DE2235706A1 - Verfahren zur herstellung einer metallschmelze und kupolofen zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Betrifft: Verfahren zur Herstellung einer Metallscbmelze und Kupolofen zur Durchfuhrung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallsohmelze und einen Kupolofen zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Aus der niederländischen Patentanmeldung 6903905 ist es bei einem gasbefeuerten Kupolofen, dessen Schacht durch zwei Schultern in eine Kammer zum Erschmelzen der Charge und eine Kammer zum Überhitzen der Metallschmelze unterteilt ist, in dessen Wänden Brenner vorgesehen1sind und in dessen Boden eine Grube zum Sammeln der Metallschmelze ausgebildet ist, bekannt, über den Brennern in der Überhitzungskammer einander gegenüberliegende Elektroden zur Einleitung eines elektrischen Llchtbogens zwischen ihnen zu montieren.
• In der Uberhitzungskammer werden Tropfen der Metallschmelze während ihrer Bewegung durch den Lichtbogen überhitzt, Außerdem können an der Unterseite der Schulter und im Grubenboden zum Auf fangen des Metalls Elektroden angeordnet sein, die an verschiedene Pole einer Stromquelle angeschlossen sind, so daß zwischen ihnen ein elektrischer Potentialunterschied erzeugt wird. Hierdurch wird d;as Verfahren zur Herstellung der Metallschmei ze beschleunigt und die Kapazität des Ofens erhöht.
• Die herabfallenden Tropfen der Metallschmelze stehen in der Uberhitzungskammer nur während einer sehr kurzen Zeitspanne unter dem Einfluß der direkten Wärmeübertragung der Brenner und der elektrischen Ströme. Da die beiden Heizsysteme in ein und derselben Uberhitzungskammer wirken, ist die Kontrolle nicht ideal, und zwar auch deshalb, weil die Schmelztropfen sehr schnell durch die Uberhitzungikammer hindurchfallen.
• Die Reduktionsreaktionen gehen auf Kosten des Eohlenstoffgehalts der Schmelze vor sich, so daß eine Kohlung nicht möglich ist. Der Kohlenstoffgehalt ist ohne Zuschlag eines hohen Prozentsatzes an Roheisen schweig aufrechtzuerhalten, und die Zugabe von Stahl ist außerordentlich stark beschränkt. Das Schmelzverfahren ist mit einem vergleichsweise hohen Ausbrennverlust verbunden, während das Eisen unzureichend desoxydiert wird.
• Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Verbesserung des bekannten Verfahrens und des bekannten Eupolofens, wobei eine Trennung zwischen der Erhitzung und dem Schmelzen durch die Wärme der Gas- oder Ölbrenner sowie der tiberhitzung unter ausschließlicher Verwendung von elektrischer Energie außerhalb der oxydierenden Atmosphäre der Brenngase erreicht werden soll.
• Diese Aufgabe wird beim genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Überhitzung mit Reduktions-und Kohlungsraktionen in einer eine reduzierende Atmosphüre besitzenden Zone unterhalb der Brenner mit Hilfe von Alumpen-aus Kohlenstoff, Kohlenstoffverbindungen oder wärmebeständigen ieitfähigen Metallverbindungen oder Gemischen davon durchgeführt wird, die ausschließlich durch elektrische Energie erhitzt werden.
• Der erfindungsgemäße Kupolofen zur Durchführung dieses Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß unterhalb der Brenner und oberhalb des Äbstichlochs ein uberhitzungsraum vorgesehen ist, der zur Überhitzung -der Schmelztropfen mit Klumpen aus Kohlenstoff, Kohlenstoffverbindungen oder wärmebeständigen leitfähigen Metallverbindungen od. dergl.
• gefüllt ist, wobei der UberhitzungGraum mit Anschlüssen zu einer Stromquelle zur Erhitzung der Klumpen versehen ist.
• Die Metalltropfen werden-dabei im Schacht oberhalb der Brenner durch die litze der Gas- oder Ölbrenner erhitzt und fließen über rotglühende Klumpen, die infolge fehlender Sauerstoffzufuhr nicht oder kaum brennen können, und sikkern langsam durch das die Klumpen enthaltende Bett hindurch, bis sie am Ofenboden aufgefangen und über das Abstichloch abgezogen werden. Die Überhitzung der Schmelzentropfen durch die den Klumpen zugeführte elektrische Energie läßt sich somit wesentlich besser steuern bzw.-kontrollieren, als wenn sie im Raum über den Brennern durchgeführt wird, wo die durch den Brennstoff zugeführte Primär-und Sekundärluft wirksam werden kann und die- Oxydation und Reduktion der Metallschmelze je nach Ort und Temperatur in verschiedenen Zonen erfolgen, Da die klumpen nur als wärmübertragendes Medium wirken und in Gegenwart von Kohlenstoff nicht brennen, sondern bestenfalls den KohlensDoffgehalt der Schmelze beeinflussen, braucht nach dem Beschicken des Ofens Koks n;':tr in kleinen Mengen als Zuschlagstoff und/oder Reduktionsmittel zugegeben zu werden. Infolgedessen und weil die Verbrennungsgase die feste Beschickung auf ausreichend hohe Temperatur erhitzen, kann auch Stahl schrott innerhalb zufriedenstellender Grenzen zugesetzt werden.
• Im Überhitzungsraum findet ein nahezu vollständig gesteuertes bzw. geregeltes Verfahren bei einer Temperatur statt, die unabhängig ist von den Temperaturen, die mittels Gas-oder Ölflammen über die Brenner erzielt werden. Mithin ist es nicht nur möglich, alle Arten von Nichteisen- oder Gußeisen-Legierungen aus diesem Kupolofen mit elektrisch beheiztem Überhitzungsraum zu erzielen, vielmehr kann der Ofen auch für die Herstellung von Guß strahl eingesetzt werden.
• Zugestandenermaßen ist es bekannt, einen Vorherd an einen Kupolofen anzubauen oder die Schmelze außerhalb des Kupolofens in einem Lichtbogenofen zu sammeln, doch wird in diesem Fällen eine vollständige Metallschmelze mit allen lmachteilen bezüglich Raum, Zeit und Wärmeverlusten in einer getrennt angeordneten Anlage behandelt.
• Beim erfindungsgemäßen Kupolofen, bei dem der Uberhitzungsraum einen Teil des Ofens bildet, ist kein Raumverlust vorhanden, während die Schmelztropfen ohne vorheriges Sammeln zu einem Schmelzbad erhitzt werden, so daß Erhitzungszeit und -intensität ebenfalls wesentlich verbessert werden; dabei brauchen die gesonderten Wärmeverluste einer getrennten Anlage nicht kompensiert zu werden.
• Die Erhitzung der Schmelztropfen mittels elektrischer Energie kann auf verschiedenartige Weise erfolgen.
• Der Überhitzungsraum kamn mit einem graphithaltigen Mantel versehen werden, in weichem gekühlte Induktionsspulen angeordnet sind-, so daß die Klumpen durch induzierte eiektrische Ströme erhitzt werden. Im Mantel können Graphitelektroden vorgesehen sein, wobei die Klumpen als Elemente in einem Widerstandskreis erhitzt werden. Wahlweise können im Mantel Graphitelektroden angeordnet sein, durch welche Lichtbogen zwischen den Elektroden und den Klumpen erzeugt werden, so dåß die hohe Temperatur der Klumpen' auf diese Weise erzielt wird.
• Außerdem besteht die Möglichkeit einer indirekten Erhitzung, wenn die Frequenz der Induktionsspulen so-gewählt-wird, daß direkte Wärme im leitfähigen Graphitmantel und-nicht in den Klumpen induziert wird, wobei die Klumpen vom Mantel durch Strahlung erhitzt werden. Eine andere Möglich keit besteht in der Erhitzung lotrecht langgestreckter Graphitelektroden in der Ofenwand durch WiderstaXserhitzung, wobei die elektrischen Anschlüsse zu den Elektroden unmittelbar unter den Brennern und nahe des Ofenbodens vor--gesehen sind.
• Sobald sich ein Schmelzbad gebildet hat, werden die Unterteile der Elektroden in dieses Bad eingetaucht und bilden den Sternpunkt der dort geerdeten Dreiphasenschaltung. Die Graphitelektroden werden durch ihren Eigenwiderstand - erhitzt, und die Strahlungswärme wird auf die Klumpen übertragen, wodurch wiederum die Schmelstropfen erhitzt werden.
• Bei einer abgewandelten Ausführungsform sind in der Wand des Uberhitzungsraums getrenate elektrische Widerstandselemente z.B.-1n'Frm lotrechter Stäbe oder Stangen vorgesehen, welche die Innenwand des Raums durch Strahlung erhitzen, wobei-- die'- Innenwand den Inhalt diese-s Raums auf die gewünschte Temperatur bringt.
• Einer Direktbeheizung haftet der Nachteil an, daß der stark variierende Widerstand zwischen den Klumpen und den Schmelztropfen bei direktem Stromdurchfluß wesentlich weniger gut kontrolliert werden kann als bei indirekter Beheizung, bei welcher die Steuerung bzw. Regelung wesentlich einfacher ist, weil sie nicht mm Inhalt des Uberhitzungsraums abhängt.
• Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kupolofen mit einem Überhitzungsraum, der mit Koksklumpen gefüllt und von Indilktionsspulen umgeben ist, Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen abgewandelten Kupolofen mit Überhitzungsraum, der mit Koksklumpen gefüllt ist und im Mantel Elektroden für die Widerstandserhitzung des Kokses aufweist, Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2 und Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen weiter abgewandelten Kupolofen mit Uberhitzungsraum, der mit Koksklumpen gefüllt ist und im Mantel einstellbare Elektroden zur tichtbogenerhitzung der Koksklumpen aufweist.
• Der in den Zeichnungen dargestellte zylindrische Kupolofen ist mit einem Stahl-Mantel 1 versehen, der an seiner Innenseite ein feuerfestes Futter 2 aufweist. In der für einen Kupolofen normalen Höhe ist eine Chargieröffnung 3 vorgesehen, über welche der Ofen beschickt werden kann. Anstelle der Windkästen mit Blesrohrell sind Brenner 4 für ein Gas-Luftgemisch vorgesehen, mit deren Hilfe die Beschikkung auf den Schmelzpunkt erhitzt werden kann.
• Unter den Brennern 4 ist innerhalb des Mantels ein Uberhitzungsraum 5 vorgesehen, der mit Koksklumpen gefüllt ist. Der Koks wird von den Flammen oder Verbrennungsgasen der Brenner 4- nicht erreicht, während die Luft keinen Zugang zum Überhitzungsraum hat, dessen Wände durch einen Mantel 6 gebildet werden, um welchen herum eine oder mehrere Induktionsspulen 7 angeordnet sind. Die Spulen sind an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen, durch welche die Koksklumpen induktiv auf die gewunschte Temperatur erhitzt werden.
• Der Boden 8 des Überhitzungsraums 5 besteht aus feuerfestem Material und ist zu einem Abstichloch 9 hin geneigt.
• Der in den Induktionsspulen 7 fließende elektrische Strom kann auch auf eine solche Frequenz eingestellt werden, daß der wärmeleitende Mantel 6 induktiv erhitzt und rotglühend wird, so daß die Koksklumpen und die herabsickernden Metalltropfen von seiner Oberfläche aus durch Strahlung erhitzt werden.
• Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsfrom ist der Überhitzungsraum 5 mit dem üblichen Futter versehen, das jedoch einander gegenüberliegende Graphit-Mantelteile lo aufweist, die durch Kupferleitungen 11 mit einer nicht dargestellten Stromquelle. verbunden sind. Bei der Durchführung des Verfahrens werden die im tberhitzungsraum befindlichen Koksklumpen durch elektrische Widerstandsheizung auf die gewünschte Temperatur gebracht.
• In Fig. 2 sind zwei Graphit-Nantelteile lo dargestellt, doch können in abgewandelter Ausführungsform auch drei Mantelteile lo oder ein Vielfaches von drei Mantelteilen lo vorgesehen sein, durch welche ein Strom eines Dreiphasensystems geschickt werden kann0 Hierbei ist ein Anschluß der Nantelteile lo zur Stromquelle unmittelbar unter den Brennern vorgesehens während ein anderer Anschluß dicht am Boden angeordnet ist; sobald sich am Boden des Uberhitzungsraums ein Schmelzbad gebildet hat, stellt dieses den geerdeten, d.h. an Masse liegenden Sternpunkt des Dreiphasenstromsystems dar. Hierbei werden die Koksklumpen und die Metalltropfen durch Abstrahlung von den rotglühenden Mantelteilen lo erhitzt.
• Bei der Konstruktion gemäß Fig. 4 sind schließlich im Futter des Überhitzungsraums 5 mehrere einstellbare Graphit-Elektroden 12 vorgesehen, die wiederum an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sind. Die Erhitzung der Eoksklumpen erfolgt hierbei durch zwischen den Elektroden und den Klumpen erzeugte lichtbögen.
• Die dargestellten Ofen arbeiten wie folgt: Der Uberhitzungsraum wird mit Koksklumpen gefüllt, so daß ein Bett gebildet wird, daß unter dem Einfluß des elektrischen Stroms auf vorher dargestellte Weise auf die gewünschte hohe Temperatur von z.B. 1650°G erhitzt wird und dabei einen großen Wärmegehalt erhält, ohne daß der Koks brennt. Durch die Chargieröffnung 3 wird der Ofen mit der üblichen Beschikkung aus Roheisen, Gußeisenschrott, Stahlschrott, Kalkstein und Zuschlägen chargiert. Dabei braucht kein zu verbrennender Koks zugesetzt zu werden, da der Brennstoff zum Schmelzen der Charge durch das von den Brennern 4 verbrannte Gas oder Öl gebildet wird. Infolge der erzeugten Brennstoffgase wird eine Oxydation des Metalls erreicht. Sobald das Eisen geschmolzen ist, sickert es durch das elektrisch beheizte Koksbett in den Überhitzungsraum 5 und gelangt während des Überhitzungsvorgangs in eine vollständig reduzierende Atmosphäre. Infolgedessen sind bei' Temperaturen über halb des Oxydations-Reduktions-Gleichgewichtspunkt die Abbrandverluste bis zum Endprodukt sehr gering. Die Demperatur der Eisenschmelze kann unabhangig von derSchmelskapazitrat des gas- oder ölbefeuerten Ofens auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden. Umgekehrt kann die Schmelzkapazität unabhängig von der Temperatur der Schmelze eingestellt werden Da in der Überhitzungsphase eine reduzierende Atmosphäre vorliegt, können anstelle von Roheisen vorreduzierte Pellets eingesetzt werden. Sofern die Erwärmung mit Brennstoff von niedrigem Schwefelgehalt erfolgt, entsteht kaum Staubauswurf, kaum CO und praktisch kein S02, so daß eine erheblich verringerte Luftverschmutzung gewährleistet wird. Auch im Fall von schwefelhaltigem Brennstoff nimmt der Schwefelgehalt des Eisens kaum zu. Außerdem wird dabei wesentlich weniger Schlacke erzeugt. Da der Koks nicht verbrennt, sondern nur zur Kohlung dient, bleibt das Koksbett sehr lange Zeit intakt, wobei es vergleichsweise einfach ist, der Beschickung erforderlichenfalls weiteren Koks zuzusetzen. Außerdem braucht der Koks nicht dem Erfordernisi--der niedrigen Reaktionsfähigkeit zu genügen, wie dies bei einem koksbefeuerten Kupolofen der Fall ist.
• Die im Uberhitzungsraum verwendeten Klumpen brauchen nicht einmal aus Koks zu bestehen sondern können auch aus Graphit, Tongraphit, Siliziumkarbid oder Gemischen dieser hohe materialien und selbst aus anderen Metallverbindungen, wie A120f, bestehen, vorausgesetzt, daß sie elektrischen Strom zu leiten vermögen und gegen sehr hohe Temperaturen beständig sind. Das Futter des Uberhitzungsraums kann ebenfalls aus solchen Werkstoffen bestehen, sofern sie elektrisch leitfähig sind. Für das elektrisch nicht leitfähige Futter können bekannte feuerfeste Stoffe gewählt werden, die auch den agressiven Eigenschaften der Schmelze und der Schlacke zu widerstehen vermögen. Ersichtlicherweise sind das erfindungsgemäße Verf ahren und der erfindungsgemäße Kupolofen nicht nur für Gußeisen und möglicherweise Gußstahl verwendbar, sondern können bei eintsprechend angepaßten TemperaturbedinEllngen auch für die Erzeugung von Nichteisenlegierungen eingesetzt werden.
• Die voneinander unabhängige Steuerung der Schmelzkapaziät und der Überhitzung ermöglicht die Konstruktion des Ofens mit unterschiedlichen Höhen bei angepaßtem Querschnitt, wähnend die Induktionsspulen oder die Elektroden in verschiedenen, jeweils voneinander unabhängig geregelten Abschnitten eingebaut sein können, um den Temperaturbedingungen fiir die verschiedenartigen Metalle und ihren Reaktionen im überhitzungsraum optimal entsprechen zu können.
• Es ist noch eine weitere Ausführungsform realisierbar, bei der die Graphi-t-Mantelteile lo durch lotrechte, elektrisch beheizte Stangen oder Stäube ersetzt sind, die in lotrechten Bohrungen des Futters des Überhitzungsraums angeordnet sind und durch WiderstandsbeheizuIlg erhitzt; werden0 Bei dieser Ausfiihrungsform wird die Warme von den Stiten bzw. Stangen durch Abstrahlung auf das Futter übertragen, welches seinerseits die Klumpen und die Metalitropfen durch Abstrahlung erhitzt.
• Bevorzugt werden die Ausführungsformen, bei denen die Wärme durch Abstrahlung auf die Klumpen und Metalltropfen übertragen wird, da der Widerstand des den Koks und die Metalltropfen durchfließenden elektrischen Stroms sehr schwierig zu kontrollieren ist. Ein, Teil der Schwierigkeiten bei der Wärmeübertragung kann durch Zugabe entsprechenden Materials zur Beschickung beseitigt werden, um im Überhitzungsraum eine große Menge elektrisch leitfähiger Schlacke zu bilden.
• Es ist möglich, die Graphitelektroden im Uberhitzungsraum in auf unterschiedlichen Höhenlagen beFindlichen Gruppen anzuordnen0 Der Strom fließt dann praktisch in waagerechten Ebenen durch die flüssige Schlacke, da ihm in äeweils ein und derselben Höhenlage eigeringerer Widerstand entgegengesetzt wird als in lotrechter Richtung zwischen Elektroden auf verschiedenen Niveaus. Bei der zuletzt genannten Ausführungsform, bei -welcher sich die Elektroden auf unterschiellichen Niveaus befinden, kann die Wärmeübertragung an die Zusammensetzung der Schlacke, der Klumpen und der Metalltropfen in diesen Höhenlagen angepaßt werden.

Claims (9)

Patentanspruche

1. Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze in einem gas- oder ölbefeuerten Kupolofen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überhitzung mit Reduktions- und Kohlungsreaktionen in einer eine reduzierende Atmosphäre besitzende Zone unterhalb der Brenner mit Hilfe von Klumpen aus Kohlenstoff, Kohlenstoffverbindungen oder wärmebeständigen leitfähigen Metallverbindungen oder Gemischen davon durchgeführt wird, die ausschließlich durch elektrische Energie erhitzt werden.

2. Gas- oder ölbefeuerter Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Brenner (4) und oberhalb des Abstichlochs (9) ein Überhitzungsraum (5) vorgesehen ist, der zur Überhitzung der Schmelztropfen mit Klumpen aus Kohlenstoff, Kohl enst offverbindungen oder wärmebeständigen leitfähigen Metallverbindungen od. dergl. gefüllt ist, wobei der Überhitzungsraum mit Anschlüssen zu einer Stromquelle zur Erhitzung der Klumpen versehen ist.

30 Kupolofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhitzungsraum (5) mit einem Mantel (6) versehen ist, um den herum gekühlte Induktionsspulen (7) vorgesehen sind, so daß die Klumpen durch induzierte Ströme erhitzt werden.

4. Kupolofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel um den Überhitzungsraum (5) Graphitelektroden (lo) angeordnet sind, wobei die Klumpen als Elemente eines Widerstandskreises erhitzt werden.

5.-Kupolofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel um den Uberhitzungsraum (5) einstellbare Graphitelektroden (12) angeor,dnet sind, mit deren Hilfe Lichtbögen zwischen den Elektroden und den Klumpen erzeugt werden.

6. Kupolofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhitzungsraum (5.) mit einem elektrisch leitendenMantel versehen ist, um welchen herum gekühlte Induktionsspulen angeordnet sind, so daß der Mantel durch induzierte Ströme erhitzt wird, und die Klumpen durch Abstrahlung vom Mantel erhitzt werden.

7-. Kupolofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nicht leitfähigen Mantel um den Uberhitzungsraum (5) Graphitelektroden vorgesehen sind, die unter halb der Brenner (4) Anschlüsse zu einer eièktrischen Stromquelle und'nahe dem Boden-(8) andere, geerdete bzw. an Masse liegende Anschlüsse aufweisen.

8. Kupolofen nach-Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in lotrechten Bohrungen des Mantels elektrische Widerstands-Stäbe bzw. -Stangen angeordnet sind, welche den Mantel durch Abstrahlung erhitzen, wahrend-die Elumpen von der Mantel-Innenfläche her durch Abstrahlung erhitzt werden.

9. Kupolofen nach Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet, daß -die einstellbaren Graphitelektroden in unterschiedlichen Höhenlagen angeordnet sind.

lo. Verfahren-zur Herstellung einer Metall'schm-elze in einem Kupolofen nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschickung ein zusätzliches Material zur Bildung einer flüssigen, elektrisch leitfähigen Schlacke zugegeben wird.