DE1458937B2

DE1458937B2 - Use of plasma torches for the vacuum treatment of liquid steel in the pouring stream process

Info

Publication number: DE1458937B2
Application number: DE19651458937
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Standard-Messo Duisburg, Gesellschaft für Chemietechnik mbH & Co, 4100 Duisburg
Priority date: 1965-08-14
Filing date: 1965-08-14
Publication date: 1970-07-30
Also published as: DE1458937A1; US3511641A; GB1123728A

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung von Plasma-Brennern bei der Vakuumbehandlung flüssigen Stahles im Gießstrahlverfahren, wobei die Stahlschmelze aus einer unter Atmosphärendruck stehenden Pfanne in eine in ein evakuiertes Entgasungsgefäß eingesetzte Pfanne ausläuft und dabei entgast wird.The invention relates to the use of plasma torches in the vacuum treatment of liquid steel In the pouring stream process, the steel melt from a ladle under atmospheric pressure runs out into a pan inserted into an evacuated degassing vessel and is degassed in the process.

Verfahren und Vorrichtung zur Vakuumbehandlung flüssigen Stahles im Gießstrahlverfahren sind bekannt. Es ist bei diesem Entgasungsverfahren auch schon versucht worden, während und nach der Entgasung bestimmte metallurgische Reaktionen ablaufen zu lassen, und zwar durch Einbringen von Festsubstanzen oder von Fremdgas in das Vakuumgefäß oder in die Pfanne. Dabei laufen aber die angestrebten Reaktionen nicht in der gewünschten V/eise ab, und zwar insbesondere deshalb nicht, weil sich die Stahlschmelze im Gießstrahl in feinste Tröpfchen auflöst. Die mit der Auflösung in feinste Tröpfchen verbundene Vergrößerung der Oberfläche der Stahlschmelze führt zu verhältnismäßig großen Wärmeverlusten, so daß die gewünschten metallurgischen Reaktionen nur noch sehr träge ablaufen können. Zur Verminderung der Wärmeverluste und der damit verbundenen nachteiligen Folgen für die metallurgischen Reaktionen wurden bisher die Pfannen und/oder das Vakuumgefäß vorgewärmt und/oder während des Gießvorganges zusätzlich beheizt. Mit diesen Maßnahmen konnten zwar die Wärmeverluste etwas eingeschränkt, aber nicht vollständig verhindert werden. Außerdem erfordern geeignete Beheizungseinrichtungen für die großtechnische Entgasung von Stahlschmelzen einen sehr großen Aufwand.Process and device for the vacuum treatment of liquid steel in the pouring stream process are known. Attempts have also been made in this degassing process during and after the degassing to allow certain metallurgical reactions to take place by introducing Solid substances or foreign gas in the vacuum vessel or in the pan. But the desired ones are running Reactions do not take place in the desired manner, and in particular not because the molten steel dissolves into the finest droplets in the pouring stream. The one with the dissolution into the finest droplets associated increase in the surface area of the steel melt leads to relatively large Heat losses, so that the desired metallurgical reactions can only take place very slowly. To reduce heat losses and the associated adverse consequences for the metallurgical Reactions have previously been preheated and / or the pans and / or the vacuum vessel additionally heated during the casting process. With these measures, the heat losses somewhat restricted, but not completely prevented. In addition, require suitable heating devices for the large-scale degassing of Melting steel requires a great deal of effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die metallurgischen Reaktionen bei der Vakuumbehandlung flüssigen Stahles im Gießstrahlverfahren vielseitiger und intensiver zu gestalten als bisher, wobei die bekannten Entgasungsgefäße auch weiterhin Verwendung finden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die im Gießstrahl auftretenden Wärmeverluste wirksam auszugleichen. Im übrigen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.The invention is based on the object of the metallurgical reactions in the vacuum treatment liquid steel in the pouring stream process more versatile and intensive than before, whereby the known degassing vessels can continue to be used. Another object of the invention consists in effectively compensating for the heat losses occurring in the pouring stream. Furthermore the invention is based on the object of eliminating the disadvantages of the prior art.

Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die Anwendung mindestens eines regelbaren Plasma-Brenners zum Erzeugen unmittelbarer metallurgischer Reaktionen zwischen dem hocherhitzten Gas im Plasma-Strahl und der Schmelze bei der Vakuumbehandlung flüssigen Stahles im Gießstrahlverfahren. The object on which the invention is based is achieved through the use of at least one adjustable plasma torch to generate immediate metallurgical reactions between the highly heated Gas in the plasma beam and the melt in the vacuum treatment of liquid steel in the pouring stream process.

Die bekannten Plasma-Brenner besitzen Leistungen von vielen tausend Kilowatt und können Gastemperaturen bis zu 50 000° C erzeugen. Ein oder mehrere derartige Plasma-Brenner werden im oberen Teil des Entgasungsgefäßes so angeordnet, daß das hocherhitzte Gas im Plasma-Strahl den Gießstrahl umspülen kann. Dabei ist es möglich, die metallurgischen Reaktionen in einem bisher nicht bekannten Ausmaß vielseitiger und intensiver zu gestalten.The well-known plasma burners have an output of many thousands of kilowatts and can handle gas temperatures generate up to 50,000 ° C. One or more such plasma torches are located in the upper part of the Degassing vessel arranged in such a way that the highly heated gas in the plasma jet flows around the pouring jet can. It is possible to prevent the metallurgical reactions to a previously unknown extent to make it more versatile and intensive.

Im Zusammenhang mit der Untersuchung einer Lichtbogenheizung bei der großtechnischen Entgasung von Stahlschmelzen ist es aus der Zeitschrift »Stahl und Eisen«, 1959, S. 275, bekanntgeworden, daß im Entgasungsgefäß ein »Bogenplasma« auftritt. Diese in der Fachliteratur veröffentlichten Versuche waren aber ausschließlich an das Beheizungsproblem gekoppelt. Die Möglichkeit, direkte metallurgische Reaktionen mit einer zu entgasenden Stahlschmelze zu erzwingen, ist aus diesem Stand der Technik nicht herleitbar. Außerdem steht bei der vorliegenden Erfindung nicht die Beheizung der zu entgasenden Stahlschmelze, sondern die metallurgische Reaktion im Vordergrund.In connection with the investigation of an arc heater in large-scale degassing it became known about molten steel from the magazine »Stahl und Eisen«, 1959, p. 275, that an "arc plasma" occurs in the degassing vessel. These experiments published in the specialist literature but were only linked to the heating problem. The possibility of direct metallurgical Forcing reactions with a steel melt to be degassed is not part of this prior art deducible. In addition, the present invention does not include the heating of the molten steel to be degassed, but the metallurgical reaction in the foreground.

In der Patentschrift des Amtes für Erfmdungs- und Patentwesen 28 822 in Ost-Berlin und dem »Journal of Metals«, Dezember 1962, S. 907 bis 911, sind Verfahren zur Herstellung von Stahl in üblichen Schmelzöfen, wie Siemens-Martin-Öfen, LichtbogenöfenIn the patent specification of the Office for Invention and Patents 28 822 in East Berlin and the »Journal of Metals ", December 1962, pp. 907 to 911, are processes for producing steel in conventional melting furnaces, like Siemens-Martin furnaces, electric arc furnaces

ίο u. dgl., mit einer Zusatzbeheizung durch Plasma-Brenner vorbeschrieben. eBi diesen bekannten Öfen ruht die Schmelze und ist in der Regel mit einer Schlackenschicht bedeckt. Außerdem liegt die übliche Ofengasatmosphäre vor.ίο and the like, with additional heating by plasma burner described above. eBi these known furnaces the melt rests and is usually with a Slag layer covered. The usual furnace gas atmosphere is also present.

Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung eine durch Vakuum in feinste Tröpfchen aufgeteilte Stahlschmelze mit hocherhitztem Plasma behandelt. Die Stahltröpfchen liegen bei den niedrigen Drücken überwiegend als Hohltropfen vor, so daß bei Einwirkung des Plasmas unter Ausschaltung der Difl'usionswegc direkte chemische Reaktionen zwischen dem Plasma und den Reaktionsteilnehmern in den kurzzeitig überhitzten Tröpfchen ablaufen. Dabei kann mit der Temperatur des Plasmas und dem Unterdruck im Entgasungsgefäß die freie Bildungsenergie für die gewünschten Reaktionen direkt gesteuert werden. Beispielsweise ist es bei der Kohlenstoffverminderung von Stahl durch Sauerstoff möglich, die freien Bildungsenergien von CO und FeO so zu steuern, daß eine Oxydation des Eisens — wie es bisher üblich ist — umgangen und eine unmittelbare Reaktion des Kohlenstoffs mit Sauerstoff ausgelöst wird. Gegenläufige Reaktionen werden durch unmittelbares Absaugen der gasförmigen Reaktionsprodukte ausgeschlossen.In contrast, in the present invention, one is divided into fine droplets by vacuum Melted steel treated with high-temperature plasma. The steel droplets are among the low ones Press predominantly as hollow droplets, so that upon exposure to the plasma with the elimination of the Difl'usionswegc direct chemical reactions between the plasma and the reactants in the briefly overheated droplets run off. The temperature of the plasma and the Negative pressure in the degassing vessel directly controls the free formation energy for the desired reactions will. For example, when using oxygen to reduce carbon in steel, it is possible to control the free energies of formation of CO and FeO so that an oxidation of the iron - like it Up to now it has been common - bypassed and triggered an immediate reaction of the carbon with oxygen will. Opposite reactions are caused by direct suction of the gaseous reaction products locked out.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anwendung besteht darin, daß durch den Kombinationseffekt von Plasma einerseits und Vakuum andererseits ein ständiges Ungleichgewicht aufrechterhalten wird.A further advantage of the application according to the invention is that the combination effect of plasma on the one hand and vacuum on the other hand a constant imbalance is maintained.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anwendung eines Plasma-Brenners bei der Vakuumbehandlung flüssigen Stahles im Gießstrahlverfahren wird nachstellend an Hand eines nachgebrachten Beispieles für die Entfernung von Kohlenstoff durch Sauerstoffgas erläutert.The effect of using a plasma torch according to the invention in vacuum treatment liquid steel in the pouring stream process is reproduced using an example given for explains the removal of carbon by oxygen gas.

Die überraschende Wirkung der beanspruchten Anwendung wird erzielt durch weitgehend gesteuerte Änderungen der freien Bildungsenergien der Reaktionspartner. Durch die freie Bildungsenergie wird das Vercinigungsbestreben von Kohlenstoff mit Sauerstoff oder der anderen Metalle mit Sauerstoff zahlenmäßig ausgedrückt. Die Reaktionsgleichung wird im vorliegenden Beispiel auf 1 Molekül Sauerstoff bezogen, wodurch sich als Energiegröße die Bezeichnung kcal/Gramm-Mol Sauerstoff ergibt. Das negative Vorzeichen ist konventionell und soll bei der vorliegenden Betrachtung unberücksichtigt bleiben.
Bei der üblichen Temperatur der Stahlschmelze von etwa 1600° C beträgt die freie Bildungsencrgic (bezogen auf die Reaktion mit 1 Molekül Sauerstoff) für Eisen 70 und für Kohlenstoff bei normalem Druck 130. Die Differenz beträgt demnach 60. Wenn das hocherhitzte Gas im Plasma-Strahl unter Vakuum einwirkt, beträgt die freie Bildungsenergie bei etwa 300 000° C und einem Vakuum von 0,01 atm für Eisen 40 und für Kohlenstoff 230. Die Differenz ist demnach 190. Diese hohe Differenz sagt aus, daß derThe surprising effect of the claimed application is achieved through largely controlled changes in the free energies of formation of the reactants. The tendency to combine carbon with oxygen or the other metals with oxygen is numerically expressed by the free energy of formation. In the present example, the reaction equation is based on 1 molecule of oxygen, which results in the designation kcal / gram-mole of oxygen as the energy quantity. The negative sign is conventional and should not be taken into account in the present analysis.
At the usual temperature of molten steel of about 1600 ° C, the free generation coefficient (based on the reaction with 1 molecule of oxygen) for iron is 70 and for carbon at normal pressure 130. The difference is therefore 60. If the highly heated gas in the plasma jet acts under vacuum, the free energy of formation is at about 300,000 ° C and a vacuum of 0.01 atm for iron 40 and for carbon 230. The difference is therefore 190. This high difference says that the

Sauerstoff sich nunmehr unmittelbar an den Kohlenstoff anlagert. Dadurch und durch den Fortfall der hemmenden Diffusion werden die Reaktionsgeschwindigkeiten sehr stark erhöht. Der zu dem gefürchteten »braunen Rauch« führende Umweg über die Oxydation des Eisens tritt nicht mehr auf.Oxygen is now directly linked to the carbon attaches. As a result of this and the cessation of the obstructive diffusion, the reaction rates are increased very much increased. The detour via oxidation that leads to the dreaded "brown smoke" of iron no longer occurs.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Plasma-Brenner mit folgenden reaktionsaktiven Gasen oder Gasgemischen betrieben werden: Wasserstoff, Sauerstoff, Methan, Tetrachlorkohlenstoff, Chlor und Natriumdampf. Bei der Anwendung mehratomiger Gase ergibt sich der Vorteil,, daß neben der spezifischen Wärme durch die Temperaturerhöhung im Plasma-Brenner die Dissoziations- und Ionisationsenergie hinzukommt.In a further embodiment of the invention, the plasma burners can be reactive with the following Gases or gas mixtures are operated: hydrogen, oxygen, methane, carbon tetrachloride, Chlorine and sodium vapor. When using polyatomic gases there is the advantage that in addition to specific heat due to the temperature increase in the plasma burner, the dissociation and ionization energy come in addition.

Um die Reaktionswirkung der reaktiven Plasmagase noch zu steigern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ihnen folgende Kontaktsubstanzen in einer Menge von 10 bis 25% des Plasmagcv/ichtes zuzusetzen: Calcium, Kobalt, Vanadium, Wolfram, Titan. Je höher das Atomgewicht der Kontaktsubstanz ist, um so geringer kann die Zugabe sein.In order to further increase the reaction effect of the reactive plasma gases, it has proven to be advantageous add the following contact substances to them in an amount of 10 to 25% of the plasma weight: Calcium, cobalt, vanadium, tungsten, titanium. The higher the atomic weight of the contact substance, the smaller the addition can be.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Anordnung der Plasma-Brenner so zu treffen, daß sie auf den oberen Teil des Gießstrahles ausrichtbar sind. Die Verwendung der Plasma-Brenner hat den weiteren Vorteil, daß mit ihnen das Entgasungsgefäß auch während der Behandlungspausen beheizt werden kann.Finally, it has proven to be advantageous to arrange the plasma torch so that it can be directed to the upper part of the pouring stream. The use of the plasma torch has the Another advantage that they can be used to heat the degassing vessel even during treatment breaks can.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der eine Vorrichtung zur Vakuumbehandlung flüssigen Stahles im Gießstrahlverfahren schematisch dargestellt ist.Further details and advantages of the subject matter of the invention emerge from the following Description of the drawing, in which a device for the vacuum treatment of liquid steel in the pouring stream process is shown schematically.

Ein Entgasungsgefäß 1 mit einer Anschlußleitung 2 zur — nicht dargestellten — Vakuumpumpe ist druckdicht mit einem abnehmbaren Deckel 3 und einer auf diesen abgestellten Gießpfanne 5 abgedeckt. Im Entgasungsgefäß 1 befindet sich eine Pfanne 6, die den aus der Gießpfanne 5 auslaufenden Stahl nach dessen Entgasung im Gießstrahl aufnimmt. In dem Deckel 3 des Entgasungsgefäßes 1 sind ein oder mehrere Plasma-Brenner 4 so angeordnet, daß deren Achsen auf die Achse des Gicßstrahlcs ausrichtbar sind. Der oder die Plasma-Brenner 4 sind zur Regelung der Menge des in den Plasmazustand zu überführenden Gases wie zu deren Temperaturänderung mit — nicht dargestellten — Regeleinrichtungen ausgerüstet. A degassing vessel 1 with a connection line 2 to the vacuum pump - not shown - is Covered pressure-tight with a removable cover 3 and a pouring ladle 5 placed thereon. In the degassing vessel 1 there is a ladle 6 which holds the steel running out of the ladle 5 after its degassing takes up in the pouring stream. In the cover 3 of the degassing vessel 1 are one or several plasma torches 4 arranged so that their axes can be aligned with the axis of the Gicßstrahlcs are. The plasma torch or torches 4 are used to regulate the amount of the to be converted into the plasma state Gas as equipped for their temperature change with - not shown - control devices.

Für die metallurgische Reaktion ist es wichtig, daß nur gasförmige Produkte entstehen, die die Stahlschmelze nicht verunreinigen können, und daß die gebildeten Reaktionsprodukte mittels der — nicht dargestellten Vakuumpumpe so schnell wie möglich aus dem Bereich des Gießstrahles abgesaugt werden können.For the metallurgical reaction it is important that only gaseous products arise, which are the molten steel can not contaminate, and that the reaction products formed by means of the - not vacuum pump shown must be sucked out of the area of the pouring stream as quickly as possible can.

Bei einer beispielsweise 100-t-Schmelze, die im Gießstrahl entgast werden soll, genügen Plasma-Brenner 4 mit 1000 bis 2000 kW Leistung. Um die Vakuumpumpe nicht unnötig zu belasten, werden hohe Gastemperaturen in der Größenordnung von 000 bis 40 000⁰C gewählt, so daß eine hohe Wärmezufuhr mit verhältnismäßig wenig Plasmagas möglich ist. Außerdem soll die eingeführte Menge des Plasmagases 10% der Pumpenleistung nicht überschreiten. For example, in the case of a 100 t melt that is to be degassed in the pouring stream, plasma torches 4 with an output of 1000 to 2000 kW are sufficient. In order not to unnecessarily load the vacuum pump, high gas temperatures of the order of magnitude of 000 to 40,000 ^° C. are selected, so that a high supply of heat is possible with relatively little plasma gas. In addition, the amount of plasma gas introduced should not exceed 10% of the pump output.

Bezugsziffernliste:List of reference numerals:

1 Entgasungsgefäß,1 degassing vessel,

2 Anschlußleitung,2 connecting cable,

3 Deckel,3 lids,

4 Plasma-Brenner,4 plasma burners,

5 Gießpfanne,5 ladle,

6 Pfanne.6 pan.

Claims

Patent claims:

1. Use of at least one controllable plasma torch for generating more direct metallurgical reactions between the highly heated gas in the plasma beam and the melt in the vacuum treatment of liquid steel in the pouring stream process.

2. Application of at least one plasma torch according to claim 1, using the following reactive gases or gas mixtures: hydrogen, oxygen, methane, carbon tetrachloride. Chlorine, sodium vapor.

3. Application of at least one plasma burner according to claims 1 and 2, using of the following contact substances in an amount of 10 to 25% of the plasma weight: Calcium, cobalt, vanadium, tungsten, titanium.

4. Use of at least one plasma burner according to claim 1 with an alignable arrangement the plasma torch (4) on the upper part of the pouring stream.

1 sheet of drawings