DE1758384B2 - Verfahren zur Elektroschlackerafflnation von Metallen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elektroschlackeraffination von Metallen.

Bei der Elektroschlackeraffination von Metallen wurde bisher eine abschmelzende Elektrode aus dem zu raffinierenden Metall in eine Schlackenschmelze eingetaucht, die sich in einer Kokille befindet und durch einen elektrischen Strom zwischen dieser abschmelzenden Elektrode und einer anderen Elektrode, bei der es sich für gewöhnlich um die Kokille handelt, auf einer Temperatur gehalten wird, die dem Schmelzpunkt des Metalls entspricht oder oberhalb desselben liegt. Hierbei wird die eingetauchte Elektrode allmählich weggeschmolzen, und es bildet sich unter der Schiackenschmelze eine Schicht des flüssigen Metalls, das fortlaufend zu einem Block aus reinem Metall erstarrt, der gegebenenfalls kontinuierlich aus der Kokille austritt, so daß auf diese Weise das Raffinationsverfahren kontinuierlich durchgeführt werden kann.

Eriindungsgemäß ist nunmehr festgestellt worden, daß ein Plasmabrenner für die Zuführung des elektrischen Stroms zu der Schlackenschmelze in der Kokille benutzt werden kann, so daß auf die abschmelzende Elektrode verzichtet werden kann. Demgemäß besteht die vorliegende Erfindung bei einem Verfahren zur Elektroraffination von Metallen in einer Kokille, in der das zu reinigende Metall in eine Schlackenschmeize eingeführt wird, die auf einer über dem Schmelzpunkt der liegenden Temperatur gehalten wird, darin, daß zwischen der Oberfläche der im geschmolzenen Zustand elektrisch leitenden Schlackenschicht und einem Plasmabrenner eine Plasmasäule und durch diese hindurch ein elektrischer Lichtbogen zwischen dem Plasmabrenner und der Schlackensihmel/e gebildet wird

Dies wird praktisch in der Weise durchgeführt, daß der Plasmabrenner oberhalb der Schlackenschmeize in der Kokille angeordnet und ein elektrischer Strom zwischen dem Plasmabrenner und einer zweiten Elektrode durch die hierdurch im geschmolzenen Zustand erhaltene Schlacke geschickt wird. Als /weite Elektrode dient üblicherweise die Kokille oder deren Grundplatte. Nach dem Zünden des Plasmabrenners tritt aus diesem die heiße Säule ionisierten Gases nach unten aus und trifft auf die Oberflache der Schlacke in der Kokil Ie. Diese Plasmasäule wirkt als Stromleiter und schließt den Stromkreis zwischen dem Plasmabrenner, der Schlacke und der zweiten Elektrode.

Das zu raffinierende Metall kann auf verschiedene Weise in die Schlacke eingeführt werden, z. B. in Form von festen länglichen Stücken als Drähte oder Stangen, von denen nach Bedarf jeweils zwei oder mehr gleichzeitig eingebracht werden können. Das Metall kann aber auch als Pulver oder in Form von Körnern. Dreh-

6c spänen, Schrott, andererseits auch in flüssigem Strom oder tropfenweise eingeführt werden, wobei jede Kombination zwischen diesen Zugabemöglichkeiten vorgenommen werden kann. Sofern dies wünschenswert erscheint, kann das zu raffinierende Metall auch

(\s teilweise oder ganz durch den Plasmabrenner oder in die Plasmasäule zwischen dem Brenner und der Schlakkenoberfläche aufgegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in der

Weise durchgeführt werden, daß mit einer stark reduzierenden Schlacke gearbeitet und das Ausgangsmateria! teilweise oder ganz als Metalloxyd oder eine sonstige Metallverbindung, die während des Raffinationsprozesses durch die Schlacke reduziert wird, eingesetzt wird. Eine hierfür geeignete Schlacke ist z. B. die 7OF/ 15/0/15-SChIaCkC die 70% CaFj, 15% CaO und 150/0 AI2O3 sowie C- und/oder Si-Zusätze enthält. Eine als Ausgangsmaterial dienende Metallverbindung kann in diesem Falle aus vorreduzierten Eisenerzpellets bestehen, die üblicherweise durch direkte Reduktion eines Eisenerzes entstehen und etwa 90% metallisches Eisen bei einem Gesamteisengehalt von etwa 92% enthalten.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch dazu benutzt werde·,!, um lediglich Metallstücke in einen Block umzuschmelzen, ohne das Metall zu raffinieren. In diesem Falle wird eine neutrale Schlacke in der Kokille verwendet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl eine unten geschlossene Kokille als tuch eine Stranggußkokille, die das kontinuierliche Abtiehen des Blockes aus raffiniertem Metall erlaubt, benutzt werden. In einer geschlossenen Kokille wird der Raffinationsprozeß unterbrochen, sobald die überlagernde Schlacke den oberen Kokillenrand fast erreicht, worauf nach vollständiger Erstarrung des Blockes dieser aus der Kokille entfernt wird, während eine Stranggußkok'lle einen kontinuierlichen RaffinationsprozeB ermöglich;.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Beispiels zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Plasmabrenners unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

F i g. 2 ein Schaltschema zur Veranschaulichung des zugehörigen Stromkreises.

Die dargestellte Vorrichtung zur Elektroschlackeraffination von Metallen besteht aus einem Plasmabrenner 10 und einer unter diesem angeordneten Kokille 11 aus Kupfer, die mit einem Einlaß 12 und einem Auslaß 13 für den Kühlwasserumlauf im Kokillenmantel versehen ist. An Stelle dieser Kupferkokille kann selbstverständlieh auch eine mit Wasserstrahlen von außen gekühlte Kokille aus weichem Stahl benutzt werden.

Der Plasmabrenner 10 weist ein durchgehend z>lindrisches Gehäuse 14 auf, das einen zylindrischen Zentralkanal 15 enthält, in dem sich eine Kathode 16 befindet. Diese Kathode hat die Form eines Stabes und ist am oberen Ende des Gehäuses 14 mittels eines (nicht dargestellten) Bundes befestigt und isoliert. Das untere Ende des Zentralkanals 15 geht in eine verengte Öffnung 17 über, die nach außen mündet. Diese öffnung 17 gehört zu einer Düse 18 im unterer. Ende des Zentralkanals 15.

Die Düse 18 bildet eine Ringanode, die, ebenso wie die Kathode 16, aus Wolfram, thoriumhaltigem Wolfram oder aus Kupfer in Verbindung mit einer Wasserkühlung bestehen kann. Das untere Ende der Kathode 16 steht koaxial iur Öffnung 17 mit Abstand über der Ringanode 18.

Eine Gaszuführungsleitung 19 führt in den die Kathode 16 umgebenden Raum des Z.entralkanals 15. Zum <>5 Kühlen des Gehäuses 14 und der Düse 18 dienen Ringräume 22. die an Leitungen 20 und 21 für den Ein- und Austritt von Kühlflüssigkeit angeschlossen sind.

Als Gas, welches durch den Plasmabrenner zwecks Bildung eines als Stromleiter dienenden Plasmasäule geleitet wird, wird für gewöhnlich ein Inertgas der Gruppe VIII des periodischen Systems benutzt, z. B. Argon, obgleich auch andere Gase in Betracht kommen.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird zunächst die Bodenöffnung der Kokille 11 durch eine gegen diese angelegte Bodenplatte verschlossen und dann Schlacke in die Kokille eingebracnt. Vorzugsweise wird flüssige Schlacke in die Kokille gegeben, damit der Raffinationsprozeß sofort beginnen kann, ohne daß vorher die Schlacke geschmolzen werden muß. Sobald alle Kühlwasserkreisläufe arbeiten, wird das Inertgas durch die Leitung 19 eingelassen und ein Wechselstrom Lichtbogen zwischen der Anode 18 und der kathode 16 auf beliebige Weise, z. B. über eine Hochspannungsund Hochfrequenz-Funkenstrecke zwischen diesen beiden Elektroden gebildet. Danach werden die Anode und Kathode an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Sobald zwischen diesen der Gleichstrom fließt, wird der Hochfrequenzstrom abgeschaltet, wobei jedoch der Gleichstrombogen erhalten bleibt. Falls erforderlich, wird die Stellung des Plasmabrenners so eingeregelt, daß die aus diesem austretende Plasmasäule die Oberfläche der Schlacke berührt. Hierauf wird der die Schlacke schmelzende bzw. im Schmelzzustand erhal tende Wechselstrom zwischen dem Plasmabrenner 10 und der Kokille 11 eingeschaltet, die im allgemeinen über ihre Bodenplatte, welche d cker ist als die Kokillenwand. an den Stromkreis angeschlossen ist.

Wenn beim Anfahren der Vorrichtung zunächst mit fester Schlacke gearbeitet wird, kann die Bildung eines Lichtbogens zwischen dem Plasmabrenner und dem Kokillenboden dadurch erleichtert werden, daß die Bo denplatte mit einem Anlaßstift versehen wird. Es isi festgestellt worden, daß sich ein Lichtbogen zuweilen erst dann bildet, wenn der Anlaßstift über die Schlakkenschicht herausragt, und es empfiehlt sich daher, zunächst nur einen Teil der festen Schlacke und den Rest erst dann in die Kokille einzubringen, wenn der Lichtbogen entstanden ist und der erste Teil der Schlacke zu schmelzen begonnen hat. An Stelle der Benutzung eines Anlaßstiftes können mit der festen Schlacke auch elektrisch leitende Pellets vermischt werden, z. B. Pellets, die aus einer Mischung von Schlacke mit einem elektrisch leitenden Material bestehen

Sobald die Schlacke eine über dem Schmelzpunkt des zu raffinierenden Metalls liegende Temperatur hat. wird dieses in der vorbeschriebenen Weise eingesetzt, und zwar entweder unmittelbar in die Schlackenschmelze oder in die Plasmasäule bzw. durch den Plasmabrenner, oder auch im Wege einer Kombination dieser Möglichkeiten. Beim Durchqueren der Schlackenschmelze 23 schmilzt das Metall, sofern es nicht schon im geschmolzenen Zustand einge^führt wird, und wird hierbei fortschreitend gereinigt. Am Boden der Kokille 11 bildet sich eine Schicht der raffinierten Metallschmelze 24. Die Bodenplatte der Kokille wird so lange in ihrer Anfangsstellung belassen, bis sich in der Kokille ein erstarrter Mctallblock von hinreichender Länge gebildet hat. Danach wird die Bodenplatte allmählich nach unten bewegt und auf diese Weise ein erstarrter Block 25 kontinuierlich aus der Kokille abgezogen. Unterhalb der Kokille befinden sich Wasserbrausen 26, aus denen der Block mit kaltem Wasser angesprüht wird, um hierdurch die Erstarrung des Blockes zu beschleunigen und insbesondere eine feste Oberfläche zu

erhalten, an der die Ausziehrollen 27 angreifen können.

Das vorstehend beschriebene und dargestellte Verfahren betrifft das Stranggießen eines raffinierten Metallblockes, doch ist das erfindungsgemäße Verfahren in gleichem Maße für das diskontinuierliche Gießen s solcher Blöcke geeignet.

Die Erfindung ist nicht nur, wie beschrieben, mit einem einzigen Plasmabrenner und nur einer zweiten Elektrode durchführbar, sondern auch mit einer beliebigen Anzahl von Brennern und zweiten, in nur einer Ko- ,₀ kille angeordneten Elektroden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht daher darin, den Lichtbogen durch die Plasmasäule mit Hilfe eines Einphasenwechselstromes und zwei oder einem Mehrfachen von zwei Brennern zu bilden. In diesem Falle wird jede Leitung der Wechselstromzuführung an die Anode(n) eines Brenners bzw. einer Brennergruppe angeschlossen, so daß der elektrische Weg zwischen den Anoden aus einem ersten Brenner über den Lichtbogen zur Schlacke und aus dieser über einen zweiten Lichtbogen zum zweiten Brenner führt.

Eine andere, für das erfindungsgemäße Verfahren günstige Anordnung besteht darin, die Plasma-Lichtbögen mit Hilfe eines Mehrphasenstromes zu bilden, und zwar mit einer Anzahl von Plasmabrennern, die der Zahl oder einem Mehrfachen der Zahl der Phasen entspricht. Hier wird jeder Leiter des Mehrphasensystems mit den Anoden einer gleichen Zahl von Plasmabrennern verbunden, so daß zwischen der Anode eines ersten Brenners ein Plasma-Lichtbogen zur Schlacke entsteht und der Stromkreis durch mehrere Plasma-Lichtbögen zwischen der Schlacke und den Anoden der an deren Brenner geschlossen wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden .in folgenden zwei Beispiele beschrieben:

35

Beispiel 1

2,25 kg der eingangs erwähnten 70F/15/0/15-Sehlakke wurden in eine wassergekühlte Kupfer-Kokille eines Durchmessers von 15 cm eingesetzt. Die Kokille hat'e eine Grundplatte, die mit einem Anlaßzapfen in Form eines Kegelstumpfes mit einem Durchmesser von 5 cm versehen war. Ein Plasmabrenner der vorstehend beschriebenen Art wurde in die Kokille abgesenkt, das Wasserkühlsystem eingeschaltet und ein Argongasstrom durch den Brenner geleitet. Die Menge des zugeführten Argongases betrug 1.55 mVh.

Der Brenner wurde mittels eines zwischen seinen Elektroden erzeugten Lichtbogens gezündet, worauf nach Einstellung des Höhenabstandes zwischen dem Brenner und der Schlackenschicht durch Anlegen eines Wechselstromes von 750 Amp. und 90/95 Volt an die Anode des Plasmabrenners und die Bodenplatte der Kokille ein Lichtbogen zwischen dem Brenner und dem Anlaßzapfen der Bodenplatte ein Lichtbogen gebildet wurde.

Nach 5 Minuten wurden weitere 2,25 kg Schlacke in die Kokille eingesetzt und nach weiteren 7 Minuten mit der Zufuhr des zu raffinierenden Metalls begonnen. Dieses bestand aus einer Mischung von Stahldrehspänen vorwiegend des En-19-Typs nach British Standard mit einem höheren Chromgehalt. In den ersten 25 Minuten wurden 0.276 kg/min und in den letzten 16 Minuten 0,453 kg/min dieser Späne eingetragen.

Der erhaltene Block aus raffiniertem Metall wog 18,7 kg und war etwa 17 cm lang. Er halte eine quadratische Bodenfläche i'nd wies eine durchweg einwandfreie Innenstruktur auf.

Beispiel 2

Es wurde eine wassergekühlte Kupfer-Kokille eines Durchmessers von 7,5 cm benutzt, deren Bodenplatte mit einem konischen Anlaßzapfen eines Durchmessers von 5 cm versehen war. Die Zündung des Plasmabrenners und Bildung des Wechselstrom-Lichtbogens erfolgten wie im Falle des 1. Beispiels, wobei jedoch ein Wechselstrom von 1000 Amp. und 50Voit und ein Gleichstrom von 300 Amp. und 15VoIt angelegt wurden.

Innerhalb von 5 Minuten wurden 800 g vorgeschmolzene Schlacke des Typs 70F/15/0/15 in die Kokille eingesetzt und in weiteren 5 Minuten auf die erforderliche Temperatur gebracht. Danach wurde in einem Zeit raum von 38 Minuten 0,151/min zerkleinertes Chrommetall in die Kokille eingetragen.

Nach einer Gesamtzeit von 50 Minuten wurde der Strom abgeschaltet, so daß der Block aus raffiniertem Metall abkühlen und erstarren konnte. Die Untersuchung zeigte einen durchgehend einwandfreien Block

Die Vorzüge eines Plasmabrenners als Organ zum Leiten des Stromes durch die in der Kokille befindliche SchLacke bestehen einmal darin, daß durch Wegfall dci schweren und komplizierten Elektrodenhebegetriebc eine wesentliche Vereinfachung der apparativen Aus bildung der Anlage erreicht wird und zum anderen dar in. daß es nicht mehr erforderlich ist, das zu raffinieren de Metall zuvor in die Form einer Elektrode zu brin gen. So können z. B. Stahlabfälle in Form von Drehspä nen unmittelbar in die Schlackenschmelze bzw. in du Plasmasäule eingetragen werden, oder es kann sperri ger Schrott geschmolzen und in flüssigem Zustand it die Schlacke brw. in die Plasmasäule eingebracht wer den. Pulverförmige Metalle können mittels eines Ga*. stromes in den Plasmabrenner eingeleitet werden. E: können auch Legierungszusätze z. B. in Form von ab schmelzbaren Elektroden in die Schlacke oder auch un mittelbar durch den Plasmabrenner eingebracht wer den. Schließlich wird die Möglichkeit einer Verunremi gung der Schlacke durch abschmelzende Metallelektro den vermieden und automatisch eine Inertgasatmo Sphäre geschaffen, welche die Überwachung und Rege lung von Oxydationsvorgängen ermöglicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- ■' v*

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Elektroschlackeraffination von Metallen in einer Kokille, in der das zu reinigende Metall in eine mit den Metallverunreinigungen reagierende Schlackenschmelze eingeführt wird, die mittels eines hindurchgeleiteten elektrischen Stroms auf einer über dem Schmelzpunkt des Metalls liegenden Temperatur gehalten wird, d a durch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche der im geschmolzenen Zustand elektrisch leitenden Schlackenschicht und einem Plasmabrenner eine Plasmasäule zum Hiridurchleiten eines elektrischen Lichtbogens zwischen dem Plasmabrenner und der Schlackenschmeize gebildet wird.

2. Vei fahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstrom-Lichtbogen gebildet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom für den Lichtbogen zu bzw. von der Kokillenbodenplatte durch die Schlacke hindurchgeleitet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu raffinierende Metall in Form von Stäben, Drähten, Spänen, Pulver und/oder als flüssiger Strom bzw. tropfenweise in die Schlacke eingeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des zu raffinierenden Metalls durch den Plasmabrenner geleitet wird.

fc>. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das raffinierte Metall als Stranggußblock kontinuierlich aus der Kokille abgezogen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis b. dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Raffinationsprozesses die Schlacke in geschmolzenem Zustand in die Kokille eingesetzt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des zu raffinierenden Metalls in Form von einem oder mehreren Stäben. Körnern, Pellets, Spänen und/oder Schrott in die Schlacke eingeführt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine stark reduzierend wirkende Schlacke verwendet und mindestens ein Teil des zu raffinierenden Metalls in Form einer oxydischen oder anderen Verbindung zugeführt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine neutrale Schlacke zur Herstellung eines Blocks aus nicht raffiniertem Metall verwendet wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Plasmabrenner benutzt werden.

12. Verfaiircn nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Plasmasäulen aus zwei oder einer größeren geraden Zahl von Plasmabrennern ein Einphasensiro;:: geleitet wird, wobei die Stromzuleiter einzeln an die Anoden der Plasmabrenner angeschlossen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrphasenstrom durch die Plasmasäulen mehrerer Plasmabrenner, deren Anzahl der einfachen oder mehrfachen Phasenzahl entspricht, geleitet wird, wobei jeder Stromleiter an je eine Anode der Plasmabrenner angeschlossen wird.