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Verfahren zum Entziehen von Kohlenstoff aus Eisen
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und eisenhaltigen Legierungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Entziehen von Kohlenstoff aus Eisen, legierten Stählen und eisenhaltigen Legierungen,
insbesondere solchen mit Chrom- und Vanadium-Gehalt. Hierfür wird nachfolgend der
Sammelbegriff eisenhaltige Metalle benutzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eisenhaltigen Metallen, insbesondere
solchen mit Chrom- und Vanadium-Gehalt, deren ursprünglicher Kohlenstoffgehalt in
der Größenordnung von 6 % oder höher liegt, den Kohlenstoff soweit zu entziehen,
daß er unter 0,05 % liegt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch folgende Schritte: a) Vorbereiten
einer überheizten Schmelze des eisenhaltigen Metalles in einem Sauerstoff-Konverter;
b)
Einblasen von Sauerstoff in die Schmelze auf konventionelle Art zum teilweisen Entziehen
des Kohlenstoffes aus dem Metall; c) anschließendes Behandeln des Metalls mit einem
Hochgeschwindigkeits-Hochtemperatur-Wasserdampf-Flammenplasmastrahl; und d) Ermöglichen
des Abscheidens der gebildeten stabilen flüchtigen Kohlenstoffverbindungen aus dem
Metall.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Wasserdampf-Flammenplasmanstrahl
durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an der düsenartigen Mündung einer
Konverterlanze dadurch gebildet werden, daß der Wasserstoff durch ein im wesentlichen
koaxial durch den Sauerstoffkanal der Lanze verlegtes Rohr dei düsenartigen Mündung
zugeführt wird.
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Ferner ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Plasmastrahl entweder
im wesentlichen vollständig aus Wasserdampf, oder einer im wesentlichen aus Sauerstoff
und Wasserdampf bestehenden Mischung, oder au: einer Mischung von Wasserstoff, Stickstoff
und Wasserdampf zu bilden. Dabei enthält jede dieser Mischungen weniger als 1 Volumenprozent
Kohlenstoffoxyd. Vorzugsweise beträgt der Anteil an freiem Wasserstoff in dem Flammenplasmastrahl
zwischen 0 und etwa 60 Volumenprozent, wobei dieser Wert von der Stufe des Kohlenstoffentzuges
und von der Zusammensetzung des im Konverter befindlichen Stahles abhängig ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, einen oberseitig geblasenen Konverter
vom Typ Linz-Donawitz zu benutzen.
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Nachfolgend wird ein praktisches Ausführsbeispiel des
erfindungsgemäßen
Verfahrens näher erläutert. Bei der Durchführung des beschriebenen Ausführungsbeispiels
erfolgt der Kohlenstoffentzug aus einer 30-Tonnen-Charge eines eisenhaltigen Metalles,
bestehend aus 15 Tonnen A.I.S.I.-403-Stainless-Steel-Schrott mit 0,12 % Kohlenstoff,
0,25 % Silizium und 10,5 % Chrom, 4,9 Tonnen hochkohlenstoffhaltigem Eisenchrom
und 58 % Chrom! 6,1 % Kohlenstoff und 3,6 % Silizium, 10,5 Tonnen Weicheisenschrott
mit 0,40 % Kohlenstoff und 0,45 % Silizium und schließlich 0,15 Tonnen 75-prozentigem
Eisensilizium.
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Diese 30-Tonnen-Charge aus eisenhaltigem Metall wurde geschmolzen
in einem Stahlschmelzofen mit einer Kapazität von 35 Tonnen und bis auf etwa 16500C
überheizt, so daß eine Schmelze entstand, welche 18,2 z Chrom, 0,86 % Kohlenstoff
(Möglichkeit zur Kohlenstoffaufnahme von den Graphitelektroden) und 0,88 % Silizium
(Möglichkeit zur Oxidation des Silizium) enthielt.
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Die überheizte Eisenmetallschmelze wurde mittels eines Gießkranes
in einen vorgeheizten, basisch-feuerfest ausgekieideten Sauerstoffkonverter vom
L.D.-Typ überführt, der mit einer Sauerstofflanze ausgerüstet war, die in ihrem
Sauerstoffkanal ein Zentralrohr zur Einleitung von Wasserstoff in den Lanzenkopf
besaß. Der im Querschnitt kreisrunde Sauerstoffkanal in der Lanze war zur Abgabe
von bis zu 85 nm3 Sauerstoff pro Minute, und das zentrale Wasserstoffrohr in dem
im Querschnitt kreisrunden Sauerstoffkanal zur Abgabe von ebenfalls 85 nm3 Wasserstoff
pro Minute ausgelegt. Die Sauerstoffzufuhr erfolgte von einer konventionellen Lufttrennquelle
und von einer Standard-Ilochdruck-Was sere Lektro Lyse-Anlaqe mit Hochdruckspeicher
für Sauerstoff und Wasserstoff, und
die beiden Stoffe wurden über
die notwendigen Steuerventile, Einwegventile und Durchflußmesser der Konverterlanze
zugeführt.
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Nach dem Einbringen in den Konverter wurde die Charge wie im normalen
Konverterbetrieb mit Sauerstoff angeblasen, bis ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4
% erreicht und der Siliziumgehalt unter 0,1 % lag, und sobald notwendig wurde Schlacke
von dem Metall entfernt und das Sauerstoff-Einblasen wieder aufgenommen. Danach
wurde Wasserstoff in das Lanzen-Zentral rohr eingeleitet und an der Düsenmündung
der Lanze im Sauerstoffstrom entzündet, um einen Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenplasmastrahl
zu bilden, der in der Betriebshöhe der Lanzenmündung oberhalb des Metalles eine
Geschwindigkeit hatte, die ausreichend ist, um in die Metallschmelze bis etwa in
die gleiche Tiefe einzudringen, wie der vorausgehende Sauerstoffstrahl. Der Sauerstoff-Wassersoff-Flammenplasmastrahl
wurde durch entsprechende Einstellung der Steuerventile so eingestellt, daß er anfangs
etwa 30 % Sauerstoff-Überschuß über die stöchiometrische Menge hinaus aufwies, wie
sie zur Bildung von Wasserdampf erforderlich ist. Im Verlauf der Blasoperation wurde
der Sauerstoff-Überschuß, falls nötig, erhöht oder vermindert.
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Dieser Blasvorgang wurde solange fortgesetzt, bis der Kohlenstoffanteil
der Charge auf den gewünschten Wert abgesenkt war. Man kann davon ausgehen, daß
der den Anfang bildende Sauerstoff-Blasvorgang bei dieser Charge aus eisenhaltigem
Metall etwa 9 bis 10 Minuten, und das Einblasen des Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenplasmastrahls
voraussichtlIch weniger als 15 Minuten dauert.
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Das schließlich entstehende Metall enthält voraussichtlich
17,4
% Chrom und weniger als 100 ppm Kohlenstoff.
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Das in basischen feuerfesten Auskleidungen hergestellte Metall wird
normalerweise mehr als 6 ppm Wasserstoff enthalten, so daß eine Entgasung unter
Vakuum mit konventionellen Mitteln oder durch Reinigen mit Argon notwendig wird;
zu diesem Zweck wird beispielsweise etwa 1 nm3 Argon pro Tonne des fertigen Metalles
vor dem Abstich verbraucht.
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Als zweites praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung sei der
Fall angenommen, daß bei im wesentlichen gleichem Verfahrensablauf wie beim ersten
praktischen Ausführungsbeispiel und bei gleichen Quantitäten der Konverter mit einer
beliebigen sauren feuerfesten Standard-Auskleidung wie beispielsweise Kalkdinas
(Ganister), Schamotte o. dgl.
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ausgekleidet ist, so daß der Prozeß mit einer sauren Schlacke betrieben
wird. Unter diesen Bedinungen braucht das entstehende Metall, wie im ersten Ausführungsbeispiel
spezifiziert, nicht einer Vakuum-Entgasung und/oder einer Reinigung mit Argon unterzogen
zu werden, sondern kann direkt zu Brammen vergossen oder in anderer Weise weiterverarbeitet
werden. Auf diese Weise werden Prozeßschwierigkeiten wie Schäumen der Schlacke und
Konverterauswurf weitgehend vermieden.
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Das dritte praktische Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
bezieht sich auf die Herstellung von perlitfreiem Vanadiumstahl mit sehr niedriger
Obergangstemperatur und-hohem Widerstand gegen Dehnungsalterung (strain-aging) zur
Verwendung für Bauteile wie beispielsweise Langstrecken-Pipelines und Karosseriebleche.
Dieses dritte Ausführungsbeispiel läuft folgendermaßen ab:
Verfahrenszweck
ist der Entzug von Kohlenstoff aus einer 100-Tonnen-Charge von Eisenmetall, welches
aus 22 Tonnen Vanadium-Roheisen mit 4,2 % Kohlenstoff, 0,6 % Silizium, 0,3 % Phosphor
und -l,4 % Vanadium enthält, ferner aus 77 Tonnen geblasenem Metall mit 0,4 % Kohlenstoff-Äquivalent
und 0,4 % Phosphor und schließlich aus 0,75 Tonnen 75-prozentigem Eisensilizium
zusammengesetzt ist.
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Diese 100-Tonnen-Charge des Eisenmetalles wird in einem Lichtbogen-Stahlschmelzofen
mit 100 Tonnen Kapazität geschmolzen und bis auf etwa 16500C überheizt, so daß eine
Schmelze entsteht, die 0,3 % Vanadium und ein Kohlenstoff-Äquivalent von etwa 2
% entsteht, wobei die Möglichkeit der Kohlenstoffaufnahme und der partiellen Oxidation
von Silizium während des Schmelzens und Überheizens besteht.
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Das geschmolzene und beheizte Eisenmetall wird mittels einer Gießpfanne
in einen zuvor beheizten sauer ausgekleideten Sauerstoff-Konverter vom L.D.-Typ
überführt, der mit einer Sauerstofflanze ausgestattet ist, deren Sauerstoffkanal
ein Zentralrohr zur Einleitung von Wasserstoff in den Lanzenkopf aufweist. Der ringförmige
Querschnitt des Sauerstoffkanals in der Lanze ist so bemessen, daß bis zu 140 nm3
Sauerstoff pro Minute durchströmen können und das zentrale Wasserstoffrohr in dem
Sauerstoffkanal ist ebenfalls so bemessen, daß bis zu 140 nm3 Wasserstoff pro Minute
hindurchströmen können. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt von einer konventionellen Luftseparatorquelle
und von einer Standard-Hochdruckwasserelektrolyse-Anlage mit Hochdruckspeicher für
Sauerstoff und für Wasserstoff; beide Stoffe werden der Konverterlanze über geeignete
Steuerventile
zugeführt, die bei dem Konverterprozeß sachgemäß bedient werden.
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Nach Einbringen der Charge in den Konverter wird diese wie beim normalen
Konverterbetrieb mit Sauerstoff angeblasen, bis der Kohlenstoffgehalt auf etwa 0,4
% und der Siliziumgehalt bis unter 0,1 % abgesenkt ist, und sobald erforderlich
wird die Schlacke von dem Metall entfernt. Danach wird Wasserstoff durch das Lanzen-Zentralrohr
geleitet und an der Düsenmündung der Lanze in dem Sauerstoffstrom gezündet, um den
Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenplasmastrahl zu bilden, dessen Höhe über die Metallschmelze
und dessen Geschwindigkeit so bemessen sind, daß er bis in etwa die gleiche Tiefe
wie der vorausgehende Sauerstoffstrahl in die Metallschmelze eindrinat. Durch entsprechendes
Einstellen der Steuerventile wird der Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenplasmastrahl
so justiert, daß er anfangs etwa 30 % Sauerstoff-Überschuß über die zur Bildung
von Wasserdampf notwendige stöchiometrische Menge hinaus besitz. Das Blasen dauert
an, bis der Kohlenstoffgehalt der Charge den gewünschten niedrigen Wert aufweist.
Voraussichtlich dauert das anfängliche Sauerstoffblasen etwa 10 Minuten für diese
Eisenmetallcharge, während das Blasen mit dem Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenplasmastrahl
voraussichtlich weniger als 15 Minuten dauert.
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Das entstehende Metall besitzt erwartungsgemäß weniger als 0,01 %
Kohlenstoff, 0,28 % Vanadium und weniger als 3 ppm (Millionstel) Wasserstoff. Erwartungsgemäß
besitzt das Metall eine Übergangstemeperatur in der Größenordnung von -800C, und
es läßt sich normalerweise ohne Vakuumentgasung und/oder Argon-Reinigung für den
Wasserstoffentzug
vergießen.
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Der für dieses Verfahren notwendige Wasserstoff kann von jeder beliebigen
Quelle bezogen werden, jedoch unter normalen Umständen bezieht man Wasserstoff am
besten aus einer gut entwickelten und zuverlässigen Standard-Elektrolyse-Anlage,
die Wasserstoff als wichtiges Nebenprodukt von deuterium-angereichertem Wasser abgibt.
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Dem Fachmann bleibt es natürlich freigestellt, Einfach-oder Mehrfach-Lanzenöffnungen
vom konvergierend-divergierenden Typ zu wählen. Ferner werden der bzw. die Zuführkanäle
zur Mündung vorzugsweise wassergekühlt und aus Kupfer hergestellt, und der durch
diese Kanäle strömende Sauerstoff-Wasserstoff-Gasstrom wird eine ausreichende Geschwindigkeit
aufweisen, damit unter normalen Betriebsbedingungen keine unerwünschte Zündung in
den Lanzenkanälen erfolgen kann.
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Außerdem wird der Fachmann wissen, daß in den zuvor beschriebenen
Wasserdampf-Flammenplasmastrahl Stickstoff entweder allein oder als Bestandteil
der Luft zugeführt werden kann, und zwar in gewünschten Mengen, falls dieser Stof
als legierendes Element erforderlich ist, wie beispielsweise in bestimmten kohlenstoffarmen
Chromstählen und in bestimmten kohlenstoffarmen austenitischen Manganstählen.
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Falls erwünscht, kann man auch den Wasserstoff durch den Lanzenkanal
und den Sauerstoff durch das Zentralrohr hindurchleiten.