DE3590837C2

DE3590837C2 -

Info

Publication number: DE3590837C2
Application number: DE3590837A
Authority: DE
Inventors: Leonid Ivanovic Moskau/Moskva Su Parfenov; Viktor Petrovic Rjazan Su Podonikov; Nikolai Aleksandrovic Minsk Su Svidunovic; Viktor Nikolaevic Vostocno Kazachanstanskaja Oblast' Su Volkov; Sergei Aleksandrovic Burenkov; Aleksandr Ivanovic Minsk Su Garost; Vladimir Kuzmic Magnitorgorsk Su Litvinov; Gennadij Alekseevic Vostocno Kazachanstanskaja Oblast' Su Sorokin; Vladimir Vjaceslovovic Minsk Su Vaskevic
Original assignee: Belorusskij Technologiceskij Institut Imeni Sm Kirova Minsk Su
Current assignee: Belorusskij Technologiceskij Institut Imeni Sm Kirova Minsk Su
Priority date: 1985-08-16
Filing date: 1985-08-16
Publication date: 1988-10-06
Also published as: FI81383C; GB8708931D0; GB2189508A; WO1987001137A1; GB2189508B; SE8701578L; FI871665A; DE3590837T1; JPS63500043A; JPS646243B2; FI81383B; FI871665A0; SE8701578D0

Description

Gebiet der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Metal lurgie und die Metallverhüttung im Gießereiwesen und be trifft ein Verfahren zur Behandlung von Schmelzen und ei ne Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen.

Stand der Technik

Gegenwärtig entwickelt sich die Stahlschmelztechnik in Richtung einer Vergrößerung des Volumens der Schmelz aggregate, einer Erhöhung ihrer spezifischen Leistung und der Erweiterung des Markensortiments von Qualitäts- und Edelstählen für unterschiedliche Zwecke.

Die Durchführung der Prozesse des Frischens und Gar schmelzens in großen, hochproduktiven Stahlschmelzaggregaten unabhängig von ihren technischen Daten ist überaus schwie rig und ist mit einer langen Schmelz dauer und schlechten technisch-ökonomischen Kennwerten verbunden. Darum werden die technologischen Ar beitsgänge des Frischens oder der Behandlung des Stahls (Entkohlung, Entgasung, Entschwefelung, Desoxydation, Legie rung usw.) außerhalb der Schmelzaggregate vorgenommen, d. h. in für diese Zwecke spezialisierten Anlagen.

Die modernen Verfahren der Außerofenbehandlung des Me talls sehen die Anwendung von Vakuum, inerten und aktiven Gasen pulverförmigen, hochreaktiven Desoxydations- und Mo difizierungsmitteln sowie auch ein intensives Mischen und Erhitzen der reagierenden Phasen vor. In bezug auf die Ge schwindigkeit und Vollkommenheit des Reaktionsablaufs und des Grads der Reinigung des Metalls von schädlichen Bei mengungen haben diese Methoden wesentliche Vorzüge im Ver gleich zu den Besonderheiten ihrer Durchführung in Schmelz aggregaten.

Das Stranggießen des Strahls, bei dem an die Qualität des Metalls (Gehalt an Schwefel, Gasen und nichtmetalli schen Verunreinigungen, Gleichförmigkeit der Temperatur und der Zusammensetzung) höhere Anforderungen gestellt werden, trägt zu einer breiten Anwendung der Außerofenbehandlung des Stahls bei.

Mit Hilfe der Außerofenbehandlung von Stählen werden solche Aufgaben des Stahlschmelzbetriebs erfolgreich ge löst wie die Entfernung des Wasserstoffs aus dem Stahl bis zum Niveau der Flockenfestigkeit, die gesteuerte Stahl desoxydation mittels des Kohlenstoffs, die Ausbildung ei ner vorgegebenen Struktur der nichtmetallischen Einschlüs se im Stahl, die genaue Legierung zur Erzielung eines vor gegebenen Gehalts an Elementen mit engen Schwankungsbe reichen, der Ausgleich der Temperatur und der Zusam mensetzung des Metalls im gesamten Volumen der Pfanne, die Tiefentkohlung gewöhnlicher und legierter Schmelzen und die Entschwefelung (beim Vorhandensein von Mitteln zum Er hitzen und Durchmischen der Metalls und der Schlacke). Die Anwendung von Außerofenverfahren zum Frischen ermöglicht die Erzielung eines hohen ökonomischen Effekts durch Er höhung der Leistung der Stahlschmelzöfen, kürzere Dauer des Schmelzzyklus', Verringerung des Verbrauchs von Ferrole gierungen, Verringerung des durch fehlerhafte chemische Zu sammensetzung und durch Oberflächendefekte der fertigen Walzerzeugnisse verursachten Metallausschusses und durch Erhöhung der Qualität der fertigen Produktion und der Lebens dauer der Erzeugnisse.

Die Auswahl des Ofens und des Verfahrens zur Außerofen behandlung des Metalls wird durch das Sortiment der zu schmelzenden Stähle, die Anforderungen an die Qualität des fertigen Metalls, die Dauer der technologischen Zyklen und die Gießverhältnisse bestimmt.

Neben der Ausrüstung der Elektrostahlwerke mit Vakuum kammern vom Portionstyp und vom Zirkulationstyp ist auch die Errichtung von Vakuumkammern für die Aufnahme einer Gießpfanne mit Vorrichtungen zum Erhitzen und Durchmischen des Metalls oder zum Sauerstoffblasen unter Vakuum vorge sehen. In der Regel werden solche Vakuumkammern in Elektro stahlwerken errichtet, die mit Lichtbogenöfen mit einem Fassungsvermögen bis 200 t ausgerüstet sind, und für die Er zeugung von Lagerstählen, legierten Baustählen und ver schiedenen Sorten besonders niedriggekohlter korrosionsbe ständiger Stähle verwendet. Durch das Erhitzen des Metalls in der Pfanne entfällt die Notwendigkeit des Überhitzens des Metalls im Ofen, wodurch die Futterhaltbarkeit erhöht und die Leistung der Aggregate wesentlich gesteigert wird.

Die Projektlösungen neuer Elektrostahlwerke müssen im Grundriß die Anordnung von Ausrüstungen vorsehen, die das komplexe Frischen des Stahls durch Vakuum, neutrale Gase und pulverförmige Reaktanten bei Verwendung elektrischer Beheizung und des Durchmischens des Metalls und der Schlacke in der Pfanne gewährleisten.

Es ist ein Verfahren zum Erhitzen des geschmolzenen Metalls bei dessen Evakuierung und eine Anlage für die Re alisierung dieses Verfahrens bekannt (US-PS 35 01 289).

Das bekannte Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines Vakuums über dem Spiegel des geschmolzenen Metalls für des sen Entgasung und das Erhitzen des geschmolzenen Metalls durch einen Wechselstromlichtbogen, der zwischen einer Elektrode und der Schmelze brennt. Zur Erzielung einer bes seren Entgasung muß die Schmelze durchmischt werden, was durch konvektiven Wärmeaustausch geschieht, der auf Grund des Temperaturunterschieds zwischen dem unmittelbar mit dem Lichtbogen in Berührung stehenden Volumen des Metalls und dem übrigen Metall entsteht. Beim Brennen des Lichtbogens entstehen hohe Wärmeverluste infolge der Wärmestrahlung, deswegen ist das Verfahren durch einen geringen energeti schen Wirkungsgrad des Erhitzens der Schmelze gekennzeich net. Die Realisierung des Verfahrens wird in erheblichem Maß durch die Notwendigkeit der Erzeugung eines Vakuums er schwert. Außerdem sind bei der oben beschriebenen Technolo gie der Realisierung des Verfahrens solche Arbeitsgänge bei der Behandlung der Schmelze technisch schwer realisierbar wie das Legieren, das Entkohlen, die Desoxydation usw. sowie auch die Entschwefelung und die Entphosphorung, die mit dem Schlackemachen in Zusammenhang stehen.

Das bekannte Verfahren wird in einer Anlage realisiert, die eine Vakuumkammer enthält, in der ein Behälter mit dem flüssigen Metall untergebracht ist.

Im Gehäuse der Vakuumkammer ist eine Vorrichtung zur Befestigung einer nicht abschmelzenden Elektrode montiert. Die Elektrode kann in waagerechter und senkrechter Ebene bewegt werden. Außerdem existiert ein Mittel für die Zufüh rung eines Potentials von einer Wechselstromquelle zur Schmelze.

Die Anlage zum Erhitzen der Schmelze unter Vakuum ist kompliziert auf Grund der Notwendigkeit der Aufrecht erhaltung des Vakuums.

Gegenwärtig hat die Behandlung von Schmelzen durch Plasmaströme zur Intensivierung der Wärme- und Stoff austauschprozesse in Schmelzen weite Verbreitung ge funden.

Es ist ein Verfahren zum Frischen von Metallschmelzen bekannt (DE-AS 12 17 986).

Das bekannte Verfahren beinhaltet die Oxydation der Schmelze durch ein oxydierendes Gas zur Verringerung des Kohlenstoffgehalts in der Schmelze und das Erhitzen der oxy dierten Schmelze duch einen Plasmastrom, der von einem Inertgas erzeugt wird. Gleichzeitig wird in das Inertgas ein zweiatomiges Gas als aktiver Reaktant zugeführt. Als zwei atomiges Gas verwendet man Wasserstoff zur Desoxydation der Schmelze. Dabei wird der Wasserstoff in das Inertgas in solch einer Menge zugeführt, daß das Plasma hauptsächlich aus Wasserstoff besteht. Nach der Desoxydation der Schmelze verwendet man als plasmabildendes Gas erneut ein Inertgas, z. B. Argon.

Die Bildung eines Plasmastroms über der Oberfläche der Schmelze ist mit erheblichen Wärmeverlusten durch Strahlung verbunden. Dieser Umstand verringert den energetischen Wir kungsgrad.

Die Verwendung des bekannten Verfahrens zum Frischen von Metallschmelzen ist unökonomisch auf Grund der niedri gen Ablaufgeschwindigkeit der Wärme- und Stoffaustausch prozesse an der Grenze Schmelze - Plasma, wodurch die Dauer des Frischens zunimmt. Außerdem kann es passieren, daß nicht das gesamte Volumen der Schmelze in die Behandlung einbe zogen wird.

Das bekannte Verfahren gewährleistet nicht die Durch führung solcher Arbeitsgänge wie die Entschwefelung und die Entphosphorung, die mit dem Schlackemachen in Zusam menhang stehen, auf Grund des Fehlens eines wirkungsvollen Durchmischens der Schmelze an der Grenze Metall - Schlacke - Plasmastrom. Außerdem ist es praktisch nicht möglich, das Legieren der Schmelze auf die bekannte Weise vorzuneh men, daß kein Temperaturausgleich und keine Homogenisierung des Metalls in dessen gesamtem Volumen infolge eines schwa chen Durchmischens, das nur durch konvektiven Wärmeaustausch bewirkt wird, vonstatten gehen.

Das bekannte Verfahren wird in einer Vorrichtung durch geführt, die eine Pfanne für die Metallschmelze und einen Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmastroms mit niedri ger Temperatur enthält, der über dem Schmelzspiegel ange bracht ist und eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann.

Erhebliche Wärmeverluste durch Strahlung verursachen eine Verkürzung der Lebensdauer der feuerfesten Pfannen auskleidung infolge der hohen Wärmebelastung. Dem erfindungsgemäßen Verfahren am nächsten kommt ein Ver fahren zum Frischen von flüssigem Metall durch einen Gleich strom - Plasmalichtbogen und eine Vorrichtung zur Realisie rung dieses Verfahrens (US-PS 35 47 622).

Das bekannte Verfahren beinhaltet die Bildung eines niedertemperaturigen Plasmastroms, der beim Durchlassen eines plasmabildenden Gases durch einen Lichtbogen entsteht, die Zuführung des Niedertemperaturplasmas zur Schmelze, und zwar zum flüssigen Stahl, und deren Erhitzen, die Erzeugung eines Vakuums über dem Spiegel der Schmelze, durch die ein Gleichstrom geleitet wird, wodurch ein magnetisches Gleich feld entsteht, das mit dem Magnetfeld des Lichtbogens in Wechselwirkung tritt, wodurch ein Durchmischen der Schmel ze stattfindet. Beim Evakuieren der Schmelze, beim Mischen und bei der Behandlung der Schmelze durch einen Nieder temperaturplasmastrom kommt es zur Entgasung der Schmelze.

Beim Brennen des Lichtbogens entstehen große Wärme verluste durch Strahlung. Darum hat das bekannte Verfahren einen geringen energetischen Wirkungsgrad der Erhitzung der Schmelze. Die Realisierung des Verfahrens wird in er heblichem Maß erschwert durch die Notwendigkeit der Erzeu gung eines Vakuums. Außerdem sind bei der oben beschriebe nen Technologie der Realisierung des Verfahrens solche Ar beitsgänge bei der Behandlung der Schmelze technisch schwer realisierbar wie das Legieren, die Desoxydation usw. und auch die Entschwefelung und die Entphosphorung, die mit dem Schlackemachen in Zusammenhang stehen. Das bekannte Ver fahren zur Behandlung der Schmelze hat eine niedrige Lei stung infolge der Schwierigkeiten bei der Gewährleistung eines wirkungsvollen Durchmischens der Schmelze, das durch einen erheblichen Energieaufwand gekennzeichnet ist, und infolge der kleinen Kontaktfläche zwischen der Schmelze und dem Hochtemperaturlichtbogen, wo am wirkungsvollsten die Wärme- und Stoffaustauschprozesse ablaufen. Des weiteren können sich beim Mischen Stillstandszonen bilden.

Das bekannte Verfahren wird in einer Vorrichtung re alisiert, die zwei Wannen für das geschmolzene Metall ent hält, die in einer senkrechten Ebene übereinander ange ordnet und durch zwei Metalleitungen verbunden sind. Eine der Wannen hat einen Plasmabrenner zur Erzeugung eines Nie dertemperaturplasmastroms, der in einer senkrechten Ebene eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann und über dem Schmelzspiegel angebracht ist. In dieser Wanne wird ein Vakuum aufrechterhalten. Zur Erzeugung eines Niedertempera turplasmastroms besitzt die Vorrichtung eine Gleichspan nungsquelle.

Zum Zwecke des gleichzeitigen Erhitzens, Mischens und Entgasens des flüssigen Stahls unter Vakuum stößt die Säule des ionisierten Gases des Plasmalichtbogens auf die Ober fläche des Metalls auf, und durch diese Säule fließt in die flüssige Schmelze ein starker Gleichstrom. Das magnetische Gleichfeld, das durch die Schmelze senkrecht zur Bewegungs richtung des Stroms des Lichtbogens verläuft, tritt mit dem Magnetfluß in Wechselwirkung, der von dem erwähnten Strom des Lichtbogens erzeugt wird, und bewegt den flüssigen Stahl am Umfang eines Quadrats entlang.

Die verwendete Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen ist kompliziert in der konstruktiven Ausführung durch die Anbringung von zwei Wannen, die mit Feuerfest stoffen ausgekleidet sind, und durch die Notwendigkeit der Erzeugung eines Vakuums über die Schmelze.

Durch den starken Strom des Plasmalichtbogens und die Zirkulation der Schmelze ist die Futterhaltbarkeit der Metalleitungen und der Wannen gering. Der Umstand verdient Beachtung, daß im gegebenen Fall die Behandlung des flüs sigen Metalls periodisch erfolgt, da beim Entfernen der be handelten Schmelze und beim Einbringen einer neuen Schmelze der hermetische Abschluß der Wannen geöffnet werden muß, was ebenfalls den technologischen Prozeß kompliziert ge staltet.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Behandlung von Schmelzen und eine Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen zu schaffen, in denen die Heranführung des Niedertemperaturplasmastroms und die Zu führung von Zusätzen in die Schmelze so vorgenommen werden, daß eine Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen dem Niedertemperaturplasmastrom und der Schmelze, eine Erhöhung des energetischen Wirkungsgrads der Erhit zung der Schmelze und außerdem eine Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen der Schmelze und den Zu sätzen und eine Verbesserung der mechanischen und Betriebs kennziffern der Legierungen bei einer einfachen konstrukti ven Ausführung der Vorrichtung erzielt wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Verfah ren zur Behandlung von Schmelzen, das die Bildung eines Niedertemperaturplasmastroms, der beim Durchlassen eines plasmabildenden Mittels durch einen Lichtbogen entsteht, und die Heranführung des Niedertemperaturplasmastroms an die flüssige Schmelze beinhaltet, gemäß der Erfindung die Heran führung des Niedertemperaturplasmastroms ins Innere des Volumens der Schmelze von Seiten des Spiegels der Schmelze mit einer Geschwindigkeit bis ca. 1500 m/sec zum Durchmi schen der Schmelze vorgenommen wird und Zuschläge zuge setzt werden, nachdem sie vorher durch den Plasmastrom hin durchgeführt worden sind.

Die Heranführung des Niedertemperaturplasmastroms ins Innere des Volumens der Schmelze ermöglicht eine erhebli che Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen dem Plasma und der Schmelze. In diesem Fall wird praktisch die gesamte Wärmeenergie des Plasmastroms zum Erhitzen der Schmelze genutzt, da die aufsteigenden Blasen des plasma bildenden Gases, das eine wesentlich höhere Temperatur als die Schmelze hat, ihre Wärmeenergie an die Schmelze abge bogen. Die höhere Wärmeenergie des Plasmastroms gewähr leistet eine höhere Reaktionsfähigkeit des plasmabildenden Gases, was den Stoffaustausch zwischen dem Plasma und der Schmelze intensiviert. Außerdem ermöglicht die Realisierung des Verfahrens die wirkungsvollste Ausnutzung der Vorteile der Plasmatechnologie, und zwar der Möglichkeit einer Zu führung von legierenden und schlackenbildenden Zuschlägen mit hoher Reaktionsfähigkeit, die durch das Erhitzen oder Schmelzen der Zuschläge im Plasmalichtbogen gewährleistet wird. Gleichzeitig ergibt sich die Möglichkeit, die Be handlung der Schmelze bei tieferen Temperaturen zu beginnen, da der Plasmalichtbogen eine wirkungsvolle Wärmequelle dar stellt, die außerdem, da sie in die Metallschmelze eingetaucht ist, einen höchstmöglichen Wärmewirkungsgrad durch Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung gewährleistet.

Bei der Realisierung des Verfahrens ist es zweckmäßig, stickstoffhaltige Stoffe als Zuschläge zu verwenden.

Die Verwendung stickstoffhaltiger Zuschläge ist be sonders effektiv bei der Legierung z. B. korrosionsbeständi ger und verschleißfester Stähle, die austenitbildende Ele mente wie Nickel und Mangan enthalten, um diese Elemente teilweise zu ersetzen.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht die Verwendung schlackenbildender Zuschläge als Zu satz vor, die bis zu einer Teilchengröße von 0,1 bis 1,0 mm vorher gemahlen werden.

Die Geschwindigkeit einer Reihe von Prozessoren in den Wannen der Stahlschmelzaggregate (Schlackenbildung, Ent phosphorung, Entschwefelung u. a.) bleibt erheblich hinter der Geschwindigkeit der Entkohlung und des Erhitzens des Metalls zurück.

Die Verwendung schlackenbildender Zuschläge in pul verförmiger Form, die vorher im Plasmalichtbogen aktivi siert worden sind und die in das Volumen der Schmelze zur Gewährleistung einer höchstmöglichen Entwicklung der Ober fläche Metall - Schlacke hineingebracht werden, schafft Be dingungen zur Erreichung einer maximalen Geschwindigkeit der Entphosphorung, der Entschwefelung u. a.

Es ist zweckmäßig, daß bei Verwendung schlackenbildender Zuschläge das plasmabildende Mittel Sauerstoff in einer Men ge von 0 bis 100% bezogen auf das Volumen des plasmabil denden Mittels enthält.

Der Sauerstoff in den genannten Mengen trägt zur Bil dung einer hochaktiven Eisen-Kalk-Schlacke bei, wobei die letztere im Volumen der Schmelze entsteht und die Ent phosphorung sich schon während des Aufschwimmens der Schlac kenteilchen vollzieht, was ein wirkungsvolles Durchmischen der Schmelze gewährleistet.

Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen, die ei nen Plasmabrenner zur Erzeugung eines Niedertemperaturplas mastroms enthält, der in einer senkrechten Ebene eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann und der über dem Spiegel der Schmelze angebracht ist, gemäß der Erfindung der Plasmabrenner mit einem Ansatzstück versehen ist, das mit der zur Schmelze hin gerichteten Stirnseite des Plasmabren ners verbunden ist und das einen Eintrittsquerschnitt hat, der im wesentlichen dem Austrittsquerschnitt des Plasmabren ners an der Austrittsstelle des Niedertemperaturplasma stroms gleicht, wobei die Länge des in die Schmelze getauchten Teils des Ansatzstücks das 0,1- bis 0,8fache der Höhe der Säule der Schmelze beträgt.

Das Vorhandensein eine mit der Stirnseite des Plasma brenners verbundenen Ansatzstückes schafft die Vorausset zungen zum Hinleiten des Niedertemperaturplasmastroms ins Innere der Schmelze und gewährleistet die Zuführung der vorher aktivisierten Zuschläge unter den Spiegel der Schmel ze und eine Intensivierung des Stoffaustausches. Die Zu führung des Niedertemperaturplasmastroms und der Zuschläge ins Innere der Schmelze gewährleistet die Entstehung einer hochentwickelten Oberfläche an der Grenze Schmelze - Schlacke - Gas und als Folge eine Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches und eine Einsparung an schlackenbildenden und anderen Zusätzen.

Der Plasmabrenner kann auch in horizontaler Ebene be weglich aufgestellt werden.

Dadurch kann die Schmelze im gesamten Volumen, u. a. auch am äußeren Rand behandelt werden, was einen schnel leren Ausgleich der Temperatur und der Zusammensetzung der Schmelze gewährleistet. Es ist erwähnenswert, daß eine Be wegung des Plasmabrenners in horizontaler Ebene bei großen Mengen (mehr als 5 t) der zu behandelnden Schmelze beson ders zweckmäßig ist.

Es ist vorteilhaft, einen Plasmabrenner vom Flammen strahlschema zu verwenden. Solch ein Schema ist am aussichts reichsten bei der Zugabe von Zuschlägen in die Schmelze, wenn die Schmelze selbst nicht stark erhitzt zu werden braucht. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit der Anwendung ei ner speziellen Elektrode für die Zuführung eines Potentials an die Schmelze.

Man kann einen Plasmabrenner mit einem äußeren Plasma lichtbogen in dem Fall verwenden, wenn die Schmelze stark erhitzt werden muß und wenn schwerschmelzbare Zuschläge eingesetzt werden, die eine höhere Temperatur des Plasma stroms zum Schmelzen erfordern.

Es ist zweckmäßig, das Ansatzstück am Austrittsquer schnitt mit einer Platte zu versehen, die eine mittlere Öffnung, die koaxial zur inneren Öffnung des Ansatzstücks liegt, und senkrechte, durchgehende Kanäle hat, deren Anzahl vom Mittelpunkt zum Außenrand der Platte zunimmt.

Diese Platte wird zum Zweck einer Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen dem Plasma und der Schmelze angebracht und dient der Verlängerung des Wegs der Gasblasen durch die Schmelze und der Zeitdauer, in der sie sich in der Schmelze befinden. Dabei werden die Blasen auf wirkungsvolle Weise zerkleinert. Die beste Zerkleinerung wird dann erzielt, wenn die erwähnte Platte zusätzlich mit senkrechten, durchgehenden Kanälen versehen ist, durch die das aufsteigende Gas, sobald es in die Kanäle gelangt, zer teilt wird und gleichmäßig durch das gesamte Volumen der Schmelze über der Platte aufsteigt.

Das Ansatzstück kann in der Zone des Eintrittsquer schnitts eine Öffnung für die Einführung der Zuschläge ha ben. Solch eine Öffnung erzeugt die gewünschte Wirkung bei der Zugabe pulverförmiger Zuschläge in die Schmelze.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch ei ne ausführliche Beschreibung eines konkreten Ausführungs beispiels mit Hinweisen auf die Zeichnungen er läutert, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen mit senkrechtem Schnitt der Pfanne und örtlichen Ausschnitten des Mechanismus' zum He ben und Schwenken des Plasmabrenners;

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von Schmel zen beinhaltet die Bildung eines Niedertemperaturplasma stroms, der beim Durchlassen eines plasmabildenden Stoffs durch einen Lichtbogen entsteht.

Den plasmabildenden Stoff wählt man aus der aus Argon, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder deren Mischun gen bestehenden Reihe aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht außerdem das Her anführen eines Niedertemperaturplasmastroms an die Metall schmelze vor.

Während der Behandlung der Schmelze wird eine Leistung des Lichtbogens von 50 kW bis 5,0 MW bei einer Menge der Schmelze von 100 kg bis 25 000 kg aufrechterhalten. Die Her anführung des Niedertemperaturplasmastroms geschieht ins Innere des Volumens der Schmelze von der Seite des Spie gels der Schmelze her mit einer Geschwindigkeit bis 1500 m/sec, wodurch die Schmelze durchmischt wird. Vor der Zu gabe der Zuschläge werden diese durch den Plasmastrom hin durchgeführt.

Als Zuschläge verwendet man sticktoffhaltige Zu schläge, z. B. reinen Stickstoff, ein Gemisch aus Stick stoff und Argon oder vorher bis zu einer Teilchengröße von 0,1 bis 1,0 mm zerkleinerte schlackenbildende Zusätze, z. B. die Pulver legierender Elemente (Titan, Wolfram u. a.), Kalk, Flußspat u. a.

Bei Verwendung schlackenbildender Zuschläge enthält der plasmabildende Stoff den Sauerstoff in einer Menge von 0 bis 100% bezogen auf das Volumen des plasmabildenden Stoffs.

Die Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen ent hält einen Plasmabrenner 1 (Fig. 1) zur Erzeugung eines Nie dertemperaturplasmastroms 2. Der Plasmabrenner 1 kann in senkrechter Ebene eine hin- und hergehende Bewegung aus führen und ist über dem Spiegel der Schmelze 3 angebracht, die sich in einem speziellen Behälter 4 befindet, z. B. in einer Pfanne oder einem Sammler. Der Plasmabrenner 1 hat ein Ansatzstück 5, das mit der zur Schmelze 3 hin gerichteten Stirnseite des Plasmabrenners 1 verbunden ist und das einen Eintrittsquerschnitt hat, der im wesentlichen dem Austritts querschnitt des Plasmabrenners 1 an der Austrittsstelle des Niedertemperaturplasmastroms 2 gleicht, und die Länge des in die Schmelze 3 getauchten Teils des Ansatzstücks 5 be trägt das 0,1- bis 0,8fache der Höhe der Säule der Schmelze 3.

Zur Gewährleistung einer hin- und hergehenden Bewegung des Plasmabrenners 1 mit dem Ansatzstück 5 in senkrechter Ebene wird ein Antrieb verwendet, der eine Fundamentplatte 6 beinhaltet, über der auf einer Kugelstütze 7 eine Grund platte 8 montiert ist, an der ein Ständer 9 und die Gehäu se einer unteren 10 und einer oberen 11 Stütze befestigt sind. In den Stützen 10, 11 ist in einem speziellen un teren 12 und einem oberen 13 Traglager eine Spindel 14 befestigt. Die Spindel 14 wird von einem Motor 15 über ei nen Zahnradtrieb 16 in Drehung versetzt. Auf der Spindel 14 sitzt eine Mutter 17, die eine Translationsbewegung ausführt.

Zur Verhinderung eines Durchdrehens der Mutter 17 mit der Spindel 14 ist am Ständer 9 eine Nut 9′ ausgeführt, die die Mutter 17 hält. An der Mutter 17 ist eine Konsole 18 befestigt, an der der Plasmabrenner 1 mit dem Ansatz stück 5 angebracht wird.

Die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht die Möglichkeit einer Bewegung des Plasmabrenners 1 in einer horizontalen Ebene vor. Zu diesem Zweck dreht sich der beschriebene Antrieb auf den Kugelstützen 7 um seine Achse.

Die Vorrichtung sieht die Verwendung eines Plasma brenners 1 mit einem Flammenstrahlschema (in der Figur nicht abgebildet) oder mit einem Schema mit einem in Fig. 1 ab gebildeten äußeren Plasmalichtbogen vor.

Bei der Behandlung von Schmelzen nach der ersten Va riante brennt die Lichtbogen zwischen der Anode und der Ka tode des Plasmabrenners 1, der nach dem Flammenstrahl schema funktioniert.

Wenn ein Plasmabrenner 1 mit einem äußeren Plasma lichtbogen verwendet wird, brennt der letztere zwischen der Katode und der Schmelze 3, an die der Pluspol einer Gleich stromquelle 19 mit Hilfe einer speziellen Elektrode 20 an gelegt ist. Die Elektrode 20 kann in die Schmelze von Sei ten des Spiegels der Schmelze getaucht oder im Boden oder in der Seitenwand des Behälters für die Behandlung der Schmelze installiert werden.

Das Ansatzstück ist am Austrittsquerschnitt mit einer Platte 21 (Fig. 2) versehen, die eine mittlere Öffnung 22 hat, die koaxial zur inneren Öffnung des Ansatzstücks 5 (Fig. 1) liegt.

Die Platte 21 kann sowohl geschlossen, als auch mit senkrechten, durchgehenden Kanälen 23 (Fig. 2) versehen sein, deren Anzahl vom Mittelpunkt der Platte 21 zu ihrem Außen rand zunimmt. Während der Behandlung der Schmelze 3 ist die Platte 21 vollkommen in die Schmelze 3 eingetaucht. Das er möglicht eine Intensivierung der Wärme- und Stoffaustausch prozesse zwischen dem Plasma 2 und der Schmelze 3 durch eine Verlängerung des Wegs der Gasblasen 2′ durch die Schmelze 3 und eine Zerkleinerung der Blasen beim Durch gang durch die senkrechten Kanäle 23 der Platte 11. Der äußere Durchmesser der Platte 21 bewegt sich in den Grenzen von ¹/₃ bis ¹/₂ des inneren Durchmessers des Behälters 4, in dem die Behandlung der Schmelze 3 vorgenommen wird. Eine solche Größe der Platte gewährleistet die Realisierung des Prozesses und die höchstmögliche Effektivität der Behand lung.

Die senkrechten Kanäle 23 der Platte 21 können einen runden oder quadratischen Querschnitt haben.

Die optimale Abmessung der Öffnungen der Kanäle 23 be trägt 8 bis 10 mm.

Bei einem größeren Durchmesser der Öffnungen (oder bei einer größeren Seitenlänge des Quadrats) als 10 mm kann es zu einer ungleichmäßigen Funktion der Kanäle kommen, da das Gas hauptsächlich durch den auf einer Seite des Ansatz stücks 5 gelegenen Teil der Kanäle hindurchgehen kann. Bei einer Abmessung der Kanäle 23 unter 8 mm kann, wie Versuche gezeigt haben, die Erscheinung einer scheinbaren Verstopfung der Kanäle auftreten, d. h. die Kanäle lassen das Gas nicht hindurch.

Der Gasplasmastrahl wird beim Durchgang durch die Ka näle 23 zerkleinert und steigt über der Platte 21 in Form kleiner Blasen 2′ auf, wobei eine stark entwickelte Ober fläche Gas - Metall gewährleistet wird. Zur Gewährleistung der Behandlung des gesamten Volumens der Schmelze über der Platte 21 und zur Vermeidung von Fällen, bei denen das ge samte Gas durch die zur inneren Öffnung der Platte 21 nächst gelegenen Kanäle 23 hindurchströmt, sind die letzteren un gleichmäßig angeordnet.

Das Ansatzstück 5 hat in der Zone des Eintrittsquer schnitts eine Öffnung 24 (Fig. 1) für die Zuführung von Zu schlägen. Das ermöglicht es, die pulverförmigen Zuschläge durch den Plasmastrom 2 hindurchzuleiten und in das Volu men der Schmelze 3 einzuführen.

Die Vorrichtung für die Behandlung von Schmelzen in einer Pfanne funktioniert folgendermaßen.

Der Behandlung wird ein hochlegierter Manganstahl un terzogen. Das Schmelzen geschieht in einem Induktionsofen. Die Schmelze gießt man aus dem Ofen in eine Gießpfanne 4 mit Hilfe eines Antriebs zum Anheben und Schwenken.

Dann gibt man Wasser in ein Wasserversorgungssystem 25 zum Abkühlen der Konstruktionselemente des Plasmabrenners 1. Gleichzeitig wird die Zufuhr eines plasmabildenden Gases durch einen Stutzen 26 eingeschaltet. Dann schaltet man die Stromquelle 19 ein, legt eine Spannung an den Plasmabren ner 1 an und zündet einen Lichtbogen.

Den Plasmabrenner 1 mit dem Ansatzstück 5 bewegt man nach unten, wodurch das Ansatzstück 5 in die Schmelze 3 eingetaucht wird. Dadurch entsteht eine Formzone, in der die Behandlung der Schmelze vor sich geht.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im fol genden konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ange führt.

Beispiel 1

In einem Induktionsofen wird ein Stahl mit folgender chemischer Zusammensetzung geschmolzen, Masseprozent: Koh lenstoff 0,36%, Silizium 0,29%, Mangen 0,61%. Dann gießt man die Schmelze in eine Gießpfanne mit 160 kg Inhalt und führt den Plasmabrenner mit Hilfe des Mechanismus' zum Heben und Bewegen heran. Dann schaltet man den Plasmabrenner bei fol genden Betriebsdaten ein: Lichtbogenstrom 350 A, Verbrauch des plasmabildenden Gases (Argon) 3,2 g/s. Danach taucht man das Ansatzstück des Plasmabrenners 60 mm tief in die Schmel ze ein und führt die Behandlung im Verlauf von 10 Minuten durch. Anschließend wird das Metall vergossen.

Gleichzeitig werden Proben zur Bestimmung der mechani schen Eigenschaften abgegossen. Die hergestellten Probekör per wurden luftgehärtet. Der behandelte Stahl weist fol gende mechanische Eigenschaften auf: σ _b - 560 MPa, δ - 23%, ψ - 28%, KCV - 460 kJ/m². σ _b - Zugfestigkeit, δ - re lative Drehung.

Zum Vergleich hat der gleiche Stahl ohne Behandlung folgende mechanische Eigenschaften: σ _b - 480 MPa, δ - 16%, ψ - 21%, KCV - 355 kJ/m². Untersuchungen von ge gossenem Metall nach einer Plasmabehandlung stellten eine Verringerung der Menge nichtmetallischer Einschlüsse um 30 bis 50% im Vergleich zu Stahl der gleichen Zusammenset zung, der aber keiner Plasmabehandlung unterworfen worden ist, fest. Die nichtmetallischen Einschlüsse werden dabei zerkleinert, bekommen einen geometrischen Ausgleich und sind gleichmäßig im Metall verteilt.

Außerdem wurde eine wesentliche Verringerung des Ge halts an Gasen im durch ein Plasma behandelten Metall fest gestellt. So z. B. wurde eine Verringerung des Sauerstoff gehalts von 0,0035% bis auf 0,0024% beobachtet. Der unter suchte Stahl hat nach der Plasmabehandlung einen niedrigen Wasserstoffgehalt, und zwar 0,00065%, was erheblich gerin ger ist als beim Ausgangsmetall mit einem Wasserstoffge halt von 0,00085%. Diese positiven Faktoren gewährleisten eine wesentliche Verbesserung der mechanischen und Nut zungseigenschaften von Gußerzeugnissen.

Beispiel 2

Behandelt wird ein in einem Induktionsofen geschmol zener verschleißfester Stahl mit folgender chemischer Zu sammensetzung, in Masseprozent: Kohlenstoff 1,10%, Mangan 12,20%, Silizium 0,83%, Titan 0,09%, Schwefel 0,037%, Phosphor 0,074%, Stickstoff 0,0072%. Dann gießt man die Schmelze in einer Gießpfanne mit 160 kg Inhalt, in der die Schmelze durch Stickstoff auf dem Plasmalichtbogen, der in die Schmel ze mit Hilfe des Ansatzstücks getaucht ist, legiert wird.

Der Plasmabrenner wird mit folgenden Betriebsdaten ein geschaltet: Lichtbogenstrom 300 A, Verbrauch des plasma bildenden Gases (Stickstoff) 4,5 g/s. Das untere Ende des Ansatzstücks ist 50 bis 60 mm tief in das Metall eingetaucht. Solche eine Betriebsweise bei der Behandlung gewährleistet ein effektives Durchmischen des Metalls und des Gases, was zur Bildung einer stark entwickelten Oberfläche des Wärme- und Stoffaustausches führt. Das Metall hat nach dem Bla sen im Verlauf von 12 Minuten folgende chemische Zuammen setzung: Kohlenstoff 1,07%, Mangan 12,0%, Silizium 0,75%, Schwefel 0,032%, Phosphor 0,068%, Stickstoff 0,065%. Nach der Behandlung hat der Stahl folgende mechanische Kenn werte: σ _b - 760 MPa, σ _T - 570 MPa, δ - 20,8%, ψ - 24,1%, KCV - 2100 kJ/m².

Der Ausgangsstahl hat folgende mechanische Kennwerte: σ _b - 680 MPa, σ _T - 390 MPa, δ - 19,2%, ψ - 23,2%, KCV - 1980 kJ/m².

Zum Zweck der Modellierung der Verhältnisse beim Stoß- und Schleifverschleiß wurden die Probeversuche in einer Kugelmühle durchgeführt, die aus zwei Trommeln besteht, die unter einem Winkel von 45% relativ zu ihrer Achse ange ordnet sind. Die Innenabmessungen der Trommeln sind folgen de: Durchmesser 200 mm, Länge 320 mm. Die Trommeln drehten sich mit 33 Umdrehungen pro Minute. Jede Trommel wurde mit 10 kg Stahlkugeln (HRC 50) mit 50 mm Durchmesser, 6 kg Granitsplitt mit bestimmter Größe (10 bis 20 mm) und Pro bekörpern aus dem zu erprobenden Stahl mit den Abmessungen 10 × 10 × 25 mm beschickt. Die Verschleißfestigkeit des Stahls wurde nach dem Wert des relativen Verschleißes ein geschätzt. Als Vergleichsgegenstand wurde ein Probekörper aus dem Ausgangsstahl herangezogen.

Untersuchungen haben gezeigt, daß der mit Stick stoff nach der erfindungsgemäßen Technologie legierte Stahl eine um 30% höhere Verschleißfestigkeit als der Ausgangs stahl hat.

Beispiel 3

In einem Induktionsofen wird ein Roheisen mit folgen der chemischer Zusammensetzung geschmolzen, Masseprozent: Kohlentoff 3,98%, Silizium 0,91%, Mangan 0,52%, Phosphor 0,110%, Schwefel 0,026%. Aus dem Ofen gießt man die Schmel ze in eine Gießpfanne mit 160 kg Inhalt. Die Temperatur des Metalls vor der Behandlung beträgt 1260°C. Den betriebs fertigen Plasmabrenner führt man an die Gießpfanne heran und bringt ihn über der Schmelze in Stellung. Dann schaltet man den Plasmabrenner bei folgenden Betriebsdaten ein:
Lichtbogenstrom - 300 bis 400 A, Spannungsabfall - 180 bis 250 V, Verbrauch des plasmabildenden Gases - 4 g/s. Das plasmabildende Gas besteht aus Argon (95%) und Sauerstoff (5%). Das Ansatzstück wird 70 bis 80 mm tief in die Schmel ze getaucht. Gleichzeitig setzt man der Schmelze durch den Plasmabrenner schlackenbildende Zuschläge in Form eines feindispergierten Pulvers zu (die Teilchengröße wird ausge hend von der Bedingung der Gewährleistung der Betriebsfähig keit des Plasmabrenners bestimmt) mit folgender Zusammen setzung, Masseprozent: 80% Kalk und 20% Flußspat. Der Ge samtverbrauch des Pulvers beträgt 13 kg/t.

Die Teilchen des Pulvers laufen durch den Plasmalicht bogen und gelangen in die Schmelze in erhitztem oder ge schmolzenem Zustand. In der Blaszone sind Bedingungen für ein effektives Durchmischen des schlackenbildende Stoffe ent haltenden Gasplasmastrahls und des geschmolzenen Metalls ge schaffen. Der sich im Zustand eines Plasmas befindende Sauer stoff trägt zur Bildung einer hochaktiven Eisen-Kalk- Schlacke im Volumen der Schmelze während des Blasens bei. Im Ergebnis laufen schnell und wirksam die Prozesse der Ent phosphorung ab, wobei diese Prozesse sich in der Blaszone und weiter beim Aufschwimmen der Schlackenteilchen voll ziehen. Nach dem Blasen im Verlauf von 3 Minuten wurde ei ne Erhöhung der Temperatur des flüssigen Roheisens bis auf 1285°C beobachtet.

Nach der Behandlung der Schmelze durch den Gasplasma strahl wird abgeschlackt und die Desoxydation und der Ab stich des Metalls vorgenommen.

Das Roheisen hat nach der Behandlung folgende chemische Zusammensetzung, Masseprozent: Kohlenstoff - 3,60%, Silizi um - Spuren, Mangan - Spuren, Phosphor - 0,015%, Schwefel - 0,018%.

Industrielle Anwendbarkeit

Besonders erfolgreich kann die vorliegende Erfindung bei der Herstellung gewöhnlicher Eisen - Kohlenstoff - Legie rungen, von Legierungen, die teuere und Engpaßelemente ent halten, von Speziallegierungen wie z. B. verschleißfeste, korrosionsbeständige, hitzebeständige und feuerfeste Le gierungen und auch von Spezialroheisen und Buntmetallegie rungen, z. B. Aluminiumlegierungen, verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Schmelzen, das die Bildung eines Niedertemperaturplasmastroms (2), der beim Durchlassen eines plasmabildenden Stoffs durch einen Licht bogen entsteht und die Heranführung des Niedertemperatur plasmastroms (2) an die flüssige Schmelze (3) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Her anführung des Niedertemperaturplasmastroms (2) ins Innere des Volumens der Schmelze (3) von Seiten des Spiegels der Schmelze mit einer Geschwindigkeit bis ca. 1500 m/sec zum Durchmischen der Schmelze (3) vorgenommen wird und die Zu schläge zugesetzt werden, nachdem sie vorher durch den Plasmastrom (2) hindurchgeführt worden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß stickstoffhaltige Stoffe als Zuschläge verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als Zusatzmittel schlackenbil dende Zuschläge verwendet werden, die vorher bis zu einer Teilchengröße von 0,1 bis 1,0 mm gemahlen worden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Verwendung schlackenbilden der Zuschläge das plasmabildende Mittel Sauerstoff in einer Menge von 0 bis 100% bezogen auf das Volumen des plasmabildenden Mittels enthält.

5. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens zur Behandlung von Schmelzen nach Anspruch 1, die einen Plasma brenner (1) zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmastroms (2) enthält, der in einer senkrechten Ebene eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann und der über dem Spiegel der Schmelze (3) angebracht ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Plasmabrenner (1) mit einem An satzstück (5) versehen ist, das mit der zur Schmelze (3) hin gerichteten Stirnseite des Plasmabrenners verbunden ist und das einen Eintrittsquerschnitt hat, der im wesentlichen dem Austrittsquerschnitt des Plasmabrenners (1) an der Austritts stelle des Niedertemperaturplasmastroms (2) gleicht, und die Länge des in die Schmelze getauchten Teils des Ansatz stücks (5) das 0,1- bis 0,8fache der Höhe der Säule der Schmelze (3) beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Plasmabrenner (1) in hori zontaler Ebene bewegbar aufgestellt ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmabrenner (1) vom Flammenstrahltyp verwendet wird.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmabrenner (1) mit einem äußeren Plasmalichtbogen verwendet wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7 oder 5, 6, 8, dadurch gekennzeichnet, daß das An satzstück (5) am Austrittsquerschnitt mit einer Platte (6) versehen ist, die eine mittlere Öffnung, die koaxial zur inneren Öffnung des Ansatzstücks (5) liegt, und senkrechte, durchgehende Kanäle (23) hat, deren Anzahl vom Mittelpunkt zum Außenrand der Platte zunimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ansatzstück (5) in der Zo ne des Eintrittsquerschnitts eine Öffnung (24) für die Ein führung von Zuschlägen hat.