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Metallurgisches Verfahren für Induktions-Tiegelöfen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Reaktionsstoffen in eine Schmelze, die
in einem Induktions-Tiegelofen erhitzt worden ist und die in diesem Ofeii metallurgisch
weiter behandelt werten soll.
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Bekannt sind für diesen Zweck Induktions-Tiegelöfen, bei denen zum
Aufheizen der Schmelze mit einer möglichst großen Leistung, die lediglich durch
die dabei entstehende Badüberhöhung begrenzt ist, die Spule in ihrer ganzen Länge
in Einphasenschaltung an einen Wechselstrom entsprechender Frequenz angeschlossen
ist. Zur Durchführung metallurgischer Arbeiten wird dann die durch Abgriffe in einzelne
Abschnitte unterteilte Spule zur Erzeugurg eines magnetischen Wanderfeldes an einen
Drehstrom niederer Frequenz, z.B. 50 Hertz, angelegt. Dadurch wird in der Schmelze
eine hauptsächlich in senkrechter Ricntung verlaufend, von der Schmelzgutoberfläche
bis zum Tiegelboden hinabreichend Strömung erzeugt, die sich je nach dem wie die
Spulenabschnitte an die einzelnen Phasen der Stromversorgung angeschlossen sind,
an der Tiegelwandung abwärts s-trömend und in der Ofeninitte aufsteigend oder in
umgekehrter Richtung bewegt.
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Der DT-AS 1 271 734 ist ein Verfahren zum Einbringen von Schlackenbildnern
in elektrische Raffinationsöfen zu entnehmen, bei welcher die Schlackenbildner im
heißen Strahl eines Brenners, indes. Plasma-Brenners, auf die Oberfläche des zu
behandelnden Schmelzgutes aufgebracht werden.und somit zwecks besseren Stoifaustauaches
eine erhitzte Schlacke erhalten wird.
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Nach einer anderen Methode entsprechend der OS 1 583 445 ist zum besseren
Einrühren der Reaktionsstoffe in die Schmelze koaxial über der mit Wcchsel- oder
Drehstrom betriebenen Ofenspule ein weiteres ein Drehfeld in Umfangerichtung erzeugendes
Spulensystem angeordnet. Durch dieses wird das Schmelzgut an seiner Oberfläche um
die Mittelsenkrechte des Ofens bewegt.
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Dabei können zur Verstärkung dieser Kreisbewegung, die nicht allzutief
in die Schmelze hineinreicht, auch noch ein oder mehrere zum Schmelzgutspiegel in
Abstand und geneigt angeordnete Plasma-Brenner vorgesehen sein, die für eine heiße,
reaktionsfreudigere Schlacke sorgen sollen.
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Die bekannten Verfahren brachten beim Hinzufügen von festen oder flüssigen
Substanzen in eine Schmelze zum Entfernen von in dieser gelösten Komponenten, wie
s.BO S, P, Cr, Si, BB oder anderen Stoffaustauschvorgängen im Induktions-Tiegelofen
keinen sehr wirkungsvollen Stoffumsatz, da für inniges Durchmischen keine entsprechend
großen Kontaktflächen zwischen beiden Phasen vorhanden waren. Bei den bekannten
Einrichtungen soll die Schlacke durch die zusätzlichen Plasmabrenner erhitzt und
reaktionefreudiger gemacht werden. Hierbei wird aber ein zusammenhängender Schlackenkuchen
eingestellt, dessen Reaktionsfreudigkeit sehr gering ist Der Stoffaustausch zweier
nicht ineinander löslicher Phasen wird bekanntlich dadurch erschwert, weil als Reaktionsstoffe
vielfach Substanzen verwendet werden müssen, die spezifisch merklich leichter als
die Schmelze sind und deshalb zum Absetzen und Aufschwimmer- auf der Schmelzgutoberfläche
neigen Dies gilt z.B. für im Eisen nicht lösliche SchlackenpartikelO Diese Schlackenteilchen
setzen sich vielfach noch vor Erreichen eines ausreichenden Stoffaustausches ab
und koagulieren zu msist zu reaktionsträgen Stoffeinheiten. Ihre Unwirksamkeit wird
im In duktions-Tiegelofen noch dadurch erhöht, weil die Schlacke selbst nicht direkt
induktiv evärmt werden kanne sondern nur indirekt von der Schmelze erhitzt wird
Dadurch bleibt die aufschwimmende Schlacke oberflächlich X d., sie ist reaktionsträge
und neigt zudem stark zur Krustenbildung. Aus diesen Gründen galt bisher der Induktions-Tiegelofen
nicht als besonders
geeignet für Schlackearbeiten, so daß für das
Entschwefeln, Entphosphoren und dergleichen Arbeiten andere zusätzliche Öfen vorgezogen
wurden, wen nennenswerte Mengen dieser Elemente entfernt werden sollten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, durch
das die der Schmelze zuzusetzende Reaktionsstoffe insbesonders nicht lösliche Schlackensubstanzen
sofort durch den von der abwärts gerichteten Strömung der Schmelze entstehenden
kräftigen Sog in den Schmelzleib gezogen werden.
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Zu diesem Zweck wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß mit dem
Beginn des Einbringens der Reaktionsstoffe in die Schmelze in dieser durch eine
an sich bekannte Wanderfeldspule eine vom Badspiegel bis zum Tiegelboden hinabreichende
gegenläufige Strömung erzeugt wird, die eine solche Stärke hat, daß die eingebrachten
Reaktionsstoffe durch das ganze | Schmelzbad hindurch bewegt werden.
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Damit die Schmelze für das in Frage kommende Behandlungsverfahren,
den für dieses verwendeten Reaktionsstoffen und der der Art der Ofenzustellung in
der Badmitte eine Absenkung oder eine Kuppe bilden kann, wird noch vorgesehlagen,
daß sich die in der Schmelze vom Badspiegel bis zum Tiegelboden hinabreichende Strömung
im Badzentrum von oben nach unten bewegt und an der Tiegelwandung wieder aufsteigt,
oder aber die in der Schmelze vom Badspiegel bis zum Tiegelboden hinabreichende
Strömung sich an der Tiegelwandung von oben nach unten bev:egt und in der Tiegelmitte
wieder aufsteigt.
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Damit sich nach jedem Behandlungsabschnitt der Schmelze die dabei
entstandenen Schlacken an der Badoberfläche sammeln können, wird noch empfohlen,
vor dem hbschlacken der Schmelze die Badbewegung zu verringern oder vollkommen zu
unterbrechen.
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Schließlich kann noch, um für den nächsten Behandlungsschritt die
erforderliche Temperatur zu erhalten, nach dem Abschlacken ein Erhitzen der Schmelze
vorgenommen werden und erst danach in diese wieder Reaktionsstoffe gegeben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfclgend an einigen Ausführungsbeispielen
besprochen. i, Beispiel "Einsatz eines Induktions-Tiegelofens als Reaktionsbehälter
zur Entschwefelung von Eisen für die Herstellung von Sphäroguß2 Ein 12-t-Ofen mit
einer elektrischen Leistung von 800 kW ist mit einer an ein Drehstromnetz angeschlossenen
Wanderfeldspule ausgerüstet. Die Leistung kann bei vollem Ofen stufenweise bis auf
225 kW gedrosselt werden, um die Badbewegung den Erfordernissen entsprechend einzustellen.
Der 12-t-Ofen soll chargenweise oder kontinuierlich betrieben werden und dabei als
Reaktor für das Entschwefeln von Sphäroguß dienen. Dabei bietet sich gleichzeitig
auch noch die Verwendung als Sammelgefäß ari, das von der vorgeschalteten Schmelzanlage
beschickt wird.
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Der Ausgangs-S-Gehalt sei 0,10 % und der geforderte Endgehalt soll
bei 0,01 % liegen.
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Für das vorliegende Beispiel wird ein halbkontinuierlicher Betrieb
angenommen, wobei dem Reaktor in regelmäßigen Zeitabständen 3 t entnommen werden.
Nach zweimaliger Entnahme, also: 6 t insgesamt, werden 6 t flüssigen Eisens nachgefüllt0
Hierbei wird der mit 0,1 % einlaufende S-Gehalt durch das Vermischen mit dem 50
r ausmachenden Restanteil von 0,01 % S bereits auf 0,055 % erniedrigt. Um 0,01 %
zu erreichen, werden nach dem Einfüllen 0,5 % Gießereikarbid nach eingeschaltetem
Wanderfeld zugesetzt und eine Reaktionsdauer von 2,6 Minuten abgewartet. Die in
geeigneter Kerngröße (größte Oberfläche) zugesetzten Reaktionsstoffe werden durch
die geeignete, einen Sog verursachende Strömung in die Schmelze sofort eingezogen
und mit ihr innig vermischt und so zur Reaktion gebracht. Hierbei wird auch die
untere Schmelze von der Durchwirbelung nicht ausgeschlossen. Die Behandlungsdauer
richtet sich u.aO nach er: Temperatur, die zweäJ3igerweise nicht zu niedrig eingestellt
sein
soll, da andernfalls der Wirkungsgrad ungünstiger wird.
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Im Beispiel sind 14500 C vorgesehen.
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Nach der Behandlung soll- die Schlacke abgezogen werden, bevor wieder
zweimal 3 t entnommen werden. Dieses kann in bekannter Weise erfolgen Setzt man
für das Entschlacken oder die Probenahme und Temperaturmessung sowie die zweimalige
Entnahme und das nachfolgende Einfüllen von 6 t Flüssigeisen weitere 8 Minuten an,
so stehen alle 15 Minuten 6 t zur Verfügung. Der Durchsatz läßt sich noch steigern,
da für die Behandlungszeiten und die Zwischenzeiten in dem vorliegenden Beispiel
stets die oberen Grenzen angenommen wurden 2. Beispiel "Einsatz eines Ofens mit
umschaltbarer Induktionsspule als Einschmelz- und Reaktionsgefäß" Ein Induktions-Tiegelofen
mit 20 t-Fassungsvermögen und einer Ofenleistung von 4000 kW wird zum Schmelzen
und Legieren von Stahlguß verwendet. Der Ofen arbeitet mit einem Sumpf von 75 %,
d.h. es werden stets 5 t entnommen. Nach der Entnahme werden sofort 10 t fester
Einsatz nachchargiert und wieder eingeschmolzen. Weniger leicht oxydierbare Legierungakomponenten
wie Ni, Ou u.dgl. werden jetzt bereits mit eingesetzte Oft ist es sinnvoll, auch
den Kohlenstoff bereits mit zu chargieren, da er einen gewissen Schutz vor Abbrand
edler und teurer Elemente gewährt. Sein Abbrand beim Einschmelzen kann später leicht
korrigiert werden.
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Für das Einschmelzen von 5 t werden ca. 45 Minuten benötigt, wobei
die Spule auf einphasigen Betrieb geschaltet ist. Von der Schmelze wird, falls es
erforderlich ist, eine Probe genommen, dann entschlackt. Anschließend werden die
Legierungsele elemente wie C, Or, Mn, Si, Mo oder andere zugegeben, nachdem die
Spule auf Wanderfeldschaltung umgestellt ist. Das Einmischen und Auflösen der Zusatzstoffe
erfolgt sehr schnell bei .gleicheitig gutem Nutzungsgrad und erfordert eine Zeit
von
nur wenigen Minuten (1 - 4 Min. je nach Menge und Temperatur).
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Wenn nicht bereits geschehen, so wird schließlich die Gießtemperatur
- bei legiertem Stahlguß meist bei 165O - 1750° C = eingestellt und die Schmelze
kann vergossen werden. Die Gesamt zeit für die Erschmelzung der 5 t wird sich bei
einem gut organisierten Betrieb auf ca. 50 Minuten belaufen.
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Als 3. Beispiel wird der NE-Schmelzbetrieb behandelt, da das vorgeschlagene
Verfahren hier ein weiteres großes Anwedungsgebiet findet. So kann man z.B. FeS
(Eisensulfid) in einem Induktions-Tiegelofen behandeln. Flüssiges FeS, das den Strom
leitet und sich somit induktiv behandeln läßt, wird dem Ofen zugesetzt. Es ist mit
ZnS verunreinigt, welches entfernt werden soll. Hierzu wird Roheisen in die FeS-Schmelze
eingegeben und bei eingeschaltetem Wanderfeld bei innigem Dzrchmischen des Schmelzleibes
folgende eaktion eingeleitet: ZnS + Fe # Zn + FeS Das ZnS wird dabei zu metallischem
Zink reduziert, welches verdampft und in nachgeschalteten Einrichtungen aufgefangen
wird. Die Behandlung im Reaktionsgefäß läßt sich schnell und mit gutem Wirkungsgrad
durchführen, so daß ein großer Tagesdurchsatz erreicht wird.
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Die mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, daß durch einen wirkungsvolleren Stoffaustausch die
gewünschten Reaktionen innerhalb kürzerer Reaktionszeiten und vollständiger im Schmelzleib
durchgeführt werden, um eine bessere Homogenität bei besserer Nutzung und Zeitersparnis
als bisher zu erreichen-