DE19814748A1 - Verfahren zum Legieren von Stählen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Legieren von Stählen durch Einbringen von metallischen Zuschlägen und/oder Reduktionsmitteln in pulvriger Form in eine flüssige Metallschmelze. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Legierungszuschläge und/oder die Legierungszuschläge und Reduktionsmittel als Pulver aus einem Vorratsbehälter über eine Förderleitung direkt zu einer oder mehreren Lanzen und/oder Unterbaddüsen in die Schmelze oder in einer Mischung mit einem Fluidisierungsmittel, dessen Anteil an der eingeblasenen Menge 20% ist, in die Schmelze eingeführt. Der hierbei aufzuwendende Druck beträgt mindestens 20 bar. Alternativ kann das Pulver mittels eines den Förderleitungsquerschnitt überdeckenden Preßkolbens in die Schmelze eingegeben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Legieren von Stählen durch Einbringen von metallischen Zuschlägen und/oder Redukti­ onsmitteln in pulvriger Form in eine flüssige Metallschmelze. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung gehört dem Bereich der sogenannten Sekundärmetallurgie an, d. h., einer Nachbehandlung des bei­ spielsweise durch den Frischprozeß im Konverter oder im Elek­ trolichtbogenofen hergestellten Stahles. Zu dieser Nachbehand­ lung gehört insbesondere die Legierungseinstellung der Stähle, bei der gewünschte Metallzuschläge eingebracht werden. Ggf. ist in dieser Phase noch eine zusätzliche Desoxidation, Entkohlung, Entschwefelung von Spurenelementen vorzunehmen.

Aus der DE 42 37 177 A1 ist eine regelbare mechanische Dosier­ förderanlage für staubförmige Güter bekannt, die eine oder meh­ rere verschiedene Staubsorten mengengeregelt durch eine Förder­ leitung mit abschließender Tauchlanze in eine Roheisenschmelze drückt. Diese Dosierförderanlage wird zum Einblasen, insbeson­ dere zum Koinjektionieren von Kalziumcarbid- und Magnesiumstäu­ ben in Roheisenschmelzen verwendet.

In entsprechender Weise wird auch in der DE 44 00 029 A1 eine regelbare dosierte Eingabe von Additiven in den Elektrolichtbo­ genofen, in Pfannenöfen oder Gießpfannen angestrebt. In allen diesen Fällen wird der betreffende pulverförmige Feststoff mit­ tels eines Trägergases, das nach dem Stand der Technik etwa 80% und mehr der Gesamtgas-Feststoff-Gemischmenge ausmacht, eingebracht. Unterschiedliche Ström- bzw. Fließgeschwindigkei­ ten der verwendeten Trägergase und der Feststoffe führen jedoch im Ergebnis dazu, daß eine genaue Dosierung bzw. Regelung der einzubringenden Legierungselemente oder Legierungselemente in Verbindung mit Desoxidationsmitteln nicht möglich ist, was sich qualitativ auf den hergestellten legierten Stahl in negativer Weise auswirkt.

Aus diesem Grund wird bei der Legierungseinstellung des Stahles mit einem hohlkörperförmigen Draht gearbeitet, in dessen Innen­ raum die Metalle und/oder Desoxidationsmittel in pulvriger Form eingepreßt angeordnet sind. Dieser Draht wird mittels einer Einspulmaschine unmittelbar in das Bad abgewickelt, wo der Draht schmilzt und die Legierungselemente freigibt. Beispiels­ weise werden Drähte bis zu 23 mm Durchmesser und einer 0,5 mm dicken Wandstärke verwendet, in denen das Füllmaterial angeord­ net ist. Bereits die Herstellung solcher mit pulverförmigen Legierungselementen gefüllten Drähte ist aufwendig und teuer. Darüber hinaus besitzt das Drahteinspulverfahren den Nachteil, daß das erschmelzende Drahtende nicht immer an der gewünschten Stelle unter der Badoberfläche liegt, so daß sich in der Schmelze unterschiedliche Konzentrationen an Legierungselemen­ ten ergeben.

Die zwar preiswertere und technisch einfachere Technik, die Legierungspulver von oben auf die Badoberfläche rieseln zu las­ sen, besitzt wiederum den Nachteil, daß wegen der bestehenden Badbewegungen, die auf der Metallbadoberfläche radial nach außen gerichtet sind, die Legierungsmittel an den Pfannen- oder Konverterrand gespült werden, wo sie an Schlackeablagerungen oder dem Schmelzbehälterinnenmantel haften bleiben. Da dies in unkontrollierbarer Weise in Abhängigkeit von der unterschiedli­ chen Badbewegung geschieht, droht auch bei diesem Verfahren eine unerwünschte Legierungseinstellung, die den Metall-Legie­ rungszuschlägen jedenfalls nicht entspricht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren dahin weiterzuentwickeln, daß mit besserer Dosiergenauigkeit Legierungszuschläge allein oder Legierungszu­ schläge in Verbindung mit Reduktionsmitteln in exakter Dosie­ rung in die Schmelze eingebracht werden.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legie­ rungszuschläge und/oder die Legierungszuschläge und Reduktions­ mittel als Pulver aus einem Vorratsbehälter über eine Förder­ leitung direkt zu einer oder mehreren Lanzen und/oder Unter­ baddüsen (trocken) in die Schmelze oder in einer Mischung mit einem Fluidisierungsmittel, dessen Anteil an der eingeblasenen Menge ≦ 20% ist, in die Schmelze eingeführt werden, wobei der zur Pulverförderung aufzuwendende Druck mindestens 20 bar, vor­ zugsweise 40 bar, beträgt oder wobei die in der Förderleitung befindlichen Pulver mittels eines den Förderleitungsquerschnitt überdeckenden Preßkolbens ausgetrieben werden.

Die grundsätzlich bekannte Einblastechnik von Feststoffen über Lanzen oder Unterbaddüsen wird demnach in der veränderten Art und Weise angewendet, daß die betreffenden Zuschläge trocken (d. h. ohne Gase oder andere Fluidisierungsmittel) unter einem Förderdruck von 40 bar und mehr in die Schmelze eingeblasen werden oder daß die Menge des Fluidisierungsmittels auf maximal 1/5 in der Gas-Pulverfeststoffmischung begrenzt wird und die Mischung unter einem Förderdruck von mehr als 20 bar eingebla­ sen wird. Der Förderdruck nimmt entsprechend den Reibungsverlu­ sten zur Lanze bzw. Unterbaddüse hin ab, wodurch sich der Druck, unter dem die Pulver ausströmen, auf Werte minimiert, die geringfügig über dem ferrostatischen Druck liegen. Überra­ schenderweise hat sich gezeigt, daß es trotz der erheblichen Reibungsverluste, die zwar vorliegen und nach bisherigen Annah­ men befürchten ließen, daß eine gleichmäßige Eingabe der Zuschläge nicht möglich ist, eine optimale Dosierung geschaffen werden kann. Es war auch überraschend, daß, je nach dem, ob mit einem geringeren Anteil von Fluidisierungsmitteln oder ohne Fluidisierungsmitteln gearbeitet wird, bereits Drücke zwischen 20 bar und 40 bar ausreichen, um die bestehenden Reibungswider­ stände zu überwinden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die in der Förderleitung und/oder Lanze eingefüllte Pulvermenge über einen Hubkolben, der den gesamten Förderleitungsquerschnitt abdeckt, auszutreiben. Bei diesem Verfahren wird die Menge an Pulver, die eingeführt werden kann, durch den Kolbenhub sowie den Querschnitt der Förderleitung, in dem der Kolben bewegt wird, begrenzt. Der betreffende Förderleitungs- oder Lanzenabschnitt muß nach jedem Pulveraustrieb neu gefüllt werden. Die Pulveraustrittsstelle an der Lanze wird zweckmäßigerweise beim Nachfüllen durch eine Abdeckung verschlossen, die beim Einführen der Lanze in die Schmelze wegschmilzt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So werden vorzugsweise Pulver mit einer maximalen Korngröße von 1 mm, vorzugsweise von maximal 0,1 mm, insbesondere beim "trockenen" Einblasen ohne Gase oder Flüssigkeiten, verwendet.

Wie bereits erwähnt, können jedoch auch Fluidisierungsmittel, wie geringe Mengen an Inertgas, insbesondere Argon oder Stick­ stoff, oder von flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie Heiz- oder Dieselöl, Schweröl, Altöl, Rapsöl oder Paraffin, verwendet wer­ den. Die Verwendung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie ins­ besondere Altöl, das in der Schmelze verbrennt, schaffen Ent­ sorgungsmöglichkeiten, welche die Behandlung von Altöl als Son­ dermüll vermeiden lassen.

Eine Fluidisierung der Pulver ist auch dergestalt möglich, daß gepreßte Legierungszuschläge einen Kern bilden, der mit einer ein Gleitmittel enthaltenen Schale, z. B. aus Paraffin, Wachs oder ähnlichem, umhüllt ist. Betreffende, aus Kern und Schale bestehende Partikel können ohne Zugabe weiterer Fluidisierungs­ mittel (trocken) oder mit weiteren geringen Anteilen von gas­ förmigen oder flüssigen Fluidisierungsmitteln, die jedoch die im Anspruch 1 genannte Menge nicht übersteigen sollen, verwen­ det werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Legierungszuschläge in Pulverform über eine schwenkbare Lanze eingeblasen.

Hierunter sind sowohl solche Schwenkbewegungen zu verstehen, die es ermöglichen, Lanzenaustrittsöffnung aus dem Bad heraus­ zubewegen, als auch solche Schwenkbewegungen, welche unter­ schiedliche Lanzenaustrittsorte unterhalb der Badoberfläche einstellen lassen.

Vorzugsweise ist die Lanze als Ringdüse ausgebildet und in einer weiteren Ausgestaltung als doppelwandige Ringdüse, wobei durch eine der doppelwandbedingten Ausströmöffnungen Inertgase in die Schmelze eingeblasen werden, wodurch die Lanze gekühlt und/oder eine Schmelzerührbewegung erzeugt wird. Eine Optimie­ rung dieser Rührbewegung ist erreichbar, wenn die Lanzenaus­ strömöffnungen derart ausgebildet sind, daß die Inertgase tan­ gential ausströmen. Durch die zweite Ausströmöffnung wird dann das trockene oder fluidisierte Pulver, das aus den Zuschlag­ stoffen besteht, einpreßt. Auf diese Weise ist es möglich, mit den über die Lanze eingeblasenen reinen Inertgase je nach Dosierung der Zuschlagstoffe unterschiedliche Badbewegungen zu erzeugen, die um so intensiver sein sollen, je größer die pro Zeiteinheit eingeführte Metall- oder Desoxidationsmenge ist. Anders als in den nach dem Stand der Technik bekannten Verfah­ ren können somit die Dosierungsmenge pro Zeiteinheit und die Badbewegung unabhängig voneinander geregelt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Druck zwischen 50 bar und 100 bar, unter dem die pulverförmigen Zuschläge ein­ gepreßt werden, angewendet.

Das erfindungsgemäße vorbeschriebene Verfahren, das sowohl in Stahlwerken als auch Gießereien anwendbar ist, bietet mehrere Möglichkeiten Legierungskomponenten, wie Aluminium, Silicium, Magnesium, Calcium, diverse Carbide, in die Schmelze einzuge­ ben: Neben dem volumetrischen Trockentransport über einen Dosier- und Druckkolben, die volumetrische Förderung der Gas/Pulvermischung oder der Gas/Flüssigkeitsmischung, wobei der Gas- oder Flüssigkeitsanteil höchstens 20% der Mischung beträgt. Die vierte Möglichkeit besteht in dem vorbeschriebenen volumetrischen Transport der Mischung mit einem "trockenen Kern" aus den einzuführenden Zuschlägen und einer feuchten Schale, die vorzugsweise aus Kohlenwasserstoffen besteht, die gleitmittelfähig sind.

Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:
Der Anteil der Fluidisierungsmittel (Inertgas, Flüssigkeit) wird auf ein Minimum reduziert. Die Dosierung erfolgt über eine Volumenmessung, die genauer als die herkömmliche gravimetrische Methode oder Durchflußmessung ist. Der Förderdruck kann ent­ sprechend der Fließfähigkeit der pulverförmigen Feststoffe variiert werden. Schließlich können Legierungen während der Behandlungen spezifikationsgerecht eingestellt werden. Die vor­ zunehmenden Dosierungen lassen sich staubfrei und emissionsge­ ring durchführen. Weil keine große Transportgasmenge (wie nach dem Stand der Technik üblich) oder nur eine geringe Fluidisie­ rung im Einspeiseprodukt, den Zuschlägen, vorhanden ist, erhöht sich auch die Verweildauer der Zuschläge im Reaktionsbereich der Lanzenmündung in der Schmelze.

Zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, bei der von einem Vorratsbehälter eine eine Hochdruckpumpe aufweisende Förderleitung direkt zu einer Lanze oder einer Unterbaddüse führt. Durch diese Maßnahme wird der Energieinvestitionsaufwand gegenüber herkömmlichen Techniken erheblich reduziert. Ebenso verringert sich der War­ tungs- und Instandhaltungsaufwand.

Weiterbildungen der beschriebenen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besitzt die Förderlei­ tung einen Luft- oder Flüssigkeitseinlaß, vorzugsweise mit einer regelbaren Dosiervorrichtung in Abhängigkeit der aus dem Vorratsbehälter geförderten Mengen, womit sich die gewünschten Mischungsverhältnisse Pulver : Fluidisierungsmittel einstellen lassen.

Die Lanze besitzt einen Doppelmantel mit zwei Ausströmöffnun­ gen, von denen durch die eine das pulverförmige Metall oder Reduktionsmittel, das ggf. fluidisiert ist, und durch die andere Inertgase strömen. Die Ausströmöffnung bzw. Ausströmöff­ nungen der Lanze sind im Idealfall tangential mündend angeord­ net. Die Lanze selbst ist vorzugsweise schwenkbar. Das Bad (die Schmelze) kann in einem Konverter, einer Pfanne oder einem Tor­ pedowagen angeordnet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemä-
ßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische vergrößerte Darstellung einer Einlaßstelle in die Förderleitung für die Fluid-Beimischung,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Lanze mit tan­ gentialen Ausströmöffnungen und

Fig. 4 eine Längsquerschnittsansicht einer Lanze mit zwei Ausströmkanälen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem metallurgischen Gefäß 10 mit einem Schmelzebad 11, in das eine Lanze 12 eingetaucht, wobei die Lanzenaustrittsöff­ nung 13 unterhalb der Badoberfläche 14 liegt. Diese Lanze, die ringförmig ausgebildet ist, ist mit einer Zuführungsleitung 15 verbunden, in die über eine Pumpe 16 das aus einem Vorratsbe­ hälter 17 entnommene pulverförmige Metall oder Metallgemisch, dem ggf. Reduktionsmittel beigegeben sind, entnommen wird. Ggf. sind mehrere Dosiervorrichtungen vorgesehen, welche das gewünschte Mischungsverhältnis optimal einstellen lassen.

Soweit dem unter einem Druck von mindestens 20 bar geförderten Pulver ein Gas beigemengt werden soll, geschieht dies mittels Entnahme aus einem Gasbehälter 18, woraus unter Druckanwendung über eine Pumpe das Gas in einer Einspeisung 20 in die Lei­ tung 15 eingegeben wird. Nicht dargestellt sind nach dem Stand der Technik bekannte Meßeinrichtungen, die mit betreffenden Regeleinrichtungen für die Dosierung verbunden sind.

Fig. 2 zeigt ebenfalls in einer schematischen Ansicht eine Ein­ laßstelle für Inertgase oder Flüssigkeiten, die in Richtung des Pfeiles 21 über eine Ringleitung 22 eingespeist werden. Die derart zugeführten Fluidisierungsmittel vermengen sich mit dem Pulverstrom, der in Richtung des Pfeiles 23 unter Druck von beispielsweise 40 bis 50 bar gefördert wird, wodurch sich ein Feststoff/Gas oder Feststoff/Flüssigkeitsgemisch bildet, das in Richtung des Pfeiles 24 zur Lanze 12 geführt wird. Die Lanze besitzt unterhalb des Badspiegels Austrittsöffnungen 25, die nahezu oder im Idealfall in tangentialer Weise auslaufen und eine Wirbelbewegung in Richtung der Pfeile 26 des ausströmenden Pulvers bzw. Pulvergemisches ermöglichen (vgl. Fig. 3). Eine Längsansicht einer doppelwandig ausgeführten Lanze ist Fig. 4 zu entnehmen. Die Lanze, die wie ebenfalls nach dem Stand der Technik bekannt, mit einer Schamottauskleidung 27 umhüllt ist, besitzt einen Ringkanal 28, über den die metallischen Zuschläge in Pulverform, mit oder ohne Fluidisierungsmittel, in Richtung der Pfeile 29 ausgetrieben werden. Zusätzlich kann über das innere Rohr 30 in Richtung des Pfeiles 31 bzw. 32 ein Inertgas durchgeführt werden, dessen Durchströmungsmenge bzw. Geschwin­ digkeit unabhängig von dem Strom des Zuschlages (Legierungs­ mittel, Reduktionsmittel) regelbar ist.

Pumpen und Dosiereinrichtungen der verwendeten Art sind grund­ sätzlich nach dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Zementindustrie, in der angemischter breiförmiger Zement unter hohem Druck gefördert wird.

Das metallurgische Gefäß 10 kann eine Pfanne, ein Torpedowagen oder ein Konverter sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Legieren von Stählen durch Einbringen von metallischen Zuschlägen und/oder metallischen Zuschlägen und Reduktionsmitteln in pulvriger Form in eine flüssige Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungszuschläge und/oder die Legierungszu­ schläge und Reduktionsmittel als Pulver aus einem Vorrats­ behälter über eine Förderleitung direkt zu einer oder meh­ reren Lanzen (12) und/oder Unterbaddüsen in die Schmelze oder in einer Mischung mit einem Fluidisierungsmittel, dessen Anteil an der eingeblasenen Menge ≦ 20% ist, in die Schmelze eingeführt werden, wobei der zur Pulverförde­ rung aufzuwendende Druck mindestens 20 bar, vorzugsweise 40 bar, beträgt oder wobei die in der Förderleitung befindlichen Pulver mittels eines dem Förderleitungsquerschnitt überdeckenden Preßkolbens ausgetrieben werden

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver eine maximale Korngröße von ≦ 1 mm, vorzugsweise ≦ 0,1 mm, aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver durch Zugabe von geringen Mengen an Inert­ gas, wie Argon oder Stickstoff, oder einem flüssigen Koh­ lenwasserstoff, wie Heizöl/Diesel, Schweröl, Altöl, Rapsöl oder Paraffin, fluidisiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver in gepreßter Form als Kern mit einer ein Gleitmittel enthaltenen Schale eingeblasen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver über eine schwenkbare Lanze (12), die vorzugsweise als Ringdüse ausgebildet ist, eingeblasen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze doppelwandig ausgebildet ist und daß durch eine der doppelwandig bedingten Ausströmöff­ nungen Inertgase in die Schmelze eingeblasen werden, wodurch die Lanze gekühlt und/oder eine Schmelze-Rührbewe­ gung erzeugt wird, insbesondere durch tangentiales Aus­ strömen der Inertgase aus der Lanze.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeich­ net, durch einen Druck zwischen 50 bar und 100 bar.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprü­ chen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Vor­ ratsbehälter (17) eine eine Hochdruckpumpe (16) aufwei­ sende Förderleitung (15) direkt zu einer Lanze (12) oder Unterbaddüse führt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Förderleitung (15) ein Luft- oder Flüssigkeitsein­ laß (20), vorzugsweise mit einer regelbaren Dosiereinrich­ tung in Abhängigkeit der aus dem Vorratsbehälter (17) geförderten Mengen hineinführt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (12) einen Doppelmantel mit zwei Ausströmöffnungen aufweist, von denen durch die eine das pulverförmige Metall oder Reduktionsmittel, das ggf. fluidisiert ist, und durch die andere Inertgase strömen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung(en) tangential aus der Lanze (12) münden, die vorzugsweise im Bad schwenkbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bad eine Pfanne, ein Torpedowagen oder ein Konverter ist.