DE2338100C3 - Gaseinführung in Metallschmelzen mittels Durchgangskanäle aufweisender feuerfester Steine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Einführung von Gasen in Metallschmelzen mittels feuerfesten Steinen, die mit durchgehenden runden Hohlkanälen versehen sind.

Es ist bekannt, zum Zwecke der Beseitigung schädlicher Gase und Beimengungen reduzierende oder inerte Gase, z. B. Argon durch poröse Steine vom Boden oder der Wand des Gefäßes aus durch die Schmelze zu leiten. Diese porösen Steine, die neben der notwendigen Widerstandsfähigkeit gegen den von der Schmelze ausgeübten Druck und die Verschlackung eine bestimmte Gasdurchlässigkeit haben, werden unter Zuhilfenahme gewisser Gesetzmäßigkeiten in der Abstufung der verwendeten Körnungen des Rohmaterials hergestellt

Strömungstechnisch führt das dazu, daß die Durchsatzmenge, die den porösen Stein passiert, durch entsprechende Wahl des durchlässigen Anteils an den Gesamtporen reguliert v. erden kann, ohne daß sich jedoch hiermit entscheidender Einfluß auf die Verteilung des ausgetretenen Gases über die Gesamtfläche des Steins nehmen läßt, die dem Stahlbad zugewendet ist; die entstehenden Gasblasen können durch Berührung untereinander unkontrollierbar größere Blasen bilden.

Bei den reduzierenden und inerten Gasen, die bislang der Stahlschmelze zugeführt wurden, spielt die Temperatur innerhalb des porösen Steins und ihr Übergang auf das Gas während des Durchströmens keine Rolle, weil sie keine thermische Zersetzung beim Durchströmen des Steines erfahren. Ungleichmäßigkeiten im Porenquerschnitt und ungleichmäßige Durchdringung, gepaart mit einer unkontrollierten Wärmeaufnahme durch das Gas, sind unwesentlich.

Anders verhält es sich aber beim Eindringen von unter Abscheidung einer festen oder zähflüssigen Phase thermisch zersetzbaren Gasen nach dem geschilderten Einbringverfahren, wo es darauf ankommt, daß das Gas den porösen Stein unzersetzt passiert.

Eines der zersetzbaren Gase, dessen Anwendung in der Stahlindustrie nach der Offenlegungsschrift 20 40 504 vorgeschlagen wird, ist Eisencarbonyl, das, um wirksam zu bleiben, unzersetzt in das Stahlbad eintreten muß. Eisencarbonyl ist bei Zimmertemperatur gasförmig und zersetzt sich unter Normaldruck bei 150⁰C. Die endotherme Reaktion verläuft nach folgender Gleichung

1 Mol Fe (CO)₅- 5 Mol CO + tMol Fe (fest) + 46,5 kcal.

Zur Vermeidung einer solchen Reaktion muß die

Steintemperatur möglichst niedrig gehalten werden,

ίο damit das Gas beim Passieren des Steins sich nicht unter Abscheidung von metallischem Eisen zersetzt und

dadurch die Porenkanäle verstopft.

Die bisher verwendeten Steine haben viele Widergänge im Porensystem. Sie haben eine verhältnismäßige große Porenoberfläche und sich stets verändernde Porenquerschnitte. Das führt zur Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit, die ihrerseits eine lange Verweilzeit des Gases im Stein zur Folge hat. Dadurch erhöht sich die Gastemperatur innerhalb des Steines, und es kommt zu der besagten thermischen Zersetzung des Gases und zur Verstopfung der Steinporen. Beides wird begünstigt durch die bevorzugte Haftung von aus der Zersetzung stammenden Keimen an der rauhen inneren Oberfläche der Poren.

Infolge der langen Verweilzeit strömt auch weniger frisches kühles Gas durch den Stein, dessen Temperatur demzufolge ansteigt, was die endgültige Verstopfung herbeiführt und den Stein unbrauchbar macht.

In der DT-OS 16 46 424 sind zwar poröse Steine beschrieben, die allseitig durchgehende Hohlkanäle mit Durchmessern zwischen 0,001 und 0,1 mm aufweisen. Solche Steine eignen sich jedoch nicht zur Einführung thermisch zersetzbarer Gase, weil mit einer Verkleinerung des Durchmessers unter 0,1 mm die Verstopfungsgefahr unendlich wächst.

Zum Stand der Technik wird noch der gattungsmäßig abseits liegende Konverterboden nach der DT-PS 4 35 597 angeführt, bei dem der Durchmesser der Kanäle im Konverterboden einem Verhältnis Kanalmantelfläche zu Kanalvolumen entspricht, das in etwa auf den Anmeldungsgegenstand zutrifft. Doch kann nicht davon ausgegangen werden, daß der Fachmann beim Betrachten der Zeichnung der besagten Patentschrift Anregungen erhält, wie man das Verstopfen von gasdurchlässigen Steinen beim Einführen von thermisch zersetzbaren Gasen verhindern kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Gaseinführung aus Durchgangskanäle aufweisenden Steinen zu schaffen, durch die thermisch zersetzbare Gase mit einer der Praxis gerecht werdenden Betriebssicherheit bei weitgehend beseitigter Verstopfungsgefahr in Metallschmelzen eingeführt werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung im wesentlichen gelöst durch die Anwendung von gasdurchlässigen Steinen mit runden durchgehenden und glatten Flächen aufweisenden Hohlkanälen, deren Durchmesser einem Verhältnis KanalmanteSfläche zu Kanalvolumen kleiner 20 mm-¹ entspricht, speziell zum Einführen von thermisch zersetzbarer Gase in Metallschmelzen. Durch eine derartige Ausbildung der Hohlkanäle ist sichergestellt, daß thermisch zersetzbare Gase beim Passieren des gasdurchlässigen Steines stets auf einem Temperaturniveau liegen, das unterhalb der Zersetzungstemperaiur des Gases liegt unabhängig davon, welche Betriebsbedingungen herrschen. Die glatte Fläche der Hohlkanäle vermindert die Gefahr der Zersetzung der Gase und Abscheidung von Zerset-

zungsprodukten an den Kanalwänden. Zudem ist der Druckabfall bei glatter Kanalfläche geringer als bei rauhen Rächen. Der metallurgische Prozeß wird von Fall zu Fall mit verschiedenen Mengen an thermisch zersetzbaren Gasen durchgeführt werden, deren Einbringen in der Zeiteinheit eine Funktion des Kanaldurchmessers der Zahl der Kanäle und des Gasdruckes ist, der größer sein muß als der durch die Metallschmelze hervorgerufene ferrostatische Druck, der auf dem porösen Stein lastet.

Je nach Höhe des ferrostatischen Druckes errechnet sich der Querschnitt und die Zahl der Hohlkanäle aus dem Verhältnis Druck zu Gasvolumen. Der ermittelte Querschnitt entspricht dann der Gesamtzahl der Hohlkanalquerschnitte mit Einzeldiirchmessern, die sich im Rahmen des vorgeschriebenen Verhältnisses Kanalmantelfläche zu Kanalvolumen bewegen.

Angenommen, daß sich auf Grund des ferrostatischen Druckes der Schmelze in einem metallurgischen Gefäß und eines gewünschten pro Zeiteinheit einzuführenden Gasvolumens von 1 mm für die Hohlkanäle errechnet, so ist dieser Durchmesser nur zulässig wenn er die Vorschrift Verhältnis Kanalmantelfläche zu Kanalvolumen kleiner als 20 mm-' erfüllt. Dazu dient folgende Rechnung:

Kanalmantelfläche = 3,14 · d ■ h - mm²

Kanalvolumen =

3,14

d¹ ■ h = mm³

Kanalmantelfläche 3,14 · d ■ h

Kanalvolumen 3,14

d²h

= —r mm
a

Vorschrift

d errechnet = 1

mm ^l < 20 mm"

Stichprobe: — = 4 = < 20 mm ' Die obere Grenze des Durchmessers wird durch die Forderung festgelegt, daß die Kapillarkräfte der Hohlkanäle in jedem Fall so groß sein müssen, daß die Schmelze auch bei gestopptem Gasfluß nicht in die Gaskanäle eindringt.

Ein weiterer Vorschlag der Erfindung besteht darin, daß die Durchmesser der einzelnen Hohlkanäle eines Steines verschieden sind. Dadurch lassen sich gezielte Durchströmungseffekte erreichen, beispielsweise so, daß am Steinrand eine kleinere Strömung vorhanden ist als in der Steinmitte.

Zur Einführung von Eisencarbonyl in Stahlschmelze wird bevorzugt ein Stein mit Hohlkanälen verwendet, deten Durchmesser etwa bei 0,6 mm liegt, wobei etwa 2 Kanäle pro cm² vorgesehen sind.

Der feuerfeste Stein wird zweckmäßig aus einer keramischen, thixotrop in einer Formvorrichtung einrüitelbaren Gießmasse folgender Zusammensetzung gefertigt:

Sintertonerde
Sintertonerde
Sintertonerde
Sintertonerde

Kalzinierte Tonerde
KaIz, Aluminatzement
Anmachwasser

16,5Gew.-% 1,2 bis 2,4 mm 16,5 Gew.-% 0,6 bis 1,2 mm 21,5Gew.-% 0,3 bis 0,6 mm 15,0Gew.-% kleiner 0,3 mm

15,5 Gew.-% feinst 15,0Gew.-% feinst 10,5Gew.-%

Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines Steines mit durchgehenden Hohkanälen besteht darin, daß man in sich steife als durch Wärme entfernbare Kunststoffkerne für die Hohlkanäle dienende Drähte in Bohrungen von Scheiben steckt, die Scheiben auf Steindurchgangslänge auseinander bringt und mit einer die keramische Masse aufnehmende Form umgibt, die nach Abbinden der Masse zusammen mit den Scheiben vom Stein gelöst wird, der abschließend eine Erwärmung zum Entfernen der Drähte erfährt.

Die zweckmäßig halbgeteilte Form und die Scheiben, in denen die Drahtenden lagern, können aus Kunststoff gefertigt sein.

Claims (3)

23 38 iOO c_ Patentansprüche:

1. Anwendung von gasdurchlässigen Steinen mit runden durchgehenden und glatte Flächen aufweisenden Hoolkanllen, deren Durchmesser einem Verhältnis Kanalmantelfläche zu Kanalvolumen kleiner 20 mm-¹ entspricht zum Einführen thermisch zersetzbarer Gase in Metallschmelzea

2. Stein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser seiner Hohlkanäle unterschiedlich sind.

3. Verfahren zum Herstellen von gasdurchlässigen Steinen mit durchgehenden Hohlkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß in sich steife als durch Wärme entfernbare Kunststoffkerne für die Hohlkanäle dienende Drähte in Bohrungen von Scheiben gesteckt, die auf Steindurchgangslänge auseinandergebracht, von einer die keramische Masse aufneh menden Form umgeben werden, welche nach Abbinden der Masse zusammen mit den Scheiben vom Stein gelöst wird, der dann eine abschließende Erwärmung zum Entfernen der Drähte erfährt