DE3906340C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vakuumbehandlung von Metallen, insbesondere Stahl nach den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 3. Bei einer sogenannten Pfannenentgasung wird die mit Stahl gefüllte Abstichpfanne in eine große zylindrische Kammer gesenkt und diese daraufhin durch einen Deckel vakuumdicht verschlossen. Als Dichtung dient in der Regel ein Gummiring. Die Deckel werden entweder aus Stahlgußformen oder aus Blechkonstruktionen hergestellt. An der Unterseite der Deckel befindet sich ein Strahlungsschutz aus Blech und/oder feuerfester Stampfmasse. Auf dem Deckel befinden sich Zugabevorrichtungen und Beobachtungsfenster.

Die Vakuumerzeugung besteht üblicherweise aus mindestens vier Strahlern. Wird eine Stahlschmelze einem Unterdruck ausgesetzt, so bilden sich im Inneren des Stahls Gasblasen mit einem Druck, der vom Innendruck über der Schmelzbadoberfläche abhängig ist. Der nicht beruhigte Stahl mit hohem Sauerstoffgehalt löst über die Bildung von Kohlenoxid bereits bei Drücken von unter 200 Torr im Freiraum des Vakuumbehandlungsgefäßes eine Kochwirkung aus und spült hierdurch gleichzeitig den Wasserstoff und Stickstoff aus dem schmelzflüssigen Metall heraus, so daß bereits bei diesem relativ schlechten Vakuum eine Entfernung der Gase erfolgt. Bei weiterem Senken des Druckes kann das Kochen derartig heftig werden, daß beispielsweise schmelzflüssiger Stahl 1 Meter und höher in der Pfanne hochsteigt. Eine genügende Steighöhe durch die Wahl einer größeren Pfanne ist erforderlich, die Pfanne kann also nicht bis an ihren Rand gefüllt werden, sondern muß ein sogenanntes Freibord aufweisen. Bei bestehenden Stahlwerksanlagen sind die Pfannengrößen und Füllgewichte mit den Hebezeugen abgestimmt. Durch das Erfordernis des Freibords können die Pfannen nicht mehr bis zum Rand gefüllt werden mit dem Nachteil von Produktionseinbußen. Die Alternativlösung, die Pfannen zu vergrößern hat zur Folge, daß die Hebezeuge und Aufnahmevorrichtungen an das erhöhte Transportgewicht anzugleichen sind.

Eine weitere Lösung bietet ein von der Pfanne unabhängiges Aufnahmegefäß. Aus der DE-OS 20 32 830 ist ein Tauchkörper bekannt, der mit der offenen Seite zu unterst in die Schmelze eingetaucht wird und dessen Inneres dann evakuiert wird. Dieser Tauchkörper weist den Nachteil auf, daß er in die Schmelze hineingedrückt werden muß, um die während der Vakuumbehandlung erforderliche Tauchtiefe zu erhalten. Nach Anlegen des Unterdrucks steigt der Schmelzenspiegel um den barometrischen Differenzbetrag, der eine Höhe von weit über 1 Meter aufweisen kann, an, während der nicht von dem Vakuum belegte Schmelzenspiegel um einen ähnlichen Betrag absinkt. Durch die Aufnahme von Schmelze in den im Vergleich zur Pfanne kleineren Tauchkörper wird ein relativ großes Volumen an Schmelze von der in der Pfanne verbleibenden Schmelze getrennt mit den Nachteil unterschiedlicher Vakuumbeaufschlagung beider Schmelzenanteile.

Aus DE-AS 19 65 136 ist eine Vorrichtung zur Pfannenentgasung von Metallschmelzen bekannt, bei der ein unterhalb des Deckels des Vakuumbehandlungsgefäßes angeordnetes Reaktionsrohr in die Schmelze eintauchbar ist. In aufwendiger Weise ist eine Lanze mit reaktionsaktiven Gasen zur metallurgischen Behandlung in den von dem Reaktionsrohr umschlossenen Raum geführt, in dem die Entgasung und damit die Volumenzunahme der Schmelze erfolgen soll. Durch den einheitlichen, auf die Schmelzbadoberfläche wirkenden Unterdruck ist kein sicheres Vermeiden der Volumenzunahme im Ringbereich zwischen Reaktionsrohr und Pfannenrand möglich.

Aus der DE-AS 19 12 907 bzw. 19 19 053 sind andererseits Vorrichtungen bekannt, bei denen Gas durch eine in die Schmelze eintauchende rohrförmige Trennwand in die Schmelze eingeführt wird. Diese Trennwand wird ringförmig von einer weiteren rohrförmigen Trennwand umgeben, so daß diese in kommunizierender Verbindung stehen. Durch Anschluß an Druck- und/oder Saugpumpen wird bei unterschiedlichem Druck die Einstellung verschiedener Spiegelhöhen in den einzelnen Räumen erreicht und dies führt letztlich zu einer verbesserten Strömung des Metalles bzw. Badbewegung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vakuumbehandlung von Metallen, insbesondere Stahl, zu finden, die die oben genannten Nachteile vermeiden, unter Einsatz einfacher Mittel, ein Freibord der Pfanne entbehrlich machen und die Entgasung der Schmelze nicht behindern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3.

Erfindungsgemäß wird an den Deckel des Vakuumbehandlungsgefäßes eine konstruktiv einfache, baulich relativ kleine und gewichtsmäßig leichte Schürze angeordnet. Der Durchmesser dieser Schürze ist nur geringförmig kleiner als der Durchmesser der Pfanne in Tauchhöhe. Der untere offene Rand der Schürze wird nur geringfügig in die Schmelze eingetaucht. Durch die eingetauchte Schürze entstehen zwei, ein ringförmiger und ein kreisförmiger, Sektor der Schmelzbadoberfläche, die mit unterschiedlichen Unterdrücken beaufschlagt werden.

Der Differenzdruck läßt sich beliebig einstellen. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen ½ bis 2 Druckstufen.

Durch die Größe des Schirmes, dessen Radius ein Verhältnis zur Breite des ringförmigen Sektors von 8 : 1 bis 12 : 1 aufweist, wird die Vakuumbehandlung der Gesamtschmelze kaum behindert. Verbessert wird dieser Effekt noch dadurch, daß die Eindringtiefe der Schürze auf ein Minimum beschränkt wird und dabei Werte von 10 bis 20 cm annimmt. Die genannten Raummaße und die geringe Eintauchtiefe der Schürze stören nur unwesentlich die Strömungsverhältnisse in der Schmelze. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft bei den heute üblichen hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Schmelzbades aus, hervorgerufen durch große Spülgasmengen, die durch bis zu drei Spülsteinen in die Schmelze eingebracht werden.

Dieser Effekt kann weiter verbessert werden, wenn der Schirm vertikal verstellbar ausgebildet wird, da in Abhängigkeit von der Füllhöhe der Pfanne die Eintauchtiefe der Schürze in jedem Stadium der Vakuumbehandlung eingestellt werden kann.

Die Druckdifferenz kann entweder direkt zwischen zwei Druckstufen abgegriffen oder durch den Einsatz einer Abzweigung mit Drosseln stufenlos eingestellt werden.

In den folgenden Zeichnungen sind Beispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch das Vakuumbehandlungsgefäß mit Ganzdeckel bei Anschluß aus verschiedenen Stufen einer Vakuumerzeugungsanlage,

Fig. 1a die Fig. 1 mit zusätzlicher Elektrode zum Freiraum A,

Fig. 2 ein Vakuumbehandlungsgefäß mit axial bewegbarer Schürze,

Fig. 3 den Anschluß des Vakuumbehandlungsgefäßes an die Vakuumerzeugungsstation über Verzweigung und Drossel.

Die Fig. 1 und 1a zeigen ein Vakuumbehandlungsgefäß 30 mit Flansch und Dichtring, auf dem ein Deckel 20 aufliegt. Im Vakuumbehandlungsgefäß 30 befindet sich eine mit Schmelze 41 gefüllte Pfanne 40. In die Schmelze 41 taucht der untere Rand 22 einer am Deckel 20 befestigten Schürze 21.

Die in die Schmelzbadoberfläche eingetauchte Schürze 21 teilt diese in ein kreisförmiges 42 und ein ringförmiges 43 Segment.

Von der kreisförmigen Schmelzbadoberfläche 42, dem Innenmantel der Schürze 21 und dem kreisförmigen Teil 23 des Deckels 20 wird der Freiraum A umfaßt. Der übrige Teil des Deckels 20 mit dem ringförmigen Teil 29, die Mantelaußenseite der Schürze 21, das Unterteil des Vakuumbehandlungsgefäßes 30, die Außenseite der Pfanne 40 und die ringförmige Schmelzenoberfläche 43 umfassen den Freiraum B.

Zur Beobachtung der Schmelzenoberflächen 42, 43 sind im Deckel 20 Beobachtungsfenster 33, 34 vorgesehen. Der Freiraum A ist über einen Anschluß 24 im Bereich des kreisförmigen Deckels 23 und der Freiraum B über einen Anschluß 25 im Bereich des ringförmigen Deckelteils 29 mit der Vakuumerzeugungsanlage 10 verbunden.

Die Vakuumerzeugungsanlage 10 weist eine Wasserringpumpe 14, einen Dampfstrahler 13 (60 Torr) und zwischen beiden einen Kondensator 16 auf, weiterhin einen Dampfstrahler 12 (10 Torr) sowie einen Dampfstrahler 11 (0,5 Torr) und zwischen den Strahlern 12 und 13 einen Kondensator 15 auf. Der Freiraum A ist an die maximale Unterdruckstufe p1 des Dampfstrahlers 11, der Freiraum B im vorliegenden Fall zwei Stufen geringer p2, zwischen den Strahlern 13 und 12 angeschlossen.

Während des Betriebes der Vakuumerzeugungsanlage 10 steigt das Niveau der kreisförmigen 42 relativ zur ringförmigen 43 Schmelzbadoberfläche um den Betrag a an.

Die Fig. 1a weist über die oben beschriebene Anlage in Fig. 1 hinaus eine Elektrode 60 auf, die durch die Elektrodendurchführung 61 im Bereich des kreisförmigen Deckelteils 23 hindurch in den Freiraum A ragt.

In Fig. 2 ist schematisch eine vertikal verstellbare Schürze 21 dargestellt, die an einem kreisförmigen Teil 23 des Deckels 20 befestigt ist, wobei der kreisförmige Teil 23 relativ zu dem ringförmigen Teil 29 des Deckels 20 mittels Verstellelemente 51 verstellbar ist. Zum gasdichten Abschluß sind zwischen dem ringförmigen Teil 29 und dem kreisförmigen Teil 23 Kompensatoren 53 vorgesehen. Der Anschluß 25 zum Freiraum B ist schmal im Deckel 20, im anderen Fall im Gefäßunterteil des Vakuumbehandlungsgefäßes 30 angeordnet.

Die Fig. 3 zeigt die wesentlichen Elemente der Fig. 1 mit dem Unterschied, daß eine Verbindung des Anschlusses 24 zu dem Freiraum A über eine Abzweigung 26 besteht, die gleichzeitig mit dem Anschluß 25 des Freiraums B verbunden ist, wobei zwischen der Abzweigung 26 und dem Anschluß 25 eine Drossel 27 vorgesehen ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Vakuumbehandlung von Metallen, insbesondere Stahl, bei dem schmelzflüssiges Metall sich in einem durch einen Deckel dicht verschlossenen Vakuumbehandlungsgefäß befindet, wobei die Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls in einen kreisförmigen und einen diesen umgebenden ringförmigen Sektor abgetrennt wird und das schmelzflüssige Metall während der Vakuumbehandlung an seiner Oberfläche unterschiedlichen Unterdrücken ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige im Vergleich zum kreisförmigen Sektor mit einem geringeren Unterdruck beaufschlagt wird und daß die Abtrennung der Sektoren bis zu einer Eintauchtiefe ins Schmelzbad zwischen 10-20 cm im ringförmigen Sektor vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz des Unterdrucks zwischen dem ringförmigen und dem kreisförmigen Sektor gewählt wird, die mindestens der Hälfte einer Druckstufe der Vakuumanlage entspricht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 mit einem Vakuumbehandlungsgefäß, das einen mit einer Dichtung versehenen Deckel aufweist und das an eine mehrstufige Vakuumerzeugungsanlage angeschlossen ist, wobei im Vakuumbehandlungsgefäß eine mit schmelzflüssigem Metall gefüllte Pfanne einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Deckel (20) eine zylinderförmige, parallel zur Mittenachse (I) des Deckels (20) angeordnete Schürze (21) aufweist, deren Randbereich (22) bei gefüllter Pfanne (40) in die Schmelze (41) ragt und deren Durchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Pfanne in Tauchhöhe,
daß mit der Vakuumerzeugungsanlage (10) in Verbindung stehende Anschlüsse (24, 25) zu dem durch die Schürze (21) getrennten Freiraum (A) vorgesehen sind, der zusätzlich umschlossen wird vom kreisförmigen Teil (23) des Deckels (20) und bei gefüllter Pfanne (40) durch die kreisförmige Schmelzenoberfläche (42), und zu dem Freiraum (B), der umschlossen wird vom ringförmigen Teil (29) des Deckels (20), dem Vakuumbehandlungsgefäß (30), der Pfanne (40) und bei gefüllter Pfanne durch die ringförmige Schmelzenoberfläche (43), wobei der Anschluß (24) zum Freiraum (A) an einem die höchste Druckstufe der Vakuumerzeugungsanlage (10) aufweisenden Strahler (11) und der Anschluß (25) zum Freiraum (B) an den mindestens die zweithöchste Druckstufe der Vakuumerzeugungsanlage (10) aufweisenden Strahler (12) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Anschluß (25) zum Freiraum (A) eine mit Drosselelementen (27) versehene Abzweigung (26) vorgesehen ist, die mit dem Freiraum (B) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (20) eine ringförmige Öffnung (28) aufweist und daß Verstellelemente (51) am Deckel (20) vorgesehen sind, durch die die Schürze (21) parallel zur Mittenachse (I) bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ringförmigen Teil (29) des Deckels (20) und dem von der Pfanne (40) wegweisenden Rand (23) der Schürze (21) Kompensatoren (53) gasdicht befestigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Deckel (20) mindestens eine Elektrode (60) führbar ist.