EP1068364A1

EP1068364A1 - Verfahren zum legieren von stählen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP1068364A1
Application number: EP99924705A
Authority: EP
Inventors: Ralf Evertz; Stefan Evertz
Original assignee: Egon Evertz KG GmbH and Co
Current assignee: Egon Evertz KG GmbH and Co
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-03-27
Publication date: 2001-01-17
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: EP1068364B1; ATE209260T1; WO1999051785A1; ES2168015T3; US6383253B1; DE19814748A1; DE59900687D1

Description

Beschreibung

Verfahren zum Legieren von Stählen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Legieren von Stählen durch Einbringen von metallischen Zuschlägen und/oder Reduktionsmitteln in pulvriger Form in eine flüssige Metallschmelze. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung gehört dem Bereich der sogenannten Sekundärmetallurgie an, d.h., einer Nachbehandlung des beispielsweise durch den Frischprozeß im Konverter oder im Elek- trolichtbogenofen hergestellten Stahles. Zu dieser Nachbehandlung gehört insbesondere die Legierungseinstellung der Stähle, bei der gewünschte Metallzuschläge eingebracht werden. Ggf. ist in dieser Phase noch eine zusätzliche Desoxidation, Entkohlung, Entschwefelung von Spurenelementen vorzunehmen.

Aus der DE 42 37 177 AI ist eine regelbare mechanische Dosierförderanlage für staubförmige Güter bekannt, die eine oder mehrere verschiedene Staubsorten mengengeregelt durch eine Förderleitung mit abschließender Tauchlanze in eine Roheisenschmelze drückt. Diese Dosierförderanlage wird zum Einblasen, insbesondere zum Koinjektionieren von Kalziumcarbid- und Magnesiumstäuben in Roheisenschmelzen verwendet.

In entsprechender Weise wird auch in der DE 44 00 029 AI eine regelbare dosierte Eingabe von Additiven in den Elektrolichtbo- genofen, in Pfannenöfen oder Gießpfannen angestrebt. In allen diesen Fällen wird der betreffende pulverförmige Feststoff mittels eines Trägergases, das nach dem Stand der Technik etwa 80 % und mehr der Gesamtgas-Feststoff-Gemischmenge ausmacht, eingebracht. Unterschiedliche Ström- bzw. Fließgeschwindigkeiten der verwendeten Trägergase und der Feststoffe führen jedoch im Ergebnis dazu, daß eine genaue Dosierung bzw. Regelung der einzubringenden Legierungselemente oder Legierungselemente in Verbindung mit Desoxidationsmitteln nicht möglich ist, was sich qualitativ auf den hergestellten legierten Stahl in negativer Weise auswirkt.

Aus diesem Grund wird bei der Legierungseinstellung des Stahles mit einem hohlkörperförmigen Draht gearbeitet, in dessen Innenraum die Metalle und/oder Desoxidationsmittel in pulvriger Form eingepreßt angeordnet sind. Dieser Draht wird mittels einer Einspulmaschine unmittelbar in das Bad abgewickelt, wo der Draht schmilzt und die Legierungselemente freigibt. Beispielsweise werden Drähte bis zu 23 mm Durchmesser und einer 0,5 mm dicken Wandstärke verwendet, in denen das Füllmaterial angeordnet ist. Bereits die Herstellung solcher mit pulverförmigen Legierungselementen gefüllten Drähte ist aufwendig und teuer. Darüber hinaus besitzt das Drahteinspulverfahren den Nachteil, daß das erschmelzende Drahtende nicht immer an der gewünschten Stelle unter der Badoberfläche liegt, so daß sich in der Schmelze unterschiedliche Konzentrationen an Legierungselementen ergeben.

Die zwar preiswertere und technisch einfachere Technik, die Legierungspulver von oben auf die Badoberfläche rieseln zu lassen, besitzt wiederum den Nachteil, daß wegen der bestehenden Badbewegungen, die auf der Metallbadoberfläche radial nach außen gerichtet sind, die Legierungsmittel an den Pfannen- oder Konverterrand gespült werden, wo sie an Schlackeablagerungen oder dem Schmelzbehälterinnenmantel haften bleiben. Da dies in unkontrollierbarer Weise in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Badbewegung geschieht, droht auch bei diesem Verfahren eine unerwünschte Legierungseinstellung, die den Metall-Legierungszuschlägen jedenfalls nicht entspricht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren dahin weiterzuentwickeln, daß mit besserer 3

Dosiergenauigkeit Legierungszuschläge allein oder Legierungszuschläge in Verbindung mit Reduktionsmitteln in exakter Dosierung in die Schmelze eingebracht werden.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legierungszuschläge und/oder die Legierungszuschläge und Reduktionsmittel als Pulver aus einem Vorratsbehälter über eine Förderleitung direkt zu einer oder mehreren Lanzen und/oder Unterbaddüsen (trocken) in die Schmelze oder in einer Mischung mit einem Fluidisierungsmittel, dessen Anteil an der eingeblasenen Menge < 20 % ist, in die Schmelze eingeführt werden, wobei der zur Pulverförderung aufzuwendende Druck mindestens 20 bar, vorzugsweise 40 bar, beträgt oder wobei die in der Förderleitung befindlichen Pulver mittels eines den Förderleitungsquerschnitt überdeckenden Preßkolbens ausgetrieben werden.

Die grundsätzlich bekannte Einblastechnik von Feststoffen über Lanzen oder Unterbaddüsen wird demnach in der veränderten Art und Weise angewendet, daß die betreffenden Zuschläge trocken (d.h. ohne Gase oder andere Fluidisierungsmittel) unter einem Förderdruck von 40 bar und mehr in die Schmelze eingeblasen werden oder daß die Menge des Fluidisierungsmittels auf maximal 1/5 in der Gas-Pulverfeststoffmischung begrenzt wird und die Mischung unter einem Förderdruck von mehr als 20 bar eingeblasen wird. Der Förderdruck nimmt entsprechend den Reibungsverlusten zur Lanze bzw. Unterbaddüse hin ab, wodurch sich der Druck, unter dem die Pulver ausströmen, auf Werte minimiert, die geringfügig über dem ferrostatischen Druck liegen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß es trotz der erheblichen Reibungsverluste, die zwar vorliegen und nach bisherigen Annahmen befürchten ließen, daß eine gleichmäßige Eingabe der Zuschläge nicht möglich ist, eine optimale Dosierung geschaffen werden kann. Es war auch überraschend, daß, je nach dem, ob mit einem geringeren Anteil von Fluidisierungsmitteln oder ohne Fluidisierungsmitteln gearbeitet wird, bereits Drücke zwischen 20 bar und 40 bar ausreichen, um die bestehenden Reibungswiderstände zu überwinden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die in der Förderleitung und/oder Lanze eingefüllte Pulvermenge über einen Hubkolben, der den gesamten Förderleitungsquerschnitt abdeckt, auszutreiben. Bei diesem Verfahren wird die Menge an Pulver, die eingeführt werden kann, durch den Kolbenhub sowie den Querschnitt der Förderleitung, in dem der Kolben bewegt wird, begrenzt. Der betreffende Förderleitungs- oder Lanzenabschnitt muß nach jedem Pulveraustrieb neu gefüllt werden. Die Pulveraustrittsstelle an der Lanze wird zweckmäßigerweise beim Nachfüllen durch eine Abdeckung verschlossen, die beim Einführen der Lanze in die Schmelze wegschmilzt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Wie bereits erwähnt, können jedoch auch Fluidisierungsmittel, wie geringe Mengen an Inertgas, insbesondere Argon oder Stickstoff, oder von flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie Heiz- oder Dieselöl, Schweröl, Altöl, Rapsöl oder Paraffin, verwendet werden. Die Verwendung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie insbesondere Altöl, das in der Schmelze verbrennt, schaffen Entsorgungsmöglichkeiten, welche die Behandlung von Altöl als Sondermüll vermeiden lassen.

So werden vorzugsweise Pulver mit einer maximalen Korngröße von 1 mm, vorzugsweise von maximal 0,1 mm, insbesondere beim "trockenen" Einblasen ohne Gase oder Flüssigkeiten, verwendet.

Eine Fluidisierung der Pulver ist auch dergestalt möglich, daß gepreßte Legierungszuschläge einen Kern bilden, der mit einer ein Gleitmittel enthaltenen Schale, z.B. aus Paraffin, Wachs, Öl oder ähnlichem, umhüllt ist. Betreffende, aus Kern und Schale bestehende Partikel können ohne Zugabe weiterer Fluidisierungsmittel (trocken) oder mit weiteren geringen Anteilen von gasförmigen oder flüssigen Fluidisierungsmitteln, die jedoch die im Anspruch 1 genannte Menge nicht übersteigen sollen, verwendet werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Legierungszuschläge in Pulverform über eine schwenkbare Lanze eingeblasen.

Hierunter sind sowohl solche Schwenkbewegungen zu verstehen, die es ermöglichen, Lanzenaustrittsöffnung aus dem Bad herauszubewegen, als auch solche Schwenkbewegungen, welche unterschiedliche Lanzenaustrittsorte unterhalb der Badoberfläche einstellen lassen.

Vorzugsweise ist die Lanze als Ringdüse ausgebildet und in einer weiteren Ausgestaltung als doppelwandige Ringdüse, wobei durch eine der doppelwandbedingten Ausströmöffnungen Inertgase in die Schmelze eingeblasen werden, wodurch die Lanze gekühlt und/oder eine Schmelzerührbewegung erzeugt wird. Eine Optimierung dieser Rührbewegung ist erreichbar, wenn die Lanzenausströmöffnungen derart ausgebildet sind, daß die Inertgase tan- gential ausströmen. Durch die zweite Ausströmöffnung wird dann das trockene oder fluidisierte Pulver, das aus den Zuschlagstoffen besteht, einpreßt. Auf diese Weise ist es möglich, mit den über die Lanze eingeblasenen reinen Inertgase je nach Dosierung der Zuschlagstoffe unterschiedliche Badbewegungen zu erzeugen, die um so intensiver sein sollen, je größer die pro Zeiteinheit eingeführte Metall- oder Desoxidationsmenge ist. Anders als in den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren können somit die Dosierungsmenge pro Zeiteinheit und die Badbewegung unabhängig voneinander geregelt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Druck zwischen 50 bar und 100 bar, unter dem die pulverförmigen Zuschläge eingepreßt werden, angewendet. Das erfindungsgemäße vorbeschriebene Verfahren, das sowohl in Stahlwerken als auch Gießereien anwendbar ist, bietet mehrere Möglichkeiten Legierungskomponenten, wie Aluminium, Silicium, Magnesium, Calcium, diverse Carbide, in die Schmelze einzugeben: Neben dem volumetrischen Trockentransport über einen Dosier- und Druckkolben, die volumetrische Förderung der Gas/Pulvermischung oder der Gas/Flüssigkeitsmischung, wobei der Gas- oder Flüssigkeitsanteil höchstens 20 % der Mischung beträgt. Die vierte Möglichkeit besteht in dem vorbeschriebenen volumetrischen Transport der Mischung mit einem "trockenen Kern" aus den einzuführenden Zuschlägen und einer feuchten Schale oder einer pasteusen Pulvermischung, die vorzugsweise aus Kohlenwasserstoffen besteht, die gleitmittelfähig sind.

Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:

Der Anteil der Fluidisierungsmittel (Inertgas, Flüssigkeit) wird auf ein Minimum reduziert. Die Dosierung erfolgt über eine Volumenmessung, die genauer als die herkömmliche gravi etrische Methode oder Durchflußmessung ist. Der Förderdruck kann entsprechend der Fließfähigkeit der pulverförmigen Feststoffe variiert werden. Schließlich können Legierungen während der Behandlungen spezifikationsgerecht eingestellt werden. Die vorzunehmenden Dosierungen lassen sich staubfrei und emissionsgering durchführen. Weil keine große Transportgasmenge (wie nach dem Stand der Technik üblich) oder nur eine geringe Fluidisie- rung im Einspeiseprodukt, den Zuschlägen, vorhanden ist, erhöht sich auch die Verweildauer der Zuschläge im Reaktionsbereich der Lanzenmündung in der Schmelze.

Zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, bei der von einem Vorratsbehälter eine eine Hochdruckpumpe aufweisende Förderleitung direkt zu einer Lanze oder einer Unterbaddüse ührt. Durch diese Maßnahme wird der Energieinvestitionsaufwand gegenüber herkömmlichen Techniken erheblich reduziert. Ebenso verringert sich der War- tungs- und Instandhaltungsaufwand. Weiterbildungen der beschriebenen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besitzt die Förderleitung einen Luft- oder Flüssigkeitseinlaß, vorzugsweise mit einer regelbaren Dosiervorrichtung in Abhängigkeit der aus dem Vorratsbehälter geförderten Mengen, womit sich die gewünschten Mischungsverhältnisse Pulver : (Fluidisierungsmittel bzw. Gleitmittel) einstellen lassen.

Die Lanze besitzt einen Doppelmantel mit zwei Ausströmöffnungen, von denen durch die eine das pulverförmige Metall oder Reduktionsmittel, das ggf. fluidisiert ist, und durch die andere Inertgase strömen. Die Ausströmöffnung bzw. Ausströmöffnungen der Lanze sind im Idealfall tangential mündend angeordnet. Die Lanze selbst ist vorzugsweise schwenkbar. Das Bad (die Schmelze) kann in einem Konverter, einer Pfanne oder einem Torpedowagen angeordnet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische vergrößerte Darstellung einer

Einlaßstelle in die Förderleitung für die Fluid-Beimischung,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Lanze mit tan- gentialen Ausströmöffnungen und

Fig. 4 eine Längsquerschnittsansicht einer Lanze mit zwei Ausströmkanälen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem metallurgischen Gefäß 10 mit einem Schmelzebad 11, in α P- et P- er ι-a N P" TJ φ d er to " σ T Ct j - •n to Ct rt d= Cd o ω ua cn α tr < P d et d d Φ d Φ Φ d DJ: d P- DJ Φ P- φ Φ d φ Hl DJ P- φ Φ d σ d d O Φ P- Φ DJ: φ P- d DJ

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digkeit unabhängig von dem Strom des Zuschlages (Legierungsmittel, Reduktionsmittel) regelbar ist.

Pumpen und Dosiereinrichtungen der verwendeten Art sind grundsätzlich nach dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Zementindustrie, in der angemischter breiförmiger Zement unter hohem Druck gefördert wird.

Das metallurgische Gefäß 10 kann eine Pfanne, ein Torpedowagen oder ein Konverter sein.

Claims

10Patentansprüche

1. Verfahren zum Legieren von Stählen durch Einbringen von metallischen Zuschlägen und/oder metallischen Zuschlägen und Reduktionsmitteln in pulvriger Form in eine flüssige Metallschmelze, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Legierungszuschläge und/oder die Legierungszuschläge und Reduktionsmittel als Pulver aus einem Vorratsbehälter über eine Förderleitung direkt zu einer oder mehreren Lanzen (12) und/oder Unterbaddüsen in die Schmelze oder in einer Mischung mit einem Fluidisierungsmittel, dessen Anteil an der eingeblasenen Menge < 20 % ist, in die Schmelze eingeführt werden, wobei der zur Pulverförderung aufzuwendende Druck mindestens 20 bar, vorzugsweise 40 bar, beträgt oder wobei die in der Förderleitung befindlichen Pulver mittels eines dem Förderleitungsquerschnitt überdeckenden Preßkolbens ausgetrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver durch Zugabe von geringen Mengen an Inertgas, wie Argon oder Stickstoff, oder einem flüssigen Kohlenwasserstoff, wie Heizöl/Diesel, Schweröl, Altöl, Rapsöl oder Paraffin, fluidisiert oder pasteus werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver eine maximale Korngröße von < 1 mm, vorzugsweise < 0,1 mm, aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver in gepreßter Form als Kern mit einer ein Gleitmittel enthaltenen Schale eingeblasen werden. 11

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver über eine schwenkbare Lanze (12), die vorzugsweise als Ringdüse ausgebildet ist, eingeblasen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze doppelwandig ausgebildet ist und daß durch eine der doppelwandig bedingten Ausströmöffnungen Inertgase in die Schmelze eingeblasen werden, wodurch die Lanze gekühlt und/oder eine Schmelze-Rührbewegung erzeugt wird, insbesondere durch tangentiales Ausströmen der Inertgase aus der Lanze.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet, durch einen Druck zwischen 50 bar und 100 bar.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Vorratsbehälter (17) eine eine Hochdruckpumpe (16) aufweisende Förderleitung (15) direkt zu einer Lanze (12) oder Unterbaddüse führt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Förderleitung (15) ein Luft- oder Flüssigkeitseinlaß (20), vorzugsweise mit einer regelbaren Dosiereinrichtung in Abhängigkeit der aus dem Vorratsbehälter (17) geförderten Mengen hineinführt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (12) einen Doppelmantel mit zwei Ausströmöffnungen aufweist, von denen durch die eine das pulverförmige Metall oder Reduktionsmittel, das ggf. fluidisiert ist, und durch die andere Inertgase strömen. 12

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung (en) tangential aus der Lanze (12) münden, die vorzugsweise im Bad schwenkbar ist .

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bad eine Pfanne, ein Torpedowagen oder ein Konverter ist.