DE2061122B2

DE2061122B2 - Verfahren zur kontrollierten Entkohlung von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen unter vermindertem Druck in geschlossenen Gefäßen

Info

Publication number: DE2061122B2
Application number: DE2061122A
Authority: DE
Inventors: Sundaresan Natrona Heights Pa. Ramachandran
Original assignee: Allegheny Ludlum Industries Inc
Current assignee: Sunbeam Oster Co Inc
Priority date: 1970-01-05
Filing date: 1970-12-11
Publication date: 1981-07-30
Also published as: US3700429A; GB1335397A; DE2061122A1; JPS5543047B1; BE760724A; FR2075921B1; FR2075921A1; CA946163A; AT318675B; ES386534A1; DE2061122C3; SE392733B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Frischen von Stahlschmelzen unter Vakuum der in der US-PS 34 20 657 beschriebenen Art Bei diesem bekannten Verfahren wird beim Frischen hochlegierter Edelstahle eine zu große Verschlackung teurer Legierungselemente dadurch vermieden, daß innerhalb empirisch ermittelter Grenzen, welche in Diagrammform festgelegt sind, ein Überfrischen der Schmelze verhindert wird, indem das Blasen mit Sauerstoff dann beendet wird, wenn die Abgasentwicklung rapide abfällt. Insbesondere zeichnet sich das bekannte Verfahren dadurch aus, .daß es ohne kontinuierliche Regelung arbeitet, da es lediglich darauf abstellt, als Indikator für den Zeitpunkt der beginnenden Chromverschlackung einen entsprechenden Abgas-Druckabi'all zu registrieren.

Aus »Vakuum-Technik«, 13. Jahrgang, Heft 4, Seiten 111 bis 115 sind die thermodynamischen und kinetischen Grundlagen der Vakuummetallurgie bekannt. Die genannte Druckschrift enthält jedoch keine Angaben darüber, wie die dort dargelegten theoretisch berechenbaren Parameter für eine Prozeßregelung anwendbar seien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der aus der US-PS 34 20 657 bekannten Gattung so auszubilden, daß eine über die gesamte Prozeßdauer kontinuierliche Regelung des Frischvorganges erfolgt

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Der erzielbare technische Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß beim Verfahren nach der Erfindung eine über die gesamte Prozeßdauer kontinuierliche Regelung des Frischvorganges in dynamischer Weise erfolgt, wohingegen die Überwachung der Entkohlungsreaktion bei dem aus der US-PS 34 20 657 bekannten Verfahren lediglich darauf abzielt, anhand empirisch ermittelter Werte in diagrammäßiger Darstellung ohne kontinuierliche Regelung ein Überfrischen der Schmelze und den damit verbundenen Chrom verlust zu vermeiden.

Der erfindungsgemäß kontinuierlich vorgenommene Vergleich von »Istdruck« und vorgegebenem »Solldruck« im Frischgefäß ermöglicht eine Regelung der Verfahrensparameter derart, daß im Interesse eines optimalen Wirkungsgrades stets die günstigsten Ergebnisse erzielt werden. Mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung können oxydationsempfindliche Schmelzen,

ίο wie beispielsweise chromhaltige Edelstahlschmelzen, so gefrischt werden, daß die Entkohlungsreakticn optimal geführt und dennoch eine nennenswerte Chromverschlackung verhindert wird.
Wird beispielsweise die Sauerstoffzufuhr zum Schmelzgefäß verringert, so nimmt dementsprechend auch der Druck im Schmelzgefäß ab. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Soll-Druckabfall vorausgesetzt, wenn die zugetührte Sauerstoffmenge vermindert wird. Dieser Soll-Druckabfall wird sodann mit dem sich tatsächlich einstellenden Druckabfall verglichen, um den Wirkungsgrad der Frischreaktion abzuschätzen. Ist der tatsächliche Druckabfall geringer als der Soll-Druckabfall, so zeigt dieses eine gute Wirksamkeit der Entkohlungsreaktion an, da sich eine größere Kohlenstoffmenge bereits mit Sauerstoff umgesetzt hat, als der Sollwertberechnung zugrundegelegt war. Ist der gemessene Druckabfall (Istwert) jedoch größer als der Sollwert so ist dieses ein Hinweis darauf, daß der Entkohlungsvorgang nicht mit dem angestrebten

ίο Wirkungsgrad abläuft, da der verminderte Gasdruck anzeigt, daß Gas verbraucht wird, um metallische Legierungsanteile zu verschlacken.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Istdruck im Frischgefäß dadurch

r> mindestens ebenso hoch gehalten wie der Frischgefäß-Solldruck, daß die Oxydationsmittelzufuhr zum Frischgefäß gedrosselt wird.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Diese einzige Figur stellt ein Fließbildschema einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens dar.

Wie dem Fachmann bekannt ist, können Sauerstoff, gasförmige Oxydationsmittel, ja selbst feste Oxydationsmittel, die einer Kohlenstoff enthaltenden Schmel-

v-, ze zugesetzt werden, entweder mit dem in der Schmelze vorhandenen Kohlenstoff unter Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte, wie Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd, oder mit anderen in der Schmelze vorhandenen Elementen, z. B. Mangan, Eisen, Phosphor, Silizium,

w Chrom, Titan und so weiter unter Bildung fester Oxyde reagieren. Um diese Vorgänge zu erläutern, wird beispielsweise angenommen, daß als Oxydationsmittel Sauerstoff oder Gemische aus Sauerstoff und Inertgas(en) verwendet werden. Bei der Verwendung von Sauerstoff als Haupt- bzw. Grundoxydationsmittel können folgende Reaktionen auftreten:

O₃ + 2 C

O₂+ C

O₂ = O₂

2CO

CO₂ \

(Sauerstoff geht unverändert durch die
Schmelze)

γ O₂

In Gleichung (4) bedeutet M ein Metall wie Fe, Cr, Si usw. und MyO ein Metalloxid wie FeO, FeOCr₂O₃, Cr₂OiSiO₂CtC.

Bezüglich der Inert- oder Verdünnungsgase können folgende Vorgänge stattfinden:

(Kleine Stickstoffmengen können sich in der Schmelze lösen oder daraus abgegeben werden.)

A (hinein)	*	A	(heraus)	(5)
N₂ (hinein)	>	• N	2 (heraus)	(6)
N₂ ►	2N.			(7)
2N >	N,			(8)

H₂ (hinein) =	H₂	(heraus)	(9)
ΓΙ2 — J. η			(10)
2Η >	H₂		(11)

(Kleine Mengen H₂ können sich in der Schmelze lösen oder daraus abgegeben werden.)

Wenn Kohlenmonoxyd als eine Komponente der zugeführten Gase verwendet wird, sind folgende Reaktionen möglich:

CO (hinein) = CO (heraus)
r CO + λ- M =M.vOv+ ν C

(12)
(13)

(M bedeutet dabei ein Metall wie Silizium, Mangan, Chrom, etc.)

Wenn Kohlendioxyd als eines der zugeführten Gase verwendet wird, können folgende Reaktionen stattfinden:

CO₂+ C = 2CO

CO₂ + yM = -j-

C +

(14)

(15)

Aus den vorstehend aufgeführten Reaktionen ist zu ersehen, daß die Reaktionsbedingungen so gewählt werden müssen, daß diejenigen Umsetzungen begünstigt werden, die zu einer Zunahme des Gesamtgasvolumens im Gefäß führen, oder zumindest keine Veränderung des Gesamtgasvolumens im Gefäß bewirken, wenn die Oxydation von Metallen vermieden werden soll. Die zu vermeidenden Reaktionen (vgl. die Reaktionsgleichungen 4, 13 und 15) sind diejenigen, die zu einer Abnahme des Gesamtgasvolumens führen. Es ist festzustellen, daß diese Reaktionsgleichungen die Bildung von Metalloxyden, nämlich Oxyden des Siliziums, Mangans, Chroms, Eisens usw., beschreiben.

Im Idealfall wird das gesamte Sauerstoffgas, das in das System eingespeist wird, in Kohlenmonoxyd umgewandelt In der Praxis geht jedoch etwas Sauerstoff unverändert durch das Gefäß und ein Teil reagiert unter ^r) Bildung von Kohlendioxyd. Bei unkontrollierter Oxydation kann und wird außerdem ein Teil des Sauerstoffs unter Bildung von festen Oxyden reagieren. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß, obwohl zwar einige der sich bildenden Metalloxyde, wie beispielsweise Silizium-

M) monoxyd, flüchtig sein können, diese Metalloxyde an den kühleren Teilen des Gefäßes auskondensieren. Der dadurch erzielte Nettoeffekt bezüglich des Gesamtsystems ist somit so, daß alle in Betracht kommenden Metalloxyde als feste Oxyde angesehen bzw. behandelt werden können.

Man kann somit immer dann, wenn eine bestimmte Menge Sauerstoff (Oxydationsmittel) pro Zeiteinheit der Schmelze zugeführt und die durchschnittliche Zusammensetzung der Abgase ermittelt wird, die

2i) Gesamtausbeute bzw. den Gesamtanfall an Abgasen rechnerisch ungefähr ermitteln. Die auf diese Weise ermittelte bzw. abgeschätzte Gesamtausbeute an Gasen pro Zeiteinheit r-tellt entweder einen Teil oder die Gesamtmenge der vom Vakuumpumpsystem pro

2^r> Zeiteinheit zu evakuierenden Gasmenge dar (Absaugleistungsbelastung). Erfahrensgemäß steigt die Förderkapazität des Pumpsystems mit wachsendem Druck. Dieser Verlauf der Förderleistung wird empirisch ermittelt. Wenn man die zu erwartende Abgasleistungs-

jo belastung, die sich aus den Entkohlungsreaktionen ergibt (rechnerisch ermittelte ungefähre Abgasmenge), und die sich aus der Ballastgaszufuhr zum System (aus der zur Einstellung eines bestimmten, für die Umsetzung günstigen Druckes zugeführte Inertgasmenge) ergeben-

r> de Abgas- bzw. Absaugleistungsbelastung kennt, so kann man denjenigen Druck ungefähr rechnerisch ermitteln, der sich innerhalb des Systems einstellen sollte (Solldruck). Dieser Solldruck kann dann mit dem tatsächlich im System herrschenden, gemessenen Druck (Istdruck) verglichen werden. Wenn der Istdruck im System gleich oder höher als der Solldruck ist, so ist daraus zu schließen, daß keine Oxydation von Metallen stattfindet. Es liegt für den Fachmann auf der Hand, daß dieser Schluß nur dann zutreffend ist, wenn im Stystem

ν-, keine nennenswerten Leckstellen vorhanden sind, d. h. wenn das Ansaugen von Falschluft praktisch vollständig ausgeschlossen ist. Wenn dagegen der Istdruck niedriger als der Solldruck ist, so bedeutet das darauf hin, daß Metalloxydation stattfindet. Bei den vorstehenden

w Überlegungen wird natürlich von der Voraussetzung ausgegangen, daß die Entkohlung so geführt wird, daß keine Oxydation von Metallen auftreten soll oder zu erwarten ist In der Praxis können geringfügige Metallverluste geduldet werden und man kann dieser

■j5 Bildung von Metalloxyden dadurch Rechnung tragen, daß man für die Umwandlung von Sauerstoff im Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd und nicht-umgesetzten Sauerstoff Mindestgrenzwerte bezüglich des Umwandlungswirkungsgrades fest- bzw. ansetzt Der Umwandlungswirkungsgrad ist, wie folgt, definiert:

,, ,, ., .„, 100 x [1/2 (Volumen CO)+ Volumen CO₂ + Volumen O₂ als Abgas]

Umwanülungswirkungsgraü7o =

zugeluhrtes Volumen O₂

Immer dann, wenn der Istdruck kleiner ist als der Solldruck, muß man Einstellungskorrekturen bezüglich einer oder mehrerer Verfahrensbedingungen vorneh-(16)

men, um die unerwünschte Oxydation derjenigen Metallwertstoffe in der Schmelze, die erhalten werden soll, zu vermeiden oder zumindest möglichst gering zu

halten. Welcher Korrektureingriff im Einzelfall jeweils notwendig ist, hängt vom Gesamtzustand des Systems ab. Die Tatsache, daß der Istdruck kleiner als der Solldruck ist, zeigt an, daß der im System herrschende Druck höher ist, der wünschenswert und zweckmäßig ist, um eine wirksame Entkohlung zu tragen und zu unterstützen. Es ist dann erforderlich, den Gesamtdruck im System auf einen Wert abzusenken, der zu einer wirksamen und wirtschaftlichen Entkohlung führt, d. h. auf einen Druck, bei dem ein Verlust an Metallwertstoffen nicht festgestellt werden kann bzw. auftritt. Wenn sowohl eine Ballast- bzw. Inertgaszufuhr als auch eine Oxydationsmittelzufuhr angewandt wird, kann man den Istdruck durch Senken der Inertgaszufuhr verringern. Durch die Drucksenkung im System wird die Entkohlungsreaktion beschleunigt, und können somit die Metalloxydationsreaktionen und dadurch die Metallverluste herabgesetzt werden. Man kann auch die Oxydationsmittel-(Sauerstoff)-Zufuhr verringern, wodurch die für die Entkohlungsreaktion zur Verfügung stehende Oxydationsmittelmenge bzw. -konzentration soweit herabgesetzt wird, daß das Oxydationsmittel im wesentlichen vollständig von der Entkohlungsreaktion verbraucht wird und somit kein Oxydationsmittel für die Oxydation der Metallwertsotffe übrig bleibt bzw. zur Verfugung steht. Wahlweise kann man natürlich auch sowohl die Inert- bzw. Ballastgas- als auch die Oxydationsmittelzufuhr verringern, um eine Kombination der vorstehend geschilderten Effekte zu erzielen. Wenn im Laufe des Verfahrens ein unter dem Solldruck liegender Istdruck festgestellt und dadurch angezeigt wird, daß eine Oxydation von Metallen stattfindet, wird erfindungsgemäß vorzugsweise die Ballast- bzw. Inertgaszufuhr allmählich gesenkt, wobei man jeweils die Differenz zwischen dem sich dabei einstellenden neuen Istdruck und den anhand der jeweiligen neuen Ballastgaszufuhr errechneten Solldruckwerten vergleicht und die Inertgaszufuhr so lange weiter senkt, bis ein Druck erreicht ist, der anzeigt, daß im System eine wirksame und wirtschaftliche Entkohlung stattfindet. Dieser Zustand ist, wie bereits erwähnt, dann erreicht, wenn der im System herrschende Druck so weit vermindert ist, daß der im Gefäß herrschende Istdruck gleichhoch oder höher ist, wie der aufgrund der für die Entkohlungsreaktion zu berücksichtigenden thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten errechnete Solldruck.

Wenn der im System herrschende Istdruck größer als oder mindestens gleichhoch wie der aufgrund thermodynamischer Überlegungen errechnte Solldruck ist, so ist es steht ein Anzeichen dafür, daß das Entkohlungsverfahren befriedigend verläuft, d. h. daß keine Metalloxydation stattfindet. Es ist jedoch möglich, daß das Entkohlungssystem nicht in der optimalen Weise eingesetzt bzw. ausgenützt wird. Somit gilt für die Regelung bzw. Steuerung des Vakuumentkohlungsverfahrens in Abhängigkeit vom im System herrschenden Druck, daß die Oxydation der Metallwertstoffe im gewünschten Ausmaß verringert oder ganz ausgeschlossen ist so lange der Istdruck im System mindestens ebenso hoch ist wie der errechnete Solldruck.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuer- bzw. Regelmethode ist dynamisch und kann sowohl in einem automatischen Regelsystem, als auch bei der Steuerung von Hand angewandt werden.

Die einzige Figur der beliegenden Zeichnung zeigt eine Vakuumentkohhingsanlage, bei der die Entkohlung unter vermindertem Druck nach dem erfindungsgemä

ßen Verfahren geregelt bzw. gesteuert werden kann. Diese Anlage enthält ein Gefäß 2, z. B. einen basischen Sauerstoffofen oder eine Pfanne, das ein schmelzflüssiges Metallbad 3 und einen dicht aufgesetzten Deckel 4 besitzt, der so befestigt ist, daß das Gefäß 2 evakuiert werden kann. Zum Zuführen bzw. Einspeisen eines Oxydationsmittels, wie Sauerstoff, in das Gefäß 2 ist ein Rohr 6 und zum Zuführen eines Ballast- bzw. Inertgases, wie Stickstoff oder Argon, ein Rohr 8 vorgesehen. An das Gefäß 2 ist eine Vakuumpumpe, z.B. ein Dampfejektorsystem bzw. eine Dampfstrahlpumpe 10 angeschlossen, mit der im Gefäß 2 ein Vakuum erzeugt werden kann, das eine wirksame Entkohlung des Metallbads 3 unterstützt. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein doppeltes bzw. zweifaches Dampfstrahlpumpsystem 10 verwendet, das eine Hauptvakuumleitung 12 und eine Sekundärvakuumleitung 14 aufweist, die an das Gefäß 2, z. B. an dessen Deckel 4 angeschlossen sind. Dieser Doppelanschluß hat den Zweck, eine gedrosselte Evakuierung des Gefäßes 2 zu ermöglichen. Das Dampfstrahlpumpensystem 10 ist ein Mehrstufenejektorsystem mit einer einfachen ersten Stufe 16, einer Doppelstufe 18 und 18' als zweiter Stufe, deren Ejektoren direkt mit der ersten Stufe 16 gekoppelt und jeweils mit einem Dampfkondensator 20 verbunden sind. An den Dampfkondensator 20 ist außerdem eine Ballastzufuhrleitung 22 angeschlossen. Die dritte Stufe besteht aus drei Ejektoren 24, 24' und 24", wobei die Ejektoren 24 und 24' mit dem Dampfkondensator 20 in Verbindung stehen und der Ejektor 24" direkt mit den Ejektoren 18 und 18' verbunden ist. Die Ejektoren 24 bzw. 24' der dritten Stufe sind jeweils mit einem Kondensator 26 bzw. 26' verbunden, wobei diese beiden Kondensatoren eine zweite Kondensatorstufe bilden und ihrerseits jeweils an einen Ejektor 28 bzw. 28' einer vierten Ejektorstufe angeschlossen sind. Die vierte Ejektorstufe umfaßt einen weiteren Ejektor 28", der mit dem Ejektor 24" der dritten Stufe in Verbindung steht. Alle drei Ejektoren 28, 28' und 28" der vierten Stufe sind mit einem Endstufenkondensator 30 verbunden. Diesem System wird durch die Leitung 22 Ballast- bzw. Inertgas zugeführt, um, zusammen mit der Oxydationsmittelzufuhr durch die Leitung 6 die Einstellung eines bestimmten gewünschten Druckes im Gefäß 2 zu erreichen. Die Ballast- bzw. Inertgaszufuhr durch die Leitung 8 ist üblicherweise eine Bedarfs- bzw. Notstickstoffballastzufuhr, die direkt in das Gefäß 2 eingespeist werden kann. Die Stickstoffballastzufuhr durch die Leitung 8 kann auch zum Auffüllen des Reaktionssystems benutzt werden, wenn die Entkohlung und andere Gas- bzw. Enlgasungsvorgänge bzw. -zyklen abgeschlossen sind. Man kann die zum Regeln des Druckes im System dienende Baliast- bzw. Inertgaszufuhr auch durch die Leitung 8 einführen, jedoch ist es in der Praxis vorteilhaft diese Zufuhr Ober die Leitung 22 vorzunehmen. Die Entkohlungsanlage weist auch Meß- end Regeleinrichtungen 32 in der Oxydationsmittelzufuhrleitung 6 auf, mit deren Hilfe man den Oxydationsmitteldurchfluß, sowie den Durchfluß gegebenenfalls auf diesem Weg eingespritzter bzw. zugeführter Inertgas messen und regeln kann. Zum Messen des Istdrucks hn Gefäß 2 ist ein Manometer 34 vorgesehen. Weherhin sind an geeigneten Kontrollpunkten im Dampfejektorsystem, z. B. vor den einzelnen Ejektorstofen (nicht dargestellte), weitere Manometer vorgesehen. Zum Messen der einzelnen Abgase und zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases

entsprechend seinen Komponenten ist ein an sich bekanntes Abgasanalysensystem vorgesehen. Wie in der Leitung 6 müssen auch in der Leitung 22 Durchflußmeß- und Regeleinrichtungen 36 vorgesehen sein, die zum Messen und Regeln der durch die Leitung 22 zugeführten Ballast- bzw. Inertgase dienen und den Durchflußmeß- und Regeleinrichtungen 32 gleichen. Geeignete Regel- und Meßeinrichtungen sind dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich, so daß sie keiner näheren Beschreibung bedürfen. Vorzugsweise ist schließlich noch ein Computer zur Berechnung der Entkohlungsreaktion vorhanden, mit dem sich aus den verschiedenen im System eingestellten bzw. gemessenen Parametern rasch der jeweilige zu erwartende Druck bzw. Solldruck berechnen läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Frischen von Stahlschmelzen unter Vakuum, bei welchem die Frischgaszufuhr zum Frischgefäß zwecks Vermeiden von Oxidationsverlusten an wertvollen Legierungselementen in Abhängigkeit von der Abgasentwicklung von der Schmelzbadoberfläche gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den an sich bekannten Parametern der Entkohlungsreaktion, wie der Durchflußmenge an zugeführtem Frischgas, der Frischgaszusammensetzung und der Abgaszusammensetzung der Frischgefäß-Solldruck bestimmt, dieser Solldruck mit dem gemessenen Frischgefäß-Istdruck verglichen wird und daß Zusammensetzung und Durchflußmenge des Frischgases so eingestellt werden, daß der Frischgefäß-'stdruck größer oder wenigstens ebenso groß ist wis der Frischgefäii-Solldruck, wobei man die in der Zeiteinheit in das Frischgefäß eingebrachte Oxidationsmittelmenge verringert, während die Frischgas-Durchflußmenge im Frischgefäß konstant gehalten wird oder die Entkohlungsreaktion durch Verringerung des Istdruckes beschleunigt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidationsmittelzufuhr zum Gefäß drosselt