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"Verfahren zum Vakuumbehandeln von Stahlschmelzen"
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumbehandeln von
Stahlschmelzen, beispielsweise zum Vakuumentkohlen und Entfernen von Einschlüssen
sowie zum Einstellen der Badtemperatur.
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Verfahren zum Vakuumbehandeln von Stahlschmelzen sind in großer Zahl
bekannt; sie zielen sämtlich darauf ab, die Qualität des Stahls zu erhöhen. Dabei
ergeben sich jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten. So erfordern manche Verfahren
die Verwendung von Ferrolegierungen mit niedrigem bis extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt,
da sie nach dem Legieren ein Entkohlen nicht mehr erlauben. Des weiteren erweist
sich ein Ausgleich der Temperaturverluste bei der Vakuumbehandlung als schwierig,
weswegen zumeist überhitzte Stähle eingesetzt werden, was zu einem verstärkten Futterverschleiß
führt.
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Um die vorerwähnten Schwierigkeiten zu beheben, ist es bekannt, die
Schmelzen im Vakuum nach dem Sauerstoffaufblas-Verfahren zu frischen. Dies geschieht
im Falle einer Umlaufentgasung mit Hilfe einer oberhalb des Badspiegels endenden
Sauerstofflanze. Auf diese Weise läßt sich die Schmelze zwar rasch entkohlen; es
ergeben sich jedoch andere
Schwierigkeiten0 So entstehen beim Auftreffen
des Sauerstoffstrahls auf die Badoberfläche Stahlspritzer, und ist die Entkohlungsgeschwindigkeit
angesichts des auf den Brennfleck beschränkten Kontakts der Schmelze mit dem Gasstrahl
verhältnismäßig gering, zumal die auf der Schmelze befindliche Schlacke einen weitergehenden
Kontakt der Schmelze mit dem Sauerstoff verhindert. Schließlich kommt es auch zu
einer Oxydation der Legierungsbestandteile, beispielsweise beim Vakuumfrischen rostfreier
Stähle zu einem Chromverlust von 0,2 bis 0,6%. Die unvermeidliche Oxydation der
Legierungsbestandteile führt schließlich zu unkontrollierbaren Temperaturänderungen.
Außerdem ergibt sich eine äußerst unterschiedliche Sauerstoffausnutzung von 40 bis
70% mit entsprechend unterschiedlichen Endkohlenstoffgehalten.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Schwierigkeiten
zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren zum treffsicheren Vakuumbehandeln von
Stahlschmelzen zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Vakuumverfahren,
bei dem ein nicht oxydierendes, gegebenenfalls mit einem Frischgas vermischtes Gas
unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze eingeblasen wird. Dies geschieht in
einem für eine Umlauf entgasung geeigneten Vakuumgefäß mit Hilfe mindestens einer
unterhalb der Badoberfläche angeordneten Düse.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einem nichtoxydierenden
Rührgas wie Argon und Stickstoff durchführen, das ein oxydierendes Gas wie Sauerstoff,
Kohlendioxyd oder Wasserdampf enthalten kann, Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine graphische Darstellung der Sauerstoffausnutzung
in Abhängigkeit von der Lage der Düsenmündung in bezug auf die Badoberfläche, Fig.
2 eine graphische Darstellung der Änderung des Chromgehaltes in Abhängigkeit von
der Lage der Düsenmündung, Fig. 3 eine zur Hurchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Vorrichtung, Fig. 4 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen
dem Endkohlenstoffgehalt und dem Unterdruck im Vakuumgefäß unter Berücksichtigung
des Volumenverhältnisses Sauerstoff/Argon, Fig. 5 eine graphische Darstellung des
Zusammenhangs zwischen der Dicke der Spritzerschicht im obersten Teil des Vakuumgefäßes
von der spezifischen Abgasmenge, Fig. 6 ein Strömungsbild in schematischer Darstellung
und Fig. 7 ein Vakuumgefäß mit in der Gefäßwandung befindlicher Düse.
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Um den Einfluß der Berührungsfläche Sauerstoff/Schmelze auf die Entkohlungsreaktion
zu untersuchen, wurden Versuche durchgeführt, bei denen die Einblasstelle des Sauerstoffs
immer mehr nach unten verlegt wurde . Die Versuche wurden
mit einer
Doppelrohrdüse und technisch reinem Sauerstoff durchgeführt, deren Mündung von oberhalb
der Badoberfläche bis zum Eintauchen in die Schmelze geändert wurde. Die Versuche
wurden in einer Pfannenentgasungsanlage mit Hilfe einer Pfanne durchgeführt, durch
deren Boden ein Rührgas in die -Schmelze eingeleitet wurde. Die Höhe der Düsenmündung
wurde beim Frischen eines 18% Chrom enthaltenden rostfreien Stahls mit von Argon
umgebenem Sauerstoff von 1 m oberhalb der Badoberfläche bis 1,5 m unterhalb der
Badoberfläche verringert. Die Versuchsergebnisse sind aus den Diagrammen- der Fig.
1 und 2 ersichtlich; sie zeigen, daß die Kohlenstoffabnahme umso größer und die
Chromverschlackung umso geringer ist, je näher sich die Düsenmündung an der Badoberfläche
befindet. Die Sauerstoffausnutzüng wurde dabei wie folgt bestimmt: 02-Verbrauch
zur CO-Bildung x x 100 (%) Sauerstoffmenge Der Druck im Vakuumgefäß betrug bei den
Versuchen 40 bis 60 Torr und die Sauerstoffmenge 1000 Nm3/h;-die Sauerstoffdüse
wurde schließlich horizontal in Richtung des Badumlaufs angeordnet.
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Dem Kurvenverlauf in den Diagrammen der Fig. 1 und 2 ist zu entnehmen,
daß sich die Sauerstoffausnutzung von etwa 40% auf 85% erhöht-und sich die Chromverschlackung
von -0,4% auf O ändert, wenn die Düsenmündung unterhalb der Badoberfläche liegt.-
Die Höhenangaben beziehen sich dabei auf die Lage der Badoberfläche ohne Einblasen
von Sauerstoff.
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Es ist zwar bekannt, im Vakuum mit einer Tauchlanze zu frischen. Dabei
ergeben sich jedoch infolge von Lanzenbeschädigungen insbesondere einer Errosion
und infolge von Ansätzen an der Lanze aufgrund eines durch das Frischgas verursachten
Schäumens
bei einer Temperatur über 16000C instabile Frischbedingungen und insbesondere unterschiedliche
Entkohlungsgeschwindigkeiten.
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Durchragt hingegen beispielsweise eine Doppelrohrdüse die Seitenwandung
des Frischgefäßes, dann entfallen die vorerwähnten Schwierigkeiten ohne eine Gefährdung
des die Düsenmündung umgebenden Mauerwerks.
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Die gewünschte Entkohlungsgeschwindigkeit bei minimaler Verschlackung
der Eisenbegleiter ergibt sich, wenn die Düsenmündung dicht unter der Badoberfläche
angeordnet ist. Bei der Umlaufentgasung befindet sich nämlich stets nur eine Teilmenge
der zu entgasenden Schmelze im Vakuumgefäß und ergibt sich demzufolge dort eine
geringe Badhöhe. Die Verwendung eines Umlaufentgasungsgefäßes ist dabei insofern
von Vorteil, als die Schmelze fortlaufend umgewälzt wird und der Atmosphäre im Vakuumgefäß
stets eine neue Oberfläche darbietet. Außerdem verharrt das Vakuumgefäß in Ruhe,
so daß für den Gasanschluß keine besonderen Maßnahmen erforderlich sind.
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Wird das Gas in Richtung der Badbewegung in das Vakuumgefäß eingeblasen,
dann ergibt sich eine beachtliche Erhöhung der in der Zeiteinheit umgewälzten Metallmenge
und gelangt dementsprechend in der Zeiteinheit auch mehr Metall unter den Einfluß
des Vakuums. Dies erlaubt eine Erhöhung des Sauerstoffangebots in der Zeiteinheit
und führt zu einer Beschleunigung der Frischreaktionen.
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Der Kurvenverlauf in den Diagrammen der Fig. 1 und 2 zeigt, daß sich
die erwähnten Vorteile einstellen, wenn die Düsenmündung etwas unterhalb der Badoberfläche
angeordnet ist.
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Gleichwohl sollte sich die Düsenmündung mindestens 20 cm unterhalb
der Badoberfläche befinden, um ein Freiliegen der Düse bei einer durch eine Änderung
des Vakuums oder durch
fortschreitenden Futterverschl eiß bedingten
Verringerung der Badhöhe und damit eine Beschädigung des der Düsenmündung gegenüberliegenden
Mauerwerks zu vermeiden.
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In einem Umlaufentgasungsgefäß läßt sich die Badtiefe auf mindestens
50 cm einstelin. Die Düse sollte jedoch höchstens 50 cm unter der Badoberfläche
angeordnet sein, um die Gefahr einer Bodenbeschädigung zu vermeiden. Vorzugsweise
ist die Düse 20 bis 40 cm unterhalb der Badoberfläche angeordnet.
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Beim horizontalen Einblasen des Gases ergeben sich eine sehr große
Berührungsfläche Schmelze/Gas und sehr lange Berührungszeiten. Demzufolge ist der
Sauerstoffverbrauch beim Entkohlen verhältnismäßig gering und ergibt sich eine gleichmäßige
und hohe Sauerstoffausnutzung. Wird das Gas schräg nach oben eingeblasen, dann ergeben
sich kürzere Berührungszeiten, eine geringere Ausnutzung des Sauerstoffs und höhere
Metallverluste. Wird das Gas hingegen schräg nach unten eingeblasen, besteht die
Gefahr einer Bodenbeschädigung.
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Erfolgt das Frischen wie beim herkömmlichen Aufblasen bei einem Druck
von höchstens 80 Torr, dann kommt es zu einem starken Spritzen und besteht die Gefahr
eines Zuwachsens der Zugabeöffnung für Legierungszusätze und einer Verringerung
des freien Querschnitts der Vakuumleitung. Dem läßt sich jedoch unter Aufrechterhaltung
eines hohen Sauerstoffangebots und einer hohen Entkohlungsgeschwindigkeit entgegenwirken.
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Bei Versuchen wurden Schmelzen aus 18% Chrom enthaltenden rostfreien
Stählen mit unterschiedlichen Sauerstoff/Argon-Verhältnissen und Unterdrücken in
einer Entgasungsvorrichtung gemäß Fig. 3 unter Verwendung einer unterhalb der Badoberfläche
in der Seitenwandung des Vakuumgefäßes 1 angeordneten Doppelrohrdüsen gefrischt.
Der Ansaugstutzen 4 und der Ablaufstutzen
5 des Vakuumgefäßes
1 tauchte dabei in die in einer Pfanne 3 befindliche Schmelze6 ein. Bei den Versuchen
wurden durch das Innenrohr Sauerstoff oder ein Sauerstoff/Argon-Gemisch und durch
den Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr Argon horizontal in Richtung des Badumlaufs
eingeblasen.
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Das Volumenverhältnis Sauerstoff/Argon wurde auf 30/1 bis 1/1 eingestellt
und der Innendruck des Vakuumgefäßes auf 200 bis 20 Torr. Bei den Versuchen zeigte
sich, daß sich ohne die Gefahr einer Chromverschlackung mit abnehmendem Sauerstoff/Argon-Verhältnis
und mit abnehmendem Druck niedrigere Endkohlenstoffgehalte erreichen lassen.
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Aufgrund der Versuchsergebnisse wurde das Diagramm der Fig. 4 erstellt.
Daraus ergibt sich, daß es im Falle eines 16 bis 17% Chrom enthaltenden rostfreien
Stahls im Bereich links von den einzelnen Sauerstoff/Argon-Kurven nicht zu einer
Chromverschlackung kommt.
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Bei den Versuchen wurde gleichzeitig die Dicke der Metallansätze an
den Anschlüssen im höchsten Teil des Vakuumgefässes, d.h. etwa 5 m oberhalb der
Badoberfläche gemessen. Aufgrund der Messwerte wurde das Diagramm der Fig. 5 erstellt.
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Nach dem Diagramm nimmt die Dicke der Metallschicht mit der auf die
Badoberfläche bezogenen zeitlichen Abgasmenge zu.
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Die Abgasmenge wurde unter anderem unter Berücksichtigung der Blasmenge,
des Drucks, der Sauerstoffausnutzung und der Badtemperatur bestimmt. Das Anhaften
von Metallspritzern läßt sich vermeiden, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
(2 Vo + VAr) ) e 760 1 # 100 (l/min/cm2) 2 @@ @ @ wobei n die Sauerstoffausnutzung,
V0 die zeitliche Sauerstoffmenge in 1/min, VAr die zeitliche Argonmenge in 1/min,
F
die Badoberfläche in cm2, T die Badtemperatur in °C und P der Druck im Vakuumgefäß
sind.
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Vorzugsweise beträgt der Gleichungswert 80 l/min/cm2. Im übrigen zeigt
die Ungleichung, daß es bei verschiedenen Sauerstoff/Argon-Verhältnissen hinsichtlich
der Ansatzbildung entscheidend auf die zeitliche Sauerstoffmenge und den Druck im
Vakuumgefäß ankommt. Im einzelnen läßt sich einer Ansatzbildung bei zunehmendem
Sauerstoffangebot durch eine Druckerhöhung entgegenwirken.
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Beim Frischen üblicher, niedriglegierter oder Silizium enthaltender
Stähle braucht im Gegensatz zu hochlegierten Stählen wie rostfreien Stählen das
Volumenverhältnis Frischgas/ Inertgas nicht berücksichtigt zu werden und genügt
das Einstellen des Sauerstoffangebots. Um das Volumenverhältnis jedoch zu ändern
und auf einen gewünschten Wert einstellen zu können, empfiehlt sich die Verwendung
einer bekannten Doppelrohrdüse. Die Gasmenge beträgt dabei höchstens 1500 Nm3/;h,
vorzugsweise 500 bis 1200 Nm3/h, um ein Auftreffen des Gases auf die der Einblasstelle
gegenüberliegende Gefäßwandung und eine Beschädigung des die Düsenmündung umgebenden
Mauerwerks bei einem größeren Durchmesser und geringer zeitlicher Gasmenge zu vermeiden.
Die Mindestmenge bestimmt sich hingegen nach dem ferrostatischen Druck, der das
Gas bei zu geringer Menge in die Düse zurückdrückt und zu einer Beschädigung des
die Düsenmündung umgebenden Mauerwerks führt.
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Enthält die Schmelze auch Aluminium und Silizium, dann kommt es infolge
deren Oxydation zu einer Erhöhung der Badtemperatur mit einem Wirkungsgrad von etwa
73%.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 verhindert das durch den Ring raum
zugeführte inerte Gas eine Düsenbeschädigung. Die Anordnung der Düse oder auch mehrerer
Düsen bestimmt sich nach der
Badtiefe. Ihre Mündungen sollten unabhängig
von der Zahl der Düsen 50 cm unterhalb der Badoberfläche liegen. Des weiteren ist
die Strömungsrichtung der Schmelze im Vakuumgefäß zu berücksichtigen. Vorzugsweise
strömen sowohl die Schmelze als auch das Gas in dieselbe Richtung, um eine Beschleunigung
des Metallumlaufs und damit eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen. Mehrere
Düsen sollten so angeordnet sein9 daß sich ihre Achsen mit der Achse des Auslaufrohrs
schneiden und jeweils einen Winkel von 5 bis 150 einschließen. Die Düsen können
jedoch auch so angeordnet sein, daß ihre Mündungen einen gegenseitigen Abstand von
20 bis 70 cm aufweisen, Das in die Schmelze eintretende Gas breitet sich mit einem
Raumwinkel von 200 trichterförmig aus. Das ist der Grund für die vorerwähnten Winkel
bzw. Abstände, die ein allzu starkes gegenseitiges Uberschneiden der Strahlen vermeiden.
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Der erwähnte Abstand der Düsenmündungen wurde unter Besücksichtigung
des Winkels zwischen den Düsenlängsachsen und des Gefäßdurchmessers bestimmt. Die
untere Grenze richtet sich nach den Erfordernissen des Düseneinbaus.
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Bei der Vorrichtung nach Fig0 6 besitzt das im oberen Teil dargestellte
Vakuumgefäß eine Seitenwanddüse und das im unteren Teil dargestellte Vakuumgefäß
zwei Seitenwanddüsen.
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Bei der Anordnung der Düsen ist auch der Verlauf der Badoberfläche
zu berücksichtigen0 Die Düsen sind daher horizontal angeordnet, wenngleich gegen
eine Abweichung von + 50 in bezug auf die Horizontale nichts einzuwenden ist. Eine
derartige Abweichung stellt sicher, daß es weder zu einer Bodenbeschädigung noch
zu einem Durchblasen der Schmelze kommt0 Bei Versuchen wurden Chrom-Stahlschmelzen
in einem für die
Behandlung einer 60 t Schmelze geeigneten Vakuumgefäß
mit einem Innendurchmesser von 1,6 m entkohlt. In der Seiten wandung des Vakuumgefäßes
befand sich eine Düse, deren Austrittsöffnung in Richtung der Metallströmung wiesO
Die Düse bestand aus einem Innenrohr für das Frischgas und gegebenenfalls ein nicht
oxydierendes Gas sowie einem konzentrischen Außenrohr für das Einblasen eines nicht
oxydierenden Gases durch den Ringraum zwischen den RohrenO Die Versuchsbedingungen
und -ergebnisse sind in den nachfolgen den Tabellen T und II zusammengestellt. Dabei
beziehen sich die Versuche A auf das erfindungsgemäße Verfahren und die Versuche
B auf ein herkömmliches Vakuumfrischen nach dem Sauerstoffaufblas-Verfahren. Die
Frischbedingungen wurden gemäß Tabelle I schrittweise entsprechend der Abnahme des
Kohlenstoffgehaltes geänderte während beim herkömmlichen Vakuumfrischen die Sauerstoffmenge
600 bis 800 Nm3/h und der Druck 30 bis 60 Torr betrugen Tabelle 1 C Gasmenge O2/Ar
Druck (%) (Nm3/h (Torr) bis 0.15 800 bis 1200 10 bis 30 100 bis 150 0.15 bis 0.05
700 bis 1100 < 5 100 bis 150 0005 bis 0.01 200 bis 400 < 1 50 bis 80
Tabelle
II Ausgangsenalyse Endanalyse Zeit Ausbringen # [%Cr] Abgasmenge C Si Mn Cr C Si
Mn Cr (min) (%) (%) (l/min/cm2) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) 0.50 0.05 0.20 16.30
0.041 0.05 0.15 16.35 25 99.2 0.05 75 A 0.45 0.03 0.22 16.81 0.045 0.04 0.20 16.80
21 99.4 -0.01 70 0.59 0.04 0.18 16.55 0.045 0.05 0.14 16.65 26 99.3 0.10 80 0.40
0.02 0.15 16.10 0.030 0.02 0.08 15.70 40 85.2 -0.30 90 B - - - - - - - - - - - -0.60
0.09 0.25 17.30 0.090 0.07 0.17 16.90 55 85.9 -0.75 120
Die Daten
der Tabelle II belegen deutlich die besonderen Vorteile-des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dieses zeichnet sich durch eine wesentlich geringere Verschlackung der Legierungselemente9
insbesondere das Chroms beim Entkohlen rostfreier Stähle, aus. Darüber hinaus erlaubt
das Verfahren eine beträchtliche Steigerung des Sauerstoffangebots und damit eine
Verkürzung der Frischzeit ohne Ansatzbildung. Außerdem lassen sich der Endkohlenstoffgehalt
und die Endtemperatur der Schmelze treffsicher einstellen.
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Des weiteren lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Stähle
mit Kohlenstoffgehalten unter 100 ppm behandeln und ergeben sich Endgehalte an Wasserstof£J
Stickstoff und Sauerstoff, die mindestens denen des herkömmlichen Vakuumfrischens
nach dem Sauerstoffaufblas-Verfahren entsprechen.
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Schließlich lassen sich etwa 73% der Reaktionswärme bei der Oxydation
des Kohlenstoffs, des Aluminiums und des Siliziums für eine Erhöhung der Badtemperatur
ausnutzen.