DE2819274C2

DE2819274C2 - Verfahren zum Schmelzen von Gußeisenspänen

Info

Publication number: DE2819274C2
Application number: DE2819274A
Authority: DE
Inventors: Dewein H. City of Warren Ohio Naffziger
Original assignee: Advance Achievement Systems, Inc., Warren, Ohio
Current assignee: Advance Achievement Systems Inc
Priority date: 1977-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1987-01-15
Also published as: CA1116407A; JPS53140207A; FR2389676A1; GB1597327A; DE2819274A1; US4162156A; JPS6018725B2; FR2389676B1; BR7802729A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen von Eisenoxid enthaltenden Gußeisenspänen od. dgl. Abfällen, bei dem die Späne fortlaufend durch eine mittige obere Öffnung in eine in einem kernlosen Induktionsofen befindliche Gußeisenschmelze gefördert werden. Dabei werden nachstehend unter dem allein verwendeten Begriff "Späne" sowohl Bohrspäne als auch Drehspäne und sonstige bei der spanabhebenden Gußeisenbearbeitung anfallende Späne und Metallabfälle verstanden.
Bei den verschiedenen spanabhebenden Bearbeitungen von Eisengußstücken fallen täglich beträchtliche Mengen von Spänen an. Sofern diese, in der Regel mit mehr oder weniger Schneidöl benetzten Späne zum Schmelzen unmittelbar einem kernlosen Induktionsofen zugeführt werden, wie er beispielsweise in der US-PS 34 63 864 beschrieben ist, führt das im Ofen verdampfende und verbrennende Schneidöl zu einer beträchtlichen Luftverschmutzung. Wenn ölhaltige Späne in die Metallschmelze des Ofens untertauchen, verdampfen die Flüssigkeiten und expandieren unter entsprechender Verdrängung geschmolzenen Metalls zu einem gegenüber dem flüssigen Zustand vielfachen Volumen.
Wenn die Späne zur Vermeidung des vorgenannten Mangels zuvor getrocknet werden, dann bildet sich bei ihrer Einführung in die Schmelze eine sie mehr oder weniger einschließende Schlacke, die ein vollständiges Schmelzen verhindert und durch die damit verbundene Oxidation einen Verlust an wertvollem Metall darstellt und zugleich einen größeren Verbrauch an feuerfester Ofenauskleidung mit sich bringt, so daß insgesamt der Einsatz kernloser Induktionsöfen zum Schmelzen von Spänen beträchtlich zurückgegangen ist. Es gibt deshalb heute praktisch kein bekanntes Verfahren zum vollständigen hundertprozentigen fortlaufenden Schmelzen gußeiserner Späne in einem kernlosen Induktionsofen.
Auch von den anderen bekannten Schmelzanlagen, insbesondere (1) den Lichtbogenöfen, (2) den Kupolöfen oder (3) den Flammöfen ermöglicht keiner ein wirkungsvolles Schmelzen gußeiserner Späne. Heute ist es vielmehr üblich, den größten Teil solcher Späne (1) in Kupolöfen "heiß- oder kaltbrikettiert" zu schmelzen oder (2) in Hochöfen Eisenerzen zur Herstellung von Roheisen als Zuschlagstoff hinzuzufügen. Kaltbrikettierte Späne brechen in Kupolöfen während des Absinkens jedoch auseinander, wobei erhebliche Verluste an eisenhaltigem Staub durch Oxidation und/oder durch Mitreißen mit den abziehenden Verbrennungsgasen entstehen. Heißbrikettierte Späne, die in Kupolöfen in begrenztem Umfange verwendet werden können, bringen eine erhebliche Verteuerung des Verfahrens mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu vervollkommnen, daß die Späne aus Gußeisen in einem kernlosen Induktionsofen ohne die vorgenannten Mängel fortlaufend vollständig und zugleich in einfach durchführbarer Weise vorteilhaft wirtschaftlich geschmolzen werden können.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Flüssigkeitsspiegel der Gußeisenschmelze im kernlosen Induktionsofen auf 50 bis 105% der Induktionsspulenhöhe gehalten und die Späne in einer solchen Menge in der Zeiteinheit zugeführt werden, daß eine im wesentlichen konstante Temperatur der Gußeisenschmelze von mindestens 56°C über der Umkehrtemperatur von SiO&sub2;/CO eingehalten wird.
Durch eine solche Regelung der Pegelhöhe der Gußeisenschmelze im kernlosen Induktionsofen ergibt sich eine vorteilhafte induktive Rührwirkung, durch die die auf die Schmelze fallenden Späne sogleich unter die Oberfläche der Schmelze gezogen werden und keine Schlacken entstehen können.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt
Fig. 1 einen zum Durchführen des Verfahrens dienenden kernlosen Induktionsofen in einem schematisch gehaltenen und zugleich die Betriebsweise zum Schmelzen von Gußeisenspänen veranschaulichenden Längsschnitt;
Fig. 2 eine gleiche Schnittdarstellung des Induktionsofens, in der dessen quadrantische Rühreinwirkung auf die Metallschmelze und dessen Einwirkung auf die Pegelbildung der Schmelzenoberfläche ersichtlich ist;
Fig. 3 eine weitere Schnittdarstellung des Induktionsofens, aus der für eine bestimmte Leistung eine in Abhängigkeit von der Ofenfüllung unterschiedliche meniskusartige Pegelbildung der Schmelzenoberfläche ersichtlich ist;
Fig. 4 ein Diagramm, welches Gleichgewichtszustände für verschiedene in der Schmelze vorkommende chemische Reaktionen als Funktion der Schmelzentemperatur und der Konzentration in der Schmelze gelösten Sauerstoffs veranschaulicht.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage 10 zum Schmelzen von Spänen 11 a aus Gußeisen umfaßt außer einem kernlosen Induktionsofen 14 eine lediglich schematisch angedeutete, zum Beschicken des Induktionsofens 14 mit den Spänen 11 a dienende Fördereinrichtung 15, die beispielsweise als Schwingförderer, Schüttelrutsche, Förderschnecke oder Förderband ausgebildet sein kann. Sofern die zu schmelzenden Späne beispielsweise von einer wäßrigen Bohrflüssigkeit her feucht und/oder mit Öl od. dgl. Kohlenwasserstoffen benetzt sein sollten, kann der Fördereinrichtung 15 ein (nicht dargestellter) Trockner zum Verdampfen und Entfernen dieser Flüssigkeiten vorgeschaltet werden, und es kann gewünschtenfalls auch ein (nicht dargestellter) Vorratstrichter vorgesehen sein, der die getrockneten Späne während der Stillstandszeiten des Induktionsofens 14 aufnimmt und/oder von dem aus die getrockneten Späne 11 a dem Induktionsofen 14 während Stillstandszeiten des Trockners zugeführt werden.
Der kernlose Induktionsofen 14 ist mit einem Deckel 16 versehen, der axial von einer trichterförmigen Einfüllöffnung 17 durchsetzt ist, durch den die Späne 11 a von der Fördereinrichtung 15 her in einer zeitlich geregelten Menge in den Induktionsofen 14 gelangen. Dabei ist es wichtig, daß die Späne 11 a in die Mitte der meniskusartig nach oben gewölbten Oberfläche der Schmelze 18 gelangen.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, befindet sich die Schmelze 18innerhalb einer feuerfesten Auskleidung 20 des kernlosen Induktionsofens 14, die von den Windungen der die Induktionsheizung bewirkenden Induktionsspule 21 umgeben ist. Da es bei kernlosen Induktionsöfen zuweilen üblich ist, an eines oder an beide Enden der Induktionsspule noch Kühlschlangen anzuschließen, ist in Fig. 1 oberhalb der Induktionsspule 21 noch eine an diese anschließende Kühlschlange 22 und unterhalb der Induktionsspule 21 noch eine an diese anschließende Külschlange 23 dargestellt. Sobald der Induktionsspule 21 elektrische Energie zugeführt wird, wirkt auf die Schmelze 18 von dem durch die Induktionsspule 21 vor allem in deren Mittelbereich erzeugten magnetischen Feld her eine radial einwärts wirkende Abstoßungskraft, die in Fig. 2 durch die Pfeile 24 veranschaulicht ist und die in diesem Bereich befindliche Schmelze von der sie umgebenden Auskleidung 20 aus radial einwärts in den Axialbereich der Induktionsspule 21 verdrängt. Die in der Mitte aufeinander stoßenden Schmelzen werden durch die radial einwärts nachdrängende Schmelze teilweise nach oben und teilweise nach unten verdrängt, wobei sich ein in Fig. 2 durch Pfeile 25 und 26 veranschaulichter, jeweils kreisringförmiger Rühreffekt ergibt. Dabei bildet der entlang den Pfeilen 25 axial nach oben verdrängte Anteil 27 der Schmelze eine meniskusartig nach oben gewölbte Oberfläche 28 der Schmelze, wobei die Höhe der meniskusartigen Aufwölbung einerseits indirekt proportional zur Füllungsmenge des Induktionsofens 14 und andererseits direkt proportional zu der der Induktionsspule 21 zugeführten Energie ist.
Fig. 3 veranschaulicht für eine bestimmte Energiezufuhr zur Induktionsspule 21 die von der Füllungsmenge abhängige unterschiedliche meniskusartige Aufwölbung der Schmelzenoberfläche. Bei einer Schmelzenfüllung des abgeschalteten Induktionsofens 14 bis zu einem Flüssigkeitsspiegel 30 ergibt sich bei eingeschalteter Induktionsspule 21 die in Fig. 3 mit 31 bezeichnete meniskusartig aufgewölbte Oberfläche, während sich bei einer Füllungsmenge bis zu einem Flüssigkeitsspiegel 32 die meniskusartig aufgewölbte Oberfläche 33 und bei einer Füllungsmenge bis zum Flüssigkeitsspiegel 34 eine meniskusartig aufgewölbte Oberfläche 35 ergibt. Sofern der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze bei abgeschalteter Induktionsspule 21 deren Höhe übersteigt, flacht sich die Aufwölbung der Schmelzenoberfläche bei eingeschalteter Induktionsspule 21 weiter nach einer schließlich ebenen Oberfläche hin ab.
Die in den Induktionsofen 14 eingeführten Späne 11 a sollen nach Möglichkeit sogleich tief nach unten in die Schmelze 18 hineingezogen werden, was nur durch eine geeignete Rührwirkung in der Schmelze erreicht werden kann, wie sie vorstehend anhand der Fig. 2 beschrieben wurde. Da eine solche wirksame Einwirkung auf die Schmelze nur im Bereich der Induktionsspule 21 möglich ist, soll der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze bei abgeschalteter Induktionsspule 21 höchstens 105% der Höhe der Induktionsspule 21 hoch liegen. Damit die zugeführten Späne stets vollkommen in Schmelze aufgenommen werden können, soll aber nur so viel Schmelze aus dem Induktionsofen 14 (in nicht besonders dargestellter Weise) abgezogen werden, daß der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze bei abgeschalteter Induktionsspule 21 niemals unter einer 50% der Höhe der Induktionsspule 21 betragenden Höhe liegt.
Die in die Schmelze 18 eingeführten Späne 11 a sind an ihrer Oberfläche stets in einem gewissen Umfange oxidiert und dadurch von Eisenoxid, Fe&sub2;O&sub3;, überzogen. Würden die in den Induktionsofen 14 eingeführten oxidierten Späne nicht sogleich in die Schmelze 18 eingetaucht werden, dann würde der Eisenoxidüberzug der Späne Schlacke bilden. Diese Schlacke würde auf der Oberfläche der Schmelze schwimmen und die weiteren zugeführten Späne einschließen und weiter oxidieren, bis schließlich mit zunehmender Schlackenschicht überhaupt keine richtige Schmelzung der Späne mehr erreicht werden würde.
Werden die Späne jedoch in der vorstehend beschriebenen Weise sogleich in die Schmelze eingetaucht, dann ergibt sich die folgende Reaktion:
Die untergetauchten Späne bilden an ihrer Oberfläche keine Schlacke. Der Überzug an Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;) wird durch das die Späne umgebende geschmolzene Metall in das gegenüber hohen Temperaturen stabilere Eisenoxid (FeO) entsprechend der nachstehenden Formel 1 umgeformt.
&udf53;sb18&udf54;FeÊOË¤+¤Fe¤(1)¤&udf58;r&udf56;¤3¤FeO@,(1)&udf53;zl10&udf54;
Da sich der Sauerstoff im geschmolzenen Eisen auflöst, zerfällt das FeO entsprechend der nachstehenden Formel 2.
&udf53;sb18&udf54;FeO¤(1)¤&udf58;r&udf56;¤Fe¤(1)¤+¤(%O)@,(2)&udf53;zl10&udf54;
Die Menge an Sauerstoff, die in geschmolzenem Eisen gelöst werden kann, kann mit Hilfe in der technischen Literatur veröffentlichter thermodynamischer Berechnungen aus der nachstehenden Gleichung 3 &udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;log¤(%O)¤=¤@W:^6316:°KT°k&udf54;¤+¤2,73@,(3)&udf53;zl10&udf54;entnommen werden, in der T die Schmelzentemperatur in °Kelvin ist.
In Fig. 4 veranschaulicht die Kurve 40 den Ausgleich der Sauerstoffkonzentration des Fe-O-Systems als Funktion der Temperatur.
Da Gußeisen Kohlenstoff und Silizium enthält, wurde auch der Einfluß dieser Legierungsbestandteile bestimmt. Die Sauerstoffmenge, die in Kohlenstoff und Silizium enthaltendem geschmolzenem Eisen gelöst werden kann, berechnet sich nach den nachstehenden Gleichungen 4 und 5, &udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;log¤(%O)¤(%C)¤=¤@W:^1169:°KT°k&udf54;¤^¤2,07@,(4)&udf53;zl10&udf54;&udf53;sb18&udf54;log¤(%O)¥(Si)¤=¤@W:^31,031:°KT°k&udf54;¤+¤12,02@,(5)&udf53;zl10&udf54;worin T wiederum die Temperatur in °Kelvin ist.
Die Kurve 41 in Fig. 4 veranschaulicht den Sauerstoffanteil, der sich in einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit 3,4% Kohlenstoff im Gleichgewicht befindet. Die Kurve 42 in Fig. 4 veranschaulicht den Sauerstoffanteil, der in einer Eisen-Silizium-Legierung mit 2,4% Silizium im Gleichgewicht ist.
Aus Fig. 4 kann entnommen werden, daß für den Fall, daß die Sauerstoffkonzentration im geschmolzenen Eisen die Werte der Kurve 40 übersteigt, sich gleichzeitig Eisenoxid (FeO), Silizium (SiO&sub2;) und Kohlenstoff (CO) bilden. Das FeO und das SiO&sub2; verbinden sich zu Schlackebestandteilen, die dann an die Oberfläche der Schmelze aufsteigen oder sich an der feuerfesten Auskleidung 20 ablagern, während das CO aus der Schmelze als Gas entweicht.
Wird die Sauerstoffkonzentration unterhalb der Kurve 40, jedoch oberhalb der Kurve 42 gehalten, dann bilden sich lediglich Siliziumoxide (SiO&sub2;) und Kohlenstoff (CO). Auch das SiO&sub2; bildet dabei eine Schlacke, die entweder die Oberfläche der Schmelze bedeckt oder sich entlang der feuerfesten Auskleidung 20 niederschlägt, während das CO aus der Schmelze als Gas entweicht. Wird die Sauerstoffkonzentration unterhalb der Kurve 42, jedoch oberhalb der Kurve 41 gehalten, dann bildet sich nur noch Kohlenstoff (CO). Da dieses ein Gas ist, kann sich also keine Schlacke mehr bilden.
Aus vorstehendem ergibt sich, daß sich 3,4% Kohlenstoff und 2,4% Silizium enthaltende Späne aus Gußeisen in einer eine gleiche Zusammensetzung aufweisenden, in einem kernlosen Induktionsofen befindlichen Schmelze dann schlackenfrei schmelzen lassen, wenn sie mit einer Temperatur, die vorzugsweise oberhalb des Punktes 43 der Kurve 41 liegt, in einer solchen zeitlichen Menge zugeführt werden, daß die Sauerstoffkonzentration die durch die Kurve 42 wiedergegebenen Werte nicht übersteigt. Vorzugsweise werden die Späne mit einer die Temperatur am Punkt 43 der Fig. 4 um mindestens 37,5°C, höchstens aber um 121°C übersteigenden Temperatur zugeführt.
Der Punkt 43, in dem sich die Kurven 41 und 42 schneiden, wird im übrigen als Umkehrtemperatur für die nach der nachstehenden Formel 6 bestimmte Reaktion bezeichnet.
&udf53;sb18&udf54;SiOÊ¤+¤2¤C¤&udf58;r&udf56;¤Si¤+¤2¤CO@,(6)&udf53;zl10&udf54;
Diese Temperatur kann mit Hilfe der nachstehenden Formel 7 für jede Legierung geschmolzenen Eisens mit Kohlenstoff und Silizium berechnet werden. Für die vorgenannte Eisenlegierung mit 3,4% Kohlenstoff und 2,4% Silizium errechnet sich die Temperatur mit 1430°C. &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;worin T die Temperatur in °Kelvin bedeutet.
Die im kernlosen Induktionsofen geschmolzenen Späne aus Gußeisen müssen dem Ofen möglichst fortlaufend zugeführt und aus dem Ofen auch wieder abgezapft werden. Sobald der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze die vorstehend erläuterte obere Grenze erreicht hat, wird die Beschickung mit Spänen und die Energiezufuhr zur Induktionsspule 21 unterbrochen. Die Fördereinrichtung 15 wird aus dem Ofenbereich seitlich herausgeschwenkt und der Ofen wird sodann in üblicher, nicht besonders dargestellter Weise gekippt, bis das gewünschte Gewicht an geschmolzenem Metall abgeflossen ist.
Zur anschließenden Produktion von Gußstücken und von für eine spätere Produktion vorgesehenen Gußblöcken wurde auch das bereits vorstehend erläuterte Verfahren zur Änderung der chemischen Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls gegenüber der Zusammensetzung der zugeführten Späne durchgeführt, indem der Schmelze zusätzlich Legierungsbestandteile zugeführt wurden. So wiesen zugeführte Späne aus Gußeisen aufgrund einer experimentellen Analyse 3,45% Kohlenstoff, 2,00% Silizium, 0,53% Mangan, 0,30% Chrom, 0,35% Molybdän, 0,50% Nickel, 0,04% Kupfer, 0,035% Phosphor und 0,11% Schwefel auf, während das restliche Eisen Eisenoxid in einem Umfange von 1,7% Fe&sub2;O&sub3; aufwies. Die Schmelze im kernlosen Induktionsofen wurde auf einer gleichen Zusammensetzung gehalten. Die zuvor mit einer Temperatur von 343°C getrockneten Späne wurden in einen kernlosen Induktionsofen einer Fassung von 16 Tonnen und einer Frequenz von 60 Hz sowie einer Nennleistung von 3000 kW zugeführt. Solange der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze zwischen 95% und 105% der Höhe der Induktionsspule 21 gehalten wurde, schmolzen die Späne schlackenfrei in die Schmelze hinein, die auf einer Temperatur von etwa 1500°C gehalten wurde, die 78°C über der SiO&sub2;/CO-Umkehrtemperatur liegt, wie sie sich nach der vorgenannten Gleichung 7 ergibt. Wurde der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze über 105% der Höhe der Induktionsspule 21 angehoben und wurden dann Späne bei einer Schmelzentemperatur von 1550°C zugeführt, dann bildete sich auf der Schmelze eine beträchtliche Schlacke, und der Schmelzvorgang der Späne wurde drastisch beeinträchtigt. Während eines besonderen Versuches wurden 136 kg Späne in eine Schmelze mit einer über 105% der Induktionsspulenhöhe liegenden Höhe und einer Temperatur von 1550°C gefördert, wobei die Eingangsleistung der Induktionsspule 2900 kW betrug. Aus den zugeführten Spänen entstand 22,7 kg Schlacke mit 46,05% SiO&sub2;, 29,18% FeO und 9,91% MnO. Im übrigen sind beim Schmelzen von Spänen aus Gußeisen unter Schlackenbildung Manganverluste unvermeidlich, weil hierbei die Mangan-Sauerstoffausgleichskurve 44 der Fig. 4 zwischen die Kurven 40 und 42 der Fig. 4 gelangt und die Kurve 41 für die in der Gußeisenlegierung enthaltenen Manganspiegel nicht schneidet.

Claims

1. Verfahren zum Schmelzen von Eisenoxid enthaltenden Gußeisenspänen od. dgl Abfällen, bei dem die Späne fortlaufend durch eine mittige obere Öffnung in eine in einem kernlosen Induktionsofen befindliche Gußeisenschmelze gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel der Gußeisenschmelze im kernlosen Induktionsofen auf 50 bis 105% der Induktionsspulenhöhe gehalten und die Späne in einer solchen Menge in der Zeiteinheit zugeführt werden, daß eine im wesentlichen konstante Temperatur der Gußeisenschmelze von mindestens 56°C über der Umkehrtemperatur von SiO&sub2;/CO eingehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kohlenstoffhaltiger Legierungszuschlagstoff in einer solchen Menge zugesetzt wird, daß der während der Oxidations-Reduktionsphase verbrauchte Kohlenstoff im Sinne der Aufrechterhaltung einer gewünschten chemischen Zusammensetzung der Schmelze ersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß fortlaufend zugeführte Späne während einer Unterbrechung der Zufuhr in den Ofen in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Induktionsofen während einer Unterbrechung der Zuförderung angefallener Späne fortlaufend getrocknete Späne aus einem Vorratsbehälter zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Induktionsofen Legierungszuschlagstoffe zugeführt werden, die dem darin geschmolzenen Gußeisen eine gewünschte, von der Zusammensetzung der zugeführten Späne unterschiedliche chemische Gußeisen-Zusammensetzung verleihen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Induktionsofen in der Zeiteinheit zugeführte Spanmenge, die zugeführte elektrische Leistung sowie der Flüssigkeitsspiegel der Gußeisenschmelze und deren Temperatur so geregelt werden, daß der Anteil an gelöstem Sauerstoff in der Schmelze unterhalb des Si/SiO&sub2;- Gleichgewichts verbleibt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zeiteinheit zugeführte Spanmenge proportional der zugeführten elektrischen Leistung und dem in der Gußeisenschmelze gelösten Sauerstoff ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Späne dem Induktionsofen fortlaufend in gleichbleibender Menge pro Zeiteinheit zugeführt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Induktionsofen zugeführten Späne zuvor so lange in einer Umgebungstemperatur von mindestens 343°C und höchstens 732°C getrocknet werden, daß sie auf eine Temperatur zwischen 260°C und 343°C aufgeheizt sind.