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Dokumentenidentifikation DE19811722C1 09.09.1999
Titel Vorrichtung zum Vakuumfrischen von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen
Anmelder SMS Vacmetal Gesellschaft für Vacuummetallurgie mbH, 44141 Dortmund, DE
Erfinder Zahs, Gernot, Dr.rer.nat., 44289 Dortmund, DE;
Teworte, Rainer, Dr.rer.nat., 58239 Schwerte, DE;
Rappen, Thomas, Dr.rer.nat., 44625 Herne, DE
Vertreter König, R., Dipl.-Ing.. Dr.-Ing.; Bergen, K. Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 40219 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 18.03.1998
DE-Aktenzeichen 19811722
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse C22B 9/04
IPC-Nebenklasse C21C 5/46   
Zusammenfassung Bei einer Vorrichtung zum Vakuumfrischen von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen, durch Aufblasen von Sauerstoff auf die Badoberfläche gegebenenfalls unter gleichzeitiger Zufuhr von Wärme, beispielsweise mittels einer Kombilanze, ragt die Lanze von oben derart in ein Vakuumgefäß, daß der Lanzenabstand zur Badoberfläche möglichst groß ist. Der große Lanzenabstand wirkt sich in der Weise vorteilhaft aus, daß die besonders empfindliche Lanzenspitze weniger durch Schlacken- oder Stahlspritzer gefährdet ist, die Temperaturverluste geringer sind und die Vorrichtung konstruktiv vereinfacht ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vakuumfrischen von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen durch Aufblasen von Sauerstoff auf die Oberfläche einer in einem Vakuumgefäß befindlichen Schmelze bzw. Teilschmelze.

Unter den sekundärmetallurgischen Verfahren zum Behandeln von Stahl hat die Vakuumbehandlung im Verlaufe der letzten Jahrzehnte eine herausragende Stellung eingenommen; sie dient dazu, die Restgehalte an unerwünschten Begleitelementen weitestgehend zu verringern, einen möglichst hohen Reinheitsgrad zu erreichen sowie die Zusammensetzung des Stahls möglichst genau einzustellen und die Homogenität des erstarrten Stahls zu verbessern.

Für eine derartige Vakuumbehandlung stehen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung, insbesondere die in Coupette "Die Vakuumbehandlung des flüssigen Stahls", 1967, Seiten 13 bis 39 beschriebene Standentgasung, bei der eine die zu entgasende Schmelze enthaltende Pfanne mit einem vakuumdichten Deckel versehen ist oder sich in einem mit einem Deckel versehenen Vakuumbehälter befindet. Des weiteren ist die sogenannte Umlauf-Entgasung (häufig als RH-Verfahren bezeichnet) bekannt (a.a.O., Seiten 47 bis 56), bei der ein Vakuumgefäß mit seinen beiden am Boden angeordneten Rüsseln in die zu entgasende Schmelze eintaucht und die Schmelze beispielsweise mit Hilfe eines Liftgases in einem der Rüssel aufwärts gefördert wird, um das Gefäß nach der Entgasung über den anderen Rüssel wieder zu verlassen. Die beiden Rüssel brauchen nicht nebeneinander, sondern können auch konzentrisch zueinander angeordnet sein. Schließlich gehört zu den Standard-Verfahren der Vakuumentgasung auch das sogenannte Vakuumheber-Verfahren (DH-Verfahren), bei dem ein heb- und senkbares Vakuumgefäß mit einem am Boden angeordneten Rüssel in die zu entgasende Schmelze eintaucht und diese beim periodischen Absenken und Heben portionsweise aufnimmt (a.a.O. Seiten 40 bis 47).

Die bekannten Standard-Verfahren haben eine Reihe von Abwandlungen erfahren, deren wichtigste das Einblasen eines Spülgases von unten, das Einblasen von Feststoffen sowie insbesondere das Frischen der Schmelze unter Vakuum sowie das Zuführen von Wärme beispielsweise mit Hilfe eines Brenners sind.

Beim Vakuumfrischen wird üblicherweise gasförmiger Sauerstoff mit Hilfe einer wassergekühlten Lanze auf die im Vakuumgefäß befindliche Schmelze bzw. Teilschmelze beim RH- und DH-Verfahren geblasen. Dies erfordert angesichts der hohen Temperatur im Vakuumgefäß einerseits eine wassergekühlte Lanze und im Hinblick auf das Sauerstoffeinbringen in die Schmelze einen verhältnismäßig geringen Lanzenabstand von der Schmelze. Der geringe Lanzenabstand ist mit der Gefahr verbunden, daß der aus Kupfer bestehende Lanzenkopf durch Stahl- und Schlackenspritzer gefährdet wird, die an der Lanzenspitze anfrieren und zu einer Beschädigung des Lanzenkopfes bzw. der Sauerstoffdüsen führen können.

Bekannt sind aus der deutschen Patentschrift 36 19 092 auch Lanzen, mit deren Hilfe sich nicht nur Sauerstoff, sondern auch ein Heizgas auf die Schmelze blasen läßt, um die mit der Vakuumbehandlung notwendigerweise verbundenen Temperaturverluste auszugleichen oder das Vakuumgefäß bzw. das die Schmelze aufnehmende Gefäß zwischen zwei Vakuum-Behandlungen zu beheizen.

Die Praxis hat bislang keine optimale Lösung für die beiden widerstreitenden Forderungen gefunden, den Lanzenabstand aus metallurgischen und reaktionskinetischen Gründen möglichst gering, aus Sicherheitsgründen jedoch nicht zu gering zu wählen.

Der verhältnismäßig geringe Lanzenabstand von etwa mindestens 2,5 m, beispielsweise 3 bis 4 m bei modernen Umlauf-Entgasungsgefäßen bedingt eine entsprechend große Eintauchtiefe der Lanze im Vakuumgefäß bzw. eine große Lanzenlänge. Damit ist nicht nur ein erheblicher Aufwand für die Herstellung, Wartung und den Betrieb der Lanze verbunden, sondern über dem Vakuumgefäß ist auch ein entsprechender Freiraum erforderlich, um die Lanze achsparallel aus dem Vakuumgefäß herausfahren und zur Seite schaffen zu können. Hinzu kommt der nicht unerhebliche Wärmeverlust infolge der im wesentlichen von der Lanzenlänge bestimmten gekühlten Oberfläche der Lanze.

Diesen Nachteil zu beseitigen, ist Aufgabe der Erfindung, die durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst wird. Sie erreicht dieses Ziel dadurch, daß die mit mindestens einer Düse ausgestattete Lanzenspitze im größstmöglichen Abstand von der Badoberfläche angeordnet ist. Aufgrund der günstigen Strömungsverhältnisse bzw. Geschwindigkeiten im Vakuum ist es möglich, den Lanzenabstand im Vergleich zum herkömmlichen Vakuumfrischen deutlich zu erhöhen. Demgemäß ragt die Lanze nur so weit in das Vakuumgefäß hinein, wie das erforderlich ist, um ein Mitreißen von Sauerstoff durch das das Vakuumgefäß verlassende Reaktionsgas zu vermeiden. Vorzugsweise ist die Lanzenspitze etwa 0 bis 2,5 m vor der Lanzendurchführung im Innern des Vakuumgefäßes angeordnet. Beim Umlaufverfahren kann der Lanzenabstand von der Badoberfläche beispielsweise 6 bis 8,5 m betragen; er liegt vorzugsweise bei 7 bis 8 m.

Im Falle einer Standentgasungsanlage kann die Lanzenspitze auch oberhalb der die zu entgasende Schmelze enthaltenden Pfanne oder des Vakuumgefäßes angeordnet sein, beispielsweise unmittelbar unterhalb des Deckels.

Der große Lanzenabstand bzw. die geringe Eintauchtiefe im Vakuumgefäß führen zu einer wesentlichen Verringerung der Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten bei geringem Platzbedarf oberhalb des Vakuumgefäßes und entsprechend geringeren Investitionskosten. Zum anderen befindet sich die Lanzenspitze in sicherem Abstand von der Badoberfläche und damit außerhalb des Einflußbereiches von einer Schaumschlacke oder von Schlacken- und Metallspritzern. Schließlich führt die dem Lanzenabstand entsprechende große Laufstrecke des Sauerstoffstrahls im Vakuumgefäß zu einer intensiven Nachverbrennung des die Schmelze verlassenden Kohlenmonoxids zu Kohlendioxid sowie zu einer entsprechend verbesserten Wärmeübertragung an die Schmelze. Des weiteren ist es möglich, die Schmelze beispielsweise im Wege einer Aluminiumoxidation chemisch aufzuheizen oder Bären und Ansätze am feuerfesten Futter des Behandlungsgefäßes abzuschmelzen.

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

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Umlaufentgasen mit einem Austauschbrenner,

Fig. 2 eine ähnliche Vorrichtung, bei der jedoch ein stationärer Brenner in der Seitenwand des Entgasungsgefäßes angeordnet ist, und

Fig. 3 eine Vorrichtung zum Pfannen-Standentgasen.

Die zu behandelnde Schmelze 1 befindet sich in einer offenen Pfanne 2, oberhalb derer ein Vakuumgefäß 3 zum Umlaufentgasen angeordnet ist. Das Vakuumgefäß 3 ist mit zwei Rüsseln bzw. Tauchrohren 4 ausgestattet, mit denen es in die Schmelze 1 eintaucht. Im oberen Teil geht das Vakuumgefäß 3 über in eine zu einer Vakuumpumpe führende Haube 5. Diese Haube ist mit einer vakuumdichten Durchführung 6 für eine kurze Sauerstofflanze 7 versehen, deren Gasstrahl 8 auf die im Vakuumgefäß befindliche Teilmenge der Pfannenschmelze 1 gerichtet ist. Neben der Sauerstofflanze 7 ist außerhalb des Vakuumgefäßes 3 ein Gasbrenner 9 angeordnet, der sich durch einfaches Verschwenken um eine Achse 10 mit der Lanze 7 kuppeln läßt. Die Sauerstofflanze kann auch als Kombilanze zusätzlich mit einer Brennerfunktion ausgestattet sein.

Unter dem Einfluß des in dem Vakuumgefäß 3 herrschenden Unterdrucks gelangt eine Teilmenge der Schmelze 1 aus der Pfanne in den unteren Teil des Vakuumgefäßes. Dort wird dadurch eine Umlaufbewegung erzeugt, daß in den einen Rüssel über einen Anschluß 11 ein inertes Liftgas eingeblasen wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich nur dadurch von der Vorrichtung gemäß Fig. 1, daß der Brenner 9 nicht im Kopf des Vakuumgefäßes 3, sondern stationär in einem Seitenwandstutzen 12 angeordnet ist.

Bei der Standentgasungsanlage gemäß Fig. 3 befindet sich die Schmelze 1 in einer Pfanne 2, deren Boden mit einem Düsenstein 13 zum Einblasen eines Rühr- bzw. Spülgases ausgestattet ist. Des weiteren ist die Pfanne 2 durch einen Deckel 14 mit einer zentralen Öffnung teilweise verschlossen; sie kann mit einem ringförmigen Aufsatz zur Freiborderhöhung versehen sein. Die Pfanne 2 befindet sich in einem mit einer Haube 15 vakuumdicht verschlossenen Vakuumgefäß 16, von dem ein Stutzen 17 zum Anschließen einer zu einer Vakuumpumpe führenden Leitung abgeht. Die Haube 15 besitzt ebenfalls einen Stutzen 18, durch den vakuumdicht eine kurze Sauerstofflanze 19 geführt ist. Vor dem Stutzen befindet sich im Innern des Vakuumgefäßes 15, 16 ein Schutzschild 20, während die Stutzenöffnung in der Haube 15 von einem Schutzschild 21 umgeben ist. Ohne die Haube 15 läßt sich die Schmelze auch bei Atmosphärendruck frischen.

Allen drei Ausführungsbeispielen ist das eine gemeinsam, daß die Sauerstofflanzen sehr kurz sind und nur um ein Mindestmaß in das jeweilige Vakuumgefäß hineinragen; sie befindet sich in einem verhältnismäßig großen und daher sicheren Abstand von der Badoberfläche und ergibt einen Sauerstoffstrahl, dessen großen Länge zu einer intensiven Nachverbrennung des Kohlenmonoxids in dem oberhalb der Schmelze befindlichen Reaktionsraum führt.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Vakuumfrischen von Metall-, insbesondere Stahlschmelzen durch Aufblasen von Sauerstoff auf die Badoberfläche mit einer Lanze, bei der
    1. 1. die Lanze von oben in ein Vakuumgefäß (3; 16) ragt und
    2. 2. der Abstand zwischen der Lanzenspitze und der Badoberfläche mindestens 6 m beträgt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Standentgasungsgefäß (15, 16), eine die zu entgasende Schmelze (1) aufnehmende Pfanne (2) und eine mit ihrer Spitze oberhalb der Pfanne angeordnete Lanze (19).
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanzenspitze unmittelbar vor der Lanzendurchführung (18) des Vakuumgefäßes (15, 16) angeordnet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lanzenspitze etwa in der Höhe der Haube (5) eines Umlauf-Entgasungsgefäßes (3) befindet.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lanzenabstand von dem Boden eines Umlauf-Entgasungsgefäßes (3) etwa 6 bis 8 m beträgt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mit einer Brennerfunktion ausgestattete Sauerstofflanze.






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