Diese Erfindung betrifft einen Lichtbogenofen zum Einschmelzen von Metallen.

Elektroofen zum Einschmelzen von Metallen sind in den Ausführungen als Gleichstromöfen, z.B. aus DE-A-40 25 084, und als Wechselstromöfen, z.B. aus EP-A-0 291 680 oder aus EP-A-0 373 378, bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Ofengefäß, dem sog. Unterofen, und einem Ofendeckel, der zum Chargieren des Ofens abgenommen werden kann und der nach dem Beladen des Ofens wieder auf den Unterofen aufgesetzt wird. Der Ofendeckel ist meistens aus Metall mit einer integrierten Wasserkühlung. In der Mitte des Ofendeckels befindet sich ein Einsatz aus hitzebeständigem, elektrisch isolierenden Material. Durch eine oder mehrere Öffnungen im Einsatz werden die oberen Elektroden in den Ofen eingeführt werden, während die unteren Elektroden in dem Unterofen angeordnet sind, so daß der Stromfluß im Lichtbogen beim Betrieb des Ofens im wesentlichen in vertikaler Richtung erfolgt.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Lichtbogenöfen, besonders bei Doppelöfen, ist es weiterhin bekannt, das einzuschmelzende Material vor dem elektrischen Schmelzvorgang thermisch vorzubehandeln, um so den eigentlichen Schmelzvorgang zu verkürzen. Aus diesem Grund sind in den Lichtbogenöfen Gasbrenner die das Chargiergut vorheizen, waagerecht in den Unterofen integriert.

Weil das Chargiergut nach dem Chargieren des Ofens, locker aufgehäuft ist, können die Elektroden, die aus Graphit bestehen, in der Startphase des Schmelzvorganges nicht sofort ganz in den Ofen eingeführt werden. Sie würden sonst an das einzuschmelzende Material anstoßen, wobei sie beschädigt werden können. Nach dem Start des Schmelzvorganges müssen die Elektroden dann mit fortschreitender Verflüssigung des zu schmelzenden Metalles nachgeführt werden, damit der Lichtbogen nicht abreißt. Aus diesem

Grund wird die Startphase auch noch häufig als Bohrphase bezeichnet. Da sich die Elektrodenspitze, an der das elektrische Feld am höchsten ist, in der Startphase in unmittelbarer Nähe des Ofendeckels befindet, kommt es zu Überschlägen aus der Elektrodenspitze auf den Ofendeckel. Durch wiederholtes Einschlagen des Lichtbogens in den Deckel wird das Kühlsystem im Ofendeckels beschädigt, und es kann zu einem Wassereinbruch in den Ofen kommen. Die Konsequenzen eines solchen Wassereinbruches können in verheerende Schäden am Ofen ausarten, was natürlich zu längeren Ausfallzeiten des Ofens führt. Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde den Lichtbogenofen, vor allem in der Startphase, zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfüllt durch einen Lichtbogenofen zum Einschmelzen von Metallen mit einem Unterofen und einem Ofendeckel der eine Öffnung zum Durchführen von einer Elektrode umfaßt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Brenner in der Öffnung angebracht ist, welcher das unmittelbar unter der Öffnung aufgehäufte Chargiergut, vor dem Einführen der Elektrode in den Ofen, wegschmilzt.

Die Elektrode kann deshalb sofort tiefer in den Ofen eingeführt werden, ohne daß die Gefahr des Anstoßens der Elektrode an das aufgehäufte Chargiergut besteht. Die Spitze der Elektrode befindet sich in der Startphase nicht mehr in der Nähe des Ofendeckels, wodurch das Auftreten von Überschlägen von der Elektrode auf den Ofendeckel und die daraus folgenden Beschädigungen am Kühlsystem des Ofendeckels verhindert werden.

Der installierte Brenner schmilzt nicht nur das unmittelbar unterhalb der Öffnung aufgehäufte Material, sondern er erhitzt zusätzlich das weiter unten liegende Chargiergut stark auf. Nach dem Einführen der Elektrode schmilzt dieses stark vorgeheizte Material sehr schnell weg, und die Elektrode kann dadurch schneller nachgefahren werden und ihre optimale Position nach kürzester Zeit erreichen. Dadurch wird die gesamte Anlaufphase des Ofens weiterhin verkürzt.

Durch das schnelle Wegschmelzen des Chargiergutes unterhalb der Öffnung ergibt sich eine weitere vorteilhafte Auswirkung der Erfindung. Nach dem Chargieren des Ofens ist das Chargiergut locker aufgehäuft, wobei sich zahlreiche Zwischenräume bilden. Diese Zwischenräume bewirken in der Anlaufphase des Ofens jedoch, daß der Lichtbogen nicht ruhig brennt, sondern zwischen den Chargiergutstücken hin- und herspringt und häufig abreißt. Durch das Wegbrennen des Chargiergutes unmittelbar unterhalb der Öffnung zum Durchführen der Elektrode, durch das starke Erhitzen des Materials weiter unterhalb im Ofen, und durch das damit verbundene schnelle Wegschmelzen dieses Materials, verringert sich die Zahl der Abrisse erheblich. Hierdurch reduziert sich die Zahl der notwendigen Neuzündungen ebenfalls beträchtlich. Dies hat zur Folge, daß der Verschleiß der Elektroden zurückgeht, und diese weniger häufiger ausgewechselt werden müssen. Da sich somit die Zahl der Schmelzchargen pro Elektrode erhöht, werden die Betriebskosten pro Charge gesenkt.

Darüber hinaus sorgt das ruhigere Brennen des Lichtbogens in der Startphase dafür, daß die Spannungsschwankungen an der Elektrodenspitze verringert werden. Damit sinkt auch die Gefahr, daß diese Schwankungen auf das Versorgungsnetz übertragen werden und andere an das Netz angeschlossene Geräten beschädigt werden.

Weiterhin verringert sich die durch das wiederholte Zünden des Lichtbogens verursachte Lärmbelastung in der Nähe des Ofens wesentlich.

In einer bevorzugten Ausführung ist die mindestens eine Öffnung zur Durchführung der Elektroden durch den Ofendeckel mit einer abnehmbaren Verschlußkappe versehen, in welche der Brenner integriert ist.

Die heißen Abgase des Brenners können, wegen der Verschlußkappen, nicht mehr durch die Öffnungen im Ofendeckel entweichen. Sie können deshalb durch das Chargiergut zu einem weiter entfernten Auslaß, zum Beispiel zu einem Chargiergutvowärmer, geführt werden, so daß die von ihnen mitgeführte Wärme zum Erwärmen des umliegenden Chargiergutes genutzt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Brenner so in der Verschlußkappe angeordnet, daß er bei verschlossener Öffnung auf der Achse der Öffnung liegt. Dadurch wird, unterhalb der Öffnungen, ein senkrechter Kanal in das aufgehäufte Chargiergut eingeschmolzen, in den die Elektroden später eingeführt werden können, ohne daß sie beschädigt werden.

Die Verschlußkappen mit den darin integrierten Brennern sind vorzugsweise an Tragarmen befestigt, wobei die Tragarme drehbar an auf dem Ofendeckel befestigten Halterungen montiert sind. Über Hebelmechanismen mittels Stellglieder, zum Beispiel Hydraulikzylindern, können die Verschlußklappen zwischen einer im wesentlichen waagerechten Position, in der die Verschlußkappen die Öffnungen verschließen, und einer im wesentlichen senkrechten Position, in der die Verschlußkappen die Öffnungen freigeben, herumgeklappt werden.

Diese Anordnung erlaubt es, die Verschlußklappen nach dem Vorschmelzen einfach hochzuklappen und anschließend die Elektroden in die Öffnungen einzuführen. Weiterhin ist hierdurch gewährleistet, daß die Verschlußklappen beim Herunterklappen jedesmal die gleiche Position einnehmen und daß dadurch in der waagerechten Position des Tragarmes die Brenner gleich¬ bleibend auf den Achsen der Öffnungen liegen. Dies hat zur Folge, daß der in das Chargiergut geschmolzene Kanal mit dieser Achse koaxial verläuft, und das Einführen der Elektroden erleichtert wird.

In einer bevorzugten Ausführung sind bei Lichtbogenöfen mit mehreren oberen Elektroden, die folglich mehrere Öffnungen in dem Ofendeckel aufweisen, zwei oder mehr Verschlußklappen mit den darin integrierten Brennern an einem sich an dem vorderen Ende verzweigenden Tragarm montiert.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung beim Einsatz in einer Einschmelz¬ apparatur mit zwei Öfen. Diese Einschmelzapparaturen umfassen häufig nur einen Elektrodensatz, der abwechselnd jeweils in einem der beiden Öfen zum Einsatz kommt. Während in dem einen der Öfen der Schmelzprozess stattfindet, wird der andere Ofen mit Chargiergut beladen. Anschließend wird

das Chargiergut in diesem Ofen vorgeheizt und die erfindungsgemäßen Brenner schmelzen das unmittelbar unterhalb der Öffnungen gelegene Chargiergut weg. Nach Beendigung des Schmelzvorganges in dem ersten Ofen werden die Elektroden in den zweiten Ofen eingeführt, wo der Schmelzprozess sofort beginnen kann. Durch das erfindungsgemäße Verkürzen der Startphase und somit des gesamten Schmelzvorganges erreicht man eine bessere Auslastung der gesamten Apparatur, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden.

Diese Erfindung betrifft ebenfalls eine Methode zur Optimierung eines Lichtbogenofens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß vor dem Einführen einer oder mehrerer Elektroden in den Ofen das aufgehäufte Chargiergut unmittelbar unter der/den Öffnungen zur Durchführung der Elektroden mittels eines in den Öffnungen angebrachten Brenners weggeschmolzen wird.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Methode zur Optimierung einer Einschmelzapparatur mit zwei Schmelzöfen anwenden, wobei während des Schmelzvorganges in dem ersten Ofen, der zweite Ofen chargiert und anschließend vorgeheizt wird, und das aufgehäufte Chargiergut unmittelbar unter der mindestens einen Öffnung mittels eines in der mindestens einen Öffnung angebrachten Brenners weggeschmolzen wird. Nach dem Abschluß des Schmelzvorganges in dem ersten Ofen werden die Elektrode/Elektroden dann in den zweiten Ofen eingeführt, wo der Schmelzprozess sofort beginnen kann.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 näher beschrieben. Dabei zeigen: FIG.1 : Einen Querschnitt durch eine Schmelzapparatur mit zwei neben¬ einander angeordneten Schmelzöfen; FIG.2: Eine Draufsicht von oben auf die Schmelzapparatur der FIG.1 ; FIG.3: Eine Seitenansicht des Tragarms der Verschlußkappen mit einge¬ bautem Brenner; FIG.4: Eine Draufsicht auf den Tragarm der FIG.3.

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FIG.1 zeigt einen Durchschnitt durch eine Schmelzapparatur mit zwei nebeneinander angeordneten Schmelzöfen 2 und 4 mit den jeweiligen Unteröfen 6, 8 und einer versetzt dazwischen angeordneten schwenkbaren Vorrichtung 10 (siehe auch FIG.2) zum Tragen von drei Elektroden 12. Diese Anordnung hat sich in der Praxis bewährt, da während des Schmelzvorganges in dem einen der Öfen der zweite chargiert und vorgeheizt werden kann.

Nach Beendigung der Schmelze werden dann die Elektroden 12 aus dem ersten Ofen herausgefahren, herumgeschwenkt und in den zweiten Ofen eingeführt, wo nun der Schmelzvorgang beginnen kann, während der erste Ofen zunächst abgestochen und anschließend neu beladen wird. Oben auf den Öfen 2,4 erkennt man je einen Ofendeckel 14 und einen Einsatz 16 aus hitzebeständigem isolierenden Material, sowie jeweils außen, einen Chargiergutvorwärmer 18, der an dem Ofendeckel fest montiert ist. Der Chargiergutvorwärmer 18 oder Schacht ist gestrichelt dargestellt da es auch Doppellofen ohne diesen Schacht gibt. Seitlich an jedem Ofen befindet sich eine Vorrichtung 20 zum Anheben und Herumschwenken des Ofendeckels; sie dient zum Abheben des Deckels während der Ofen beladen wird.

In dem Ofen 2 in FIG.1 und FIG.2 findet der Schmelzvorgang statt. Man erkennt die Elektroden 12, die durch die Öffnungen 22 in den Ofen 2 eingeführt sind (der Übersicht halber sind zwei der drei Elektroden in FIG.1 nur angedeutet). Die Vorrichtung 10 zum Tragen der Elektroden ist zu diesem Zweck nach links geschwenkt und hat die Elektroden 12 senkrecht in den Ofen 2 eingeführt.

Der zweite Ofen 4 in FIG.1 und FIG.2 ist neu geladen worden und befindet sich jetzt in der Vorwärmphase, während der die im Unterofen angeordneten Gasbrenner (nicht dargestellt) das Chargiergut thermisch vorbehandeln. Die Öffnungen 22 sind dabei durch Verschlußkappen 24 verschlossen, damit die heißen Abgase durch den Chargiergutvorwärmer 18 aus dem Ofen entweichen und in diesem das aufgehäufte Material erhitzen. In der Mitte der Verschlußkappen 24 erkennt man einen Gasbrenner 26, der so ausgerichtet

ist, daß er im Betrieb das unter Öffnungen 22 ein senkrechter Kanal in das aufgehäufte Chargiergut eingeschmolzen, in den die Elektroden 12 später eingeführt werden können.

Die Vorrichtung zum Hochklappen der Verschlußkappen ist in FIG.3 und FIG.4 dargestellt. Sie besteht aus einem an einem hinteren Ende drehbar gelagerten Tragarm 28, der über einen Hebelmechanismus 30 mittels eines Stellzylinders 32 von einer waagerechten Position in eine senkrechte Position hochgeklappt werden kann. In der waagerechten Position sind die Öffnungen 22 durch die Verschlußkappen 24 verschlossen und die Brenner 26 befinden sich in ihrer Einsatzposition, in der senkrechten Position sind die Öffnungen 22 offen und können so die Elektroden 12 aufnehmen. Der Hebelmechanismus 30 und der Stellzylinders 32 sind an einer Halterung 34 befestigt, die ihrerseits mit dem Deckel fest verbunden ist.

Der Tragarm 28 verzweigt sich an seinem vorderen Ende in drei Arme 36, an denen jeweils eine Verschlußkappe 24 befestigt ist. Der Brenner 26 ist so in die Verschlußkappe 24 integriert, daß er sich im Zentrum der Öffnung 22 befindet, wenn der Tragarm 28 in die waagerechte Position geschwenkt wurde.

Die Erfindung offenbart ihre vorteilhaftesten Auswirkungen bei einer Schmelzapparatur mit zwei Schmelzöfen 2, 4 und einem Elektrodensatz 12, wie sie oben beschrieben ist. Während die Elektroden 12 in dem ersten Ofen 2 im Einsatz sind, sind die Öffnungen 22 zum Durchführen der Elektroden in dem zweiten Ofen 4 frei. Diese werden mit den Verschlußkappen 24 verschlossen, und die daran angebrachten Brenner 26 beginnen das Chargiergut unmittelbar unter den Öffnungen 22 wegzuschmelzen. Dies geschieht während die Schmelzphase in dem ersten Ofen 2 noch läuft. Nachdem diese abgeschlossen ist, wird der Tragarm 28 mit den Verschlußkappen 24 hochgeklappt und die Elektroden 12 können unverzüglich in den zweiten Ofen 4 eingeführt werden. Es kommt also durch die Anwendung der Erfindung zu keiner Verzögerung in dem Produktionsablauf, sondern dieser wird durch die verkürzte Startphase in den beiden Öfen deutlich beschleunigt.

Die erfindungsgemäße Optimierung ist aber weder auf eine Einschmelz¬ apparatur mit zwei Öfen beschränkt, noch auf Öfen mit drei Elektroden. Genausowenig besteht eine Beschränkung hinsichtlich der Ausführungsart des Ofens, d.h. ob der Ofen/die Öfen mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom betrieben wird/werden.