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Verfahren zum Reinigen von Stahlschmelzen und Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens Es ist bekannt, das Reinigen von Stahlschmelzen mit Hilfe der Vakuumentgasung
durchzuführen. Bei der sogenannten Pfannenentgasung wird die Gießpfanne, welche
mit flüssigem Stahl und einer Schlakkendecke gefüllt ist, in einem vakuumdichten
Kessel durch einen großen Pumpensatz der Einwirkung eines Vakuums unterworfen. Auch
bei sehr hohem Vakuum konnte hierbei keine ausreichende Reinigung unter betrieblich
tragbaren Bedingungen erzielt werden. Bei einem anderen bekannten Verfahren dieser
Art wurde die zu entgasende Schmelze in einem Behälter gleichzeitig durch Rühren
bewegt, um auf diese Weise jedes Teilchen der Schmelze insbesondere aus den unteren
Regionen im Behälter in den Bereich des Vakuums zu bringen und damit eine schnelle
und gute Entgasung zu erzielen.
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Zu diesem Zweck hat man auch schon bei dieser Arbeitsweise Spülgas
in die Gießpfanne von oben durch eine Lanze eingeleitet, um hierdurch die erstrebte
Bewegung der Teilchen innerhalb der Gießpfanne zu erreichen, und die Zeit der Vakuumbehandlung
möglichst herabzusetzen. Eine kurzzeitige Vakuumbehandlung ist insbesondere im Hinblick
auf die in jeder Zeiteinheit eintretenden Wärmeverluste und den durch die Erzeugung
und Aufrechterhaltung des Vakuums notwendigen technischen und wirtschaftlichen Aufwand
von großer Wichtigkeit.
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Bei allen bisherigen Verfahren zum Reinigen von Stahl durch die Vakuumentgasung
hat man das Vakuum durch Drehkolbenpumpen bzw. Rootsgebläse erzeugt. Diese Betriebseinrichtung
erforderte eine sehr sorgfältige Kühlung und Entstaubung der Absauggase vor den
Pumpen und damit Zusatzeinrichtungen, welche nicht nur räumlich und betrieblich
einen besonderen Aufwand erforderten, sondern auch noch eine zusätzliche Störungsquelle
darstellten, und darüber hinaus auf die Dauer keine ausreichende Entstaubung der
Absauggase erreichbar machten. Störungen durch Undichtigkeiten in den Pumpen traten
daher schon nach kurzer Betriebszeit ein. Diese sind gerade bei Anwendung von Vakuum
außerordentlich unerwünscht, störend und kostspielig. Auch verlangten die hierbei
verwendeten Filteranlagen eine ständige Wartung und häufige Reinigung. Trotzdem
man der Verbesserung dieser Filteranlagen und der Kühlung erhöhte Aufmerksamkeit
zuwandte, lassen sich bisher diese Nachteile nicht beseitigen.
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Schließlich bestanden weitere Nachteile der bekannten Verfahren noch
darin, daß die Betriebseinrichtungen zur Erzeugung des Vakuums betrieblich zu schwerfällig
waren und eine verhältnismäßig große Anlaufzeit benötigten sowie während des Betriebes
nicht elastisch genug gesteuert werden konnten. Die notwendig lange Dauer der Einwirkung
des Vakuums auf die Schmelze bedingte hohe Wärmeverluste und gegebenenfalls einen
Ausfall der gesamten Schmelze.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu vermeiden
und ein Verfahren zum Reinigen von Stahlschmelzen zu schaffen, welches an Betriebseinrichtungen
möglichst wenig aufwendig ist, schnell ein ausreichendes Vakuum erzeugt, eine für
den Stahlwerksbetrieb ausreichende Unempfindlichkeit besitzt und es ermöglicht,
den Entgasungsvorgang gut und elastisch zu steuern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von dem bekannten Verfahren
zum Reinigen von Stahlschmelzen durch Vakuumentgasung unter gleichzeitiger Anwendung
von Spülgas aus und besteht im wesentlichen darin, daß die Stahlschmelze mit Hilfe
eines Dampfejektors einem Vakuum von 2 bis 1 mm Hg-Säule und weniger ausgesetzt
und mit einem Edelgas oder trockener Luft gespült wird.
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Durch die Erfindung werden sämtliche angeführten Nachteile der früher
bekannten Arbeitsweisen beseitigt und eine bisher unerreicht gute Reinigung des
Stahls insbesondere von Wasserstoff bei einem zuverlässigen und störungsfreien Betrieb
bei kurzer Behandlungszeit erzielt. Von besonderer Bedeutung ist dabei die elastische
Steuerung des Entgasungsprozesses,
welche für die Beherrschung der
bei der Entgasung sehr heftigen Kochbewegung der Schmelze von großer Wichtigkeit
ist.
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Dampfejektoren sind für die verschiedensten Verwendungszwecke schon
seit vielen Jahrzehnten bekannt. Beim Schmelzen von seltenen Metallen, wie Titan
od. dgl., unter Höchstvakuum hat man z. B. auch schon Dampfstrahlpumpen zusammen
mit Diffusionspumpen als Vorpumpen verwandt. Es war jedoch überraschend, daß mit
Dampfejektoren bei der Pfannenentgasung von Stahl mit gleichzeitiger Anwendung von
Spülgas sämtliche Nachteile der bisher hierbei üblichen Betriebseinrichtungen beseitigt
werden konnten. Insbesondere war bei der bekannten Verwendung von Dampfstrahlpumpen
als Vorpumpen mit Diffusionspumpen die für das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnende
Elastizität der Arbeitsweise nicht ausnutzbar. Auch war es nicht zu erwarten, daß
unter gleichzeitiger Anwendung von Spülgas - welches an sich der Erzeugung
des Vakuums entgegenwirkt - ein Vakuum von 2 bis 1 mm Hg-Säule und
weniger wirtschaftlich und betrieblich befriedigend erzielbar war.
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Während bei den bisher bekannten Verfahren das Spülgas von oben her
durch die Schmelze in die Nähe
des Bodens der Gießpfanne eingeführt wurde,
wird das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil derart durchgeführt,
daß das Spülgas im Bereich des Bodens der Pfanne eingeleitet wird, so daß das Rühren
der Schmelze in gewünschter Weise erfolgt, d. h., das Spülgas soll als Trägermittel
für eingeschlossenes Gas und zum Umwälzen der Schmelze dienen, damit dem Vakuum
noch nicht ausgesetzte Schmelze an die Oberfläche gebracht wird.
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Hierbei wird eine besondere, wärmeisolierende Zuleitung durch die
Schmelze mit all ihren Störungsquellen vermieden.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Verfahren derart
durchgeführt werden, daß die Oberfläche der Schmelze am Ende des Entgasungsvorganges
und bevor die Schmelze mit der Außenluft in Berührung kommt, mit einem neutralen
Gas geflutet wird. Hierbei hat sich Stickstoff als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Dieses geflutete, neutrale Gas verhindert die Bildung eines explosiven Gasgemisches.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
besteht im wesentlichen aus einem die Gießpfanne aufnehmenden Behälter oder Kessel,
dessen Innenraum an die Saugseite einer Vier-Stufen-Dampfstrahlpumpe angeschlossen
ist. Durch die Verwendung mehrerer Stufen kann die angestrebte Regulierung des Vakuums
in vorteilhafter Weise durchgeführt werden. Eine Regulierung ist beispielsweise
dann von Vorteil, wenn zu Beginn der Vakuumbehandlung ein plötzliches starkes Brodeln
einsetzt. In diesem Fall können eine oder mehrere Stufen auf einfachste Weise außer
Betrieb gesetzt werden.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem das Spülgas
im Bereich des Bodens der Pfanne eingeleitet wird, besteht aus einem - entsprechend
angeordneten - porösen, gasdurchlässigen Stopfen, dessen Außenseite mit einer
Leitung zur Zuleitung des Spülgases verbunden ist. Die Einführung des Spülgases
von unten im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen weist den Vorteil auf, daß
ein Verbiegen einer beispielsweise von oben eingeführten Lanze durch den hydrostatischen
Druck der Schmelze nicht möglich ist. Das Verbiegen einer solchen Lanze wird auch
noch dadurch begünstigt, daß nicht nur die Lanze selbst von geringerem spezifischen
Gewicht als die Schmelze ist, sondern daß das durch die Lanze hindurchströmende
Spülgas eine große Auftriebskomponente aufweist. Die Verwendung eines porösen Stopfens
stellt sicher, daß bei guter Spülgasdurchlässigkeit kein Eindringen der Schmelze
in die Zuleitung erfolgt. Darüber hinaus ist ein solcher Stopfen leicht auswechselbar,
ohne daß größere Abschnitte der Auskleidung der Gießpfanne ausgewechselt werden
müssen.
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Um ein Auswechseln zu erleichtern und um das für den Stopfen verwendete
Material den Gegebenheiten anzupassen, kann es von Vorteil sein, daß der Stopfen
aus zwei Teilen, einem inneren und einem äußeren besteht, wobei die Leitung in den
äußeren hineinragt.
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In der einzigen Figur ist eine Gießpfanne dargestellt, die zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Die in dieser Figur dargestellte Gießpfanne 40 wird in einem Vakuumbehälter
(nicht gezeigt) eingesetzt, der wiederum mit einem Saugstutzen zur Verbindung mit
dem Pumpenaggregat ausgerüstet ist.
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Die Gießpfanne 40 ist mit einer Auskleidung 42 versehen. Der Boden
besteht aus einer doppelten Schicht feuerfesten Materials 44 und 46. Die obere Schicht
44 kann aus mehreren einzelnen Abschnitten bestehen, die nach dem Zusammensetzen
eine öffnung 48 in der Nähe des Mittelpunktes des Bodens bilden. Die öffnung kann
sich aber auch in einer einzigen Auskleidungsplatte befinden.
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Ein Ausströmstopfen, der aus einem oberen Teil 50
und einem
unteren Teil 52 besteht, befindet sich in der öffnung 48. Eine Zuführungsleitung
54 für das Spülgas geht durch den Boden der Gießpfanne nach oben und endet in dem
unteren Teil 52 des Stopfens. Dieser Teil besteht aus einem porösen, feuerfesten
Material,. so daß das aus dem Gaseinblasrohr entweichende Gas aufsteigt. Der obere
Teil 50 besteht in gleicher Weise aus einem porösen, feuerfesten Material
oder aus einer herausnehmbaren Metalldüse.
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Die Zuführungsleitung 54 ist an eine Leitung 56
angeschlossen,
die an der Außenseite der Gießpfanne nach oben führt und an ein geeignetes Ventil
außen an- dem die Gießpfanne umschließenden Kessel angeschlossen ist. Die Leitung
ist mit Hilfe eines Schlauches an einen Tank oder an einer Druckgaserzeugungsanlage
angeschlossen.
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Eine Gasflasche 60 für das Spülgas ist in geeigneter Weise
an der Gießpfanne befestigt. Eine Mengen- und Druckregulierungseinrichtung
60 wahrt praktisch gleichen Druck in einer Düse 70.
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Im Betrieb wird das flüssige Metall in der üblichen Weise in die Gießpfanne
eingegossen. Zuvor wurde der Behälterdeckel zur Seite geschwenkt, damit der Vakuumkessel
offenbleibt. Ein Kran senkt die Gießpfanne in den Vakuumkessel, zugleich wird mit
der Evakuierung des Kessels begonnen. Sobald die Ab-
dichtung vollständig
ist, wird ein Gas, beispielsweise Helium oder Argon, über die Leitung 54,
56 mit einem Druck zugeführt, der über den hydrostatischen Druck des flüssigen
Stahls in der Gießpfanne 40 liegt, so daß das Gas durch das flüssige Stahl nach
oben perlt und infolge der Eväkuierung des Kessels abgesaugt wird.
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Das Vakuum beträgt 2 bis 1 mm Hg-Säule oder weniger. Es werden
gewöhnlich mehrere Minuten zur
Bildung des erforderlichen Vakuums
benötigt. Diese Zeit hängt von der Leistungsfähigkeit der Vakuumanlage, der Größe
des Vakuumbehälters und der Rohre, der Art des behandelten Stahles und der Größe
der Gießpfanne ab. Das zum Frischen verwendete Gas wird dann in das Metall gedrückt,
die Zeit hängt von der Größe der Charge ab, der Art des behandelten Metalls, der
Tiefe der Gießpfanne und von anderen Faktoren.
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Nachdem das Gas abgesperrt worden ist, wird die Evakuierungsleitung
abgesperrt und ein neutrales Gas, wie z. B. Stickstoff, in den Kessel als Schutz
gegen die Bildung einer explosiven Atmosphäre eingelassen. Dann wird Luft eingelassen,
um den Druck in dem Kessel auf den atmosphärischen Druck zu erhöhen.
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Der Druck des Spülgases muß - wie gesagt - so hoch sein,
daß er den statischen Druck des Metalls überwindet. Der hydrostatische Druck des
Metalls beträgt etwa 1 Atmosphäre für je 12 cm Tiefe, doch in dem
Maß, wie der Druck im Kessel sinkt, ist ein geringerer Spülgasdruck für eine einwandfreie
Wirkungsweise erforderlich. Ein zweckmäßiger Weg zur Steuerung des Gasflusses besteht
darin, den Gasdruck auf 1,4 g/CM2 zu regulieren, worauf das Gas durch einen Strömungsmesser
mit veränderlicher Öffnung fließt. Der Abströmdruck schwankt mit dem Druck, der
erforderlich ist, um den kontinuierlichen Gasstrom in dem gewünschten Maß zu gewährleisten,
um die jeweilige Wasserstoffmenge in dem flüssigen Metall auszuscheiden.
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Im folgenden ist ein Verfahrensbeispiel beschrieben.
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Bei diesen Chargen wurde eine 60-t-Gießpfanne verwendet, die einen
mittleren Kohlenstoffstahl mit einem Chrom-, Nickel- und Molybdängehalt von ungefähr
0,9, 1,0 und 0,3 enthielt. Die Gießpfanne wurde in eine Vakuumanlage
mit einem Inhalt von ungefähr 34 M3 gebracht, wobei eine Vierstufen-Dampfstrahlpumpe
zur Vakuumerzeugung vorgesehen war.
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Unter Umständen tritt ein einziges Phänomen auf, das durch ein heftiges
Brodeln gekennzeichnet ist. Wenige Minuten nachdem ein Vakuum von 1 mm erreicht
worden ist, steigt der absolute Druck in dem Kessel scharf an, und das Metall brodelt
so heftig, daß es fast in der Gießpfanne überfließt. Das Brodeln kann dadurch gesteuert
werden, daß das anfängliche Vakuum abgesenkt oder ausgeschaltet wird, bis das Brodeln
in ein ruhiges Schmelzbad übergeht. Ob-
gleich die genauen physikalischen
und chemischen Vorgänge nicht ermittelt wurden, wird angenommen, daß das Brodeln
von einer Dissoziation von Oxyden und Nitriden herrührt.
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Die Ergebnisse von Versuchen haben gezeigt, daß eine kombinierte Anwendung
von Vakuum und Gasdurchleitung einen Wasserstoffgehalt von nur etwas über
30 1/o der besten Werte ergibt.
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Das Spülgas wird derart in die Gießpfanne eingeführt, daß es, wenn
es nach oben perlt, einen Weg einschlägt, der im großen und ganzen axial in bezug
auf die Gießpfanne liegt und das flüssige Metall mitnimmt. Dieses flüssige Metall
fließt erst senkrecht, dann radial an der Oberfläche entlang und hat das Bestreben,
an der Gießpfannenwandung herabzusinken. Dieses Herabsinken wird auch durch die
Tatsache gefördert, daß die Abkühlung des Metalls von der Gießpfannenwandung nach
innen erfolgt. Das Aufperlen hat eine zweifache Wirkung: ersten wirken die einzelnen
Blasen als Trägermittel zum Entfernen von eingeschlossenem Gas und zweitens
bringt die Umwälzung des Metalls unberührtes Metall vom Boden an die Oberseite der
Gießpfanne, wo es dem Vakuum ausgesetzt werden kann. Das Vakuum wirkt auf eine Tiefe
von einigen Zentimetern bis zu 1 Meter, je nach dem Brodeln.
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Wie bereits erwähnt, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden,
aber wahrscheinlich sind die wichtigsten die Analyse des Stahles, die Tiefe der
Gießpfanne und das Verfahren der Analyse.
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Es wurde gefunden, daß die Diffusion von eingeschlossenem Gas in das
reinigende Gas und vielleicht in 0, sich im geometrischen Verhältnis zu der Gießpfannentiefe
ändert. Bei der für die Chargen der Beispiele verwendeten Einrichtung änderte sich
das Ausmaß der Diffusion etwa proportional zum Quadrat der Tiefe. Das Verfahren
der Analyse schließt folgende Faktoren ein: Wo die Probe genommen wurde,
d. h. ob im flüssigen Zustand oder von dem fertigen Erzeugnis, wie sie genommen
wurde, d. h. durch ein Rohr oder eine Lanze, einem evakuierten Kupferzylinder
oder einem Bohrkern des fertigen Erzeugnisses und die verwendete Ausrüstung zur
Durchführung der Wasserstoffgehaltanalysen. Bei den Chargen der Beispiele wurden
evakuierte Rohre verwendet, um die Probe von einem Gießpfannenlöffel zu entnehmen
und ein Fisher-Oberflächenfusionsgasanalysenmesser wurde zur Durchführung der Analysen
benutzt.
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Die Menge der vorhanden Schlacke und die Beimengung von Aluminium
beeinflussen ebenfalls die Ergebnisse. Wenn die Schlacke eine geschlossene Decke
an der Oberfläche bildet, so wird die Perlwirkung vermindert, und das Vakuum ist
weniger wirksam. Der Zusatz von Aluminium bindet den Sauerstoff, was die Bildung
von 0., verhindert. Das 02 wirkt auch als reinigendes Gas, in das der Wasserstoff
diffundieren kann.
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Obgleich nur eine einzige Gaszuführung am Boden in der Mitte der Gießpfanne
beschrieben wurde, kann jede beliebige Anzahl von Rohren oder Stopfen verwendet
werden, die in geeigneter Lage angeordnet sind. Die Zahl und Anordnung hängen von
verschiedenen Faktoren, wie z. B. der Größe der Gießpfanne, ab.