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EP0422406B1 - Anode für einen Gleichstromlichtbogenofen - Google Patents

Anode für einen Gleichstromlichtbogenofen Download PDF

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EP0422406B1
EP0422406B1 EP90117707A EP90117707A EP0422406B1 EP 0422406 B1 EP0422406 B1 EP 0422406B1 EP 90117707 A EP90117707 A EP 90117707A EP 90117707 A EP90117707 A EP 90117707A EP 0422406 B1 EP0422406 B1 EP 0422406B1
Authority
EP
European Patent Office
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anode according
bricks
furnace
copper ring
layer made
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EP90117707A
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EP0422406A3 (en
EP0422406A2 (de
Inventor
Dane Meredith
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Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH
Deutsche Voest Alpine Industrieanlagenbau GmbH
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Publication of EP0422406A2 publication Critical patent/EP0422406A2/de
Publication of EP0422406A3 publication Critical patent/EP0422406A3/de
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/06—Electrodes

Definitions

  • the invention relates to an anode according to the preamble of claim 1.
  • GB-A-2 072 470 describes a ladle furnace with arc heating, in which an anode is designed as a quasi-annular current conductor in the form of individual contacts around the ladle. These individual contacts are only connected to a part of the electrically conductive ff-lining that only extends into a small edge area of the container bottom. Due to the small wall and floor areas, which are provided with an electrically conductive lining, there are also only small current-carrying cross sections. Depending on the construction and the material used, the maximum possible arc current is limited by the permissible current density in the refractory material.
  • WO-A-89/11774 discloses a low-wear electrode for direct current arc furnaces, which is said to have an asymmetrical configuration of the electrode over the circumference.
  • EP 0 258 101 A1 discloses the use of a steel stick projecting into the melt as the bottom electrode.
  • the effect of the arc pointing only downward occurs even more, so that the arc cone becomes even more pointed and cold zones also occur adjacent to the furnace wall.
  • This electrode also requires water cooling, which is located below the molten metal. This is problematic for security reasons.
  • a DC arc furnace is known from US Pat. No. 4,853,941, in which between a bottom electrode and the melt a uniform layer of refractory, electrically conductive stones is arranged.
  • the stones are made of magnesite-graphite material that has undergone heat treatment to increase its electrical conductivity. Since the electrically conductive lining and the electrode are only arranged in the bottom area, cold zones on the furnace wall cannot be avoided either. In addition, the cooling conditions are unfavorable, so that the electrode is water-cooled.
  • a copper ring is preferably used as the current conductor, which is fastened to the inside of the steel jacket in the lower wall area of the furnace. This gives a large-area contact between the electrically conductive lining and the current conductor. This training also enables effective air cooling of the conductor.
  • cathode 1 In the middle of the furnace there is a vertically extending and adjustable in this direction cathode 1. Between this and the surface of a molten metal 2, an electric current flows in the form of an arc. This generates enough heat to melt and keep molten metal that has been put into the furnace.
  • the furnace has a steel jacket made of a lower part 3 and a cylindrical upper part 4.
  • Lower part 3 and upper part 4 are mechanically by flanges 5 and 6 via an electrical insulating intermediate layer 7 bonded together.
  • the lining of the furnace contains a layer of electrically conductive, wear and fire-resistant stones 8, which is in contact with the molten metal 2.
  • the unevenness of the surface of this layer facing the molten metal resulting from the shape of the stones 8 is compensated for by an electrically conductive ramming compound 9.
  • the layer of stones 8 extends over most of the bottom area of the furnace.
  • the outer layer of the lining consists of stones 10 made of electrically insulating, refractory material in the floor area. Between the insulating layer of stones 10 in the floor area and the electrically conductive layer of stones 8 there is a layer of stones 11 which have a higher electrical conductivity than stones 8 but do not have their high wear and fire resistance.
  • Graphite stones are preferably used as stones 11. The thickness of the layer of stones 11 increases towards the outer edge. This layer is shown continuously in the figure; however, it can also be omitted in the middle floor area.
  • the graphite stones should be arranged so that their pressing direction coincides with the radial direction of the furnace, whereby the electrical resistance of the layer they form is minimized in the radial direction.
  • a copper ring 12 is plated out of the stones 11 or connected to it in some other way.
  • the copper ring 12 can be continuous or can be divided into several segments in its circumferential direction. Copper conductors 13 are guided through the lower part 3 and connected to the copper ring 12 for carrying current.
  • the lining is formed by a continuous layer of the refractory, electrically insulating stones 10.
  • the bottom and the lower wall area of the furnace are provided with means for guiding a cooling medium, preferably air.
  • the cooling medium is brought under the center of the base and brought radially outwards in a cavity delimited by a base plate 14 under the base and by a deflection to the wall area at the height of the copper ring 12.
  • Cooling fins 15 projecting radially outward from the lower part 3 and projecting into the cavity serve to increase the cooling effect and to guide the cooling medium.
  • the copper ring 12 For a furnace with a capacity of 60 t and a diameter of approx. 5.2 m and a maximum current of 85 000 A, the copper ring 12 has, for example, a height of 400-700 mm and a thickness of 20-60 mm.
  • the copper ring can also be attached to the steel skeleton instead of the steel jacket.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Vertical, Hearth, Or Arc Furnaces (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In der GB-A-2 072 470 ist ein Pfannenofen mit Lichtbogenheizung beschrieben, bei dem eine Anode als quasi ringförmiger Stromleiter in Form von Einzelkontakten um die Pfanne ausgebildet ist. Diese Einzelkontakte sind lediglich mit einem Teil der elektrisch leitfähigen ff-Ausmauerung verbunden, der nur in einen kleinen Randbereich des Behälterbodens reicht. Durch die nur geringen Wand- und Bodenflächen, die mit einer elekrisch leitfähigen Ausmauerung versehen sind, ergeben sich ebenfalls nur geringe stromdurchflossene Querschnitte. In Abhängigkeit von Konstruktion und dem eingesetzten Material wird der maximal mögliche Bogenstrom durch die zulässige Stromdichte im Feuerfestmaterial begrenzt. Bei Pfannenofen ist dies unproblematisch, da in solchen metallurgischen Gefäßen kein Einschmelzprozeß stattfindet, sondern die Einstellung einer vorgegebenen Zieltemperatur über eine nur geringe Temperaturdifferenz hinweg, was selbstverständlich erheblich geringere Heizleistungen und demzufolge Stromdichten erfordert. Im Gleichstromlichtbogenofen, der einen Einschmelzreaktor darstellt, sind demgegenüber weitaus höhere Heizleistungen und damit auch Bogenströme erforderlich, die sich aus oben dargestellten Gründen mit dem aus der GB-A-2 072 470 bekannten Pfannenofen nicht erreichen lassen.
  • Weiterhin ist aus WO-A-89/11774 eine verschleißarme Elektrode für Gleichstromlichtbogenöfen bekannt, die eine unsymmetrische Gestaltung der Elektrode über den Umfang aufweisen soll.
  • Aus der DE-A-34 13 745 ist ein Gleichstromlichtbogenofen mit einem Bodenkontakt bekannt, bei dem das Bodenfutter des Ofens an seiner Berührungsfläche mit der Schmelze eine Stampfmasse mit elektrisch leitenden Metallteilen oder Steinen mit Blecheinlagen enthält. Hieran schließen sich eine erste Schicht aus elektrisch leitenden Steinen, eine zweite Schicht aus Isoliersteinen mit Blechzwischenlagen oder elektrisch leitenden Zwischensteinen und schließlich eine dritte, mit Anschlußkontakten verbundene Schicht aus elektrisch leitenden Steinen an. Dieses Futter ist kalottenförmig oder eben ausgebildet, wobei es nur im Bodenbereich mit der Schmelze in Berührung steht.
  • Abgesehen davon, daß dieses Bodenfutter sehr aufwendig herzustellen ist, wird hier der von der zentralen Lichtbogenelektrode ausgehende Strom kegelförmig nach unten abgeleitet. Die Bereiche in der Nähe der Ofenwand werden daher nur unzureichend mit Wärme versorgt, so daß hier kalte Zonen auftreten.
  • Aus der EP 0 258 101 A1 ist die Verwendung eines in die Schmelze hineinragenden Stahlknüppels als Bodenelektrode bekannt. Hier tritt der Effekt des nur nach unten gerichteten Lichtbogens noch stärker auf, so daß der Lichtbogenkegel noch spitzer wird und ebenfalls kalte Zonen angrenzend an die Ofenwand auftreten. Diese Elektrode erfordert auch eine Wasserkühlung, die sich unterhalb der flüssigen Metallschmelze befindet. Dies ist aus Sicherheitsgründen problematisch.
  • Bei einem weiteren aus der DE-OS 30 22 566 bekannten Gleichstromlichtbogenofen sind über den gesamten Boden verteilt punktförmig angeordnete metallische Leiter vorgesehen, die durch die Bodenwand nach innen geführt sind. Hierdurch werden zwar die kalten Zonen in Wandnähe vermieden; andererseits bewirkt diese Verteilung jedoch eine punktförmige Abnutzung der feuerfesten Auskleidung. Es entstehen somit im Bodenbereich gefährliche dünne Stellen, die regelmäßig ausgebessert werden müssen.
  • Aus der US-PS 4 853 941 schließlich ist ein Gleichstromlichtbogenofen bekannt, bei dem zwischen einer Bodenelektrode und der Schmelze eine einheitliche Schicht aus feuerfesten, elektrisch leitenden Steinen angeordnet ist. Die Steine bestehen aus Magnesit-Graphit-Material, das einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Da auch hier die elektrisch leitende Auskleidung und die Elektrode nur im Bodenbereich angeordnet sind, lassen sich kalte Zonen an der Ofenwand ebenfalls nicht vermeiden. Außerdem sind die Kühlungsverhältnisse ungünstig, so daß die Elektrode wassergekühlt wird.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anode für einen Gleichstromlichtbogenofen zum Einschmelzen und Schmelzflüssigkeithalten von in den Ofen eingegebenen Material zu schaffen, bei dem der größte Teil des Bodenbereichs des Ofens auf der Innenseite mit einer elektrisch leitenden, feuerfesten Ausmauerung versehen ist, die mit einem auf der Außenseite befindlichen Stromleiter in elektrischer Verbindung steht, die einfach aufgebaut ist, eine gleichförmige Temperaturverteilung im Schmelzgut sicherstellt und außerdem keine ungleichmäßige Abnutzung der feuerfesten Auskleidung bewirkt, wobei gleichzeitig eine Wasserkühlung vermieden werden soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anode ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Dadurch, daß der Stromleiter zylinderförmig ausgebildet und um die elektrisch leitende Ausmauerung herumgelegt ist, ist eine symmetrische, seitlich nach außen erfolgende Stromableitung sichergestellt, die eine gleichförmige und optimale Verteilung des Stromflusses durch die Schmelze gewährleistet.
  • Als Stromleiter wird bevorzugt ein Kupferring verwendet, der an der Innenseite des Stahlmantels im unteren Wandbereich des Ofens befestigt ist. Hierdurch erhält man einen großflächigen Kontakt zwischen der elektrisch leitenden Ausmauerung und dem Stromleiter. Diese Ausbildung ermöglicht auch eine effektive Luftkühlung des Stromleiters.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Diese zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Gleichstromlichtbogenofens. In der Mitte des Ofens befindet sich eine sich vertikal erstreckende und in dieser Richtung verstellbare Kathode 1. Zwischen dieser und der Oberfläche einer Metallschmelze 2 fließt ein elektrischer Strom in Form eines Lichtbogens. Dieser erzeugt ausreichend Wärme, um in den Ofen eingegebenes Metall zu schmelzen und im geschmolzenen Zustand zu halten.
  • Der Ofen weist einen Stahlmantel aus einem Unterteil 3 und einem zylindrischen Oberteil 4 auf. Unterteil 3 und Oberteil 4 sind mechanisch durch Flansche 5 und 6 über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 7 miteinander verbunden.
  • Die Ausmauerung des Ofens enthält eine Schicht aus elektrisch leitenden, verschleiß- und feuerfesten Steinen 8, die mit der Metallschmelze 2 in Berührung steht. Die sich durch die Form der Steine 8 ergebenden Unebenheiten der der Metallschmelze zugewandten Oberfläche dieser Schicht sind mit einer elektrisch leitenden Stampfmasse 9 ausgeglichen. Die Schicht aus den Steinen 8 erstreckt sich über den größten Teil des Bodenbereichs des Ofens.
  • Elektrisch leitende, verschleiß- und feuerfeste Materialien zur Herstellung der Steine 8 sind bekannt, z.B. Carbon-Magnesit -Steine. Die äußere Schicht der Ausmauerung besteht im Bodenbereich aus Steinen 10 aus elektrisch isolierendem, feuerfestem Material. Zwischen der isolierenden Schicht aus den Steinen 10 im Bodenbereich und der elektrisch leitenden Schicht aus den Steinen 8 befindet sich eine Schicht aus Steinen 11, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als die Steine 8, nicht jedoch deren hohe Verschleiß- und Feuerfestigkeit besitzen. Als Steine 11 werden vorzugsweise Graphit-Steine verwendet. Die Stärke der Schicht aus den Steinen 11 nimmt zum Außenrand hin zu. In der Figur ist diese Schicht durchgehend dargestellt; sie kann im mittleren Bodenbereich jedoch auch entfallen. Die Graphit-Steine sollten so angeordnet sein, daß ihre Preßrichtung mit der Radialrichtung des Ofens übereinstimmt, wodurch der elektrische Widerstand der von ihnen gebildeten Schicht in Radialrichtung minimiert wird.
  • Auf der Innenseite des zylindrischen Abschnitts des Unterteils 3 ist auf die Schicht aus den Steinen 11 ein Kupferring 12 aufplattiert oder in anderer Weise mit dieser verbunden. Der Kupferring 12 kann durchgehend sein oder in seiner Umfangsrichtung in mehrere Segmente unterteilt sein. Kupferleiter 13 sind durch das Unterteil 3 geführt und mit dem Kupferring 12 zur Stromführung verbunden.
  • Oberhalb des Kupferringes 12 wird im Wandbereich des Ofens die Ausmauerung durch eine durchgehende Schicht aus den feuerfesten, elektrisch isolierenden Steinen 10 gebildet.
  • Durch die großflächige Verbindung zwischen dem Kupferring 12 und der gut leitenden Schicht aus den Steinen 11 einerseits sowie dieser Schicht und der leitenden Schicht aus den Steinen 8 andererseits liegt ein großer Teil der mit der Metallschmelze 2 in Berührung stehende Innenfläche der Ausmauerung weitgehend auf dem gleichen Potential. Dementsprechend erhält man eine Verteilung des Stromflusses nahezu über die gesamte Fläche der Metallschmelze 2. Hierdurch wird das Auftreten kalter Zonen insbesondere in der Nähe der Ofenwand minimiert.
  • Der Boden und der untere Wandbereich des Ofens sind mit Mitteln zur Führung eines Kühlmediums, vorzugsweise Luft, versehen. Das Kühlmedium wird unter der Mitte des Bodens herangeführt und in einem durch ein Bodenblech 14 begrenzten Hohlraum unter dem Boden radial nach außen und durch eine Umlenkung zum Wandbereich in der Höhe des Kupferringes 12 gebracht.
  • Vom Unterteil 3 radial nach außen abstehende, in den Hohlraum hineinragende Kühlrippen 15 dienen zur Erhöhung der Kühlwirkung sowie zur Führung des Kühlmediums.
  • Für einen Ofen mit einer Kapazität von 60 t und einem Durchmesser von ca. 5,2 m sowie einer maximalen Stromstärke von 85 000 A besitzt der Kupferring 12 beispielsweise eine Höhe von 400 - 700 mm und eine Stärke von 20 - 60 mm.
  • Abhängig von der Ausbildung des Gleichstromlichtbogenofens kann, wenn die Statik des Ofens nicht durch einen Stahlmantel, sondern durch ein Stahlskelett gewährleistet wird, der Kupferring auch am Stahlskelett statt am Stahlmantel befestigt sein.

Claims (13)

  1. Anode eines Gleichstrom-Lichtbogenofens, bei dem zumindest ein Teil des die Schmelze aufnehmenden Bereiches des Ofens auf der Innenseite mit einer elektrisch leitenden feuerfesten Ausmauerung (8, 9, 11) versehen ist, die mit einem auf der Außenseite befindlichen Stromleiter (12) in elektrischer Verbindung steht, wobei der Stromleiter (12) zylinderförmig ausgebildet und um die elektrisch leitende, mehrschichtig ausgebildete Ausmauerung (8,9,11) herumgelegt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ausmauerung auf der Innenseite eine Schicht aus elektrisch leitenden, verschleiss- und feuerfesten Steinen (8) und eine Schicht aus Steinen (11) mit höherer elektrischer Leitfähigkeit und geringerer Verschleiss- und Feuerfestigkeit enthält, und daß die Dicke der Schicht aus Steinen (11) mit höherer Leitfähigkeit in radialer Richtung zum Stromleiter (12) hin zunimmt.
  2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter ein Kupferring (12) ist, der an der Innenseite des Stahlmantels (3) im unteren Wandbereich des Ofens befestigt ist.
  3. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter ein Kupferring (12) ist, der an einem den Ofen stützenden Stahlskelett befestigt ist.
  4. Anode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferring (12) durchgehend ausgebildet ist.
  5. Anode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferring (12) in Umfangsrichtung in mindestens zwei Segmente unterteilt ist.
  6. Anode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferring (12) mit einem oder mehreren über seinen Außenumfang verteilt angeschlossenen Kupferleitern (13) verbunden ist.
  7. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmauerung auf der Innenseite die Schicht aus elektrisch leitenden, verschleiß- und feuerfesten Steinen (8) und zwischen dieser und dem Stromleiter (12) die Schicht aus Steinen (11) mit höherer elektrischer Leitfähigkeit und geringerer Verschleiß- und Feuerfestigkeit enthält.
  8. Anode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steine (11) mit höherer elektrischer Leitfähigkeit Graphit-Steine sind.
  9. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht aus Steinen (11) mit höherer Leitfähigkeit am Ubergang zum zylinderförmigen Stromleiter (12) dessen Höhe entspricht.
  10. Anode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmauerung unterhalb der Schichten aus elektrisch leitenden Steinen (8,11) eine Schicht aus feuerfesten, elektrisch isolierenden Steinen (10) enthält.
  11. Anode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (14,15) zur Zuführung eines Kühfflmediums zur Außenseite des Kupferringes (12) hin vorgesehen ist.
  12. Anode nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung am unteren Teil des Ofens angebrachte Mittel (14) zur Führung des Kühlmediums aufweist.
  13. Anode nach Anspruch 11, dadurch gekennzechnet, daß mit dem Kupferring (12) wärmeleitend verbundene, nach außen vorstehende Rippen (15) zur Kühlung und zur Führung des Kühlmediums vorgesehen sind.
EP90117707A 1989-10-12 1990-09-14 Anode für einen Gleichstromlichtbogenofen Expired - Lifetime EP0422406B1 (de)

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US420290 1989-10-12
US07/420,290 US5052018A (en) 1989-10-12 1989-10-12 Anode for a direct current arc furnace

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EP0422406A2 EP0422406A2 (de) 1991-04-17
EP0422406A3 EP0422406A3 (en) 1991-06-26
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DE (1) DE59004311D1 (de)
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