DE1458812A1

DE1458812A1 - Vorrichtung zum Vakuumbehandeln von Schmelzen,insbesondere Stahlschmelzen,und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE1458812A1
Application number: DE19651458812
Authority: DE
Inventors: Sickbert Dipl-Ing Adolf; Stich Dipl-Ing Dr Wilhelm
Original assignee: Fried Krupp Huettenwerke AG
Current assignee: Fried Krupp Huettenwerke AG
Priority date: 1965-02-04
Filing date: 1965-02-04
Publication date: 1969-02-13
Also published as: BE676047A; LU50360A1; NL6601376A; JPS4822561B1; SE300229B; AT286338B; FR1508083A; GB1082413A

Description

Bochumer Verein für

Gußstahlfabrikation AG.

Bochum \ T„^I· '[ZZ^- ' 2. Februar I965

Vorrichtung zum Vakuumbehandeln von Schmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, und Verfahren zu ihrem Betrieb

Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zum Vakuumbehandeln von Metallschmelzen, insbesondere von Stahlschmelzen.

Die Vorrichtung soll eine weitgehende Entgasung durch Vakuum ermöglichen, sie soll weiterhin geeignet sein, ein kontinuierliches Zu- und Abfliessen der Schmelze, insbesondere zu Stranggiesskokillen zu gestatten, ferner den Vorgang ganz oder teilweise zu automatisieren.

Die Vorrichtung besteht aus einem mit Vakuumsaugleitung versehenen Evakuierungsgefäss nach Art des beim sogenannten Umlauf-EntgasungsVerfahrens bekannten Behälter (vergleiche Williams-Patent USA I 921 060). Dieser Umlauf-Evakuierungsbehalter besitzt einen in die Schmelze eintauchenden Rüssel, durch den die Schmelze aus dem sie enthaltenden Schmelzengefäss, das auch ein metallurgischer Ofen sein kann, z. B. SM-Ofen, Elektro-Ofen, Wind- oder Sauerstoff-Prischgefäss, in den Umlauf-Evakuierungsbehalter hochgesaugt werden kann (Hochsaugerüssel), und andererseits einen zweiten Rüssel, durch den die Schmelze in ein anderes Gefäss abfliessen kann (Abflussrüssel).

Erfindungsgemäss ist das zum Aufnehmen der vakuumbehandelten Schmelze aus dem Abflussrüssel bestimmte Gefäss als eine Vakuumeinrichtung gestaltet.

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Der Abflussrüssel des Umlauf-Evakuierungsbehälters ist daher mit einem, mit Vakuumleitung versehenen Behälter (Gießstrahlentgasungskammer) vakuumdicht vereinigt.

Die Gießstrahlentgasungskammer, mit vorzugsweise geringerem Unterdruck als im Umlauf~Evakuierungsbehälter, besitzt ferner zweckmässig mindestens eine Auslassöffnung, um die Entnahme der Schmelze ohne Trennung der Kammer vom Abflussrüssel vornehmen zu können.

In manchen Fällen, insbesondere wenn die in die Gießstrahlentgasungskammer eintretende Schmelze eine starke Tendenz zum Divergieren besitzt, kann in der Gießstrahlentgasungskammer ein den Gießstrahl umhüllendes Mantelrohr angeordnet sein, welches ggf. bis in die Nähe des Bodens der Kammer reicht.

Die Gießstrahlentgasungskammer kann vorzugsweise eine Sauerstoffzugabevorrichtung, z. B. ein Blasrohr,besitzen.

Eine Auslassleitung der Gießstrahlentgasungskammer kann zu dem Schmelzenbehälter zurück--fuhren, z. B. mit ihm verbunden sein, womit ein Rückfluss des bereits vakuumbehandelten Stahles ermöglicht wird. Die Rückflussleitung kann mit einer Metallpumpe als Fördereinrichtung, vorzugsweise einer elektrischen Pumpe, versehen sein, mit der der Rückfluss entweder gefördert oder gedrosselt werden kann, oder auch in umgekehrter Richtung gearbeitet werden kann, z. B. um Metall aus dem Schmelzenbehälter zu fördern.

Die Vorrichtung kann an verschiedenen Stellen heizbar gemacht sein, und izwar kann der Hochsaugerüssel, der Umlauf-Evakuierungsbehälter, der Abflussrüssel, die Gießstrahlentgasungskammer und deren Abflüsse, nach Bedarf einzeln oder zu mehreren heizbar sein.

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Mit einer solchen Vorrichtung ist vor allem eine gesteuerte Entnahme der Schmelze durchführbar, wobei die den Umlauf-Evakuierungsbehälter durchlaufende Schmelzenmenge durch Änderung der barometrischen Höhe im Hochsaugerüssel und / oder durch eine Fördereinrichtung (Pumpe) gesteuert werden kann. Im ersteren Falle kann der Abstand zwischen dem Schmelzenniveau im Umlauf-Evakuierungsbehalter und dem Schmelzenniveau im Schmelzenbehälter, in den der Hochsaugerüssel eintaucht, und / oder der Unterdruck im Umlauf-Evakuierungsbehälter geändert werden. Bei Verringerung der Abstände dieser Schmelzenniveaux wird die Fördermenge vergrössert, bei VergrÖsserung des Niveauabstandes dagegen verkleinert, unter der Voraussetzung gleichbleibenden Unterdruckes im Umlauf-Evakuierungsbehalter. Es kann auch der Unterdruck geändert werden, z. B. durch Drosselung der Absaugeleitung oder durch gesteuerte Zugabe von "Falschgas", z. B. kontinuierlich oder pulsierend (z. B. Luft, CO₂; O₂; CO; tU; Argon; N₂; CCIj,; Methan Cl₂ usw. je nach beabsichtigter metallurgischer Aufgabenstellung. Durch diese Möglichkeiten ist es auch gegeben, eine Regulierung, insbesondere bei plötzlichem Nachfüllen in den Schmelzenbehälter, vorzunehmen.

Mit der Vorrichtung wird auch ein vollkontihuierliches Vakuumbehandeln und ggf. vollkontinuierliches Vergiessen möglich. Man braucht hierzu lediglich dem Aufsaugerüssel ständig neues Metall nachzuliefern und der Gießstrahlentgasungskammer entsprechend entgaste Schmelze zu entnehmen. Dabei kann man mit besonderem Vorteil die der Kammer entnommene Schmelze unmittelbar im Strang vergiessen. Eine solche Stranggiessanlage kann auch durch eine Druckgiessanlage ersetzt werden mit einem Absperrorgan zwischen ihrer Druckkammer und der Gießstrahlentgasungskammer. Auch ist das fortlaufende Giessen von Blöcken, Brammen und dergleichen mit Hilfe von Giesswagen oder entsprechendes Druckgiessen möglich«

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Die mit dieser Vorrichtung möglichen Behandlungsvorgänge, ζ. Β. das Evakuieren, das Zugeben von Behandlungsstoffen, auch Legierungsstoffen, sowie sonstige vakuummetallurgische Vorgänge, z. B_e das Entkohlen, das Frischen, das Zurückpumpen und das Vergiessen, können auch automatisch durchgeführt, und zwar selbsttätig gesteuert oder geregelt, werden,.

Zu diesen möglichen Vorgängen gehört auch die Entfernung von unerwünschten, bei Normaltemperatür festen Begleitelementen des Stahles, wie Kupfer, Blei, Zinn, Zink, Wismut, Antimon, Kadmium und Arsen. ' Diese werden zum Teil durch die Vakuumbehandlung, andererseits durch Zugabe von Mitteln verflüchtigt, welche den Partial-Dampfdruck des betreffenden Elementes oder seiner Verbindungen oder Legierungen erhöhen. Zu diesen Mitteln gehören insbesondere Halogene oder ihre Ve r ^i ndungen _o

In der Zeichnung ist ein Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung dargestellt, und zwar in Fig· I eine Vorrichtung ohne (in Fig. 2 mit) Rückfluss des vakuumbehandelten Stahles in den Schmelzenbehälterβ

Der Umlauf-Evakuierungsbehälter 1 mit der Vakuumsaugleitung 2 besitzt einen Hochsaugrüssei 3 sowie einen Abflussrüssel 4, der mit einerGießstrahlentgasungskammer 5 vakuumdicht verbunden ist.

Der Hochsaugrüssel 3 taucht in die im Schmelzenbehälter 6 (bei nichtkonti] nuierlichem Betrieb vorzugsweise Abstichpfanne), befindliche Schmelze ein, welche aus dem Nachfüllgefäss 7 (ggf. Ofen) nachgefüllt wird.

An die Gießstrahlentgasungskammer 5 ist in diesem Falle eine Stranggiess*; anlage 8 angeschlossen.

An den Abflussrüssel 4 schliesst sich hier ein Mantelrohr 9 an, welches bis in die Nähe des Bodens der Gießstrahlentgasungskammer 5 reicht. Diese Kammer wird durch die Saugleitung 10 evakuiert. Das Mantelrohr 9 besitzt vorzugsweise ein z. B. Sauerstoffblasrohr 28 zum Frischen von Stahl.

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In Fig. 2 sind dieselben Vorrichtimgsteile wie in Pig« I mit denselben Bezugszeicheη versehen» Abweichend von Pig· I ist die Ausstattung der Vorrichtung mit einem Rückil uss aus Gießstiahlentgasungskammer 5 in den Schmelzenbehälter 6 durch die Auslassöffnung 15 und Rückflussleitung 16 bzw. 16'« Die Rückflussleitung 16 besitzt eine elektrische Pumpe 17. Die Rückflussleitung 16 kann durch die Wandung des Schmelzenbehälters 6 geführt sein, sie kann aber stattdessen von oben in den Raum des Behälters 6 geführt sein, wie gestrichelt (16¹) dargestellt ist.

In dem Rückfluss können an beliebiger Stelle Absperrorgane, z. B. Stopfen, ggf. auch vakuumdichte Absperrorgane eingebaut sein. Von der elektrischen Pumpe 17 abgesehen sind die Absperrorgane nicht dargestellt,

21, 22 sind Schleusen für die Zugabe von Behandlungs- und Legierungsmitteln, 20 ein Mannlochverschluss.

Auch der zur Entnahme von Stahl dienende Auslass 11 ist zweckmässig mit einem Absperrorgan (Stopfen 12) versehen. Mit 18 ist eine Schräge bezeichnet, die eine gute Restentleerung der Gießstrahlentgasungskammer 5 gewährleistet. Schliesslich kann auch der Schmelzenbehälter 6 einen Ausguss mit Stopfenstange 26 besitzen, Der Schmelzenbehälter 6 kann auch als Endstelle der Behandlung, z. B, als Giesspfanne, benutzt werden, dann kann die Auslassöffnung 11 fehlen. Mit 23, 24 und 25 sind Zuleitungen für Gas, 2J und 25 insbesondere für ggf. vorgewärmtes oder vorerhitztes, z, B· auf 1000° C und mehr,"Liftgas" bezeichnet.

In den beiden Figuren sind die Niveaux der Schmelzen eingezeichnet, und zwar ist das Niveau in derGießstrahlentgasungskammer 5 mit 14, das Niveau im Schmelzenbehälter 6 mit 15 und das Niveau in dem Um3auf-Evakulerungsbehälter 1 mit 27 bezeichnet. Der

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Niveau-Unterschied zwischen 15 und 27 muss weniger als der barometrische Druck sein, also weniger als 1 4-00 mm bei flüssigem Stahl betragen, damit der Stahl durch den barometrischen Druck in das Gefäss 1 befördert wird, 3ei Zuführung von "Liftgas" oder·Anwendung einer elektrischen Pumpe (17^!) kann die Höhe entsprechend der Wirkung dieser Mittel grosser sein. Ferner muss das Niveau 14 gegenüber dem Austritt mindestens l400 mm hoch liegen« Diese Niveauhöhe kann geringer sein, wenn in dem Abfluss 11 eine Fördereinrichtung, z. B₀ eine elektrische Pumpe 17"1 vorgesehen ist»

Für den besonderen Fall der Fis. 2 ist noch folgendes zu beachten!

Wenn die Rückflussleitung 1β bzw, 16^T zwischen Kammer 5 und Behälter 6 in Tätigkeit treten soll,"muss ggf. vorhandener zu geringer Niveau-Unterschied durch Betätigung einer Fördereinrichtung 17, z. B. einer elektrischen Pumpe, ausgeglichen werden. Durch diese Fördereinrichtung 17 kann der Abfluss aus der Gießstrahlentgasungskammer 5 geregelt werden, und zwar auf folgende Weise:

1. Bei geschlossenem Abflußstutzen 11 kann die gesamte entgaste Schmelze über die Rückflussleitung 16 bzw» 16¹ in den Behälter 6 zurückfHessen, ggf« unterstützt durch die Fördereinrichtung 17.

2. Bei Verhinderung des Rückflusses fliesst die Schmelze bei geöffneter Ausflussöffnung von 11 aus dem System aus,

J3. Bei geöffnetem Ausfluss 11 kann dessen Ausflussmenge durch eine Bemessung des Rückflusses gesteuert werden.

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Mit derVorrichtung gemäss der Erfindung lassen sich insbesondere Stähle £ier Art, seien es unlegierte oder legierte Stähle, herstellen. Es lassen sich auch in einfaeherWeise besonders kohlenstoffarme Stähle herstellen. Die Kohlenstoffarmheit ist bekanntlich besonders wichtig bei korrosionsbeständigen Stählen, bei magnetisch alterungsbeständigen Stählen oder auch bei Stählen, bei denen es auf magnetische oder elektrische Eigenschaften ankommt, insbesondere Dynamo- oder Transforma*- torenstähle. Die Herstellung besonders kohlenstoffarmer unlegierter oder legierter Stähle kann derart erfolgen, dass ein Stahlbad behandelt wird, welches in einem beliebigen Frischgefäss (SM-Ofen, Elektro-Ofen, Wind- oder Sauerstoff-Prischgefäss) auf Kohlenstoffgehalte in der Grössenordnung von etwa 0,025 bis 0,12 %, vorzugsweise 0,03 bis 0,06 %, eingestellt und unberuhigt abgestochen worden ist, wobei das Vakuum im Behälter zu den im Behandlungsgut vorhandenen Kohlenstoff-, und entsprechenden, vorhandenen oder herbeigeführten Sau erstoff-Mengen, so eingestellt wird, dass Kohlenstoffgehalte unter 0,025, vorzugsweise unter 0,0080 und noch besser unter 0,0050 %, erreicht werden.

Für die Entkohlungsbehandlung ist es von besonderem Vorteil, wenn in dem Evakuierungsbehälter und / oder in der Gießstrahlentgasumgskammer während der Vakuumbehandlung oder eines Teiles davon ein Sauerstoff-Partialdruck von einigen Torr aufrechterhalten wird· Für den Fall, dass Desoxydations-, Denitrierungs- und / oder sauerstoffempflindliche Legierungsmittel zugegeben werden, ist es zweckmässig, diesen Sauerstoff-Partialdruck im Vakuum nur vor der Zugabe der genannten Mittel vorzusehen. Der dafür benötigte Sauerstoff kann zweckmässig, und zwar ganz oder teilweise, im Saugrüssel oder unter diesem zugegeben werden. Wenn dem Saugrüssel sogenanntes Liftgas, d. h, ein Gas, welches der aufzusaugenden Metallschmelze Auftrieb verleihen soll, zugegeben wird, dann kann der genannte Sauerstoff, der gasförmig oder in Form von sauerstoffabgebenden Stoffen, z· B. in Form von CO₂ vorliegen kann, mit dem Liftgas zugegeben werden,

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Die verschiedenen metallurgischen Massnahmen, die in einer der Vorrichtungen durchgeführt werden sollen, können örtlich und zeitlich voneinander getrennt durchgeführt werden. So kann z. B. in einerVorrichtung gemäss Fig. 1 eine Entkohlungsbehandlung und in der Gießstrahlentgasungskamraer 5 eine Desoxydation und Legierungsbehandlung vorgenommen werden«

Eine noch grössere Variationsmöglichkeit besteht in einer Vorrichtung gemäss Fig. 2. Dort kann man z, B. zunächst nur mit Rückfluss arbeiten, z. B, zum Zwecke der Entkohlung, insbesondere dann, wenn auf besonders niedrige Kohlenstoffgehalte hingearbeitet wird, z. B_e unter 0,008 oder weniger als 0.005 %· Hierbei kann die Entkohlung entweder im Umlauf-Evakuierungsbehälter 1 oder in der Gießstrahlentgasungskammer 5 oder in beiden stattfinden· Dabei können etwaige Legierungszusätze schon im An-fang der Entkohlungsbehandlung zugegeben werden.

Eine noch grössere Variationsmöglichkeit besteht in einer Vorrichtung gemäss Fig. 2. Dort kann man z. B. zunächst nur mit Rückfluss arbeiten, z. B. zum Zwecke der Entkohlung, insbesondere dann, wenn auf besonders niedrige Kohlenstoffgehalte hingearbeitet wird, z. B. unter 0,008 oder weniger als 0,005 %· Hierbei kann die Entkohlung entweder im Umlauf-Evakuierungsbehälter 1 oder in der Gießstrahlentgasungskammer 5 oder in beiden stattfinden» Dabei können etwaige Legierungszusätze schon im Anfang der Entkohlungsbehandlung zugegeben werden»

Nachdem die gesamte Schmelze in dieser Weise entkohlend behandelt worden ist, kann sich - mit oder ohne Rücklauf - eine Desoxydationsbehandlung ansehliessen.

In ähnlicher Weise können auch während des Umlaufs oder eines Teils davon Massnahmen, wie sie oben bereits zur Entfernung von unerwünschten Begleitelementen, die bei Normaltemperatur fest sind, .erwähnt worden sind, durchgeführt werden.

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Claims

U58812 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Vakuumbehandeln von Schmelzen, insbesondere von Stahlschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem mit Vakuumsaugleitung (2) versehenen Evakuierungsbehälter (l) besteht, in den ein Hochsaugrüssel (5) führt und von dem ein Abflussrüssel (4) ausgeht, der mit einer Gießstrahlentgasungskammer (5) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gießstrahlentgasungskammer (5) ein den Gießstrahl umhüllendes Mantelrohr (9) angeordnet ist, welches ggf. bis in die Nähe des Bodens der Kammer (5) reicht, und dass die Gießstrahlentgasungskammer oder das Mantelrohr ggf. eine Einrichtung zur Zuführung von Frischgas, insbesondere Sauerstoff, besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießstrahlentgasungskammer (5) mit einer Rückflussleitung (l6, l6^f) zum Schmelzenbehälter (6) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsaugrüssel (5), der Evakuierungsbehälter (1), der

Abflussrüssel (4) und die Gießstrahlentgasungskammer (5) und deren Abflüsse einzeln oder zu mehreren heizbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung, vorzugsweise elektrische Pumpe, am Hochsaugerüssel (3), an der Rückflussleituig (16, 16') oder am Abflußstutzen (11) angeordnet ist.

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6. Verfahren zur gesteuerten oder geregelten Entnahme von Schmelze aus einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -'5j dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme über die den Evakuierungsbehälter (1) durchlaufende Schmelzenmenge ■ durch Änderung der barometrischen Höhe im Hochsaugerüssel und / oder durch eine Fördereinrichtung gesteuert wird, wobei der Abstand zwischen dem Schmelzenniveau im Evakuierungsbehälter (l) und dem Schmelzenniveau im Schmelzenbehälter (6) und / oder der Unterdruck im Evakuierungsbehälter (l) und / oder die Betätigung von Fördereinrichtungen nach Anspruch 5 geändert wird.

7. Verfahren zumkontinuierlichen Entgasen von Schmelzen mittels einerVorriehtung nach einem der Ansprüche 1-5* dadurch gekennzeichnet, dass dem Aufsaugrüssel (j5) ständig neues Material nachgeliefert und der Gießstrahlentgasungskammer

(5) ständig entgaste Schmelze entnommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, dass die der Gießstrahlentgasungskammer (5) entnommene Schmelze unmittelbar im Strang vergossen wird.

9. Verfahren zur Herstellung besonders kohlenstoffarmer Stähle mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlbad behandelt wird, welches in einem beliebigen Frischgefäss (SH-Ofen, Elektro-Ofen, Windoder Sauerstoff-Frischgefäss) auf Kohlenstoffgehalte in der Grössenordnung von etwa 0,025 bis 0,12 %, vorzugsweise 0,03 bis 0,06 $, eingestellt und unberuhigt abgestochen worden ist, wobei das Vakuum im Behälter* zu den im Behandlungsgut vorhandenen Kohlenstoff- und entsprechenden, vorhandenen oder herbeigeführten Sauerstoffmengen so eingestellt wird, dass Kohlenstoffgehalte unter 0,025, vorzugsweise unter 0,0080 und noch besser unter 0,0050 %, erreicht werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass im Evakuierungsbehälter (l) und / oder in der Gießstrahlentgasungskammer (5) während der Vakuumbehandlung oder eines Teils davon, insbesondere zur Entkohlung, ein Sauerstoff-Partialdruck von einigen Torr aufrechterhalten wird·

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zugabe von Desoxydations-, Denitrierungs- und / oder sauerstoffempfindlichen Legierungsmitteln der Sauerstoff-Partialdruck nur vor der Zugabe dieser Mittel aufrecht« erhalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 2, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der benötigte Sauerstoff zum Prischen von Stahl, zur Aufrechterhaltung des Sauerstoff-Partialdrueks ganz oder teilweise im Mantelrohr (9) des Anspruchs 2 und / oder im Aufsaugrüssel (jj) oder unter diesem zugegeben wird, ggf. mit dort eingeführtem "Liftgas".

IJ. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 3 bis 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Rückfluss der vakuumbehandelten Schmelze geregelt wird zur Steuerung der aus der Gießstrahlentgasung skainmer (6) gleichzeitig, z. B. zum Giessen, austretenden Teilmenge der Schmelze.

14. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die fertigbehandelte, zum Schmelzenbehälter zurückgeflossene Schmelze diesem Behälter entnommen wird.

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