DE2546103C2 - Trägerkörper zum Einbringen von Reaktionsmitteln und gegebenenfalls Hilfs- mitteln in Metallschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Trägerkörper zum Einbringen von in einer wärmeisolierenden und gasdurchlässigen Masse eingebetteten Reaktionsmitteln und gegebenenfalls Hilfsmitteln in Metallschmelzen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Trägerkörper zum Einbringen von in einer wärmeisolierenden und so gasdurchlässigen Masse eingebetteten Reaktions- und/ oder Hilfsmitteln zur Raffination und/oder Behandlung von flüssigen Metallen oder Legierungen, z. B. Eisen, Roheisen, Gußeisen, Stahl, Ferrolegierungen sowie Nichteisen-Metalle.

In der Eisen- und Stahlindustrie werden große Anstrengungen unternommen, um die Stahl- und Eisenqualität zu verbessern, indem die im fertigen Stahl vorhandenen nicht-metallischen Einschlüsse auf ein Minimum gesenkt werden sollen. Weiterhin versucht man, die restlichen Einschlüsse in einen nicht verformbaren Zustand zu überführen. Durch diese Maßnahme können die Zähigkeitseigenschaften bzw. die mechanischen Eigenschaften des Stahls in Längs-, Quer- und Dickenrichtung gesteigert werden. Da die nicht-metallisehen Einschlüsse in erster Linie als Oxide, Sulfide oder Oxisulfide im fertigen Stahl vorliegen, lassen sich die erwünschten Qualitätsverbesserungen nur dann erreichen, wenn intensive Desoxidation und Entschwefelung des Eisens oder Stahls erfolgreich durchgeführt werden. Für die Desoxidation des flüssigen Stahls gibt es zahlreiche bekannte Methoden, z, B, die Zugabe von Desoxidationsmitteln wie Al, Mn, Si oder deren Legierungen in der Pfanne, Diese Stoffe haben jedoch den Nachteil, daß sich die unerwünschten nicht-metallischen Einschlüsse im fertigen Stahl bilden. Es gibt auch Nachbehandlungsverfahren, um die Art und Verteilung der Einschlüsse möglichst vorteilhaft zu beeinflussen, die jedoch kostspielig sind.

Für die intensive Entfernung des Schwefels aus dem Eisen oder Stahl gibt es zahlreiche Vorschläge, die entweder einen geringen Wirkungsgrad aufweisen oder betrieblich schwer durchführbar sind. Erfahrungsgemäß bemüht man sich, den Schwefel aus dem Roheisen — wo die Entschwefelungsbedingungen am günstigsten sind — so weit wie möglich zu entfernen. Eine Entschwefelung bei den meisten Frischverfahren oder des flüssigen Stahls nach dem Frischen ist äußerst ungünstig. In den letzten Jahren geht die Tendenz dahin, die günstigen physikalisch chemischen Eigenschaften der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und seltenen Erdmetalle hinsichtlich ihrer hohen Affinität zu Sauerstoff und Schwefel bei der Desoxidation und/oder Entschwefelung des flüssigen Eisens oder Stahls vorteilhaft auszunutzen.

Es ist bekannt daß die Anwendung der Alkali- und Erdalkalimetalle iaf verschiedene Schwierigkeiten stößt Dies beruht unter anderem auf der Tatsache, daß diese Elemente wesentlich leichter als das flüssige Eisen sind, und demzufolge bereitet die Zugabetechnik große Probleme. Sie müssen tief ins Bad bzw. in die Pfanne durch Lanzen oder Bodendüsen in fein verteilter Form in die Schmelze mit einem Trägergas eingeblasen werden. Sie können auch mit Hilfe von Tauchglocken (vgl. DE-OS 23 31 052, DE-GM 66 04 570 und DE-AS 1040 577) in die Schmelze eingeführt werden. Hierfür sind komplizierte Einblas- und Tauchvorrichtungen erforderlich. Da der Schmelz- und Siedepunkt dieser Elemente unterhalb dem des flC-ästgen Stahls liegt verdampfen die eingesetzten Partikelchen in kürzester Zeit und können, bevor sie zur gewünschten Reaktion kommen, aus der Schmelze entweichen. Zusammen mit dem Trägergas entstehen Blasen, die aus einem Gemisch von Trägergas und Metalldampf zusammen gesetzt sind. Durch diese Verdünnung des Metalldampfes nimmt seine Aktivität entsprechend ab. Diese zusätzliche Vergrößerung der Blasen verkürzt die Verweilzeit des Metalldampfes in der Schmelze, wodurch eine zusätzliche Beeinträchtigung des Reaktionswirkungsgrades entsteht.

Um diese Nachteile zu umgehen, hat man vorgeschlagen, statt reinen Stoffen deren chemische Komponenten, z. B. Carbide, in die Schmelze einzublasen. Dies ist jedoch ebenfalls mit der schwierigen Einblastechnik behaftet

In der Gießereitechnik ist es bekannt, daß durch die Zugabe von Erdalkalimetallen, z. B. Magnesium und Calcium, zum flüssigen Gußeisen, die Bildung des gewünschten Kugelgraphits begünstigt wird; das Problem liegt jedoch bei der schwierigen Zugabetechnik. Es sind bereits zahlreiche Eingabemethoden vorgeschlagen und erprobt worden, die ebenfalls mit den gleichen, vorstehend genannten Nachteilen behaftet sind. Es ist auch vorgeschlagen worden, Briketts oder Preßlinge aus einer Mischung von Erdalkalimetallen und schweren Metallen wie Eisen, Nickel und/oder ähnlichen Stoffen in verschiedenen Formen, z. B. Spänen oder deren

Legierungen, herzustellen, die dann zur Einbringung der Erdalkalimetalle eingesetzt werden können. Der Wirkungsgrad dieser Mischtechnik ist nicht zufriedenstellend, «s

Trägerkörper zum Einbringen von in einer wärmeisolierenden und gasdurchlässigen Masse eingebetteten Reaktionsmitteln in Metallschmelzen sind bekannt So beschreibt die US-PS 28 23 989 einen ein Reaktionsmittel, z. B. Natrium und Magnesium, enthaltenden Trägerkörper aus einer wärmeisolierenden und gasdurchlässigen Masse. Es handelt sich dabei um einen feuerfesten Poröskörper, der mit Natrium oder Magnesium getränkt ist Als Material für den Poröskörper kommen feuerfeste Metalloxide, beispielsweise gebrannter Kalk, in Frage, in dessen Poren sich das Reaktionsmittel befindet

Die DE-AS 12 99 670 betrifft einen Mehrschichtkörper, dessen einzelne Schichten sehr unterschiedlich aufgebaut sind. Soweit es sich dabei um Reaktionsmittel enthaltende Schichten handelt bestehen diese aus dem Reaktionsmittel bzw. dessen Verbindungen selbst oder aus einer Reaktionsmittei enthaltenden Bettungsmasse. Diese Reaktionsmittel enthaltende Bettungsmasse besteht jedoch ebenfalls aus einem mit dem Reakticnsmittel imprägnierten porösen Feuerfestmaterial, beispielsweise aus Bauxit Siliciumcarbid, kompakter Kohle, Schamotte, Dolomit oder Sand.

Die DE-AS 10 06 165 betrifft Tauchbriketts, die aus einem Reaktionsmittei und einem von dem Reaktionsmittel nicht reduzierbaren Füllmittel bestehen, wobei das Füllmittel aus totgebranntem Magnesiumoxid, Koks, Ferrosilicium und aus Aluminiumoxid bestehen kann, wobei diese Substanzen praktisch die Bettungsmasse für das Reaktionsmittel darstellen.

Wie ersichtlich, besteht bei den bekannten Trägerkörpern die Bettungsmasse für das Reaktionsmittel stets aus einem feuerfesten Material oder aus einem Material, das wie Kohlenstoff, Koks oder Siliciumcarbid mindestens teilweise in Lösung zu gehen vermag. Es handelt sich dabei insbesondere um Poröskörper, die mit dem Reaktionsmittei getränkt werden, oder um ein körniges Material, das mit dem Reaktionsmittel zusammen verpreßt wird.

Schließlich wird in der DE-PS 25 45 614 ein Formstück zur Behandlung von geschmolzenem Eisen vorgeschlagen, das aus teilchenförmigen! oder pulverförmigem Magnesium mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 10 mm in Mischung mit 1 bis 20Gew.-% eines feuerfesten Materials, 0,1 bis 10 Gew.-°/o eines organischen Fasermaterials und 0,1 bis 10 Gew.-% eines Binders besteht. Die hierin beschriebene Verwendung anorganischer Fasern hat sich jedoch als ungünstig erwiesen. In Kontakt mit geschmolzenen Eisenmetallen neigen derartige anorganischen Fasern zum Schmelzen, und dieses Schmelzen führt zu einer Blockierung oder Verstopfung der Poren in dem Produkt. Eine Blockierung der Poren bedeutet jedoch, daß das Magnesium im Inneren des Produktes nicht leicht in die Eisenschmelze entweichen kann, und da bei den in Frage kommenden Temperaturen der Dampf- ⁶» druck des Magnesiums sehr hoch ist, ergeben sich explosionsähnliche Erscheinungen, die das Produkt abbrechen, so daß Fragmente des Produktes aus dem Verarbeitungsgefäß zusammen mit einem Teil der eisenhaltigen Schmelze herausgeschleudert werden können. Die Anwendung von anorganischen Fasern kann somit dazu führen, daß die gewünschten Effekte nusbleiben und anstelle dessen die Sicherheit am Arbeitsplatz durch eine derartige Explosionsgefahr stark beeinträchtigt wird,

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Trägerkörpers zum Einbringen von in einer wärmeisolierenden und gasdurchlässigen Masse eingebetteten Reaktionsmitteln und gegebenenfalls Hilfsmitteln in Metallschmelzen, bei welchen keine derartige Blockierung der Poren stattfindet und das eingebettete Reaktionsmittel zuverlässig und sicher in die Metallschmelze abgegeben werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Schaffung eines Trägerkörpers der vorstehend angegebenen Art, der dadurch gekennzeichnet ist daß er eine Masse aus skelettbildenden organischen Fasern umfaßt

Als organische Fasern werden vorzugsweise Papier, Papierfasern oder Holzschliff eingesetzt

Als Reaktionsmittel kommen solche. Stoffe in Frage, die eine hohe Affinität für Sauerstoff und/oder Schwefel aufweisen bzw. die die Kugelgraphitbildung fördern, z. B. Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Mr talle der Seltene Erden oder deren Legierungen.

Als Hilfsmittel werden die Oxide, wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid und Kieselsäure, Carbide oder Flußmittel, z. B. Fluoride, die sich direkt oder indirekt an der Desoxidation, Entschwefelung oder Kugelgraphitbildung beteiligen können, bezeichnet Diese Hilfsmittel können einzeln oder in Vermischung verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird eine sichere, wirkungsvolle und wirtschaftliche Methode für die Eingabe der Reaktions- und Hilfsmittel, z. B. zur Desoxidation und/oder Entschwefelung von Eisen- und Stahlschmelzen sowie Kugelgraphitbildung bei Gußeisen erzielt. Erfindungsgemäß werden die Reaktionsmittel mit oder ohne Hilfsmittel nicht nach den herkömmlichen Verfahren in den flüssigen Stahl eingeblasen oder als Legierung, Mischung, Brikett oder Preßling in die Schmelze zugegeben, sondern mit Hilfe des wärmeisolierenden, gasdurchlässigen Trägerkörpers in die Schmelze eingebracht. Beispiele für Trägerkörper sind in de- Zeichnung anhand der F i g. 1 bis 5 gezeigt.

Als Bindemittel können natürliche oder synthetische, organische oder anorganische Bindestoffe, z. B. Harz, Kunstharz oder Wasserglas, eingesetzt werden. Die Hilfsmittel ersetzten hierbei die normalerweise für den Skelettaufbau des Trägerkörpers erforderlichen Füllstoffe (vgl. F i g. 1 und 2). Die Zusammensetzung der gekörnten Hilfsmittel richtet sich nach den Eigenschaften der behandelten Schmelze. Für Stahl z. B. kann zerkleinerter Sinterdolomit, feines CaO, MgO, AI2O3 oder deren Legierungen genommen werden, für Rohoder Gußeisen läßt sich Sand und/oder Calciumcarbid ohne weiteres einsetzen. Die Zugabe von Flußmitteln, z. b. Fluoride oder Borate, kann unter Umständen vorteilhaft sein.

Die reinen, legierten, mit anderen Stoffen gemischten oder in irgendeiner Form vorliegenden Reaktionsmittei, z. B. Ca, Mg, Al. Sr, Na, Ce und La oder deren Legierungen bzw. Gemische, können entweder in die dafür vorgesehenen Hohlräume des Trägerkörpers (Fig. 2a) eingesetzt oder vorzugsweise gekörnt mit der Masse des Trägerkörpers in der Wtise gemischt werden, daß die Körner der Reaktionsmittel dort suspensionsartig vorliegen können (Fig. 1, 3). Falls der Trägerkörper mehr ao sinen Hohlraum enthält, werden die Hohlräume vorzugsweise spiralförmig mit abnehmendem Abstand zur Mittelachse des Körpers angeord-

net (F ig. 2b).

Zur Erhöhung der Wärmeisolierung kann der Trägerkörper zusätzlich allseitig oder radial mit einer wärtneisolierenden, gasdurchlässigen Schicht überzogen werden (Fig. 3). Der Trägerkörper kann auch , schichtweise gebaut werden, wobei reakiionsmittelhaltige und -freie Schichten wechselweise angeordnet sein können (F ig. 4).

Mit Hilfe der Trägerkörper gemäß der Erfindung wird das Erhitzen, Verflüssigen und eventuell das <i\ Verdampfen der Reaktions- und Hilfsmittel unter Kontrolle gebracht. Da die Reaktionsmittel bei diesem Verfahren nicht in vollem Maße und spontan, sondern nach und nach erhitzt werden, strömen deren Dämpfe. Gase oder Schmelzen in einer fein verteilten, dosierten r, Form aus dem Trägerkörper in die zu behandelnde Schmelze hinein. Dadurch erhöhen sich die Berührungszeit und -fläche zwischen den Reaktionsmitteln und der zu behandelnden Schmelze. Der Wirkungsgrad, die Betriebssicherheit und die Wirtschaftlichkeit des Ver· ν fahrens erhöhen sich dementsprechend.

Beim Einsatz der aus Fasern hergestellten Trägerkörper können die fclgenden Vorteile erzielt werden:

1. Da die Wärmeisolierung der Trägerkörper hoch ist. >-, geht die Erhitzung der Körner der Reaktionsmittel langsam und progressiv von außen nach innen vor sich.

2. Wenn die Hitze im Trägerkörper von außen nach innen eindringt, zerfällt er schalenweise und gibt jn die festen oder flüssigen Körner der Hilfsmittel.

z. B. .Sinterdolomit, in die zu behandelnde Metallschmelze frei. Die freigeworclenen Tröpfchen oder Partikelchen schweben in der Metallschmelze aufwärts und sammeln bzw. nehjnen die sonst schwer abscheidbaren sulfidischen'und oxidischen Einschlüsse auf. Die Keimbildung der Oxide oder Sulfide wird dadurch erheblich erleichtert. Auf diese Weise läßt sich ein hoher Reinheitsgrad

erreichen.
3. Der Wärmeverlust der Metallschmelze wird dadurch unwesentlich, weil die Trägerkörper geringe Wärmeaufnahme aufweisen.

Die Trägerkö; er können für Eintauch/wecke hergestellt werden, d. h. daß die für die Reaktionen erforderlichen Reaktions· und Hilfsmittel in einer kompakten Masse eingebettet sind, die in die Schmelze eingetaucht werden können (vgl. F i g. I bis 4).

Wenn die Reaktionszeit noch verlängert werden müßte, können sich die Reaktions- und Hilfsmittel auf einen großen zyiiriuenormigL-ii Tiügct küipci voi ieiicii. der nach Wunsch in die Schmelze hineingelassen wird (vgl. F i g. 5). Der Trägerkörper kann in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hergestellt werden.

Zur Herstellung der Trägerkörper werden die Ausgangsstoffe mit Verdünnungsmittel, z. B. Wasser, gut vermischt, in die gewünschte Form gegossen, entwässert und anschließend in einem Ofen vorzugsweise unio inertem Gas. z. B. Stickstoff, getrocknet. Hierbei soll darauf geachtet werden, daß die Temperatur im Ofen weit unter dem Schmelzpunkt der Reaktionsmittel lijgen soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Trägerkörper zum Einbringen von in einer wärmeisolierenden und gasdurchlässigen Masse eingebetteten Reaktionsmitteln und gegebenenfalls Hilfsmitteln in Metallschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Masse aus skelettbildenden organischen Fasern umfaßt.

2. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Papier, Papierfasern oder Holzschliff als organische Fasern enthaltende Masse umfaßt

3. Trägerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als Reaktionsmittel Alkalimetall, Erdalkalimetall und seltene Erdmetalle einzeln, in Vermischung oder in Form einer Legierung eingebettet enthält

4. Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als Hilfsmittel Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, K.ieseisäure. Fluoride, Carbide und Flußmittel einzeln oder in Vermischung eingebettet enthält

5. Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich Reaktionsmittel und gegebenenfalls Hilfsmittel in einem Hohlraum, der von den skelettbildenden organischen Fasern gebildet ist, befinden.

6. Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß sich Reaktionsmittel und gegebenenfalls Hilfsmittel in einem von den skelettbildenden organischen Fasern umgebenen, spiralförmig mit abnehmenden Abstand zur Körperachse verlaufenden Hohlraum befinden.

7. Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß ex einen isolierenden Überzug aufweist

8. Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einander abwechselnde Schichten mit und ohne Reaktionsmittel und gegebenenfalls Hilfsmittel umfaßt