Anode wird der flüssige Anteil des sich in der Bohrung des Feuerfestmaterials befindenden metallischen Werkstoffes erstarrend mit der Alt-Anode (23) innig verbunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bohrung der Feuerfestringsteine (13) ein zylindrischer Metallkörper (41) eingebracht wird, der mit einem der Anode entsprechenden Durchmesser vorgefertigt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorfertigung des zylindrischen Metallkörpers in diesen eine axiale Bohrung (43) eingebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode (21) und der Anode (24) ein Lichtbogen gezündet wird, der derart in Länge und Leistung eingestellt wird, daß der der Kathode zugewandte Kopf des zylindrischen Metallkörpers (41) aufschmilzt und die Metallschmelze in den Freiraum zwischen Metallkörper (41) und Feuerfestringsteinen (13) und in die Bohrung (43) zum Kopf der Alt-Anode (23) fließt und sich zwischen dieser und dem Fuß des Metallzylinders ansammelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei außerhalb der Mittenachse des Gefäßbodens angeordneten Anode eine Verbindung geschaffen wird in der Weise, daß der zum Aufschmelzen eingesetzte Lichtbogen axial zur jeweiligen Anodenmittenachse brennt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Ofengefäß ein dem Anodenkopf entsprechender Werkstoff in Form einer Chargen-Teilmenge kleinstückigen Schrotts (44) gefüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung der Feuerfestringsteine (13) mit kleinstückigem Material, insbesondere Spänen, Stanzabfällen oder Graphit gefüllt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (43) des zylindrischen Metallkörpers (41) mit kleinstückigem Metall gefüllt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode (21) und der Anode (24) ein Lichtbogen gezündet wird, der in Länge und Leistung derart eingestellt wird, daß das kleinstückige Material (44) aufschmilzt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das kleinstückige Metall (44) zusätzlich durch Primärenergiebeheizung, insbesondere Öl-/Gas-Sauerstoffbrenner, aufgeschmolzen wird und einen Sumpf bildet, welcher in die Hohlräume zwischen Feuerfestringsteinen (13) und zylindrischen Metallkörper (41) bzw. in dessen Bohrung (43) läuft.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schrottcharge ins Ofengefäß eingebracht wird und der Lichtbogen in der Weise gesteuert wird, daß nach Erschmelzen eines ersten Teils des metallischen Anteils der Charge und Einfließen der Schmelze in die Bohrung der Feuerfestringsteine die Leistung des Lichtbogens für eine vorgegebene Zeit reduziert wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Kühlmediums zur Alt-Anode (23) für eine vorgegebene Zeit reduziert und nach Herstellung des Kontaktes zwischen Alt-Anode und Neuteil wieder auf den Normalwert eingestellt wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 4, 9 und 12 für ein metallisches Gefäß mit im Gefäßboden angeordneten Anoden und in das Ofengefäß hineinragenden, an eine Gleichstromeinrichtung angeschlossene Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Lichtbogens Hilfsmittel (50) vorgesehen sind, mit denen eine während des Aufschmelzens des metallischen Werkstoffs in zur jeweiligen Alt-Anode (23) axiale Stellung bringbare Kathode (21) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmittel (50) ein an der Kathode (21) befestigbarer Stromverteiler ist, der mindestens zwei Arme (52) aufweist,
daß die Arme (52) an eine Büchse (51) angeschlossen sind, die an der Kathode (21) in einer den elektrischen Strom sicher übertragenden Weise befestigbar ist, und
daß an dem von der Büchse (51) wegweisenden Ende der Arme (52) anodenwärts weisende Elektrodenspitzen (53) vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (51) über ein Gewinde an eine einen wassergekühlten metallischen Teil aufweisende Kathode (21) anschließbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (52) einen Hohlraum (54) sowie einen Medienanschluß (58) zur Zufuhr eines Kühlmediums (34) aufweisen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmittel (50) ein in das Ofengefäß (10) einbringbarer Manipulator (60) ist, an dem eine parallel zur Hauptelektrode (21) an die Gleichstromeinrichtung (70) anschließbare Hilfskathode angeordnet ist.