DE4336628A1 - Elektrodensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrodensystem zum Auf­ schmelzen und Rühren sowie zur Temperaturführung in metallurgischen Gefäßen. Die Wärmequelle ist ein Licht­ bogen zwischen Zentralelektrode und Schmelze. Dieser kann insbesondere auch unterhalb der Badoberfläche be­ trieben werden. Als Folge des getauchten Betriebszu­ standes kann das Spülen und Heizen mit einer Gasein­ speisung in einem Schritt erreicht werden.

Für Elektrodensysteme für Tauchbrenner wird ebenso wie für andere Heizsysteme in der Metallurgie ein hoher Wirkungsgrad für die Energieeinkopplung gefordert, weil das Aufschmelzen und Nachheizen des stückigen Gutes hohe Schmelzleistungen erfordert. Zur Homogenisierung der Schmelze bezüglich Temperatur und Zusammensetzung muß die Schmelze außerdem gerührt werden. Ferner muß bei kontinuierlicher Betriebsweise das Chargieren körniger Einsatz- und Zusatzstoffe in die Schmelze ermöglicht werden. Darüber hinaus soll das Schmelz- und Heizver­ fahren flexibel hinsichtlich der Einsatz- und Zusatz­ stoffe sein sowie niedrige Emissionen und geringe Ab­ fallmengen verursachen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodensystem zum Aufschmelzen und Rühren sowie zur Temperaturführung in metallurgischen Gefäßen zu schaf­ fen, mit dem eine optimale Energieeinkopplung bei mini­ malem Gasverbrauch erreicht werden kann und mit dem ei­ ne umweltgerechte Verarbeitung auch von gefährlichen, staubförmigen Reststoffen möglich ist.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be­ rücksichtigten Stand der Technik wird diese Aufgabe er­ findungsgemäß gelöste mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem wird durch den Unterbadbetrieb des Lichtbogens zwischen Zentral­ elektrode und Schmelze (Metall oder Schlacke) in Ver­ bindung mit einer geeigneten Gasdosierung ein sehr ho­ her Wirkungsgrad der Energieeinkopplung erreicht, weil die Abstrahlung des Lichtbogens auf die Ofenausklei­ dung (Wände und Deckel) entfällt. Die heißen Licht­ bogengase heizen das Einsatzgut auf und kühlen während ihres Aufstiegs durch die Schmelze deutlich ab. Die Ofenatmosphäre ist also nicht zu heiß, so daß die me­ tallurgischen Gefäße oberhalb der Schmelzbadoberfläche nicht gekühlt ausgelegt werden müssen. Bei einer Aus­ führung der Elektroden aus Graphit kann die gesamte Tauchlanzenanlage ohne zusätzliche Kühlung sicher und zuverlässig betrieben werden. Die Graphitelektroden­ materialien reagieren bei Aluminium- oder Kupferschmel­ zen nicht mit dem Metallbad. Bei Stahlschmelzen kann die Mantelelektrode mit einem Überzug aus Feuerfestmaterial versehen werden, um die unerwünschte Aufkohlung der Stahlschmelze zu verkleinern. Wenn die Schmelze nicht mit Graphit in Kontakt treten soll, kann das schmelz­ seitige Ende der Mantelelektrode außen und innen kera­ misch überzogen werden und der Stromkreis wird über Zentralelektrode - Schmelze - Bodenelektrode geschlos­ sen.

Im Unterbad-Betrieb ist ein minimaler Gasverbrauch zum Aufschmelzen und Nachheizen der Einsatzstoffe erfor­ derlich, welcher aufgrund des Wegfalls des separaten Spülgases und verkürzter Homogenisierungszeiten bei geeigneter Positionierung der Elektroden erreicht wird. Der Gasbedarf an Ar bzw. N₂ oder Reduktionsgas liegt bei nur 50% verglichen mit aufblasenden Systemen.

Über den Ringraum zwischen der Zentral- und Mantelelek­ trode können mit dem eingeblasenen Gas auch körnige Gü­ ter, insbesondere Stäube, direkt ins Innere der Schmelze eingetragen werden, wodurch unkontrollierte Materialver­ luste z. B. in die Schlacke oder das Abgassystem vermie­ den werden. Das Nachchargieren erfolgt in der heißesten Zone der Schmelze, so daß die festen Stoffe schneller aufgeschmolzen und gelöst werden können. Gleichzeitig wird bei der Zugabe von Gemischen gewährleistet, daß Komponenten mit einem niedrigen Siedepunkt, z. B. Pb und Zn, weitgehend verdampfen werden.

Die Erfindung ermöglicht eine umweltgerechte Verarbei­ tung auch von gefährlichen, stückigen bis staubförmigen Reststoffen, wie Filterstäube aus der Stahlerzeugung und der Müllverbrennung oder Aluminiumkrätze oder Rest­ stoffe aus Schleifbetrieben, weil der Elektrodenraum geschlossen ausgeführt ist, die Reststoffe nicht auf, sondern in die Schmelze eingebracht werden und das heiße Metallbad die anorganischen und organischen Schadstoffe unschädlich macht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben.

Es zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße Elektrodensystem bei einer Tauchlanzen-Anlage in Bereitschaft;

Fig. 2 das Elektrodensystem während des Unterbad- Einsatzes.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Elektrodensystem besteht aus einer Zentral- 10 und Mantelelektrode 11, die jeweils an einer Tragsäule 13 aufgehängt sind. Über die Höhenverstellung 12 können die Elektrodentragarme 14, 15 gemeinsam und einzeln verfahren und damit unab­ hängig voneinander positioniert werden. Die beiden Elek­ troden 10, 11 sind mit einer Stromquelle 16 verbunden, wobei die Stromzufuhr wahlweise über Kabel-/Stromschie­ nenverbindungen oder über stromführende Elektrodentrag­ arme erfolgt.

Zum kontrollierten Betrieb des Ofens ist an der Trag­ säule 13 und an den Tragarmen 14, 15 ein die jeweilige Elektrodenposition erfassendes Sensorsystem 31 vorge­ sehen. Das Sensorsystem besteht aus einer Zahnstange, die an der Tragsäule montiert ist, und einem Zahnrad- Potentiometer-System je Tragarm. Die Linearbewegung der Tragarme wird über das Zahnstange-Zahnrad-Potentiometer- System in eine elektrische Spannung umgewandelt, wobei die Spannung sich proportional zum Verfahrweg ändert. Außerdem werden absolute Positionen erfaßt, so daß zur Positionsbestimmung eine einmalige Kalibrierung, z. B. bei der Montage, genügt.

Unter dem Elektrodensystem ist ein metallurgisches Ge­ fäß 17 angeordnet. Das metallurgische Gefäß 17 kann mit Transportrollen 18, 19 ausgerüstet werden, mittels denen es auf Schienen 20, 21 verfahrbar ist. Es ist außerdem möglich, die Tragsäule 13 als Königsbolzen auszulegen, so daß die Komponenten 10, 11, 12, 13, 14, 15, 23, 24, 29, 30 und 31 um die Achse 1 schwenkbar sind. Zum Ein­ schmelzen von stückigem Gut kann mit der Zentralelek­ trode 10 allein gearbeitet werden, wenn im metallur­ gischen Gefäß eine Bodenelektrode mit Stromzufuhr in­ stalliert ist. Bei nicht vorgesehener Bodenelektroden wird das Elektrodensystem in das metallurgische Gefäß 17 gesenkt, so daß während der Homogenisierungsphase die stromführend ausgelegte Zentralelektrode 10 und die Mantelelektrode 11 unter die Oberfläche der Schmelze 22 taucht (Fig. 2). Durch den zwischen Zentralelektrode 10 und Mantelelektrode 11 ausgebildeten Ringraum 23 strömt Gas, beispielsweise Argon (Ar), Stickstoff (N₂) oder gegebenenfalls auch Reduktionsgase. Das Gas strömt von der der Schmelze 22 abgewandten Seite über die mit einer Gasquelle 25 verbundene Leitung 24 in den Ringraum 23 und von dort in den zwischen Zentralelektroden 10 und Schmelzbadoberfläche brennenden Lichtbogen, der damit die Gase aufheizt. Das heiße Gas 26 entweicht unterhalb der Mantelelektrode 11 durch die Schmelze 22, gibt an diese Energie ab und setzt sie zur Homogenisierung in Bewegung. Mit dem eingeblasenen Gas können auch körnige Güter, insbesondere Stäube, direkt ins Innere der Schmel­ ze 22 eingetragen werden, wodurch Materialverluste z. B. in die Schlacke oder das Abgassystem vermieden werden.

Eine umweltgerechte Verarbeitung auch von gefährlichen, staubförmigen Reststoffen wird dadurch erreicht, daß ein geschlossenes System mit Hilfe eines das metallurgische Gefäß 17 verschließenden Deckels 28 vorgesehen ist. Der Deckel 28 liegt hierbei an dem äußeren Bereich der Man­ telelektrode 11 an. Infolge der sehr geringen Gasver­ bräuche ist die anfallende Abgasmenge klein. Weiterhin ist zur Vermeidung von Gasverlusten eine den Ringraum 23 zwischen der Zentral- und Mantelelektrode 10, 11 oberhalb der Gaszuführung angeordnete Dichtung 29 vor­ gesehen. Die Dichtung 29 schließt den Ringraum 23 gegen­ über der Atmosphäre ab. Das geschlossene System kann zur Entsorgung von gefährlichen, staubförmigen bzw. gasför­ migen Reststoffen an ein nicht näher dargestelltes Ent­ sorgungssystem angeschlossen werden.

Grundsätzlich ist es zudem möglich, die Zentralelek­ trode 10 ebenfalls rohrförmig auszulegen, so daß ein weiterer Gaskanal 30 genutzt werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn mit Gasgemischen gear­ beitet wird, aber die Gasmenge einer Sorte aus Kosten­ gründen möglichst klein gehalten werden soll und den­ noch die gewünschte Gasatmosphäre im Bereich des Brenn­ flecks eingestellt werden soll. Das ist beispielsweise über das reduzierende Schmelzen von feinkörnigen Ma­ terialien gegeben. Über den Ringspalt 23 zwischen der Zentral- und Mantelelektrode wird das Material mit Stickstoff aufgegeben und durch die Bohrung 30 der Zen­ tralelektrode 10 wird das Reduktionsgas beispielsweise Wasserstoff (H₂) oder Methan (CH₄) zugeführt.

Claims (5)

1. Elektrodensystem zum Aufschmelzen und Rühren sowie zur Temperaturführung in metallurgischen Gefäßen, gekennzeichnet durch eine Zentral- und eine Mantel­ elektrode (10, 11), welche jeweils an einer Höhen­ verstellung (12) befestigt und an eine gemeinsame Stromquelle (16) angeschlossen sind und durch einen zwischen Zentral- und Mantelelektrode (10, 11) vor­ gesehenen Ringraum (23), der mit einer Gasquelle (25) verbunden ist.

2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (23) zwischen der Zentral- und Man­ telelektrode (10, 11) oberhalb der Gaszuführung mit einer Dichtung (29) gegenüber der Atmosphäre abge­ dichtet ist.

3. Elektrodensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (17) mit einem bis an den äußeren Be­ reich der Mantelelektrode (11) reichenden Deckel (28) verschließbar ist.

4. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenverstellung (12) an die jeweilige Elek­ trodenposition erfassendes Sensorsystem (31) aufweist.

5. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode (11) einen Gaskanal (30) aufweist, der an eine Gasquelle (34) angeschlossen ist.