DE1811755B2 - Verfahren zur ermittlung des sauerstoffgehaltes von metallschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes von Metallschmelzen, denen Proben zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes entnommen werdea

Bei metallurgischen Verfahren zur Herstellung von Metallen und Metall-Legierungen durch nichtreduzierendes Schmelzen erfolgt die Verfahrenssteuerung in Abhängigkeit von der Änderung der in der Schmelze vorhandenen Sauerstoffmenge. Bisher ist kein Verfahren bekannt geworden, das nicht nur eine reproduzierbare, sondern vor allem auch eine sehr schnelle und genaue und darüber hinaus kontinuierliche Bestimmung des Sauerstoffgehalts ermögl-cht so daß die Prozeßführung bei der Herstellung der Metalle bzw. Metall-Legierungen entweder durch Messung der Mengenänderung eines oder mehrerer Zusatzstoffe oder mittels anderer Prüfmethoden vorgenommen werden mußte, die ein mittelbares Abschätzen des Sauerstoffgehaltes der Schmelze ermöglichen. So wird beispielsweise bei der Stahlerzeugung aus der Änderung des Kohlenstoffge haltes der Schmelze oder aus der Farbe und den Eigenschaften von aus der flüssigen Schlacke entnommenen Proben auf den Sauerstoffgehalt des Stahl- schmelzenbades geschlossen. Solche mangelhaften Sauerstoffbestimmungsverfahren haben jedoch wesentliche Nachteile bei der Prozeßführung zur Folge. So wird oftmals in den Schmelzofen eine geringere oder zu große Menge Sauerstoff liefernder Zuschlagstoffe so eingeführt, als zur Beseitigung der unerwünschten Begleit- oder Verunreinigungsstofte erforderlich ist, wodurch Gefahr besteht daß das Schmelzenbad entweder zu stark abkühlt oder überhitzt wird. Ferner hat der Mangel an geeigneten Sauerstoffgehaltbestimmungsverfahren auch eine Unkenntnis der Zeitdauer zur Folge, die zur Beseitigung des Sauerstoffgehalts aus der Metallschmelze notwendig ist, was bedeutet, daß die Zeitdauer der Desoxydation nicht mit der notwendigen Genauigkeit vorherbestimmt werden kann. Darüber hinaus verursacht die bisher geübte Verfahrensweise zusätzliche Kosten, da die Desoxydationsmittel zur sicheren Beseitigung des Sauerstoffes oftmals im Überschuß verwendet werden, worunter wiederum die chemische Zusammensetzung der hergestellten Metalle f<s bzw. -Legierungen leidet Schließlich können die bei der Kontrolle oder Steuerung des Sauerstoffgehaltes der Schmelze auftretenden Ungenauigkeiten und Unsicherheiten nachteilig auf die Menge der nicht-metaUischen foxydischen) Einschlüsse auswirken, wodurch wiederum die Qualität des zu verarbeitenden Produktes aufgrund von Materialfehlern verschlechtert wird.

Es ist ferner ein Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Metallen und Metall-Legierungen bekannt, bei dem eine Probe reduzierend unter Vakuum oder Schutzgas geschmolzen und die entstehende CO-Gasmenge gemessen wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil einer zu langen Analysezeit und ist darüber hinaus aufgrund vorhandener schwer reduzierbarer Oxyde relativ ungenau. Bei einem anderen bekannten Verfahren der genannten Art wird die Spektralanalyse eingesetzt wobei die Ergebnisse zwar schnell gaibg erhalten werden, jedoch eine verhältnismäßig große Streuung aufweisen, so daß die zur Verfahrensiührung erforderlichen Berechnungen mit großen Fehlern behaftet sind

Es ist auch bereits bekannt geworden, für die Ermittlung des Sauerstoffgehaltes von Metallschmelzen nukleare Verfahren einzusetzen, die bisher aber einen kostspieligen Einrichtungsaufwand, beispielsweise das Vorhandensein von Zyklotronen, Linearbeschleunigern und Betatronen erforderten, so daß sie für normale betrübliche Nutzung ausscheiden. In den Fällen, in denen derartige Einrichtungen geringere Abmessungen aufweisen, die eine betriebliche Verwendung ermöglichen wurden, so beispielsweise in Form von Neutronengeneratoren, sind bisher keine brauchbaren Analyseverfahren und -einrichtungen bekannt geworden, mit denen unter Betriebsbedingungen in einer angemessenen Zeit verläßliche Analysenergebnisse erhalten werden können, die dann zur Steuerung des beim Schmelzen vorhandenen Chargenbetriebs hätten verwendet werden können.

Alle bekannten Verfahren beschränken sich darüber hinaus auf die nachträgliche Ermittlung des Sauerstoffgehaltes oder dienen zur Steigerung der Genauigkeit der et haltenen Analysenergebnisse; sie sind daher für eine kontinuierliche Sauerstoffgehaltsmessung ungeeignet und auch zu langsam und ungenau, so daß sie sich als Mittel zur Steuerung metallurgischer Prozesse nicht mit Erfolg einsetzen lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das Verfahren der genannten Art so zu verbessern, daß es eine schnelle und genaue Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einer Metallschmelze während des Produktionsvorgangs ermöglicht um die notwendigen Zuschlagstoffe rechtzeitig und in der erforderlichen Dosis in die Schmelze eingeben zu können, so daß Produkte reproduzierbarer Qualität herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge'äst, daß der Sauerstoffgehalt der aus der Schmelze entnommenen Proben durch Neutronenbestrahlung derselben und durch Messung der Strahlung der entstandenen Isotope bestimmt wird. Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensausgestaltung läßt sich dabei die aus der Schmelze entnommene Probe durch Erstarren zu einem Probenkörper bestimmter Abmessungen und Form verfestigen, woraufhin die in dem Probenkörper vorhandenen Sauerstoffatome durch eine Kernreaktion 16o/mv16n in radioaktive Isotope verwandelt werden und die Strahlung der 16N-Isotope gemessen wird. Die Bestimmung des Neutronenflusses während der Bestrahlung, bzw. die Normalisierung der im Probenkörper erfolgenden Änderung mit Bezug auf den gleichen Neutronenfluß erfolgt durch eine Strahlungszahlabtrennung mittels einer Zeitvariationsme-

diode.

Dadurch wird erreicht, daß die zur Erzeugung von Metallen und Legierungen dienenden tneiaftirgischen Verfahren durch rasches, genaues und kontinuierflches Bestimmen des Saaerstoffgehattes direkt gesteuert werden können, wobei entsprechend dem festgestellten Sauerstoffgehalt im Oxydationsabscfenitt während der Herstellung der Metalle und Legierungen die Sauerstoff liefernden vtJ im Desoxydatio&sabschniK die Sauerstoff verbrauchenden Zusätze mengenmäSig bestimmt werden, und zwar aufgrund der Kenntnis des genauen Sauerstoff gehaites durch Bestimmung der stöchiometri sehen Mengen.

Als Beispiel fur die Steuerung bzw. Regelung metallurgischer Verfahren aufgrund des ermittelten Sauerstoffgehaltes sei die Stahlerzeugung erwähnt Bei der Stahlerzeugung wird der Kohlenstoffgehalt der Schmelze, ausgebend von dem Anfangswert, stufenweise auf den vorgeschriebenen Endwert verringert Zu dem jeweiligen Kohlenstoffgehalt gehört ein bestimm ter Sauerstoffgehalt der aufgrund des aus der Literatur bekannten Gleichgewichtszustandes bestimmt werden kann und der sich mit abnehmendem Kohlenstoffgehalt schrittweise vergrößert Mit Hilfe des erfindungsgemä Ben Verfahrens läßt sich die zur Beseitigung des Kohlenstoffgehaltes erforderliche Menge an oxydieren den Stoffen am Anfang eines Dekarbomsierungsprozes ses ermitteln und gleichzeitig die optimale Geschwin digkeit vier Dekarbonisierung festlegen Da der Sauerstoffgehalt, der dem F.ndwert des Kohlenstoffge haltes das Gleichgewicht hält jeweils höher ist als der Sauerstoffgehalt, der im Stahl ohne Beeinträchtigung seiner mechanischen und anderen Eigenschaften emhal ten sein darf, muß der Sauerstoffgehalt einer Stahl schmelze auf einen Wert unterhalb des Gleichgewichtswertes gesenkt werden Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr genaue Bestimmung des Sauerstoff gehaites der Schmelze möglich ist läßt sich auch die zur Senkung des Sauerstoffgehaltes notwendige Menge an Desoxydationsmitteln sehr genau angeben. Eine konti nuierliche Bestimmung des Sauentoffgehaltes bringt dabei den besonderen Vorteil, daß auf ihrer Grundlage auch eine kontinuierliche Dosierung der Desoxydations mittel erfolgen kann, wodurch jeweils die stöchiometnsch notwendigen Mengen dieser Mittel in die Stahlschmelze eingetragen werden können und einerseits den Anteil der Begleitelemente in engen Grenzen halten und andererseits die im Laufe der Desoxydation entstehenden Oxydmengen und damit Materialfehler im spateren Fertigprodukt verringern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung /eigt

F ι g. 1 eine schematische Darstellung der Analysier-Einrichtung und

F ι g 2 ein Fließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Analysier Einrichtung eine Neutronenquelle 1 auf, die in einem strahlungssicheren Gehäuse 2 angeordnet ist und vor der ein Rohr 3 zur Förderung der Probe und ein Rohr 4 zur Förderung des Neutronenflußmessers angebracht sind. Diese Rohre enden In einer MeBkammer 5, in der ein Detektor 6 zur Messung der Strahlung der Probe und ein Detektor 7 zur Messung der Strahlung des Meßkdrpers zwecks Messung des Neutronenflusses vorgesehen sind. Die MeBkammer ist von einem Mantel umgeben. An den Detektor« sind ein Probenstrahltnigsmeßgerät 8 und an den Detektor 7 ein Neutronenfhißmeögerät 9 angeschlossen. Zu der binrichtung gehört auch ein die Meßergebntsse druckendes Gerät 10 sowie ein automatisches Betätigungsgerät 11.

Durch die Strahlung der Strahlungsquelle t der Einrichtung werden die in der Probe vorhandenen Sauerstoffatome in strahlende Isotope verwandelt wobei die Strahlung der auf diese Weise entstehenden radioaktiven Isotope sowie der Neutronenfluß durch die Geräte 5 bis 10 der Einrichtung gemessen und ausgewertet werden. Die Probeneingabe- bzw Pro- beentnahmestellen sind in Fig. 1 mit 12 bzw 13 bezeichnet

Das Verfahren zur Ermittlung des Sauerstoffgehalt« hat den Vorteil daß die Metalle und Metall-Legierungen in reproduzierbarer Qualität hergestellt werden ko""en. wenn der Sauerstoffgehalt der Schmelze s«» -Mg überwach« bzw gesteuert wird, nachdem er mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens kontinuierlich festgestellt werden kann. Dadurch werden überschuss! ge Mengen an Oxydations- und Reduktionsmitteln eingespart Außerdem wird eine gleichmäßigere Qual· tat der Metalle und legierungen gesichert ferne' wird die qualitativ hochwertige Menge an Fertigprodukt vergrößert

Wird das Verfahren beispielsweise bei einem Stahlerzeugungsprozeß angewendet, so geschieht die« wie folgt Autgrund des Sauerstoffgehaltes der au«, de>v Stahlschmelzenbad zu bestimmten Zeitpunkten ent nommenen Proben wird berechnet und vorgeschrieben. welche Mengen und Qualitäten an Reduktionsmitteln zur Vorreduzierung in den Ofen oder den Kessel bei einem festgestellten Sauerstoffgehalt eindosiert werden müssen. Aufgrund des Sauerstoffgehaltes der im Laufe des Abstiches entnommenen Probe wird dann entschie den, ob ein weiteres Reduzierungsmittel, beispielsweise Aluminium, während des Gießens zugegeben werden muß. Diese Bestimmung läßt sich mit Hilfe eines Nomogramms vornehmen, aus dem in Abhängigkeit von der gewünschten Endmenge an Mangan sowie in Abhängigkeit von der durch Analyse bestimmten Sauerstoff und Kohlenstoffgehalte die spezifische Menge an Aluminium, die im Laufe des Gießens zugegeben werden muß. zahlenmäßig unmittelbar entnommen werden kann.

F i g. 2 zeigt ein Fließbild des Verfahrens, wobei die Bezugszeichen 21,22 und 2.3 nV Proben bezeichnen, die in verschiedenen Perioden der Chargenführung bei der Stahlherstellung aus dem Schmelzenbad 24 entnommen werden An die Sauerstoffgehaltsbestimmungseinrichtung 25 schließt sich eine Einrichtung 27 zur Bestimmung der Menge der Zusatzstoffe an. die über die Transportwege 28 und 29 den Speichereinrichtungen 210 und 211 zugeführt werden. Mit 212 ist eine Bearbeitungsvorrichtung für die Probe bezeichnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes von Metallschmelzen, denen Proben zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt der aus der Schmelze entnommenen Proben durch Neutronenbestrahlung derselben und durch Messung der Strahlung der entstandenen ₍₀ Isotope bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Schmelze entnommene Probe durch Erstarren zu sinein Probenkörper bestimmter Abmessungen und Form verfestigt wird, und daß danach die in dem Probenkörper vorhandenen Sauerstoffatome durch eine Kernreaktion 16o/rtp/16_N in radioaktive Isotope verwandelt werden und die Strahlung der 16_N-Isotope gemessen wird.

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