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Ofen zum Erzeugen von Stahl und Verfahren zu seinem Betrieb Öfen zum Erzeugen von Stahl unter Durchführung metallurgischer Schlackenarbeit sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Im Lichtbogenofen ist nur in sehr beschränktem Umfang Frischarbeit zu leisten ; daher kann dessen jungfräulicher Einsatz nur geringe Anteile an Roheisen enthalten. StörendeBegleitelemente des Schrotteinsatzes wirken sich mithin nachteiliger aus als im Siemens-Martin-Ofen mit höherem Roheisen-Einsatz. Im Lichtbogenofen erschmolzene Elektrostähle weisen einen hohen Reinheitsgrad bezüglich nichtmetallischer Einschlüsse auf, jedoch ist als Folge der Gasionisation. in der Ofenatmosphäre ihr Gehalt an gelösten Gasen, insbesondere Stickstoff und Wasserstoff, so hoch, dass darin ein Qualitätsmangel erblickt wird.
Die Reaktionskinetik der im Ofen stattfindenden Schlacke-Bad-Reaktion ist bekanntlich wesentlich mitbestimmt durch die Strömungsvorgänge im Bad. Da beim Lichtbogenofen die Frischreaktion als Badströmungserzeuger weitgehend fehlt, ist man vielfach dazu übergegangen, Lichtbogenöfen, insbesondere solche mit grosser Badtiefe und hohem Ofendurchmesser mit Rührspulen auszustatten, die ohne Heizwirkung zu entfalten auf induktivem Weg die erwünschten Badströmungen herbeiführen.
Um auch hohe Roheisenanteile des jungfräulichen Einsatzes verarbeiten zu können, werden Elektrostähle vielfach im Duplex-Verfahren hergestellt. Dabei wird der jungfräuliche Einsatz zunächst in einem Herdofen oder Konverter vorgefrischt. Dem schliesst sich eine Behandlung der Schmelze in einem Lichtbogenofen an, in dem der Stahl fertiggemacht wird. Abgesehen von dem hohen anlagemässigen Aufwand, dem Temperaturverlust und der Sauerstoffaufnahme beim Überführen vom Vorschmelzofen in den Lichtbogenofen weisen naturgemäss auch im Duplex-Verfahren hergestellte Elektrostähle diegenannten hohen Gehalte an gelösten Gasen auf.
Man hat deshalb auch schon Öfen zum Erzeugen von Stahl unter Durchführung metallurgischer Schlackenarbeit vorgeschlagen, bei denen ein Siemens-Martin-Ofen und ein Lichtbogenofen zu einer baulichen Einheit vereinigt sind. Konstruktiv ist ein derartiger kombinierter Ofen wie ein Siemens-Martin-Ofen aufgebaut, wobei im Gewölbe des Ofens Lichtbogenelektroden angeordnet sind. Dabei wird der Stahl zum Schmelzen und Frischen mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beheizt, während das anschliessende Fertigmachen der Schmelze im gleichen Ofen unter Lichtbogenbeheizung bei Luft- und Gasabschluss erfolgt.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein solcher kombinierter Ofen zwei unterschiedliche Beheizungseinrichtungen aufweist, die jedoch nicht gleichzeitig, sondern nur aufeinanderfolgend eingeschaltet sein können. Die bekannten kombinierten Öfen weisen einen flachen Herd auf, der für die Ausbildung einer ausreichenden Strömung ungünstig ist, so dass auch bei ihnen die Verwendung von induktiven Rührspulen
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geboten sein kann.
Ferner sind in der metallurgischen Verfahrenstechnik Rinneninduktionsöfen bekannt, die jedoch eine
Schlackenarbeit nicht gestatten und die vornehmlich zum Warmhalten und Überhitzen von Giesserei- eisen in einem Temperaturbereich zwischen 1300 und 15000C dienen.
Die Erfindung betrifft einen Ofen zum Erzeugen von Stahl mit metallurgischer Schlackenarbeit, der mit zwei unterschiedlichen Beheizungseinrichtungen ausgestattet ist und ein Verfahren zu dessen Be- trieb.
Ausgehend von dem erörterten Stand der Technik hat die Erfindung sich die Aufgabe gestellt, ko- stengünstig einen Stahl mit hohem Reinheitsgrad, insbesondere mit niedrigen Schwefel-, Phosphor- und
Gasgehalten zu erzeugen, der mithin die vorteilhaften qualitativen Eigenschaften sowohl eines Siemens-
Martin-Stahles als auch eines Lichtbogenofen-Stahles in sich vereinigt, ohne deren Nachteile aufzuwei- sen.
Das der Erfindung zugrundeliegende primär technische Problem ist insbesondere darin zu sehen, dass in dem System der zwei Phasen : Bad-Schlacke, eine die Reaktionskinetik durch Strömung des erhitzten
Metalls fördernde Temperaturverteilung eingestellt wird und eine vom zeitlichen Ablauf der metallur- gischen Arbeit unabhängige, hinreichend starke Badbewegung auftritt.
Der Ofen nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Bekannten erfindungsgemäss dadurch aus, dass er einen durch eine Heizvorrichtung mit hoher Gastemperatur und hoher Leistungsdichte von oben her beheizten Oberofen aufweist, an den sich ein Unterofen anschliesst, der aus einer oder mehreren durch elektrische Induktion beheizten Rinnen besteht.
Im einzelnen kann der erfindungsgemässe Ofen in verschiedener Weise ausgestaltet sein. Insbeson- dere kann der Oberofen beispielsweise mit einer Lichtbogenheizung oder mit einem Brenner ausgestattet sein, der mit einem Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch zu betreiben ist.
Bei einem Lichtbogenofen wird die hohe Temperatur des einen Teiles der Ofenatmosphäre bildenden Lichtbogenkanals auf physikalischem Weg durch Gasentladung erzielt, bei dem genannten Brenner dagegen auf chemischem Weg durch Verbrennung des Brennstoffes mittels des zugeführten Sauerstoffes. Ausser der hohen Gastemperatur ist den beanspruchten Ausführungsformen auch gemeinsam, dass sie auch eine hohe Leistungsdichte (erzeugte Wärmeenergie je t Ofeneinsatz) aufweisen.
Zum Betreiben des Ofens nach der Erfindung empfiehlt es sich, in der dem Zeitpunkt des Chargerens nachfolgenden Aufheizperiode des festen Einsatzes die erforderliche Wärmeenergie mindestens überwiegend über die Beheizung des Oberofens dem Einsatz zuzuführen.
Anschliessend an die Aufheizung, mithin in dem an die Schmelztemperatur angrenzenden Temperaturbereich ist es dagegen vorteilhafter, die erforderliche Wärmeenergie mindestens überwiegend mittels der Induktionsbeheizung des Unterofens dem Einsatz zuzuleiten. Auf diese Weise wird während der gesamten Schmelzung (einschliesslich der Aufheizperiode) ein hoher Energiewirkungsgrad erzielt, da bei kaltem Einsatz die Beheizung mit hoher Gastemperatur schnell und wirtschaftlicher ist, während die Induktionsbeheizung über den Unterofen bei hohen Temperaturen des Einsatzes bezüglich der Energieausnutzung sich günstiger stellt.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird zweckmässig der Ofen in der Weise betrieben, dass der als Induktionsrinne ausgebildete Unterofen mit flüssigem Einsatz, insbesondere Roheisen, und der Oberofen mit festem Einsatz, insbesondere Schrott, chargiert werden. Der feste Einsatz wird dann überwiegend mittels der Beheizung des Oberofens eingeschmolzen und die Ofencharge anschliessendgefrischt.
Zur Förderung der Frischreaktion empfiehlt die Erfindung weiterhin, die Beheizung des Oberofens während des Frischens fortzusetzen und so eine heisse und reaktionsfähige Schlacke einzustellen. Ist der Ofen mit einem Brennstoff-Sauerstoff-Brenner ausgestattet, dann kann das Frischen durch Einstellen eines Sauerstoff-Überschusses noch gefördert werden. Wenn jedoch die Entstehung von braunem Rauch unterdrückt werden soll, ist der Betrieb des Brenners im Bereich nahe dem stöchiometrischen BrennstoffSauerstoffverhältnis zu empfehlen.
Wird während des Endabschnittes der Feinungsperiode der Einsatz vornehmlich durch die Induktionsbeheizung des Unterofens beheizt, dann kann die Charge sehr genau auf die jeweils gewünschte Soll- Temperatur beim Abstich eingestellt werden. Darüber hinaus wird bei dieser Verfahrensweise die Auflösung in der Ofenatmosphäre enthaltener Gase in dem fertigzumachenden Stahl erheblich vermindert.
Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, den Einsatz während der gesamten Feinungsperiode praktisch ausschliesslich über die Induktionsrinne des Unterofens auf der erforderlichen Temperatur zu halten.
Das gilt insbesondere dann, wenn beispielsweise zwischen dem Frischen und dem Feinen in an sich bekannter Weise eine Vakuumbehandlung des Stahles eingeschaltet wird, um extrem niedrige Gasge-
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halte zu erzielen.
Der mit der Erfindung erzielte technische Fortschritt ist insbesondere darin zu sehen, dass mit einem vergleichsweise zum Stand der Technik geringen apparativen und verfahrensmässigen Aufwand unlegierte und legierte Kohlenstoffstähle mit besonders niedrigen Schwefel-, Phosphor- und Gasgehalten, insbesondere bezüglich Stickstoff und Wasserstoff herzustellen sind.
Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen Ofen nach der Erfindung im vertikalen Schnitt, Fig. 2 den Ofen nach Fig. 1 im Schnitt längs der Ebene 11-11.
Der Ofen nach der Erfindung ist gemäss den Fig. 1 und 2 gebildet von einem metallischen Ofenman- tel-l-mit feuerfester Auskleidung -2-- und einem Deckel--3--. Er bildet eine bauliche Einheit, die gemäss der Trennlinie in Fig. 1 räumlich in einen Oberofen-4-- und einen Unterofen-5-aufgliedert ist. Dabei kann zwecks erleichterter Instandsetzung die Ofenwandung, was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet sein, so dass sich Unter- und Oberofen voneinander trennen lassen.
Durch den Deckel --3-- des Oberofens-4-- ist eine Heizvorrichtung mit hoher Gastemperatur und hoher Leistungsdichte geführt, die im dargestellten Fall aus einem Öl-Sauerstoff-Brenner--6-- besteht. Der Unterofen -5- enthält zwei Rinnen-7, 8-mit einem gemeinsamen Rinnenschenkel --9--. Die Rinnen-7, 8-sind durch elektrischelnduktion beheizt über die Induktionsspule --10--, die den Unterofen --5-- teilweise durchsetzt und dort in eine feuerfeste Umkleidung-11--mit Kühlung eingebettet ist.
Der Ofen nach der Erfindung zum Erzeugen von Stahl unter Durchführung metallurgischer Schlakkenarbeit wird im grundsätzlichen etwa wie folgt betrieben :
Zu Beginn der Charge wird ein Roheiseneinsatz von etwa 25% des Gewichtes des Gesamteinsatzes in den Ofen eingefüllt. Damit sind die Rinnen --7, 8-- des Unterofens --5-- von einem flüssigen Sumpf ausgefüllt. Gleichzeitig wird die induktiveBaderwärmung des Unterofens eingeschaltet, um Temperaturverluste des flüssigen Sumpfes zu vermeiden.
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verschlossen.nerleistung aufgeheizt. Um einen günstigen Energiewirkungsgrad zu erzielen, wird nach dem Aufheizen die Brennerleistung reduziert und die induktive Heizleistung gesteigert. Sperriger Schrott wird stufenweise eingesetzt und aufgeschmolzen. Gleichzeitig werden Kalk und Zuschläge zugesetzt, um die metallurgische Arbeit im Ofen frühzeitig einzuleiten.
Ist der gesamte Einsatz eingeschmolzen, wird eine intensive Frischarbeit unter der inzwischen verflüssigen heissen Schlackendecke geleistet, wobei durch die induktiv erzeugte Badbewegung der Ablauf der Frischreaktion noch gefördert wird.
An das Frischen schliesst sich die Feinung der Schmelze an. Die erste Schlacke wird daher abgezogen und eine Feinungsschlacke aufgegeben. Dabei verursacht die induktive Badbewegung die erstrebte intensive Wechselwirkung zwischen Bad und Feinungsschlacke, die durch den jetzt leistungsschwach eingestellten Brenner --6-- ausreichend heiss und mithin reaktionsfreudig gehalten wird. Die dem Ofen während der Feinung insgesamt zugeführte Heizenergie wird überwiegend der Unterofen-Induktionshei- zung entnommen.
Die nunmehr bezüglich Analyse und Temperatur auf die gewählten Sollwerte eingestellte Charge wird durch Kippen des Ofens in bereitgestellte Giesspfannen od. dgl. entleert.
Im einzelnen wird für die Herstellung eines Stahles der Qualität SAE 4130 in einem 30 t-Ofen nach der Erfindung beispielsweise wie folgt vorgegangen :
7, 5 t flüssiges Stahlroheisen werden in den Ofen mit 12800C eingefüllt und die 2000 KW-Rinnenheizung mit 35% ihrer Nominalleistung eingeschaltet.
Unmittelbar nach dem Einfüllen des Roheisens, was etwa 5 min beansprucht, werden in Abständen von 15,25 und 35 min drei Körbe Schrott a 8 t von oben in den Ofen eingesetzt. Nach dem Chargieren des ersten Korbes wird der Öl-Sauerstoff-Brenner im Deckel des Ofens gezündet und mit einem Luftfaktor X von 1, 05 betrieben (der Luftfaktor x ist das Verhältnis von zugeführter Sauerstoffmenge zu der Sauerstoffmengefür vollständige Verbrennung). Diemax. Heizleistung des Brenners beträgt12 Mill. Kcal/h.
Gleichzeitig wird die Leistung der Induktionsrinne von zunächst 35% innerhalb von 85 min auf 85-95% ihrer Nominalleistung gesteigert.
Es hat sich im Gegensatz zum Elektro-Lichtbogenofen als vorteilhaft erwiesen, die schlackenbildenden Zuschläge, im vorliegenden Beispiel 1100 kg Kalk und 100 kg Flussspat, erst mit dem letzten Korb zu chargieren, um den Wärmeübergang vom Brenner auf das flüssige Bad nicht zu beeinträchtigen.
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Nach 140min ist der gesamte metallische Einsatz verflüssigt und weist bei einem Kohlenstoffgehalt von 0, 68% und einem Fe-Gehalt in der Schlacke von 11, 80/0 eine Badtemperatur von 15400C auf. Von diesem Zeitpunkt an wird die Brennerleistung auf 18-24% reduziert, der Wert des Luftfaktors À jedoch auf 2, 30 erhöht, um eine genügend hohe Frischgeschwindigkeit im Bad zu erzielen. Nach weiteren 25 min wird die Schlacke (Kippwinkel des Ofens : 7 C) bei 0, 34% C-Gehalt des Stahls abgezogen und nach Absteifen der Restschlacke bei 16600C BadtemperatUr 400 kg gebrannter Kalk und 100 kg Flussspat zugegeben.
Nach Abschalten des Öl-Sauerstoff-Brenners bildet sich rasch eine dünnflüssige, grau-weisse Schlackenschicht auf der Badoberfläche. Die Induktionsrinne bleibt während des gesamten Abschlackens eingeschaltet. Nach Zugabe von 140 kg FeSi, 460 kg FeMn und 730 kg FeCr werden zum Einstellen der genauen Abstichtemperatur weitere 35 min benötigt, um die gewünschte chemische Analyse der Stahlqualität SAE 4130 zu erreichen :
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Die Gesamtchargierzeit bis zum Abstich beträgt bei dieser Schmelze 3 h und 50 min.
Bei Verwendung von kleinstückigem Schrott hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diesen kontinuierlich unter dem Brennfleck des Öl-Sauerstoff-Brenners zu chargieren. Dadurch wird eine zu starke Oxydation an der Oberfläche des Schrottes während der Vorwärmung oberhalb 13000C vermieden und gleichwohl die Chargierzeit kurz gehalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ofen zum Erzeugen von Stahl mit metallurgischer Schlackenarbeit, der mit zwei unterschied- lichenBeheizungseinrichtungen ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen einen, durch eine Heizvorrichtung (6) mit hoher Gastemperatur und hoher Leistungsdichte von oben her beheizten Oberofen (4) aufweist, an den sich ein Unterofen (5) anschliesst, der aus einer oder mehreren, durch elektrische Induktion beheizten Rinnen (7,8) besteht.
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bogenbeheizung ausgestattet ist.
3. OfennachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberofen (4) durch einen oder mehrere mit Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch betriebene Brenner (6) beheizt ist.
4. Verfahren zum Betreiben des Ofens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der als Induktionsrinne (7,8) ausgebildete Unterofen (5) mit flüssigem Einsatz, insbesondere Roheisen, und der Oberofen (4) mit festem Einsatz, insbesondere Schrott, chargiert werden, dass der feste Einsatz überwiegend durch die Beheizung des Oberofens (4) eingeschmolzen und die Ofencharge gefrischt wird.