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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Vor-und Fertigfrischen von Roheisen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, das Roheisen nicht satzweise, sondern fortlaufend in einem Fliessvorgang in Stahl umzuwandeln, u. zw. unter Benutzung einer offenen Rinne, die am Boden mit Winddüsen versehen ist. Die praktische Durchführung dieses Gedankens aber würde auf grosse Schwierigkeiten stossen. Ausgehend von Kleinversuchen, die mit Modellen durchgeführt worden sind, in denen anstatt flüssigen Roheisens Quecksilber und anstatt flüssiger Schlacke Wasser verwendet wurde, konnte festgestellt werden, dass diejenigen Fachleute, die sich bisher mit dem kontinuierlichen Verblasen beschäftigt haben, sich der Bedeutung der richtigen Ausführung des Verfahrens nicht bewusst gewesen sind.
Beim kontinuierlichen Windfrischen sind folgende Bedingungen innezuhalten :
1. Die Wärmeverluste nach aussen müssen weitgehend vermindert werden. Insbesondere ist die Abstrahlung einzuschränken.
2. Die benutzte Vorrichtung muss so eingerichtet sein, dass man den Arbeitsvorgang leicht unterbrechen und wieder beginnen kann.
3. Dem Metall muss Gelegenheit geboten werden, sich von der Schlacke zu trennen.
4. Der Wind muss durch das Bad hindurchgeblasen werden.
5. Die Auskleidung der Frischvorrichtung muss unter Vermeidung aller verwickelten Formen so einfach als möglich gehalten werden, damit eine genügende Haltbarkeit des Futters erzielt wird.
6. Das Verfahren muss die Herstellung von gebrauchsfertigem Stahl in einem Arbeitsgang ermöglichen.
Diese Voraussetzungen werden gemäss der Erfindung durch die Verwendung eines um die Längsachse drehbaren, mit Winddüsen versehenen röhrenförmigen und allseitig geschlossenen Behälters, wie er zum satzweisen Frischen an sich bereits bekannt ist, erfüllt, wenn die beiden Seitenwände in Richtung der Längsachse mit einem Zu-und Ablauf für das Roheisen bzw. den Stahl versehen sind und der Ablauf für das gefrischte Metall siphonartig ausgebildet ist. Bei dieser Bauart des Behälters ist es möglich, die Schlacke im Gegenstrom zum Roheisen fliessen zu lassen und an einem Überlauf am Eintrittsende des Roheisens dauernd abzuziehen.
Zweckmässig wird der röhrenförmige Behälter in drei Räume unterteilt, von denen nur der mittlere mit Winddüsen ausgestattet ist, während die beiden sich seitlich anschliessenden Zonen als Scheideräume für Metall und Schlacke dienen. Um während des Frischvorganges in beim satzweisen Arbeiten bekannter Weise feste Frischmittel, Flussmittel und andere Zuschläge in den Behälter einführen zu können, sind zweckmässig in der Trommeldecke Öffnungen vorgesehen, die gleichzeitig als Ausgänge für die entweichenden Gase dienen.
Das Vorfrischen in dieser Weise eignet sich neben der Herstellung von Stahl dazu, den Gehalt des Roheisens an Silizium zu verringern, der für das Fertigfrisehen nach dem Thomasverfahren unerwünscht sein kann. Es ermöglicht aber auch die Gewinnung von Mangan und Vanadium, die beim normalen Thomasverfahren in die Thomasschlacke übergehen und darin verlorengehen. Die sich beim kontinuierlichen Vorfrischen bildende kieselsäure-, mangan-und vanadinhaltige Vorfrischschlacke wird während des Frischen dauernd vom Bade abgezogen, wobei feste Frischmittel oder
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schlackenbildende oder verflüssigende Stoffe zugesetzt werden können.
Die Durchführung des Verfahrens geschieht zweckmässig in der Weise, dass das Abziehen der Schlacke auf der einen Seite, der etwaige Zusatz von festen Frischmitteln und Zuschlägen auf der Austrittsseite des vorgefrischten Roheisens erfolgt. Roheisen und Vorfrischschlacke können auch dadurch getrennt werden, dass beide in einen Scheidebehälter fliessen, aus dem die Schlacke flüssig abläuft.
Um Schlacken verschiedener Konzentration zu erhalten, ist es auch möglich, mehrere hintereinandergeschaltete Vorfrischapparate vorzusehen, durch die das Roheisen nacheinander hindurchfliesst. Auf diese Weise kann man einerseits eine verhältnismässig manganreiche und vanadiumarme und anderseits eine verhältnismässig manganarme und vanadiumreiche Schlacke gewinnen. Wenn man fertigen Stahl herstellen will, kann man das Roheisen in dem Zustand, wie es aus dem Ofen abfliesst, oder nach der Entschwefelung mit Alkalien oder alkalihaltigen Massen, z. B. Soda, in einem Arbeitsgang und in einem Frischgefäss fertigfrischen.
Man kann das Roheisen aber auch zuerst in der vorher beschriebenen Weise vorfrischen und es dann in einem dahintergeschalteten Frischgefäss fertigfrischen, wobei man die Nachentschwefelung mit Alkalien u. dgl. entweder unmittelbar am Hochofen oder nach dem Vorfrisehen vornehmen kann.
Die Arbeitsweise ist beispielsweise folgende : Das Roheisen wird einem Sammelbehälter, z. B. dem Roheisenmischer oder dem Schmelzofen, z. B. dem Hochofen, entnommen und gegebenenfalls unter Verwendung einer Zwischenpfanne entweder direkt nach der Entschwefelung mit entschwefelnden Mitteln, z. B. vorher geschmolzener Soda, dem Vorfrischverfahren unterworfen. Wenn der Schmelzofen mit einem Abstichloch versehen ist, kleidet man dieses zweckmässig mit einem hochfeuerfesten Stoff, z. B. einem Rohr aus Sinterkorund, aus, damit die Menge des ausfliessenden Roheisens gleichmässig bleibt und sich das Stichloch nicht während der Arbeit erweitert. Der Ofen kann aber auch mit einem siphonartigen Durchlauf für das Roheisen versehen sein, aus dem das Roheisen dauernd schlackenfrei ausfliesst.
Bei der Nachentsehwefelung lässt man zweckmässig das flüssige Roheisen gleichzeitig mit dem Entschwefelungsmittel in eine Pfanne laufen und sorgt auf diese Weise für eine innige Durchmischung von Roheisen und Schlacke. Man kann Roheisen und Schlacke aber auch mit mechanischen Rührmitteln oder mittels hindurchgeblasenem Winde oder Gas zusammenrühren oder aber das Roheisen durch hohe Schlackenschichten hindurchgiessen.
Beim Vorfrischen setzt man zweckmässig feste Frischmittel wie Walzenschlacke u. dgl. oder Schrott zu, damit die Temperatur nicht zu hoch steigt und eine Schlacke anfällt, aus der man das Vanadium gut gewinnen kann. Da ein Teil der zugesetzten Oxyde durch das Silizium des Roheisens zu metallischem Eisen reduziert wird, erreicht man durch den Zusatz gleichzeitig ein hohes Ausbringen an Eisen. Die gebildete Vorfrischschlacke ist oft so dickflüssig, dass sie aus dem Frischgefäss abgezogen werden muss. Diese mühevolle Arbeit wird zweckmässig durch Anwendung mechanischer Vorrichtungen erleichtert. Man kann z. B. Kratzer verwenden, die von Hand geführt, aber durch mechanische Getriebe hin und her bewegt werden. Die in das Frischgefäss hineinragenden Teile des Kratzers werden zweckmässig mit Wasserkühlung versehen.
Die Auskleidung des Vorfrischgefässes ist im allgemeinen sauer oder neutral, doch haben auch Lochböden, die aus Teerdolomit oder Teermagnesit gestampft oder auf andere Weise verdichtet waren, beim Vorfrischen gute Haltbarkeit gezeigt.
An das Vorfrischen schliesst sich das Fertigfrischen an, das immer auf basischem Futter ausgeführt wird. Hiebei wird der Zuschlagkalk zweckmässig in an sich bekannter Weise auf der Seite des Stahlabflusses aufgegeben, so dass das Metall zuerst mit der bereits an Phosphorsäure angereicherten Schlacke und zuletzt mit dem reinen Kalk in Berührung kommt. Der Kalk wird in kaltem oder erwärmtem Zustand zugesetzt, u. zw. gewöhnlich in Form von Feinkalk. Auch kann man dem Kalk Stoffe zusetzen, die den Schmelzpunkt desselben erniedrigen oder als Frisehmittel dienen. Man kann auch eine kalkreiche Schlacke zur Bindung des Phosphors benutzen. Vor oder beim Ausfliessen der Phosphatschlacke können dieser verflüssigende und die Löslichkeit der Phosphorsäure erhöhende Stoffe zugesetzt werden, z.
B. erwärmter Sand und feste oder flüssige Hochofen-oder Kupolofenschlacke mit hohem Kieselsäuregehalt. Ferner werden während des Frischen, wenn nötig, feste Frischmittel, Alkalien und andere die Entphosphorung erleichternde Mittel, Kühlschrott u. dgl. zugesetzt. Auch kann man das Bad nacheinander mit verschiedenen gasförmigen Frischmitteln, z. B. zuerst mit Wind, der an Sauerstoff angereichert ist, oder mit erhitztem Wind und dann mit kaltem Wind normaler Zusammensetzung behandeln.
Bei der kontinuierlichen Herstellung von Stahl empfiehlt es sich, darauf zu achten, dass das Roheisen in den einzelnen Stufen des Arbeitsganges eine ganz bestimmte Zusammensetzung hat, was in der Weise erzielt werden kann, dass die Menge der jeweils zufliessenden gasförmigen, festen oder flüssigen Frisch-und Desoxydationsmittel oder der Zuschläge, die Temperatur und die Beschaffenheit des Roheisens und der Schlacke sowie die durchfliessende Roheisenmenge unter Zuhilfenahme von Messapparaten und Regeleinrichtungen'beeinflusst werden.
Unmittelbar nach dem Fertigfrischen wird der Stahl desoxydiert. Die Desoxydation erfolgt zweckmässig in einem Raum, der an die Fertigfrischvorrichtung angeschlossen ist und ein grösseres Fassungsvermögen besitzt, da die Desoxydation eine gewisse Zeit erfordert. Die Desoxydation erfolgt vorteilhafterweise unter Luftabschluss oder unter Schutzgas. Hiezu kann der Desoxydationsraum
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an beiden Enden mit Durchläufen für den flüssigen Stahl versehen werden. Die bei der Desoxydation gebildete Schlacke wird von Zeit zu Zeit durch ein Abstichloch entfernt. Die festen oder flüssigen
Desoxydationsmittel lassen sich mittels einer geeigneten Vorrichtung, z. B. eines Drehschiebers bzw. eines Durchlaufes, einschleusen.
Wenn man mit Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen desoxydieren oder vordesoxydieren will, kann man einen kippbaren Behälter benutzen, der mit Gasdüsen am Boden versehen ist.
Das Vergiessen erfolgt zweckmässig in kleinen Kokillen, die auf einem Drehtisch oder endlosen
Band angeordnet sein können. Es empfiehlt sich, auch das Vergiessen des Stahles unter Schutzgas vorzunehmen. Man kann den Stahl auch in einer gekühlten röhrenförmigen Kokille zu einem endlosen
Block vergiessen, indem man das erstarrte Material unten aus der Kokille abzieht.
Die Menge der jeweils zufliessenden gasförmigen und festen Frisch-und Desoxydations- mittel und Zuschläge kann mit Hilfe von Messapparaten beobachtet und die Temperatur des
Metallbades und der Schlacken mit. Hilfe elektrischer Temperaturmesser überwacht und festgehalten werden. An der Einlaufstelle des Roheisens wird zweckmässig ein Überlauf angebracht, der die Messung der durchfliessenden Roheisenmenge gestattet. Die Stauhöhe kann durch Schwimmer oder auf optischem
Wege gemessen werden. Zur Messung der Roheisenmenge kann man auch Wägegefässe benutzen, indem man z. B. zwei Behälter aufstellt, die abwechselnd gefüllt und entleert werden. Auch kann man die Kokille auf einer Waage füllen und so die ausfliessende Stahlmenge kontrollieren.
Es empfiehlt sich, den Zufluss der Frisch-und Desoxydationsmittel durch eingebaute Regel-und Dosierapparate auf automatischem Wege zu regeln. Zweckmässig hält man auch den Roheisenzufluss mit Hilfe mechanischer Regler auf gleicher Höhe. Hiezu kann man an der Roheisenwaage eine Vorrichtung anbringen, durch welche die Gefässe in bestimmten Zeitabständen in den Behälter entleert werden.
Es ist dann nur noch nötig, die Wägegefässe zu füllen, aber auch diese Arbeit kann selbsttätig ein- gerichtet werden. Die Zahl der zweckmässig einzubauenden und anzuwendenden Mess-und Regel- vorrichtungen ist damit aber nicht erschöpft. Beispielsweise sind laufende Probenahmen von den
Zwischen-und Fertigerzeugnissen erforderlich. Auch empfiehlt es sich, die Zähflüssigkeit des Metalls und der Schlacken während der einzelnen Arbeitsvorgänge zu messen.
Von grosser Bedeutung ist auch die automatische Regelung der Temperaturen. Man kann z. B. den Zufluss der Walzenschlacke oder der sonst verwendeten Zuschläge u. dgl. von der Badtemperatur aus beeinflussen und steuern.
An Hand der Zeichnung sei eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens beschrieben, wie sie sich im praktischen Betrieb bewährt hat. Es zeigt Fig. 1 die Trommel im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt nach a-a der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt nach b-b der Fig. 1, Fig. 4 einen Querschnitt nach c-c der Fig. 1.
Die Blechtrommel A ist auf den Laufringen B1, B2 waagrecht gelagert und ist um mindestens 90 um ihre Längsachse drehbar. Sie ist mit geeignetem feuerfestem Material C ausgekleidet. Im Mittelteile der Trommel befindet sich die in der Längsachse verlaufende längliche trogförmige Mulde D, deren Boden durch die Winddüsen E durchbrochen ist. Unterhalb der Düsenreihe ist der Windkasten F angeordnet. In diesen mündet die in der Stopfbüchse X drehbar gelagerte und an der Trommel befestigte Windleitung G ein. Statt durch eine Stopfbüchse kann man die Verbindung zwischen der festen Windleitung und dem Windkasten der Drehtrommel auch durch biegsame Rohre, Schläuche,
Gelenkrohre, Trompetenrohre u. dgl. herstellen. Die Einfüllöffnung für das flüssige Roheisen oder vorgefrischte Eisen befindet sich bei H.
Mit J (Fig. 2) ist der Überlauf für die Schlacke, mit K das Siphon, durch das das vorgefrischte Eisen oder der fertige Stahl abfliesst, und mit L die während des Betriebes verschlossen bleibende Entleerungsöffnung bezeichnet. Die Öffnung M1 in dem oberen Teil des Trommelmantels dient zur Einführung der Zuschläge und Zusätze, während die Abgase auch durch eine zweite Öffnung M2 entweichen können. In der Zeichnung ist in der Mitte der Düsenzone P ein Querdamm 01 und an deren Ende ein solcher (0,) vorgesehen, der den unmittelbaren Übertritt des Metalls von einem Ende der Trommel zum andern verhindern soll. Auf der andern Seite schliesst sich an den Raum P der seitliche Trommelteil Q an.
Die Vorrichtung wird wie folgt in Betrieb genommen :
Nachdem die Trommel A durch Gas-oder Ölbrenner angewärmt worden ist, die durch die Öffnungen H oder M1 eingeführt werden, wird die Trommel so gedreht, dass sich der Trog D mit der Düsenreihe B in der Höhe der waagrechten Trommellängsachse befindet. Hierauf werden durch M1 die Zuschlagstoffe und durch eine Rinne bei H das Roheisen der Trommel zugeführt. Sobald eine genügende Menge Roheisen eingebracht ist, beginnt man mit dem Blasen und dreht die Trommel in ihre ursprüngliche Lage zurück. Ununterbrochen lässt man nun Metall und Zuschläge in die Trommel fliessen. Nach einiger Zeit beginnt dann der Stahl oder das vorgefrischte Metall aus dem Siphon K abzufliessen, während bei J die Frischschlacke erscheint.
Windmenge, Metallzufluss, Zuschläge usw. werden nun so geregelt, dass das Metall dauernd bei K und die Schlacke bei J mit der gewünschten Zusammensetzung abfliesst.
Wenn man das Metall nacheinander mit verschiedenen gasförmigen Frischmitteln, z. B. zuerst mit Sauerstoff und dann mit Wind behandeln will, verwendet man einen geteilten Windkasten, indem man den Kasten F durch eine Scheidewand in zwei Kammern zerlegt. Das Arbeiten mit verschiedenen
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Arten von Wind ist beim satzweisen Verblasen bereits früher angewendet worden. Während hiebei aber dieses Verfahren umständliche Massnahmen erforderte, eignet es sich für das kontinuierliche Frischen sehr gut, da ein Umschalten von der einen auf die andere Windart unnötig ist und die Anlage zur Herstellung und Lieferung von Sauerstoff oder angereichertem Wind gleichmässig belastet wird. Die Öffnung N dient dazu, am Ende des Frischvorganges Stoffe zuzusetzen, die als Flussmittel oder zur Behandlung der Schlacke, z.
B. zur Erhöhung der Löslichkeit der Phosphorsäure dienen. Die aus der Öffnung M1 entweichenden Abgase können zum Vorwärmen der Zuschläge und Zusätze oder zum Brennen des Kalkes benutzt werden. Wenn der Frischvorgang aber so viel Wärme entwickelt, dass am Schluss Wärme abzuführen ist, werden die Zuschläge durch M1 kalt eingeführt und die Abhitze wird zur Erzeugung von Dampf, zur Vorwärmung des Windes und zu andern Zwecken ausgenutzt. Je nach den Temperaturverhältnissen wird man die Abgase in erster Linie aus M1 oder M2 entweichen lassen. In letzterem Falle wird das Bad durch die darüberstreichenden Flammen vorgewärmt.
Wenn man nach Beendigung eines Arbeitsganges die Trommel entleeren will, öffnet man die Hilfsöffnung L, dreht die Trommel unter fortwährendem Blasen um 900 und lässt den Inhalt in einen geeigneten Behälter oder in ein Masselbett ab. Dabei entleert sich auch das Siphon H, so dass sich in diesem das Metall nicht festsetzen kann.
Falls das Erzeugnis des Frischvorganges nachbehandelt, z. B. desoxydiert werden soll, kann an den Raum R ein weiterer Raum angegliedert werden, der zu dieser Nachbehandlung dient. Der fertiggefrischte Stahl fliesst dann durch die Öffnung S in der Trennwand T (Fig. 1 und 4) in den Desoxydationsraum. Die Desoxydationsmittel werden durch die Öffnung V zugesetzt. Um den Herd warmzuhalten, kann die Öffnung V dazu benutzt werden, um die Abgase oder einen Teil derselben durch den Raum R zu ziehen. Man verschliesst dann die andern Abgasöffnungen in entsprechendem Masse. Die Desoxydationsschlacke wird bei W abgezogen, während der desoxydierte Stahl durch das Siphon K abfliesst.
Die Vorteile des kontinuierlichen Windfrischens gegenüber dem satzweisen Arbeiten bestehen in wesentlich niedrigeren Anlagekosten bzw. höherer Leistung der Anlage bei gleichen Baukosten und gleichem Platzbedarf. Ferner erzielt man ein höheres Ausbringen an Stahl, eine Thomasschlacke mit sehr hohem Gehalt an löslicher Phosphorsäure oder Vorfrischschlacken mit hohem Gehalt an Mangan und Vanadium und einen Stahl, der weniger Phosphor enthält als der übliche Thomasstahl.
Endlich ermöglicht das Verfahren die Verwertung der Abwärme beim Frisehvorgang, sei es zur Vorwärmung der Zuschläge, sei es zur Dampferzeugung oder zu andern Zwecken, die bisher bei Thomasstahlwerken nicht gelungen ist, und damit auch die restlose Gewinnung des beim Verblasen entstehenden Staubes, der wegen seines Gehaltes an Mangan, Phosphor und Vanadium einen hohen Wert besitzt und bisher die Nachbarschaft der Stahlwerke belästigt hat. Roheisensorten, die wegen ihres hohen Siliziumoder niedrigen Phosphorgehaltes auf irgendeine bekannte Weise kaum zu verarbeiten sind, lassen sich nach dem beschriebenen Verfahren gut verarbeiten. Der Verbrauch an Ferromangan und Spiegeleisen bei der Desoxydation lässt sich umgehen oder wesentlich einschränken.
Infolge der gleichmässigen Belastung der Blockgiesserei beim ununterbrochenen Vergiessen kann man auch auf grossen Stahlwerken kleine Blöcke herstellen. Dadurch wird die Anlage des Blockwalzwerkes bedeutend vereinfacht und es wird an Kraftstrom gespart. Man kann die kleinen Blöcke aber auch unmittelbar in einer kontinuierlichen Knüppelstrasse auswalzen und anschliessend ohne Zwischenerwärmung Fertigerzeugnisse herstellen. Durch die Anwendung kleiner'Blöcke erhöht man die Güte des Stahles und verringert den Endenabfall. Endlich kann man den Stahl bequem unter Luftabschluss vergiessen und dadurch den Gasgehalt vermindern.
Es ist im Grossbetrieb gelungen, in einer Vorrichtung der beschriebenen Art mit einer Gesamtlänge von 61/2 m fortlaufend 20-30 t Roheisen pro Stunde mit 0'4-0'7% V so zu frischen, dass das ausfliessende Roheisen nur noch 0'02-0'05% V enthielt und dass eine Frischschlacke mit 9-10% V entfiel. Gleichzeitig an der Einlauföffnung, in der Mitte und am Auslauf entnommene Metallproben ergaben
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Die Analysen beweisen, dass der Frischvorgang tatsächlich stufenweise erfolgt.
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