DE2450196A1

DE2450196A1 - Verfahren zum vakuumfrischen von stahl

Info

Publication number: DE2450196A1
Application number: DE19742450196
Authority: DE
Inventors: Takashi Fukui; Takami Ideda; Kazuo Ishihara; Yoshio Kotani; Shogo Matsunaga; Takeyoshi Sakane; Hiroyuki Takashima
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1973-10-22
Filing date: 1974-10-22
Publication date: 1975-04-30
Also published as: GB1488686A; DE2450196B2; ATA849974A; CA1030354A; AT341558B; SE425256B; DE2450196C3; SE7413219L

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

SUMITOMO METAL INDUSTRIES LIMITED,
15, 5-chome, Kitahama, Higashi-ku,
Osaka City / Japan

Verfahren zum Vakuumfrischen von Stahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumfrischen (Vakuum-Kohlenstoff entziehung) von Stahl durch Abwärtsblasen von Sauerstoff auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahls unter vermindertem Druck. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vakuumfrischen mittels einer Sauerstofflanze, die mit einer Spezialkühleinrichtung ausgerüstet ist.

Das Witten- oder VOD-Verfahren ist ein Stahlraffinierungsverfahren, in dem Sauerstoff auf die Oberfläche von geschmolzenem Stahl in einem geschlossenen, unter vermindertem Druck gehaltenen Behälter geblasen wird, während der geschmolzene Stahl umgerührt bzw. in Bewegung versetzt wird, indem man Argongas durch die geschmolzene Masse bläst, so daß vorzugsweise die Kohlenstoffentziehung bewirkt wird, indem die Oxydation der Legierungsmetalle, wie beispielsweise des Chroms, des Mangans etc.. in dem Bereich niedrigen Kohlenstoffgehalts verhindert wird. Das Witten-Verfahren ist ökonomisch sehr vorteil-

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haft, und zwar nicht nur insofern, als die Oxydation von Chrom, Mangan etc. im Bereich niedrigen Kohlenstoffgehalts im Vergleich mit konventionellen Verfahren herabgesetzt wird, welche beispielsweise einen Konverter oder einen Elektroofen anwenden und Sauerstoff auf den geschmolzenen Stahl unter atmosphärischem Druck blasen, sondern das Witten-Verfahren ist auch insofern vorteilhaft, daß es die Herstellung von rostfreiem Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt ermöglicht, welcher aufgrund des Oxydationsverlustes an Chrom, der von der beträchtlich hohen Raffinationstemperatur herrührte, bisher durch konventionelle Verfahren nur sehr schwierig hergestellt werden konnte.

Jedoch besitzt das Witten-Verfahren die folgenden Nachteile:

(1) Da die Kohlenstoffentziehung in einem geschlossenen Behälter unter vermindertem Druck ausgeführt wird, ist ihre Geschwindigkeit so hoch, daß die Probenahme von geschmolzenem Stahl während des Verlaufs nicht nur schwierig ist, sondern es ist bisher keine Technik für die Schnellanalyse entwickelt worden, welche dem Verlauf der Kohlenstoffentziehung folgen kann.

(2) Um jede Explosion zu vermeiden, die bei einem Betriebsunfall einer Wasserlekage auftreten kann, wird im Witten-Verfahren in einem geschlossenen Behälter unter herabgesetztem Druck anstelle einer wassergekühlten Lanze eine Lanze verwendet, die verbraucht wird, wobei es sich um ein Stahlrohr als solches oder ein mit feuerfestem Mörtel beschichtetes Stahlrohr handelt, infolge des geschlossenen Behälters kann jedoch der Verbrauch der Lanze nicht direkt beobachtet werden, sondern die Lanze wird empirisch vorgeschoben. Dieser Vorschub der Lanze entspricht nicht immer dem tatsächlichen Verbrauch, was zur Folge hat, daß die Kohlenstoffentziehungsrate mit einer Veränderung in der Höhe der Lanze beträchtlich schwankt,

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so daß der endgültige Kohlenstoffgehalt nicht genau aus dem erzielten Vakuum bestimmt werden kann.

(3) Und schließlich ist zwar ein Verfahren vorgeschlagen worden, mit dem der Kohlenstoffgehalt im geschmolzenen Stahl in jedem Augenblick bestimmt werden kann, und .zwar aus der Menge von Kohlenstoff, die aus dem System abgesaugt wird, wozu man kontinuierlich die CO und COp-Gehaltwerte im Absauggas durch Gasanalyse sowie die Strömungsrate des Absauggases bestimmt. Jedoch erfordert ein solches Verfahren eine Kalibrierung aufgrund der Gasdichte, da das Absauggas nicht nur Feuchtigkeit enthält, sondern auch die Zusammensetzung im Verlaufe der KohlenstoffentZiehung schwankt, was zu einem beträchtlichen Kalibrierungsfehler führt, sondern es treten auch einige technische Schwierigkeiten in einem geschlossenen Behälter kommerziellen Ausmaßes unter herabgesetztem Druck auf, und zwar insbesondere hinsichtlich der Messung der Strömungsrate viel stärker als bei der Gasanalyse eines derartigen Absauggases.

Es sind einige Schwierigkeiten beim Vakuumraffinieren mit Sauerstoff lanzenbehandlung aufgetreten, derart, daß der richtige C-Wert während des Raffinierens nicht festgestellt bzw. ermittelt werden kann, wodurch eine richtige Steuerung der Kohlenstoff ent Ziehung schwierig ist. Die Steuerung der Kohlenstoffentziehung, die meistens' allgemein beim tatsächlichen Vorgang ausgeführt worden ist, bestand darin, die Sauerstoffmenge zu berechnen, die für die Oxydation von Kohlenstoff, Silizium u. dgl. erforderlich ist, und zwar aus dem analytischen Ergebnis der Zusammensetzung des geschmolzenen Stahls vor der Sauerstofflanzenbehandlung unter herabgesetztem Druck; wonach die erforderliche Sauerstoffmenge unter Bezugnahme auf die empirisch erzielte Sauerstoffwirksamkeit, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, bestimmt wurde, und wonach schließlich·die Kohlen-

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stoffentZiehung von dem so bestimmten Sauerstoffbedarf gesteuert wurde. Da die SauerstoffWirksamkeit der Kohlenstoffentziehung weitgehend von der Temperatur, dem Siliziumgehalt vor der Sauerstofflanzenbehandlung, der Schlackenmenge, der Strömungsrate des Sauerstoffs, dem Ausmaß des Vakuums, dem Ausmaß des Rührens bzw. der Bewegungsbehandlung durch Argongas u. dgl. abhängt, wurde in einem solchen Verfahren die Kohlenstoffentziehung dadurch ausgeführt, daß man die Temperatur und den Siliziumgehalt empirisch kalibrierte, die Schlacke behandelte, um eine gleichmäßige Schlackendicke zu erzielen, indem man beispielsweise provisorisch welche in der Pfanne entfernte, wobei weiter die Kohlenstoffentziehung auf der Basis des berechneten Betrages an Sauerstofflanzenbehandlung während der schrittweisen Veränderung in der Strömungsrate des Sauerstoffs,dem Grad an Vakuum und dem Rühren mittels Argongas durchgeführt wurde, um die Streuung in der KohlenstoffentZiehungsrate während des Erhitzens zu minimalisieren.

Selbst wenn man davon ausgeht, daß die .oben erwähnten Bedingungen konstant gehalten werden, dann wird, wenn die Sauerstofflanze mit einer höheren Geschwindigkeit verbraucht wird·, als sie in den Ofen eingespeist wird, wie oben erwähnt wurde, und wenn Sauerstoffgas von einer relativ größeren Höhe auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls geblasen wird, dieses Sauerstoffgas abgesaugt, ohne daß es gegen diese Oberfläche auftrifft. · ·

Infolgedessen kann der Fall auftreten, bei dem sich unverbranntes Sauerstoffgas in einer großen Menge beim tatsächlichen Betrieb im Absauggas befindet. In einem solchen Falle erniedrigt sich die SauerstoffWirksamkeit, wodurch eine gewisse Streuung im Verhältnis zwischen dem endgültigen C-Wert und dem Grad des erhaltenen Vakuums aufgrund der Variation von unverbranntem Sauerstoffgas während der Erhitzung hervorgerufen wird, was zu einem unvermeidlichen Fehler bei der Bestimmung des endgül-

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tigen C-Wertes auf der Basis des Vakuumgrades führt. Die Menge an unverbranntem Sauerstoff wird beträchtlich, wenn der C-Wert auf einen Wert von beispielsweise weniger als 0,10 % während der letzten Stufe der Kohlenstoffentziehung herabgesetzt wird, und die Mengen von gebildetem CO und COp werden dementsprechend herabgesetzt, so daß sich eine große Abweichung hinsichtlich des Grades des erzielten "Vakuums ergibt.

Infolgedessen wird als eine Maßnahme hiergegen die Kohlenstoffentziehung solange ausgeführt, daß man einen endgültigen C-Wert erhält, der niedriger als der gewünschte Wert ist, und dann reichert man das Produkt bis auf den gewünschten C-Wert mit Kohlenstoff an. Wenn man eine solche Maßnahme durchführt, dann werden nicht nur teuere Legierungselemente, wie beispielsweise Chrom, Mangan, etc. durch Oxydierung während der Kohlenstoffanreicherung verloren, sondern mit einem solchen Vorgang sind verschiedenste Nachteile verbunden, insbesondere insofern, als das Verfahren den Sauerstoffgehalt im geschmolzenen Stahl unter Herabsetzung von dessen Qualität erhöht, als weiterhin ein Verlust der feuerfesten Materialien aufgrund eines unnötigen Temperaturanstiegs gefördert wird, und schließlich insofern, als die Zeit der Sauerstofflanzenbehandlung verlängert und die Leistungsfähigkeit bzw. der Wirkungsgrad herabgesetzt wird.

Mit der vorliegenden Erfindung soll daher ein Verfahren zur Kohlenstoffentziehung geschaffen werden, mit dem Stahl hoher Qualität erhalten wird, indem man eine Lanze anwendet, die in einer Höhe angeordnet wird, welche genügend groß ist, daß kein Verlust der Lanze aufgrund des Schmelzens eintritt und die Kühlung der Lanze mit Wasser erleichtert wird, um die Nachteile zu überwinden, die bisher in einem Verfahren zum Blasen von Sauerstoff über die Oberfläche von geschmolzenem Stahl unter

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herabgesetztem Druck auftraten.

Weiterhin soll mit der Erfindung ein "Verfahren zum Vakuumfrischen von Stahl in Vakuum geschaffen werden, in welchem die Sauerstofflanze sicher mittels Wasser gekühlt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vakuumfrischen, bei dem Sauerstoffgas nach abwärts auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahls unter herabgesetztem Druck geblasen wird, und zwar von einer Höhe her, die von der Stahloberfläche getrennt bzw. abgesondert liegt, zeichnet sich dadurch aus, daß man eine Lavaldüse anwendet, die eine Divergenz aufweist, welche aus der theoretischen Machzahl berechnet ist, die ihrerseits mittels einer unabhängigen Gleichung bestimmt wird, und zwar als eine Lanze, die einen gewünschten dynamischen Druck auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls ergibt und die ferner eine gewünschte Tiefe von Eindrücken ergibt, welche auf dem geschmolzenen Stahl ausgebildet werden.

In diesem Verfahren wird ein Kühlmedium zum Kühlen der Lanze verwendet, das ein mit Wasser gesprühtes Kühlmedium darstellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, durch die Figuren 1 bis 10 der Zeichnung ergänzter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem Anfangs(C+Si)-Wert und der Kohlenstoffentziehungs- sowie der Siliziumentfernungswirksamkeit veranschaulicht;

Fig. 2 einen Querschnitt einer Lavaldüse, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung finden kann;

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Fig. 3 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der theoretischen Machzahl und dem D_ruck in dem Kohlenstoffentziehungsbehälter veranschaulicht;

Fig. 4 eine Kurvendarstellung,, welche das Verhältnis zwischen der berechneten Machzahl und der Divergenz der Lavaldüse veranschaulicht;

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung

zwischen dem dynamischen Druck im Zentrum des

Sauerstoffstrahls und der Höhe der Lanze veranschaulicht;

Fig. 6 eine schematische Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem dynamischen Druck und dem Zentrum der Sauerstofflanze, die in einer Höhe von 100 mm plaziert ist sowie der berechneten Machzahl der Lavaldüse veranschaulicht;

Fig. 7 eine Kurvendarstellung, aus der die Beziehung zwischen dem erreichten Vakuumgrad und dem endgültigen C-Wert bei der Kohlenstoffentziehung von Stahl veranschaulicht, welcher dem 18Cr-8Ni-Stahl entspricht;

Fig. 8 Kurvendarstellungen, welche die Tendenzen des

CO, CO₂ und O₂-Gehalt während der Lanzenbehandlung veranschaulichen;

Fig. 9 eine Schnittansieht der mit einer Wasserkühlungseinrichtung ausgerüsteten Lavaldüse der Fig. längs der Linie IX-IX in Fig. 10; und

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Fig. 10 eine Schnittansicht einer Lavaldüse.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Sauerstofflanze vorgesehen, die mit wassernebelenthaltendem Gas gekühlt werden kann, das dadurch hergestellt wird, daß man ein Gas, beispielsweise Luft, mit hoher Geschwindigkeit durch den Kühlmittelkanal der Sauerstofflanze bläst und Wasser in geringer Menge in den Strom sprüht.

Um die durch geschmolzenen Stahl und den Kohlenstoffentziehungsbehälter auf eine erhöhte Temperatur erhitzte Sauerstofflanze zu kühlen, und zwar mit Wasser in einem geringen Betrag, der ausreicht, daß keine Explosion in dem Behälter durch Wasser hervorgerufen wird, welches möglicherweise infolge Beschädigung des Kanals für das Kühlmedium während der Lanzenbehandlung austritt, ist zu beachten, daß dieses Wasser nicht wirksam ist, wenn nicht die latente Verdampfungswärme für die Kühlung benutzt wird. Darüber hinaus könnnen sich, sofern Wasser im Kühlmittelkanal verbleibt, Dampfblasen auf den Wärmeübertragungsflächen entwickeln , und zwar aufgrund einer begrenzten züge führten Wassermenge, und diese können die Wärmeübertragung schnell herabsetzen, was zu einem Schmelzen der Lanze führen kann. Da die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Zuführen von mikrofeinverteiltem Wasser in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasstrom anwendet, können Wassertropfen, die in diesem Gasstrom eingeschlossen sind, eine Oberfläche bilden, welche längs der Wand des Kühlmittelkanals strömt, um die Wandoberfläche zu kühlen, und da entstehende Blasen durch den darin befindlichen Gasstrom schnell zum Zerfall gebracht werden, wird die Lanze wirksam durch Wasser gekühlt, ungeachtet der Verwendung desselben in einer extrem geringen Menge.

Darüber hinaus werden gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Drittel bis drei Viertel des in einer solchen Weise zugeführten

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Kühlwassers verdampft, um aus der Lanze abgesaugt zu werden. Selbst wenn die Lanze während der Lanzenbehandlung beschädigt wird, besteht keine Gefahr einer Explosion, die durch Ausspritzen von Wasser.in den Behälter hervorgerufen werden könnte, und zwar aufgrund der Tatsache, daß Wasser nicht in der Lanze verbleibt»

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Gußpfanne mit geschmolzenem Stahl in dem geschlossenen Kohlenstoff ent Ziehungsbehälter angeordnet. Am Boden der Gußpfanne ist ein Blaserohr bzw. eine Düse zum Einblasen von Argongas vorgesehen, das durch poröse Bausteine geblasen wird, die vorher befestigt worden sind, so daß infolgedessen insgesamt der geschmolzene Stahl gerührt wird. Der zur Lanzenbehandlung vorgesehene Sauerstoff wird durch eine Sauerstofflanze eines bloßen Stahlrohres oder eines mit feuerfestem Mörtel beschichteten Stahlrohres geblasen, an dessen vorderem Ende eine Lavaldüse angebracht ist, die so ausgelegt ist, daß sie eine Geschwindigkeit einer berechneten Machzahl von 3 unter Druck von beispielsweise 100 mm Hg ergibt, wie durch Fig. 2 veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten einer eine Lavaldüse aufweisenden Lanze, die bei einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung anwendbar ist. In dieser Figur ist mit 1 ein divergenter Teil bezeichnet, während 2 einen Hals bzw. eine Eintrittsöffnung darstellt. Gemäß der Erfindung wird Sauerstoffgas verwendet, das eine hohe Energie besitzt (wie sie durch den dynamischen Druck oder die Tiefe eines Eindrucks, der in dem geschmolzenen Stahl ausgebildet wird, repräsentiert ist) und ' zwar kommt der Sauerstoff von einer angehobenen. Höhe, die sich getrennt von der Oberfläche des geschmolzenen Stahls unter herabgesetztem Druck befindet. Die Form der Düse sollte optimal

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für den Zweck sein. Im Witt en- Verfahr en, in dem die Kohlenstoff ent Ziehung unter herabgesetztem Druck durchgeführt wird, schwankt der Druck im Behälter während der Reaktion, wie nachstehend veranschaulicht ist: Von der ersten Stufe bis zur mittleren Stufe der Kohlenstoffentziehung wird Sauerstoff allgemein unter hohem Druck eingeblasen, wie beispielsweise mehreren 10 Torr, jedoch wird der Sauerstoff während der'letzten Stufe unter niedrigem Druck, wie beispielsweise 10 oder mehrere Torr eingeblasen.

In dem Witten-Verfahren beginnt die Kohlenstoffentziehung bei einem C-Wert von 0,3 bis 0,5 %. Da die Oxydation von metallischen Komponenten, wie beispielsweise von Chrom u. dgl., in einem Vakuum nicht zu hohen Grades in geringerem Ausmaß innerhalb des Bereichs der C-Werte bis zu ungefähr 0,1 % auftritt, ist es vorteilhaft, nicht so hoch zu evakuieren, um Schwierigkeiten- bzw. Nachteile zu vermeiden, die durch einen hohen Vakuumgrad hervorgerufen werden, wie beispielsweise übermäßiges Kochen, erhöhtes Spritzen u. dgl.

Wenn der C-Wert auf weniger als 0,1 % herabgesetzt ist, dann ist es erforderlich, auf einen höheren Vakuumgrad zu evakuieren, um den Partialdruck von CO noch weiter herabzusetzen, so daß man den C-Wert auf einen gewünschten Wert reduzieren kann, welcher von der Art des Stahls abhängt und ungefähr 0,05 % für einfachen Stahl und weniger als 0,02 % für Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt beträgt. Das ist der Grund, warum der Druck in dem Behälter während der Kohlenstoff entziehung im Witten-Verfahren schwankt.

In einer Lanze, die mit einer Düse versehen ist, welche einen kleineren Durchmesser hat als der Durchmesser der Lanze beträgt, ist es bekannt, daß dann, wenn der Druck in der Lanze

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ungefähr das Zweifache des im Behälter vorhandenen Druckes ist, die Strömungsrate linear proportional zum Druck in der Lanze und zur Schnittfläche der Düseneintrittsöffnung ist. Es ist auch bekannt, daß die theoretisch erhältliche Machzahl am Ausgang der Düse nur durch den Druck in der Lanze und den Druck im Behälter bestimmt ist. Von diesen Tatsachen her ergibt sich die folgende Gleichung:

P₂ = P₀Z(I₊ M§) k/(k - 1) (1)

worin P₀, Pp, JVL und k jeweils die folgende Bedeutung haben:

2
P_n: Druck in der Lanze (kg/m , absolut)

Pp: Druck im Behälter (kg/m , absolut) Mp: Machzahl am Düsenausgang

k : Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck und konstantem Volumen

Diese Beziehung ist auch durch Fig. 3 veranschaulicht.

Andererseits wird die Form der Düse nur durch die Machzahl des Strahls am Düsenausgang bestimmt, wie die folgende Gleichung, zeigt:

A₁ M₀ __ ι + (k _ ι \ ΛΛ²

C ^1)Ml7(k + l)/2(k - 1)

A„ M

l · .1 + (k - 1)

hierin haben A^, A₂, M₁, M₂ und k jeweils die folgende Bedeutung :

A.: Schnittfläche der Eintrittsöffnung A₂: Schnittfläche des Düsenausgangs M₁: Machzahl an der Eintrittsöffnung, M₁ = 1 M₂: Machzahl am Düsenausgang

k : Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck und konstantem Volumen.

Diese Beziehung ist auch in Fig. 4 veranschaulicht.

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Als Ergebnis einer ausgedehnten Untersuchung durch die Erfinder wurde gefunden, daß es wichtig ist, wie drei Variable bestimmt werden, umfassend den Durchmesser der Düseneintrittsöffnung, welcher durch die berechnete Sauerstoffströmungsrate definiert ist, den Druck in der Lanze und die Machzahl, welche durch die Druckwerte in der Lanze und in dem Behälter definiert ist, und weiterhin wurde von den Erfindern festgestellt, daß es wichtig ist, wie man die Schwankungen der Machzahl handhabt, welche sich von dem veränderten Druck im Behälter während des Verlaufs der KohlenstoffentZiehung ergeben. Eine experimentelle 10-t-Wittenanlage wurde in der Weise betrieben, daß man eine sich verbrauchende Lanze benutzte, die einen inneren Durchmesser von 21 mm besaß und Sauerstoff in einer Menge von 180 bis 300 Nm /hr einblies, wobei die Lanze anfänglich in einer Höhe von 300 mm angeordnet wurde. Daraufhin wurde der dynamische Druck des SauerstoffStrahls in einer evakuierten Modelltestanlage gemssen, die so hergestellt worden war, daß der monodimensionelle Maßstab 1/5 der experimentellen Kohlenstoffentziehungsanlage betrug, und daß die Strömungsrate von Sauerstoff zu 1/25 bestimmt wurde. Eine Düse mit einem inneren Durchmesser von 4 mm wurde als Modell einer Rohrlanze verwendet. Sauerstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Nm /hr wurde von dem Lanzenrohr durch eine Eintrittsöffnung mit einem Durchmesser von 4, 3 oder 2 mm und mit einer geraden Machzahl von 1 hindurchgeschickt, sowie durch eine Lavaldüse, die eine berechnete Machzahl von 2 bis 4 hatte, welche so abgestimmt wurde, daß der dynamische Druck verstärkt wurde. Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem zentralen dynamischen Druck des Strahls und einer Höhe der Lanze. Die Fig. 5 zeigt einen Vergleich des zentralen dynamischen Drucks, der in solchen Düsen in einer Lanzenhöhe von 100 mm erzeugt wird.

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Wie Fig. 3 zeigt, wurde gefunden, daß der dynamische Druck im Vergleich mit einer Rohrdüse in der Lavaldüse, in welcher der Eintrittsöffnungsdurchmesser auf 2 mm herabgesetzt und die Machzahl auf 3 bemessen wurde, beträchtlich verbessert wird. Da der zentrale dynamische Druck im wesentlichen exponentiell mit der zunehmenden Höhe der Lanze im Vergleich mit dem Wert des zentralen dynamischen Drucks für eine Düse bei einer Lanzenhöhe von 100 mm als Bezugswert herabgesetzt wird, wächst der dynamische Druck in anderen Düsen progressiv mit erhöhter Machzahl der Düsen, wie in Fig. 6 veranschaulicht ist. Über einer gewissen berechneten Machzahl hat der dynamische Druck die Tendenz, schnell abzusinken. Die Machzahlen, die in Fig. 6 durch schwarze Balken angezeigt sind, sind theoretisch erzielbare Machzahlen am Ausgang, die aus den Druckwerten in der Lanze und im Behälter bestimmt worden sind. Es wurde gefunden,, daß der maximale dynamische Druck mittels Düsen erzielt werden kann, die so ausgelegt sind, daß sie berechnete Machzahlen aufweisen, welche im wesentlichen diesen theoretisch erreichbaren Machzahlen entsprechen.

Wenn die berechnete bzw. ausgewählte Machzahl entweder kleiner oder größer als die theoretische Machzahl ist, dann nimmt der dynamische Druck ab. Es wurde gefunden, daß der Abfall im dynamischen Druck trifft, insbesondere dann, wenn die bestimmte bzw. ausgewählte Machzahl außerordentlich groß ist. Von dem Ergebnis, das bei der Höhe der Lanze erzielt worden ist, wie vorher beim Witten-Verfahren getestet wurde, läßt sich entnehmen, daß die Sauerstofflanzenbehandlung vorzugsweise unter Bedingungen ausgeführt werden kann, bei denen eine Lavaldüse angewandt wird, welche eine Machzahl hat, die nach der oberen Grenze der Druckvariation im Behälter während der Sauerstofflanzenbehandlung ausgelegt ist, sowie unter Bedingungen, bei denen die ausgewählte bzw. bestimmte Machzahl kleiner als die

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theoretische Machzahl am Ausgang während der Periode ist, in welcher der Druck im Behälter niedriger als die vorerwähnte obere Grenze ist.

Da der Durchmesser der Düseneintrittsöffnung aus der gewünschten Strömungsrate des Sauerstoffs und dem Druck in der Lanze bestimmt wird, ist es möglich, den Durchmesser der Düseneintrittsöffnung in einem solchen Ausmaß herabzusetzen, daß er bezüglich des Drucks in der Lanze unter strukturell annehmbaren Bedingungen aus- bzw. angeglichen ist. Wenn der Druck in der Lanze übermäßig hoch ist, kann er bis zu einem gewissen Maß herabgesetzt werden, und der Durchmesser der Düseneintrittsöffnung wird entsprechend erhöht.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der folgenden Beispiele näher veranschaulicht:

Beispiel 1

Rostfreier Stahl, der anfänglich 0,30 bis 0,35 % C, 0,15 % bis 0,20 % Si, 1,6 bis 1,8 % Mn, 18,5 bis 19 % Cr und 8,0 bis 8,3 % Ni enthielt, wurde' einer Sauerstofflanzenbehandlung in einer 10-t-Witten-Kohlenstoffentziehungsanlage unterworfen. Der Druck in der dem Behälter schwankte von 100 bis 10 Torr während der Kohlenstoffentziehung. Die Rohrlanze war ein Stahlrohr, das einen inneren Durchmesser von 21 mm besaß und mit einem Zirkonoxydmörtel darauf beschichtet war. Die Lanze wurde bei Beginn der Lanzenbehandlung des Stahls auf eine Höhe von 300 mm eingestellt und dann allmählich bei Fortsetzung der Lanzenbehandlung des Stahls abgesenkt. Die Strömungsrate des Sauerstoffs betrug 250 Nm /hr während der ersten 20 Minuten und 200 Nm /hr für die letzten 15 Minuten, wenn der Druck im Behälter kleiner als 30 Torr betrug.

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Das Stahlprodukt hatte nach der Kohlenstoffentziehurtg die folgende Zusammensetzung:

C = 0,023 %, Si = 0,09 %', Mn = 1,15 %i Cr = 18,03 %', Ni = 8,22 %.

Beispiel 2

Die Kohlenstoffentziehung wurde in gleicher Weise wie bei dem Vorgang des Beispiels 1· wiederholt, wobei jedoch die Lanze in folgender Weise verändert wurde:

Die angewandte Lanze besaß eine Lavaldüse mit einem Eintrittsöffnungsdurchmesser von 10 mm, einem Austrittsdurchmesser von _ 20,5 mm und einer Divergenz von 60 mm sowie eine ausgewählte Machzahl von 3. Da die Lanze so ausgelegt war, daß der Druck in der Lanze 5,2 kg/cm" bei einer SauerstoffStrömungsrate von 250 Nm /hr betrug und die theoretische Machzahl am Ausgang gerade 100 Torr bei dem Beginn der Kohlenstoffentziehung wurde, was der ausgewählten Machzahl der Düse entsprach, war die letztere Zahl kleiner als die erstere bei einem Druck von weniger als 100 Torr. Wenn die Strömungsrate des Sauerstoffs bei einer beendeten Periode der Lanzenbehandlung des Stahls her-

abgesetzt wurde, war der Druck in der Lanze 5,2 kg/cm und der Druck im Behälter war' weniger als 30 Torr, so daß infolgedessen die Bedingung erfüllt war, wonach die ausgewählte Machzahl niedriger als die theoretische Machzahl am Ausgang ist.

Wtnn die Lanze mit dieser Lavaldüse in einer Höhe von 700 mm angebracht worden war und wenn die Lanzenbehandlung des Stahls ohne Einstellung der Höhe der Lanze während der Kohlenstoffentziehung durchgeführt worden war, dann waren die Anteile des der Kohlenstoffentziehung unterworfenen Stahls wie folgt:

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C = 0,02 %; Si = 0,10 %; Mn = 1,20 %', Cr = 18,15 %; Ni = 8,10 %. infolgedessen war die Zusammensetzung des Gehalts nach der Kohlenstoff entziehung im wesentlichen die gleiche wie diejenige, die man durch ein sich verbrauchendes Lanzenrohr erhalten hatte.

Beispiel 3

Wenn die Sauerstofflanzenbehandlung des Stahls unter den gleichen Bedingungen wie unter den Bedingungen der Beispiele 1 und 2 durch Anwendung einer Rohrlanze ausgeführt wurden, die in einer Höhe von 700 mm angebracht worden war und bei der keine Einstellung während der Lanzenbehandlung erfolgte, dann hatte der Stahl nach der KohlenstoffentZiehung die folgende Zusammensetzung:

.C = 0,14 %) Si = 0,12 %; Mn = 1,33 ⁰M Cr = 18,40 %; Ni * 8,18 %. Wie man ohne weiteres erkennt, wurde die Kohlenstoffentziehung ungenügend ausgeführt, und es wurde ermittelt, daß Sauerstoffin unwirksamer Weise verwendet worden war.

Wenn eine Lavaldüse angewandt wird, dann kann der vertikale Abstand von der Spitze der Lanze zur Oberfläche des geschmolzenen Stahls vergrößert werden, beispielsweise um mehr als zweimal so hoch wie die Höhe einer konventionellen Lanze. Wenn die Lanze konstant in einer solchen Höhe gehalten wird, beispielsweise in einer Höhe von 1400 mm während der Lanzenbehandlung, kann der dynamische Druck oder die Tiefe der·Eindrückung auf dem geschmolzenen Stahl, die durch den Sauerstoffdruck hervorgerufen wird, auf Vierten gehalten werden, die einer konventionellen Lanzenbehandlung des Stahls bei einer anfänglichen Höhe von 600 mm äquivalent sind. Während der Sauerstofflanzenbehandlung wird der geschlossene KohlenstoffentZiehungsbehälter evakuiert, und zwar bis zu einem gewünschten Vakuumgrad, wozu

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Absaugeinrichtungen verwendet werden, die Dampfstrahlpumpen, Kondensoren u. dgl. umfassen. Das Abfallgas von den Absaugeinrichtungen wird durch die Leitung in die Atmosphäre abgegeben. Ein Teil des Abfallgases wird kontinuierlich halbwegs aus der Leitung abgezogen, so daß es kontinuierlich mittels eines paramagnetischen Sauerstoffanalysators bezüglich des Op und durch einen Infrarotgasanalysator bezüglich des CO und COp analysiert werden kann.

Als Ergebnis der Tatsache, daß Sauerstoff von einer Höhe des Zweifachen der Höhe der konventionellen Lanzenbehandlung oder von einer größeren Höhe strömte, wurde festgestellt, daß überhaupt keine Verluste in der Lanze während der Vakuumkohlenstoffentziehung auftraten, und die Lanze erforderte keine Steuerung der Höhe, und eine Schwankung der Kohlenstoffentziehung, die bisher durch die Wirkung von nichtverbranntem Sauerstoffgas auftrat, welches durch das Absaugen der Lanze freigesetzt wurde, wurde ausgeschaltet. Infolgedessen enthält das Abfallgas zu dem Zeitpunkt, in welchem die Menge des Abfallgases bei der Endperiode der Kohlenstoffentziehung herabgesetzt wurde, im wesentlichen nur CO und CO₂- Der Gehalt an (CO + CO₂) wird durch die festgestellte Herabsetzung der Schwankung während der Erhitzung konstant gehalten. Wie in Fig. 7 veranschaulicht ist, entspricht der endgültige C-Wert gut dem erreichten Vakuumgrad, so daß es möglich ist, den endgültigen C-Wert aus dem erreichten Vakuumgrad sehr früh und genau zu bestimmten.

Beispiel 4

18 Cr-8Ni-Edelstahl wurde im Vakuum in einer 50 t Vakuumraffinierungsanlage unter Verwendung einer Sauerstofflanze mit einer

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Lavaldüse dakarborisiert. Der geschmolzene Stahl hatte vor der Sauerstofflanzenbehandlung die folgende Zusammensetzung:

C = 0,38 %; Si = 0,30 %; Mn = 1,20 %; P = 0,029 %; S = 0,007 %; Ni = 9,4 %; Cr = 18,8 %; Rest = Fe.

Die Strömungsrate des Sauerstoffs und des Argons und der Vakuumgrad wurden schrittweise verändert, wie die nachstehende Tabelle zeigt:

Schritt- Menge an ausströ-Nummer mendem Sauerstoff

Tabelle 1

Menge an Sauer- Menge an stoff für die Argon Lanzenbehandlung

Vakuumgrad

0-200 NnT 200-300 Nnr

mehr als 300 Nm³⁵

1 000 Nm⁵/hr
1 000 Nm³/hr
800 Nm³/hr

20 Ni/min. 80 Ni/min. 40 Ni/min

60-100 mm Hg 30-40 mm Hg

weniger als 10 mm Hg

Die Lanzenhöhe wurde während der Sauerstofflanzenbehandlung des Stahls konstant bei 1400 mm gehalten.

Die Sruerstofflanzenbehandlung wurde zu einem Zeitpunkt gestoppt, an dem der Vakuumgrad von 6 mm Hg erreicht worden war, und zwar auf der Basis der Fig. 7 bei einem vorgesehenen endgültigen C-Wert von 0,06 %. Der geschmolzene Stahl hatte bei Beendigung der Kohlenstoffentziehung im wesentlichen die folgende gewünschte Zusammensetzung:

C = 0,064 %; Si = 0,12 %; Mn = 0,88 %; P= 0,029 %; S = 0,007 %; Ni = 9,70 %; Cr = 18,40 %; Rest : Fe.

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Bei dieser Lanzenbehandlung trat in der Spitze der Sauerstofflanze überhaupt kein Verlust auf., und wie in Fig» 8 veranschaulicht ist, wurde der CO-Gasgehalt im Abfallgas auf einem höheren Jfiveau stabilisiert, während der CC^-Gasgehalt an einem relativ niedrigerem Niveau stabilisiert wurde und der CLj-Gasgehalt bei ■einem Miveau stabilisiert wurde,- das. im wesentlichen dicht bei ISuIl lag, und zwar im Verlauf der Kohlenstoff ent Ziehung, Infolgedessen erhärten die Kurven die Tatsache zufriedenstellenden Wirkungsgrades bei der Kohlenstoffentziehung und einer :2iufriedenstelleiid.en Entziehung von Silizium sowie einer stabilisierten Kohlenstoffentziehung, so daß der endgültige C-Wert richtig durch den Vakuumgrad ermittelt bzw. realisiert werden kann, und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kohlenstoff Entziehung extrem korrekt gesteuert werden.

Ein anderes .Ausführungsbeispiel der Lanze wird anhand der Fig. und 10 näher erläutert, wobei die Lanze eine Lavaldüse hat, die mit einer Wasserkühlungseinrichtung ausgerüstet ist. Die Lavallanze 1 weist allgemein ein Dreifachrohr auf, welches ein inneres Rohr besitzt, das einen Kanal für Sauerstoff zum Zwecke der Lanzenbehandlung begrenzt und eine Eintrittsöffnung 2 hat, sowie ein äußeres Rohr 4, das mittels eines Zwischenwandrohres 3 in zwei Teile aufgeteilt ist. Die Spitzen des äußeren und des inneren Rohres sind ringförmig geschlossen, und zwar mit einem kreisförmigen Kupferring o. dgl., so daß die Spitze der Düse 5 begrenzt wird. Das Teilungsrohr 3 besitzt an der Spitze einen freien Raum bzw. ein Spiel, wodurch ein äußerer Kanal 7 und ein innerer Kanal 6 gebildet werden, durch welche das Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Das Kühlmittel tritt durch einen Einlaß 8 in den inneren Kanal 6 ein, strömt längs der Wand des inneren Rohres 2 nach abwärts, fließt weiter von der Düsenspitze 5 zum äußeren Kanal 4, um in diesem längs der inneren Wand des äußeren Rohres 4 aufwärts zu strömen und schließlich aus dem Auslaß 9 auszutreten.

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Andererseits ist ein Rohr 10 vorgesehen, mit dem eine Kühlflüssigkeit eingespeist wird; dieses Rohr ist am oberen Teil des inneren Kanals 6 zum Zuführen von Kühlmittel (Kühlungsluft) angebracht und besitzt eine Düse 11 zum Sprühen von Kühlflüssigkeit stromaufwärts dieses Kanals. Der innere Kanal 6 ist verengt, so daß ein zusammengezogener Teil 12 um die Düse 11 herum begrenzt wird, durch den die Strömungsrate der Kühlluft vergrößert wird, um eine vollständige Versprühung der Flüssigkeit zu erreichen.

Die Wirkungen, die man durch Benutzung des Ausführungsbeispiels der Erfindung erzielt hat, werden nachstehend erläutert:

Wenn eine 10 t-Vakuumraffinierungsanlage mit einer Lanze ausgerüstet wird, die ein äußeres Rohr mit einem Durchmesser von 101,6 mm aufweist und ein inneres Rohr, d.h. ein den Sauerstoff für die Sauerstofflanzenbehandlung führendes Rohr, welches einen Durchmesser von 38,1 mm besitzt und eine Gesamtlänge von 1600 mm und welches mit einer Düse 11 zum Sprühen von Kühlwasser ausgerüstet ist, die einen Durchmesser von 2,5 mm hat, wobei eine Höhe von 700 mm von der Spitze 5 der Düse zur Oberfläche des geschmolzenen Stahls eingestellt ist, so daß ein Teil der Lanze, der im Ofen erhitzt wurde, eine Länge von 500 mm hatte, dann wurde folgender Betrieb vorgenommen:

Die Sauerstofflanzenbehandlung wurde in der Weise ausgeführt, daß Kühlluft vom Einlaß 8 in einer Rate von 150 Nm /hr eingespeist wurde und daß Kühlwasser vom Wasserrohr 10 in einer Rate von 180 1 pro Stunde zugeführt wurde. Die Lanze konnte ohne irgendwelche Schwierigkeiten während einer Lanzenbehandlungszeit von 25 Minuten stehen. Der geschmolzene Stahl hatte eine Temperatur von 1690 bis 1770° C bei beendeter Lanzenbehandlungsdauer. Die Lanze konnte wiederholt während mehrerer Male für die Sauerstoff lanzenbehandlung benutzt v/erden.

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Wegen des Aufbaus und der Funktion der Sauerstofflanze ergeben sich bei der vorliegenden Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile:

(1) Für die Tätigkeiten wie eine progressive Einstellung der Höhe der Lanze während der Sauerstofflanzenbehandlung, wie sie im^lFalle der konventionellen sich verbrauchenden Lanzen erforderlich ist, wird bei der Erfindung keine,Arbeit benötigt, da eine solche Höhenverstellung nicht erforderlich ist.

(2) Der durch Verbrennung auftretende Verlust der Lanze kann verhindert werden, insbesondere treten praktisch keine Verluste durch unverbrannten Sauerstoff auf.

(3) Verlust von teuerem Chrom, Mangan u. dgl. kann minimalisiert werden, und der Sauerstoffgehalt im dekarborisierten Stahl wird erniedrigt, und zwar aufgrund einer Verbesserung im Übereinstimmen des endgültigen C-Wertes, so daß Stahl von ausgezeichneter Qualität unter niedrigem Kostenaufwand erzeugt werden kann.

(4) Die Raffinierungstemperatur muß nicht übermäßig hoch sein, und die Lebensdauer der feuerfesten Stoffe, insbesondere der feuerfesten Auskleidungen kann beträchtlich verlängert werden.

(5) Die Raffinierungsdauer kann herabgesetzt und damit die Leistungsfähigkeit bzw. derWirkungsgrad erhöht werden.

(6) Es entstehen keine Schwierigkeiten, die durch Lekage von Wasser hervorgerufen werden, und die Dpuerhaftigkeit der Anlage einschließlich der Lanze wird verbessert.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Vakuumfrischen von Stahl, wobei Sauerstoff

auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahls unter herabgesetztem Druck geblasen wird, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Lavaldüse, die eine Eintrittsöffnung und einen divergenten Teil hat, als Sauerstofflanze, und durch Einblasen bzw. Einströmenlassen von Sauerstoff zur Lanzenbehandlung mit hoher Geschwindigkeit von einer Höhe, die jenseits bzw. getrennt von der Oberfläche des geschmolzenen Metalls liegt, zur Erzielung eines ge wünschten dynamischen Drucks und einer gewünschten Tiefe der Eindrückung auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls, die durch den Sauerstoffdruck bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet

durch die Anwendung einer Lanze, die eine Lavaldüse aufweist, welche eine Divergenz besitzt, die durch die theoretische Machzahl am Ausgang bestimmt wird, welche ihrerseits durch die obere Grenze der Druckschwankungen im Behälter während der Lanzenbehandlung und den Druck in der Lanze bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet

durch die Anwendung einer Lanze, welche eine Divergenz hat, die aus der folgenden Gleichung berechnet ist:

At Mr₁,— I + (k - I) Mi/2 „,, . „v/,,/, _i\

A, M₁ 1 + (k - 1) M²J 2.

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worin A₁, A₂, M₁, M₂ und k jeweils die folgende Bedeutung haben:

A₁: Schnittfläche der Eintrittsöffnung, A₂: Schnittfläche des Düsenausgangs, M₁: Machzahl der Eintrittsöffnung, M₁ = T, M₂: Machzahl am Düsenausgang, und k : Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck und konstantem Volumen;

wobei die theoretische Machzahl M₂ ihrerseits aus der folgenden Gleichung berechnet ist:

P₂ = P₀/ (1 + ί~-Α M₂) k/(k - 1)

worin M₂ und k die vorstehende Bedeutung haben, während P₀ und Pp die folgende Bedeutung besitzen:

P_n: Druck in der Lanze (kg/m , absolut),

2
P₂: Druck im Behälter (kg/m , absolut).

Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Lavaldüse, die dadurch gekühlt ist, daß man einen Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit strömen läßt, der in sich zerstäubtes flüssiges V/asser enthält, wobei die Strömung des Gasstroms mit dem zerstäubten Wasser durch einen Kanal erfolgt, der von einem inneren Rohr der Lanze mit der Lavaldüse und einem äußeren Rohr begrenzt ist.

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