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DE10252276C1 - Metallurgisches Schmelzgefäß und Verfahren zur sekundärmetallurgischen Behandlung - Google Patents

Metallurgisches Schmelzgefäß und Verfahren zur sekundärmetallurgischen Behandlung

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DE10252276C1
DE10252276C1 DE10252276A DE10252276A DE10252276C1 DE 10252276 C1 DE10252276 C1 DE 10252276C1 DE 10252276 A DE10252276 A DE 10252276A DE 10252276 A DE10252276 A DE 10252276A DE 10252276 C1 DE10252276 C1 DE 10252276C1
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melting vessel
molten metal
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metallurgical
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Christian Rahm
Ewald Schumacher
Edgar Schumacher
Alexandr Saprighin
Igor Dereveancenco
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RHI AG
Techcom Import Export GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft zum einen ein metallurgisches Schmelzgefäß, wobei dieser Begriff sämtliche Behältnisse umfaßt, in denen Metallschmelze gebildet, behandelt und/oder transportiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein metallurgisches Schmelzgefäß, wobei dieser Begriff sämtliche Behältnisse umfaßt, in denen Metallschmelze gebildet, behandelt und/oder transportiert wird. Ein solches Schmelzgefäß kann beispielsweise eine Gießpfanne, ein SM-Ofen (Siemens-Martin-Ofen) oder Elektroofen sein. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur sekundärmetallurgischen Behandlung einer Metallschmelze in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Schmelzgefäß.
Seit Jahrzehnten sind Einrichtungen zum Einbringen von Gasen und/oder festen Reaktions- und Zusatzstoffen in eine metallurgische Schmelze bekannt. Sinn und Zweck dieser Behandlungen ist es, die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Schmelze zu verändern.
Dazu sind sogenannte keramische Gasspülsteine bekannt, die mit ungerichteter oder gerichteter Porosität ausgebildet sind. Im letztgenannten Fall verlaufen statische Kanäle durch den Spülstein, der in der Wand oder im Boden des Schmelzgefäßes eingebaut ist.
Daneben sind sogenannte Düseneinrichtungen bekannt. Die Einrichtung gemäß WO 93/09255 A1 besteht aus einer keramischen feuerfesten Umhüllung, in der zwei konzentrisch zueinander angeordnete Rohre verlaufen. Die Einrichtung wird in die Wand eines metallurgischen Schmelzgefäßes exakt horizontal eingebaut. Durch das innere Rohr bzw. einen Ringspalt zwischen innerem und äußerem Rohr werden Behandlungsmedien in die Metallschmelze zugeführt. Im Verschleißfall können die beiden Metallrohre in Richtung der Metallschmelze nachgeführt werden. Entsprechend verlängert sich die Standzeit der Einrichtung.
Ein Nachteil der bekannten Einrichtung besteht darin, dass sie stets exakt horizontal ausgerichtet sein muss, da die keramische Umhüllung und Rohre an dem Ende, welches das Schmelzgefäß außenseitig überragt, auf einer Druckplatte lose aufliegen. Eine geneigte Anordnung würde dazu führen, dass die Rohre unkontrolliert in die Schmelze hineinrutschen.
Im übrigen hat sich die Düseneinrichtung gemäß WO 93/09255 A1 bewährt und bildet den aktuellen Stand der Technik. Gleichwohl besteht das ständige Bedürfnis, Einrichtungen der genannten Art hinsichtlich ihrer Standzeit und Einsatzmöglichkeiten zu optimieren.
Unter Zugrundelegung dieser Aufgabenstellung geht die Erfindung von folgenden Überlegungen aus:
Der axial verschiebbare Teil der Einrichtung (also insbesondere die Umhüllung mit den darin angeordneten Rohren) soll so geführt werden, dass er nicht nur in Richtung der Metallschmelze axial verschiebbar ist, sondern auch in umgekehrter Richtung. Üblicherweise steht das innere Ende der Einrichtung über die feuerfeste Auskleidung des Schmelzgefäßes vor. Anders ausgedrückt: die Düseneinrichtung ragt mit ihrem auslassseitigen Ende in das Innere des Schmelzgefäßes und üblicherweise damit in die Metallschmelze hinein. Im Stand der Technik galt dies auch für den Fall, dass die Schmelze abgelassen wurde. Beim Chargieren, z. B. von Metallschrott, besteht dann jedoch die Gefahr, dass die in den Innenraum des Schmelzgefäßes vorstehende "Spitze" der Düseneinrichtung abbricht. Dies kann nicht passieren, sofern die Düseneinrichtung vor einer entsprechenden Chargierung "zurückgezogen" wird, und zwar in eine Position, bei der sie nicht mehr über die Innenwand des Schmelzgefäßes vorsteht.
Zu diesem Zweck bedarf es einer entsprechenden Halterung bzw. Lagerung und Führung der Bauteile der Einrichtung, wie nachstehend beschrieben wird. Vorteilhaft kann auch die Beschichtung der Bauteile mit einem Stoff sein, der gegenüber der Metallschmelze einen geringeren Benetzungsgradienten aufweist.
Ein wesentlicher Anwendungsbereich der beschriebenen Düseneinrichtung ist die Zufuhr von Sauerstoff in eine Metallschmelze. Diese erfolgt beispielsweise über das innere Rohr. Im unmittelbaren Kontaktbereich mit der Metallschmelze entwickeln sich dabei zum Teil extrem hohe Temperaturen, die 2000 Grad erreichen und übersteigen können. Die Folge wäre ein rascher Verschleiß der Düseneinrichtung und des benachbarten Feuerfestmaterials. Aus diesem Grund schlägt bereits die WO 93/09255 A1 vor, entlang des Ringkanals zwischen innerem und äußerem Rohr ein Schutzgas zu führen, welches den Sauerstoff nach Art einer konzentrischen Ummantelung umgibt, und zwar auch im Austrittsbereich aus der Düseneinrichtung. Gleichzeitig wird die Reaktionszone des Sauerstoffes in das Innere der Schmelze verschoben. Ein solches Gas kann ein Inertgas wie Argon sein. Es kann aber auch ein Kühlgas wie CH4 (Methan) verwendet werden. Bei entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten wird der Reaktionsbereich des Sauerstoffes mit der Metallschmelze nachhaltig von der Innenwand des Schmelzgefäßes weg verlegt und der Bereich um die Düseneinrichtung herum gekühlt. In diesem Bereich kann es dann allerdings zur Ausbildung eines sogenannten "Schutzpilzes" kommen. Es handelt sich hierbei um eine Anhäufung von erstarrtem Stahl, Schlacke und Fremdstoffen im unmittelbaren Umgebungsbereich der Düseneinrichtung am austrittsseitigen Ende und insbesondere im Kontaktbereich zur Innenwand der feuerfesten Auskleidung des Schmelzgefäßes.
Ein solcher Schutzpilz kann das Vorschieben der Düseneinrichtung in die Metallschmelze behindern. Es kann auch vorkommen, dass aufgrund der mechanischen Verankerung des Pilzes mit der Düseneinrichtung einerseits und dem feuerfesten Wandbereich des Schmelzgefäßes andererseits Auskleidungsmaterial beim Vorschieben der Düse abgerissen wird. Alle diese Effekte sind unerwünscht.
Der erfindungsgemäße Lösungsansatz zielt darauf ab, die Düse drehbar in der Auskleidung des Schmelzgefäßes zu führen. Bei einer entsprechenden Scherbeanspruchung zwischen Stützpilz und Innenwand der Auskleidung läßt sich der Stützpilz relativ leicht abtrennen. Ein Abreißen von Feuerfestmaterial kann weitgehend vermieden werden.
Die Drehbarkeit der Düse hat, insbesondere im Zusammenhang mit der vorstehend genannten axialen Führung der Düse, einen ganz wesentlichen weiteren Vorteil:
Die Düse kann jetzt auch schräg, das heißt insbesondere in Richtung auf die Schmelze geneigt, in der Ofenwand eingebaut werden. Dadurch, dass sie außenseitig gehalten wird, kann sie nicht mehr in die Schmelze hineinrutschen. Bei einer solchen Anordnung kann es jedoch am inneren Ende zu einem ungleichmäßigen Verschleiß (in radialer Richtung) kommen. Dieser kann jetzt kompensiert werden, indem die beweglichen Teile der Düseneinrichtung von Zeit zu Zeit um einen bestimmten Winkelbetrag gedreht werden. Die weniger verschlissenen Zonen werden in eine Stellung gebracht, wo ein höherer Verschleiß zu erwarten ist. Es ist nicht notwendig, bereits zu diesem Zeitpunkt die gesamte Düseneinheit axial in Richtung Schmelze zu verschieben. Dies kann später erfolgen. Insgesamt ergibt sich daraus eine deutlich erhöhte Standzeit der Düseneinrichtung.
Die Erfindung betrifft danach in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein metallurgisches Schmelzgefäß mit einer feuerfesten keramischen Auskleidung, durch die sich eine Düseneinrichtung zum Einleiten eine Fluids in eine Metallschmelze erstreckt, wobei die Düseneinrichtung folgende Merkmale aufweist:
  • - eine rohrförmige feuerfeste keramische Umhüllung
  • - ein äußeres Rohr, welches koaxial in der Umhüllung angeordnet ist,
  • - ein im äußeren Rohr koaxial verlaufendes inneres Rohr, wobei
  • - zwischen innerem und äußerem Rohr mindestens ein axial verlaufender Kanal ausgebildet ist.
Diese Düseneinrichtung ist darüber hinaus
  • - axial vor- und zurückbewegbar, sowie
  • - drehbar
in der feuerfesten keramischen Auskleidung des Schmelzgefäßes angeordnet.
Um die Gleitfähigkeit beim Drehen oder Verschieben der Düseneinrichtung zu verbessern, sieht eine Ausführungsform vor, eine viskose Gleitschicht zwischen Umhüllung der Düseneinrichtung und feuerfesten Auskleidung anzuordnen. Diese Gleitschicht muß nicht nur aus einem schmierstoffähnlichen Material bestehen, sondern auch temperaturbeständig sein. Materialien auf Basis Grafit oder auf der Basis von Molybdänverbindungen haben sich als geeignet erwiesen.
Das äußere Rohr kann axial verschiebbar gegenüber der Umhüllung angeordnet werden. Dazwischen kann wiederum eine Gleitschicht vorgesehen sein.
Das äußere Rohr kann aber auch mit der Umhüllung verklebt oder sonst wie verbunden werden. Inneres und äußeres Rohr können über Abstandhalter verbunden sein, die eine Durchströmung in Axialrichtung nicht behindern.
Die Düseneinrichtung wird üblicherweise die feuerfeste Auskleidung nach außen überragen, damit genügend Länge zur Verfügung steht, die Düseneinrichtung mehrfach in Richtung auf die Schmelze nachzuführen. An diesem Teil kann die Düseneinrichtung leicht axial und drehbar geführt werden. Dazu kann die Düseneinrichtung beispielsweise entlang mindestens einer koaxial verlaufenden Hülse verlaufen. Die Hülse kann mehrere Funktionen erfüllen: zum einen gibt sie eine axiale Führung, zum anderen kann sie selbst leicht z. B. an der Außenwand des Schmelzgefäßes abgestützt werden. Um die Düseneinrichtung "zurückzuziehen" schlägt eine Ausführungsform der Erfindung vor, den Bereich der Düseneinrichtung, der außerhalb des Schmelzgefäßes verläuft, mit mindestens einer radial verlaufenden Verbreiterung auszubilden. Diese Verbreiterung dient quasi als Anschlag beim Zurückziehen der Einrichtung. Eine solche Verbreiterung kann ein umlaufender Flansch sein. Ebenso kann die Einrichtung zum entsprechenden Ende kegelstumpfförmig gestaltet sein.
Die Halterung und Führung der Düseneinrichtung macht es - wie ausgeführt - möglich, die Düseneinrichtung geneigt anzuordnen, wobei das tiefer liegende Ende in den Innenraum des Schmelzgefäßes mündet und vorzugsweise unterhalb des Badspiegels der Schmelze liegt. Lieg das andere (äußere) Ende oberhalb dieses Badspiegels, so ergibt sich gleichzeitig eine vorteilhafte Sicherung gegen Schmelzedurchbrüche für den Fall, dass die Düseneinrichtung kaputt gehen sollte.
Die einzelnen bewegbaren Teile der Einrichtung können unabhängig voneinander bewegbar sein, wie nachstehend noch näher beschrieben wird.
Das beschriebene Schmelzgefäß ermöglicht es, beispielsweise folgende sekundärmetallurgische Behandlung auszuführen:
  • - entlang des inneren Rohres wird Sauerstoff in die Schmelze eingedüst
  • - entlang des mindestens einen Kanals zwischen innerem und äußerem Rohr wird gleichzeitig zum Sauerstoff ein Kühlfluid zugeführt,
  • - von Zeit zu Zeit wird die Düseneinrichtung gedreht und ggf. anschließend zusätzlich in die Metallschmelze vorgeschoben,
  • - bei Bedarf wird die Düseneinrichtung so weit zurückgezogen, dass sie nicht mehr über die Innenwand des metallurgischen Schmelzgefäßes vorsteht,
  • - eine oder mehrere der vorgenannten Schritte können anschließend wiederholt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dabei erwähnten Merkmale können jedoch auch in anderen Kombinationen mit erfindungsgemäßen Merkmalen für die Realisierung der Erfindung geeignet sein.
Dabei zeigt die einzige Figur - in einer schematisierten Darstellung - einen Schnitt durch einen Wandbereich eines Elektroofens, wobei in der Wand eine erfindungsgemäße Düseneinrichtung eingebaut ist.
Zu erkennen ist ein Wandabschnitt 10 des Elektroofens mit einer Innenwandfläche 10i und einer äußeren Wandfläche 10a. Die innere Wandfläche 10i verläuft schräg zur Vertikalen. Die Wandfläche 10a verläuft in der Vertikalen.
Die Wand 10 besteht aus einer üblichen feuerfesten Auskleidung. In dieser Auskleidung sitzt ein feuerfester keramischer Lochstein 22, der außenseitig (bei 22a) und innenseitig (bei 22i) in etwa mit der Außenfläche 10a bzw. Innenfläche 10i der Wand 10 fluchtet.
Im Lochstein 22 ist eine schräg verlaufende Bohrung 24 vorgesehen, die von der Außenfläche 10a zur Innenfläche 10i abfällt. Sie dient der Aufnahme einer rohrartigen feuerfesten keramischen Umhüllung 26. Die Umhüllung 26 ist wesentlich länger als die Breite der Wand 10, so dass die Umhüllung innenseitig die Wand 10i überragt und außenseitig deutlich über die Wand 10a vorsteht. Zwischen Lochstein 22 und dem korrespondierenden Abschnitt der Umhüllung 26 ist ein Gleitmittel 28 eingebracht.
Innerhalb der Umhüllung 26 ist ein äußeres Rohr 32 konfektioniert, das die selbe Länge wie die Umhüllung 26 aufweist. Im äußeren Rohr 32 ist ein inneres Rohr 34 angeordnet, ebenfalls von gleicher Länge. Das Rohr 34 weist umfangsseitig im Abstand zueinander Noppen 36 auf. Die Noppen 36 dienen dazu, das innere Rohr 34 koaxial und im Abstand zum äußeren Rohr 32 zu halten und gleichzeitig zwischen den beiden Rohren 34, 32 einen Ringspalt 38 auszubilden. Außerhalb der Wandfläche 10a ist die Düseneinrichtung, bestehend aus den koaxial zueinander angeordneten Bauteilen: Umhüllung 26, äußeres Rohr 32, inneres Rohr 34 in einer umlaufenden Hülse 40 angeordnet. Die Hülse 40 besteht aus zwei Halbschalen und liegt kraftschlüssig auf der Umhüllung 26 auf. Die Hülse 40 ist auf zwei beabstandet zueinander angeordneten Lagern 42, 44 geführt, die an Gerüsten 46, 48 an der Außenfläche 10a der Wand 10 befestigt sind. Die Gleitlager 42, 44 sind in Axialrichtung der Düseneinrichtung an den Gerüsten 46, 48 geführt, so dass sie in Pfeilrichtung L1 und L2 verschiebbar sind.
Das äußere freie Ende 20a der Düseneinrichtung ist kegelstumpfartig gestaltet, das heißt, der Durchmesser der Umhüllung 26 erweitert sich zum freien Ende hin, wo eine flexible Sauerstoffleitung 50 und eine flexible Methangasleitung 52 Sauerstoff in das innere Rohr 34 bzw. Methan in den Ringspalt 36 zuführen.
Noch während Metallschmelze im Ofengefäß ist, die dann abgelassen wird, wird die Düseneinrichtung 20 in Pfeilrichtung L2 bewegt, und zwar so weit, bis sie nicht mehr über die Innenfläche 10i vorsteht. Beim anschließenden Chargieren, beispielsweise von Schrott, steht die Düseneinrichtung nicht mehr in das Schmelzgefäß vor und kann nicht mehr abbrechen. Sobald der Ofenraum mit Schmelze gefüllt ist, wird die Düse in Pfeilrichtung L1 vorgeschoben (und zwar durch Verschieben der Lager 42, 44), beispielsweise so weit, bis die Spitze etwa 50 bis 250 mm über die Innenfläche 10i vorsteht.
Die sekundärmetallurgische Behandlung kann jetzt beginnen. Dies geschieht analog dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der WO 93/09255 A1 beschrieben.
Im Bereich der Innenfläche 10i benachbart zur Düseneinrichtung 20 kann es zur Ausbildung eines sogenannten Schutzpilzes kommen, der mit dem Bezugszeichen 60 angedeutet ist. In diesem Fall wird die Düseneinrichtung 20 durch Aktivieren der Drehlager 42, 44 um einen Winkel von beispielsweise 5, 10 oder 30 Grad verdreht, wobei sich der Schutzpilz von der Innenfläche 10i löst. Anschließend kann die gesamte Düseneinrichtung 20 gegebenenfalls ein Stück in Pfeilrichtung L1 vorgeschoben werden. Ein ähnlicher Effekt lässt sich durch Reduzierung der Kühlmittelzufuhr erreichen
Im Laufe der Zeit wird es zu einem Verschleißprofil an der Spitze 20s der Düseneinrichtung kommen, wie in der Figur dargestellt. In diesem Fall wird die Düseneinrichtung 20 um etwa 180 Grad gedreht (mit Hilfe der Lager 42, 44), bis sich das in der Figur gepunktet eingezeichnete Verschleißprofil einstellt. In dieser Position kann die Einrichtung noch eine Zeit lang weiter betrieben werden, ohne sie in Pfeilrichtung L1 nachschieben zu müssen.
Während das Ende 20a der Düseneinrichtung 20 oberhalb eines Füllstandes (Badspiegels) X einer Metallschmelze S liegt, befindet sich das Ende 20s unterhalb des Badspiegels X.
Die Einrichtung 20 kann ohne weiteres 150 oder auch 300 mm tief in die Schmelze S hineinragen, da sie bei Bedarf (z. B. beim Füllen des Gefäßes) vollständig zurückgezogen werden kann.
Wie einleitend beschrieben kann die keramische Umhüllung fest mit dem äußeren Rohr verbunden, aber auch relativ zu diesem bewegbar angeordnet werden. Es wird dann entweder die Umhüllung mit den Rohren verschoben oder die Rohre relativ zur feststehenden Umhüllung.

Claims (10)

1. Metallurgisches Schmelzgefäß mit einer feuerfesten keramischen Auskleidung, durch die sich eine Düseneinrichtung (20) zum Einleiten eines Fluids in eine Metallschmelze erstreckt, die folgende Merkmale aufweist:
  • a) eine rohrförmige, feuerfeste keramische Umhüllung (26),
  • b) ein in der Umhüllung (26) koaxial angeordnetes äußeres Rohr (34),
  • c) ein im äußeren Rohr (34) koaxial verlaufendes inneres Rohr (32),
  • d) zwischen innerem und äußerem Rohr (32, 34) ist mindestens ein axial verlaufender Kanal (38) ausgebildet
und die
  • a) axial vor- und zurückbewegbar sowie
  • b) drehbar
in der feuerfesten keramischen Auskleidung angeordnet ist.
2. Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einer viskosen Gleitschicht (28) zwischen Umhüllung (26) der Düseneinrichtung (20) und der feuerfesten Auskleidung und/oder zwischen äußerem Rohr (32) und Umhüllung (26).
3. Schmelzgefäß nach Anspruch 1 bei dem äußeres Rohr (32) und Umhüllung (26) fest verbunden sind.
4. Schmelzgefäß nach Anspruch 1, dessen Düseneinrichtung (20) die feuerfeste Auskleidung nach außen überragt und an diesem Teil axial und drehbar geführt ist.
5. Schmelzgefäß nach Anspruch 1, bei dem der die feuerfeste Auskleidung außen überragende Teil der Düseneinrichtung (20) entlang mindestens einer koaxial verlaufenden Hülse (40) geführt ist.
6. Schmelzgefäß nach Anspruch 1, bei dem der die feuerfeste Auskleidung außen überragende Teil der Düseneinrichtung (20) mindestens eine radial verlaufende Verbreiterung (20a) aufweist.
7. Schmelzgefäß nach Anspruch 1, dessen Düseneinrichtung (20) geneigt angeordnet ist, wobei das tieferliegende Ende (20s) zum Innenraum des Schmelzgefäßes hin liegt.
8. Schmelzgefäß nach Anspruch 7, wobei das tieferliegende Ende (20s) unterhalb eines Badspiegels (X) einer metallurgischen Schmelze (5) und das andere Ende (20a) oberhalb dieses Badspiegels (X) verläuft.
9. Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einer Düseneinrichtung (20), deren Umhüllung (26), äußeres und inneres Rohr (32, 34) unabhängig voneinander bewegbar sind.
10. Verfahren zur sekundärmetallurgischen Behandlung einer Metallschmelze in einem metallurgischen Schmelzgefäß nach einem der Ansprüche 1-9, dessen Düseneinrichtung über die Innenfläche des metallurgischen Schmelzgefäßes vorsteht und in die Metallschmelze hineinragt, mit folgenden Merkmalen:
  • a) entlang des inneren Rohres wird ein Fluid in die Schmelze eingedüst,
  • b) entlang des mindestens einen Kanals zwischen innerem und äußerem Rohr wird ein anderes Fluid gleichzeitig zugeführt,
  • c) von Zeit zu Zeit wird die Düseneinrichtung gedreht,
  • d) von Zeit zu Zeit wird die Düseneinrichtung in die Metallschmelze vorgeschoben,
  • e) bei Bedarf wird die Düseneinrichtung so weit zurückgezogen, dass sie nicht mehr über die Innenwandfläche des metallurgischen Schmelzgefäßes vorsteht,
  • f) Wiederholung eines oder mehrer der vorgenannten Schritte.
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