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"Verfahren und Vorrichtung für die Raffination von flüssigem Stahl"
Es ist bekannt, Stahl dadurch von seinen Verunreinigungen zu befreien, daß man diesen
in Tropfenform durch eine Raffinationsschlacke hindurchfallen läßt. So werden bei
einem bekannten Raffinationsverfahren, dem Elektroschlackeumschmelzverfahren, hochwertige
Stahlqualitäten dadurch hergestellt, daß man einen Stab aus dem zu raffinierenden
Material von oben in eine flüssige Schlackenschicht einführt und an seiner Berührungsstelle
mit der Schlacke tropfenförmig abschmelzen läßt. Die Eisentropfen fallen durch die
Schlackenschicht hindurch und sind hierbei dem Raffinationseinfluß der Schlacke
ausgesetzt. Am Boden der Schlackenschicht setzt sich das gereinigte Material ab
und bildet hier unter dem Einfluß von kühlenden Maßnahmen einen erstarrten Block.
Durch spezielle Lenkung dieser Kühlmaßnahmen kann das Erstarrungsverhalten in gewünschter
Weise gelenkt werden. Der Wärme aufwand, der bei diesen Verfahren vonnöten ist,
wird auf elektrischem Wege eingebracht, indem der eintauchende Eisenstab und der
metallische Boden der Schlackenschicht als Elektroden für einen durch die Schlackenschicht
hindurchgeleiteten Strom geschaltet sind.
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Das vorbekannte in seinen Ergebnissen hinsichtlich der erzielbaren
Materi alquali täten ausgezeichnete Verfahren erfordert allerdings einen so großen
Aufwand, daß man es bisher praktisch nur für hochwertige Spezialstähle einsetzen
kann. Dieser große Aufwand beruht einmal auf der Notwendigkeit, die Schmelz- und
Erhitzungswärme des
im kalten Zustand eingesetzten Rohmaterials
aus elektrischer Energie aufzubringen, des weiteren alle bei dem Verfahren auftretenden
Verlustwärmen. Des weiteren macht sich der verhältnismäßig langsame Abschmelzvorgang
des Rohmaterialstabes in der Schlackenschicht ungünstig bemerkbar, der über ein
gewisses Ausmaß nicht gesteigert werden kann, damit das Material in einzelnen Tropfen
durch die Schlackenschicht hindurchfällt.
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Das Verfahren nach der Erfindung erreicht eine bedeutende Verbesserung
des vorbekannten Verfahrens, indem das Wiederawlfschmelzen des Stahles zum Zwecke
der Raffination vermieden wird, indem der Aufwand an elektrischer Energie wesentlich
eingeschränkt wird, indem eine beträchtliche Durchsatzsteigerung erzielt wird durch
eine starke Vermehrung der Tropfenzahl pro Zeiteinheit und indem die Möglichkeit
geboten wird zu einer genauen Einhaltung einer optimalen Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit,
das ist die Anzahl der Tropfen pro Zeiteinheit.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird normalerweise von flüssigem
Rohstahl-oder Eisen-ausgegangen, der in der gleichen hitze der Erzeugung weiter
behandelt wird. Man kann aber auch bereits erstarrten Stahl in Form von Rohblöcken
oder in Form von Stahlabfällen nach bekannten Methoden einschmelzen und die Schmelze
der Raffination zuführen. Bei dem neuen Schlackeumschmelzverfahren wird das zu raffinierende
Material kontinuierlich oder diskontinuierlich in ein Gefäß eingebracht, das sich
oberhalb der Schicht aus Raffinationsschlacke befindet. Dieses Gefäß besitzt an
seiner unteren Begrenzungsfläche (Gefäßboden) Öffnungen, durch die das flüssige
Eisen hindurch treten kann, von einer derartigen Größe, daß sich Tropfen des zu
raffinierenden Eisens vorgegebener Größe bilden. Durch bestimmte Maßnahmen wird
es erreicht, daß diese Tropfen sich mit einer jeweils gewünschten Größe bilden und
mit dieser Größe sich in einzuregelnden Zeitabständen ablösen und nach unten fallen.
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Sie treffen hierbei auf die Oberfläche der unterhalb des Gefäßbodens
befindlichen Schlackenschicht und fallen durch die Schlackenschicht hindurch, wobei
sie der Raffinationswirkung der Schlacke ausgesetzt sind. Das Sammeln des raffinierten
Materials am Boden
der Schlackenschicht und die regulierte Erstarrung
des Eisenblocks kann nach den gleichen Methoden erfolgen, wie diese für das Elektroschlackeumschmelzverfahren
entwickelt worden sind. Das heißt, daß am Boden des Auffanggefäßes für den raffinierten
Stahl Kühlorgane angebracht sein können, deren Anbringungsort und Kühlintensität
ein für die Weiterverarbeitung günstiges Blockgefüge hervorrufen.
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Der Boden des Vorrats- oder Zuführungsgefäßes für den flüssigen Stahl
besteht aus einem Material, das eine hohe Beständigkeit gegenüber flüssigem Eisen
besitzt. Hierfür bieten sich verschiedene Produkte der Oxidkeramik an auf der Basis
von A1203, , Al 0 2 3' A1203-SiO2, Al 203 -SiO2-CaO, MgO, MgO-Cr203, ZrO2 und andere.
Die Durchtrittsöffnungen für den flüssigen Stahl können auf verschiedene an sich
bekannte Weise hergestellt werden, indem entweder die feinen Kanäle bereits vor
dem Brennen des Materials in demselben angelegt werden oder indem Löcher in dem
fertiggebrannten Material hergestellt werden. Es können auch Bodensteine mit einer
geeigneten Porosität zur Anwendung kommen wie sie als Filtersteine Verwendung finden.
Besonders bei der letzteren Ausführungsform ist es zweckmäßig, auf der Unterseite
dieser Filtersteine in regelmäßigen Abständen Vorsprünge oder Nasen vorzusehen,
an denen sich die Tropfen in geregelten Abständen voneinander bilden können.
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Die Regulierung der Tropfengröße und die Ablösegeschwindigkeit derselben
erfolgt vornehmlich auf pneumatischem Wege. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes
Druckgefälle zwischen dem Zuführungsgefäß und dem Gasraum unterhalb des Gefäßbodens
aufrechterhalten. So kann in dem Zuführungsgefäß selbst ein gesteuerter Überdruck
aufrechterhalten werden unter Heranziehung an sich bekannter Maßnahmen. Mit der
Höhe dieses Überdruckes kann die Tropfengröße und die Tropfengeschwindigkeit gesteuert
werden. Andererseits kann diese Steuerung auch derart erfolgen, daß in dem Gasraum
zwischem dem Gefäßboden und der Oberfläche der Schlackenschicht ein Unter- oder
Überdruck aufrecht erhalten wird, mit dessen Steuerung ebenfalls die Eisentropfen
beeinflußt werden.
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Die Arbeitsweise mit Unterdruck hat den Vorteil, daß auf diese Weise
eine Entgasung der Stahltropfen stattfindet, bevor sie in die Schlackenschicht eintauchen.
Da diese Entgasung besonders wirksam bei höherem Unterdruck ist, kann ein solches
kombiniertes -Verfahren besonders vorteilhaft durchgeführt werden, wenn man einen
Gefäßboden mit entsprechend engen Löchern verwendet bzw. einen verhältnismäßig dichten
keramischen Filterboden.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme der Steuerung der Tropfenbildung und
der Tropfengeschwindigkeit durch das Druckgefälle hat den Vorteil, daß man die bei
längerer Betriebszeit zu erwartende Erweiterung der Durchtrittsöffnungen im Gefäßboden
durch eine Verminderung des Druckgefälles ausgleichen kann. Hierbei soll eine Schlacke
gewählt werden, die bei vermindertem Druck keine Dämpfe bildet.
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Zu den wichtigen Möglichkeiten des neuen Verfahrens gehört die kontinuierliche
Raffination großer Stahlmengen. Die kontinuierliche Raffination setzt voraus, daß
die Raffinationsschlacke ständig die für die Raffination notwendige Zusammensetzung
besitzt. Es ist deshalb vorgesehen, daß dem Schlackenbad während des Raffinationsprozesses
laufend neue Schlackenbestandteile zugesetzt werden und daß dementsprechend verbrauchte
Schlacke abgeführt wird. Dieser laufende Schlackenwechsel erfolgt unter Berücksichtigung
der mit der Wärmezufuhr verbundenen Notwendigkeiten. So können die zuzuführenden
Schlackenbes tandtei le außerhalb des Raffinationsgerätes aufgeschmolzen werden,
beispielsweise in einem elektrischen Schmelzofen.
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Sie werden sodann auf eine geeignete Temperatur überhitzt, beispiels'
weise aui 1650 OC und werden danach in das Raffinationsgefäa eingeführt, wobei der
über der Schlackenschicht befindliche Unterdruck für das Ansaugen der Schlacke ausgenutzt
werden kann. Zweckmäßig an der tiefsten Stelle der Schlackenschicht, d.h. dicht
oberhalb des Eisensumpfes werden entsprechende Mengen an verbrauchter Raffinationsschlacke
ständig aus dem Schlackenbad abgeführt. Bei geeigneter Höhe der Schlackenschicht
kann dafür gesorgt werden, daß an dieser Stelle ein Uberdruck der Schlacke gegenüber
dem AuBendruck vorliegt, so daß die Schlacke durch eine geeignete Öffnung in der
Gefäßwand ausfließen kann.
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Es ist vorgesehen, daß eine derartige kontinuierlich betreibbare Raffinationsanlage
direkt mit einer Stranggußanlage kombiniert wird, in dem die geregelte Erstarrung
am Boden des Aufnahmegefäßes für das raffinierte Material in einer Stranggußkokille
erfolgt.
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Die Aufbringung der Wärme für das Flüssighalten der Raffinationsschlacke,
insbesondere für die Wärmeverluste nach außen kann auf elektrischem Wege erfolgen,
unter Anlehnung an das bekannte Elektroschlackeumschmelverfahren. So können in die
Schlacke Stromzuführungselektroden eintauchen,wobei die Schlackenschicht als elektrischer
Widerstand geschaltet ist. Die Wärmezuführung kann aber auch auf induktivem Wege
erfolgen, in dem beispielsweise die Gefäßwandung des Aufnahmegefäßes für den raffinierten
Stahl die Tiegelwandung eines Induktionsofens ist, oder in dem ständig ein Strom
des flüssigen Eisens aus dem Aufnahmegefäß abgeführt, induktiv -beispielsweise in
einem elektrischen Rinnenofen - erhitzt und in erhitzter Form dem Aufnahmegefäß
wieder zugeführt wird.
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Als besonders vorteilhaft muß es aber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
angesehen werden, daß es gegebenenfalls ganz oder vorwiegend auf die Wärmeerzeugung
mittels elektrischen Stromes verzichten kann. Dies ist insbesondere dann der Fall,
wenn das zu raffinierende Material entsprechend überhitzt ist und wenn dem Schlackenbad
ständig überhitzte Schlacke neu zugeführt wird, so daß die Verlustwärmen aus den
Überhitzungswärmen entnommen werden können. Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme
zum Einbringen von Wärme in das Raffinationsgefäß besteht in der Durchführung von
exothermen Reaktionen im Verlaufe des Raffinationsprozesses oder neben dem Raffinationsprozess.
So kann dafür gesorgt werden, daß das zu raffinierende Material Bestandteile wie
Kohlenstoff oder Silicium enthält, die innerhalb des Raffinationsgefäßes unter Wärmeerzeugung
oxydiert werden. Diese Oxydation erfolgt derart, daß durch den Gasraum zwischen
dem Boden des ZufUhfungsgefäßes und dem Schlackenbad ein sauerstoffhaltiges Gas
hindurchgeführt wird. Ein anderer Weg der Wärmeerzeugung besteht darin, dad in die
Schlacke
wärmeerzeugende Reaktionsgemische gegeben werden, wie solche
aus Ferrosilicium und Eisenoxyd.
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Die Erfindung wird weiter anhand der Abbildung I erläutert.
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(1) ist das Aufnahmegefäß für den raffinierten Stahl, (2) ist das
Zuführungsgefäß. Die Gefäße (1) und (2) liegen mit Abdichtungsflächen (3) gegeneinander
an, die ermöglichen, daß innerhalb des Gefäßes (1) und über dem Gefäß (2) ein verschiedener
Gasdruck besteht. Im Oberteil des Aufnahmegefäßes (1) sind Öffnungen für die Zuführung
von Gasen (4a) und weitere Öffnungen für die Abführung von Gasen (4b) vorgesehen.
Bei Verschließen der Zuführungsöffnungen (4a) kann beispielsweise er Innenraum des
Gefäßes (1) durch Anschluß an eine Vakuumpumpe unter Unterdruck gesetzt werden.
Durch die Öffnungen (4a) können Reaktionsgase, wie beispielsweise sauerstoffhaltige
Gase in den Innenraum des Gefässes (1) eingeführt werden.
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(5) ist der Boden des Zuführungsgefäßes (2), dieser besteht beispielsweise
aus einem keramischen Material, in dem die Durchtrittslöcher (6) angebracht sind.
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Der zu raffinierende Stahl wird flüssig bei einer Temperatur von etwa
1550-1650 OC in das Zuführungsgefäß (7) gegeben. Infolge seines hydrostatischen
Druckes und des Unterdruckes im Gasraum unterhalb des Gefäßbodens tropft der flüssige
Stahl durch die Löcher (6) nach unten ab. Hierbei ist die Größe der Tropfen und
die zeitliche Aufeinanderfolge derselben durch den Unterdruck gesteuert. Ins besondere
wird erfindungsgemäß das Ablösen der Tropfen und die Zeit bis zum Nachfolgen des
nächsten Tropfens durch eine rhythmische Vergrößerung und Verkleinerung des Unterdruckes
hervorgerufen.
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In einem geregelten Abstand unterhalb des Lochbodens befindet sich
die Schicht der Raffinationsschlacke. Der Abstand zwischen dem Lochboden und der
Oberfläche der Schlackenschicht wird so eingestellt, daß einmal keine Schlackenspritzer
beim Auftreffen der Eisentropfen auf die Schlackenoberfläche von unten gegen den
Lochboden geschleudert werden können und daß zum anderen die Durchfallzeit durch
den freien Gas raum ausreicht, um hier gegebenenfalls in ausreichendem
Maße
Reaktionen zwischen dem in dem Gasraum anwesenden Gas und Bestandteilen des flüssigen
Eisens durchführen zu können.
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Die Dicke der Schlackenschicht (8) ist durch die gewünschte Raffinationswirkung
bestimmt. Das durch die Schlackenschicht hindurchtropfende Eisen sammelt sich in
dem Eisensumpf (9), der nach unten in den erstarrten Eisenblock (io) übergeht.
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Die Wärme zuführung erfolgt bei dem vorliegenden Beispiel durch die
Zuführung von überhitzter Raffinationsschlacke in die Schlakkenschicht (8). Zu diesem
Zweck sind Öffnungen (12a und 12b) in der Wand des Gefäßes (1) vorgesehen, wobei
durch (12a) die berhitzte Schlacke zugeführt und durch (12b) die verbrauchte Schlakke
abgeführt wird. Gegebenenfalls erfolgt auch ein Schlackenumlauf, in dem die durch
(12b) abgeführte Schlacke in einem Überhitzungsofen wieder überhitzt und durch (12a)
wieder eingeführt wird unter Zusatz von ergänzenden Raffinationsmaterialien.
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Die schematische Abbildung I enthält nur die zum Verständnis dieser
Erfindung wesentlichen Bestandteile. Nicht eingezeichnet sind feuerfeste Materialien,
die dem Schutz des Ofenmantels und der Wärmeisolierung dienen, des weiteren keine
elektrischen Erhitzungsorgane und Kühlorgane für die Erstarrung des raffinierten
Materials.
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Die vorliegende Erfindung kann in verschiedener Weise erweitert werden,
wobei sich solche erweiterten Maßnahmen insbesondere auf die Art der Wärmezuführung,
auf die Art der Zuführung des Raffinationsmaterials und auf die Art der Tropfenbildung
beziehen können. Eine Erweiterung hinsichtlich der Wärmezuführung kann beispielsweise
darin bestehen, daß der zu raffinierende Rohstahl in dem Zuführungsgefäß (2) selbst
überhitzt wird, beispielsweise in dem oberhalb der Oberfläche des in dem Gefäß (2)
befindlichen Stahles eine oder mehrere Elektroden angeordnet sind, die den Stahl
mittels eines Lichtbogens erhitzen. Eine Erweiterung hinsichtlich der Zuführung
des Raffinationsmaterials kann darin bestehen, daß solches Material beispielsweise
in feinkörniger Form mittels eines
Gasstromes in den Raum oberhalb
der Schlackenschicht eingeführt, hier eingeschmolzen und der Schlackenschicht einverleibt
wird.
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Schließlich kann eine Erweiterung hinsichtlich der Tropfenbildung
darin erfolgen, daß der Raum, in dem die Tropfenbildung erfolgt, mit geeigneten
Schallfrequenzen beschallt wird. Schließlich gehört es auch zum Erfindungsbereich,
die Tropfenbildung durch die Höhe der Flüssigkeitssäule über dem Boden des Vorratgefäßes
zu beeinflussen.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann auch auf andere Raffinationsprobleme
von flüssigen Metallen angewandt werden, wie auf das Entschwefeln von Roheisen.