DE10108579A1 - Feuerfester keramischer Körper und zugehöriges metallurgisches Schmelzgefäß - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen feuerfesten keramischen Körper zur Verwendung als Wandteil eines metallurgischen Schmelzgefäßes sowie ein metallurgisches Schmelzgefäß, dessen Wandbereich teilweise von dem genannten feuerfesten keramischen Körper gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen feuerfesten keramischen Körper zur Verwendung als Wandteil eines metallurgischen Schmelzgefäßes sowie ein metallurgisches Schmelzgefäß, dessen Wandbereich teilweise von dem genannten feuerfesten keramischen Körper gebildet wird.

In metallurgischen Schmelzgefäßen werden pyrometallurgische Verfahren durchgeführt, das heißt metallische Rohstoffe in eine Schmelze überführt beziehungsweise metallurgische Schmelzen behandelt.

SM-Öfen (Siemens-Martin-Öfen) dienen der Stahlerzeugung. Das zugehörige SM-Verfahren ist ein Herdfrischverfahren, bei dem aus Stahlschrott und Roheisen Stahl geschmolzen wird.

Auch Elektroöfen dienen der Stahlerzeugung.

Bei diesen und anderen Öfen ist es bekannt, die Metallschmelze metallurgisch zu behandeln (sogenannte Sekundärmetallurgie). Dazu werden beispielsweise pulverförmige Feststoffe, beispielsweise Legierungsmittel, oder Gase (beispielsweise Inertgase wie Stickstoff) aber auch Sauerstoff in die Metallschmelze geführt. Auch Kombinationen der beiden vorgenannten Behandlungsmethoden sind bekannt.

Üblicherweise erfolgt die Einbringung dieser Behandlungsstoffe nach einer der folgenden Alternativen:

• 1. Einbringung mit sogenannten Düsen von oben auf das Schmelzbad. Der Nachteil ist ein geringer Wirkungsgrad sowie eine Rauchentwicklung.
• 2. Einbringung mit sogenannten Lanzen in die Schmelze. Der Nachteil sind aufwendige Apparaturen zur Befestigung der Lanzen und ihr hoher Verschleiß.
• 3. Einbringung mit sogenannten Düsen oder Spülelementen vertikal oder horizontal in die Schmelze. Dabei sind die Düsen beziehungsweise Spülelemente unterhalb des Badspiegels der Schmelze angeordnet. Entsprechend besteht die Gefahr von Schmelze-Durchbrüchen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur sekundärmetallurgischen Behandlung von metallurgischen Schmelzen aufzuzeigen, die die Nachteile der vorstehend genannten drei bekannten Behandlungssysteme vermeidet.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Überlegung, einen feuerfesten keramischen Körper zur Verfügung zu stellen, der als Wandteil eines metallurgischen Schmelzgefäßes verwendet wird. Dabei soll der Körper ein relativ großes Volumen besitzen und so im Wandbereich des metallurgischen Schmelzgefäßes angeordnet werden, daß er teilweise (außen), also auf der sogenannten "Kaltseite des Ofens" oberhalb des Badspiegels der Schmelze angeordnet werden kann und teilweise (innen, der Schmelze benachbart) unterhalb des Badspiegels der Schmelze verläuft.

Über mindestens einen im Körper angeordneten Kanal, der die äußere mit der inneren Wandfläche des Körpers verbindet, kann so über eine Einrichtung das gewünschte Behandlungsmedium zugeführt werden. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

• - das Behandlungsmedium wird, wie bei Lanzen oder den genannten bodenseitigen Düsen/Spülelementen, unmittelbar in die metallurgische Schmelze geführt,
• - dadurch, daß ein äußerer Teil des Körpers oberhalb des Badspiegels der Schmelze verläuft werden Schmelzendurchbrüche zuverlässig verhindert,
• - entlang des Kanals können unterschiedlichste Einrichtungen zur Zuführung eines Behandlungsmediums angeordnet werden, beispielsweise nach Art von Lanzen, Rohren oder Düsen,
• - über die Orientierung des Kanals läßt sich eine gezielte Zuführung des Behandlungsmediums in die metallurgische Schmelze einstellen,
• - etwaige Reparaturen an der vorstehend genannten Einrichtung können gegebenenfalls auch während des Schmelzverfahrens durchgeführt werden,
• - der Körper kann als vorkonfektionierte Baueinheit insgesamt oder teilweise leicht ausgetauscht werden.

Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform einen feuerfesten keramischen Körper zur Verwendung als Wandteil eines metallurgischen Schmelzgefäßes mit einer äußeren und einer inneren Wandfläche sowie einem die äußere und innere Wandfläche verbindenden Kanal zur Aufnahme einer Einrichtung zur Zuführung mindestens eines Behandlungsmediums in eine metallurgische Schmelze.

Dabei soll der Kanal so angeordnet werden, daß er im Montagezustand des Körpers mit Gefälle zwischen der äußeren und inneren Wand verläuft. Auf diese Weise wird es ermöglicht, das der Schmelze benachbarte Ende des Kanals unterhalb des Badspiegels der Schmelze anzuordnen, während das gegenüberliegende, eingangsseitige Ende des Kanals oberhalb des Niveaus der Schmelze verläuft.

Die Orientierung des Kanals kann ferner so erfolgen, daß eine gedachte axiale Verlängerung des Kanals im Montagezustand des Bauteils unter einem Winkel < 0 Grad zum Mittelpunkt des metallurgischen Schmelzgefäßes verläuft. Mit anderen Worten: Die Strömungsrichtung des Behandlungsmediums ist derart, daß sie nicht in die Mitte des Schmelzbades gerichtet ist, sondern in Richtung auf einen benachbarten Wandabschnitt.

Die vertikale Neigung des Kanals beträgt nach einer Ausführungsform 10 bis 45 Grad zur Horizontalen.

Der Körper kann als monolithisches Fertigbauteil gestaltet sein, in dem der Kanal insitu ausgeformt ist. Das monolithische Fertigbauteil kann beispielsweise aus einer feuerfesten keramischen Masse gegossen oder gepreßt oder gestampft werden. Mit Hilfe einer in der korrespondierenden Form angeordneten Schablone läßt sich gleichzeitig der gewünschte Kanal ausbilden. Die Schablone kann beispielsweise aus einem Zylinder bestehen, der anschließend (nach der Herstellung des Fertigbauteils) herausgezogen wird. Die Schablone kann aber auch aus einem ausbrennbaren Teil bestehen, welches nach der Herstellung des Fertigbauteils durch Temperaturbehandlung entfernt wird. Ebenso ist es möglich, als Schablone einen rohrförmigen Körper zu verwenden, der anschließend im Fertigbauteil verbleibt und der Aufnahme der genannten Einrichtung zur Zuführung des Behandlungsmediums dient.

Die Querschnittgeometrie des Kanals kann weitestgehend beliebig sein. Nach einer Ausführungsform weist der Kanal einen Kreisquerschnitt auf.

Alternativ ist vorgesehen, den Körper aus mindestens zwei, in Axialrichtung des Kanals aneinander anschließenden Bauteilen zu gestalten. Dabei können diese beiden Bauteile wiederum monolithische Bauteile sein. Mindestens eines dieser Bauteile kann aber auch aus untereinander verklebten oder vermörtelten Steinen bestehen.

Die Gestaltung des Körpers mit mehreren Bauteilen, die wiederum untereinander verklebt oder vermörtelt sein können, hat folgenden Vorteil: Während der, der Metallschmelze benachbarte Bauteil aus höherwertigen keramischen Sorten bestehen kann können für den rückwärtigen, im Bereich der Kaltseite des metallurgischen Gefäßes verlaufenden Bauteil auch minderwertigere und/oder thermisch isolierende Werkstoffe verwendet werden.

Ersichtlich ist insbesondere der der Metallschmelze zugewandte Abschnitt des Körpers einem besonderen thermischen, chemischen (metallurgischen) und mechanischen Angriff ausgesetzt. Bei der Gestaltung aus mehreren Bauteilen braucht bei entsprechendem Verschleiß demnach nur ein Teil des Körpers, nämlich der verschlissene Teil, erneuert werden.

Dies gilt insbesondere deshalb, weil erfindungsgemäß der Körper wandseitig so angeordnet werden kann, daß der, der Schmelze abgewandte Abschnitt oberhalb des Badspiegels der Schmelze verläuft und damit allenfalls einem minimalen thermischen Angriff ausgesetzt ist und damit praktisch überhaupt keinem Verschleiß unterliegt.

Das zugehörige metallurgische Schmelzgefäß besteht, wie jedes Schmelzgefäß, aus einem Boden (mit mindestens einer Auslaßöffnung) und mindestens einem umlaufenden Wandbereich. Lediglich ein Wandbereich liegt beispielsweise dann vor, wenn die Wand eine Kreisform, eine ovale Form oder dergleichen besitzt. Daneben sind aber auch Öfen (Schmelzgefäße) bekannt, die beispielsweise eine rechteckige Grundfläche besitzen und entsprechend mit vier, aneinander anschließenden Wandbereichen ausgestaltet sind. Entlang mindestens eines dieser Wandbereiche oder in mindestens einem dieser Wandbereiche soll nun erfindungsgemäß ein feuerfester keramischer Körper der vorgenannten Art angeordnet werden, dessen Kanal zum Inneren des metallurgischen Schmelzgefäßes geneigt verläuft und unterhalb des Badspiegels der Schmelze endet.

Wie ausgeführt soll dabei der Körper so angeordnet werden, daß ein dem Inneren des metallurgischen Schmelzgefäßes benachbarter Abschnitt und damit ein entsprechender Abschnitt des Kanals unterhalb eines gegebenen (vorhandenen) Badspiegels einer im metallurgischen Schmelzgefäß aufzunehmenden metallurgischen Schmelze und ein dem Inneren des metallurgischen Schmelzgefäßes abgewandter Abschnitt, also der gegenüberliegende Abschnitt des Kanals oberhalb dieses Badspiegels der metallurgischen Schmelze verläuft. Eine Ausführungsform dazu zeigt das nachfolgende Beispiel.

Der so einen Wandteil des metallurgischen Schmelzgefäßes bildende Körper kann ein oder mehrere Merkmale des vorstehend beschriebenen Körpers aufweisen. Auf die obigen Erläuterungen wird Bezug genommen.

Der Körper kann entsprechend so angeordnet werden, daß sein Kanal in Bezug auf eine Ebene, die vertikal und senkrecht zur korrespondierenden Innenwand des metallurgischen Schmelzgefäßes verläuft, unter einem Winkel < 0 und < 45 Grad verläuft. Bei einem metallurgischen Schmelzgefäß mit rechteckiger Grundfläche und entsprechend vier im Winkel von jeweils circa 90 Grad zueinander stehenden Wänden kann der Körper danach beispielsweise im mittleren Bereich einer Wand angeordnet werden. Während der Kanal zum Inneren des Schmelzgefäßes unter einem Winkel von beispielsweise 15 bis 40 Grad zur Horizontalen verläuft ist er gleichzeitig so angeordnet, daß seine axiale Verlängerung unter einem Winkel < 0 und < 45 Grad zu einer Ebene verläuft, die senkrecht und vertikal zur korrespondierenden inneren Wandfläche des zugehörigen Wandabschnittes angeordnet ist. Auch diese Ausführungsform wird in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel zeigt - in stark schematisierter Darstellung - in

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wand eines metallurgischen Schmelzgefäßes, in der ein feuerfester keramischer Körper der beschriebenen Art angeordnet ist,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Körper nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Einrichtung, die in einem Kanal des Körpers nach den Fig. 1, 2 eingesetzt werden kann und der Zuführung eines Behandlungsgases dient,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Einrichtung nach Fig. 3.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Wand 10 eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten metallurgischen Schmelzgefäßes, wobei auch ein Teil eines Bodens 14 zu erkennen ist. Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein Badspiegel einer Stahlschmelze 18 gekennzeichnet.

Boden 14 und Wand 10 sind im wesentlichen in konventioneller Weise aus feuerfesten keramischen Produkten aufgebaut. Schematisch mit 10 s gekennzeichnet ist eine Steinausmauerung der Wand 10. Eine punktierte Fläche 14 m symbolisiert den monolithisch gegossenen Boden 14.

Ein Teil der Wand 10 wird von einem feuerfesten keramischen Körper 20 gebildet, der aus einem ersten Bauteil 20i und einem zweiten Bauteil 20a besteht. Die Bauteile 20i, 20a schließen unmittelbar aneinander an (Fig. 2) so daß ihre oberen Stirnflächen 20io und 20ao eine durchgehende gemeinsame Oberfläche bilden. Die Teile 20i, 20a bilden insgesamt einen etwa quaderförmigen Körper.

Während das Bauteil 20i ein aus einer feuerfesten keramischen Masse monolithisch gegossenes Bauteil mit einer inneren Stirnwand 10i ist handelt es sich bei dem Bauteil 20a um ein aus feuerfesten keramischen Steinen aufgebautes Element mit einer äußeren Stirnwand 10a.

Durch beide Bauteile 20i, 20a verläuft ein gemeinsamer durchgehender Kanal 22 mit Kreisquerschnitt.

In den Kanal 22 ist eine Gasspüleinrichtung gemäß den Fig. 3, 4 eingesetzt, die später beschrieben wird.

Fig. 1 zeigt, daß der Bauteil 20i, der der Schmelze 18 benachbart ist, überwiegend unterhalb des Badspiegels 16 verläuft während der benachbarte Bauteil 20a weitestgehend oberhalb des Badspiegels 16 angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt weiter, daß der Kanal 22, soweit er im Bauteil 20a verläuft, ausschließlich oberhalb des Badspiegels 16 verläuft, während der fluchtend anschließende Kanalabschnitt im Bauteil 20i zu seinem ganz überwiegenden Teil unterhalb des Badspiegels 16 liegt. Das der Metallschmelze benachbarte Ende 22i des Kanals 22 liegt vollständig unterhalb des Badspiegels 16, so daß ein über den Kanal beziehungsweise die zugehörige Einrichtung zugeführtes Behandlungsmedium unmittelbar und vollständig in die Metallschmelze 18 geführt wird.

Die Anordnung des Kanals 22 ist vom äußeren Ende 22a zum inneren Ende 22i (also zwischen den Wänden 1oa, 10i) geneigt. Der Winkel alpha zur Horizontalen beträgt circa 15 Grad. Ein zugeführtes Behandlungsgas wird entsprechend in Richtung auf den Boden 14 des Schmelzgefäßes 12 zugeführt. Pfeil P1 (Fig. 1) deutet an, daß der Winkel alpha von Fall zu Fall unterschiedlich eingestellt werden kann, je nach Art des Behandlungsmediums, konstruktiver Gestaltung des metallurgischen Schmelzgefäßes sowie der gewünschten sekundärmetallurgischen Behandlung.

Pfeil P2 (Fig. 2) deutet an, daß der Kanal 22 auch in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung gemäß Pfeil P1 unterschiedlich ausgerichtet werden kann, um das Behandlungsmedium beispielsweise mit einer gewissen Schrägstellung zur inneren Wandoberfläche 10i zuführen zu können. Mit anderen Worten: Das Behandlungsmedium kann nicht nur senkrecht zur Wand 10i in die Schmelze 18 gedüst werden, sondern auch unter einem Winkel < 0 und vorzugsweise < 45 Grad zu einer vertikalen Ebene, die senkrecht zur Wandfläche 10i verläuft, also in der Zeichenebene.

Im Betrieb wird insbesondere der innere Bauteil 20i verschleißen, wobei eine Verschleißlinie beispielhaft mit "V" angedeutet ist. Nach einem vorher definierbaren Verschleißgrad kann der Körper 20 komplett oder teilweise (nur Bauteil 20i) ausgetauscht werden.

Wesentlich ist, daß ein erheblicher Teil des Körpers, hier überwiegend der Bauteil 20a, nicht nur auf der Kaltseite der Wand 10 des Ofens 12 verläuft, sondern auch oberhalb des Badspiegels 16, also entsprechend keinem metallurgischen Angriff ausgesetzt ist. Aufgrund des Umstandes, daß der zugehörige Kanalabschnitt im Bereich des Bauteils 20a oberhalb des Schmelzniveaus 16 verläuft wird auch jede Gefahr eines Schmelzedurchbruchs verhindert.

Fig. 3 zeigt die bereits erwähnte zugehörige Einrichtung 30, die aus einem gegossenen keramischen Körper 32 mit Kreisquerschnitt besteht, wobei der Außendurchmesser der Einrichtung 30 gleich oder geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Kanals 22 ist.

In Axialrichtung der Einrichtung 30 sind auf einer Ringlinie eine Vielzahl von axial verlaufenden Metallröhrchen 34 angeordnet, über die ein Spülgas wie Stickstoff oder Sauerstoff in die Schmelze 18 geführt werden kann.

Im wesentlichen entspricht die Einrichtung gemäß den Fig. 3, 4 einem konventionellen Gasspülstein. Sie besitzt entsprechend auch ein Gaszuführungsrohr 36, welches an einen Metallboden 38 der Einrichtung 30 angeschweißt ist und eine Gaszufuhr in eine anschließende Gasverteilkammer 40 ermöglicht, von wo das Gas entlang der Kanäle 34 zum gasauslaßseitigen Ende 42 der Einrichtung 30 strömen kann. Ein mit dem Boden 38 verbundener Metallmantel 44 begrenzt die Einrichtung 30 umfangseitig.

Claims (14)

1. Feuerfester keramischer Körper (20) zur Verwendung als Wandteil eines metallurgischen Schmelzgefäßes (12) mit einer äußeren und einer inneren Wandfläche sowie einem die äußere und innere Wandfläche verbindenden Kanal (22) zur Aufnahme einer Einrichtung (30) zur Zuführung mindestens eines Behandlungsmediums in eine metallurgische Schmelze.

2. Körper nach Anspruch 1, bei dem der Kanal (22) so angeordnet ist, daß er im Montagezustand des Körpers (20) mit Gefälle zwischen der äußeren und inneren Wand verläuft.

3. Körper nach Anspruch 1, bei dem der Kanal (22) so angeordnet ist, daß eine gedachte axiale Verlängerung des Kanal (22) im Montagezustand des Körpers (20) unter einem Winkel < 0 Grad zum Mittelpunkt des metallurgischen Schmelzgefäßes (12) verläuft.

4. Körper nach Anspruch 2, bei dem der Kanal (22) im Montagezustand des Körpers (20) unter einem Winkel (alpha) zwischen 10 und 45 Grad zur Horizontalen verläuft.

5. Körper nach Anspruch 1 aus mindestens zwei, in Axialrichtung des Kanals (22) aneinander anschließenden Bauteilen (20i, 20a).

6. Körper nach Anspruch 5, bei dem einzelne Wandflächen (20io, 20ao) eine gemeinsame Oberfläche ausbilden.

7. Körper nach Anspruch 5, bei dem mindestens ein Bauteil (20a) aus miteinander verklebten oder vermörtelten Steinen besteht.

8. Körper nach Anspruch 5, bei dem mindestens ein Bauteil (20i) ein monolithisches Bauteil ist.

9. Körper nach Anspruch 1 aus einem monolithischen Fertigbauteil, in dem der Kanal (22) insitu ausgeformt ist.

10. Körper nach Anspruch 1, bei dem der Kanal (22) einen Kreisquerschnitt aufweist.

11. Metallurgisches Schmelzgefäß mit einem Boden (14) und mindestens einem umlaufenden Wandbereich (10), entlang oder in dem mindestens ein feuerfester keramischer Körper (20) nach Anspruch 1 angeordnet ist, dessen Kanal (22) zum Inneren des metallurgischen Schmelzgefäßes (12) geneigt verläuft und unterhalb eines Badspiegels (16) einer Schmelze (18) endet.

12. Schmelzgefäß nach Anspruch 11, bei dem der Körper (20) so angeordnet ist, daß ein dem Inneren des metallurgischen Schmelzgefäßes benachbarter Abschnitt des Kanals (22) unterhalb eines Badspiegels (16) einer im metallurgischen Schmelzgefäß (12) aufzunehmenden metallurgischen Schmelze (18) und ein dem Inneren des metallurgischen Schmelzgefäßes (12) abgewandter Abschnitt des Kanals (22) oberhalb eines Badspiegels (16) einer im metallurgischen Schmelzgefäß (12) aufzunehmenden Schmelze (18) verläuft.

13. Schmelzgefäß nach Anspruch 11, bei dem der Kanal (22) unter einem Winkel (alpha) zwischen 10 und 45 Grad zur Horizontalen verläuft.

14. Schmelzgefäß nach Anspruch 11, bei dem der Kanal (22) in Bezug auf eine vertikale Ebene, die senkrecht zur korrespondierenden Innenfläche (10i) des metallurgischen Schmelzgefäßes (12) verläuft, unter einem Winkel < 0 und < 45 Grad angeordnet ist.