DE1811703C3 - Verfahren zur Stahlerzeugung in Induktionstiegelöfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stahlherstellung aus metallurgische Arbeit erfordernden, "kompakten Einsatzstoffen, vorzugsweise Schrott, so-

wie aus Eisenschwamm in Induktionstiegelöfen mit von einer zylindrischen Induktionsspule umgebenem zylindrischem Tiegel, wobei sich im Schmelzbad infolge der mittels Induktion hervorgerufenen Schmelzbadbewegung eine zentrale Schmelzbadüberhöhung

und ein umgebender Kranzwirbel aus strömender Schlacke bildet.

In Induktionstiegelöfen, die zumeist einen zylindrischen Tiegel und eine umgebende zylindrische Indutionsspule aufweisen, wird bekanntlich im metal-

lischen Einsatzgut eine elektrische Leistung induziert, die zum größten Teil in Wärmeenergie und zu einem kleinen Teil in Bewegungsenergie umgesetzt wird. Die freigesetzte Wärmeenergie führt zu dem erwünschten Schmelzprozeß des metallischen Einsatzes, die Be-

wegungsenergie zu der für den Induktionstiegelofen charakteristischen Schmelzbadbewegung. In der Tiegelachse entsteht eine aufwärts gerichtete Strömung, die eine kuppenförmige, relativ geringe Schmelzbadüberhöhung bewirkt, von der die Schmelze radial zur Tiegelwand und an dieser abwärts strömt (vgl. österreichische Patentschrift 149 331, deutsche Patentschrift 659 153, französische Patentschrift 1 169 148). Bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Metalls wird

die sich im Tiegelraum seitlich der im wesentlichen schlackenfreien Badkuppe ansammelnde Schlacke durch die starke Schmelzbadbewegung in einen zur Sch melzbadbewegungsrichtung entgegengesetzten Drehsinn versetzt. Die Schlacke steigt an der Tiegelwand aufwärts, bewegt sich radial von allen Seiten zur Mitte hin und strömt von der Stelle, an der sie an die ßadkuppe heranreicht, mit dem Schmelzbad abwärts zur Tiegelwand. Das ist ein Strömungsvorgang, der als Kranzwirbel bezeichnet wird. In Materialien, die nicht leiten, werden keine Ströme induziert, sie können folglich auch nicht induktiv erwärmt werden.

Für die Stahlherstellung ist, sofern nioht nur Eisen

umgeschmolzen und mit Legierungsstoffen versetzt wird, die Reaktion der metallischen Schmelze mit einer nichtmetallischen, den Strom nur wenig leitenden Schlacke kennzeichnend. Die Schlacke hat die Aufgabe, im Stahl unerwünschte Begleitelemente aufzunehmen. Das ist nur möglich, wenn ein intensiver Stoff- und Wärmeaustausch zwischen der metallisehen Schmelze und der spezifisch leichteren und deshalb auf dem Schmelzbad aufschwimmenden Schlacke stattfindet, so daß entsprechende metallurgische Arbeit geleistet werden kann. Eine derartige metallurgische Arbeit ist in Induktionstiegelöfen bisher üblicher Betriebsweise nur in beschränktem Umfang möglich, weil die nichtmetallische Schlacke nicht induktiv beheizt werden kann und die Austauschfläche zwischen Bad und Schlacke klein ist. Um den

^^^!^ _c) der Kohlenstoffgehalt des Schmelzbades wird

forderlichen *™tata eschen Schlacke und _{auf maximal 0>}f_v vorzugsweise auf 0,03 bis

Schmelze sicnerzustellen, ist es bekannt (vgl. öster- 0 07% eineestellt

reichische Patentschriften 149 331 und 223 222, ^//«,eingestellt,

deutsche Patentschrift 659153, USA.-Patentschrift 5

SSia?s ? <;-^Erkemf^s τ/ΐ

f,'ⁱⁿ bestimmtem Verhältnis zum Tiegelinhalt stehen im wesentlichen nur zum Um- _{10 muß}, _{wenn e}ine Bad- und Schlackfnbewegung erschmelzen weitgehend reiner Ersatzstoffe verwendet _reich'_{t werden} ^_{1 die entS}p_rechende metallurgische 71 '«w, f · h t L^ Jdihdttnproblem den Ver- _{Arbeit sowie das}' _Einschniei_Zen spezifisch leichter fahrensablauf nicht beeinträchtigt. Einsatzstoffe, wie Eisenschwamm, ermöglicht. Dabei

Besondere Schwierigkeiten im Induktionsofenbe- muß die Anschlußleistung der Induktionsspule so trieb treten auf, wenn Eisenschwamm als Einsatz- 15 hoch gewählt werden, daß sich in den Grenzflächen ^mateo^a U^T ^beisP'^{elsweise an Ste}»e von Schrott bei zwischen Schmelzbad und Schlackenkranzwirbel beder Stahlherstellung — verarbntet werden solL trächtlich größere Strömungsgeschwindigkeiten des Eisenschwamm ist zwar ein Material von relativ Metalls und der Schlacke einstellen, als es bei den hohem Reinheitsgrad, das für den Hüttenmann auch üblicherweise verwendeten Anschlußleistungen der sonstige bekannte Vorzuge aufweist. Eisenschwamm 20 Fall ist. Verwirklicht man diese beträchtlich größeläßt sich aber praktisch nicht im Induktionsofen ver- _ren Strömungsgeschwindigkeiten in der angegebenen arbeiten, da dieses Material, das spezifisch leichter Weise, so werden auf die schlackenfreie oder schlakals übliche Schlacke ist, und von der Schlacke nur kenfrei gemachte Schmelzbadüberhöhung aufgeteilweise benetzt wird, wegen seiner hohen Porosität gebene, spezifisch leichtere Einsatzstoffe, wie Eiseneine schlechte Wärmeleitfähigkeit hat. Für ein schnei- as schwamm, in die Grenzschicht zwischen rotierendem les und wirtschaftliches Einschmelzen von Eisen- Schmelzbad und rotierendem Schlackenkranzwirbel schwamm wird aber beim Einbringen in die Schlak- hineingezogen und trotz ihres leichteren spezifischen kenschicht eine hohe örtliche Überhitzung benötigt, Gewichtes nicht mit dem Kranzwirbel entlang der wie sie im Induktionsofen nicht erreicht wird. Eisen- Ofenwandung wieder an die Oberfläche geführt, sonschwamm ist daher für den Induktionsofen als Ein- 30 dem in das Schmelzbad eingetragen. Für diesen Einsatzmaterial weitgehend ungeeignet. tragungseffekt dürfte die Benetzung des Eisen-

Es sind allerdings Maßnahmen bekannt, den vor- schwammes mit Schmelze in der Grenzschicht mit

erwähnten Nachteil einer relativ kalten, weil nicht verantwortlich sein. Überraschenderweise ist nämlich

induktiv beheizten und damit reaktionsträgen die Benetzung des Eisenschwammes mit Schmelze

Schlacke durch Zusatzbeheizung der Schlacken- 35 sehr hoch, während die Benetzung mit Schlacke sehr

schicht mit einem darüber angeordneten Brenner, schlecht ist. Die Erfindung geht weiterhin von der

beispielsweise einem Plasmabrenner (vgl. deutsche Erkenntnis aus, daß dem Kohlenstoffgehalt des

Auslegeschrift 1 271 734), zu beheben. Diese Maß- Schmelzbades im Rahmen der erfindungsgemäßen

nähme ist jedoch aufwendig und erfordert ein zusatz- Maßnahmen besondere Bedeutung zukommt, und

liches Aggregat, welches das Verfahren kompliziert 40 zwar nicht nur im Hinblick auf eine wirkungsvolle

und einer großtechnischen Anwendung im Wege Entphosphorung, die für ein brauchbares Endpro-

steht. dukt unumgänglich ist, sondern in bezug auf den

Der Induktionstiegelofen üblicher Bauart und Be- oben beschriebenen Eintragungseffekt des Eisentriebsweise erlaubt weder die wirtschaftliche Durch- schwammes.

führung der für die Stahlherstellung erforderlichen ₄₅ Tatsächlich beeinflußt der Kohlenstoffgehalt näm-

metallurgischen Reaktionen mit intensivem Stoff- und ij_ch die Viskosität des Schmelzbades und verbessert

Wärmeaustausch zwischen metallischer Schmelze und die für den Eintragungseffekt bedeutsame Benetzung

Schlacke, noch ermöglicht er das Einschmelzen spe- des Eisenschwammes mit Schmelze. Die erfindungs-

zifisch leichter Stoffe mit schlechter Wärmeleitfähig- gemäß vorgeschlagenen Maßnahmen führen zui Aus-

keit, wie Eisenschwamm. 50 bildung einer erheblich größeren Schmelzbadüberhö-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in hung in der Tiegelachse als üblicherweise gegeben;

einem Induktionstiegelofen metallurgische Reaktio- laufend umgewälztes Schmelzbad und umgewälzte

nen und Vorgänge der vorstehend gekennzeichneten Schlacke bieten dabei einander immer neue Grenz-

Art, insbesondere das Einschmelzen von Eisen- flächen für den Stoff- und Wärmeaustausch, so daß

schwamm, vorzunehmen. ₅₅ die Schlacke die unerwünschten Stahlbegleitelemente

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die aufnimmt und durch Ja* Schmelzbad auf Stahltem-

Kombination folgender Merkmale gelöst: peratur gehalten wird. Durch die vorbeschriebene

Maßnahme einer spezifischen Ansohlußleistung von

a) Der Quotient aus spezifischer elektrischer An- über 350 kW/t Ofenfassung — üblicherweise betraschlußleistung in Kilowatt pro Tonne Ofenfas- So gen die Anschlußleistungen maximal 250 kW/t — sung und der Quadratwurzel aus der Frequenz wird also durch starke Bad- und Schlackenbewegung in Hertz beträgt zumindest 49,5—bei 50periodi- metallurgische Arbeit auf einfache Weise möglich, schem Wechselstrom beträgt die Anschlußlei- Die Badbewegung ist so intensiv, daß Teile der stung also 350kW/t —, Schlacke mit in die Stahlschmelze gerissen werden

65 und mit dieser umlaufen. Das führt zu einer starken

b) der Eisenschwamm wird der schlackenfreien Vergrößerung der Grenzfläche von Bad und Schlacke, oder schlackenfrei gemachten Schmelzbadüber- was den Stoffaustausch weiter begünstigt. Durch den höhung aufgegeben, intensiven Stoffaustausch nähern sich die Reaktionen

zwischen Schmelzbad und Schlacke schnell dem schwamm enthaltenen Restoxyde in dem Maße redu-Gleichgewichtszustand. ziert, daß der Badkohlenstoffgehalt maximal 0,1 %>,

Spezifisch leichte Einsatzstoffe werden im Rahmen vorzugsweise 0,03 bis 0,07«/o, beträgt. Wenn die des erfindufigsgemäßen Verfahrens der gegebenen- Schlacke die Schmelzbadüberhöhung bedeckt, wird falls schlackenfrei gemachten Schmelzbadüberhöhung 5 abgeschlackt. Frischen und Entphosphoren erfolgt aufgegeben. Tatsächlich zeigt si;*, daß bei kontinu- während des Einschmelzens. Nach beendetem Einierlicher, auf die augenblickliche Leistungsaufnahme schmelzen ist auch der Frischprozeß beendet, der Spule abgestimmter Zugabe von spezifisch leich- Nach dem Entfernen der Frischsohlacke wird die

ten, stückigen oder feinkörnigen Einsatzstoffen, wie Schmelze auf den gewünschten Endkohlenstoffgehalt Eisenschwamm, auf die schlackenfreie Badkuppe der io aufgekohlt und auf Abstichtemperatur überhitzt, woim übrigen mit einer Schlackenschicht bedeckten bei gleichzeitig Entschwefelung und gegebenenfalls Schmelze diese Einsatzstoffe durch die Badbewegung Entgasung vorgenommen werden können. Vorteilhaft nicht in die Schlacke gespült werden und auf ihr wird auch aus den obengenannten Gründen mit aufschwimmen, sondern durch die gleichgerichtete einem im Tiegel verbleibenden Sumpf von etwa 50 Bewegung von Bad und Schlacke an der Badober- 15 bis 60 °/o der Tiegelfüllung gearbeitet. Es wird nur fläche der Badbewegung folgen und unter die Scblak- die jeweils zugeschmolzene Stahlmenge abgestochen kenoberfläche gezogen werden. Sie befinden sich — In Abänderung der oben beschriebenen Arbeitsdann zwischen Bad und Schlacke und sind von einer weise kann vorteilhafterweise zur Verringerung der turbulenten und dadurch reaktionsfreudigen Schmelze Schlackenmenge ein Teil des Eisenschwammes von umgeben. Das Aufschmelzen erfolgt ohne Verzöge- ao etwa 50 %> der Gesamtmenge zunächst ohne Zugabe rung. Die Zugabe auf die Badkuppe ist solange mög- von die Entphosphorung ermöglichenden Schlackenlich, wie diese frei von Schlacke ist. Wenn sie die bildnern in den Tiegel eingebracht werden. Die Ent-Badkuppe bedeckt, nimmt die Umwälzung der phosphorung wird mit während der restlichen Eisen-Schlacke ab, zugegebenes stückiges oder feinkömi- Schwammzugabe nach vorherigem Abschlacken ges Material geringeren spezifischen Gewichts als das 35 durch laufende Zugabe basischer Oxyde gebildeter der Schlacke kann nicht mehr unter die Schlacken- Schfocke durchgeführt, wobei die Mengenverhältnisse oberfläche gezogen werden. Vor weiterer Zugabe so gewählt werden, daß die gebildete Schlackenmuß soweit abgeschlackt werden, daß die Badkuppe menge gerade ausreicht, die zur Erreichung eines schlackenfrei wird. In diesem Zusammenhang ist das geforderten Mindestphosphorgehaltes im Stahl erforerfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeich- 30 derliche Phosphormenge aufzunehmen, net, daß die Zugabe der Einsatzstoffe kontinuierlich, Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind

unter Abstimmung auf die augenblickliche Leistungs- zusammengefaßt darin zu sehen, daß auch Eisenaufnahme der Induktionsspule erfolgt, wobei die zum schwamm, ein spezifisch leichter Einsatzstoff, für die Aufschmelzen benötigte Wärmemenge einschließlich Stahlherstellung in Induktionstiegelöfen durch den Wärme zur Schlackenbildung und Reaktionswärmen 35 beschriebenen Eintragungseffekt auf einfachste Weise gerade der in der Schmelze jeweils durch Induktion eingeschmolzen werden kann. Bei Verwirklichung erzeugten Wärmemenge entspricht. Die kontinuier- der erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen sich inliohe, auf die augenblickliche Leistungsaufnahme der folge der intensiven Schlacken- und Schmelzbadbe-Ofenspule abgestimmte Zugabe ermöglicht die Ein- wegung gleichsam stationäre und steuerbare Tempehaltung einer konstanten Schmelzbadtemperatur und 40 raturverhältnisse ein, die eine genaue Vorherbestimermöglicht durch Einstellung der Schlackenzusam- mung der Reaktions- und Schmelzzeiten, leichte mensetzung die Durchführung metallurgischer Reak- Automatisierbarkeit und Optimierung des Stoff-Flustionen, insbesondere der Entphosphorung, bereits ses im Zusammenhang mit den vor- und nachgewährend des Einschmelzens. Durch die Einstellung schalteten Einrichtungen zulassen und im Ergebnis des Kohlenstoffgehaltes des Schmelzbades auf maxi- 45 eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit mal 0,1, besser 0,03 bis 0,07 Gewichtsprozent und der Stahlerzeugung bewirken, gegebenenfalls kontinuierliche Zugabe von Schlak- Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer

kenbildnern ist die Entphosphorung bereits mit dem Zeichnung ausführlicher erläutert; die einzige Figur Einschmelzen beendet. Die Einstellung des Kohlen- zeigt schematisch die Bewegungsvorgänge an der stoffgehaltes des Schmelzbades auf die gewünschten 50 Badoberfläche bei einein Induktionstiegelofen, in Weite kann je nach den verwendeten Emsatzstoffen dem das erfmdungsgemäße Verfahren verwirklicht entweder durch oxydierende Maßnahmen, wie Erz- wird

zugäbe, Sauerstoffblasen ocLdgL, bzw. durch lau- Der in der Induktionsspule 1 fließende Strom indu-

fende Zugabe von KoblimgsnnttelH in an sich be- ziert in dem im Tiegel 2 befindlichen StaMbad 3 eine kannter Weise bewirkt werden. 55 elektrische Leistung. Radiale Druckkräfte bewirken

FSr die StaMhg aus Eisenschwamm wird die Ausbildung einer zentralen SdmelzbadSberhöder stückige, feinkörnige oder pulverformige Eisen- hung 4 in der Tiegelachse. Die metallische Schmelze sw kantHinierficn auf die freie, nicht von folgt der Bewegungsrichtung S. Durch Ankopplung Schlacke bedeckte Schmelzbaduberhöhung in der wird die im Raum seiffich der Badkappe befindliche Tiegehmtte zugegeben. Die Zugabe wird derart do- 60 Schlacke € im Drehsinn 7 laufend umgewälzt and so siert, daß die zum Aufschmelzen benötigte Wärme- der Kranzwirbel gebildet. Avf die Schmelzbadüber-•üneage einschließlich Wärme for ScbJackenbildung höhung 4 zugegebenes kleinstückiges Material β, wie und Reaktionswärmen gerade der in der Schmelze Eisenschwamm, wird durch die von der Bad- und durch Bihliikiwu erzeugten Wärmemenge entspricht. SohJackenbewegung hervorgerufenen, gerichteten me-Mh der EisenschwammzHgabe werden ScHackenbQd- 65 chanischen Kräfte unter die Schlackenoberfläche ner koutüiuierücb. zagegeben. Durch laufende Zo- zwischen Bad und Schlacke eingezogen and in der gäbe von Kohhmgsmitteln werden die im Eisen- Schmelze aufgeschmolzen.

Hierzu !BlattZeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Stahlherstellung aus metallurgische Arbeit erfordernden, kompakten Einsatzstoffen, vorzugsweise Schrott, sowie aus Eisenschwamm in Induktionstiegelöfen mit von einer zylindrischen Induktionsspule umgebenem zylindrischem Tiegel, wobei sich im Schmelzbad infolge der mittels Induktion hervorgerufenen Schmelzbadbewegung eine zentrale Schmelzbadüberhöhung und ein umgebender Kranzwirbel aus strömender Schlacke bildet, gekonnzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Der Quotient aus spezifischer elektrischer Anschlußleistung in Kilowatt pro Tonne Ofenfassung und der Quadratwurzel aus der Frequenz in Hertz beträgt zumindest 49,5,

b) der Eisenschwamm wird der schlackenfreien oder schlackenfrei gemachten Schmelzbadüberhöhung aufgegeben,

c) der Kohlenstoffgehalt des Schmelzbades wird auf maximal 0,1 °/o, vorzugsweise auf 0,03 bis 0,07%, eingestellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Einsatzstoffe und des Eisenschwammes kontinuierlich und unter Abstimmung auf die augenblickliche Leistungsaufnahme der Induktionsspule erfolgt, wobei die zum Aufschmelzen benötigte Wärmemenge einschließlich Wärme zur Schlackenbildung und Reaktionswärmen gerade der in der Schmelze jeweils durch Induktion erzeugten Wärmemenge entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Kohlenstoffgehaltes des Schmelzbades auf die gewünschten Werte je nach den verwendeten Einsatzstoffen entweder durch oxydierende Maßnahmen, wie Erzzugabe, Sauerstoffblasen u. dgl., oder durch laufende Zugabe von Kohlungsmitteln in an sich bekannter Weise bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei kontinuierlicher Zugabe des Eisenschwammes durch ebenfalls kontinuierliche Zugabe von die Entphosphorung ermöglichenden Schlackenbildnern Einschmelzen und Frischen gleichzeitig durchgeführt werden und der Frischprozeß zum Einschmelzende ebenfalls beendet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Eisenschwammes — etwa 5O^fl/o — zunächst ohne Zugabe von die Entphosphorung ermöglichenden Schlackenbildnern in den Tiegel eingebracht und nach Abschlacken, während der Zugabe des restlichen Eisenschwammes, durch laufende Zugabe basischer Oxyde die Entphosphorung durchgeführt wird, wobei die Mengenverhältnisse so gewählt werden, daß die gebildete Schlackenmenge gerade ausreicht, die zur Erreichung eines geforderten Mindestphosphorgehaltes im Stahl erforderliche Phosphormenge aufzunehmen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der fertigen Schmelze beim Abstich im Tiegel ein Rest von etwa 50 bis 60%> der Tiegelfüllung belassen wird und jeweils nur die zugeschmolzenc Stahlmenge aus dem Tiegel entleert wird.