DE1962135A1

DE1962135A1 - Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektroschlackeumschmelzofen

Info

Publication number: DE1962135A1
Application number: DE19691962135
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl-Ing Doenecke; Karl-Georg Redel
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1969-12-11
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1971-06-16
Also published as: DE1962135B2; DE1962135C3; US3744989A; JPS5025885B1

Description

ZR5-Zap/gw 24,11«1969 - 69515 -

Patentanmeldung

»Verfahren zur Reinigung von Metallen in" einem ELefctroschlackeumschmelzofen"

Bie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektrosehlackeumschmelzof en, wobei mindestens eine Abschmelzelektrode unter der Wirkung eines elektrischen Stromes innerhalb einer Kokille durch eine.flüssige Schlackeschicht zu einem festen Block umgeschmolzen wird. Ein derartiges Verfahren» bei dem die flüssige Schlacke zur leitung des elektrischen Stroms, zur Wärmeerzeugung und zur metallurgischen Reaktion mit dem umzuschmel ζ end en Metall dient, ist seit langem, beispielsweise durch die US-Patentschrift 2 191 479, bekannt» Aufgrund der bei dem bekannten Verfahren angewandten Betriebsbedingungen stellt sich stets ein Hauptstrompfad zwischen der Abschmelzelektrode und dem als Gegenpol dienenden Tiegelboden beziehungsweise Schmelzsee ein* Durch die Wärmeerzeugung im Bereich des Strompfades weist die Schlacke bei dem bekannten Verfahren einen sehr heißen Kern mit vertikaler Achse und einen hohen Temperaturgradienten zur Kokillenwand hin auf. Infolge des direkten Strompfades zwischen der Abschmelzelektrode und dem Schmelzsee stellt sich beim Betrieb des Ofens mit Gleichstrom ein wesentlicher Nachteil ein, der darin besteht, daß„ein Ionentransport von der Elektrode durch die Schlacke zum Schmelzsee hin erfolgt. Hiermit ist eine ungewollte Anreicherung des erschmolzenen Materials mit bestimmten Stoffen, zum Beispiel mit Sauerstoff, verbunden. Durch die Anwendung vo# Wechselstrom wird dieser Nachteil zwar beseitigt, es tritt jedoch insbesondere bei Anwendung von Netzfrequenz der Nachteil hoher Verluste durch Induktion und Wärme entwicklung auf.

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Wesentlich bedeutsamere Nachteile treten jedoch in Erscheinung, wenn man mit dem bekannten Verfahren Abschmelzelektroden größerer Durchmesser, insbesondere oberhalb eines Durchmessers von 1000 mm, umschmelzen will. Die Fläche der elektrisch leitenden Schlacke nimmt mit dem Quadrat des Durchmessers zu und damit der wirksame elektrische Widerstand entsprechend ab. Man erhält so bei größerem Elektrodendurchmesser höhere Stromstärken und geringere Spannungen, aus denen sich die erforderliche Schmelzleistung ergibt. Bei der Verwendung hoher Schmelzströme ergeben sich erhebliche Konstruktionsprobleme in Bezug auf den elektrischen Teil der Anlage, wenn die Wärmeverluste nicht in unerwünschte Höhen ansteigen sollen. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Qualität des umgeschmolzenen Blocks infolge größerer Schmelzbadtiefe verschlechtert wird.

Der Erfindung liegt daher außer einer Vermeidung der dem bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile auch die Aufgabe zugrunde, das Prinzip des Elektroschlacke-TJmschmelzens für die Verarbeitung von Elektroden mit großem Querschnitt, insbesondere oberhalb 1000 mm Durchmesser, geeigneter zu machen.

Die lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine solche Betriebsweise des Ofens erreicht, bei der die Strompfad-e des S_chmelzstromes hauptsächlich von der Abschmelzelektrode radial zur Kokillenwand verlaufen. Dieses wichtigste Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Strompfade' nicht vertikal oder überwiegend vertikal von der Abschmelzelektrode durch die Schlackeschicht zum Schmelzsee beziehungsweise anfänglich zum Tiegelboden verlaufen, sondern daß sich die Strompfade überwiegend radial von der Elektrode bis zur Tiegelwand erstrecken, wobei sie im wesentlichen nahe der Schlackenoberfläche und etwa parallel zu ihr verlaufen. Hiermit ist zunächst der Vorteil verbunden, daß die Strompfade von einem bestimmten Verhältnis von Radialspalt zwischen Elektrode und Tiegel zur Höhe der geschmolzenen

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Schlaokeschicht an länger sind als "beim bekannten Verfahren, so daß der Spannungsabfall in der Schlacke einen entsprechend

höheren Wert besitzt. Um also im Ofen die gleiche Wärmeenergie zu erzeugen, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit.entsprechend höherer Spannung und niedrigerem Strom gearbeitet werden· Da der elektrische Widerstand der flüssigen Schlacke in vertikaler Richtung nun nicht mehr berücksichtigt werden muß, um eine ausreichende Spannungsdifferenz zu erzielen, kann die Höhe der Schlackeschicht beträchtlich verringert werden. Dies hat zur Folge, daß die Berührungsfläche zwischen der hocherhitzten flüssigen Schlacke und der wassergekühlten Kokillenwand wesentlich geringer ist, so daß die Wärmeverluste an das Kühlwasser abnehmen. Der gesamte Leistungsbedarf des' Ofens kann hierdurch fühlbar verringert und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden.

Es soll hier nidit unterstellt werden, daß im klassischen Pail ausschließlich vertikale, beim Gegenstand der Erfindung ausschließlich horizontale Strompfade gebildet werden. Es handelt sich vielmehr darum, den tiberwiegenden Verlauf der Strompfade zu.beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil, der durch den radialen Stromfluß nahe der Schlackenoberfläche erzielt wird, besteht darin, daß die Oberfläche der Schlackeschioht einen erheblich geringeren Temperaturgradienten in Richtung auf die Kokillenwand besitzt als beim klassischen Verfahren. Die Folge ist ein geringerer Temperaturgradient in radialer Richtung auch im Schmelzsee: Der Schmelzsee ist in der Mitte flacher und an den Rändern tiefer als bei dem klassischen Elektroschlackeumschmelzverfahren. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Betriebsweise des Ofens wirkt sich sehr vorteilhaft im Hinblick auf die bei der Erstarrung entstehende Kristallstruktur des geschmolzenen Blockes aus.

Dadurch, daß der Stromfluß nicht mehr von der Elektrode zum

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Schmelzsee sondern zur Kokillenwand erfolgt, kann bei -Anwendung von Gleichstrom kein lonentransport zum Schmelzsee hin ■ erfolgen. Infolgedessen unterbleibt auch die Anreicherung des erschmolzenen Materials mit bestimmten unerwünschten Stoffen, wie zum" Beispiel Sauerstoff* Das erfindungsgemäße Verfahren vernilft somit der Anwendung von Gleichstrom zu einem neuen Erfolg. Die Versorgung eines Elektroofens mit Gleichstrom ist mit RückBioht auf den Wirkungsgrad der Anlage sehr erwünscht, weil die bei Wechselstrom mit höherer, instesondere mit Netzfrequenz auftretenden Induktions- und Wärmeverluste entfallen. Aber auch bei der Anwendung von Wechselstrom, insbesondere von solchem mit niederer Frequenz, ergeben sich besondere Vorteile, die darin bestehen, daß mit niederer Stromstärke bei höherer Spannung geschmolzen werden kann, wodurch sich die Wechselstromverluste verringern.

Ss -wurde überraschend gefunden, daß die erfindungsgemäße Betriebsweise des Ofens in einfacher Weise"dadurch einreguliert werden und aufrechterhalten werden kann, daß als Verhältnis von lichter Weite des Radialspaltes zwischen Elektrode und Kokillenwand zur Höhe der Schlackeschicht ein Wert oberhalb 1,2 , vorzugsweise oberhalb 1,5 , gewählt wird, und daß die-Abschmelzelektrode nach dem Vorhandensein einer flüssigen Schlackeschicht zu Beginn des Abschmelzvorgangs soweit zurückgezogen wird, bis dem Spannungsgradienten innerhalb der Schlackeschicht impulsförmige Abweichungen von mehr als + 4, vorzugsweise von mehr als + 8 Volt von der mittleren Betriebsspannung überlagert sind, und daß der Abschmelzvorgang unter Beibehaltung dieser Betriebsbedingungen bis zum Ende durchgeführt wird«, Die angegebenen Verhältnis zahl en besagen, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Höhe der Schlakkeschicht von zum Beispiel 110 mm und einem Radialspalt von 132 mm, beziehungsweise vorzugsweise von 165 mm, anfängt, dem klassischen Verfahren überlegen zu sein.

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Bei Einhaltung der genannten Bedingungen berührt die Abschmelzelektrode gerade noch die Oberfläche der Sohlaoke. Bie Elektrode darf jedoch nicht soweit angehoben werden, daß der Kontakt zeitweise abreißt und Lichtbögen entstehen. Durch die genannte Maßnahme entsteht an der Kontaktfläche der Elek-. trode ein laufend wechselnder Übergangswiderstand, der sich in den beschriebenen impulsförmigen Abweichungen von der mittleren Betriebsspannung äußert. Naturgemäß gehen mit den Spannungsschwankungen Stromschwankungen einher, deren Amplituden von der Charakteristik der Stromversorgung abhängig sind. Die Folge ist eine Energiekonzentration an der Oberfläche der Sohlacke unmittelbar unterhalb der Elektrode. Die stark überhitzte Sohlacke tritt durch konvektive Bewegung des Sohlakkebades unter der Elektrode hervor, bleibt aber wegen ihrer höheren Temperatur und des damit verbundenen geringeren spezifischen Gewichtes an der Oberfläche. In vertikaler Richtung bildet sich ein merklicher Temperaturgradient aus· Der Verlauf der Strompfade ist nun im wesentlichen eine Frage der Temperaturverteilung in der Sohlackesohioht, da die elektrische Leitfähigkeit der Sohlacke bekanntlich mit steigender Temperatur zunimmt. Infolge der geschilderten Temperatürverteilung im Schlackebad nimmt der elektrische Widerstand beim Übergang von der Startphase In die erfindungsgemäße Betriebsphaee in vertikaler Richtung zu und in radialer Richtung ab, wodurch sioh der Stromfluß von der vertikalen in die horizontale beziehungsweise radiale Richtung verlagert.

Das Bintreten des erfindungsgemäßen Betriebszustandes ist deutlich an zwei Merkmalen erkennbar; Der Spannungsabfall innerhalb der Sohlaokesohioht ist höher als es dem elektrischen 8chlaokenwideretand in vertikaler Riohtung entsprechen würde· Ferner treten die erwähnten impulsförmigen SpannungsSchwankungen auf. . ι ■

bereit» ausgeführt wurde, zeichnet eich das erfindungs-

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gemäße Verfahren unter anderem durch einen niedrigen Schlakkebedarf aus, Gemäß der weiteren Erfindung eoll die Höhe der Schlackeschioht in geschmolzenem Zustand 30 #, vorzugsweise 15 % des Innendurchmessers der Kokille nicht übersteigen. Die erforderliche Höhe der Schlaokesohicht ist dabei in gewissem-Maße abhängig vom Elektroden- bzw. Kokillendurchmesser, und •war entspricht der höhere Wert den kleineren Kokillendurch-■e8aero. Wie das nachfolgende Beispiel 1 zeigt, ist es sogar ■it gutem Erfolg möglich, bei einem Rollendurchmesser von 1500 mm mit einer Schlaokesohicht von 110 mm auszukommen; das sind 7*3 # des Kokillendurohmessers. Dennoch ergab sich bei einer Ümschmelzleistung von rund 1200 kW eine Stromaufnahme c von weniger als 30 kA.

Man kann den Übergang von der Startphase in die eigentliche Schmelssphaae auf elegante Weise dadurch erleichtern beziehungsweise steuern, daß man Kokillenwand und -boden elektrisch voneinander isoliert und die Stromzufuhr während der Startphase en den Kokillenboden und während der anschließenden Schmelzphase an die Kokillenwand anschließt.

Das Wesen der Erfindung sei nachfolgend an Hand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.

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-Fig. 1 einen teilweisen längssohnitt durch eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Wg. 2 ein Diagramm eines typischen Spannungsverlaufs, wie er in der Sghmelzphase des erfindungsgemäßen Verfahrens auftritt·

In Pig. t ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus einem beliebigen Metall oder einer legierung bezeichnet, die mittels «ines Zugstange 2 an einem Ausleger 3 einer Elektrodenhaltevorriohtung befestigt ißt. Der Ausleger 3 ist längsyersohieb-

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lieh an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt una mittels einer Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. Zu diesem Zweck befindet sich im Ausleger 3 eine Spindelmutter 6. Die Gewindespindel 5 wird an ihrem oberen Ende von einem lager 7 aufgenommen, das mittels einer Traverse 8 an der Eührungssäule 4 befestigt ist. Das untere Lager 9 der Gewinde-spindel befindet sich in einem Getriebekasten 10» in dem die Drehzahl des Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten Wert untersetzt wird. Die Teile 2 bis 11 stellen die eogenannte Elektrodenantriebsvorrichtung dar.

Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest mit einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille 12, die aus einer Kokillenwand 13 in Form eines zylindrischen Hohlmantels mit Anschlußstutzen 14 für Ein- und Austritt der Kühlflüssigkeit 15 besteht. In der Kokille 12 befindet sich während der Schmelephase, in der die Vorrichtung dargestellt ist, eine flüssige Sohlackeschicht 16, in welche die Abschmelzelektrode 1 in geringem Maße eintaucht. Die Elektrode schmilzt tropfenweise durch die Schlackeschicht 16 ab, sammelt sich darunter in einem Schmelzsee 17, der nachfolgend durch Wärmeentzug zum Schmelzblock 18 verfestigt wird. Der Wärmeentzug erfolgt anfänglich im wesentlichen durch den wassergekühlten Kokillenboden 19 und nachfolgend im wesentlichen durch die Kokillenwand 13. Zwischen Kokillenwand und Kokillenboden befindet sich ein hitzebeständiger Isolierstoffring 20. Die gesamte Anordnung ruht auf einer Basieplatte 21.

Die Schmelzstromzufuhr erfolgt einerseits mittels eines flexiblen Kabels 22 und einer Anschlußklemme 23 zur Zugstange 2 und von hier aus zur Elektrode 1, andererseits zu einer Anschlußklemme 24 eines elektrischen Umschalters 25, dessen Ausgangsklemme 26 mit dem Kokillenboden 19 über eine Leitung 27 verbunden ist. Eine zweite Ausgangsklemme 28 führt über die Leitung 29 zur Kokillenwand 13. Mittels des Umschalters 25 ist es möglich, wahlweise den Kokillenboden 19 oder die Kokillenwand 13 zum Gegenpol für die Abschmelzelektrode 1 zu machen. Durch den Stromfluß innerhalb der Schlackeschicht 16

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heizt sich die Schlacke in bekannter Weise auf und liefert die erforderliche Schmelzwärme.

Die Regelung des Elektrodenvorsohubs im Sinne der Erfindung erfolgt Über ein'Regelgerät 30, welches mittels der leitungen

31 beziehungsweise 32 mit der Abschmelzelektrode 1 einerseits und mit der Kokillenwand 13 andererseits verbunden ist. Es kann natürlich auch ein Anschluß der Leitung 32 am Kokillenboden 19 vorgesehen werden, wobei dann ein Umschalter analog Position 25 vorzusehen wäre. Da während des eigentlichen Schmelzverfahrens jedoch der radiale Stromfluß gemessen werden soll, ist der in JPig. 1 dargestellte Anschluß der leitung

32 der bedeutsamere. Das Regelgerät 30 erfaßt den Spannungsgradienten innerhalb der Schlackeschioht 16 einschließlich der ihm überlagerten impulsf örmigen Schwankungen. Durch eine entsprechende, vorzugsweise elektronische, Auswertung der Meßwerte wird der Elektrodenantriebsmotor 11 über die leitung

33 in der Weise mit Strom beaufschlagt, daß die gewünschte und für die Durchführung des erfindungegemäßen Verfahrens erforderliche relative lage von Abschmelzelektrode 1 und Oberfläche der Schlackeschicht 16 eingestellt und beibehalten wird. Einzelheiten des Regelgeräts sind nicht Gegenstand der Erfindung und sollen daher an dieser Stelle auch nicht näher erörtert werden.

Fig· 2 zeigt das Diagramm eines Spannungsverlaufs, wie er beim Arbeiten des Ofens unter erfindungsgemäßen Betriebsbedingungen typisch ist. Es iBt.ersichtlich, daß der Spannungsmittelwert U auf einem für große Elektroschlacke-Umschmelzofen mit niedriger Schlackeschicht verhältnismäßig sehr hohen Wert, nämlich zwischen 35 und 40 Volt liegt. Desgleichen ist ersichtlich, daß die SpannungsSchwankungen mindestens, etwa -4- Volt, hoch-Btens jedoch etwa -10 bis 15 Volt betragen. Sobald der optimale Betriebebereich verlassen wird, ändert sich der Verlauf des Spannungsgradienten über der Z_eit t merklich! Bei einem zu tiefen Eintauchen - bei dem sich die Strompfade kurzfristig wieder in senkrechter Richtung einstellen - glättet sich

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die Spannungskurve deutlich, wobei ihr Mittelwert bei erheblich tieferen Werten, beispielsweise sogar unterhalb 20 Volt liegen kann. Die Werte hängen naturgemäß von dem Widerstandsbeiwert aufgrund der Zusammensetzung der Schlacke und. der Höhe der Schlackeschicht ab* Wird die Elektrode hingegen weiter aus der Schlackeschicht herausgezogen, "so treten steile Spannungsspitzen und eine wesentliche Verschiebung des Spannungsmittelwertes U_m zu höheren Spannungen auf. Diese Erscheinung ist auf die unerwünschte Ausbildung von !lichtbogen zwischen dem unteren Ende der Abschmelzelektrode/in und der Oberfläche der Sehlackeschioht zurückzuführen.

Beispiel 1i

In einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem inneren Kokillendurchmesser von 1500 mm befanden sich 500 kg stückiger Schlacke mit der Zusammensetzung

40 CaP₉ 30 OaO 30 AlpO*

Im Zentrum der Schlacke befand sich ein Zündwiderstand aus Stahlwolle, der durch Stromfluß genügend Wärme erzeugte, um einen Teil der Schlacke zu schmelzen. Durch Einschalten der Schmelzstromversorgung und Absenken der Abschmelzelektrode 1 bis zur Berührung mit dem Zündwiderstand wurde das Verfahren in Gang gesetzt. Die Elektrode besaß einen Durohmesser von 1000 mm, die Kokille einen solohen von 1500 mm, das heißt j zwischen d$r Elektrode und der Kokille befand sich ein ring-, förmiger Raum von 250 mm lichter Weite. Nach dem vollständigen Aufschmelzen der Schlacke hatte die Schlaokesohioht eine Höhe von oft. 110 mm· Die Elektrode wurde jetzt zurückgezogen, ble eich ein Spannungsverlauf gemäß Fig. 2 zeigte. Das Regelgerät 30 wurde nunmehr eo eingestellt, daß das Erscheinungsbild des zeitlichen Verlaufe der Spannung im wesentlichen gleich blieb. Der mittlere Spannunganfall betrug etwa 39 - 40 Volt bei einer Stromstärke von 28 - 30 kA. D^e damit erreiohte Sohmelzleistung lag zwischen 1050 - 1150 kW.

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Beispiel 2 s

In einem Vergleiohsversuch wurde die Abschmelzelektrode 1 durch Verstellen des Regelgerätes 30 etwas tiefer in die Schlackeschicht 16 eingetaucht. Sofort änderte sidi der radiale Temperaturgradient an der Oberfläche der Schlackeachicht; Der ursprüngliche nahezu gleichmäßig helleuchtende Schlackering verdunkelte sioh in etwa 1-2 Minuten deutlich sichtbar zum Rande hin. Die mittlere Spannung U_m sank bei gleichzeitiger Glättung des Spannungsverlaufs auf ca. 20 Volt &b, während die Stromstärke von ca. 30 kA im wesentlichen erhalten blieb. Die Schmelzleistung reduzierte sich hierdurch auf 600 kW, das heißt die Hälfte der in Beispiel 1 erreichten Umschmelzleistung.

Beispiel "it

Um die Umschmelzleistung gemäß Beispiel 1 mit einer Betriebsweise gemäß Beispiel 2 wieder zu erreichen, mußte die Spannung auf 28 - 29 Volt erhöht werden, wodurch die Stromstärke auf 42 kA zunahm. Hiermit stiegen aber Belastung und Verluste im elektrischen Teil der .Anlage in unerwünschter Weise an. Dieser Belastung waren aber die elektrischen Teile der Anlage auf die Dauer nicht gewachsen.

5 Ansprüche 2 Figuren

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Claims

Patent anBprüche

1. Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektroschlackeumschmelzofen, wobei mindestens eine Abschmelzelektrode unter der Wirkung eines elektrischen Stroms innerhalb einer Kokille durch eine flüssige Schlackeschicht

. zu einem Block umgeschmolzen wird, gekennzeichnet durch eine solche Betriebsweise des Ofens, bei der die Strompfade des Schmelzstromes hauptsächlich radial von der Abschmelzelektrode zur Kokillenwand verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verhältnis von lichter Weite des Ringspaltes zwischen Elektrode (1) und Kokillenwand (13) eur Höhe der Sehlackesohicht (16) ein Wert oberhalt 1,2 , vorzugsweise oberhalb 1,5 , gewählt wird und daß die Elektrode (1) nach dem Vorhandensein der flüssigen Schlackeschicht (16) zu Beginn des tlmschmelzvorganges so weit zurückgezogen wird, bis der Spannung zwischen der Elektrode und der Kokillenwand impulsförmige Schwankungen von mehr als + 4- Volt, vorzugsweise von mehr als + 6 Volt von der mittleren Betriebsspannung überlagert sind, und daß der Abschmelzvorgang unter Beibehaltung dieser Betriebsbedingungen bis zum Ende durchgeführt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schlackeschicht (16) 30 96, vorzugsweise 15 i· des Durchmessers der Kokille (13) nicht übersteigt.

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4c Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung während der Startphase an den Kokillenboden und während der anschließenden Schmelzphase an die vom Kokillenboden isolierte Kokillenwand erfolgt.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß Kokillenwand (13) und -boden (19) voneinander elektrisch isoliert sind und daß Schaltmittel (25) vorhanden sind, durch die wahlweise die Kokillenwand oder der Kokillenboden an die Stromversorgung anschließbar ist.

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