DE2825265A1 - Verfahren zur vorhersage der temperatur einer geschmolzenen stahlcharge - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: U₃ Juni \-/(o

Unser Zeichen: Io 277 ~ ~-~\> "

Anmelder:

British Steel Corporation ■i-j Grosvenor i-lacc London, S.W.1_O, Englanα

Bezeichnung:

Verfahren zur Vorhersage der Temperatur einer geschmolzenen Stahlcharge

A _

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung und Abwandlung des in dem Hauptpatent Nr. . (Patentanmeldung P 26 15 984.2) beschriebenen Verfahrens.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird das Verfahren zur Voraussage der Temperatur einer geschmolzenen Stahlherstellungscharge während des Stahlfrischvorganges unter Sauerstoffinjektion in der Weise durchgeführt, daß dW/dt während des Frischvorganges gemessen wird, um die Zeit t zu bestimmen, zu der dW/dt Hull ist, wobei dW/dt die Gewicht sänderung der Charge während der Zeitzunahme dt ist, daß die Temperatur der Charge zur Zeit t gemessen wird, um eine Chargenbezugstemperatur zu schaffen, von der die Überwachung der Chargentemperatur begonnen werden kann, daß die Raten dC/dt und dOs/dt über eine Zeitzunahme von dt bestimmt werden, wobei dC/dt die Rate der Entkohlung und dOs/dt die Rate ist, mit der der Sauerstoff in die Stahlherstellungsschlacke eintritt, daß die Werte dC/dt und dOs/dt in die folgende Gleichung eingesetzt werden: Chargengewicht χ [(Wärmegehalt der Charge zur Zeit t + dt) - (Wärmegehalt der Charge zur Zeit t)J = dC/dt χ Verbrennungswärme von C + dOs/dt χ Molekulargewichtsfaktox* zur Umwandlung von O-Gehalt in Fe-Gehalt, benutzt bei der Verbrennung χ Verbrennungswärme von Fe - d(W.G.)/dt χ Abgasgehalt - d(H.L.)/dt, wobei d(W.G.)/dt die Rate ist, bei der nicht berechenbare Wärmeverluste auftreten, daß aus der Gleichung die Temperatur der Charge zur Zeit t + dt bestimmt wird, und daß die Berechnung für weitere Zeitzunahmen dt wiederholt wird.

Vorzugsweise werden die Werte dC/dt und öOs/dt durch Messung von dW/dt bestimmt. Ein geeigneter Wert dC/dt wird

8 Π 9 8 5 1 / 0 8 8 U

aus der Gleichung d.C/dt = ^^ν^^, wobei dOt/dt die Rate ist, mit der Sauerstoff der Charge zugeführt wird, und 2,3? das Verhältnis der Molekulargewichte von CO und C ist.

Zweckmäßigerweise wird dC/dt dadurch korrigiert, daß hiervon die Hate der Abgasverluste während der Zextzunähme dt abgezogen wird.

Vorzugsweise wird dOs/dt aus der Gleichung dOs/dt = dW/dt + dC/dt berechnet, wobei dC/dt für die Rate der Abgasverluste während der Zeitzunahme dt unkorrigiert bleibt.

Ein geeigneter Wert von d/#.G.)/dt wird aus dem unkorrigiert en Wert von dC/dt berechnet.

Die Temperatur zur Zeit t wird zweckmäßigerweise durch ein Thermoelement gemessen, beispielsweise durch ein "Bomben"-Thermoelement (das erst nach Eintauchen in die Schmelze und öffnen einer Hülle der Schmelze ausgesetzt wird), oder es wird eine Sekundärlanze mit einem Thermoelement eingeführt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine graphische Darstellung, die die Veränderungen dC/dt, dOs/dt und dW/dt in Abhängigkeit von der Zeit während der Stahlherstellung erkennen läßt,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des vorausgesagten

1/0884

28252SS

Temperaturanstiegs in Abhängigkeit von der Zeit während der Stahlherstellung.

Aus Gründen der Vereinfachung wird die folgende Gleichung als Gleichung (1) bezeichnet:

Chargengewicht χ £(Wärmegehalt der Charge zur Zeit t + dt) - (Wärmegehalt der Charge zur Zeit t)] = = dC/dt χ Verbrennungswärme von C + dOs/dt χ Molekulargewicht zu konvertiertem Sauerstoffgehalt zu Eisengehalt, benutzt bei der Verbrennung χ Verbrennungswärme von Ee - d(V.G.)/dt χ Abgasgehalt - d(H.L.)/dt.

Die verschiedenen Komponenten innerhalb der Gleichung (1) werden diskutiert und zeigen, wie die Gleichung (1) benutzt werden soll.

(1) Chargen gewicht

Das Chargengewicht in kg zu einer bestimmten Zeit während der Stahlherstellung in einem Sauerstoffaufblasgefäß kann einfach dadurch bestimmt werden, daß das bekannte Gewicht des Gefäßes vom Gesamtgewicht des Gefäßes abgezogen wird. Das Gefäß kann in bekannter V/eise mittels Belastungszellen gewogen werden, wie diese beispielsweise in der GB-PS 1 373 652 beschrieben sind. So hat sieb für jede Zeitzunahme dt und zweckmäßigerweise während der Stahlherstellung 1 Minute als vernünftige Zeitzunahme erwiesen. Die Gewichtsänderung in der Charge kann bestimmt werden, um dV/dt zu finden. In Pig. 1 ist die Kurve für dW/dt für dt = 1 Minute während des Aufblasverfahrens

8 0 9851/088Z₁

aufgetragen.

(2) Wärmepehalt der Charge

Der Wärmegehalt der Charge zu irgendeiner bestimmten Zeit wird berechnet, indem die bekannte Formel Ms© benutzt wird, wobei M das Gewicht der Charge in kg, s die spezifische Wärme der Charge in Joules/°C und θ die Temperatur der Charge in ⁰C ist. H₁, S^ und θ^ sind dann das Gewicht, die spezifische Wärme und die Temperatur der Charge zur Zeit t und Mq, Sq und Op sind dann Gewicht, spezifische Wärme bzw. Temperatur der Charge zur Zeit t + dt. M^ und Mg können durch Wiegung gefunden werden, θ^ ist bekannt und S^ kann aus Bezugstabellen für eine Charge mit einer Temperatur θ^ entnommen werden. Θ2 ist die vorauszusagende Temperatur und da θ~ unbekannt ist, wird So für eine kleine Zeitzunahme dt gleich Sx₁ gesetzt, wenn dies geschehen ist, kann 60 natürlich benutzt werden, um die Temperatur der Charge Θ, nach einer weiteren Zeitzunahme dt vorauszusagen. In diesem Fall muß S₂ auf den tatsächlichen Wert bei der Temperatur θο korrigiert werden.

Wenn dW/dt am Punkt A in Fig. 1 gleich Null wird, dann wird ein in der Schmelze untergehendes Thermoelement in die Schmelze eingeführt, um die Temperatur der Schmelze zu diesem Zeitpunkt festzustellen. Das Thermoelement kann von irgendeiner herkömmlichen Bauart sein und z. B. kann ein Thermoelement benutzt werden, wie dieses in der Hauptpatentanmeldung P 26 15 984.2 beschrieben ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gleichung (1) benutzt, um den

809851/0884

Temperaturanstieg vorauszusagen.

(3) dC/dt

= Gleichung (2)

Dabei ist 2,33 das Verhältnis von Molekulargewicht CO zu Molekulargewicht von O.

Die dC/dt-Gleichung (2) enthält einen Fehler infolge des Dampfes, der aufsteigt, und es muß im Hinblick darauf eine Korrektur eingeführt werden. Der Gesamtkohlenstoffverlust während der Stahl herstellung ist das Integral J dO/dt und theoretisch sollte dies den Gesamtgewichtsverlust der Charge repräsentieren. In gleicher Weise sollte theoretisch das Integral JdOs/dt die Gesamtgewichtszunahme der Charge während der Stahlherstellung repräsentieren.

Daher sollte in Integral J dW/dt theoretisch gleich / dOs/dt - JdC/dt sein. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß der Gesamtgewichtsverlust /dW/dt den theoretischen Gewichtsverlust um einen gewissen Betrag überschreitet. Dieser zusätzliche Verlust erklärt sich aus der Eauchentwicklung. Der Rauch besteht fast vollständig aus Eisenoxid, das aus der Schlacke herrührt. Daher wird angenommen, daß die Rate der Gasverluste d(Eauch)/dt proportional zu der Rate ist, mit der Eisen in die Schlacke eintritt, und dies wiederum wird als proportional zu der Rate dOe/dt angenommen, mit der Sauerstoff in die Schlacke eintritt.

809851 /0884

Daher ist d(Kauen)/dt ^ dOs/dt

= K-dOs/dt Gleich-ung (3)

Dabei ist K eine Eonstante, die experimentell aus einer Anzahl von Stahlherstellungsversuchen gewonnen ist.

dC/dt kann daher in der vorstehenden korrigierten Form geschrieben werden:

dO/dt = - d(Eauch)/dt Gleichung ^» pp

(4) Verbrennungswärme von Kohlenstoff

Bei der Berechnung der Verbrennungswärme von C werden folgende Annahmen getroffen:

(1) Die Verbrennungswärme wird in kJ/kg ausgedrückt.

(2) Für je ein kg C, welches bei der Verbrennung benutzt wird, werden 0,9 kg ausgenutzt, um CO zu. bilden, und 0,1 kg werden ausgenutzt, um COp zu bilden.

C.

(3) 1 kg C erzeugt 11025 kJ bei der Herstellung von CO.

(4) 1 kg C erzeugt 34635 kJ bei der Erzeugung von (X^·

Daher ist die Verbrennungswärme von 1 kg C

= 0,9 x 11025 + 0,1 χ 34635 kJ
= 13386,0 kJ.

809851/0884

282526B

Die Verbrennungswärme von C = = 13336,0 kJAg.

In diesem lall ist dC/dt in kg/min ausgedrückt.

(5) dOs/dt

dOs/dt = dW/dt + dC/dt Gleichung (5) dC/dt wird aus der Gleichung (3) berechnet.

(6) Molekulargewichtsfaktor zu konvertiertem O-Gehalt zu Eisengehalt, "benutzt bei der Verbrennung

Das hier erwähnte Eisen ist jenes, welches in der Schlakke verbrennt. Diese Verbrennung erzeugt FeO und 3Te₂CU.

Bei der Berechnung des Molekulargewichtfaktors wird von folgender Annahme ausgegangen:

(1) Pe —» 10 Teile FeO +4,5 Teile Fe₂O₅

(2) Atomgewicht von Fe = 56

(3) Atomgewicht von 0 = 16

(4) Molekulargewicht von FeO =

(5) Molekulargewicht von Fe₂O, = 160.

809851 /0884

- rr -

Um 10 kg FeO zu erzeugen, werden 56/72 χ 10 kg Fe benötigt = 7,77 kg.

Eb werden außerdem 16/72 χ 20 kg O benötigt, d. h. =2,2 kg.

Um 4,5 kg Fe₂O, zu erzeugen, werden 112/160 χ 10 kg Fe benötigt

= 3,15 kg.
Außerdem werden 48/160 χ 4,5 kg O benötigt = 1,35 kg.

Die gesamte benutzte Fe-Menge = 7,77 + 3,15 kg = 10,92 kg. Die gesamte benutzte O-Menge = 2,22 + 1,35 kg = 3,57 kg.

(7) VerbrennunKawärme yon Fe Bei der Berechnung der Verbrennungswärme für Fe wird

809851 /0884

von den folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

(1) Die Verbrennungswärme wird in kJ/kg ausgedrückt·

(2) 1 kg Ie erzeugt 5025 kJ bei der Herstellung von FeO.

(3) 1 kg Pe erzeugt 7350 kJ bei der Herstellung von Fe₂O₃.

Daner ist die Verbrennungswärme von 7»77 kg Fe bei der Herstellung von FeO

= 7,77 x 5025 kJ
= 39000 kJ.

Die Verbrennungswärme von 3»15 kg Fe bei der Erzeugung von Fe₂O,

= 3,15 x 735O kJ
= 232OO kJ.

Daher ist die Gesamtwärmemenge für 10,92 kg Fe » 39000 + 23200 kJ
= 62200 kJ.

Infolgedessen erzeugt 1 kg Sauerstoff 62200/3,57 kJ/kg Wärme

809851/0884

kJ/kg.
In diesem Fall ist dOs/dt in kg/min ausgedrückt.

(8) dCw.G.Vdt

Das Gewicht des Abgases, das den Ofen innerhalb der
Zeit dt verläßt, kann von dem korrekten Wert von dC/dt
bestimmt werden, unter der Annahme, daß:

10 Mol C > 9 Mol CO + 1 Mol CO₂.

(9) Abfz;aswärmep;ehalt

Dieser kann aus dem bekannten Wärmegehalt von CO und COp bestimmt werden, und diese Werte sind aus Tabellen
bei unterschiedlichen Temperaturen ablesbar.

(10) d(H.L.)/dt

Es gibt immer einen nicht berechenbaren Verlust von Wärme während der Stahlerzeugung. Diese Wärme geht in erster Linie durch Strahlung verloren, jedoch ergeben sich gewisse Wärmeverluste auch durch Konvektion.

Die Wärmeverluste in der Zeitzunähme dt können experimentell gefunden werden, indem während der Wärmeprüfung beide Seiten der Gleichung (1) über verschiedene Zeitzunahmen dt von genau gemessenen Werten der Temperatur θ der

809851/0884

- W-

Charge zur Zeit t bzw. zur Zeit t + dt berechnet werden.

Infolge der Wärmeverluste während der Zeitzunahme dt unterscheiden sich die berechneten Werte der jeweiligen Seiten der Gleichung um einen bestimmten Betrag d(H.L.)/dt. Dieser Wert kann bei der geeigneten Temperatur der richtigen Seite der Gleichung während des weiteren Stahlherstellungsverfahrens hinzugefügt werden. Dieser Wert wird nachberechnet, da das Konvertergefäß altert, da es sich mit der Gefäßabnutzung ändert.

Die Berechnungen von dO/dt,dOs/dt, dW/dt, dOt/dt und die Gleichung (1) zur Ermittlung von © können durch einen geeigneten Computer durchgeführt werden, der entsprechend programmiert ist·

Fig. 1 zeigt die Veränderungen, die während des Frischvorganges bei einem 160 t-Produktionsgefäß auftreten. Die Kurve dW/dt stellt die Inderungsgeschwindigkeit des Gewichts dar, die durch Belastungszellen unter dem Gefäß gemessen werden. Die Kurve dC/dt stellt die Geschwindigkeit der Entkohlung dar, berechnet aus dW/dt, und der Sauerstoffblasgeschwindigkeit dOt/dt. Die Kurve dOslag/dt (dOs)/(dt) ist die Inderungsgeschwindigkeit, mit der der Sauerstoff in die Schlacke eingeht, und zwar berechnet aus dW/dt und dC/dt. Der Punkt A an der Kurve für dW/dt ist der Punkt, an dem die Schlackenerzeugungsperiode endet, d. h. wo dW/dt = 0. Sämtliche Kurven sind für zeitliche Zunahmen dt von 1 Minute aufgezeichnet.

Fig. 2 zeigt die Temperaturkurve, berechnet aus der Gleichung (1). Der Punkt A ist der Punkt, wo dW/dt gleich

809851/0884

2Θ25265

Hull wird, d. h. ^ener Punkt, wo die Entkohlung anfangt ■und wo die Temperatur der Schmelze durch ein eingetauchtes Thermo element gemessen wurde. An dieser Stelle "begann die Voraussage der Gleichung (1), um den Temperaturanstieg vorauszusagen. Die Temperatur wurde vorausbestimmt und mit zeitlichen Zunahmen dt von 1 Minute aufgetragen.

Obgleich nicht beschrieben, könnte die Erfindung auch benutzt werden, um Voraussagen hinsichtlich der Temperatur beim IPrischvorgang von Nicht-Eisenmetallen zu machen, beispielsweise bei Kupfer und Nickel·

809851 /0884

L e e r s e i t e

Claims (9)

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach 1 -Dipl.-ing. Günther Koch 282 526 Spipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 8 „ Juni. 1978 Unser Zeichen: 16 277 K/Nu Patentansprüche

1. Verfahren zur Vorhersage der Temperatur einer geschmolzenen Stahlcharge während eines Frischprozesses, bei dem Sauerstoff in die Schmelze injiziert wird,

nach Patent (Patentanmeldung P 26 15 984.2),

dadurch gekennzeichnet , daß der Ausdruck dW/dt während des Frischvorganges gemessen wird, um die Zeit t zu bestimmen, wenn dW/dt gleich Null ist, wobei dW/dt die Gewichtsänderung der Charge während der Zeitzunahme dt ist, daß die Temperatur der Charge zur Zeit t gemessen wird, um eine Chargenbezugstemperatur zu erzeugen, von der die Überwachung der Chargentemperatur beginnt, daß die Ausdrücke dC/dt und dOs/dt über eine Zeitzunahme von dt bestimmt werden, wobei dC/dt die Rate der Entkohlung und dOs/dt die Rate ist, mit der der Sauerstoff in die Stahlherstellungsschlacke eindringt, daß die Werte von dC/dt und dOs/dt in die folgende Gleichung eingefügt werden: Chargengewicht χ £(Wärmegehalt der Charge zur Zeit t +dt) - (Wärmegehalt der Charge zur Zeit t)J = dO/dt χ Verbrennungswärme von C + dOs/dt χ Molekulargewichtsfaktor zum konvertierten Sauerstoffgehalt zu Eisengehalt, die bei der Verbrennung benutzt werden χ Verbrennungswärme von Pe - d(W.G.)/dt χ Abgaswärme-

51/0884 - ^ORlQ^AL INSPECTED

gehalt - d(H.L.)/dt, wobei d(W.G.)/dt die Geschwindigkeit ist, mit der die unberechenbaren Wärmeverluste auftreten, daß aus der Gleichung die Temperatur der Charge zur Zeit t + dt bestimmt wird und daß für weitere Zeitzunahmen von dt die Rechnung wiederholt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dC/dt und dOs/dt durch Messung von dW/dt bestimmt werden.

3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dC/dt aus der Gleichung

dC/dt = berechnet wird, wobei dOt/dt

die Rate darstellt, mit der der Sauerstoff der Charge zugeführt wird, während der Wert 2,33 das Verhältnis von Molekulargewicht CO zu Molekulargewicht von C darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Wert dC/dt korrigiert wird, indem von ihm die Rate der Gasverluste während der zeitlichen Zunahme dt abgezogen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß dOs/dt aus der Gleichung dOs/dt = dW/dt + + dC/dt berechnet wird, wobei dC/dt hinsichtlich der Rate der Abgasverluste in der zeitlichen Zunahme dt unkorrigiert ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch

809851/0884

gekennzeichnet, daß der Wert d(W.G.)/dt aus dem unkorrigierten Wert dC/dt berechnet wird.

7· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Temperatur zur Zeit t durch ein Thermoelement gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement ein "Bomb"-Thermoelement ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement in einer Sekundärlanze angeordnet ist.

B 0 « B 5 1 / 0 B 8 U