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Verfahren und Lichtbogenofen zum Einschmelzen von Metallen, insbesondere
von Kupferkathoden Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen von Metallen,
insbesondere von Kupferkathoden, sowie einen Lichtbogenofen zur Durchführung des
Verfahrens.
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Das Schmelzen von Metallen erfolgte bisher in der Weise, daß in einem
Schmelzofen, z. B. einem Flammofen, das Metall geschmolzen wird und daraufhin einem
weiteren Ofen zugeleitet wird; in welchem das bereits geschmolzene Metall einer
Nachbehandlung unterworfen wird.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Einschmelzen von Metallen zu schaffen, welches unter
Befriedigung aller an dieses Verfahren gestellte Anforderungen mit Hilfe einfacher
und wirtschaftlicher Mittel, sei es was den thermischen Wirkungsgrad, sei es was
den Materialverbrauch' anbetrifft, durchzuführen ist, wobei darüber hinaus eine
Nachbehandlung des geschmolzenen Metalls in besonderen Öfen überflüssig- ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß
das zu schmelzende Metall, insbesondere- Kupferkathoden; vollständig mit einer Graphit-
oder Kohlepulverschicht bedeckt und durch die aus diesem Pulver und dem Metall gebildete
Masse ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird.
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Das leitende Pulver bildet einen Schutzmantel und hält innerhalb des
Schmelzofens, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, eine kontrollierte Reduktionsatmosphäre
aufrecht, wobei es gleichzeitig den Ofen von der Außenatmosphäre isoliert. Die Wärmedispersion
wird dadurch sehr gering, und der Ofen wird praktisch nicht abgenutzt.
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Die beim Schmelzen von Metallen begegneten Schwierigkeiten sind allgemein
bekannt. , Beim Schmelzen von Kupfer ergibt sich beispielsweise eine leichte Oxydation
des Kupfers sowie Aufnahme von Gasen, so daß es notwendig ist; die umgebende Atmosphäre
zu kontrollieren. Wenn das zu schmelzende Kupfer in Form von Kathoden vorliegt,
so enthalten diese oft unzulässige Mengen Schwefel, die durch Raffinationsverfahren
beseitigt werden müssen. Ferner muß das flüssige- Metall auf eine sehr genau einzuhaltende-Gießtemperatur
gebracht und während der gesamten erforderlichen Zeit auf dieser gehalten werden.
Unter dem allgemeinen Begriff des Schmelzens von Metallen bzw. im besonderen von
Kupferkathoden, können somit vier Hauptphasen zusammengefaßt werden, und zwar: Beschickung
der Materialien; Schmelzen in kontrollierter Reduktionsatmosphäre; Analyse; Raffination,
Entgasung, Entschlakkung; Aufrechterhaltung der Temperatur bei kontrollierter Atmosphäre.
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Diese Anforderungen werden vollkommen erfüllt, wenn der Ofen in zwei
Teile geteilt ist; von denen mindestens einer beweglich ist: Durch Rel'athverschiebung
der beiden Teile'wird -der das-Metall enthaltende Schacht freigelegt, während jedoch
das flüssige Metall durch eine Schicht des leitenden Graphit-oder Kohlepulvers vollkommen
geschützt bleibt.
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Einige Ausführungsbeispiele' eines erfindungsgemäßen Lichtbogenofens
zum Einschmelzen von Metallen, insbesondere von@Küpferkathodenwerden unter Bezugnahme
auf 'die Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 ist ein Querschnitt durch den Ofen nach der Linie 1-I der
F i g. 3; F i g. 2 ist ebenfalls ein Querschnitt durch den Ofen nach der Linie II-II
der F 'i g. 4; wobei die gegenseitige Lage c verschiedener Teile des Ofens eine
andere als in F i g. 1 ist; F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch den Ofen nach der
Linie III-111 der F i g. 1; F i g. 4 ist eine Draufsicht auf den Ofen mit den Teilen
in der- gegenseitigen Lage wie in F i g. 2; F i g. 5 ist ein analoger Schnitt wie
F i g. 1 durch eine andere Ausführungsform des Ofens; F i g. 6 und 7 zeigen im Axialschnitt
bzw. in Draufsicht eine Variante der im erfindungsgemäßen Ofen verwendbaren Elektrode,
und
F i g. 8 und 9 zeigen zwei weitere Varianten von Elektroden
im Axialschnitt, in kleinerem Maßstab als in den F i g. 6 und B.
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Der Lichtbogenofen gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein Dreiphasenofen mit in der Längsachse angeordneten Elektroden und besteht aus
zwei wesentlichen Hauptteilen, und zwar einem unteren Teil 16 und einem oberen Teil
4, die, wie nachfolgend erläutert wird, gelagert und miteinander verbunden sind.
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Der Ofenunterteil 16 weist ein Schmelzbecken 1 auf, an dessen Boden
auch eine leitende Sohle 2 aus gestampfter Kohle oder Siliciumcarbid vorhanden sein
kann. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß diese Sohle 2 vorhanden ist,
da die Metallbeschickung selbst einen guten Leiter darstellt.
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In das Schmelzbecken 1 wird das zu schmelzende Metall eingebracht,
das im vorliegenden Fall aus einem Paket 3 von Kupferkathoden besteht. An einer
Seite des Beckens ist eine Gießschnauze 21 vorgesehen (s. F i g. 2 und 3).
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Der Unterteil 16 ist nach einer Seite hin verlängert (s. Teil
18), über welche Verlängerung der Oberteil 4 verschiebbar ist.
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Dieser Ofenoberteil 4 besitzt Laufrollen 22 (s. F i g. 3), die auf
Schienen 17 gleiten, welche durch ein am Unterteil 16 befestigtes Gerüst 23 getragen
werden.
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Auf diese Weise wird der Oberteil 4 durch den Unterteil
16 des Ofens getragen und kann diesem gegenüber waagerecht verschoben werden.
Der Oberteil 4 trägt die Elektroden 5, von denen im vorliegenden Beispiel drei vorgesehen
sind, da es sich um einen Dreiphasenofen handelt. Jede Elektrode 5 besteht aus Kohle
oder Graphit und befindet sich innerhalb eines eigenen, im Oberteil 4 vorgesehenen
Hohlraumes 28. In jede Elektrode sind Stromzuführungsstäbe 6 eingelassen.
Die Elektroden 5 weisen eine durch eine Fläche 25 begrenzte axiale Bohrung 8 auf,
und ihre Außenfläche besteht aus einem zylindrischen Teil 26 und einem unteren
kegelstumpfförmigen Teil 7. Die Stäbe 6 sind an Querleiterstäben 11 befestigt, welche
über Kabel 14 an die Anschlußschienen 15 des den Ofen speisenden Transformators
(nicht dargestellt) angeschlossen sind.
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Jeder Querleiter 11 ist mittels zweier elektrisch isolierter
Schrauben 12 und 13 am Ofenoberteil 4
abgestützt, so daß jede Elektrode
5 durch Betätigung dieser Schrauben angehoben bzw. gesenkt werden kann.
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Der Ofenunterteil 16 ist mittels Zapfen 20 in entsprechenden Lagern
an Tragsäulen 29 schwenkbar gelagert und liegt etwa in seiner Mitte auf einem hydraulischen
Kolben 19 auf, mit dem er gelenkig verbunden ist. Da der Ofenoberteil 4 vom
Unterteil 16
getragen wird, läßt sich der gesamte Ofen mittels des Kolbens
19 um die Achse A -A der Zapfen 20 schwenken. Die Mittel zur Betätigung des
Kolbens 19 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Schwenkachse A-A befindet
sich, wie F i g. 3 erkennen läßt, in der Nähe der Gießschnauze 21.
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Die Wirkungsweise des Ofens ist folgende. Der Oberteil 4 befände sich
mit den Elektroden 5 oberhalb des Schmelzbeckens 1 (F i g. 7 und 3). Im Schmelzbecken
befindet sich das zu schmelzende Metall, das im vorliegenden Fall durch das Kupferkathodenpaket
3 gebildet ist. Der gesamte Raum oberhalb des Paketes 3 einschließlich des Raumes
um die Elektroden herum, ist mit Graphitpulver 9 gefüllt, so daß sich die Elektroden
ganz in diesem Pulver eingebettet befinden. Die axialen Bohrungen 8 der Elektroden
dienen dazu, die Berührungsfläche mit dem Graphitpulver 9 zu vergrößern und das
Einfüllen des Pulvers zu erleichtern, das alle inneren Hohlräume ausfüllen und alle
nach außen führenden Schlitze bis oben (bei 10 in F i g. 1) schließen muß.
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Beim Stromdurchgang zwischen den Elektroden 5 wird das zu schmelzende
Metall 3 erwärmt, da der Strom durch das Pulver 9 und durch das Metall 3 fließen
muß. Nach einer gewissen Zeit ist das Metall geschmolzen, wobei das Schmelzen in
reduzierender Atmosphäre durchgeführt wurde.
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Die Pulverschicht hat nicht nur die Funktion eines elektrischen Widerstandes,
sondern dient auch als Schutzmantel.
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Bei der betrieblichen Verwendung des Ofens hat sich gezeigt, daß die
Reduktion der im zu schmelzenden Metall enthaltenen Oxyde wegen der hohen Temperatur
(z. B. 3500° C), auf die sich das mit dem Metall in Berührung stehende Pulver erwärmt,
automatisch stattfindet und daß sich das Pulver wegen seiner Feinheit und der hohen
Temperatur, auf die es durch den Durchfluß der starken elektrischen Ströme gelangt,
wie ein fließendes Material verhält, das äußerst wirksam ist bei der Beseitigung
etwaiger auf Oxydation zurückzuführender Verunreinigungen und Schlacken.
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Dieses oberhalb des zu schmelzenden Metalls angebrachte Pulver, welches
sich wie ein fließbares Material mit hohem Reduktionsvermögen verhält, kann nämlich
überall hin gelangen und eindringen, wobei Verunreinigungen und Schlacken, die wegen
des Vorhandenseins von Kohlenstoff bei äußerst hoher Temperatur und einer stark
reduzierend wirkenden Gasatmosphäre reduzierbar sind, beiseitigt werden.
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Nachdem die Elektroden 5 innerhalb geschlossener Hohlräume angeordnet
sind, werden die elektrischen Ströme gezwungen, das Pulver in Richtung zu dem zu
schmelzenden Metall zu durchdringen. Die Sohle 2 des Schmelzbeckens bildet hingegen
einen leitenden Boden, der das Schließen der elektrischen Stromkreise sicherstellt,
solange das zu schmelzende Metall zu Beginn der Erwärmung noch keinen elektrischen
Einblockleiter darstellt.
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Die Wärmedispersion ist äußerst gering, da nur eine geringe Pulverschicht,
die mit dem zu schmelzenden Metall in Berührung steht, auf hohe Temperatur gebracht
wird. Es handelt sich dabei um die Pulverschicht zwischen dem Unterteil ? der Elektroden
und der oberen Fläche des Metalls 3. Der restliche Teil des Pulvers, und zwar bis
zur obersten Stelle 10, stellt einen für die Wärme nichtleitenden Schutzmantel dar,
der das Metall gegenüber der Außenatmosphäre isoliert.
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Ferner unterliegt der Ofen nicht der Abnutzung, da die hohen Temperaturen
nur die Metalloberfläche und den Unterteil der Elektroden sowie die dazwischenliegende
Pulverschicht beeinflussen. Die kegelstumpfförmigen unteren Enden 7 der Elektroden
5 verringern deren Querschnitte an den Enden, so daß die Verluste durch Wärmeleitung
entlang der Elektroden herabgesetzt werden. Die im Pulver eingebetteten Kohle- oder
Graphitelektroden werden nicht verbraucht, so daß sie ihre im Querschnitt verringerten
Enden beibehalten, die mit dem
sich auf hohe Temperaturen erwärmten
Graphitpulver in Berührung stehen.
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Die in den F i g. 1 bis 5 dargestellten Elektroden haben an ihren
unteren Enden abnehmende Querschnitte, nachdem ihre Außenfläche 7 kegelstumpfförmig
ausgebildet ist. Das gleiche gilt für die anderen dargestellten Elektrodenausführungen,
von denen diejenige nach den F i g. 6 und 7 an ihren inneren unteren Ende eine kegelstumpfförmige
Fläche 27 aufweist, während die Ausführungen nach den F i g. 8 und 9 andere sich
verkleinernde Endquerschnittsformen besitzen.
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Auf diese Weise wird der Wärmeverlust, der bei Lichtbogenöfen wegen
der Wärmeleitfähigkeit der Elektroden einen erheblichen Einfluß auf den Wärmewirkungsgrad
besitzt, stark herabgesetzt, während der Widerstand gegen den Stromdurchfluß entlang
der Elektroden praktisch unverändert bleibt.
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Durch Heben und Senken der Elektroden 5 mittels der Schrauben 12 und
13 kann die Dicke der die Elektroden vom Metall 3 trennenden Pulverschicht verändert
werden. Durch die folgende Veränderung des elektrischen Widerstandes kann ein Stromaufnahmeausgleich
zwischen den Phasen hergestellt und die gesamte Leistungsaufnahme des Ofens eingeregelt
werden.
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Die Verstellung der Elektroden könnte angesichts ihrer großen Abmessungen
in der Pulvermasse schwierig erscheinen, jedoch ist sie während des Betriebes des
Ofens möglich, da sich das feine Graphitpulver bei hohen Temperaturen im wesentlichen
wie eine Flüssigkeit verhält. Außerdem wird das Senken der Elektroden durch die
zugespitzte Form ihrer Enden erleichtert.
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In F i g. 2 ist der Lichtbogenofen in der gleichen Schnittdarstellung
wie in F i g. 1 gezeigt, nur daß hier der Ofenoberteil 4. auf den Schienen 17 über
den seitlichen Verlängerungsteil 18 aus feuerfestem Material des Ofenunterteils
verschoben ist. Das die Elektroden umgebende Pulver, welches sich in den Hohlräumen
des Oberteiles 4 befindet, liegt hier auf dem Teil 18 auf. Die Verschiebung des
Oberteiles 4 erfolgt mit Hilfe geeigneter, nicht dargestellter Mittel. In dieser
Stellung werden die Kontroll- und Frischoperationen erforderlichenfalls durchgeführt,
wonach das geschmolzene flüssige Metall der Verwendung zugeführt wird, während das
die Elektroden umgebende Pulver nicht in das sich entleerende Becken eintreten kann.
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Nach dem Reinigen des Schmelzbeckens von Rückständen kann man das
neue Beschickungsmaterial in das Becken einbringen, wonach der Ofenoberteil 4 wieder
in seine Lage oberhalb des Beckens zurückgeführt und ein neuer Arbeitsgang beginnen
kann.
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Beim Vergießen des Metalls wird der Ofenunterteil 16 mittels des hydraulisch
betätigten Kolbens 19 um die Achse der Zapfen 20 gekippt, wobei beliebige Mittel
verwendet werden, um das oben frei liegende Pulver zurückzuhalten bzw. abzudecken.
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Die Ausführungsvariante des Ofens nach F i g. 5 sieht zwei Schmelzbecken
vor, d. h., neben dem Unterteil 16 ist parallel zu diesem starr mit ihm verbunden
ein zweiter, gleicher Teil 16 mit Schmelzbecken 1 angeordnet. Es fehlt hier der
seitliche Verlängerungsteil 18, der eben durch den zweiten Teil 16 ersetzt ist,
der, wie ersichtlich, ebenfalls ein Schmelzbecken 1 mit Sohle 2 und Gießschnauze
21 aufweist. Der Ofenoberteil 4 ist identisch mit demjenigen des zuerst beschriebenen
Ausführungsbeispiels und wirkt dieser Oberteil abwechselnd jeweils mit einem der
Unterteile 16 zusammen. Zum Kippen des gesamten Ofens sind hier vorzugsweise zwei
hydraulisch betätigte Kolben 19 vorgesehen.
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Mit diesem Ofen wird ein kontinuierlicher Schmelzvorgang verwirklicht.
Während sich der Oberteil 4 mit den Elektroden 5 über einem Schmelzbecken 1 befindet,
wird das andere, offene Becken beschickt. Anschließend, nachdem die Erwärmung des
ersten Beckens beendet ist, d. h., wenn das in ihm enthaltene Metall geschmolzen
ist, wird der Ofenoberteil 4 über das andere Becken verschoben, das sofort erwärmt
wird. Offensichtlich zeichnet sich dieser Ofen durch eine beachtliche Zeit- und
Energieersparnis aus. Es fallen in der Tat die sonst durch das Beschicken bedingten
Totzeiten weg, und demzufolge wird der Ofen leistungsmäßig voll ausgenutzt. Außerdem
wird bei der Verschiebung des Oberteiles 4
über das zweite Becken unmittelbar
nach Beendigung der Heizphase des ersten Beckens. die ganze im Oberteil noch enthaltene
Restwärme in der Heizphase des zweiten Beckens ausgenutzt, wodurch sich eine große
Energieersparnis ergibt.
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Die Phasenzahl des elektrischen Stromes kann beliebig gewählt werden.
Im Fall von Einphasenstrom kann man auch nur eine von Graphitp-ulver umgebene Elektrode
verwenden, und der Stromkreis kann über die Sohle geschlossen werden oder aber über
eine andere Elektrode.