DE1758040B1

DE1758040B1 - Verfahren zum Entschwefeln und Desoxydieren von kohlenstoffhaltigen Eisenschmelzen in einer Pfanne und Vorrichtung zu dessen Durchfuehrung

Info

Publication number: DE1758040B1
Application number: DE1758040A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Haverkamp Klaus Dieter; Friedrich Kraemer; Joern Mandel; Siegfried Mayer; Juergen Dr-Ing Motz; Dr-Ing Schulz Hans Peter; Klaus Dr-Ing Roehrig; Hilmar Dr-Ing Weidenmueller
Original assignee: Rheinstahl Huettenwerke AG
Current assignee: Rheinstahl Huettenwerke AG
Priority date: 1968-03-23
Filing date: 1968-03-23
Publication date: 1974-07-18

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entschwefeln und Desoxydieren von kohlenstoffhaltigen Eisenschmelzen mit einem Kalzium und Kohlenstoff enthaltenden feinkörnigen, eine Aufschüttung auf der Schmelzbadoberfläche bildenden Material in einer ruhenden Pfanne, bei dem eine an der Pfannenwand nach unten gerichtete und im Pfannenzentrum nach oben gerichtete Zirkulationsströmung der Schmelze durch Rühren hervorgerufen wird, wobei die Eisenschmelze an der Badoberfläche eine Strömung aufweist, die die Teilchen aus feinkörnigem Material an der Unterseite der Aufschüttung durch Mitnahme zum Pfannenrand hin transportiert.

Die wohl größte technische Bedeutung für das Entschwefeln von Eisenschmelzen haben in den letzten Jahren die mechanisch bewegten Pf anneneinheiten gewonnen. Dabei werden die Pfannen derart in Bewegung versetzt, daß die auftretenden, teilweise nach Betrag und Richtung wechselnden Beschleunigungen infolge der Massenträgheit des flüssigen Eisenbades und des Entschwefelungsmittels eine Durchmischung beider Partner verursachen. Mit solchen bewegten Pfannen lassen sich bei guten Ausnutzungsgraden des Entschwefelungsmittels von der Schmelzweise des sauren Kupolofens entsprechenden Anfangsschwefelgehalten zwischen 0,08 und 0,12% ausgehend Endgehalte von 0,01 % Schwefel oder weniger erreichen. Dem stehen aber als bedeutsame Nachteile ein hoher Kostenaufwand für die Errichtung der Anlagen, die ortsgebundene umständliche Handhabung und ein beachtlicher Energiebedarf gegenüber.

Aus »Gießerei«, (48) 1961, S. 639 bis 647, ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Aufwand geringer ist, weil die Pfanne mit Inhalt ruht. Eine Zirkulationsströmung im Eisenbad wird durch das Einleiten eines Gases über eine Blaslanze oder über im Pfannenboden angeordnete poröse Steine hervorgerufen, wobei auch das feinkörnige, aus Kalziumkarbid bestehende Entschwefelungsmittel mit eingeblasen werden kann. Durch das Rühren mit dem Gasstrom bei der Spülgasbehandlung wird in der ruhenden Pfanne eine an der Pfannenwand nach unten gerichtete und im Pfannenzentrum nach oben gerichtete Zirkulationsströmung der Schmelze hervorgerufen. Dabei weist die Eisenschmelze an der Badoberfläche eine Strömung auf, die das Entschwefelungsmittel an der Unterseite zum Pfannenrand hin transportiert. Abgesehen davon, daß das eingeführte Gas eine unerwünschte Kühlwirkung ausübt, erwies sich entweder die erzielbare Badbewegung als zu gering, oder die Haltbarkeit war nicht ausreichend.

Aus der franz. Patentschrift 992 654 ist es bekannt, zur Reinigung von Stahl- und Gußeisenschmelzen mit einem propellerförmigen Rührer im Inneren der Schmelze zu rühren. Dabei ist die Relativbewegung der Grenzfläche der Schmelze gegen die Schlacke gering mit der Folge einer unbefriedigenden Entschwefelungsgeschwindigkeit, oder es muß mit hohen Rührgeschwindigkeiten gearbeitet werden, wobei eine Verwirbelung von Schmelze und Schlacke stattfindet; dabei sind der hohe Energieaufwand und die geringe Haltbarkeit des Feuerfestmaterials unbefriedigend.

Auch nach der USA.-Patentschrift 1 866 668 wird eine Schmelze in einer ruhenden Pfanne mit einem propellerförmigen Rührer gerührt, wobei der Rührer tief in die Schmelze eingetaucht ist und eine Strömung der Schmelze erzeugt, die im Pfannenzentrum nach oben und an der Pfannenwand nach unten gegerichtet ist. Hinsichtlich der Wirksamkeit dieser Vorrichtung gilt das gleiche wie für die oben besprochene franz. Patentschrift 992 654.

Es ist eine mechanische Rühr- und Pumpvorrichtung zum Beschleunigen physikalisch-chemischer

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Vorgänge in Metallschmelzen von über 800° C be- trifulage Schubkraft verursacht, und daß die Bahnkannt (deutsche Patentschrift 1190 479), die aus kurve der Volumelemente der Aufschüttung einen einem unteren Ansaugrohr und mindestens einem hinsichtlich der Krümmungsänderung ähnlichen Verüber dem Ansaugrohr seitlich angeordneten, im lauf hat. Dabei sollen die Bahngeschwindigkeiten der wesentlichen horizontalen Auslaufrohr besteht. Die 5 Eisen-Volumelemente und der Aufschüttungs-Vorrichtung rotiert innerhalb des Metallbades, so Volumelemente besonders in einem Wertverhältnis

daß die Schmelze aus dem unteren Teil der Pfanne stehen, das größer als 2:1, vorzugsweise größer als

in die dort befindliche öffnung des vertikalen An- 5:1, ist. Die Rührbewegung bewirkt dabei, daß die

saugrohres hineinsaugt und durch die horizontalen Aufschüttung aus feinkörnigem Material auf der

Auslaufrohre wieder herausgedrückt wird. Infolge io Eisenschmelze eine geschlossene Decke bildet, um

dieser Pumpwirkung findet in der Pfanne zwangläufig Wärmeabstrahlung und eine Oxydation der Schmelze

eine Zirkulationsströmung der Metallschmelze statt. zu vermeiden.

Mit dieser Vorrichtung kann die Entschwefelung in Eine zur Durchführung des Verfahrens nach der einer normalen Gießpfanne erfolgen. Ihr Nachteil Erfindung besonders geeignete Vorrichtung besteht liegt vornehmlich darin, daß das Pumporgan ein »5 darin, daß das in die in einer ruhenden Pfanne beHohlkörper ist, der innen- und außenseitig von der findliche Eisenschmelze eingeführte Rührgerät so Schmelze kräftig umströmt wird, so daß die Lebens- tief angeordnet ist, daß der Querbalken während des dauer des Pumpkörpers nicht befriedigen kann. Rührens mindestens bis zur Hälfte seiner eigenen

Die bekannten Verfahren und Einrichtungen ver- Höhe, jedoch nicht mehr als gerade vollständig in folgen das Ziel, möglichst eine intensive Durch- »o die Eisenschmelze eintaucht. Durch diese Eintauchmischung des Entschwefelungsmittels mit der Eisen- tiefe wird erreicht, daß das Entschwefelungsmittel im schmelze zu erreichen. Dem liegt offenbar der Ge- Rührzentrum zwar mitbewegt wird, aber gleichwohl danke zugrunde, daß die Entschwefelung um so eine geschlossene Decke auf der Eisenschmelze besser ist, je stärker die Durchwirbelung ist. bildet. Das balkenförmige Rührorgan kann aus einer

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, koh- »5 feuerfesten Masse, beispielsweise aus Schamotte lenstoffhaltige Eisenschmelzen in einer ruhenden oder auch höherwertigen, bekannten Materialien bePfanne oder einem ähnlichen Gefäß für eisenmetall- stehen, die mit einer inneren Stahlarmierung verurgische Zwecke zu entschwefeln und zu desoxydie- sehen ist.

ren. Die Behandlung kann mithin entweder im Im einzelnen kann die Vorrichtung wie folgt vor-

Schmelzaggregat selbst, beispielsweise im Schmelz- 30 teilhaft ausgestaltet sein.

tiegel eines Induktionsofens oder im Vorherd eines Das Rührorgan kann als rechteckiger, kanten-

Kupolofens oder vorzugsweise in der Gießpfanne abgerundeter Balken ausgebildet sein, dessen Länge

durchgeführt werden. Die Aufgabe besteht weiterhin zur Höhe ein Verhältnis zwischen 2,5 :1 und 1:1

darin, nicht nur in der Eisenschmelze eine Zirku- aufweist. Ein solches Rührorgan ist ein Vollkörper

lationsströmung hervorzurufen, sondern auch im 35 mit gedrungener Gestalt, der verschleißfest ist und

Entschwefelungsmittel eine geeignete Strömung zu ohne nennenswerte Reparaturen für eine Vielzahl

erzeugen, ohne daß eine durchwirbelnde Durch- von Behandlungen gebraucht werden kann,

mischung des Entschwefelungsmittels mit der Eisen- Um eine optimale Entschwefelung und Desoxy-

schmelze erfolgt. Es wurde nämlich gefunden, daß dation zu erhalten, empfiehlt es sich, die Länge des

eine intensive Durchwirbelung des Entschwefelungs- 40 balkenförmigen Rührorgans auf den inneren Pfan-

mittels mit der Eisenschmelze keineswegs notwendig nendurchmesser abzustimmen. Zweckmäßig liegt die

ist, um eine weitgehende Entschwefelung zu er- Länge des Rührorgans zwischen dem 0,25- und

reichen. Vielmehr reicht es völlig aus, wenn beide 0,65fachen Wert, besonders zwischen dem 0,35- und

Reaktionspartner voneinander getrennt bleiben und dem 0,50fachen Wert des Pfannendurchmessers,

in ihren Teilräumen Umlaufströmungen ausführen, 45 Die Drehzahl des Rührorgans soll so einzustellen

so daß der Stoffaustausch zwar auf eine Grenzfläche sein, daß die Enden des balkenförmigen Rührorgans

beschränkt, aber durchaus sehr intensiv ist. auf Bahngeschwindigkeiten im Bereich von 1,8 bis

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem 3,5 m/Sek., vorzugsweise zwischen 2,0 und 2,8 m/

Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch Sek., annehmen.

gelöst, daß im Bereich der Grenzzone zwischen 50 Nachstehend wird die Erfindung an Hand der

Schmelzbadoberfläche und Aufschüttung ein mecha- Zeichnung an Ausführungsbeispielen beschrieben,

nisches Rührgerät mit einem Querbalken derart in- Es zeigt

tensiv angetrieben wird, daß am Pfannenrand eine F i g. 1 eine Pfanne mit Eisenschmelze, Kalzium-

solche Teilchenanhäufung aufgebaut wird, daß sich karbid-Aufschüttung und eingesetztem Rührgerät im

die Teilchen einzeln oder als gröbere Verbände 55 vertikalen Schnitt,

längs deren Böschung zum Rührzentrum hin zurück- F i g. 2 eine horizontale Draufsicht mit geschnit-

bewegen. tener Antriebswelle.

Das feinkörnige Material kann beispielsweise aus In die Eisenschmelze 1 einer ruhenden Pfanne 2 Kalziumkarbid bestehen oder aus einem sonstigen ist ein Rührgerät eingeführt, an dessen Antriebsbekannten feinkörnigen Entschwefelungsmittel, wie 60 welle 3 ein als Querbalken ausgebildetes Rühr-Kalkstickstoff oder Mischungen aus feinem Kalk und organ 4 angeordnet ist. Dieses besteht aus Schamotte Koksgrus. oder einem anderen chemisch oder hydraulisch ab-

Durch das Rühren in der Grenzzone wird eine bindenden feuerfesten Material und weist im Insolche Strömung der einzelnen Eisen-Volumelemente neren eine Stahlarmierung auf. Hydraulisch aban der Badoberfläche herbeigeführt, daß die im Be- 65 bindende feuerfeste Materialien sind z. B. die Zereich des Rührorgans stark gekrümmmte Bahnkurve mente, die unter Bindung von Kristallwasser ausder Eisen-Volumelemente eine ständig abnehmende härten. Das Rührorgan 4 ist 460 mm lang, 350 mm Krümmung aufweist, die am Pfannenrand eine zen- hoch und 250 mm breit, so daß seine Länge 1 zur

Höheh im Verhältnis 1,3:1 steht. Das Balkenrührorgan taucht 340 mm tief in die Eisenschmelze ein und ragt 10 mm weit in die Aufschüttung aus pulvrigem Kalziumkarbid ein. Die Länge 1 des balkenförmigen Rührorgans 4 hat den 0,42fachen Wert des Pfannendurchmessers D. Die Drehzahl der Antriebswelle des Rührorgans ist auf bevorzugte Werte derart einstellbar, daß die Enden des Rührorgans 4 Bahngeschwindigkeiten im Bereich von 1,8 bis 3,5 m/Sek., besonders von 2,0 bis 2,8 m/Sek., annehmen können.

Mit dem geschilderten Rührgerät aus Schamottemasse mit Armierung wurden bei Temperaturen des Eisenbades zwischen 1380 und 1420⁰C regelmäßig etwa 60 Entschwefelungsbehandlungen von 8 bis 12 Min. Dauer durchgeführt.

Erfindungsgemäß wird nun so vorgegangen, daß auf die Schmelzenoberfläche eine Aufschüttung 5 eines feinkörnigen, Kalzium und Kohlenstoff enthaltenden Materials, beispielsweise Kalziumkarbid, aufgegeben und in der Grenzzone eine Rührbewegung durchgeführt wird. Diese wird so gewählt, daß die Eisenschmelze an der Badoberfläche eine Strömung aufweist, die die Kalziumkarbidteilchen zum Pfannenrand hin transportiert und dort eine Teilchenanhäufung 6 aufbaut, längs deren Böschung 7 sich die Kalziumkarbidteilchen einzeln oder als gröbere Verbände zum Rührzentrum hin zurückbewegen. Die Kalziumkarbid-Aufschüttung 5 bildet auf der Eisenschmelze eine geschlossene Decke. Die Temperaturverluste werden dadurch auf ein Minimum reduziert und liegen unter den obengenannten Bedingungen erfahrungsgemäß bei etwa 10 bis 3O⁰C.

In F i g. 1 sind weiterhin die Strömungsverhältnisse in der Eisenschmelze und in der Kalziumkarbid-Aufschüttung schematisch angedeutet. Gemäß den zweischäftigen Pfeilen ist die Eisenströmung an den Pfannenwänden nach unten und in der Pfannenmitte nach oben gerichtet. Aber auch in der Kalziumkarbid-Aufschüttung 5 findet zufolge der Teilchenanhäufung 6 mit Böschung 7 eine Zirkulationsströmung entsprechend den einschäftigen Pfeilen statt, die eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, daß die nachstehend noch zu beschreibenden hervorragenden Ergebnisse bei der Entschwefelung

ίο erzielt werden. Eine Durchmischung der beiden Reaktionspartner findet nicht statt; der Stoff austausch vollzieht sich in der Grenzschicht.

In F i g. 2 sind oben die Bahnkurve 8 eines Eisen-Volumelementes und die Bahnkurve 9 eines Volumelementes der Aufschüttung und unten die zugehörigen rotatorischen 10 und zentrifugalen 11 Geschwindigkeitsvektoren dargestellt. Auf der Bahnkurve 8 (Eisen) nimmt die im Bereich des Rührorgans 4 starke Krümmung zum Rand der Pfanne 2

ao hin ständig ab, so daß eine zentrifugale Kraftkomponente gegeben ist und durch verzögerte Mitnahme der Kalziumkarbidteilchen im Randbereich der Pfanne eine Anhäufung entsteht. Der Verlauf der Bahnkurve 9 (Kalziumkarbid) ist in seiner grundsätzlichen Gestalt (Strömungsverlauf) ähnlich ausgebildet. F i g. 2 soll die Bewegungsvorgänge nach Art und Größenordnung nur im grundsätzlichen aufzeigen.

Als wesentlich ist erkennbar, daß in der Grenzschicht beachtliche Relativgeschwindigkeiten beider Reaktionspartner untereinander gegeben sind. Zusammen mit der Zirkulationsströmung im Eisen und in der Aufschüttung führt das zu einer Optimierung des Stoffaustausches.

In der nachstehenden Tabelle sind als Überblick einige Ergebnisse von Entschwefelungsbehandlungen an Gußeisenschmelzen zusammengestellt:

Nr.	Anzahl	Ausgangs- S-Gehalt	End- S-Gehalt	Rührzeit	Eisen menge	CaC₂- Zusatz	Drehzahl	Umfangs geschwin digkeit	Eintauch tiefe	UD
		(Vo)	C/o)	(min)	ω	C/o)	(Upm)	(m/sek)	(mm)
1	5	0,086/112	0,003/4	10	6,1	1,2	74	1,78	340	0,41
2	2	0,106/118	0,003/5	4	8,0	1,0	72	1,74	340	0,41
3	4	0,100/120	0,007/9	2	8,0	1,2	86	2,07	350	0,41
4	2	0,082	0,003	10	20,7	0,97	70	2,35	320	0,39
5	2	0,086	0,045	12	9,5	1,2	55	0,84	330	0,25

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entschwefeln und Desoxydieren von kohlenstoffhaltigen Eisenschmelzen mit einem Kalzium und Kohlenstoff enthaltenden feinkörnigen, eine Aufschüttung auf der Schmelzbadoberfläche bildenden Material in einer ruhenden Pfanne, bei dem eine an der Pfannenwand nach unten gerichtete und im Pfannenzentrum nach oben gerichtete Zirkulationsströmung der Schmelze durch Rühren hervorgerufen wird, wobei die Eisenschmelze an der Badoberfiäche eine Strömung aufweist, die die Teilchen aus feinkörnigem Material an der Unterseite der Aufschüttung durch Mitnahme zum Pfannenrand hin transportiert, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Grenzzone zwischen Schmelzbadoberfläche und Aufschüttung ein mechanisches Rührgerät mit einem Querbalken derart intensiv angetrieben wird, daß am Pfannenrand eine solche Teilchenanhäufung (6) aufgebaut wird, daß sich die Teilchen einzeln oder als gröbere Verbände längs deren Böschung (7) zum Rührzentrum hin zurückbewegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahngeschwindigkeit (8, 9) der Eisen-Volumelemente und der Aufschüttungs-Volumelemente im Ganzzonenbereich in einem Wertverhältnis stehen, das größer als 2:1, vorzugsweise größer als 5 :1, ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in die in einer ruhenden Pfanne (2) befindliche Eisenschmelze (1) eingeführte Rührgerät so tief angeordnet ist, daß der Querbalken während des Rührens mindestens bis zur Hälfte seiner eigenen Höhe (Zi), jedoch nicht mehr als gerade vollständig in die Eisenschmelze eintaucht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührorgan (4) als kantenabgerundeter Balken rechteckigen Querschnitts ausgebildet ist, dessen Länge (Z) zur Höhe (h) ein Verhältnis zwischen 2,5 :1 und 1:1 aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (Z) des balkenförmigen Rührorgans (4) zwischen dem 0,25- und 0,65fachen Wert, besonders zwischen dem 0,35- und 0,50fachen Wert des inneren Pfannendurchmessers (D) gewählt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des balkenförmigen Rührorgans (4) auf Bahngeschwindigkeiten im Bereich von 1,8 bis 3,5 m/sek, vorzugsweise zwischen 2,0 und 2,8 m/sek, einstellbar sind.