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Gegenstand der Erfindung ist ein weitgehend variierbares Verfahren
mit einer hierfür geeigneten Vorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzen, wie
z. B. zum Entschwefeln, Aufkohlen und Legieren von Roheisen, Entgasung usw.
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Bekannt ist das sogenannte Kaldo-Verfahren, bei dem ein metallurgisches
Gefäß mit einer Metallschmelze zur verhältnismäßig schnellen Rotation gebracht wird,
und zwar unter einem Winkel der Gefäßachse von etwa 15 bis 200 zur Horizontalen.
Dabei werden gute Mischeffekte erreicht, während aber die Abscheidung fester, flüssiger
oder gasförmiger Fremdbestandteile sehr begrenzt ist.
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Bekannt sind weiterhin sogenannte Wirbelkarusselle, bei denen eine
Pfanne mit der Schmelze in senkrechter Stellung im Reversierbetrieb, also in wechselnden
Drehrichtungen rotiert. Hierdurch ist der Mischeffekt begrenzt, während die Abscheidung
beispielsweise von untergemischter Schlacke und auch die Entgasung besonders bei
einseitig rotierendem Betrieb infolge der Zentrifugierwirkung vorzüglich ist.
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Das Kaldo-Verfahren, welches für die Stahlerzeugung aus Roheisen
mit oder ohne Schrott- und Erzzusätze angewendet wird, benötigt relativ voluminöse
und schwere Gefäße, damit der Inhalt in der ziemlich flachen Rotationslage nicht
überkocht, die ihrerseits wieder wegen der Überblasung des Bades mit Sauerstoff
erforderlich ist. Die sichere Lagerung derartiger schnell rotierender schwerer Gefäße
macht aufwendige Einrichtungen erforderlich, beispielsweise Gefäßlaufringe und ein
Mehrfachrollensystem mit Radial- und Axial- oder Spurrollen, die in einem gleichfalls
sehr aufwendigen großen kippbaren Tragrahmen untergebracht werden müssen. Die Volumenausnutzung
der Kaldo-Gefäße zur Füllung mit Schmelzen, also der Füllungsgrad, beträgt dabei
höchstens 20 bis 22 01o, weil andernfalls ein Überkochen oder sogar ein Überlaufen
des Gefäßinhaltes eintreten würde.
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Durch die deutsche Patentschrift 480 617 ist ein um 2600 drehbarer,
schräg gelagerter Schmelzofen bekanntgeworden, der ähnlich wie der Kaldo-Konverter
ständig um seine schrägliegende Achse gedreht wird, der zwar infolge seiner Formgebung
ein größeres Fassungsvermögen aufweist, sonst aber im Hinblick auf seine Verwendungsmöglichkeiten
ähnlich wie der Kaldo-Konverter begrenzt ist.
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Bekannt ist außerdem eine sogenannte Schleuderpfanne, die als drehbare
Pfanne mit der Schmelze unter einem Winkel ihrer Achse von 1,50 um diese Achse rotiert,
wobei die Drehgeschwindigkeit stufenlos regelbar ist. Die Pfanne ist dabei in ein
kegelförmiges Schleudergerüst eingehängt und mit diesem dann starr verbunden. Durch
die Drehung des kegelförmigen Schleudergerüstes wird erreicht, daß sich die Schleuderpfanne
sowohl langsam um ihre Pfannenachse dreht als auch in einer unübersichtlich erscheinenden
Weise an der Innenwand eines Wälzbahnrahmens abwälzt. Die Richtung der Pfannenumdrehung
und die Richtung des Abwälzvorganges verlaufen dabei nebeneinander entgegengesetzt.
Ein Zentrifugieren ist mit dieser Schleuderpfanne nicht möglich.
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Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 627 125 eine Vorrichtung
zum Ausschleudern von Verunreinigungen aus Eisenschmelzen mittels einer drehbaren,
senkrecht stehenden Pfanne bekannt. wobei vorgesehen ist, zum Schluß des Schleuderns
die Um-
drehungszahl der Vorrichtung ganz langsam und allmählich herabzusetzen, so
daß die ausgeschiedenen Teile ohne weitere Störung an die Oberfläche gelangen und
ausgeschieden werden können. Der Mischeffekt dieser Anlage ist aber ähnlich wie
bei den oben und nachstehend nochmals erwähnten Wirbelkarussellen bzw. Wirbelpfannen
begrenzt.
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Das in den bekannten Wirbelpfannen - bei denen die Drehachse des
Behandlungsgefäßes senkrecht steht - mittels Reversierbetrieb zur Anwendung gebrachte
Verfahren hat für sich allein den Nachteil, daß die Baddurchwirbelung, die sich
zur Behandlung von Metallschmelzen als maßgebender Faktor erwiesen hat, z. B. zur
schnellen intensiven Kontaktaufnahme mit Zuschlägen, Kalk usw., praktisch nur etwa
zur Hälfte der Behandlungszeit erzielt werden kann. Die Restzeit hingegen wird jeweils
immer wieder erst zum Aufbau eines Rotationsparaboloides im Gefäß benötigt. Die
durch Reversieren und Zusammenstürzen des Rotationsparaboloides erzielbare Verwirbelung
des Bades ist dann allerdings beträchtlich. Auch beträgt der Füllungsgrad derartiger
Pfannen bzw. Gefäße bei geeigneter Form - d. h. nach oben hin konisch verengt -
etwa 60 bis 70 Olo des Gefäßvolumens, insbesondere, wenn man das Rotationsparaboloid
nicht erst sehr hoch ansteigen läßt (die Randspitzen bringen ohnehin keine wesentlichen
Vorteile), wenn man also verhältnismäßig kurzfristig reversiert. Ein weiterer, dann
besonders spürbarer Nachteil eines derartigen reinen Reversierbetriebes liegt jedoch
auch in dem verhältnismäßig hohen Energieverbrauch, der durch die wiederholten Drehbeschleunigungen
und Abbremsungen der Totmassen, also der ausgemauerten Pfanne und ihres Drehtisches
oder ihrer sonstigen Halterung eintritt.
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Eine Einrichtung zur Aufspeicherung der Rotationsenergie, also die
Anwendung eines Drehpendelsystems, würde die Anlage erheblich verteuern und verkomplizieren.
Außerdem wäre damit der Nachteil, daß etwa nur die Hälfte der Arbeitszeit zur Verwirbelung
des Bades ausgenutzt werden kann, nicht beseitigt, zumal ein Zeitverlust hier auch
stets mit einem Wärmeverlust des Bades verbunden ist.
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Bekannt ist ferner ein weiteres Verfahren mit einem sogenannten Resonator,
wobei ein mit schräg stehender Achse rotierendes Gefäß benutzt wird, dessen Ausmauerung
an den Wänden und am Boden so gestaltet ist, daß durch die Abweichungen von der
Zylinderform zusätzliche Verwirbelungen herbeigeführt werden. Durch Sauerstoffaufblasen
kann bei diesem Verfahren gleichzeitig eine Entkohlung des Eisens durchgeführt werden.
Zur Entgasung ist aber dieses Verfahren auch nur sehr beschränkt verwendbar.
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Die vorliegende Erfindung besteht nun durch Kombination an sich teilweise
bekannter Verfahrensschritte darin, daß die Metallschmelze in eine um ihre geometrische
Achse drehbare und in senkrechter Ebene kippbare Pfanne eingebracht wird und daß
die Pfanne mit der Schmelze um ihre bis zu 400 zur Vertikalen geneigten Drehachse
in gleichgerichtete oder reversierende Rotation gebracht und anschließend mit senkrecht
stehender Drehachse in schnelle Rotation versetzt wird, wonach die Drehgeschwindigkeit
langsam bis zum Stillstand herabgesetzt wird.
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Beim Rotieren mit geneigter Drehachse erfolgt dabei die Durchmischung
der Schmelze mit Legierungsmitteln,
Aufkohlungsmittel, Entschwefelungsmitteln
od. dgl., und in dem anschließenden Verfahrensschritt durch Zetnrifugieren bei senkrecht
gestellter Achse der Pfanne erfolgt die Entgasung und die Abscheidung der Schlacke
und anderer leichter Reaktionsprodukte auf der Badoberfläche. Bei der dann anschließenden
langsamen Herabsetzung der Drehbewegung bis zum Stillstand findet keine erneute
Durchmischung statt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Wirbelpfannen in einem kippbaren
System anzuordnen. Der Grund hierfür lag dann jedoch darin, die Pfanne nach der
Behandlung der Schmelze möglichst schnell entleeren zu können, um Zeit- und besonders
auch Wärmeverluste zu vermeiden. Mit einem gleichzeitig kippbaren und rotierbaren
System läßt sich nun aber auch ohne großen zusätzlichen Aufwand eine weitgehend
variierbare Verfahrenstechnik im Sinne vorliegender Erfindung zur Anwendung bringen.
So haben Modellversuche ergeben, daß mit derartigen, oben mit einem sich verengenden
Konus ausgestatteten Pfannen auch ohne Reversierbetrieb, also bei gleichbleibender
Rotation in einer Drehrichtung - wie beim Kaldo-Gefäß -, bereits eine nicht unerhebliche
Badverwirbelung erzielt wird, wenn die Pfanne lediglich bis zu etwa 20 bis 250 auf
der Senkrechten angekippt und zur Rotation gebracht wird.
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(Neigung 65 bis 700 zur Horizontalen gegenüber 15 bis 200 beim Kaldo-Gefäß).
Die Drehgeschwindigkeit soll dabei einerseits möglichst hoch, andererseits jedoch
so begrenzt sein, daß noch kein Rotationsellipsoid bzw. -paraboloid beständig zur
Ausbildung kommen kann. Daß sich kein Rotationsellipsoid in gleicher Höhe (worin
sich ja schließlich alles zur Gefäßwand in Ruhe befindet) mehr ausbilden kann, ist
wichtig, weil die Energie jetzt durch den Einfluß der Erdgravitation unmittelbar
zur Erzeugung von Strömungen und Verwirbelungen im Metallbad mit herangezogen wird.
Es tritt dann also nur noch ein gewisser einseitiger Aufstau der Flüssigkeit nach
der Seite hin auf, nach der die Pfanne hin angekippt wird.
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Dieser einseitige Aufstau der Flüssigkeit nach der Kipprichtung hin
wird jedoch immer geringer, je weiter die Pfanne angekippt wird, um schließlich
in das Strömungsbild mit erheblicher Turbulenz und Verwirbelung überzugehen, welches
sich zwar auch bei Kaldo-Gefäßen bei 70 bis 750 Kippwinkel zur Vertikalen ergibt,
jedoch mit keinerlei Flüssigkeitsaufstau mehr zur Kipprichtung hin. Dieser Aufstau
oder das Aufklettern der Flüssigkeit nach der Ankipprichtung hin, solange der Kippwinkel
aus der Vertikalen gering ist - also gewissermaßen ein Übergangsstadium zwischen
dem reinen Rotationsparaboloid bei Senkrechtstellung und der reinen Kaldo-Badumwälzung
- nimmt mit zunehmendem Kippwinkel des Gefäßes sehr schnell ab bzw. verlagert sich
zur hochlaufenden Gefäßwand hin, wodurch die Gefahr, daß Badflüssigkeit aus dem
Gefäß geschleudert wird, mit zunehmendem Kippwinkel aus der Vertikalen ebenfalls
sehr schnell verringert wird.
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Gerade diese Erscheinung wird hier erfindungsgemäß in sehr vorteilhafter
Weise mit ausgenutzt. Bei geeigneter Form des Gefäßes kann man es dann nämlich verhältnismäßig
weit ankippen, ohne daß - trotz hohen Füllungsgrades - Badflüssigkeit über den Gefäßrand
gelangen kann. Andererseits ist aber bei weitem kein so starkes Ankippen der Rotationsachse
wie beim Kaldo-Verfahren erforderlich. Es hat sich
gezeigt, daß bereits bei einem
Kippwinkel von 35 bis 400 aus der Vertikalen praktisch kein nennenswertes Aufklettern
der Badflüssigkeit nach der Ankipprichtung hin mehr auftritt - lediglich ein geringfügiges
und völlig belangloses Aufklettern an der hochlaufenden Gefäßwandund daß dann bereits
ein intensives Durcheinanderströmen und Verwirbeln auftritt.
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Ein großer Vorteil gegenüber dem Kaldo-Verfahren liegt darin, daß
das Gefäß auf Grund seines weitaus höheren Füllungsgrades für eine gleich große
Metallschmelze ganz erheblich kleiner ausgebildet werden kann als ein Kaldo-Gefäß
für eine gleich große Charge.
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Außerdem ergibt sich ein für das Verfahren noch viel wesentlicherer
Vorteil, nämlich der eines minimalen Wärmeverlustes durch die geringe Gefäßgröße
und Gefäßoberfläche, wodurch eine Schmelzenbehandlung im Sinne vorliegender Erfindung,
d. h. ohne zusätzliche Wärmezufuhr, überhaupt erst ermöglicht wird. Gegenüber dem
reinen Reversierverfahren in Senkrechtstellung des Gefäßes liegt der Vorteil dann
in der Zeit- und Energieersparnis, die durch eine fortwährende Badverwirbelung erzielt
werden kann, und zwar selbst dann, wenn man das Gefäß zur zeitweiligen Verstärkung
der Badverwirbelung auch noch wiederholt reversiert. Durch die Schräglage des Gefäßes
kommt die Badflüssigkeit auch dann zwischenzeitlich nicht zur Ruhe.
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Die Rotation des Gefäßes bei schräg stehender Achse mit wechselnder
Drehrichtung kann besonders dann von Vorteil sein, wenn Behandlungsmaterialien mit
der Schmelze vermischt werden sollen, deren spezifisches Gewicht kleiner ist als
das der flüssigen Schmelze.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird eine besonders geeignete Vorrichtung
und eine für eine Rotation unter bis zu etwa 400 aus der Vertikalen besonders geeignete
Gefäßform mit konischem Oberteil vorgeschlagen, die einen für diese Rotationsstellung
maximalen Füllungsgrad ohne Gefahr des Überlaufens oder Herausschleuderns von Badflüssigkeit
besitzt. Sie kann zur weiteren Verringerung der Wärmeverluste durch Abstrahlung
aus der Gefäßmündung zusätzlich mit einem Deckel versehen werden.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein derartiges Gefäß
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner Dreh- und Kippvorrichtung,
und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Dreh- und Kippvorrichtung mit
dem Kippantrieb auf der einen und dem Drehantrieb auf der anderen Seite, Fig. 2
einen Querschnitt durch die Vorrichtung und das Gefäß in schräger Rotationsstellung,
Fig. 3 eine Ansicht des Gefäßes von oben bei abgenommenem Deckel.
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Im einzelnen zeigt F i g. 1 das Gefäß 1 mit Deckel 2 und Tragflansch3
und dem mitrotierenden Haltering 4, der unten mit dem Stirnradkranz 5 versehen ist.
Die Drehlagerung des Gefäßes erfolgt mittels eines großen, das Gefäß umgebenden
Kugeldrehkranzes 6, der sowohl Axial- wie Radialkräfte und Momente zu übertragen
in der Lage ist. Der Kugeldrehkranz 6 ist einerseits am Haltering 4, andererseits
an dem kippbaren, das Gefäß konzentrisch umgebenden Tragring7 in der bei Kugeldrehkränzen
üblichen Weise mit Schrauben befestigt, so daß das Gefäß zum Entleeren auch ohne
weiteres in die Kopfstellung gekippt werden kann. Der Drehantrieb erfolgt vom Motor
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über eine elastische Kupplung 9 mittels einer in der Hohlwelle
10 gelagerten Kegelritzelwelle 11, deren Kegelritzel 21 in ein Kegelrad 22 der Vorgelegewelle
12 eingreift. Die Vorgelegewelle 12 weist außer dem Kegelrad 22 auch ein Stirnrad
23 auf, welches in den großen Stirnzahnkranz 5 eingreift. Die Ausführung mit Vorgelegewelle
ist deshalb besonders vorteilhaft, weil die Herstellung der Zahngetriebe dann für
einen geräuscharmen Lauf technisch einfacher durchführbar ist als ein einfacher
Kegelradantrieb mit hierfür ungewöhnlich großem Kegelradzahnkranz. F i g. 1 zeigt
ferner einen von Stahlwerkskonvertern her bekannten Kippantrieb mit Motor 13, Kegelstirnradgetriebe
14 und Zahnrädertrieb 15, dessen großes Zahnrad auf der Kippachse 16 befestigt ist.
Die gesamte Einrichtung ruht auf Betonsockeln 17 und 18 mit dazwischen angeordneten
Druckmeßdosen oder Preßduktoren 19 zur elektrischen Gewichtsanzeige des Pfanneninhaltes.
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Die Preßduktoren sind beiderseits jeweils zu dritt vorgesehen, je
zwei innen zur Aufnahme der Hauptlast, je einer außen zur Aufnahme der Nebenlast.
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Hierdurch kann eine beiderseits statisch bestimmte, annähernd gleichmäßige
Belastung der Preßduktoren erzielt werden, wie sie für genauere Wägungen erforderlich
ist. Ermöglicht wird dies insbesondere durch die gleichmäßige Lastverteilung infolge
Anordnung des Dreh- und Kippantriebes auf verschiedenen Seiten.
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Fig. 2 zeigt das Gefäß 1 in einer Arbeitsstellung von etwa 350 zur
Vertikalen. Das Gefäß ist gemäß F i g. 3 oben mit mehreren - hier vier - diametral
gegenüberliegenden kurzen Ausgußschnauzen 1 a versehen, was den Sinn hat, daß das
Gefäß nach der Badbehandlung nicht erst weit gedreht zu werden braucht, um den Ausguß
in die richtige Stellung zu bringen. Gegenüber Abstichlöchern im Gefäßkonus hat
diese Ausführung auch den Vorteil einer besseren Ausnutzung des Gefäßvolumens. Daß
die Ausgußschnauzen vom Deckel 2 nicht mit verschlossen werden, ist belanglos, weil
der Deckel lediglich als Strahlungsschutz zur Vermeidung von Wärmeverlusten, nicht
aber zur Abdichtung dient. In Fig. 2 eingezeichnet ist ferner die Metallschmelze
20 bei einem volumetrischen Füllungsgrad des Gefäßes von rund 75 01o.
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Die beschriebene und dargestellte Einrichtung mit Drehantrieb des
Gefäßes über eine Hohlwelle ist zwar dem Prinzip nach von Betonmischern her bekannt,
doch wird sie für den vorliegenden Fall durch die erfindungsgemäße Anwendung eines
alle Kräfte und Momente übertragenden, reibungsarmen Kugeldrehkranzes 6 in eine
technisch zweckmäßig und einfache Form gebracht.
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Mit der beschriebenen und erläuterten Vorrichtung kann beispielsweise
auch ohne weiteres das an sich bekannte Verfahren des Reversierbetriebes bei senkrechter
Gefäßstellung zur Durchführung gebracht werden, wobei der Kippantrieb dann lediglich
zur schnellen Entleerung des Gefäßes herangezogen zu werden braucht. Ebenso kann
man die beschriebene Vorrichtung mit einer an sich bekannten Lanzeneinrichtung zum
Aufblasen von Sauerstoff auf das Metallbad z. B. zur Herstellung von Stahlguß kombinieren.
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Erfindungsgemäß wird nun das Verfahren mit mehreren Varianten vorgeschlagen,
welche je nach Art und Beschaffenheit der zu behandelnden Schmelze einzeln oder
auch kombiniert zur Anwen-
dung gebracht werden können. Eine Variante besteht darin,
das Gefäß mit der Schmelze in Kippstellung, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt
ist, einfach in gleichbleibender Richtung rotieren zu lassen.
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Wie bereits dargelegt, tritt dann bereits eine beträchtliche Verwirbelung
des Gefäßinhaltes ein. Außerdem wird hierbei der geringste Enregieaufwand benötigt,
weil die Totmassen nur ein einziges Mal beschleunigt zu werden brauchen, während
nach Erreichen der Beharrungsdrehzahl nur noch die Enregie zur Wirbelerzeugung und
zur Deckung der mechanischen, insbesondere der Reibungsverluste im Drehantrieb zugeführt
zu werden braucht. Zum Abscheiden von gasförmigen, flüssigen und/oder festen (wie
z. B. im ersten Verfahrensschritt gebildeter Entschwefelungsschlacke) Bestandteile
von der Metallschmelze wird das Gefäß nach Durchführung des Misch- bzw.
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Reaktionsvorganges in senkrechte Lage gebracht und dann in schnelle
Rotation versetzt, so daß solche Bestandteile sich dann unter der Zentrifugierwirkung
von der Schmelze trennen bzw. abscheiden. Um ein Wiedervermischen zu verhüten, läßt
man die Drehbewegung des Gefäßes dann langsam auslaufen.
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In besonderen Fällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, das Gefäß
sowohl eine gleichgerichtete Rotation als auch gleichzeitig eine Nutation, d. h.
eine Nickbewegung in der Kippebene ausführen zu lassen, beispielsweise zwischen
25 und 350 zur Vertikalen.
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Eine weitere Variante besteht darin, das Gefäß in einer etwas weniger
geneigten Stellung, also beispielsweise unter 20 bis 250 zur Vertikalen, sowohl
zeitweilig in gleichbleibender Richtung zu rotieren als auch in gewissen Zeitabständen
zu reversieren. Diese Variante hat gegenüber dem reinen Reversierbetrieb bei senkrechter
Gefäßstellung den Vorteil, daß hierbei die sonst zum Aufbau eines Rotationsparaboloides
notwendige Zeit nicht mehr restlos verlorengeht, einfach weil überhaupt kein Rotationsparaboloid
mehr aufgebaut wird. Vielmehr findet dann ein einseitiger Flüssigkeitsaufstau statt,
und es erfolgt auch während der Drehrichtungsumkehr ständig noch eine Badverwirbelung,
die dann bei Erreichen der Gegendrehrichtung in besonderem Maße intensiviert wird.
Auf diese Weise findet eine Kombination der in Schräglage erzielbaren mit der durch
Reversieren zeitweilig besonders intensiv erreichbaren Verwirbelung und damit eine
besonders gute Durchmischung statt.
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Ferner besteht auch die Möglichkeit, sowohl eine Rotation, eine Nutation
und auch ein zeitweiliges Reversieren einzuleiten oder auch ein ständiges Reversieren
mit Nutationsbewegungen. Je nach den Erfordernissen des Bades, seiner Temperatur,
seines Volumens und seiner Zusammensetzung sowie der eventuellen Zuschläge können
mit der beschriebenen Vorrichtung auch alle diese erwähnten Behandlungsvarianten
zur Durchführung gelangen.