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Induktionsrinnenofen Induktionsrinnenofen hoher spezifischer Leistung
für Netzfrequenz zur Stahlherstellung mit einem eine oder mehrere vertikale Rinnen
durchsetzenden Eisenjoch mit Wicklung. Das Verhältnis der Rinnenbreite zur Rinnenstärke
ist größer als 2 cm und die Binnenstärke größer als 10 cm. Der Ofen besteht aus
einem den Hauptteil der Schmelze aufnehmenden Oberofen und den einen kleinen Anteil
der Schmelze aufnehmenden Induktionsrinnen.
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Das Anwendungsgebiet der bekannten Induktionsrinnenöfen ist wegen
der bei diesen über die Rinnen zuzuführenden geringen Energie auf das Auf- und Umschmelzen
von Gußeisen und Nichteisenmetallen beschränkt. Die Hauptschwierigkeiten und verfahrensmäßigen
Beschränkungen beim Betrieb dieser Öfen, auch beim Einsatz zum Aufschmelzen von
Gußeisen, werden erblickt in unbefriedigender Haltbarkeit der Induktionsrinne und
in mangelhaftem Wärmeaustausch zwischen Induktionsrinnen- und Oberofeninhalt.
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Zur Verbesserung des Wärmeaustauschers zwischen den beiden Ofenteilen
hat man schon versucht, die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze in der Rinne zu
erhöhen. Dabei ging man von der Vorstellung aus, durch eine entsprechende Ausgestaltung
der Induktionsrinne unter Ausnutzung der elektromotorischen Wechselwirkung zwischen
dem Kraftfeld der Spule und dem im Induktionsrinneninhalt induzierten Strom die
Strömungsgeschwindigkeit ausreichend steigern zu können. Zu diesem Zweck gab man
den Rinnen unterschiedliche Querschnitte (deutsche Patentschrift 224 877), in deren
einzelnen Abschnitten und verwendete Induktionsrinnen kleinen Querschnitts in bezug
auf die umgesetzte Leistung. In der Praxis hatten diese Maßnahmen jedoch nicht den
gewünschten Erfolg. Infolge der hohen Energiedichte treten im Induktionsrinnenbereich
gegenüber dem Oberofeninhalt starke überhitzungen von z. B. 200° C auf, die zusammen
mit der Strömung zu einer untragbar schnellen Zerstörung der Rinne führen. Dementsprechend
ergeben die aufwendigen und langwierigen Ofenzustellungen anteilig hohe Stillstandszeiten.
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Bisher werden die Rinnen von Induktionsöfen nach dem Einlegen von
Holz- oder Metallschablonen mit sehr feinem Material ausgestampft. Metallschablonen
werden im allgemeinen als Gußstück aus dem Einsatzmaterial gewählt, die längere
Zeit zum Sintern der umgebenden Stampfmasse nahe dem Schmelzpunkt aufgeheizt werden
und bei Inbetriebnahme des Ofens dann aufschmelzen. Das ist in mehrfacher Hinsicht
unvorteilhaft. Zunächst ist die zum sicheren Betrieb des Ofens erforderliche genaue
Zentrierung der Rinne im Spulenraum schwierig und sie geht dazu auch noch beim Stampfen
des Feuerfestmaterials leicht verloren. Des weiteren kommt es beim Aufheizen der
Rinne infolge von Inhomogenitäten der eingebrachten Metallschablone vielfach zu
örtlicher überhitzung und Zerstörung der Rinne. Hinzu kommt, daß die Dicke der so
gesinterten Schicht nicht befriedigend ist. Die gleichen Mängel sind bei Benutzung
einer Schablone aus brennbarem Material festzustellen, da dabei eine unvollständige
Ersetzung der Schablone durch das Metall oft nicht zu vermeiden ist und außerdem
die gefrittete Schicht ungenügend dick ist.
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Aus der deutschen Patentschrift 224 877 ist es bekannt, das Mauerwerk
des Ofens bis in unmittelbare Umgebung der Induktionsrinnen fortzusetzen und die
Induktionsrinnen selbst als Induktionsröhre auszuführen. Dieser Ofen ist jedoch
nicht als betriebssicherer Binnenofen mit alleiniger Energiezufuhr durch die Rinne
zur Stahlherstellung einsetzbar, sondern die Herstellung von Stahl und Flußeisen
erfolgt durch Windfrischen von aus den Erzen erschmolzenem Roheisen. Nach der USA.-Patentschrift
2 674 639 werden als Induktionsrinnen außerhalb des Ofens gegossene Rohre verwendet,
die in das Feuerfestmaterial eingebettet sind. Dieser Ofen ist lediglich für die
Herstellung von Gußeisen verwendbar, da die für die Induktionsrinnen gegossenen
Materialien, die hydraulisch abbinden, lediglich bis zu Temperaturen von maximal
1400° C brauchbar sind.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe
zugrunde, einen für die verschiedensten metallurgischen Zwecke, insbesondere aber
auch für die Stahlherstellung geeigneten Induktionsrinnenofen von, auf die Chargierung
bezogen, hoher spezifischer Leistung mit alleiniger Energiezufuhr durch die Induktionsrinnen
zu erstellen und dabei die Rinnen so auszubilden, daß sie bei einfachem und gleichwohl
betriebssicherem und langlebigem Aufbau die hohe Leistung ohne entsprechende Beanspruchung
der Rinnen auf das Bad im Oberofen zu übertragen vermögen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, die Induktionsrinnen
aus feuerfesten, außerhalb des Ofens gebrannten Formsteinen mit an sich bekannter
Verbindung, z. B. Nut und Feder, zu mauern. Der Aufbau aus Formsteinen ist besonders
einfach gerade bei den groß dimensionierten Rinnen, wie sie in der Erfindung verwendet
werden. Der Gewinn an mechanischer Festigkeit gegenüber gestampften Rinnen ist dabei
technisch besonders wichtig.
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Ein derartiger Aufbau aus feuerfesten Steinen ist besonders schnell
und genau zu bewerkstelligen; er gewährleistet durch die exakte Formgebung von gebrannten
Steinen ohne besonderen Aufwand eine genaue Zentrierung des Rinnenkanals bezüglich
des Eisenjochs. Dadurch wird eine örtlich überhöhte Energiezufuhr in der Rinne mit
der Folge der Zerstörung der Rinne vermieden. Eine Rinne aus durchgesinterten Steinen
ist auch besonders abriebfest.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind zwecks
erhöhter Stabilität der Rinnen und optimaler Strömungsform die übergänge der breiten
Begrenzungsflächen in die schmalen Begrenzungsflächen abgerundet gestaltet.
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Wie eingangs bereits erörtert, werden die bekannten Induktionsrinnenöfen
wegen der Beschränkung der Energiezufuhr lediglich zum Auf- und Umschmelzen von
Gußeisen und Nichteisenmetallen eingesetzt. Der erfindungsgemäße Rinneninduktionsofen
dagegen eignet sich wegen der Möglichkeit der Zufuhr großer Leistungen in bezug
auf die Beschickungsmenge über die Induktionsrinnen, insbesondere auch zur Herstellung
von Stahl.
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Bei manchen metallurgischen Verfahren, beispielsweise beim Umschmelzen
und Legieren von Metallen und bei sonstigen heterogenen Chargen ist eine erhöhte
Badbewegung im Ofen geboten. Derartige Badbewegungen können z. B. durch eine Schubvorrichtung
erzeugt werden, die den Ofen um seine senkrechte Achse hin und her dreht, oder durch
eine Gaszuleitung in das Schmelzinnere, die besonders wirksam nahe der zentralen
RinnenmÜndung ist. Die erfindungsgemäßen Rinnen besitzen so hohe mechanische und
Abriebfestigkeit, daß sie die dadurch auftretenden-zusätzlichen Belastungen ohne
Schwierigkditen aushalten.
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Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Ofens zur Stahlherstellung kann:
flüssiges Roheisen allein oder in beliebigen Mengenverhältnissen mit festem Beschickungsmaterial
eingesetzt werden. Das Verfahren benötigt keine gasförmigen Sauerstoffquellen, sondern
benutzt nur Metalloxyde als Sauerstofflieferanten, wie z. B. Fe0, Fee, 03, Cr
0., MnO, für die Frischreaktion. Der Gesamiwärmebedarf wird dabei aus der
elektrischen Leistung der Induktionsrinne gedeckt. Er setzt sich zusammen aus der
Wärme für das Aufheizen von Stahl und Zuschlägen aus der Legierungswärme, der Verlustwärme,
des Ofens abzüglich der positiven Wärmetönung der Oxydation der Eisenbegleitelemente
unter Reduktion der zugesetzten Oxyde. Diese Verfahrensweise vermeidet durch den
völligen Abschluß des Stahlbades von der Luft die Aufnahme unerwünschter Gase, wie
z. B. Stickstoff und Wasserstoff, und verlängert die Standzeit des Feuerfestmaterials
im Oberofen wegen der fehlenden Energiezufuhr und der dadurch bedingten verhältnismäßig
niedrigen Temperatur.
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Die Reaktionsgeschwindigkeit kann gesteuert, insbesondere beschleunigt
werden durch eine Hin- und Herdrehung des Ofengefäßes. Der Stoffaustausch zwischen
den Reaktionspartnern Schlacke und Stahlbad wird bekanntlich durch eine Relativbewegung
zwischen diesen gefördert. Im vorliegenden Fall wird die Relativbewegung durch verschiedene
Zähigkeiten von Schlacke und Stahlbad und dadurch verschiedene, bei Beschleunigung
und Verzögerung der Ofendrehung vom Ofen übertragene Drehmomente bewirkt.
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Die Zuleitung von Gas in das Schmelzeninnere fördert ebenfalls den
Stoffaustausch zwischen Schlacke und Stahlbad und bietet darüber hinaus die Möglichkeit,
durch Auswaschen von im Stahl gelösten Gasen und/oder durch chemische Reaktionen
zwischen dem eingeleiteten Gas und dem Stahlbad den Reinheitsgrad des Stahles zu
verbessern.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Ofen nach der Erfindung im vertikalen Schnitt,
F i g. 2 einen Schnitt nach der dazu senkrechten Ebene II-H, F i g. 3 einen Schnitt
nach der waagerechten Ebene III-III.
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Der Induktionsrinnenofen besteht aus dem Oberofen 1, der mit Feuerfestmaterial
2 ausgemauert und mit einem Deckel 3 und einer Absauge- und Zugabeleitung 4 versehen
ist, sowie aus dem Induktionsrinnenteil 5, der mittels des Flansches 6 am Oberofen
abnehmbar gehaltert ist. Die Induktionsrinnen 7 werden von einem Eisenjoch 8 mit
Wicklung und Kühlung 9 durchsetzt. Der Flansch 10 ermöglicht einen einfachen Einbau
des Joches mit Wicklung und Kühlung. Zum Zweck des Abstichs ist der Ofen um die
Achse 11 kippbar gestaltet, so daß der Stahl über die Abstichrinne 12 ganz ausfließen
und der Ofen einschließlich der Rinne völlig entleert werden kann. Die Hin- und
Herdrehung des Ofens um eine zum Ofen senkrechte Achse wird durch die Schubvorrichtung
13 bewirkt. Der Ofen läuft dabei mit Rollen 14 über einen Spurkranz 15. Der Flansch
16 der Absauge- und Zugabeleitung 4 ist drehbar und zum Zweck des Ofenabstichs leicht
abnehmbar eingerichtet. Mit Hilfe der Gaseinlaßlanze 17 kann Gas in die Nähe der
zentralen Rinnenmündung 18 geleitet werden. Beim Betrieb ist der Ofen mit der Ofentür
19 und durch Verstopfen der Abstichrinne 12 in bekannter Weise abgedichtet.
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Im folgenden wird ein Beispiel zur Stahlerzeugung mit dem erfindungsgemäßen
Ofen erörtert.
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Der etwa 30 t fassende Ofen wird mit einer Induktionsrinne mit etwa
2000 oder 4000 kW Leistung beheizt. Es werden 26 t flüssiges Roheisen von 1300°
C eingesetzt mit folgender Analyse: C 4,0%, Si 0,65'%. Mn 1,40 %; P 0,20 II/o, S
0,05 0%.
Die Einschaltung der Induktionsheizung erfolgt dann, wenn
der Rinnenkana17 mit flüssigem Eisen gefüllt ist. Nach Aufheizen des Roheisens im
Binneninduktor auf etwa 1450° C werden kontinuierlich die Mengen an trockenem wasserfreiem
Kalk oder Kalksteinsplitt und Eisenoxyd in Form von vorreduzierten Pellets oder
Erz zugegeben, die zur Einstellung des Basizitätsgrades der Schlacke und zum Oxydieren
der Stahlbegleitelemente, wie Silizium, Mangan, Phosphor und Kohlenstoff, erforderlich
sind. Der Gesamtwärmebedarf wird über die Induktionsrinnenheizung zugeführt.
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Durch Einleiten von Gas über die Lanze 17 sowie durch Drehen des Ofens
um seine senkrechte Achse mit Hilfe der Schubvorrichtung 13 kann sowohl der Austausch
des Stahles in der Rinne 7 mit dem Stahl 20 im Oberofen 1 als auch die Relativbewegung
und damit der Stoffaustausch zwischen dem Stahl 20 im Oberofen und der Schlacke
21 beschleunigt werden. Nach Einstellung der gewünschten Endanalyse wird der Ofen
durch Kippen um seine Achse 11 einschließlich des Binneninhaltes abgestochen. Sofort
anschließend wird der Ofen wenigstens bis zum Oberteil der Rinne 7 wieder mit flüssigem
Roheisen gefüllt und die Heizleistung der Induktionsrinne zumindest so stark eingeschaltet,
daß der Binneneinsatz flüssig bleibt. Damit ist der Ofen für die Aufnahme der nächsten
Charge bereit.
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Die folgende Tabelle gibt eine Stoff- und Wärmebilanz für das obige
Beispiel:
| Stoffumsatz |
| Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 000 kg Roheisen |
| flüssig |
| 7 700 kg Fe0 |
| 1350 kg gebrann- |
| ter Kalk |
| Ausbringen . . . . . . . . . . . . . . . . 29,3t Rohstahl |
| flüssig |
| 2,2 t Schlacke |
| flüssig |
| Wärmeumsatz |
| Einnahme |
| 25 000 kg Roheisen flüssig 6,50 - 106 kcal |
| Reaktionswärme . . . . . . . . . 4,00.106 kcal |
| Ausgabe |
| (bei Fe0) |
| 29,3 t Stahl flüssig ....... 9,70 - 106 kcal |
| 2,2 t Schlacke flüssig .... 1,00 - 106 kcal |
| Reduktionswärme 5,7 t Fe |
| aus Fe0 . . . . . . . . . . . . . . 8,50 - 106 kcal |
| Verbrauch ohne Abstrah- |
| lung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8,70. 106 kcal |
| Abstrahlung . . . . . . . . . . . . . 500 kW |
| Chargendauer . . . . . . . . . . . 6,75 Stunden |
| Verbrauch je Tonne Stahl |
| flüssig . . . . . . . . . . . . . . . . 460 kWh |
Eine verminderte Verlustwärme des Ofens tritt dann auf, wenn eine wärmeabsorbierende
Gasschicht über der Schmelzenoberfläche erzeugt wird, z. B. durch Bildung von Kohlendioxyd
infolge Verbrennens des aus der Schmelze entweichenden Kohlenmonoxyds mit Sauerstoff.
Eine beachtliche Verkürzung der Chargendauer ist zu erzielen durch Erhöhung der
der Induktionsrinne zugeführten Leistung. Bei einer Leistung von z. B. 4000 kW verkürzt
sich die Chargendauer auf 2,9 Stunden.
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Bei einer anderen Betriebsweise wird der Ofen mit einer kleinen flüssigen
Roheisen- oder Stahlmenge angefahren und die Restbeschickung in Form von festem
Roheisen, Schrott oder Eisenschwamm eingesetzt. Das Frischen und die Schlackenarbeit
beginnen dabei erst nach dem vollständigen Aufschmelzen des festen Einsatzes. Bei
hohen Phosphor-, Schwefel- und Siliziumgehalten des Einsatzes ist unter Umständen
ein mehrfacher Schlackenwechsel zur Erzielung der gewünschten hohen Stahlqualitäten
angezeigt.
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Zum Zwecke einer Legierung und Desoxydation des Stahles im Ofen, z.
B. mit Aluminium oder Silizium wird das Stahlbad völlig abgeschlackt und im Ofen
eine Inertgasatmosphäre mit geringem überdruck eingestellt. Dazu wird die Ofentür
19 geschlossen und das Inertgas z. B. über die Leitung 4 eingeleitet.