DE1960082A1

DE1960082A1 - Verfahren zum Niederschmelzen von Metallen

Info

Publication number: DE1960082A1
Application number: DE19691960082
Authority: DE
Inventors: Szekely Andrew Geza; Death Frank Stuart
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-12-17
Filing date: 1969-11-29
Publication date: 1970-07-02
Also published as: FR2026370A1; AT313942B; JPS50806B1; GB1284309A

Description

1360082

PATENTANWALi.
DIPL-ING.

HELMUTGORTZ

6 Frankfurt am Main 70

Schneckenhof sf r. 27 - Tel. 61 70 79 2 7. Noν * 19 6 9

Gzy/goe UNION CARBIDE CORPORATION

Verfahren 211111 Ni ed er schmolzen von Metallen»

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Niederschmelzen von Metallen, insbesondere von Gemischen aus Eisen- oder Stahlschrott und Hochofen-Roheisen, mit einer Flamme aus einem gafiirmigen oder flüssigen Brennstoff und einem oxydierenden

In der Metallindustrie besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum Niederschmelzen von Metallen mittels einer Flamme mit einer hohen Geschwindigkeit und einer guten Wärmeübertragung, ohne daß hierbei das Metall übermäßig oxydiert Wird. In f offenen Herlöfen kann Stahl mit mäßiger Geschwindigkeit aus praktisch beliebigen Mengen von festem Schrott und geschmolzenem Hochofeneisen hergestellt werden. Diese Bestandteile können aber nicht in beliebigen Mengen gemischt werden, wenn man Thomas-Eisen verwendet. Die Wärme des geschmolzenen Hochofen-Eisens genügt, um etwa JO Gew.~% festen Schrott in der Üfencliarge niederzuschmelzen» Daher ist ein Verfahren erwünscht, bei welchem größere Mengen Schrott in Thomas-Öfen niedergeechmolzen werden können· Ein solches Verfahren müßte eine

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gute iförmeüber bragung zwischen der Flamme und dom Schrott sicherstellen, ein sicheres Abstechen des Hochofentiisuns in geschmolzenem Zustand auf den ganz oder teilweise „esclimol/jC-nen .Schrott ermöglichen und nicht zu lange Zeit beanspruchen,

α Nach einem üblichen Verfahren wird die Flamme eines mit einem Brennstoff und Sauerstoff gespeisten Brenners in dem Ofen gegen festen Stahlschrott gerichtet, um ihn vorzuerwärmen und teilweise zu schmelzen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht unter anderem darin, daß bei hohen Flammengeschwindigkeiten der Schrott sehr weitgehend oxydiert wird, und zwar praktisch bei allen Mengenverhältnissen von Brennstoff und Sauerstoff. Diese weitgehende Oxydation führt zu einer gefährlichen und heftigen Umsetzung mit dem geschmolzenen Roheisen, wenn dieses in Berührung kommt mit dem oxydierten Schrott» Bei einer sehr

~ weitgehenden Oxydation durch eine übliche Flamme wandert auch zu viel Eisenoxyd in die Schlacke, wodurch die Ausbeute an metallischem Eisen verringert wird.

Beim Niederschmelzen von Schrott durch direkte Berührung mit einer Flamme wird weniger Eisen oxydiert, wenn eine Flamme vorwendet wird, die stöchionietrisch überschüssigen Bronnstoff enthalt, Das heißt, daß weniger Eisen oxydiert wird, wenn die Flamme weniger Sauerstoff enthalt, als für eine stöchionietrisclie Verbrennung des Brennstoffes erforderlich ist» Trotzdem ist

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dieses Vcrf nliren unpraktisch, weil der · HeizAvert des Brennstoffs nicht vollständig, ausgenutzt wird und weil wegen der nie'drigen To.inperatur der Flamme die Wärmeübertragung schlecht ist. Die Menge der Vorbrennungsgase ist hierbei groß im Vergleich zur nutzbaren Wanne.

Der Ilauptnachteil einer schlechten Wärmeübertragung zwischen Λ der Flamme und dem Metall ist das langsame Aurheizen und Schmolzen des iMetallSc Das verlängert die Behandlungszeit und führt zxi höheren Wärmer er lusten·, Die heißen Verbrenntmgsgase können auch die feuerfesten Teile des Ofens überhitzen, insbesonderfein senkrechtem öfen, wie z.H. in Thomas-Öfen, und können die Abzugshaube und andere Teile des Ofens schwer beschädigen.

Ein Ziel der -Ei^-findung ist ein Verfahren zum Niederschmelzen von Metall durch direkte Behandlung des Metalls mit einer Flamme, wobei eine hohe Wärmeübertragung zwischen der Flamme und ™ dem Metall gosicliGrt„wird« Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren dieser Art, bei welchem eine geringe Oxydation des Metalls stattfindet_o

I.» I Ci Erfindung betrifft ein Verfahren zum Niederschmelzen von Metallen, insbesondere von Gemischen ;.us Eisen- oder Stahlschrott und Ilochof en-Uohciisen, mit einer Flamme; aus einem gasförmigen

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oder flüssigen Brennstoff und einem oxydierenden Gas, Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen Brennstoff verwendet, der Calzium, Magnesium, Cäsium, Bor, Aluminium, Silizium , Chrom, Molybdän, Eisen, Nickel, Titan, Zirkon, Vanadin oder Mangan in feinverteilter Form in elementarem Zustand odor als Legierung, Oxyd, Carbid oder Silicid enthält, und die Flamme mit den in ihr geschmolzenen Teilchen auf die Oberfläche des niederzuschmelzenden Metalls auftreffen läßt. Der Brennstoff kann auch zwei oder mehrere der genannten Elemente oder Verbindungen enthalten»

Mit gutem Erfolg verwendet man einen Brennstoff der Calziunikarbid oder Calziumkarbid und Calziumoxyd enthält.

Vorzugsweise verwendet man als Brennstoff ein Kohlenwasserstofföl.

Als Brennstoff kann ein üblicher flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoff verwendet werden, z.B. Methan, Erdgas, Kerosin oder Brennstofföl. Als oxydierendes Gas kann Luft oder vorzugsweise handelsüblich, reiner Sauerstoff verwendet werden. Flüssige Brennstoffe sind vorzuziehen, weil die teilchenförmigen Zusätze leicht mit ihnen gemischt und gefördert werden können. Als geeignete Zusätze können beispielsweise die nach-

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stehenden genannt werden: Fe, Al, CaO, CaC ,SiC, CaSi, FeSi, Fe O und Cr O , Die Auswahl dieser Zusätze ist abhängig von wirtschaftlichen Erwägungen und von der chemischen Verträglichkeit der Zusatzstoffe mit dem metallurgischen Verfahren. Unter Umständen kann auch ein solcher Zusatz gewählt werden, daß er legierende Elemente oder Flußmittel ganz oder teilweise in das metallurgische Verfahren einführt.

Das erfindungsgemaße Verfahren kann zum Niederschmelzen beliebiger Metalle verwendet werden« Insbesondere ist es verwendbar beim Niederschmelzen von Metallen, die leicht oxydieren, wie z.B. von Eisenmetallen und ihren Legierungen, Aluminium und Kupfer.

Die Zusatzstoffe werden in der Flamme ganz öder teilweise geschmolzen, wobei es belanglos ist, ob zum Schmelzen die Verbrennungswärme eines üblichen Brennstoffes oder die Verbren- " nungswärme der Zusatzstoffe in dem Brennstoff herangezogen wird. Als oxydierendes Gas können beliebige Gase, z.B. reiner Sauerstoff oder Luft, verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur zum Niederschmelzen von Metallen, sondern auch zum Aufheizen oder Vor..—-wärmen von Metallen verwendet werden, wenn man die Flamme nicht so langer auftreffen läßt, wie zum Niederschmelzen erforderlich ist·

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beliebigen Gefäßen zum Niederschmelzen von Metallen durchgeführt werden, Z₀B₀ in waagerechten Öfen, wie in offenen Herdofen, oder in senkrechten Öfen oder Schachtöfen, ZoB. in Bessemer-Öfen„ Die Figuren zeigen beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Brennerkopf, mit Hilfe dessen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm einer Anlage zur Herstellung einer Suspension eines gepulverten Zusatzstoffes in einen! flüssigen Brennstoff zur Verbrennung in einem Brenner nach Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt einen Düsenbrenner 10, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Der Brenner 10 enthält mehrere Rohrleitungen, durch welche der Brennstoff mit dem Zusatzstoff, der Sauerstoff und eine Kühlflüssigkeit geleitet werden. Durch den niittigen Einlaß 12 wird das Gemisch von Brennstoff und dem Zusatzstoff in den Brenner 10 eingeführt. Die mittige Leitung 12 steht mittels einer Leitung I^ in Verbindung mit einer Drallkainmer l6. Am vorderen Ende der Drall-

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kanuner l6 befindet sich das Mundstück l8 zur Einführung des Brennstoffs und der Zusatzstoffe in eine Düse 20 des Brenners 10. Die Einlaßleitung 22 für Sauerstoff steht über Flügel 24 in Verbindung mit der Brennerdüse 20. Mehrere ringförmige Leitungen, 11, 131 15 und 17 dienen zum Hindurchströmen von Kühlflüssigkeiten. Der Brennstoff mit dem Zusatz gelangt aus dem mittigen Einlaß 12 in die Drallkammer l6 und wird beim Verlas- Λ sen des Mundstückes l8 versprühte Das versprühte Gemisch von Brennstoff und Zusatzstoffen gelangt in die Brennerdüse 20, wo die Verbrennung stattfindet«

Der dargestellte Brenner ist ein Düsenbrenner. Es können aber natürlich auch andere Brennerarten verwendet werden, durch

welche der Brennstoff und der Zusatz in die Flamme eingeführt werden können «

Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Anlage zur Herstellung eines ™ Gemisches aus einem pulverformigen festen Zusatzstoff, z.B. Calziumkarbid, und einem flüssigen Brennstoff, z.B. Kerosin. Beim Betrieb dieser Anlage werden die groben Teilehen des Zusatzstoffes durch Sedimentation aus der Aufschlämmung entfernt, und es wird eine Suspension erhalten, die einen glatten Betrieb des Brenners ermöglicht.

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In dem Behälter 26 befindet sich ein Gemisch aus Calziumkarbid und Kerosin, In dem Behälter 28 befindet sich reines Kerosin« Im Behalter 26 wird, die Aufschlämmung stark gerührt mittels eines durch Luft betriebenen Rührers 31· Dann wird das Gemisch durch das Ventil 33 und die Pumpe 30 in einen Abscheider' 32 gefordert. Dann schließt man das Ventil 33 und pumpt reines Kerosin aus dem Behälter 28 durch das Ventil 3^ in den Abscheider 32.AlIe Calziumkarbid-Teilchen mit. einer geringeren Sedimentätionsgeschwindigkeit als die Strömungsgeschwindigkeit des Kerosins werden durch den geraden. Abschnitt 38 des Abscheiders 32 hindurchgespült und gelangen durch die Leitung 35 in den Behälter 36. Die unerwünschten größeren Teilchen fallen auf den Boden des Abscheiders 32 und können anschließend durch das Ventil 40 abgezogen werden.

Die Suspension kann im Behälter 36 auf eine gewünschte Konzentration gebracht werden, wenn man nach dem Absetzen der Teilchen Kerosin aus dem Tank 36 entfernt. Zum Lagern kann die Suspension sogar bis zu' einer dickei Aufschlämmung konzentriert werden.

Die Sichtung der pulverförmiger!!. Zusatzstoffe kann nach üblichen feuchten oder trockenen Verfahren durchgeführt werden. Das beschriebene Verfahren wird aber bevorzugt für solche Stoffe, die wie Calziumkarbid mit der Atmosphäre reagieren. Als Auf-

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schlämmung in Öl kann pulverförmiges Calziumkarbid sicher während längerer Zeit gelagert werden.

Verschiedene Versuche wurden durchgeführt, um die Wirkung von pulverförmigen Zusatzstoffen zum Brennstoff auf die Wärmeüber- tragung zwischen der Flamme und dem Metall und damit auf die Schmelzgeschwindigkeit des Metalls zu prüfen. _; · -

Hierfür wurden Stahlstangen mit einem Durchmesser von etwa 2,5 cm axial geschmolzen. Als Brennstoff diente eine 20 %ige Suspension von Calziumkarbid in Kerosin* Beim Richten der Flamme auf das obere Ende der Stahlstangen wurden stündlich etwa 175 x 10 kg-cal übertragen. Im Vergleich dazu wurde die Wirkung einer Flamme aus reinem Kerosin ohne Zusätze bei derselben Wärmeübertragung und in derselben Anordnung geprüft.

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Die Stahlstangen waren senkrecht in einem feuerfest ausgekleideten Behälter angeordnet» Beim Abschmelzen der oberen Enden der Stahlstangen wurde der Brenner nach unten bewegt, so daß der Abstand zwischen dem Brenner und dem oberen Ende der Stahlstangen immer der/gleiche blieb. Gemessen wurde der Abstand zwischen dem Äuslaßende des Brenners und dem im Schmelzen b.efind- ' liehen Metall. Die Schmelzgeschwindigkeit wurde ausgedrückt durch die Stellung des Brenners in Abhängigkeit von der Zeit.

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Bei einem gleichbleibenden Abstand von etwa 25 cm der Brennermündung von dem schmelzenden Stahl und bei Verwendung einer Flamme aus Kerosin und Calziumkarbid mit der stöchiometrischeri Menge von Sauerstoff schmolzen die Stahlstangen mit einer Geschwindigkeit von 295 "g/Min. Bei demselben Abstand des Brenners, aber bei Verwendung einer Flamme ohn.e Calziumkarbid schmolzen die Stahlstangen mit einer Geschwindigkeit von nur I5O g/Min₀ Die Schmelzgeschwindigkeit wurde also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fast verdoppelt.

Das geschmolzene Metall wurde in einem feuerfesten Behälter um den Fuß der Stahlstangen herum gesammelt. Der gesamte Eisengehalt wurde nach üblichen Verfahren bestimmt. Hierzu wurde der Stahl in Salzsäure gelöst und es wurde der hierbei entstehende Wasserstoff gemessen. Es zeigte sich, daß bei Verwendung des Brennstoffs mit Calziumkarbid hur 10 % des Stahls oxydiert wurden, während bei Verwendung von Kerosin ohne Calziumkarbid ^5 % des Stahl oxydiert wurden. Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle I wiedergegeben.

Tabelle I

Schmelzgeschwin- Oxydation digkeit

g/Min. %

Stb'chiometrische Flamme unter

Verwendung von Kerosin mit 20%

,CaC₂ 295 10

Stöchiometrische Flamme unter

Verwendung von Kerosin 150 k3 -/-

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Aus diesen Zahlen geht hervor, daß die.Gegenwart von Calziumkarbid in der* Flamme sowohl die Wärmeübertragung von der Flamme auf den festen Stahl verbessert, wie auch die Oxydation des Metalls verringert.

In einer anderen Versuchsreihe wurde die Wärmeübertragung von Flammen ^messen, wobei die Flammen gegen Wasser in einem etwa ä 380 1 fassenden Behälter gerichtet wurden. Hierbei wurden die nächstehenden Brennstoffe verwendet.

Tabelle II
Brennstoffgemisch A : 20 % CaO + l6 % CaC + 6k % Kerosin

dt . ■ ■ ■

Brennstoffgemisch B ; 20 % CaC + 80 % Kerosin Brennstoff C : reines Kerosin

Der Sauerstoff und der Brennstoff wurden so bemessen, daß in

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allen Fällen etwa 175 x 1° kg-cal stündlich übertragen wur- ^ den. Beim Abstand der Brennermündung von etwa ^O cm wurde für das Brennstoffgemisch A eine Wärmeübertragung von 87 %, für das Brennstoffgemisch B eine Wärmeübertragung von 80 % und für den Brennstoff C eine Wärmeübertragung von 71 % gemessen. Man sieht also, daß die Gegenwart von Calziumkarbid und von Kalk in der Flamme die Wärmeübertragung verbessert.

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Zum Nachweis der vorteilhaften Anwendung der Erfindung wurden Versuche in einem Ofen mit einem Fassungsvermögen von etwa kg durchgeführt. Hierbei wurden 113i5 kg Schrott aus Elektrolyt-Eisen auf 2,27 kg Koks und 4,5 kg Kalk in einem heißen Konverter aufgebracht. Der Brenner wurde in den Behälter in einem Abstand von etwa 12,5 cm über der Oberfläche des Schrotthau-HB fens gebracht. Nach 1 l/2 Minuten wurde der Brenner in dem Maße gesenkt, wie der Schrott schmolz, wobei dauernd ein Abstand von etwa 12,5 cm eingehalten wurde. Es wurde ein Brennstoff aus 8O % Heizöl , l4,8 % Calziumcarbid und 5,2 % Kalk verwendet, der durch eine Schlammpumpe in den Brenner gefördert wurde. Das Gemisch wurde mit reinem Sauerstoff verbrannt. Nach etwa 9 Minuten hob man den Brenner aus dem Behälter heraus und gab 4,5 kg Kalk und 113t5 kg geschmolzenes Roheisen in den Ofen. Dann wurde der Brenner wieder herabgesenkt und als Raffinierlanze verwendet. Die Behandlung wurde nach etwa 7 Minuten unterbrochen, um Schlacke und Metallproben zu entnehmen und um die Temperatur der Schmelze zu messen«

Ein bemerkenswertes Ergebnis dieses Versuches bestand darin, daß man geschmolzenes Roheisen auf den geschmolzenen""Schrott abstechen konnte, ohne daß eine heftige Reaktion entstand. Das zeigt, daß während des Niederschmelzens des Schrotts keine starke Oxydation stattgefunden hatte,, Größere Mengen von Eisen-

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oxyd würden mit dem geschmolzenen Roheisen heftig reagieren. Die geringe Oxydation ging auch hervor aus dem niedrigen Gehalt ' der Schlacke an Eisenoxyd. Die Schlacke .enthielt 32,1 CaO, 17,2 % MgO, 4,9 % MnO, 27,6 % SiO₀, 8,4 % FeO und 9,7 % Fe₀O₀.

Der Eisengehalt der Schlacke war geringer als bei den üblichen g Verfahren, wenn Stahl in einem basischen Ofen unter Verwendung von etwa 30 % Schrott hergestellt wird₀

Die Versuche zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren gut geeignet ist, um Schrott in einem basischen Ofen zu erhitzen und zu schmelzen, und zwar in solchen Mangenverhaltnissen, die höher sind als die üblichen, mit einer hohen Schmelzgeschwindigkeit, und ohne daß größere Mengen von Eisen oxydiert werden.

Diese Versuche wurden in einem basischen Ofen durchgeführt} selbstverständlich kann man das erfindungsgemäße Verfahren auch in anderen Öfen durchführen, z.B. in Schachtöfen zum Niederschmelzen von Schrott»

Außer Calziumoxyd und Calziumkarbid können natürlich auch andere Zusätze verwendet werden, z.B. die inerten Zusätze Cr 0 und Fe O₀ und die verbrennbaren Zusätze, z.B. Metallkarbide,

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Eisenlegierungen oder Metalle, wie SiC, Fe C, FeSi, CaSi, Ni und Cr. Je nach dem gewünschten Ergebnis können die geeigneten Zusätze gewählt werden. Hierbei sei bemerkt, daß es in erster Linie nicht auf den Heizwert der Zusätze ankommt. Sie sollen vielmehr die Wärmeübertragung eines billigen Brennstoffes verbessern. Man kann also eine stöchiometrische oder fast stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs mit Sauerstoff durchführen, ohne daß zu große Mengen Metall oxydiert werden. Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Calziumoxyd und/oder Calziumkarbid in basischen Öfen besteht darin, daß durch die Flamme Kalk in geschmolzenem und feinverteiltem Zustande zugeführt wird.

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Claims

.-.. ; ·. ■■., ... ■-;■■ - 15 - '·.·■■ :; . ■;.■-■ ■ ; '.,'■■■ ■ Patentansprüche

1. Verfahren zum Niederschmelzen von Metallen, insbesondere von Gemischen aus Eisen- oder Stahlschrott und Hochofen-Roheisen, mit einer Klamme aus einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff und einem oxydierenden Gas, d a du r c h ge k e η η ζ e i c h η e t, daß man einen Brennstoff verwendet, der Calzium, Magnesium, Cäsium, Bor, Aluminium, Λ Silizium, Chrom, Molybdän, Eisen, Nickel, Titan, Zirkon, Vanadin oder. Mangan in feinverteilter Form in elementarem Zustand oder als Legierung, Oxyd, Carbid oder Silicid enthält, und die Flamme mit den in ihr geschmolzenen Teilchen auf die Oberfläche des niederzuschmelzenden Metalls auftreffen läßt. .-'.'.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ g e k en η ζ eich η et

d u r c h die Verwendung eines Brennstoffs, der Calziu.;-karbid enthält. ™

3. Verfahren nach Anspruch 2, g e k e η η ζ ei c h net

d u r c h die Verwendung eines Brennstoffs, der Calziumcarbid und Calziumoxyd enthält.

kο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 g e k e η η-z ei c h η e t d -u r c h die Verwendung eines Kohlenwasserstofföls als Brennstoff.

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