DE3335476A1

DE3335476A1 - Verfahren und gefaess zum vakuum-behandeln von metallschmelzen

Info

Publication number: DE3335476A1
Application number: DE3335476A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.Rer.Nat. Kutscher; Gernot Dr.rer.nat. 4600 Dortmund Zahs
Original assignee: Vacmetal Gesellschaft fuer Vakuum Metallurgie mbH
Current assignee: Vacmetal Gesellschaft fuer Vakuum Metallurgie mbH
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1985-04-18
Also published as: US4612044A; GB8423246D0; GB2147314B; GB2147314A

Description

33 3547

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gefäß zum Vakuum-BehandeIn von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen, bei dem von einem Schutzmedium umgebener Sauerstoff unterhalb der Badoberfläche horizontal in ein in eine Pfannenschmelze tauchendes Vakuumgefäß geblasen wird.

Verfahren dieser Art sind bekannt; sie bedienen sich der verschiedensten Vakuumgefäße und zielen zumeist auf eine Vakuumentkohlung chromhaltiger Stahlschmelzen ab, da die Chromverschlackung angesichts der sich mit abnehmendem Druck zu niedrigeren Kohlestoffgehalten verschiebenden Gleichgewichtskurve der Kohlenstoff/Sauerstoff-Reaktion auch bei üblichen Frischtemperaturen gering ist.

So beschreibt "VAKUUM-TECHNIK", 1976,S.17 bis 20 ein Vakuum-Umlaufverfahren zum Frischen von Chromstahl-Schmelzen nach Art des Sauerstoffausblas-Verfahrens, bei dem der Sauerstoff mit Hilfe einer wassergekühlten Lanze auf die Badoberfläche eines umlaufenden Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 bis 0,6% und im übrigen der Endanalyse geblasen wird. Die Entkohlungsgeschwindigkeit hängt dabei von der zeitlichen Sauerstoffmenge und der Umlaufrate des Stahls ab. Die Lanzenspitze muß sich jedoch dicht oberhalb der Schmelze befinden, um das feuerfeste Futter des Vakuumgefäßes nicht zu gefährden und ein Absaugen des Sauerstoffs aus dem Vakuumgefäß zu vermeiden. Der geringe Lanzenabstand bewirkt einen entsprechend kleinen Brennfleck mit einer der Grenzfläche Sauerstoff/Schmelze entsprechend niedrigen Entkohlungsgeschwindigkeit, da der Brennfleck von Schlacke umgeben ist, die eine rasche Reaktion des gasförmigen Sauerstoffs mit der Schmelze verhindert. Darüber hinaus entstehen beim Auftreffen des SauerstoffStrahls auf die Bad-

333S47

Oberfläche Stahl- und Schlackenspritzer mit der Gefahr eines Zuwachsens der Lanzenöffnung.

Ein aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 904 442 bekanntes Verfahren vermeidet die vorerwähnten Nachteile mit Hilfe einer im Vakuumgefäß verfahrbaren Lanze, durch die Sauerstoff mit Überschallgeschwindigkeit auf die Badoberfläche geblasen wird. Die Überschallgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahls und der verhältnismäßig große Lanzenabstand führen dabei zu einer scharfen Strahlbündelung und zur Vermeidung der Gefahr, daß Stahl- und Schlackenspritzer die Sauerstofflanze erreichen und der Sauerstoff noch vor seiner Reaktion mit der Schmelze über die Vakuumpumpe abgesaugt wird. Gleichwohl ist bei hohem Sauerstoffgehalt der Schmelze die Sauerstoffausnutzung angesichts der verhältnismäßig kleinen Grenzfläche Sauerstoff/Schmelze gering. Außerdem unterliegt das feuerfeste Futter des Vakuumgefäßes durch den Sauerstoff sowie durch Stahl- und Schlackenspritzer einem starken Verschleiß.

Die mit dem Aufblasen des Sauerstoffs verbundenen Nachteile lassen sich vermeiden, wenn der Frischsauerstoff wie bei dem in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 191 26 68 beschriebenen Verfahren durch einen im Boden des Vakuumheber-Gefäßes angeordneten Porösstopfen in die Schmelze eingeblasen wird. Derartige Porösstopfen unterliegen jedoch angesichts der heftigen Reaktionen des Sauerstoffs mit der Schmelze und den daraus resultierenden hohen Temperaturen an der Austrittsfläche des Stopfens einem außerordentlich starken Verschleiß.

Ein aus der deutschen Patentschrift 2 654 048 bekanntes Verfahren zum Vakuumfrischen in einem Umlauf-Entgasungsge-

faß bedient sich daher einer Horizontaldüse aus zwei konzentrischen Rohren, durch deren Innenrohr Sauerstoff in die Schmelze geblasen wird, während durch den Ringspalt zwischen dem Innen- und dem Außenrohr ein Schutzmedium eingespeist wird. Da die Chromverschlackung nach den Ausführungen in der Patentschrift wesentlich vom Abstand der Einstrittsstelle des Frischsauerstoffs von der Badoberfläche abhängt, sind bei einem Druck über der Schmelze von 200 Torr die Düsen 20 bis 50 cm unterhalb der Badoberfläche angeordnet. Demgemäß befindet sich bei diesem Verfahren die Badoberfläche stets mindestens 20 cm oberhalb der Sauerstoffeintrittsstelle, was bei einem Umlauf-Entgasungsgefäß ohne weiteres möglich ist. Außerdem soll der Sauerstoff in Strömungsrichtung der umlaufenden Schmelze eingeblasen werden. Beide Bedingungen lassen sich nur bei einem Umlaufverfahren gewährleisten, da sich beim Vakuumheber-Verfahren in der oberen Totpunktlage keine oder nur wenig Schmelze im Vakuumgefäß befindet und die Schmelze keine einheitliche Strömungsrichtung besitzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der vorerwähnten Frischverfahren zu beheben und dabei insbesondere ein' Vakuumheber-Verfahren zum Behandeln von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen mit unterhalb der Badoberfläche eingeblasenem Sauerstoff oder einem sauerstoffhalt igen Gas zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf der überraschenden Feststellung, daß die Länge eines mit Schallgeschwindigkeit in die Schmelze eintretenden Gasstrahls lediglich von der Dichte der Schmelze, nicht aber von dem ferrostatischen Druck über der Düsenmündung abhängt. Dabei verhält sich die

Länge des Sauerstoffstrahls umgekehrt proportional zur dritten Wurzel der Dichte der Metallschmelze. Das erlaubt es, dem Vakuumgefäß im Hinblick auf eine möglichst vollständige Beaufschlagung der gesamten im Vakuumgefäß befindlichen Teilmenge optimale Abmessungen zu geben.

Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art der Sauerstoff erfindungsgemäß unmittelbar über dem Boden und/oder im oberen Teil des Ansaugrüssels eines Vakuumheber-Gefässes in die Schmelze eingeblasen wird. Dies führt, wie Versuche ergeben haben, trotz der sich stets ändernden Badhöhe über der Sauerstoffeintrittsstelle zu Verweilzeiten von 1 bis 2 χ 10 s, während die Fachwelt bislang annahm, die Gasblasen stiegen unmittelbar nach dem Verlassen der Düse senkrecht nach oben.

Angesichts der aufgrund der Dichte vorhersagbaren Strahllänge läßt sich der Durchmesser des Vakuumgefäßes so wählen, daß praktisch der gesamte Querschnitt vom Sauerstoffstrahl beaufschlagt wird, gleichviel ob der Sauerstoff nun ein- oder mehrseitig in die Schmelze eingeblasen wird. Auf diese Weise ergeben sich trotz der sich fortlaufend ändernden Menge und Höhe des im Vakuumgefäß befindlichen Stahls
konstante Frischbedingungen und damit eine treffsichere Analyse. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß das Vakuumgefäß eine gewisse Zeit in seiner unteren und ggf. auch in seiner oberen Totpunktlage verharrt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einem Vakuumheber-Gefäß durchführen, in dessen Seitenwandung unmittelbar über dem Gefäßboden mindestens eine Düse aus zwei kon-

3335478

zentrischen Rohren eingebaut ist. Der Gefäßboden kann dabei angesichts des Strahlwinkels in der Schmelze von 20° eine Neigung von 5 bis 20° in Richtung auf den zentrisch angeordneten Ansaugrüssel aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann jedoch auch mindestens eine Düse aus konzentrischen Rohren im oberen Teil des Ansaugrüssels angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Abb. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vakuumheber-Anlage,

Abb. 2 eine grafische Darstellung der Strahllänge in Abhängigkeit vom Gas Druck in der Leitung vor der Düse und dem Düsendurchmesser beim Einblasen von Sauerstoff,

Abb. 3 die zeitliche Änderung der Badhöhe und Stahlmenge im Vakuumgefäß,

Abb. 4 die Austauschmenge und die ümwälzrate in Abhängigkeit von der Haltezeit in der unteren Totpunktlage des Vakuumgefäßes,

Abb. 5 den Zusammenhang zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt für drei Versuchsschmelzen und

Abb. 6 einen Vertikalschnitt durch eine Vakuumheberanlage mit einer Düse im Ansaugrüssel des Vakuumgefäßes.

333547

Das Vakuumgefäß 1 taucht mit seinem Ansaugrüssel 2 in eine in einer Pfanne 3 befindliche Schmelze 4 ein. In der Seitenwandung des Vakuumgefäßes 1 befindet sich unmittelbar über dem Gefäßboden 5 eine Sauerstoffdüse 6 aus einem Innenrohr 7 für Sauerstoff und einem das Innenrohr konzentrisch umgebenden Aussenrohr 8 für Inertgas.

Während der Vakuumentgasung ändert sich die Badhöhe im Vakuumgefäß 1 von A (obere Totpunktlage) nach. B (untere Totpunktlage), so daß sich die Eintrittsstelle des Sauerstoffs bzw. die Düse 6 stets unterhalb der Badoberfläche befindet. Trotz der sich zwischen A und B periodisch ändernden Badhöhe kann der Sauerstoff angesichts der konstanten Strahllänge mit zeitlich konstanter Menge in die Schmelze eingeblasen werden, ohne daß sich dadurch die Frischbedingungen ändern. Dies ergibt sich aus dem Diagramm der Abb. 2, dessen Kurvenschar zeigt, daß die Strahllänge bei kleinen Düsendurchmessern nur wenig abhängig vom Gas Druck vor der Düse ist. Bei größeren Düsendurchmessern nimmt die Abhängigkeit der Strahllänge vom Gas Druck vor der Düse hingegen zu. Demgemäß empfiehlt es sich angesichts der sich beim Vakuumheber-Verfahren ständig ändernden Badhöhe, den für das Frischen erforderlichen Sauerstoff über mehrere Düsen geringen Durchmessers einzublasen.

Im Diagramm der Abb. 3 gibt für eine 300 t-Schmelze die ausgezogene Kurve die für eine Anfangshöhe von 400 mm (A in Abb.l) und einem Hub von 700 mm rechnerisch ermittelte, während eines Zyklus unter statischen Bedingungen verzögerungsfrei ins Vakuumgefäß angesaugte Teilmenge an; diese ändert sich entsprechend dem Kurvenverlauf umgekehrt

proportional zur Hubbewegung des Vakuumgefäßes. Die tatsächlich im Vakuumgefäß befindliche Teilmenge ergibt sich hingegen aus der strichpunktierten Kurve; diese Menge ist nicht nur größer als die dem statischen Gleichgewicht entsprechende Menge, sondern sie läuft angesichts der Flüssigkeitsreibung und Dynamik auch der Hubbewegung des Vakuumgefäßes zeitlich versetzt nach. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mit Hilfe der im Falle des Versuchs 3 s betragenden Haltezeit in der oberen und unteren Totpunktlage den ein- und ausfliessenden Stahl mengenmäßig zu beeinflussen. Versuche haben in diesem Zusammenhang ergeben, daß die Haltezeit in der oberen Totpunktlage etwa 2 bis 4 s betragen sollte.

Die Haltezeit in der unteren Totpunktlage kann hingegen vorzugsweise 15 bis 45 s betragen, da sich auf diese Weise nach dem Kurvenverlauf in dem Diagramm der Abb. 4 eine größtmögliche Austauschmenge je Gefäßhub ergibt. Die gestrichelte Kurve bezieht sich dabei auf Versuche mit einer 300 t-Pfanne bei einem Hub von 700 mm und einer Anfangshöhe A über dem Übergang Rüssel/Gefäßboden von 400 mm. Unter diesen Bedingungen beträgt die minimale Teilmenge im Vakuumgefäß mindestens 10 t.

Da es angesichts des hohen Sauerstoffpotentials des das Vakuumgefäß verlassenden Stahls zu einer unter Umständen heftigen Kohlenstoffoxidation in der Pfannenschmelze 4 kommen kann, sollte der Kohlenstoffgehalt der im Vakuumgefäß befindlichen Teilmenge bei einem Druck von 20 bis 250 mb vorzugsweise nur auf etwa 10 bis 50% abgebaut werden. Insgesamt ergibt sich so bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine Sauerstoffmenge von 1500 Nm /h bei der in Abb.

1 dargestellten Vakuumheber-Anlage der aus dem Diagramm der Abb. 5 ersichtliche Entkohlungsverlauf für drei Schmelzen, bei denen die Haltezeit in der oberen Totpunktlage 3 s und in der unteren Totpunktlage 18 s betrug sowie die Sauerstoffzufuhr abgebrochen und nur noch mit Argon gespült wurde, nachdem ein Kohlenstoffgehalt von 0,02 bis 0, 04erreicht war. Auf diese Weise lassen sich Endkohlenstoffgehalte von 10 ppm treffsicher erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich jedoch auch in der Weise durchführen, daß sich der Badspiegel in der oberen Totpunktlage des Vakuumgefäßes 1 unterhalb der Düsenebene befindet. Dies macht ein intermittierendes Einblasen des Sauerstoffs erforderlich. Demgemäß wird Sauerstoff nur solange in die im Vakuumgefäß befindliche Teilmenge eingeblasen, wie sich der Badspiegel oberhalb der Düsenebene befindet. Sinkt der Badspiegel weiter ab, dann werden sowohl das Innenrohr 7 als auch der Ringspalt zwischen dem Innen- und dem Außenrohr 7,8 mit einem Schutzmedium, vorzugsweise einem Inertgas beschickt. Die Inertgasmenge wird dabei so eingeregelt, daß ein ausreichender Schutz der Düse und des die Düse umgebenden Mauerwerks gewährleistet ist. Bei dieser Verfahrensweise beträgt die Haltezeit in der oberen Totpunktlage vorzugsweise 2 bis 3 s und in der unteren Totpunktlage vorzugsweise 15 bis 45 see.

Schließlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Weise durchführen, daß eine Düse 9 aus zwei konzentrischen Rohren 10,11 entsprechend der zeichnerischen Darstellung in Abb. 6 im oberen Teil des Ansaugrüssels 2 angeordnet ist. Dies hat sich besonders bewährt, wenn der Sauerstoff mindestens zum Teil mit dem Ziel eingeblasen

wird, exotherm oxydierbare Stoffe, insbesondere Aluminium, zum Aufheizen der Schmelze zu verbrennen. Dabei hat es sich zur Steuerung der Verbrennungsreaktionen sowie im Hinblick auf die Lebensdauer der Düse und des die Düse umgebenden feuerfesten Materials als zweckmäßig erwiesen, den durch das Innenrohr 10 exngeblasenen Sauerstoff im Verhältnis 1 : 5 bis 20 mit einem Inertgas zu verdünnen. Sobald der Schmelze genügend Sauerstoff zugeführt worden ist, werden sowohl das Innenrohr 10 als auch das Außenrohr 11 mit Inertgas beschickt, um ein Eindringen der Schmelze in die Düse 9 zu verhindern.

COPY

Claims

Dn.-lng. Reimar J<£ö,nig:„·· ..- Qjpl.^ng. Klaus Bergen Wilhelm-Tell-Str. 14 4ΟΟΟ Düsseldorf 1 Telefon 39 7Ο26 Patentanwälte 29.Sept.1983 35 109 K VACMETAL Gesellschaft für Vakuum-Metallurgie mbH Heiliger Weg 44, 4600 Dortmund 1 "Verfahren und Gefäß zum Vakuum-Behandeln von Metallschmel zen1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vakuumbehandeln von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen, bei dem von einem Schutzmedium umgebener Sauerstoff unterhalb der Badoberfläche horizontal in ein in eine Pfannenschmelze tauchendes Vakuumgefäß geblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff unmittelbar über dem Boden und/oder im oberen Teil des Ansaugrüssels eines Vakuumheber-Gefäßes in die Schmelze eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgefäß 2 bis 60 s in seiner unteren Totpunktlage verharrt.

COPY

3335475

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgefäß jeweils 2 bis 4 s in seiner oberen Totpunktlage und oder 15 bis 45 s in seiner unteren Totpunktlage verharrt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Vakuum befindliche Teilmenge jeweils auf 1 bis 50% des Kohlenstoffgehalts der Pfannenschmelze entkohlt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Vakuumgefäß 20 bis 250 mb beträgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff intermittierend in die Schmelze geblasen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schlußphase der Aufwärtsbewegung des Vakuumgefäßes nur Inertgas in die Schmelze geblasen wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den oberen Teil eines in die Pfannenschmelze eintauchenden Ansaugrüssels des Vakuumgefäßes ein Sauerstoff/Inertgas-Gemisch in die Schmelze geblasen wird.

_₃_ 333S47B

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch von einem Schutzmedium umgeben ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schlußphase bei vermindertem Druck ausschließlich mit Argon gespült wird.

11. Vakuumgefäß zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar über dem Boden (5) und/oder im oberen Teil des Ansaugrüssels (2) eines Vakuumheber-Gefäßes (1) mindestens eine Horizontaldüse (6;9) aus zwei konzentrischen Rohren (7,8;10,11) angeordnet ist.

12. Vakuumgefäß nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der Boden (5) des Vakuumgefäßes (1) um 5 bis 20 Grad in bezug auf die Horizontale geneigt verläuft.