DE2057568A1

DE2057568A1 - Vorrichtung zum Einblasen von Gasen in Metallschmelzen,Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE2057568A1
Application number: DE19702057568
Authority: DE
Inventors: Richard Prof Dr Kieffer; Karl-Heinz Dr Obst
Original assignee: OBST KARL HEINZ DR
Current assignee: OBST KARL HEINZ DR
Priority date: 1969-11-26
Filing date: 1970-11-23
Publication date: 1971-05-27
Also published as: FR2063916A5

Description

"Vorrichtung zum Einblasen von Gasen in Metallschmelzen, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einblasen von Gasen in Metallschmelzen, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung, insbesondere eine wassergekühlte Doppelmantel-Lanze. Unter den Vorrichtungen zum Aufblasen von Sauerstoff auf zu frischende Stahlschmelzen haben sich sogenannte wassergekühlte Lanzen bewährt und allgemein durchgesetzt. Sie bestehen meist aus drei ineinander gesetzten Stahlrohren und einem damit verbundenen, die Düsen enthaltenden Kupferkopf. Zwischen dem äußeren Rohr und dem mittleren Rohr fließt das Kühlwasser zu,, zwischen dem mittleren und dem inneren Rohr fließt das erwärmte Kühlwasser zurück, während der Sauerstoff durch das innere Rohr die Einzeldüsen des angelöteten oder angeschweißten Kopfes durchströmt. Durch den Prischvorgang werden nun Schlacken und Eisenpurtikel versprüht, die sich auf der Lanze ansetzen, erstarren, und in Kombination mit dem Sauerstoffstrom einen mechano-chemisehen Verschleiß, insbesondere des Kupferkopfes und der dort befindlichen Kupfer-

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düsen, bedingen. Besonderem Verschleiß unterliegen die Schweißstellen und die Ränder der Austrittsdüsen.

Es wurde nun gefunden, daß die Verschleiß- und Korrosionsvorgange an einer derartigen Vorrichtung weitgehend vermindert worden können, wenn sie gemäß der Erfindung ganz oder teilweise mit einer Deckschicht aus schlacken- und metallschmelzen-resistenten Hartstoffen versehen ist. Vorzugsweise sind die unteren Teile der Vorrichtung, z.B. der Lanze,in einem Bereich von etwa 10 - 50 % ihrer Gesamtlänge,insbesondere der Lanzenkopf und die Düsen, mit den schlacken- und metallschmelzenresistenten Ilartstoffschichten versehen. Es hat sich gezeigt, daß schon eine alleinige Beschichtung der Außen- und Innenseiten der Düsen eine Erhöhung der Laufzeit der Lanzen ergibt.

Die Stärke der Deckschicht beträgt vorzugsweise 5 - 100yu, insbesondere 10 -30u.

Als Material für die Deckschicht eignen sich besonders Nitride und Karbonitride der IVa und Va Metalle des Periodensystems, vorzugsweise Titannitrid oder Titankarbonitrid. Die Deckschicht kann auch aus keramischen Stoffen, wie z.B. Tonerde, Zirkonsilikat u.dgl., bestehen. Auch Kombinationen der genannten metallischen Ilartstoffe mit den angeführten keramischen Stoffen, sogenannte Cermets, haben sich im Rahmen der Erfindung bewährt.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß die hartstoff-

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und insbesondere nitridbeschichtete Lanze sogar kurzfristig ohne wesentlichen Angriff in Metallschmelzen eingetaucht wer- den kann, bevor Benetzung und Angriff stattfinden. Letztere Reaktionen mit Schlacke und Schmelze können noch weitgehend vermindert werden, wenn die hartstoff-beschichtete Lanze vor dem Eintauchen in das Metallbad in Rotation versetzt und die Drehbewegung während des Blasvorganges beibehalten wird. Die Rotation der Lanze kann durch mechanischen Antrieb oder die exzentrische Anordnung der Düsen erfolgen· Dio erfindungsgemäß beschichtete und rotierende Lanze kann bis in das untere Drittel der Birne abgesenkt werden, wodurch sich neben einer Verkürzung der Blaszeit um 50 - 200 % auch eine starke Verminderung der Oxidrauchentwicklung ergibt.

Als zweckmäßig hat sich erwiesen, die Rotationsgeschwindigkeit der Lanze von einer sanft rotierenden bis zu einer energisch schleudernden Wirkung varüerbar zu gestalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann hergestellt werden, indem die Deckschicht durch Plasmakanonen aufgebracht wird. Die Deckschicht kann auch aus der Gasphase durch chemische Reaktion aufgebracht werden. Die letztgenannte Methode eignet sich am besten für die Aufbringung der nitridischen Ilartstoffschichten, die aus einem Gemenge von Titantetrachlorid, Wasserstoff, Stickstoff und gegebenenfalls Methan hergestellt wer- · den können. Eine besonders gute Haftung der Deckschichten er-

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gibt eich, wenn eine elektrolytische Vorvernickelung mit einer vorzugsweise 1 - 5 Ά starken Auflage vorgenommen wird.

Rotierende, erfindungsgemäß beschichtete und rotierend ausgebildete Lanzen dienen in erster Linie zum Einblasen von Sauerstoff in Eisenmetall-Legierungen. Sie können aber auch zum Einführen von anderen Gasen als Sauerstoff beim Frischvorgang, nämlich von Y/asserstoff, Kohlenoxid oder Kohlenox" Wasserstoff-Gemenge und ähnlichen reduzierenden Gasgemischen zum Zweck des Desoxydation, in sauerstoffhaltige Metallschmelzen, z.B. in Cu-M- oder Fe-Schmelzen, dienen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Einblasen von Argon zum Ausspülen von Stickstoff bzw. Wasserstoff aus Metallschmelzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnunggen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt:

Pig. 1 in Seitenansicht teilweise gebrochen, bzw. geschnitten, eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform in Seitenansicht und

ι Pig. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie III-III durch die Anordnung nach Pig. 2. und

Fi£. <1 ein Schnitt durch eine ab_t-ewundpl I π Dür-e.

Die in Fig. 1 gezeigte lanzenartige Vorrichtung zum Einblasen

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z.B. von Sauerstoff in Metallschmelzen "besteht aus einem lang- ; gestreckten Lanzenkörper, der aus drei konzentrischen Rohren '

j . t

t 2,3 und 4 gebildet sind, die sich mit radialem Spiel umgeben.

ι ί ■

In den Zwischenraum zwischen dem äußeren Rohr 2 und dem mittle-

ren Rohr 3 wird über die Leitung 5 ein Kühlmittel, z.B. Kühl- , wasser in Richtung des Pfeiles 5a eingeführt, das in dem radialen Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr 4 und dem mittleren Rohr 3 gemäß dem Pfeil 6a zum Auslaß 6 der Vorrichtung fließt.

J Am Ende des lanzenförmigen Körpers ist ein Anschluß für einen

Gasschlauch oder ein Gasrohr 7 vorgesehen, welches mit dem _: Inneren des innersten Rohres 4 in Verbindung steht.

Am vorderen Ende des lanzenförmigen Körpers ist durch Schweis- ί

sen oder Hartlöten ein Lanzenkopf 8 befestigt, der insbesonde- j

re aus Kupfer besteht und eine oder mehrere Auslaßkanäle 9 ! , mit Auslaßdüsen 10 aufweist, die mit dem Inneren des innersten !

Rohres 4 in Verbindung stehen, so daß das eingeführte Gas durch

die Düsen 10 entsprechend den Pfeilen 11 ausströmen kann. j

Wenigstens der Lanzenkopf 8 sowie die Verbindungsstelle 12

zwischen dem Kopf 8 und dem äußeren Rohr 2 des lanzenförmigen j

j Körpers sind gemäß der Erfindung mit einer oben näher beschrie-benen Deckschicht aus Schlacken- und Metallschmelzen-reeistenten Hartstoffen versehen. Bei einer besonders zweckmäßigen Aus-! führungsform sind zumindest auch die Austrittsdüsen 10 und we- ' nigstene Teile der Kanäle 9 mit dieser Deckschicht überzogen.

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Es hat sich in vielen Fällen als zweckmäßig erwiesen, den lanzenförmigen Körper wenigstens über einen Teil seiner länge, beispielsweise 10 fo seiner Länge, in dem dem Kopf nahen Bereich ebenfalls mit der Deckschicht zu versehen. Der Überzug auf dem äußeren Rohr 2 des lanzenförmigen Körpers kann auch einen größeren Abschnitt, z.B. 50 $ der Gesamtlänge des Körpers einnehmen.

Die in Fig. 1 gezeigte lanzenförmige Vorrichtung kann kurzfristig auch in-die Metallschmelze selbst eingetaucht werden. Eine Beschädigung der Vorrichtung findet dabei nicht statt.

Wenn die Gefahr oder die Absicht besteht, die Lanze mehr oder weniger lange in die Metallschmelze einzutauchen, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, den lanzenförmigen Körper in Rotation zu versetzen. Ein Ausführungsbeispiel für eine rotierende Lanze ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt.

Die Vorrichtung 20 besteht wiederum aus einem langgestreckten, lanzenförmigen Körper 21, der aus mit radialem Abstand ineinander angeordneten Rohren besteht, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschrieben ist.

Am oberen Ende ist der lanzenförmige Körper 21 im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Drehkupplung 23 versehen, über welche ein Zuführungsrohr 24 für das Gas, sowie die Zuführungsund Abführungsrohre 25 und 26 für das Kühlwasser mit dem rotierenden Lanzenkörper 21 gekuppelt sind. Es könnte selbstver-

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ständlich auch nur das innerste, das gasführende Rohr zusammen mit einem mit diesem verbundenen Kopf drehbar in den anderen Rohren gelagert sein. In diesem Pail wäre eine Drehkupplung nur für die Gasleitung notwendig. ^;

Im dargestellten Beispiel, bei dem der ganze lanzenförmige Körper 21 in Drehung versetzt werden kann, ist mit diesem bei durch Löten, Schweißen oder dgl. ein Düsenkopf 27, vorzugsweise aus Kupfer, verbunden, der an seiner Unterseite in Düsenöffnungen mündet. Im dargestellten Beispiel gehen von einer inneren Gaskammer 29 zur Achse A der Vorrichtung versetzte, sohraubengangartig verlaufende Kanäle aus, die in Schultern oder Ausnehmungen 31 an der Unterseite des Kupferkopfes 27 enden. Durch dfe versetzte Anordnung und den geneigten Verlauf der Düsenkanäle kann durch den Rückstoß der austretenden Gasstrahlen 32 der lanzenförmige Düsenkörper 21 in Drehung versetzt werden, wobei die Drehzahl sich mit dem Druck, bzw. der Austrittsgeschwindigkeit der Düsen ändert. Die Drehrichtung ist duroh den Pfeil 22 angedeutet.

Statt durch das Gas kann die drehbare Vorrichtung auch durch einen entsprechenden Elektro-Motor 35 angetrieben werden, der bei 36 ortsfest abgestützt ist und über die Abtriebswelle 37 mit dem rotierenden Teil des lanzenförmigen Körpers 21 verbunden ist. Diese zweite Ausführungsform hat den Vorteil, daß der lanzenförmige Körper mit einer von der Gaszuführung unabhängigen, variablen Drehzahl angetrieben werden kann, wie 'dies oben bereits näher beschrieben ist.

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Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 ist der lanzenförmige Körper 21 wenigstens im Bereich seines Kopfes 27 und der Austrittsenden der Düsenkanäle 30 sowie ;Lm Bereich der Verbin-

dungsstelle 28 und vorteilhafterweise auch über einen Teil der Länge des lanzenförmigen Körpers 21 mit der oben näher beschriebenen Deckschicht überzogen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei Antrieb der Lanze durch einen Motor 35 geneigte Austrittsdüsen für die Gase im Kopf nicht benötigt werden. Andererseits können bei beiden Ausführungsbeispielen die Austrittskanäle auch etwa in radialer Richtung zur Achse A des Kupferkopfes angeordnet sein.

In Fig. 2 sei angenommen, daß bei der Bruchlinie B etwa 10 $ der Länge des lanzenförmigen Körpers 21 liegt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, nicht nur den Kopf und die Verbindungsstelle, sondern auch den lanzenförmigen Körper 21 mindestens bis zu der gezeigten Bruchlinie B mit der Deckschicht zu bell schichten.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Lanzendüse. Das äußere und das innere Rohr 41, 43 der Lanze sind durch einen Düsenkopf 40 aus tiefgezogenem oder im Hochvakuum gegossenen hochreinem Kupfer durch Schweißnähte 44, 45 miteinander verbunden. Der Düsenkopf 40 bildet eine zentrale Gasaustrittsdüse 46 und schließt den Kühlwasserweg, der durch das mittlere Rohr 42 begrenzt ist, das an seinem unteren Ende eingezogen und im Querschnitt birnenförmig verdickt ist.

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Die Düse 46 ist von ihrem engsten Querschnitt an mit einer Schutzschicht 48 aus TIG und TH im Verhältnis 20 : 80 bedeckt, die sich außen am Kupferkopf 40 über die Haht 44 hinweg eine Strecke·entlang des äußeren Rohres 41 erstreckt. Die Schichtdicke beträgt' 10 n. Sie kann auch aus ein,em Cermet aus ZrO₂ undMo im Verhältnis 70 : 30 mit einer Dicke von 50 /a bestehen.

Ansprüche

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Einblasen von Gasen in Metallschmelzen, insbesondere wassergekühlte Doppelmantel-Lanze, dadurch gekennzeichnet, daß sie ganz oder teilweise mit einer Deckschicht aus schlacken- und metallschmelzen-resistenten Hartstoffen versehen ist.

2. Vorrichtung, insbesondere Lanze, nach Anspruoh 1, dadurch

gekennzeichnet, daß ihre unteren Teile in einem Dereich von etwa 10 - 50 % ihrer Gesamtlänge, insbesondere der Kopf und die Düsen, mit der Deckschicht versehen sind.

3. Vorrichtung, insbesondere Lanze, nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen außen und innen mit der Deckschicht versehen sind.

k. Vorrichtung, insbesondere Lanze, nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Deck-, schicht 5 - iOO JU, insbesondere iO - 30 jj, beträft.

5, Vorrichtungι insbesondere Lanze, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus Nitriden und Karbonitriden der IVa und Va Metalle des Periodensysteme, vorzugsweise Titannitrid oder Titankarbonitrid, besteht·

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6. Vorrichtung, insbesondere Lanze, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus keramischen Stoffen, wie z.B. Tonerde, Zirkonsilikat u.dgl., besteht.

7. Vorrichtung, insbesondere Lanze, nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus cermetartigen Kombinationen von Hartstoffen gemäß Anspruch 5 und keramischen Stoffen gemäß Anspruch 6 besteht,

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß sie als wassergekühlte, rotierend in die Metallschmelze eintauchbare Lanze ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Lanze von einer sanft rotierenden bis zu einer energisch schleudernden Wirkung variierbar ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht durch Plasmakanonen aufgebracht wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus der Gasphase durch chemische Reaktion aufgebracht

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12. Verfahren! nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine nitridische Deckschicht aus einem Gemenge von Titantetrachlorid, Wasserstoff, Stickstoff und gegebenenfalls Methan hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zu beschichtende Teil der Vorrichtung vor Aufbringung der Deckschicht elektrolytisch vorver-

nickelt wird.

l^i. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorvernickelung mit einer 1 - 5 ju starken Auflage erfolgt,

15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Einblasen von Sauerstoff in Eisenmetall-Legierungen,

W 16, Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Einblasen von Wasserstoff, Kohlenoxid oder Kohlenoxid-Wasserstoff-Gemengen und ähnlichen reduzierenden Gasgemischen zum Zwecke der Desoxydation in sauerstoffhaltige Metallschmelzen, z.B. in Cu-Ni- oder Fe-Schmelzen.

17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 9 zum Einblasen von Argon zum Ausspülen von Wasserstoff oder Stickstoff aus Metallschmelzen,

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