DE1440628C - Lichtbogenbrenner für einen Lichtbo genofen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenbrenner Auf diese Weise kann kein Kühlmittel in die Lichtfür einen Lichtbogenofen mit einer flüssigkeitsgekühl- bogenfiäche austreten, wenn die Verbindung 84 ten Elektrode, die sich innerhalb einer ein ionisier- mangelhaft ist. Kühlmittel treten durch den Einlaß 88 bares Gas in den Lichtbogen leitenden Düse mit und den zentralen Durchlaß 90 in das Kühlrohr 92 verengtem Ausgang befindet, in welchen die Elektro- 5 ein und verlassen es durch den ringförmigen Durchdenspitze hineinragt. Derartige Brenner für plasma- laß 94 zwischen dem Kühlrohr 92 und der Bohrung beheizte Lichtbogenöfen sind bekannt (deutsche 96 im Elektrodenhalter 82 sowie dann durch den Patentschrift 1 066 676). Auslaß 98 hindurch. Für einen zufriedenstellenden

Es ist bereits ein Lichtbogenbrenner bekannt- Betrieb bei Stromstärken im Bereich von ungefähr geworden mit einem hohlen, am Vorderende mit io 3000 bis K)OOOA weist die Elektrodenspitze 80 einer hitzebeständigen Metallspitze versehenen Elek- einen Durchmesser von ungefähr 1,3 bis 2,5 cm auf. trodenkörper, der sich innerhalb eines Gaseinlaß- Für die Elektrodenkühlung werden z. B. ungefähr gehäuses befindet, das einen verengten Ausgang auf- 38 Liter Wasser pro Minute unter einem Druck von weist, in welche die -Spitze hineinragt, wobei der 2,8 kg/cm-' dem Elektrodenhalter 82 durch einen Elektrodenkörper eine nahezu bis zu seinem 15 zentralen Durchlaß 90 von ungefähr 1,3 cm Durch-Vorderende reichende Kühlflüssigkeitszufuhrleitung messer und einen ringförmigen Auslaß 94 von unaufnimmt, derart, daß der Raum zwischen der gefähr 1,6 mm Weite zugeführt.
.Kühlflüssigkeitszufuhrleitung und der Wand des Es ist zu beachten, daß selbst bei einer hochwir-Elektrodenkörpers einen ringförmigen Kühlfiüssig- kenden Kühlung der Metallelektrode die Spitze bei keitsausgangsdurchlaß bildet (USA.-Patentschrift 20 hohen Stromstärken durch Widerstandsaufheizung 2 768 279). Ein solcher Brenner kann jedoch den ernsthaft beschädigt werden kann, wenn ihre Länge Erfordernissen bei sehr hohen Stromstärken wegen übermäßig ist. Bei Hochstrombetrieb oberhalb, under rasch zunehmenden Erosion der Elektroden gefähr 3000 A beträgt die Länge der Elektrodennicht gerecht werden. spitze vorzugsweise ungefähr das ¹A- bis 2fache ihres

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaf- 25 Durchmessers. Darunter ist die Gesamtlänge zu ver-

fung eines Lichtbogenbrenners, der für den Betrieb stehen, die den Lichtbogenstrom führt; zu ihr gehören

in Lichtbogenöfen auch unter sehr hohen Tempera- sowohl das frei liegende Stück als auch der durch den

türen und Leitungen geeignet ist. Elektrodenhalter abgestützte leitende Teil.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungs- Die Elektrodenspitze 80 wird gegen das Spritzen gemäß die Elektrodenspitze einen konzentrischen 30 von Metall und gegen die Verunreinigung durch Kanal aufweist, zu dem ein von der Kühlflüssigkeit Ofengas in erster Linie durch die Düse 100 geschützt, des Elektrodenkörpers gekühlter Kanal führt, durch die um und benachbart dem Ende 102 der Elekwelchen dem Lichtbogen ein Anteil des ionisierbaren trodenspitze 80 angeordnet ist. Werden Elektroden-Gases zugeleitet wird. - spitzen mit Durchmessern von 1,3 bis 2,5 cm benutzt,

Es ist zwar an sich bekannt, durch eine zentrale 35 sollte der zentrale Durchlaß 104 der Düse 100 einen

Bohrung in der Elektrodenspitze bestimmte Gase zu- Durchmesser von ungefähr 1,4 bis 3,8 cm aufweisen,

zuführen. Dort handelt es sich jedoch nicht um die Bei steigendem Durchmesser bis ungefähr 5 cm

Zufuhr gekühlter Gase. Entweder dienen diese Gase nimmt der Durchlaß 104 auf ungefähr 7,6 cm Durch-

der Einführung von Reaktionspartnern oder sonsti- messer zu.

gen Werkstoffen in den Lichtbogen (USA.-Patent- 40 Die Düse 100 ist wassergekühlt durch einen

schrift 2 157 498), oder es ist in dem Falle, in dem Wasserstrom hoher Geschwindigkeit (über 30,5 m/sec)

durch die Bohrung in der Elektrodenspitze mög- vom Einlaß 106 in den ringförmigen Durchlaß 108

licherweise ein Anteil des ionisierbaren Gases zu- hinein und durch den ringförmigen Durchlaß 110

geführt wird, keine den Lichtbogen einschnürende und den Auslaß 112 hinaus. Beispielsweise werden

Düse mit verengtem Ausgang vorhanden (USA.- 45 bei einem Betrieb bei Stromstärken von ungefähr

Patentschrift 2 768 279, Fig. 5). Bei diesen Licht- 3000 bis 10 000 A 152 Liter Wasser pro Minute mit

bogenbrennern ist eine Erhöhung der Leistung nicht einem Druck von 14 kg/cm- den ringförmigen

beabsichtigt und wird wahrscheinlich auch nicht er- Düsenkühldurchlässen zugeführt, die ungefähr

reicht. ....<... 0,4 mm weit sind. Diese besondere Kühlanordnung,

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt eines 50 die in Verbindung mit den konzentrischen Rohren

Lichtbogenbrenners als Ausführungsbeispiel der Er- 114, 116 und 118 des Brennerkörpers 120 verwen-

findung. · det wird, sorgt für eine zweckentsprechende Kühlung

Der dargestellte Lichtbogenbrenner weist eine der Düse und des Brennerkörpers, so daß ein Elektrodenspitze 80, vorzugsweise aus hitzebeständi- Schmelzen oder eine andere Beschädigung infolge gen Metallen wie Wolfram, Tantal, Niob und Molyb- 55 Lichtbogenwärme oder Ofenmetallverunreinigung dän, mit kleineren Beträgen an Emissionsmaterial wie verhindert werden. Bei großen Metallöfen, bei denen Thoriumdioxyd und Ytteroxyd, auf. Diese wird von hohe Stromstärken benutzt werden, besteht eine erde'm Elektrodenhalter 82 durch Preßsitz, Lötverbin- höhte Gefahr der Doppelbogenbildung über die Düse dung oder Schraubenverbindung 84 abgestützt. Zur zum Metallband, insbesondere wenn die Lichtbogen-Abführung überschüssiger Wärme von der Elek- 60 länge unter ungefähr K) cm bei beispielsweise 200 V trodenspitze 80 und um diese am Schmelzen zu hin- liegt. Vorzugsweise hat die Düse daher an ihrem dem, ist der aus einem Material hoher thermischer unteren Teil eine hitzebeständige isolierende Verklei-Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, gefertigte Elek- dung 122 zum Schutz gegen eine derartige Doppeltrodenhalter .82 durch ein Kühlmittel hoher (ic· bogenbildung und sich hieraus ergebende Beschädischwindigkeit gekühlt. Vorzugsweise steht die Elek- 65 gung der Düse. Vorzugsweise liegt das Ende 102 trodenspitze 80 nicht in direktem Kontakt mit dem der Elektrodenspitze 80 ungefähr 3,2 bis 6,3 mm Kühlmittel, sondern ist von diesem durch den Wand- innerhalb des Durchlasses 104, um die Bogenstabilileil der Kappe.86 des Elektrodenhalters 82 getrennt. tat zu steigern und Elektrodenerosion herabzusetzen.

Ist die Rückversetzung gleich oder größer als ungefähr 9,5 mm, neigt der Bogen dazu, auf die Düse und dann auf das Metallbad zu springen. Eine derartige Doppelbogenbildung zerstört die Düse. Reicht die Elektrode ein merkliches Stück über die Düse hinaus, wird zu ihrem Schutz eine unwirtschaftlich hohe Menge an Gas erforderlich.

Ionisierbares Gas strömt vom Einlaß 124 durch den ringförmigen Durchlaß 126 die Elektrodenspitze 80 entlang und durch den Düsendurchlaß 104 hindurch. Ein derartiger Gasstrom, der bei Lichtbogenströmen von ungefähr 3000 bis 50000 A in der Größenordnung von 2,83 bis 4,25 m-'/h liegt, sorgt für eine Bogenstabilität des Bogenplasmas, das ständig durch den Durchlaß 104 hindurchgelangt. Bei Steigerung des Stromes bis gegen 10 000 A kann es.zweckmäßig werden, den Gasstrom zu erhöhen. Bei verschiedenen Hochstromschmelzvorgängen kann es beispielsweise zweckmäßig sein, für einen guten Schutz der Elektrodenspitze bis zu 28,3 m-'/h Gas zu verwenden, inerte Gase wie Argon und Helium sind vorzuziehen, doch lassen sich auch andere Gase, wie zweiatomischer Wasserstoff und Stickstoff, zur Lieferung zusätzlicher Wärme insbesondere während des Niederschmelzens verwenden. Der Gasstrom muß eine Mindestgeschwindigkeit von ungefähr 1,5 bis 3 m/s längs der Elektrodenspitze erreichen, um der Zirkulation von Ofengasen in die Elektrodenfläche hinein infolge Lichtbogenpumpen entgegenzuwirken.

Eine massive Elektrodenspitze 80 könnte nur bis etwa 4000 A verwendet werden, da bei Stromstärken über 4000 A die Kathodenerosion kritisch zu werden beginnt. Ein Betrieb mit wesentlich höherer Leistung wird dadurch möglich, daß man die Elektrodenspitze 80 mit einem axialen Gasdurchlaß ausstattet, so daß nicht nur Gas um die Spitze herum, sondern auch durch sie hindurch strömen kann.

Zu diesem Zweck nimmt der zentrale Wasserdurchlaß 90 ein zusätzliches mittiges Rohr 140 auf, das am rückwärtigen Ende entsprechende Anschlüsse aufweist, um einen Anteil des ionisierbaren Gases zuzuführen, und am vorderen Ende mit dem Durchlaß der Elektrodenspitze 80 in Verbindung steht. Diese Kombination vermindert den Elektronenverbrauch auf unter 1 bis 2 g/h für eine Elektrodenspitze mit 19 mm Durchmesser bei hohen Stromstärken.

Die Stromzuführung erfolgt über den Anschluß 134 direkt an den Elektrodenhalter, während der Brennerkörper mittels eines Isolators 136 und einer Isolierscheibe 138 gegen den Elektrodenhalter 82 isoliert ist. Der Hauptbogen von der Elektrodenspitze 80 zur Schmelze kann auf verschiedene Arten eingeleitet werden.. Die Elektrodenspitze 80 könnte durch die Düse 100 hindurch verschoben werden, bis sie mit dem zu schmelzenden Metall in Kontakt tritt, und dann zur Bildung des Bogens zurückgezogen werden. Vorzugsweise wird ein Hilfsbogen verhältnismäßig niedriger Leistung zwischen Elektrodenspitze 80 und Düse 100 aufrechterhalten. Ein derartiger Hilfsbogen sorgt für eine ausreichende Menge ionisierten Gases zur Einleitung des Hauptbogens.

Die Vorteile der Erfindung sind an den folgenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel I

Eine Elektrodenspitze aus thoriertein Wolfram mit 2,5 cm Durchmesser und einem zentralen Gasdurch-. laß von 9,5 mm Durchmesser befand sich innerhalb einer wassergekühlten Kupferdüse mit 3.2 cm Durchmesser. Die Spitze der negativen Elektrode (Kathode) war gegen den Düsenauslaß um 6,3 mm zurückgesetzt. Argongas gelangte mit. . )4m^:l/h um die Kathodenspitze herum und durch die Düse heraus, während durch den zentralen Durchlaß der Kathode Argongas mit 3,4 m^:i/h geleitet wurde. Zwischen der Kathodenspitze und der Düse wurde ein Hilfsbogen

ίο mit 180 A durch Hochfrequenzstartmittel eingeleitet. Dieser Hilfsbogen diente zur Einleitung eines 6,3 cm langen Lichtbogens von 2000 A bis 60 V zwischen der Kathodenspitze und einem zylindrischen Gußeisenblock von 56 cm Durchmesser und 46 cm Höhe.

der von wassergekühlten Kupferschlangen umgeben war. Die Lichtbogenlänge wurde auf 12,7 cm erhöht und der elektrische Strom auf 4000 A bei 115 V gesteigert. Nach 6 Minuten hatte der Lichtbogen einen Teil von 25 cm Durchmesser im Kopf der Metallanode geschmolzen. Während geschmolzenes Metall in erheblichem Umfang auf den Brennerkörper gespritzt war, war praktisch keine Beschädigung" der Kathodenspitze festzustellen. ' „

Beispiel II

Eine Kathodenspitze aus thoriertem Wolfram mit einem Durchmesser von 2,5 cm und einem, zentralen Gasdurchlaß von 9,5 mm Durchmesser wurde in einer wassergekühlten Kupferdüse mit 3,8 cm Durchmesser angeordnet. Die Spitze der Kathode war gegen den Düsenauslaß um 6,3 mm zurückgesetzt. Ein Lichtbogen von 9000 A und 115 V wurde zwischen der hohlen Kathodenspitze aus thoriertem Wolfram und einer rotierenden wassergekühlten Graphitanode aufrechterhalten, während 2,83 m^:I/h Argon durch die hohle Kathode und 8,49 m^:)/h Argon um die Kathodenspitze herum strömten. Der Betrieb wurde .20 Minuten lang fortgesetzt, wobei sich ein Wolframverlust von nur 0,24 g/h ergab. Eine kleine Narbe am Umfang des Durchlasses war die einzige sichtbare Beschädigung der Oberfläche der Kathodenspitze. Ein Betrieb bei ähnlichen Stromstärken konnte bei bekannten massiven Wolframelektrodenspitzen nicht ohne vollständige Zerstörung durchgeführt werden.

Bei den obigen Beispielen war der Lichtbogenbrenner im wesentlichen. vertikal angeordnet. In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Brenner unter einem Winkel zum Metallbad anzuordnen. Dies bietet den Vorteil, daß das Spratzen von Metall auf den Brenner vermindert und eine gewisse Rührwirkung für. das Bad geschaffen wird. Metallspratzen auf den Brenner könnten auch dadurch minimal gehalten werden, daß der Brenner über die Oberfläche des Bades bewegt wird.

Bei allen Versuchen trat praktisch kein Elektrodenverbrauch und somit keine Verschmutzung der Schmelze auf. In gleicher Weise wurde' auch der Brennerkörper selbst praktisch nicht durch Metall-' spratzen, Spritzer u. dgl. beschädigt. Hieraus ergibt sich, daß die vorliegende Vorrichtung für sehr lange Zeiträume in einem Metallschmelzofen zufriedenstellend arbeitet und hiermit den bekannten Kohlenstofflichtbogen und zur Zeit verfügbaren Lichtbogenbrennern weit überlegen ist. Neben dem beschriebenen Gleiehstrombetrieb mit direkter Polarität (Brenner negativ) kann die Vorrichtung nach der Krfindung in gewissem Umfang mit Vorteil auch bei Be-

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trieb mit umgekehrter Polarität oder mit Wechselstrom eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1; Liehtbogenbrenner für einen Lichtbogenofen mit einer flüssigkeilsgekühlten Elektrode, die sich innerhalb einer ein ionisierbares Gas in den Lichtbogen leitenden Düse mit verengtem Ausgang befindet, in welchen die Elektrodenspitze hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspitze (80) einen konzentrischen Kanal (102) aufweist, zu dem ein von der Kühlflüssigkeit des Elektrodenkörpers (82) gekühlter Kanal (140) führt, durch welchen dem Lichtbogen ein Anteil des ionisierbaren Gases zugeleitet wird.
2. 2. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdüse (100) flüssigkeitsgekühlt ist. t
3. 3. Liehtbogenbrenner nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite der Gasdüsc (100) eine hitzebeständige isolierende Verkleidung (122) vorgesehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen