DE69428123T2

DE69428123T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Raffinieren einer Metallschmelze

Info

Publication number: DE69428123T2
Application number: DE69428123T
Authority: DE
Inventors: Noboru Hanai; Katsumi Kanamoto; Iwao Kashiwagi; Tamiya Kishida; Kokichi Mikutsu; Takashi Mukai; Mitsuru Suzuki; Kenji Tokuda
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2014-12-28
Also published as: EP0725151A1; DE69428123D1; US5753004A; EP0725151A4; EP0725151B1; KR100191701B1; WO1995032312A1; KR960704071A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Metallschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Raffinierverfahren unter Verwendung einer solchen Vorrichtung.
Der Einsatz eines Verfahrens zum Raffinieren einer Metallschmelze im Vakuum oder in einer Atmosphäre mit einem geringen Sauerstoffpartialdruck (im Folgenden als "Raffinieren unter reduziertem Druck" bezeichnet) ist weit verbreitet, da ein Qualitätsstahl einfach erhalten werden kann, und ein Vakuuminduktionsofen (VIF) ist eines der Mittel zur Ausführung dieses Verfahrens.
Beim Raffinieren unter reduziertem Druck werden einige Verunreinigungen abgetrennt, indem sie selbst oder ihre Verbindungen, wie zum Beispiel Oxide, aus der Metallschmelze verdampfen, sich darüber verteilen oder darin aufschwimmen, so daß die Rafination fortschreitet. In diesem Fall kann die Menge der Verunreinigungen in der Metallschmelze sehr stark gesenkt werden. (In der vorliegenden Erfindung steht der hier verwendete Ausdruck "Verunreinigungen" allgemein für Verunreinigungselemente oder Substanzen, die nicht-metallische Einschlüsse verursachen.)
Beim Raffinieren unter reduziertem Druck kondensiert ein Teil der verdampften und/oder verteilten Komponenten an dem Freibordabschnitt der Ofenwandung und haftet dort als Abschaum an. Ferner schwimmen auf der Oberfläche der Metallschmelze in einem Raffinierofen andere Verunreinigungen, die nicht verdampfen können, auf werden und als Krätze abgetrennt. Infolge dessen werden die anhaftende Substanz und die aufgeschwommenen Substanzen, wenn die Metallschmelze durch Kippen des Raffinierofens ausgegossen wird, von dem Schmelzfluß abgewaschen und mischen sich wieder in die Metallschmelze.
Falls die Feuerfest-Auskleidung der Gießpfanne oder der Gießwanne, die als Aufnahmegefäß eingesetzt wird, vor der Aufnahme der Metallschmelze nicht ausreichend aufgeheizt wird, dann tritt das Problem auf, daß die Metallschmelze von aktiven Gaskomponenten verunreinigt wird, die in der Feuerfest-Auskleidung absorbiert sind. Ferner reagiert die Feuerfest-Auskleidung der Metallschmelzen- Aufnahmepfanne teilweise mit der Metallschmelze, die durch das Raffinieren unter reduziertem Druck aktiviert wurde, oder wird von der Metallschmelze abgetragen, mit dem Ergebnis, daß der Fall auftritt, daß die Metallschmelze durch diese Reaktionsprodukte oder Abtragungsprodukte verunreinigt wird.
Weiterhin lösen sich in dem Fall, daß die Metallschmelze nach dem Raffinieren unter reduziertem Druck direkt dem Atmosphärendruck ausgesetzt wird, die Verunreinigungen, die nicht verdampfen können, wie zum Beispiel die Krätze, wieder in der Metallschmelze und verunreinigen die Metallschmelze.
Zur Vermeidung, daß sich die anhaftende Substanz und die aufgeschwommene Substanz in die Metallschmelze mischen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Metallschmelze vom Boden des Raffinierofens ausgetragen wird, während ein Teil der Metallschmelze zur Vermeidung der Einmischung aufgeschwommener Verunreinigungen in dem Ofen zurückgelassen wird, und bei einem anderen vorgeschlagenen Verfahren wird das Raffinieren und Austragen der Metallschmelze unter Verwendung eines Induktionsschalenofens ausgeführt, so daß sich die Metallschmelze nicht in Kontakt mit der Ofenwandung befindet. Ferner wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem nach dem Austragen der Metallschmelze die Substanzen, die metallische Einschlüsse verursachen, in der Gießpfanne oder Gießwanne unter Verwendung eines keramischen Filters entfernt werden. Obwohl einige von ihnen in der Praxis eingesetzt werden, wurden diese Verfahren aufgrund verschiedener Einschränkungen nicht in weiten Kreisen übernommen. Da diese vorgeschlagenen Verfahren nicht immer für alle sich einmischenden Substanzen und Verunreinigungen wirksam sind, müssen diese Verfahren kombiniert werden, um die Verfahren für alle sich einmischenden Substanzen wirksam zu machen. Jedoch verursacht die Kombination dieser Verfahren Probleme, wie zum Beispiel die Erhöhung der Kosten.
Andererseits kann es zur Entfernung der wieder eingemischten Substanzen etc. möglich sein, durch den Einsatz eines Gießpfannenraffinierofens vom Typ einer Graphitelektroderi-Lichtbogen- Heizung oder eines ASEA-SKF-Ofens nach dem Vakuum-Raffinieren das Re-Raffinieren zu bewirken. Jedoch verursachen diese Verfahren ein Problem, wie zum Beispiel die Aufnahme von Kohlenstoff in der Metallschmelze.
JP-A-4-318118 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Stahl mit ultra-geringem Kohlenstoffgehalt und ultra-geringem Schwefelgehalt, wobei die Metallschmelze bei diesem Verfahren nach der Entkohlung der Metallschmelze durch eine Vakuumentgasungsbehandlung in einem Zustand plasmaerhitzt wird, in dem die Metallschmelze nicht weniger als 0,2 Gewichts-% gelöstes Aluminium enthält, und das Rühren der Metallschmelze in Anwesenheit einer Schlacke durchgeführt wird, deren Basizität nicht geringer als 8 ist, um auf diese Weise eine Entschwefelung zu bewirken.
Es ist bekannt, daß die oben vorgeschlagenen Verfahren dann nicht geeignet sind, wenn die Art der zu behandelnden Materialien oder der Grad der erforderlichen Raffination variiert werden, wie es bei Herstellern von Sonderstahl, oder wenn ein Ofen mit einer relativ geringen Kapazität verwendet wird, oft der Fall ist. Das heißt, daß in diesen Fällen eine für die Vakuumentgasung benötigte Zeitspanne oft sehr stark in Abhängigkeit der Art der Materialien und der Raffinationsgrade variiert und oft über eine vorab geschätzte Zeit hinaus verlängert wird. Ferner kann dann, wenn ein kleiner Ofen eingesetzt wird, aufgrund der Temperaturerniedrigung der Metallschmelze, die gewünschte Vakuumentgasungswirkung nicht erreicht werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Raffinieren einer Metallschmelze ohne solche Probleme, wie zum Beispiel die Aufnahme von Kohlenstoff, bereitzustellen, die gleichzeitig flexibel solche Fälle, wie zum Beispiel eine Änderung der Art der Materialien der Metallschmelze und des Raffinationsgrades, das Raffinieren unter Verwendung eines Ofens mit einer geringen Kapazität und die Raffination mit einem hohen Grad bewältigen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird ein Raffinieren unter reduziertem Druck im Vakuum oder in einer Atmosphäre mit einem geringen Sauerstoffpartialdruck in einem Induktionsofen bewirkt, so daß ein vorbestimmter Grad der Raffination unter reduziertem Druck erzielt wird. Anschließend wird ein Re-Raffinieren dieser Metallschmelze in einer anderen Pfanne durchgeführt.
Die Metallschmelze wird durch Kippen des Induktionsofens oder durch den Einsatz eines anderen Verfahrens zum Austragen der Metallschmelze aus dem Induktionsofen in die Pfanne ausgetragen, und Schlackebildner werden in die Pfanne zugesetzt, so daß die Re- Raffination der Metallschmelze erreicht wird. In der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Re-Raffinieren die wirksame Entfernung der in die Metallschmelze gemischten Verunreinigungen, so daß ein hoher Grad an Raffination der Metallschmelze erhalten werden kann. Da es unnötig ist, die Schlacke in dem Stadium des Re- Raffinierens zu reformieren, ergibt sich der Vorteil, daß es möglich wird, eine bemerkenswert wirksame Re-Raffination durchzuführen.
Wie oben erläutert, werden die abschaumartigen oder krätzeartigen Verunreinigungen, die gelegentlich bei dem Schritt des Raffinierens unter reduziertem Druck auftreten, im wesentlichen durch das Zusetzen von Schlackebildnern in die Pfanne entfernt, in die die Metallschmelze durch ein Kippverfahren oder ein anderes Verfahren zum Austragen der Metallschmelze überführt wurde, wobei die in die Metallschmelze gemischten Verunreinigungen durch das Re- Raffinieren entfernt werden. Bei der Durchführung des Re- Raffinierens ist sehr wichtig, die neu zugesetzten Schlackebildner während des Rührens der Metallschmelze unter Verwendung von Inertgasplasma-Heizen aufzuheizen. Ein bevorzugtes Mittel zum Rühren ist das Einblasen eines Inertgases von porösen Stopfen, die im Boden der Pfanne vorhanden sind oder das elektromagnetische Rühren.
Wenn die Metallschmelze, die unter reduziertem Druck raffiniert wurde, in die Pfanne überführt wird, tritt ein Problem auf. Das heißt, wenn die Feuerfestmaterialien einer inneren Wandung, die in einer die Metallschmelze aufnehmenden Gießpfanne oder Gießwanne angeordnet ist, nicht ausreichend aufgeheizt werden, dann wird die Metallschmelze durch in den Feuerfestmaterialien absorbiertes, aktives Gas verunreinigt. Zusätzlich reagieren die Feuerfestmaterialien der die Metallschmelze aufnehmenden Pfanne teilweise mit der Metallschmelze, die durch das Raffinieren unter reduziertem Druck reaktiv geworden ist, oder werden teilweise von der Metallschmelze abgetragen, mit dem Ergebnis, daß das Reaktionsprodukt und/oder das Abtragungsprodukt die Metallschmelze verunreinigt.
Wenn die Metallschmelze nach der Durchführung der Raffination im Vakuum oder unter geringem Sauerstoffpartialdruck der Außenatmosphäre ausgesetzt wird, tritt natürlicherweise eine Erniedrigung der Temperatur der Metallschmelze auf. Je länger die Zeitdauer zur Erhöhung der Temperatur der Metallschmelze auf eine Raffiniertemperatur wird, desto größer ist die Menge der krätzeartigen, nicht verdampfbaren Verunreinigungen, die sich wieder in der Metallschmelze lösen. Folglich ist vorzugsweise auf der Oberseite der Pfanne ein Deckel vorhanden, wobei der Deckel nur geöffnet wird, wenn die Metallschmelze in die Pfanne gegossen wird, und wobei andere Arbeitsschritte bei geschlossenem Deckelkörper der neuen Pfanne durchgeführt werden.
Wie oben erläutert, wird das Re-Raffinieren umso wirksamer, je früher das Re-Raffinieren begonnen wird, d. h. je weniger Verunreinigungen vor dem Re-Raffinieren wieder in der Metallschmelze gelöst werden.
Ferner wird bei der Erfindung das Re-Raffinieren durch das Zusetzen von Schlackebildnern durchgeführt. Folglich führt diese Zugabe von Schlackebildnern zu einer Zunahme der Schlackemenge, wenn die Pfanne nicht, wie in dem oben erläuterten Fall erneuert wird, so daß die Verunreinigungen, die im Zustand von Abschaum auf einem Freibordabschnitt der Pfanne abgetrennt wurden, eine erneute Verunreinigungen der Schlacke bewirken. Demgemäß wird die Metallschmelze, die im Vakuum oder unter einem geringen Sauerstoffpartialdruck unter reduziertem Druck raffiniert wurde, zur anschließenden Durchführung der Re-Raffination vorzugsweise in eine erneuerte Pfanne überführt.
Um das Re-Raffinieren effizient zu gestalten, ist es erforderlich, die Temperatur der Metallschmelze sobald wie möglich, nachdem die Metallschmelze in der erneuerten Pfanne aufgenommen wurde, und nachdem die Hilfsrohstoffe, wie zum Beispiel die Schlackebildner etc., zugesetzt wurden (dieser Schritt wird im folgenden als "der Schritt des Aufnehmens der Metallschmelze und etc." bezeichnet) auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhöhen.
Folglich wird bei der Erfindung der Schritt des Aufnehmens der Metallschmelze und etc. vorzugsweise durchgeführt, während die erneuerte Re-Raffinier-Pfanne in einem Zustand hoher Temperatur gehalten wird. Bei üblichen Arbeitsschritten ist es wirksam, für alle Arbeitsschritte eine identische Re-Raffinier-Pfanne zu verwenden, und sowohl das Raffinieren unter reduziertem Druck als auch das Re-Raffinieren, einschließlich des Schritts des Austragens der Metallschmelze in einen Block-Behälter (gießen), zu synchronisieren, so daß der Schritt des Aufnehmens der Metallschmelze und etc. in der erneuerten Pfanne zur Vermeidung eines unnötigen Wärmeverlusts der Re-Raffinier-Pfanne sofort nach diesem Austragen durchgeführt werden kann.
Durch einen Versuch wurde herausgefunden, daß in diesem Zustand hoher Temperatur die Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Temperatur der inneren Feuerfest-Schicht der Re-Raffinier- Pfanne (die Temperatur der Oberfläche der inneren Wanderung dieser Pfanne ist dazu geeignet, durch Strahlungskühlung variiert zu werden) und der Temperatur der aufzunehmenden Metallschmelze (diese Temperaturdifferenz wird im Folgenden als "Anstiegstemperaturdifferenz" bezeichnet) vorzugsweise in einem Bereich von 150ºC eingestellt wird.
Als Mittel zum Aufheizen der Re-Raffinier-Pfanne in einem nichtstationären Betrieb ist es möglich, das Heizen mit einem Brenner, das Heizen in einem Nicht-Übertragungsmodus einer Inertgasplasma-Heizeinrichtung zum Re-Raffinieren, das Heizen im Leerbetrieb oder eine Kombination dieser Heizmittel einzusetzen.
Die Anstiegstemperaturdifferenz ist, wie oben erläutert, vorzugsweise nicht geringer als 150ºC, und ist besonders bevorzugt nicht geringer als 100ºC.
Die Re-Raffinier-Pfanne, in der der Schritt des Aufnehmens der Metallschmelze und etc. durchgeführt wird, ist vorzugsweise mit einem Deckelkörper ausgestattetet, der wie eine Tür um einen horizontalen Stift geöffnet oder geschlossen werden kann, so daß eine Öffnung erhalten wird, deren Form und Fläche zur Aufnahme der Metallschmelze geeignet sind.
In der Erfindung stehen die Begriffe das Vakuum oder die Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpartialdruck für eine Atmosphäre mit einem Druck, der geringer ist als der der Außenatmosphäre oder für eine Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck, der geringer ist als 213 HPa(1013 HPa · 0,21), dem Sauerstoffpartialdruck der Außenatmosphäre. Zur Bereitstellung des Vakuums oder der Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpartialdruck wird eine Vakuumpumpe verwendet, um Gas abzupumpen und dadurch das Vakuum zu erhalten, oder ein Teil des Sauerstoffs wird durch ein Inertgas (Ar oder He) ersetzt, so daß eine Inertgasatmosphäre mit einem Druck erhalten wird, der einige hundert Torr nicht überschreitet.
Ferner liegt die Metallschmelze zum Zeitpunkt des Abschlusses des Raffinierens unter reduziertem Druck, das von dem unter Plasmaheizen durchgeführten Re-Raffinieren gefolgt wird, vorzugsweise in einem Zustand vor, in dem im wesentlichen keine Schlacke existiert, wobei dieser Zustand bedeutet, daß sogar wenn zur Durchführung des Raffinierens unter reduziertem Druck durch VDO Schlackebildner zugesetzt werden, die Schlacke unter Verwendung irgendwelcher Mittel entfernt wird, wenn das Re-Raffinieren nach dem Raffinieren unter reduziertem Druck beginnt.
Da das Raffinieren unter reduziertem Druck unter Verwendung eines Vakuuminduktionsschmelzofens durchgeführt und anschließend eine erneuerte Pfanne verwendet wird, können die Schlackebildner der Metallschmelze unmittelbar vor dem Abschluß des Raffinierens unter reduziertem Druck oder unmittelbar nach dem Abschluß des Raffinierens unter reduziertem Druck, aber vor dem Gießen der Metallschmelze in eine andere erneuerte Pfanne zugesetzt werden, so daß die Re-Raffination unverzüglich erfolgt, das heißt die Zugabe der Schlackebildner in diesem Stadium ist Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Inertgasplasma-Heizeinrichtung verursacht keine oxidierenden Gase von CO&sub2;, H&sub2;O, freiem O&sub2; und etc., die auftreten wenn ein Brenner verwendet wird, und ist dazu geeignet, den Zustand hoher Temperatur herzustellen. Wenn während des Re-Raffinierens neue Schlackebildner zugesetzt werden, ist es zur Erzeugung einer flüssigen Schlacke notwendig, die Schlackbildner unverzüglich aufzuheizen, so daß die Schlacke in Kontakt mit der Metallschmelze steht, um die Sauerstoffsentziehungs- und Entschwefelungsreaktionen sobald wie möglich zu beschleunigen, wobei diesbezüglich das Inertgasplasma-Heizen wirksam ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Raffiniereinrichtung zum Re-Raffinieren einer Metallschmelze bereitgestellt, nachdem das Raffinieren der Metallschmelze unter reduziertem Druck durchgeführt wurde, wobei die Einrichtung einen Ofen zum Raffinieren unter reduziertem Druck, der mit Mitteln zur Beheizung ausgestattet ist, und einen Re-Raffinierofen, der mit einer Einrichtung zum Inertgasplasma-Heizen ausgestattet ist und eine weitere Einrichtung zum Beschicken des Re-Raffinierofens mit Hilfsrohstoffen umfaßt, wobei die beiden Öfen nahe beieinander angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Raffiniereinrichtung zum Re-Raffinieren einer Metallschmelze bereitgestellt, nachdem das Raffinieren der Metallschmelze unter reduziertem Druck durchgeführt wurde, wobei die Einrichtung umfaßt: zwei Kammern, die miteinander verbunden werden können oder voneinander getrennt werden können, wobei jede der Kammern mit einem Evakuierungssystem ausgestattet ist und von der Außenatmosphäre isoliert werden kann; einen Ofen für das Rafinieren unter reduziertem Druck, der in einer der Kammern angeordnet und ein Induktionsheizungs-Ofen ist, und aus dem die darin aufgenommene Metallschmelze ausgetragen werden kann; eine Einrichtung zum Inertgasplasma-Heizen, die in der anderen der Kammern angeordnet ist; eine Re-Raffinier-Pfanne, die zwischen einer Position, in der die Re-Raffinier-Pfanne die Metallschmelze von dem Induktionsofen aufnimmt, und einer weiteren Position bewegbar ist, in der das Re-Rafinieren der Metallschmelze unter Verwendung der Inertgasplasma-Heizeinrichtung durchgeführt wird; und eine Einrichtung zum Zuführen von Hilfsrohstoffen inklusive der Schlackebildner in die Re-Raffinier-Pfanne.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Raffiniereinrichtung zum Re-Raffinieren einer Metallschmelze bereitgestellt, nachdem das Raffinieren der Metallschmelze unter reduziertem Druck durchgeführt wurde, wobei die Einrichtung umfaßt: zwei Kammern, die miteinander in Verbindung stehen können oder voneinander getrennt werden können, wobei jede der Kammern mit einem Evakuierungssystem ausgestattet ist und von der Außenatmosphäre isoliert werden kann; einen Ofen für das Raffinieren unter reduziertem Druck, der in einer der Kammern angeordnet und ein Induktionsofen ist, und aus dem die darin aufgenommene Metallschmelze ausgetragen werden kann; eine Einrichtung zum Inertgasplasma-Heizen, die in der anderen der Kammern angeordnet ist;
eine Re-Raffinier-Pfanne, die zwischen einer Position, in der die Re- Raffinier-Pfanne die Metallschmelze von dem Induktionsofen aufnimmt, und einer weiteren Position verfahrbar ist, in der das Re- Raffinieren der Metallschmelze unter Verwendung der Inertgasplasma-Heizeinrichtung durchgeführt wird, wobei die Re-Raffinier- Pfanne auf ihrer Oberseite mit einem Deckel versehen ist, der zu öffnen, zu schließen oder frei abnehmbar ist; und eine Einrichtung zum Zuführen von Hilfsrohstoffen einschließlich der Schlackebildner in die Re-Raffinier-Pfanne, wobei die Einrichtung an oder in der Nähe einer Position angeordnet ist, in der die unter reduziertem Druck raffinierte Metallschmelze in die Re-Raffinier-Pfanne gegossen wird, oder an oder in der Nähe einer weiteren Position angeordnet ist, in der das Re-Raffinieren der Metallschmelze durchgeführt wird.
In der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff "Hilfsrohstoffe" Schlackebildner und zuzusetzende Elemente. Bei der erfindungsgemäßen Rafiniereinrichtung ist vorzugsweise die gesamte Pfanne des Ofens für das Raffinieren unter reduziertem Druck in einer Kammer angeordnet, die von der Außenatmosphäre isoliert ist, und der Re- Raffinierofen ist vorzugsweise im Inneren einer weiteren Kammer angeordnet, die von der Außenatmosphäre isoliert ist (wobei die weitere Kammer von der ersten Kammer verschieden ist).
Da bei dem erfindungsgemäßen Raffinierverfahren das Raffinieren unter reduziertem Druck in der Pfanne durchgeführt wird, die mit den Heizmitteln versehen ist, die, wie es die Gelegenheit erfordert, zu Verhinderung eines Absinkens der Temperatur der Metallschmelze eingesetzt werden können, wird es möglich das Raffinieren durchzuführen, während so verschiedene Bedingungen, wie die Herstellung verschiedener Arten von Stahl, verschiedene erforderliche Raffinationsgrade und eine relativ geringe Metallmenge erfüllt werden, wodurch es möglich wird, eine Metallschmelze mit einem vorbestimmten Raffinationsgrad zu erhalten, während die Veränderung verschiedener Herstellungsbedingungen flexibel bewältigt wird. Selbstverständlich ist es möglich, die Raffination unter Verwendung kalter Materialien zu starten.
Bei dem Raffinierverfahren gemäß des zweiten Aspekts der Erfindung tritt, sogar wenn der Gehalt der Schlacke durch die Zugabe von Schlackebildnern erhöht wird, so daß eine zu einem hohen Grad raffinierte Metallschmelze schnell erhalten werden kann, keine Verunreinigung der Schlacke aufgrund der abschaumartigen Verunreinigungen auf, da das Re-Raffinieren vorzugsweise unter Verwendung einer neuen Pfanne durchgeführt wird, die erneuert wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Re-Raffinierverfahren erfolgt die wirksame Adsorption der restlichen Verunreinigungen durch die Verwendung einer während des Inertgasplasma-Heizens aktivierten Schlacke, bevor sich die Verunreinigungen wieder in der Metallschmelze lösen, wobei die Verunreinigungen in dem Schritt des Raffinierens unter reduziertem Druck abgetrennt wurden. Das heißt, bei der Erfindung wird die Schlacke durch Inertgasplasma-Heizen ausreichend aufgeheizt und erhält dadurch eine geringe Viskosität und wird aktiviert, so daß es möglich wird, solche wiederverunreinigten Substanzen wie die zähe Substanz, die aufgeschwommene Substanz und etc. und die verunreinigten Substanzen wirksam aufzufangen, die durch das Feuerfestmaterial verursacht werden, in dem das Einblasen von Inertgas etc. zum ausreichenden Rühren der Metallschmelze vorzugsweise durchgeführt wird, so daß die Schlacke zur Herbeiführung einer hohen Raffinationswirkung in wechselseitigem Kontakt mit der Metallschmelze steht.
Das Inertgasplasma-Heizen deckt die Oberfläche der Metallschmelze und die Schlacke ab, wobei die Schlacke wirksam geheizt wird, so daß verhindert wird, daß die Metallschmelze oxidiert wird, und verhindert wird, daß die Schlacke während der Kompensation der Temperaturerniedrigung der Metallschmelze sauer wird, wobei beim Inertgasplasma-Heizen das Risiko einer Wiederverunreinigung, wie zum Beispiel die Aufnahme von Kohlenstoff nicht besteht, wie sie wahrscheinlich bei einem Lichtbogenheizverfahren unter Verwendung von Graphitelektroden auftreten würde.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Raffinierverfahren eine Pfanne erneuert wird, ist es wichtig, das Re-Raffinieren so bald wie möglich nach der Aufnahme der Metallschmelze in der erneuerten Pfanne zu beginnen. Da nämlich solche verunreinigten Substanzen, wie die oben beschriebenen zähen Substanzen und aufgeschwommenen Substanzen gleichmäßig in der Metallschmelze gelöst werden, wenn die Zeit vergeht, kann ein wirksames Raffinieren erreicht werden, indem das Raffinieren beendet wird, bevor diese verunreinigten Substanzen in der Metallschmelze gelöst werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Raffinieren einer Metallschmelze, wird, wenn das Re-Raffinieren unter dem Druck der Außenatmosphäre oder unter reduziertem Vakuumdruck in einer anderen Pfanne, als in der Pfanne durchgeführt wird, in der das Raffinieren unter reduziertem Druck durchgeführt wurde, ein Teil des Abschaums an der inneren Wanderungsfläche der Pfanne zum Raffinieren unter reduziertem Druck, der zum Zeitpunkt des Ausgießens der Metallschmelze in die erneuerte Pfanne durch Kippen der Pfanne zum Raffinieren unter reduziertem Druck in Kontakt mit einer Metallschmelze steht, in die Metallschmelze gemischt, jedoch ist die Menge des sich in die Metallschmelze mischenden Abschaums vorteilhaft verringert und ist so gering wie ungefähr ein Fünftel oder ein Sechstel des Abschaumgehalts, der enthalten ist, wenn die Pfanne zum Raffinieren unter reduziertem Druck nicht ersetzt wird.
Ferner wird es bei dem erfindungsgemäßen Raffinierverfahren möglich, sowohl die Erniedrigung der Reaktionsgeschwindigkeit des Raffinierens als auch der Diffusionsgeschwindigkeit zu minimieren, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Feuerfestmaterial der inneren Wandung der Re-Raffinier-Pfanne und der Metallschmelze, kurz bevor sie in die Re-Raffinier-Pfanne gegossen wird, innerhalb eines Bereichs von 150ºC eingestellt wird, wobei diese Erniedrigung auftritt, wenn die Metallschmelze durch das Feuerfestmaterial abgekühlt wird, wodurch es möglich ist ein stationäres Re-Raffinieren in einer kürzest möglichen Zeitspanne zu erreichen, und es wird möglich, das Raffinieren wirksam durchzuführen, während verunreinigte Substanzen innerhalb einer solchen Zeitspanne entfernt werden, da die Lösung der verunreinigten Substanzen minimiert ist. Indem die Temperatur des Feuerfestmaterials an der inneren Wandung ausreichend hoch eingestellt wird, gerät das Feuerfestmaterial in einen passiven (nicht-reaktiven) Zustand, und dadurch wird die Menge des adsorbierten Gases verringert, so daß der Grad an Verunreinigung durch die Lösung des Feuerfestmaterials und die Überführung des adsorbierten Gases in die Metallschmelze auf ein geringes Niveau gebracht wird, und dabei tritt als ein zweiter Vorteil eine Erniedrigung einer Raffinierlast auf.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Pfanne zur Aufnahme der Metallschmelze, die unter reduziertem Druck raffiniert wurde, schnell an einen Ort bewegbar, an dem das Re-Raffinieren der Metallschmelze durchgeführt werden soll, und die Hilfsrohstoffe können in der Nähe der Pfanne schnell zu der Metallschmelze zugesetzt werden, so daß die Schlackebildner in der Re-Raffinier-Pfanne durch das Inertgasplasma-Heizen ausreichend aufgeheizt werden und dadurch eine geringe Viskosität erhalten und aktiviert werden, mit dem Ergebnis das die wiederverunreinigten Substanzen, wie zum Beispiel die anhaftende Substanz und die aufgeschwommene Substanz etc. und die Verunreinigungssubstanz, die durch das Feuerfestmaterial verursacht wird, wirksam entfernt werden können. Ferner findet, wenn das Einblasen eines Inertgases etc. hinzugefügt wird, ein ausreichendes Rühren zur Erzeugung eines ausreichenden Kontakts zwischen der Metallschmelze und der Schlacke statt, so daß eine starke Raffinationswirkung bewirkt werden kann.
Versuche haben ergeben, daß die Anstiegstemperaturdifferenz vorzugsweise um 150ºC beträgt, und besonders bevorzugt nicht höher als 100ºC ist. Wenn die Anstiegstemperaturdifferenz größer als 150 ºC wird, nimmt die Abkühlung der Metallschmelze zu und verursacht die Verzögerung des üblichen Re-Raffinierens, verursacht die Zunahme der Reaktion zwischen der Metallschmelze und dem Feuerfestmaterial der Re-Raffinier-Pfanne, und verursacht, daß die Metallschmelze Gaskomponenten adsorbiert, die in dem Feuerfestmaterial adsorbiert waren, das heißt, es kommt zu einer Verunreinigung der Metallschmelze.
Die Gründe, warum die zwei von der Außenatmosphäre isolierten Kammern nahe beieinander bereitgestellt sind und deren Funktion werden im Folgenden erläutert. Da bei der Erfindung das Raffinieren unter reduziertem Druck in der Pfanne mit den Heizmitteln und im Vakuum oder in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpartialdruck durchgeführt wird, ist es erforderlich, daß der Ofen für das Raffinieren unter reduziertem Druck in der von der Außenatmosphäre isolierten Kammer angeordnet ist, wobei die Kammer mit einem Evakuierungssystem ausgestattet ist. Die Metallschmelze, deren Raffination unter reduziertem Druck beendet wurde, kann durch eine Gießpfanne in die neue Pfanne zum Re-Raffinieren überführbar sein, jedoch wird die Gießpfanne zur Minimierung der Beschädigung der Feuerfestmaterialien und der Anzahl von Schritten vorzugsweise auch als die neue Pfanne für das Re-Raffinieren verwendet. In jedem Fall ist es notwendig, die Gießpfanne zur Aufnahme der Metallschmelze, deren Raffination unter reduziertem Druck beendet wurde, in die von der Außenatmosphäre isolierte Kammer (diese Kammer wird im Folgenden als die "erste Atmosphären-Isolier-Kammer" bezeichnet) zu bewegen. Ausführungsformen der in dieser Hinsicht geeigneten Einrichtung sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt. In diesem Fall wird es möglich die Gießpfanne, durch das vorangehende Vorbereiten der Gießpfanne 27 in einer weiteren von der Außenatmosphäre isolierten Kammer (diese Kammer wird im Folgenden als die "zweite Atmosphären-Isolier-Kammer" bezeichnet) im Vakuum oder in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpartialdruck (Fig. 1) unter der im wesentlichen gleichen Bedingung eines reduzierten Drucks von der zweiten Atmosphären- Isolier-Kammer (b) zu der ersten Atmosphären-Isolier-Kammer (a) zu verfahren, wenn die erste Atmosphären-Isolier-Kammer in Verbindung mit der zweiten Atmosphären-Isolier-Kammer steht. Umgekehrt wird deren Überführung von der ersten Atmosphären-Isolier- Kammer zur zweiten Kammer schnell im Vakuum oder unter reduziertem Druck durchgeführt. Der Vorteil dieser Arbeitsweise besteht darin, daß der Kontakt der durch das Raffinieren unter reduziertem Druck erhaltenen Metallschmelze mit der Außenatmosphäre vermieden werden kann und daß sie für einen unverzüglichen Beginn des Re-Raffinierens eingesetzt werden kann, während ein reiner Zustand aufrechterhalten wird. Wenn die Plasma-Heizeinrichtung auf der Gießpfanne angeordnet ist (wobei, wie oben erläutert, die Gießpfanne üblicherweise die Re-Raffinier-Pfanne wird), wird der Zustand eines reduzierten Drucks in der zweiten Atmosphären- Isolier-Kammer unnötig und das Re-Raffinieren wird an der Außenatmosphäre durchgeführt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Einrichtung ist die zweite Atmosphären-Isolier-Kammer nicht enthalten. Ein typisches Beispiel der Einrichtung ist in Fig. 2 gezeigt (in der ein Hilfsrohstoff- Zufuhrsystem 9 außerhalb einer Atmosphären-Isolier-Kammer (a) vorhanden ist). Wenn nämlich das Re-Raffinieren unter Verwendung der Gasplasma-Heizeinrichung an der Außenatmosphäre durchgeführt wird, wird die zweite Atmosphären-Isolier-Kammer dann unnötig, wenn die Metallschmelze nach der Beendigung ihrer Raffination in dem Ofen zum Raffinieren unter reduziertem Druck unverzüglich unter der Gasplasma-Heizeinrichtung angeordnet werden kann. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Inertgasplasma- Heizeinrichtung zum Re-Raffinieren in der Nähe der ersten Atmosphären-Isolier-Kammer anzuordnen und die Re-Raffinier-Pfanne so auszugestalten, daß sie zwischen der ersten Atmosphären-Isolier- Kammer und der Inertgasplasma-Heizeinrichtung verfahrbar ist. Als ein Mittel, um sie verfahrbar zu machen, ist beispielsweise die Bewegung eines Rollwagens auf Schienen geeignet.
Wenn der Ofen für das Raffinieren unter reduziertem Druck eine geringe Größe aufweist, ist es auch möglich, den Ofen oder die Gießpfanne selbst aufzuhängen und nach dem Öffnen eines Deckels der ersten Atmosphären-Isolier-Kammer unter Verwendung eines oben angeordneten Krans zu dem Plasma-Re-Raffinierofen zu befördern.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist ein typisches Mittel, um speziell das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Unter diesen verursacht ein Induktionsheizungs-Raffinierofen keinen Karburierungsprozeß, kann die Temperaturerniedrigung der Metallschmelze verhindern oder kann aufgrund seiner Heizleistung die Temperatur der Metallschmelze erhöhen, kann Rohstoffen lösen, die, wie es die Gelegenheit erfordert, geschmolzen werden sollen, und macht es möglich, das Raffinieren auf einen relativ geringen Verunreinigungsgehalt mit einer hohen Effizienz und zu geringen Kosten durchzuführen.
In der Erfindung wird es mit einem Metallschmelzen-Gießsystem, wie dem mit den Heizmitteln ausgestatteten Ofen zum Raffinieren unter reduziertem Druck, der zur Durchführung des Ausgießens der Metallschmelze gekippt wird, möglich, das Ausgießen der Metallschmelze mit einer hohen Geschwindigkeit durchzuführen, während sowohl eine Vereinfachung der Einrichtung als auch ein zuverlässiger Prozeß erhalten wird.
Da die Inertgasplasma-Heizeinrichtung in der erfindungsgemäßen Raffiniereinrichtung in der Nähe des Ofens zum Raffinieren unter reduziertem Druck angeordnet ist, ist die Zeitspanne, die für die Bewegung der unter reduziertem Druck raffinierten Metallschmelze erforderlich ist, minimiert, und die Metallschmelze kann unverzüglich an eine Re-Raffinierposition verfahren werden. Ferner wird die Metallschmelze unverzüglich wirksam raffiniert, ohne daß sie übermäßig abgekühlt wird, da die Re-Raffinier-Pfanne vorab auf einen Hochtemperaturzustand aufgeheizt wird, wie in Verbindung mit dem erfindungsgemäße Verfahren erläutert wurde.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung kann ferner der Arbeitsschritt des Aufnehmens der Metallschmelze und etc. unverzüglich durchgeführt werden, wenn die Hilfsrohstoffe an derselben Position wie die Aufnahmeposition der Metallschmelze oder in der Nähe der Aufnahmeposition der Metallschmelze, oder alternativ an derselben Position wie die Re-Raffinierposition oder in der Nähe der Re- Raffinierposition zugesetzt werden.
Ferner kann in der Einrichtung, in der sich die Re-Raffinierposition in einer anderen Kammer befindet, die Atmosphäre und der Druck etc. unabhängig gesteuert werden, mit dem Ergebnis, daß es möglich wird, die Synchronisation von Arbeitsschritten durchzuführen (gleichläufiges Arbeiten), die gleichzeitig bewirkt werden, so daß ein unnötiges Abkühlen der Re-Raffinier-Pfanne vermieden wird.
Die in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendete Re-Raffinier- Pfanne ist an ihrer Oberseite mit dem Deckel versehen, der zu öffnen, zu schließen oder frei abnehmbar ist, so daß die Re-Raffinier- Pfanne die Metallschmelze durch das Kippen oder etc. des Ofens für das Raffinieren unter reduziertem Druck, wie zum Beispiel des Induktionsheizungs-Raffinierofens etc., wie oben erläutert, aufnehmen kann. Der an der Oberseite der Re-Raffinier-Pfanne angeordnete Deckel ist zu öffnen oder zu schließen und ist frei abnehmbar oder anbringbar. Mit der Bezeichnung "frei abnehmbar oder anbringbar" ist gemeint, daß der Deckel angebracht werden kann oder abgenommen werden kann. Wenn der Deckel abgenommen ist, kann der abgenommene Deckel an dem oberen Teil der Plasma- Heizeinrichtung gehalten werden und kann wieder an dem oberen Teil der Re-Raffinier-Pfanne angebracht werden, nachdem die Plasma-Heizeinrichtung an die Re-Raffinier-Pfanne gesetzt wurde.
Das Ausgießen der Metallschmelze durch Kippen ist sowohl hinsichtlich der Vereinfachung der Einrichtung als auch der Zuverlässigkeit des Prozesses zufriedenstellend, jedoch ist das Ausgießen der Metallschmelze durch Kippen üblicherweise hinsichtlich des Aspekts der Aufnahme der Metallschmelze problematisch, da sowohl die Anordnung einer Zufluß- oder einer Entnahmeöffnung als auch die Richtung der ausgetragenen Metallschmelze in Abhängigkeit des Kippwinkels variieren. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, die Metallschmelze direkt mit einer sehr hohen Geschwindigkeit ohne die Verwendung von trichterartigen Mitteln zur Aufnahme der Metallschmelze auszugießen, da der Deckel zu öffnen oder frei abnehmbar ist, mit dem Ergebnis, daß es möglich wird, die Erniedrigung der Temperatur zu minimieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine Zeichnung dar, die einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt;
Fig. 2 stellt eine Zeichnung dar, die einen weiteren Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt;
Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, das den Fortschritt der Raffination in Abhängigkeit des Ablaufs der Raffinationszeit unter Verwendung der Konzentrationen von O&sub2;- und N&sub2;-Gasen in Stahl zeigt, wenn eine Metallschmelze, die zuerst in einem Lichtbogenofen raffiniert wurde, in einem Vakuuminduktionsofen unter reduziertem Druck raffiniert wird;
Fig. 4 stellt ein Diagramm dar, das den Verunreinigungszustand zeigt, wenn der Ofen nach dem Raffinieren unter reduziertem Druck zum Austragen der Metallschmelze in eine Pfanne gekippt wird, und die Metallschmelze dann in dem Zustand, in dem sie sich befindet, belassen wird;
Fig. 5 stellt ein Diagramm dar, das die Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze zeigt, wenn nach dem Raffinieren unter reduziertem Druck das erfindungsgemäße Re-Raffinieren durchgeführt wird (Fig. 3);
Fig. 6 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zwischen dem Zeitablauf und den Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze zeigt, wenn die Metallschmelze nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Re-Raffinierens beruhigt wird (Fig. 5);
Fig. 7 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zwischen der Raffinationszeit und den Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze zeigt, wenn die in einem Lichtbogenofen unter reduziertem Druck raffinierte Metallschmelze unter den gleichen Bedingungen, wie die, die bei dem erfindungsgemäßen Re-Raffinieren vorherrschen, raffiniert wird;
Fig. 8 stellt ein Diagramm dar, das die Veränderungen der Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze zeigt, wenn die Aufheiztemperatur der Re-Rafinier-Pfanne gesenkt wird.

Ausführungsformen

Ausführungsform 1

Typische Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Raffiniereinrichtung werden unter Verwendung eines stellvertretenden Beispiels beschrieben, bei dem ein Induktionsheizung-Raffinierofen als Ofen für das Rafinieren unter reduziertem Druck eingesetzt wird.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Aufbaus der erfindungsgemäßen Raffiniereinrichtung. Die Einrichtung zum Raffinieren unter reduziertem Druck 1 umfaßt: eine Atmosphären-Isolier-Kammer (a) mit einem Deckel oder einem Aufsatz 3 und einem Atmosphären-Isolier- Kammer-Gehäuse 2, das in einer Seitenwand mit einem Absperrventil 4 versehen ist; einen Induktionsheizung-Raffinierofen S. der in der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) angeordnet ist; ein Vakuumevakuierungssystem 6a mit einem Ventil; Zufuhrsysteme 8 (für den Induktionsheizung-Raffinierofen eingesetzt) und 9 (für einen Re- Raffinierbehälter eingesetzt), beide zum Zuführen von Schlackebildnern und/ oder Rohstoffen, wie zum Beispiel Legierungen, wobei die Systeme Rutschen 8' und 9' aufweisen, die sich zur Vermeidung eines störenden Zusammenwirkens mit dem gekippten Induktionsheizung-Raffinierofen 5' während des Kipp-Gießens der Metallschmelze drehend bewegen; und ein Inertgas-Zufuhrsystem 7a mit einem Ventil. Obwohl bei dieser Ausführungsform das Zufuhrsystem für die Hilfsrohstoffe im Inneren der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) angeordnet ist, kann es in der Nähe einer Re-Raffinierposition 27 angeordnet sein (siehe Fig. 2).
Eine Re-Raffiniereinheit 20 umfaßt: eine Atmosphären-Isolier- Kammer (b), die benachbart zu der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) angeordnet ist und an ihrem einen Ende eine Absperrtür 22 aufweist, wobei die Kammer (b) durch das Absperrventil 4 mit der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) verbunden oder von ihr getrennt werden kann; ein Inertgasplasma-Heizer 23 ist vertikal beweglich an der Decke der Atmosphären-Isolier-Kammer (b) installiert, wobei der Heizer einen Nicht-Übertragungs-Modus aufweisen kann; eine Re- Raffinier-Pfanne 27, die über das Öffnen des Ventils 4 und unter Verwendung eines Schienenstrangs und eines Wagens 24 zwischen einer Metallschmelzen-Aufnahme-Position (27') zur Aufnahme der Metallschmelze aus dem gekippten Induktionsheizungs-Raffinierofen 5 und einer Re-Raffinierposition (27) direkt unter dem Inertgasplasma-Heizer 23 bewegbar ist, wobei die Re-Raffinier-Pfanne an ihrer Oberseite einen Deckel 27a aufweist, der, wenn er nach oben oder nach unten gedrückt wird, geöffnet oder geschlossen werden kann und um einen horizontalen Stift rotiert werden kann, und der eine Öffnung aufweist, die das Einführen des Inertgasplasma-Heizers ermöglicht, und wobei die Re-Raffinier-Pfanne an ihrem Boden mit einem porösen Stopfen 28 und einem Gleitausguß 29 versehen ist; ein Belüfungssystem 6b mit einem Ventil; und Einguß-Behälter 30 und ihren Wagen 31.
Der Prozeß wurde unter Einsatz der in Fig. 1 dargestellten Anlage und des folgenden Verfahrens durchgeführt.
Ein festes Material oder eine Metallschmelze, die durch Schmelzen und erstes Raffinieren eines Materials in einem Lichtbogenofen hergestellt wird, wird einem Induktionsheizungs-Raffinierofen 5 durch eine Gießpfanne zugeführt, während der Deckel 3 abgenommen ist. Anschließend wird der Deckel 3 angebracht und das Vakuumevakuierungssystem 6a wird zur Evakuierung des Inneren der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) betrieben, oder eine vorbestimmte Art von Gas wird ferner zur Erzeugung einer inerten Atmosphäre zugeführt, und anschließend wird das Raffinieren in dem Induktionsheizungs- Raffinierofen 5 begonnen.
Hinsichtlich des Raffinierens erfolgt das Raffinieren der Metallschmelze unter reduziertem Druck durch den Induktionsheizungs- Raffinierofen 5 für eine vorbestimmte Zeitspanne, während in der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) in einer Vakuumatmosphäre von 1 Torr oder weniger oder in einer Inertgasatmosphäre von 200 Torr oder weniger eine erforderliche Temperatur aufrechterhalten wird. Das Raffinieren unter reduziertem Druck ermöglicht es, daß die Metallschmelze sicher auf ein vorbestimmtes Niveau raffiniert wird, da die Raffinationstemperatur und die Zeitdauer im wesentlichen willkürlich entsprechend der Heizleistung der Induktionsheizung gewählt werden kann.
Gleichzeitig wird in der Atmosphären-Isolier-Kammer (b) die Feuerfest-Auskleidung der Re-Raffinier-Pfanne 27, die vorher von außen vorgeheizt wurde, oder aus der gerade die Schmelze des letzen Arbeitsgangs ausgetragen wurde und die dadurch noch sehr heiß ist, in einem Zustand, in dem keine Metallschmelze vorhanden ist, unter Verwendung des auf den Nicht-Übertragungs-Modus eingestellten Inertgasplasma-Heizers 23 in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck nahe dem Druck der Außenatmosphäre aufgeheizt, wie es die Gelegenheit erfordert. Durch das Aufheizen der Feuerfest- Auskleidung auf eine geeignete Temperatur, die die Austragstemperatur der Metallschmelze oder höher oder niedriger sein kann, kann das Feuerfestmaterial passiviert werden, ohne durch Luft und durch bei der Verbrennung erzeugte Gase verunreinigt zu werden, wodurch sowohl die Verunreinigung der Metallschmelze als auch eine Temperaturerniedrigung minimiert wird, wenn die Metallschmelze in der Pfanne aufgenommen wird. Wenn das Raffinieren in der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) abgeschlossen ist, oder wenn das Aufheizen in der Atmosphären-Isolier-Kammer (b) oder das Gießen in die Block-Behälter 30 abgeschlossen ist, wird der Betrieb des Inertgasplasma-Heizers in der Atmosphären-Isolier-Kammer (b) gestoppt, und gleichzeitig wird der Inertgasplasma-Heizer hochgehoben und das Evakuierungssystem 6b zur Evakuierung der Atmosphären- Isolier-Kammer (b) betrieben, um in beiden Kammern den gleichen Druck zu erzeugen. Das Absperrventil 4 wird dann geöffnet, und die Re-Raffinierpfanne 27 wird durch das Öffnen des Ventils 4 und den Einsatz des Schienenstrangs und des Wagens 24 in die Position 27' in der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) bewegt. Während dieses Arbeitsgangs bleibt der Deckel 27a der Re-Raffinierpfanne zur Vermeidung von Wärmeverlusten geschlossen.
Nachdem das Bewegen der Re-Raffinierpfanne abgeschlossen ist, wird ihr Deckel 27a geöffnet und der Induktionsheizungs- Raffinierofen 5 wird zum Ausgießen der Metallschmelze in die Re- Raffinierpfanne 27 gekippt (Erneuerung der Pfanne). Nach dem Ausgießen wird das Hilfsrohstoff-Zufuhrsystem zum ggf. erforderlichen Zusetzen von Schlackebildnern und zusätzlichen Legierungswerkstoffen eingesetzt (da der Behälter erneuert wurde, verursacht das Zusetzen der Schlackebildner keine Verunreinigung der Schlacke aufgrund von Abschaum und etc.). Das Ausgießen der Metallschmelze und das Zusetzen der Hilfsrohstoffe kann effizient durchgeführt werden, da der Deckel 27a zur Bereitstellung einer erforderlichen und ausreichenden Öffnung geöffnet ist, und da diese Arbeitsschritte am selben Ort durchgeführt werden. Der Schienenstrang und der Wagen 24 werden anschließend zur Bewegung der die Metallschmelze enthaltenden Re-Raffinier-Pfanne an die Re- Raffinier-Position 27 eingesetzt, und die Pfanne wird anschließend durch den Inertgasplasma-Heizer aufgeheizt, um die Schlackebildner aufzuheizen und zu schmelzen. Während dieses Arbeitsschritts kann die Atmosphären-Isolier-Kammer (a) unter dem Druck der Außenatmosphäre stehen.
Vorzugsweise kann zum Rühren der Metallschmelze über das Inertgas-Zufuhrsystem 7b von dem porösen Stopfen 28 ein Gas in die Schmelze eingeblasen werden, wodurch verursacht wird, daß frische aktive Schlacke krätzeartig oder abschaumartig suspendierte Substanz und/oder anhaftende Substanz absorbiert, die während des Kipp-Gießens zusammen mit der Metallschmelze in die Re-Raffinier- Pfanne geflossen ist, oder Verunreinigungen absorbiert, die durch die Feuerfestmaterialien des Behälters selbst verusacht werden, bevor sie schmelzen und sich in der Metallschmelze verteilen. Die maximale Raffinationswirkung kann folglich erhalten werden, wenn die Re-Raffinier-Pfanne 27 die Schmelze schnell aufnimmt, während sie vorher auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wurde.
Nachdem das Re-Rafinieren beendet ist, und die Metallschmelze beruhigt ist, wird die Metallschmelze über einen Gleitausguß 29 zum Gießen in den Block-Behälter 30 gegossen.
Zum effizienten Gießen der Metallschmelze in die Block-Behälter 30 ist vorzugsweise ein Gießwagen 31 im Inneren der Atmosphären- Isolier-Kammer (b) angeordnet, so daß der Block-Behälter 30 versetzt werden kann, und eine Absperrtür 22 ist vorzugsweise ebenso vorhanden, so daß die Behälter horizontal verfahren werden können. Im übrigen können sogar dann die selben guten Wirkungen erzielt werden, wenn die Metallschmelze nach dem Abschluß dieses Re-Raffinierens durch die Re-Raffinier-Pfanne 27 von einem oben laufenden Kran transportiert wird und dann an der Außenatmosphäre gegossen wird.
Nachfolgend werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf verschiedene Versuchsbeispiele beschrieben. In allen Versuchen wurden Metallschmelzen von rostfreien Stählen mit hohem Nickelgehalt verwendet. In den unten erläuterten Zeichnungen stellen die Kreise, die Kreuze, die gestrichelten Linien und die durchgezogenen Linien die Konzentration an O&sub2;-Gas in der Metallschmelze, die Konzentration an N&sub2;-Gas in der Metallschmelze, den rostfreien Stahl mit hohem Nickelgehalt bzw. den hochwertigen Kohlenstoffstahl für Federn dar.
Fig. 3 zeigt den Fortschritt der Raffination in Abhängigkeit des Zeitablaufs, wenn die Metallschmelze zuerst in einem Lichtbogenofen raffiniert wurde und anschließend zur Durchführung des erfindungsgemäßen Raffinierens unter reduziertem Druck in einen Vakuuminduktionsheizungs-Raffinierofen gegossen wurde, wobei der Fortschritt der Raffination durch die gemessenen Konzentrationen von O&sub2;- und N&sub2;-Gas ausgedrückt ist, die in den Metallschmelzen enthalten sind.
Aus Fig. 3 wird deutlich, daß die Raffination im Zeitablauf schnell fortschreitet.
Fig. 4 zeigt die Meßergebnisse von Gaskonzentrationen in einem Fall, in dem die Metallschmelze, die dem oben beschriebenen, reduzierten Raffinieren (60 Minuten) unterzogen wurde, in eine Re- Raffinier-Pfanne kipp-gegossen wurde, deren Feuerfest-Auskleidung vorher unter Verwendung des Inertgasplasma-Heizers auf einen Bereich zwischen einer vorbestimmten Austragstemperatur der Metallschmelze und einer Temperatur aufgeheizt wurde, die durch Substrahieren von 150ºC von der Austragstemperatur festgelegt wurde, und dann die Metallschmelze für 60 Minuten so belassen wurde, wie sie war. Diese Figur zeigt, daß die Gaskonzentrationen, die kurz nach der Aufnahme der Metallschmelze gemessenen wurden, ungefähr auf dem gleichen Niveau lagen, wie die Werte zur Zeit des Abschlusses der Raffination, aber die Gaskonzentrationen im Zeitablauf zunahmen.
Fig. 5 zeigt die Veränderungen der Gaskonzentrationen während des erfindungsgemäß durchgeführten Re-Raffinierens in einem Fall, in dem die Metallschmelze unter den gleichen Bedingungen, wie bei dem oben beschriebenen Raffinieren unter reduziertem Druck raffiniert wurde und unter den gleichen Bedingungen, wie den oben beschriebenen in einen Re-Raffinier-Behälter kipp-gegossen wurde, dessen Feuerfest-Auskleidung vorher unter Verwendung des Inertgasplasma-Heizers auf die gleiche Temperatur aufgeheizt wurde, wie in Fig. 4 beschrieben, wobei das Re-Raffinieren durchgeführt wurde, während der Metallschmelze Schlackebildner zugesetzt wurden und die Metallschmelze unter Verwendung von Argongas gerührt wurde, das von dem im Boden des Ofens vorhandenen, porösen Stopfen eingeblasen wurde, und während die Metallschmelze von ihrem oberen Abschnitt aus durch das Inertgasplasma aufgeheizt wurde. Diese Figur zeigt, daß bei dem mit der Erfindung verbundenen Re- Raffinieren verhindert wurde, daß die wiederverunreinigten Substanzen wieder in die Metallschmelze einschmelzen, und daß die Gaskonzentration im Zeitablauf nach und nach abnahm, und daß der Raffinationsgrad dieses Re-Raffinierens höher war als der des Raffinierens unter reduziertem Druck.
Die für die Erfindung erforderliche Zeitdauer der Re-Raffination beträgt 30 bis 60 Minuten.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Beruhigungszeit und den Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze, wenn die Metallschmelze zur Untersuchung der Wirkung der Beruhigung und der Retentionsbehandlung, die vor dem Gießen der Metallschmelze durchgeführt wurden, beruhigt und unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 4 in der Re-Raffinier-Pfanne behalten wird, nachdem das erfindungsgemäße Re-Raffinieren durchgeführt wurde.
Die Figur zeigt, daß in der für 60 Minuten gemäß der Erfindung reraffinierten Metallschmelze die Zunahme der Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze viel geringer war, als in Fig. 4 und sogar nach dem Beruhigen für 60 Minuten ein niedriges Niveau der Absolutwerte vorlag. Es versteht sich folglich, daß ein Gußblock mit einer Reinheit, wie nach dem Re-Raffinieren bereitgestellt werden kann. In ähnlicher Weise wurden bei einem Versuch, bei dem die Metallschmelze für dreißig Minuten re-raffiniert und anschließend in ähnlicher Weise beruhigt wurde, im wesentlichen ähnliche Ergebnisse, wie die oben beschriebenen Ergebnisse erhalten.
Fig. 7 zeigt die Meßergebnisse hinsichtlich der Konzentrationen von Gasen in der Metallschmelze in Abhängigkeit des Zeitablaufs in einem Fall, in dem die Metallschmelze zuerst in einem Lichtbogenofen raffiniert wurde (wobei die Metallschmelze im wesentlichen der Metallschmelze ähnelte, die in dem in der Fig. 3 offenbarten Versuch verwendet wurde), gemäß der Erfindung direkt in den Re- Raffinierbehälter gegossen wurde, ohne die Metallschmelze der Vakuum-Raffination zu unterziehen, und anschließend das Raffinieren unter den gleichen Bedingungen, wie in dem obigen, mit Bezugnahme auf die Fig. 5 beschriebenen Versuch durchgeführt wurde (das heißt, die Anwesenheit von Schlacke, das Rühren durch Einblasen von Gas und das Inertgasplasma-Heizen; dieses Raffinieren wird im Folgenden als "Inertgasplasma-Raffinieren" bezeichnet).
Diese Figur zeigt, daß das Inertgasplasma-Raffinierverfahren eine sehr hohe Raffinationswirkung hat. Jedoch ist das Inertgasplasma- Raffinierverfahren hinsichtlich der Raffinationsgeschwindigkeit dem Vakuum-Raffinierverfahren deutlich unterlegen, so daß es vorteilhaft ist, das Vakuum-Raffinierverfahren bei dem niedrigen Raffinationsgrad einzusetzen, und dann zur Durchführung der Re- Raffination das Inertgasplasma-Raffinierverfahren einzusetzen, um Verunreinigungen zu entfernen, die während des Kipp-Gießens wieder eingemischt wurden.
Fig. 8 zeigt die Veränderungen der Gaskonzentrationen in einem Fall, in dem die Metallschmelze unter den gleichen Bedingungen, wie den mit Bezugnahme auf die Fig. 5 offenbarten, aufgenommen und re-raffiniert wurde, mit der Ausnahme, daß die Feuerfest- Auskleidung der Re-Raffinier-Pfanne auf eine Temperatur aufgeheizt wurde, die durch Substrahieren von 300ºC von einer vorbestimmten Gießtemperatur der Metallschmelze festgelegt wurde. Gemäß Fig. 8 blieb die Gaskonzentration für 30 Minuten nach dem Beginn des Re-Raffinierens nahezu konstant und sank nach 60 Minuten Re- Raffinieren. Dies zeigt deutlich die Wirkung der in Fig. 5 gezeigten Erhöhung der Aufheiztemperatur der Re-Raffinier-Pfanne.
Fig. 8 zeigt ebenso die Wirksamkeit der Erfindung dahingehend, daß vermieden wird, daß die wiederverunreinigten Verunreinigungen, die mit Bezug auf die Fig. 4 erläutert wurden, während des Re- Raffiierens auftreten.

Ausführungsform 2

Der Prozeß wurde unter Einsatz der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung durchgeführt. Nachdem eine Fe-Ni-Legierung in einem Lichtbogenofen an der Außenatmosphäre geschmolzen wurde, wurde zu deren ausreichender Entkohlung Sauerstoff in die Metallschmelze eingeblasen. Die Metallschmelze wurde dann unter Verwendung einer Gießpfanne in den Induktionsheizungs-Raffnierofen 5 gegossen. In diesem Fall wurde die Metallschmelze zur Minimierung der Mischung von Schlacke, die während der Entkohlung verursacht wurde, durch einen im Boden der Gießpfanne angeordneten Gleitausguß gegossen. Ein Aufsatz 3 wurde anschließend angebracht und das Evakuierungssystem 6a wurde zur Evakuierung des Inneren der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) betätigt, wo das Raffinieren unter reduziertem Druck dann unter Verwendung des Induktionsheizungs-Ofens durchgeführt wurde.
Parallel dazu wurde der vorgeheizte Re-Raffinier-Behälter außerhalb der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) angeordnet. Nachdem das Raffinieren in der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) beendet war, wurde das Absperrventil 4 geöffnet, und der Re-Raffinier-Behälter 27 wurde unter Verwendung des Schienenstrangs und des Wagens 24 durch die Öffnung des Ventils 5 an die Position 27' in der Atmosphären-Isolier-Kammer (a) bewegt.
Der Induktuionsheizungs-Raffinierbehälter 5 wurde zum Ausgießen der Metallschmelze in den Re-Raffinierbehälter 27 gekippt. Nach dem Ausgießen wurden der Metallschmelze durch das Hilfsmaterial- Zufuhrsystem 9 Schlackebildner zugesetzt. Dann wurde der die Schmelze enthaltende Re-Raffinierbehälter durch den Schienenstrang und den Wagen 24 schnell an die Position 27 bewegt, wo das Re-Raffinieren durch Aufheizen und Schmelzen der Schlackebildner durch den Inergasplasma-Heizer durchgeführt wurde, während die Schmelze durch Ar-Gas gerührt wurde, das über das Inertgas- Zufuhrsystem 7b von dem porösen Stopfen 28 eingeblasen wurde. Nachdem das Re-Raffinieren beendet war, und die Metallschmelze in einer vorbestimmten Art und Weise beruhigt worden war, wurde die Metallschmelze über den Gleitausguß 29 zum Gießen in den Block- Behälter 30 gegossen.
Tabelle 1 zeigt die S- und O-Gehalte, die nach 30-minütigem Re- Raffinieren nach sowohl einem Vergleichsverfahren, bei dem kein Rühren durchgeführt wurde und das relative Niveau der gemessenen O- und S- Werte auf 10 geschätzt wurde, als auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Rühren gemäß der Erfindung durchgeführt wurde, gemessen wurden, wobei auch das Niveau der gemessenen O- und S-Werte im Verhältnis zu denen des Vergleichsverfahrens gezeigt wird. Tabelle 1
Tabelle 1 zeigt, daß das Rühren der Metallschmelze in einem Behälter während des Re-Raffinierens sehr wirksam ist.
Obwohl in der obigen Ausführungsform die Erfindung in Verbindung mit der Verwendung des Vakuum-Raffinierens offenbart wurde, das als ein Beispiel des Raffinierens unter reduziertem Druck übernommen wurde, ist die Erfindung nicht auf diesen Aspekt beschränkt. Das heißt, in einem Fall, in dem bestimmte Legierungskomponenten in der zu raffinierenden Metallschmelze enthalten sind, wird üblicherweise zur Vermeidung oder Minimierung des Verlusts dieser Komponenten durch Verdampfen eine Inertgasatmosphäre mit einem absoluten Druck von 200 Torr oder weniger gewählt, die ebenso auf diese Erfindung anwendbar ist.
Zusätzlich ist diese Erfindung, obwohl in den obigen Ausführungsformen die Metallschmelze zum Vakuum-Raffinieren ein Metall war, das vorher geschmolzen und zuerst in einem anderen Schmelzofen raffiniert worden war, nicht auf diesen Aspekt beschränkt, und ein kaltes Material kann geschmolzen und unter reduziertem Druck raffiniert werden.
Wie oben beschrieben, wird bei der Erfindung zuerst das Verfahren zum Raffinieren unter reduziertem Druck unter Verwendung des Raffinier-Ofens durchgeführt, der Heizmittel aufweist, die einem breiten Bereich von erforderlichen Raffinationsniveaus und/oder Arten von Materialien oder dem Betrieb unter Vakuum oder in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpartialdruck, einschließlich einem Inertgas mit nicht mehr als 200 Torr, angepaßt sind, so daß die Metallschmelze sicher wirksam auf ein relativ hohes vorbestimmtes Niveau raffiniert wird, und dann wird die Metallschmelze in die erneuerte, aufgeheizte Pfanne gegossen, die mit dem Deckel versehen ist, der abnehmbar angebracht und frei zu öffnen oder zu schließen ist, um eine schnelle Aufnahme der Metallschmelze zu ermöglichen, so daß die Metallschmelze unter einer Schlacke wirksam plasmageheizt und re-raffiniert wird und dadurch die wiedereingemischten Verunreinigungen, wie zum Beispiel an der Ofenwandung anhaftende oder aufgeschwommene Substanzen entfernt werden, bevor die Verunreinigungen wieder in der Gesamtheit der Metallschmelze schmelzen.
Durch die Durchführung des Re-Raffinierens der Metallschmelze unter Einsatz von Plasma-Heizen und Rühren gemäß dem Verfahren der Erfindung wird das Raffinieren gefördert, während die gerührte, neue Metallschmelze immer in Kontakt mit den Schlackebildnern auf ihrer Oberfläche steht.
Ferner kann in der erfindungsgemäßen Einrichtung das Re- Raffinieren bei einer höheren Temperatur sofort nach dem Raffinieren unter reduziertem Druck begonnen werden, da der Ofen zum Raffinieren unter reduziertem Druck benachbart zu der Position des Inergasplasma-Re-Raffinierens angeordnet ist, und dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren wirksam durchgeführt werden. In dem Fall, in dem der Vor-Raffinier-Ofen und der Inertgasplasma- Heizer unabhängig voneinander in verschiedenen Atmosphären- Isolier-Kammern angeordnet sind, kann der erneuerte Behälter unter der Bedingung, daß der Druck in einer Kammer so eingestellt ist, daß er das gleiche Niveau hat, wie der in der anderen Kammer, schnell zwischen den Kammern bewegt werden, und der Einfluß der Atmosphäre auf die Metallschmelze kann vollständig vermieden werden. Zusätzlich macht es die Verwendung einer Pfanne mit einem zu öffnenden und zu entfernenden Deckel als eine erneuerte Re-Raffiner-Pfanne möglich, das Zusetzen von Hilfsstoffen an der gleichen Position wie das Re-Raffinieren oder an einer Position in der Nähe der Position des Re-Raffinierens durchzuführen

Claims

1. Raffiniereinrichtung zum Bereitstellen von raffinierter Metallschmelze mit einer ersten Metall-Behandlungs-Einheit (1) unter reduziertem Druck und einer daneben angeordneten zweiten Metall-Re-Raffiniereinheit (20), die eine Pfanne (27) und einen Inertgasplasma-Heizer (23) enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die erste Einheit (1) einen in einer gegen die Außenatmosphäre isolierten Kammer (a) angeordneten Induktions- Heizofen (5) enthält und

- die Pfanne (27) der zweiten Einheit zwischen einem ersten Ort innerhalb der Kammer (a), an welchem sie die in der ersten Einheit behandelte und aus dem Induktions- Heizofen (5) ausgetragene Metallschmelze aufnimmt, und einem zweiten Ort, an dem die Beheizung durch den Inertgasplasma-Heizer (23) erfolgt, transportierbar ist.

2. Raffiniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (a) der ersten Einheit (1) ein Gehäuse (2) aufweist, das mit einem Teilerventil (4) in einer Seitenwand, einer Abdeckung (3), einem Vakuum-Evakuiersystem (6a) und einem Fördersystem (7, 8, 9) versehen ist.

3. Raffiniereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einheit (20) eine Atmosphären-Isolier- Kammer (b) enthält, die mit der Kammer (a) der ersten Einheit (1) über das Teilerventil (4) verbunden ist.

4. Raffiniereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Inertgasplasma-Heizer (23) vertikal beweglich an der Decke der Atmosphären-Isolier-Kammer (b) installiert ist.

5. Raffiniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem Wagen (24) angeordnete Pfanne (27) zwischen der Metalleinfüllposition (27') in der ersten Einheit (1) und der Re-Raffinierposition in der zweiten Einheit (20) direkt unter dem Inertgasplasma-Heizer (23) verfahrbar ist.

6. Raffiniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfanne (27) an ihrer Oberseite einen Deckel (27a) mit Öffnungen zum Einführen des Inertgasplasma-Heizers (23) aufweist und an ihrem Boden mit einem porösen Stopfen (28) sowie einem Gleitausguß (29) versehen ist.

7. Raffiniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einheit (20) unter der Re-Raffinierposition der Pfanne (27) von einem Wagen (31) getragene Einguß-Behälter (30) aufweist.

8. Raffiniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein zusätzliches Fördersystem (9) zum ggf. erforderlichen Zusetzen von Schlackebildnern und weiteren Legierungswerkstoffen in die Pfanne (27).

9. Verfahren zum Raffinieren von geschmolzenem Metall unter Verwendung einer Raffiniereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Stufen

- Raffinieren einer Charge von geschmolzenem Metall in einem Induktions-Heizofen (5) unter verringertem Druck in einer Atmosphären-Isolier-Kammer (a),

- Austragen der Charge von geschmolzenem Metall aus dem Induktionsofen (5) in eine daneben angeordnete vorgeheizte Pfanne (27),

- Bewegen dieser Pfanne (27) aus der Kammer (a) zu einem Re-Raffinier-Ort,

- Zusetzen von Schlackebildnern in das geschmolzene Metall und

- Re-Raffinieren dieses geschmolzenen Metalls während einer Beheizung durch einen Inertgasplasma-Heizer (23).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall in die Pfanne (27) durch Kippen des Induktionsofens (5) entleert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall während des Re-Raffinier- Prozesses gerührt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Höchsttemperatur in der Feuerfest-Auskleidung der Pfanne (27) und der Temperatur des in die Pfanne (27) gegossenen geschmolzenen Metalls 150ºC oder geringer ist.