DE102006004532B4

DE102006004532B4 - Verfahren zur Erzeugung einer Schaumschlacke in einer metallischen Schmelze

Info

Publication number: DE102006004532B4
Application number: DE102006004532.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Reichel Johann; Lutz Rose; Prof. Dr. Karbowniczek Miroslaw
Original assignee: SMS Siemag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: ZA200806791B; BRPI0707450A2; KR20080097407A; JP2009525402A; RU2418863C2; AU2007211649A2; AU2007211649A1; UA94252C2; MX2008009968A; JP5079710B2; US8043402B2; CA2637850C; CA2637850A1; KR101297589B1; EP1979494A1; RU2008135365A; CN101379201A; US20090255375A1; DE102006004532A1; AU2007211649B2

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Schaumschlacke (1) in einer metallischen Schmelze (2) in einem metallurgischen Ofen (3), bei dem ein zumindest ein Metalloxid und Kohlenstoff enthaltendes Gemisch (4) in den Ofen (3) eingegeben wird, wobei unterhalb der dort befindlichen Schlacke (1) das Metalloxid durch den Kohlenstoff reduziert wird und wobei die bei der Reduktion entstehenden Gase in der Schlacke Blasen bilden, wodurch die Schlacke aufgeschäumt wird, wobei die Zugabe des Gemisches (4) in den Ofen (3) so erfolgt, dass eine gewünschte Höhe (h) bzw. ein gewünschter Bereich der Höhe (h) der Schicht der Schaumschlacke (1) entsteht bzw. erhalten bleibt und wobei als metallurgischer Ofen (3) ein Elektrolichtbogenofen bzw. ein Schmelzaggregat mit Elektroden mit verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei in der Draufsicht im wesentlichen kreisförmig ausgestalteter Wandung (5) des Ofens (3) und bei im wesentlichen zentraler Anordnung mindestens einer Elektrode (6) des Ofens (3) die Zugabe des Gemisches (4) auf eine Kreisringfläche zwischen den Elektroden (6) und der Wandung (5) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schaumschlacke in einer metallischen Schmelze in einem metallurgischen Ofen, bei dem ein zumindest ein Metalloxid und Kohlenstoff enthaltendes Gemisch in den Ofen eingegeben wird, wobei unterhalb der dort befindlichen Schlacke das Metalloxid durch den Kohlenstoff reduziert wird und wobei die bei der Reduktion entstehenden Gase in der Schlacke Blasen bilden, wodurch die Schlacke aufgeschäumt wird, die Zugabe des Gemisches in den Ofen so erfolgt, dass eine gewünschte Höhe bzw. ein gewünschter Bereich der Höhe der Schicht der Schaumschlacke entsteht bzw. erhalten bleibt und wobei als metallurgischer Ofen ein Elektrolichtbogenofen bzw. ein Schmelzaggregat mit Elektroden mit verwendet wird.
Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 197 48 310 C1 bekannt. Weitere Lösungen zeigen die EP 0 637 634 A1 und die AT 404 942 B . Ein anderes Verfahren ist aus der WO 2004/104232 A1 bekannt. Mit dem vorbekannten Verfahren kann auf einer metallischen Schmelze, beispielsweise auf einer Schmelze aus rostfreiem Metall, eine Schaumschlacke erzeugt werden. Während des Einschmelzens des festen Metalls in einem Elektrolichtbogenofen bildet sich eine Schlacke, die einen hohen Anteil an Cr-Oxid beinhalten kann. Die Konzentration dieses Anteils erreicht oft Werte von mehr als 30%. Derartige Schlacken können aufgrund ihrer Zusammensetzung mit dem vorbekannten Verfahren nicht in dem gewünschten Maße verflüssigt und aufgeschäumt werden.
Es ist dabei aus dem genannten Dokument bekannt, dass der metallischen Schmelze ein Gemisch zugegeben wird, das zumindest ein Metalloxid und Kohlenstoff enthält. Weiterhin kann das Gemisch ein Eisen-Trägermaterial und ein Bindematerial aufweisen. Das Gemisch kann gepresst und in Form von Pellets oder Briketts der Schmelze zugegeben werden. Ist das Gemisch in den Bereich zwischen der metallischen Schmelze und der Schlackenschicht eingebracht, kann es dort chemisch reagieren, wobei ein Reduktionsvorgang des Metalloxids einsetzt. Dieser Reduktionsvorgang des Metalloxids mit dem Kohlenstoff lässt gasförmiges Kohlenmonoxid (CO) entstehen, das eine Blasenbildung hervorruft und so die Schlacke aufschäumt.
Der Vorteil der Erzeugung einer Schaumschlacke besteht in Folgendem: Beim Betreiben eines Elektrolichtbogenofens wird die Charge, z. B. der einzuschmelzende Schrott, im Ofen mittels des Lichtbogens der Elektroden geschmolzen. Hierbei erfüllt die Schlacke neben ihrer Primärfunktion der Entfernung von unerwünschten Bestandteilen aus der metallischen Schmelze eine Schutzfunktion aufgrund des geschäumten Zustands. In diesem füllt die Schaumschlacke nämlich den Raum zwischen den Elektrodenenden und der Metalloberfläche zumindest teilweise aus und schützt so die feuerfeste Ausmauerung des Ofens vor der Strahlungsenergie des Elektro-Lichtbogens.
Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der aufgeschäumten Schlacke wird die Strahlung des Lichtbogens gegenüber der Wandung des Elektroofens stark reduziert und damit das Energieeinbringen in die metallische Schmelze verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Schaumschlacke ist, dass sie geräuschdämmend wirkt. Der umhüllte bzw. eingehüllte Lichtbogen emittiert somit weniger Geräusche in die Umgebung, wodurch die Umgebungsbedingungen im Bereich des Ofens verbessert werden.
Mit dem vorbekannten Verfahren ist es zwar möglich, eine Schaumschlacke zu erzeugen, allerdings hat es sich als nachteilig erwiesen, dass die genaue Steuerung der Menge der Schaumschlacke schwierig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem dieser Nachteil vermieden werden kann. Der Schaumschlacken-Bildungsprozess soll also in besserer Weise steuerbar bzw. regelbar sein, um so eine optimale Menge Schaumschlacke bereitstellen zu können.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, dass bei in der Draufsicht im wesentlichen kreisförmig ausgestalteter Wandung des Ofens und bei im wesentlichen zentraler Anordnung mindestens einer Elektrode des Ofens die Zugabe des Gemisches auf eine Kreisringfläche zwischen den Elektroden und der Wandung erfolgt.
Man kann also sagen, dass die Höhe der Schicht bestehend aus Schaumschlacke gezielt auf einem gewünschten Niveau gehalten wird, wobei unter dem Bereich der Höhe ein zulässiger Toleranzrahmen für die Höhe der Schaumschlackenschicht zu verstehen ist.
Die Zugabe des Gemisches kann dabei sowohl kontinuierlich als auch in vorgegebenen Zeitintervallen erfolgen.
Eine besondere Bedeutung der Erfindung besteht darin, die richtige Dosierung des Gemisches zu wählen, Es hat sich herausgestellt, dass optimale Bedingungen für die Schaumbildung herrschen, wenn die Zugabe des Gemisches mit einer Menge von 3 bis 20 kg pro Minute und pro Tonne metallischer Schmelze erfolgt. Besonders bevorzugt liegt die Zugabe zwischen 5 bis 15 kg pro Minute und pro Tonne metallischer Schmelze.
Es hat sich herausgestellt, dass auch die flächenspezifische Aufgabe von Gemisch ein wichtiger Parameter ist. Eine Fortbildung der Erfindung sieht daher vor, dass die Zugabe des Gemisches so erfolgt, dass eine Gemischmenge von 15 bis 35 kg/m² auf der Oberfläche der metallischen Schmelze aufrechterhalten wird. Besonders bevorzugt liegt dieser Wert zwischen 20 und 30 kg/m².
Wichtig ist, dass das Gemisch an der richtigen Stelle zur Wirkung kommt. Daher wird mit Vorteil das Gemisch zwischen die metallische Schmelze und die Schlacke eingebracht.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zugabe des Gemisches im Bereich der radialen Mitte der Kreisringfläche erfolgt.
Wie an sich vorbekannt, kann ein Gemisch zum Einsatz kommen, das neben dem Metalloxid und Kohlenstoff weiterhin ein Trägermaterial aus Eisen und Chrom aufweist. Ferner kann es ein Bindematerial aufweisen. Die Handhabung des Gemisches wird erleichtert, wenn es als Brikett oder als Pellet ausgebildet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann erreicht werden, dass die Menge an Schaumschlacke innerhalb gewünschter Grenzen gehalten wird, so dass die vorteilhafte Wirkung der Schaumschlacke optimiert eingesetzt werden kann.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 einen Elektrolichtbogenofen gemäß dem Schnitt A-B nach 2,
2 den Elektrolichtbogenofen gemäß dem Schnitt C-D nach 1,
3 die Einzelheit X gemäß 1 und
4 den Verlauf der Höhe h der Schicht aus Schaumschlacke über der Zeit.
Der in den 1 und 2 dargestellte Elektrolichtbogenofen 3 dient zum Aufschmelzen metallischen Guts, d. h. zur Herstellung einer metallischen Schmelze 2. Auf der Schmelze 2 befindet sich eine Schicht aus Schlacke 1, die vorliegend aufgeschäumt werden soll, um die oben genannten Vorteile erzielen zu können.
Zu diesem Zweck wird über geeignete Zuführeinrichtungen 7 ein Gemisch beigegeben, das ein Metalloxid und Kohlenstoff aufweist. Ferner kann es ein eisenhaltiges Trägermaterial sowie ein Bindematerial aufweisen. Das Gemisch ist bevorzugt zu Briketts oder Pellets gepresst. Die gestrichelten Linien von den Zuführeinrichtungen 7 in Richtung zur Schmelze 2 deuten an, wie die Pellets oder Briketts auf die Oberfläche der Schlacke bzw. der Schmelze abgeworfen werden.
Das spezifische Gewicht bzw. die Pressdichte des Gemisches 4 sind dabei so gewählt, dass eine optimale Blasenbildung hinsichtlich der Stärke der Reaktion und der Dauer des Prozesses erfolgt. Das spezifische Gewicht wird dabei so gewählt, dass sich das Gemisch 4 nach der Eingabe in den Ofen 3 zwischen der metallischen Schmelze 2 und der Schlacke 1 hält. Dies ist in 3 angedeutet, wo zu sehen ist, dass die Pellets bzw. Briketts des Gemisches 4 zwar unter die Schaumschlacke 1 absinken, jedoch auf der metallischen Schmelze 1 schwimmen.
Hinsichtlich diesbezüglicher Details wird auf die WO 2004/104232 A1 Bezug genommen.
Wie in 1 und 3 zu sehen ist, weist die geschäumte Schlacke 1 eine Höhe h auf, die auf einem gewünschten Wert bzw. in einem vorgegebenen Toleranzbereich gehalten werden soll. Um dies zu erreichen, wird gemäß obiger Spezifikation eine entsprechende Menge Gemisch 4 pro Zeit und bezogen auf die Masse der Schmelze 2 in den Ofen 3 eingebracht. Dies kann kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen erfolgen. In 4 ist angedeutet, dass in regelmäßigen Zeitabständen Gemisch 4 in den Ofen 3 und damit auf die metallische Schmelze 2 eingebracht bzw. aufgebracht wird (s. die mit der Bezugsziffer 4 bezeichneten Pfeile). Eine jede Zugabe von Gemisch 4 hat eine chemische Reaktion zur Folge, deren Verlauf mit den gestrichelten Kurvenverläufen angegeben ist. Die Überlagerung aller Reaktionen führt zu einer Gesamtreaktion, die zu einer definierten Höhe h der Schaumschicht führt. Insbesondere wird die Höhe h in einem Toleranzbereich Δh gehalten, wie es in 4 angedeutet ist.
Die Intervalle der Zugabe des Gemisches 4 werden dabei so gewählt, dass eine möglichst kontinuierliche Blasenbildung gewährleistet ist, was sich aus der Superposition der einzelnen Teilreaktionen ergibt.
Generell gilt, dass die Reaktion des Gemisches nichtlinear verläuft und die Schaumschlacke entsprechend gebildet wird. Das Gemisch 4, das zwischen Schaumschlacke 1 und metallischer Schmelze 2 eingebracht ist, unterliegt einem Lösungsprozess mit paralleler Reduktion des Eisenoxids. Gemischpartikel werden sofort nach ihrer Lösung aus dem Pellet oder Brikett wegen der Umgebungstemperatur mit einer Schale aus erstarrtem Metall umhüllt. Dadurch, dass die mittlere Schmelzetemperatur des Partikels niedriger ist als die des Metalls, findet ein Schmelzprozess und die chemischen Reaktionen des Materials innerhalb der Schale statt. Abhängig von der Temperaturdifferenz wird die Reaktion innerhalb der Schale entweder früher als das Schmelzen der Schale oder später beendet. In dem ersten Fall kann der Vorgang zum Platzen des Partikels führen, was eine explosionsartige Befreiung einer CO-Blase zur Folge hat. In anderen Fall wird sich die CO-Blase frei im Metall entwickeln.
Hierbei erfolgen beispielsweise folgende chemische Reaktionen: (Fe_xO_y) + y[C] = y{CO} + x[Fe] (CaCO₃) = (CaO) + {CO₂}
Optimale Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn zwischen 5 und 15 kg Gemisch pro Tonne (1.000 kg) metallischer Schmelze und pro Minute zugegeben werden. Dabei kommt bevorzugt ein Gemisch zum Einsatz, das zwischen 40 und 70 Gewichts-%, vorzugsweise zwischen 50 und 60 Gewichts-%, FeCrHC aufweist.
In 2 ist weiter zu sehen, dass die hier dargestellten vier Zuführeinrichtungen 7 das Gemisch auf eine kreisringförmige Oberfläche der Schlacke 1 bzw. der metallischen Schmelze 2 aufbringen. Die Ringfläche wird radial innen durch die kreisförmig gedachte Einhüllende 8 der Elektrode 6 bzw. der Elektroden gebildet (innerer Kreis). Der äußere Kreis 9 der Ringfläche ist der Wandung 5 des Ofens 3 benachbart. Das Gemisch wird dabei also ringförmig zwischen der Ofenwand 5 und der mindestens einen Elektrode 6 aufgegeben. Das Gemisch 4 sollte dabei vorzugsweise etwa in der radialen Mitte zwischen innerem Kreis 8 und äußeren Kreis 9 aufgegeben werden, wie es in 2 angedeutet ist. Eine entsprechende Alternative ergibt sich durch Zugaben mit Hilfe von seitlich platzierten Zuführeinrichtungen.
Die flächenspezifische Gewichtsaufgabe des Gemisches 4 ist ebenfalls als wesentlicher Parameter erkannt worden. Hierfür wird ein Wert bevorzugt zwischen 20 und 30 kg Gemisch pro Quadratmeter der Oberfläche vorgeschlagen.
Ein optimales Aufschäumergebnis wird also erreicht, wenn zum einen die Frequenz der Zugabe des Gemisches günstig gewählt wird (d. h. die Menge Gemisch pro Zeit und pro Masse der metallischen Schmelze), wenn zum anderen die Verteilung des Gemisches möglichst ringförmig auf die Oberfläche der Schlacke bzw. metallischen Schmelze erfolgt und wenn schließlich das Gemisch mit der genannten spezifischen Menge bezogen auf die Oberfläche zugegeben wird.
Damit wird eine gewünschte Höhe der Schaumschlacke über der Zeit aufrecht erhalten, was den oben genannten vorteilhaften Effekt hat.
Bezugszeichenliste

1: Schlacke/Schaumschlacke
2: metallische Schmelze
3: metallurgischer Ofen
4: Gemisch
5: Wandung
6: Elektrode
7: Zuführeinrichtung
8: innerer Kreis (Einhüllende der Elektroden)
9: äußerer Kreis
h: Höhe der Schaumschlacke
Δh: Toleranzbereich der Höhe h

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Schaumschlacke (1) in einer metallischen Schmelze (2) in einem metallurgischen Ofen (3), bei dem ein zumindest ein Metalloxid und Kohlenstoff enthaltendes Gemisch (4) in den Ofen (3) eingegeben wird, wobei unterhalb der dort befindlichen Schlacke (1) das Metalloxid durch den Kohlenstoff reduziert wird und wobei die bei der Reduktion entstehenden Gase in der Schlacke Blasen bilden, wodurch die Schlacke aufgeschäumt wird, wobei die Zugabe des Gemisches (4) in den Ofen (3) so erfolgt, dass eine gewünschte Höhe (h) bzw. ein gewünschter Bereich der Höhe (h) der Schicht der Schaumschlacke (1) entsteht bzw. erhalten bleibt und wobei als metallurgischer Ofen (3) ein Elektrolichtbogenofen bzw. ein Schmelzaggregat mit Elektroden mit verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei in der Draufsicht im wesentlichen kreisförmig ausgestalteter Wandung (5) des Ofens (3) und bei im wesentlichen zentraler Anordnung mindestens einer Elektrode (6) des Ofens (3) die Zugabe des Gemisches (4) auf eine Kreisringfläche zwischen den Elektroden (6) und der Wandung (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) in vorgegebenen Zeitintervallen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) mit einer Menge von 3 bis 20 kg pro Minute und pro Tonne metallischer Schmelze (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) mit einer Menge von 5 bis 15 kg pro Minute und pro Tonne metallischer Schmelze (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) so erfolgt, dass eine Gemischmenge von 15 bis 35 kg/m² auf der Oberfläche der metallischen Schmelze (2) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) so erfolgt, dass eine Gemischmenge von 20 bis 30 kg/m² auf der Oberfläche der metallischen Schmelze (2) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch (4) zwischen die metallische Schmelze (2) und die Schlacke (1) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Gemisches (4) im Bereich der radialen Mitte der Kreisringfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch (4) weiterhin ein Trägermaterial aus Eisen und Chrom aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch (4) weiterhin ein Bindematerial aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch (4) als Brikett oder als Pellet ausgebildet ist.