DE1962135C3

DE1962135C3 - Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elektroschlacke-umschmelzofen

Info

Publication number: DE1962135C3
Application number: DE1962135A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 6451 Rossdorf Doenecke; Karl-Georg 6451 Oberrodenbach 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: 1980-01-17
Also published as: DE1962135A1; DE1962135B2; US3744989A; JPS5025885B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Metallen in einem Elcktroschlackcumschmclzofen, wobei mindestens eine Abschmelzelektrode unter der Wirkung eines elektrischen Stroms innerhalb einer Kokille clureh eine flüssige SehlackcschiclH /u einem festen Block umgeschmolzcn wird. Ein derartiges Verfahren, bei dem die flüssige Schlacke zur Leitung des elektrischen Stroms, zur Wärmeerzeugung und zur metallurgischen Reaktion mit dem iimzuschmelzenden Metall dient, ist seit langem, beispielsweise durch die USA.-Patentschrift 21 91 479, bekannt. Auf Grund der bei dem bekannten Verfahren angewandten Betriebsbedingungen stellt sich stets ein llauptslrompfad zwischen der Abschmelzelektrode und dem als Gegenpol dienenden Ticgclboden bzw. 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, z. B. mit Sauerstoff, verbunden. Durch die Anwendung von Wechselstrom wird dieser Nachteil zwar beseitigt, es tritt jedoch insbesondere bei Anwendung von Netzfrequenz der Nachteil hoher Verluste durch Induktion und Wärmeentwicklung auf.

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 w'rksame elektrische Widerstand einsprechend ab. Man erhält so bei größcrem 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 AnSagc, wenn die Wärmeverluste nicht in unerwünschte Höhen ansteigen sollen. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Qualität des umgeschmolzencn Blocks infolge größerer Schmelzbadtiefe verschlechtert wird.

Der Erfindung liegt daher außer einer Vermeidung der dem bekannten Verfahren anhaiicnden Nachteile auch die Aufgabe zugrunde, das Prinzip des Elektroschlackc-Umschmelzens 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 Strompfade des Schmelzstroms 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 dicSchlackcschicht zum Schmelzsec bzw. anfänglich zum Ticgelboden verlaufen, sondern daß sich die Strompfade überwiegend radial von der Elektrode bis zur Tiegclwand erstrecken, wobei sie im wesentlichen nahe der Schlackenoberflächc und etwa parallel zu ihr verlaufen. Hiermit ist zunächst dc^r Vorteil verbunden, daß die Strompfade von einem bestimmten Verhältnis von Radialspalt zwischen Elektrode und Tiegel zur Höhe der geschmolzenen Schlackcschicht an langer sind als beim bekannten Verfahren, so daß der Spannungsabfall in der Schlacke einen entsprechend höheren Wert besitzt. Um also im Ofen ti ic gleiche Wärmeenergie zu erzeugen, kann hei dem erfindun»sgemiißen Verfahren mit entsprechend höherer Spannung und niedrigerem Strom gearbeitet werden. Da der elektrische Widerstand der flüssigen Sch'acke in vertikaler Richtung nun nicht mehr berücksichliii werden muß. um eine ausreichende Spanmingsirfi'.-

renz 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 Wärme-Verluste an das Kühlwasser abnehmen. Der gesamte Leistungsbedari des Ofens kann hierdurch fühlbar verringert und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden.

Es soll hier nicht unterstellt werden, daß im klassisehen Fall ausschließlich vertikale, beim Gegenstand der Erfindung ausschließlich horizontale Strompfade gebildet werden. Es handelt sich vielmehr darum, den überwiegenden Verlauf der Strompfade zu beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil, der durch den radialen Stromfiuß nahe der Schlackenoberfläche erzielt wird, besteht darin, daß die Oberfläche der Schlackeschicht einen erheblich geringeren Temperaturgradienten in Richtung auf die Kokillcnwand besitzt als beim klassischen Verfahren. Die Folge ist ein geringerer Temperaturgradient in radialer Richtung auch im Schmelzsce: Der Schmelzsee ist in der Mitte flacher und an den Rändern tiefer als bei dem klassischen Elektroschlackcumschmelzverfahrcn. 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 Schmclzsee, sondern zur Kokillcnwand 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 z. B. Sauerstoff. Das erfindungsgcmäßc Verfahren verhilft somit der Anwendung von Gleichstrom zu einem neuen Erfolg. Die Versorgung eines Elektroofens mit Gleichstrom ist mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad der Anlage sehr erwünscht, weil die bei Wechselstrom mit höherer, insbesondere mit Netzfrequenz auftretenden Induktions- und Wärmcverluste 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 Wechselstromverlustc verringern.

Es 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 Ringspaltcs zwischen Elektrode und Kokillcnwand zur Höhe der Schlackcschicht ein Wert oberhalb 1,2, vorzugsweise oberhalb !,5, gewählt wird, und daß die Abschmelzelektrode nach dem Vorhandensein einer nüssigen Schlackcschicht zu Beginn des Abschmelzvorgangs so weit zurückgezogen wird, bis dem Spannungsgradicntcn innerhalb der Schlackcschicht itnpulsförmigc Abweichungen von mehr als ;! 4 Volt, vorzugsweise von mehr als ± 8 Volt, von der nvtlleren Betriebsspannung überlagert sind, und daß <ler Abschmelzvorgang unter Beibehaltung dieser Betriebsbedingungen bis zum Ende durchgeführt wird. Die angegebenen Verhältniswahlen besagen, dal.' das rrfindungsgcmüßc Verfahren bei eine Höhe der .khlackeschicht von z. B. I IO mm und einem Ringspalt von 132 mm bzw. vorzugsweise von 165 mm, anfängt, dem klassischen Verfahren überlegen zu sein.

Bei Einhaltung der genannten Bedingungen berührt die Abschmelzelektrode gerade noch die Oberfläche der Schlacke. Die Elektrode darf jedoch nicht so weit angehoben werden, daß der Kontakt zeitweise abreißt und Lichtbögen entstehen. Durch die genannte Maßnahme entsteht an der Kontaktfläche der Elektrode ein Saufend wechselnder Übergangswiderstand, der sich in den beschriebenen impulsförmigen Abweichungen von der mittleren Betriebsspannung außen. Naturgemäß gehen mit den Spannungsschwankungen Stromschwankungen einher, deren Amplituden von der Charakteristik der Stromversorgung abhängig sind. Die Folge ist eine Energiekonzentration au der Oberfläche der Schlacke unmittelbar unterhalb der Elektrode. Die stark überhitzte Schlacke tritt durch konvektive Besvegung des Schlackebades unter der Elektrode hervor, bleibt aber wegen ihrer höheren Temperatur und des dnmit verbundenen geringeren spezifischen Gewichtes an der Oberi-äche. In vertikaler Richtung bildet sich ein merklicher Temperaturgradient aus. Der Verlauf der Strompfade ist nun im wesentlichen eine Frage der Temperaturverteilung in der Schlacksschicht, da die elektrische Leitfähigkeit der Schlacke bekanntlich mit steigender Temperatur zunimmt. Infolge der geschilderten Temperaturverteilung im Schlackebad nimmt der elektrische Widerstand beim Übergang von der Startphase in die erfindungsgemäße Betriebsphase in vertikaler Richtung zu und in radialer Richtung ab, wodurch sich der Stromfluß von der vertikalen in die horizontale bzw. radiale Richtung verlagert.

Das Eintreten des erfindungsgemäßen Betriebszustandes ist deutlich an zwei Merkmalen erkenmbar. Der Spannungsabfall innerhalb der Schlackeschicht ist höher als es dem elektrischen Schlackenwiderstand in vertikaler Richtung entsprechen würde. Ferner treten die erwähnten impulsförmigen Spannungsschwankungen auf.

Wie bereits ausgeführt wurde, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem durch einen niedrigen Schlackebedarf aus. Gemäß der weiteren Erfindung soll die Höhe der Schackeschicht in geschmolzenem Zustand 30%, vorzugsweise 15% des Innendurchmessers der Kokille nicht übersteigen. Die erforderliche Hoffe der Schlackeschicht ist dabei in gewissem Maße abhängig vom Elektroden- bzw. Kokillendurchmesser, und zwar entspricht der höhere Wen ucn kleineren Kokillendurchmesser. Wie das nachfolgende Beispiel I zeigt, ist es sogar mit gutem Erfolg möglich, bei einem Kokillendurchmesser von 1500 mm mit einer Schlackeschicht von 110 mm auszukommen; das sind 7,3% des Kokillendurchmesscrs. Dennoch ergnb sich bei einer Umschmelzleistung von rund 1200 kW eine Stromaufnahme von weniger als 3OkA.

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

Das Wesen der Erfindung sei nachfolgend an Hand der Fig. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt Fig. I einen teilweisen Längsschnitt durch eine

beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßcn Verfahrens und

F i g. 2 ein Diagramm eines typischen Spannungsvcrlaufs, wie er in der Schmelzphase des erfindungsgemäßen Verfahrens auftritt.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus einem beliebigen Metall oder einer Legierung bezeichnet, die mittels einer Zugstange 2 an einem Ausleger 3 einer Elektrodenlialtevorrichtung befestigt ist. Der Ausleger 3 ist längsverschieblich an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt und 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 Führungssäule 4 befestigt ist. Das untere Lager 9 der Gewindespindel 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 sogenannte 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 Schmelzphase, in der die Vorrichtung dargestellt ist, eine flüssige Schlackeschicht 16, in welche die Abschmelzelektrode 1 in geringem Maße eintaucht. Die Elektrode schmilzt tropfenweise durch die Schlackcschicht 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 Knkillenwand 13. Zwischen Kokillenwand und Kokillenboden befindet sich ein hitzebeständiger Isolierstoffring 20. Die gesamte

Die Schmelzstromzufuhr erfolgt einerseits mittels eines flexiblen Kabels 22 und einer Anschlußklemme 23 zur Zugstange2 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 hi es möglich, wahlweise den Kokillenboden 19 oder die Kokillenwand 13 zum Gegenpol für die Abschmelzelektrode 1 zu machen. Durch den Stromfiuß innerhalb der Schlackeschicht 16 heizt sich die Schlacke in bekannter Weise auf und liefert die erforderliche Schmelzwärme.

Die Regelung des Elektrodenvorschubs in Sinne der Erfindung erfolgt über ein Regelgerät 30, welches mittels der Leitungen 31 bzw. 32 mit der Abschmelzelektrode 1 einerseits und mit der Kokillenwand 13 andererseits verbunden ist. Es kann natürlich aucn 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 Stromfiuß gemessen werden soll, ist der in Fig. 1 dargestellte Anschluß der Leitung 32 der bedeutsamere. Das Regelgerät 30 erfaßt den Spannungsgradienten innerhalb der Schlackeschicht 16 einschließlich der ihm überlagerten impalsförmigen Schwankungen. Durch eine entsprechende, vorzugsweise elektronische Auswertung der Meßwerte wird der Elckirodcnantricbsmotor 11 über die Leitung 33 in der Weise mit Strom beaufschlagt, daß die gewünschte und für die Durchführung des crfindungsgcmäß 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 Spannungsvcrlaufs. wie er beim Arbeiten des Ofens unter erfindungsgemäßen Betriebsbedingungen typisch ist. Es ist ersichtlich, daß der Spannungsmittelwert U_m 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 Spannungsschwanklingen mindestens etwa ±4 Volt, höchstens jedoch etwa ·; 10 bis 15 Volt betragen. Sobald der optimale Betriebr.bereich verlassen wird, ändert sich der Verlauf des Spannungsgradienten über der Zeit t merklich. Bei einem zu tiefen Eintauchen — bei dem sich die Strompfade kurzfristig wieder in senkrechter Richtung; einstellen — glättet sich die Spannungskurvc deutlich, wobei ihr Mittelwert bei erheblich tieferen Werten, beispielsweise sogar unterhalb 20 Volt liegen kann. Die Werte hängen naturgemäß von dem Widerstandsbeiwert auf Grund 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 und der Oberfläche der Schlackeschicht zurückzuführen.

Beispiel 1

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

40 CaF., 3υ CaO

30Al₂O₃.

Im Zentrum der Schlacke befand sich ein 7^;indwiderstand 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 Durchmesser von 1000 mm, die Kokille einen solchen von 1500 mm, d. h., zwischen der Elektrode und der Kokille befand sich ein ringförmiger Raum von 250 mm lichter Weite. Nach dem vollständigen Aufschmelzen der Schlacke hatte die Schlackeschicht eine Höhe von etwa 110 mm. Die Elektrode wurde jetzt zurückgezogen, bis sich ein Spannungsverlauf gemäß F i g. 2 zeigte. Das Regelgerät 30 wurde nunmehr so eingestellt, daß das Erscheinungsbild des zeitlichen Verlaufs der Spannung im wesentlichen gleich blieb. Der mittere Spannungsanfall betrug etwa 39 bis 40 Volt bei einer Stromstärke von 28 bis 30 kA. Die damit erreichte Schmelzleistung lag zwischen 1050 bis 115OkW.

Beispiel 2

In einem Vergleichsversiich wurde die Abschmelzelektrode 1 durch Verstellen des Regelgerätes 30 etwas tiefer in die Schlackeschicht 16 eingetaucht. Sofo^rt änderte sich der radiale Temperaturgradient an der Oberfläche der Schlackeschicht: Der ursprüngliche nahezu gleichmäßig helleuchtende Schlackering verdunkelte sich in etwa 1 bis 2 Minuten deutlich sichtbar zum Rand hin. Die mittlere Spannung U_n, sank bei gleichzeitiger Glättung des Spannungsverlaufs auf etwa 20 Volt ab, während die Stromstärke von etwa 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 3

Um die Umschmelzleistung gemäß Beispiel I mit einer Betriebsweise gemäß Beispiel 2 wieder zu erreichen, mußte die Spannung auf 28 bis 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 Schmelzstroms 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) zur Höhe der Schlackeschicht (16) ein Weit oberhalb 1,2, vorzugsweise oberhalb i,5, gewählt wird und daß die Elektrode (1) nach dem Vorhandensein der flüssigen Schlackeschicht (16) zu Beginn des Umschmelzvorganges so weit zurückgezogen wird, bis der Spannung zwischen der Elektrode und der Kokillenwand impulsförmigc Schwankungen von mehr als ± 4 Volt, vorzugsweise von mehr als ± 8 Volt von der mittleren Betriebsspannung überlagert sind, und daß der Abschmelzvorgang unter Beibehaltung dieser Betriebsbedingungen bis zum Ende durchgeführt vird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch 3« gekennzeichnet, daß die Höhe derSchlackcschicht (16) 3O°,'o, vorzugsweise 15%, »Jes Durchmessers der Kokille (13) nicht übersteigt.

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

5. Vorrichtung zur Durchführung des Vcrfahrens nach Anspruch 4, 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.