DE1262319C2 - Verfahren zur Behandlung von Metallschmelzen - Google Patents
Verfahren zur Behandlung von MetallschmelzenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
Int. CI.;
C21c
Nummer:
K53426VIa/18b
9. JuU 1964
7. März 1968
19. September 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Metallschmelzen mit einem, flüchtigen
Behandlungsmaterial. Dabei geht die Erfindung von einem derartigen Verfahren aus, bei dem das
flüchtige Behandlungsmaterial in Gegenwart eines S passiven Gases in einen geschlossenen Behandlungsraum eingeführt wird, der die Schmelze und darüber
einen Dampf raum enthält.
Die Verwendung eines geschlossenen Behandlungsraumes hat den Vorteil, daß Metallschmelze nicht
nach außen versprüht, wenn diese mit dem Behandlungsmaterial, beispielsweise Magnesium, versetzt
wird, das als fester Stoff in die Metallschmelze eingeführt wird und sich dort nach Erhitzen verflüchtigt.
Die bisher bekannten Verfahren unter Verwendung geschlossener Behandlungsräume zeichnen Sich durch
einen hohen konstruktiven Aufwand und durch eine verhältnismäßig geringe Wirksamkeit des Behandlungsmaterials aus. So ist es bekannt, das Behandlungsmaterial in spezielle Sonden einzupacken, die
von oben her in die Metallschmelze eingeführt werden. Das untere Ende der Sonde ist mit einem
Stopfen verschlossen, der dem in der Metallschmelze entspricht, so daß nach dem Einbringen der Sonde
dieser Verschluß aufschmilzt und sich das Behänd- as lungsmaterial mit der Metallschmelze vermischt.
Diese Vermischung ist jedoch infolge der örtlichen Begrenzung der Sonde verhältnismäßig inhomogen.
Das Behandlungsmaterial verflüchtigt sich und steigt durch die Schmelze in Blasenform auf. Die Behändlungswirkung ist nämlich bereits in dem Augenblick
beendet, in dem die Blasen aus der Metallschmelze austreten. Es findet daher praktisch nur in unmittelbarer Nachbarschaft der Sonde eine Behandlung der
Metallschmelze statt. Außerdem geht eine Menge Behandlungsmaterial verloren, so daß sich dieses
Verfahren durch geringe Wirksamkeit auszeichnet.
Der Erfindung liegt die, Aufgabe zugrunde, die bisherigen Verfahren zur Behandlung von Metallschmelzen dieser Gattung durch ein einfacheres und
wirksameres Verfahren zu ersetzen, das sich keiner komplizierten Behandlungsaggregate bedient.
Die Erfindung besteht darin, daß das passive Gas in den Dampf raum eingeschlossen wird und daß das
verdampfende Behandlungsmaterial laufend kondehsiert wird. Dabei wird das Kondensat zweckmäßigerweise in den Behandlungsraum zurückgeführt, so daß
es wiederum zur Behandlung der Metallschmeize zur Verfügung steht.. Dieses Verfahren kann in einem
kontinuierlichen Zyklus stattfinden, ohne daß immer wieder neues Behandlungsmaterial zugegeben werden
muß. Es genügt, die zur Behandlung von Metali-
Kaiser Industries Corporation,
Oakland, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. Dr.-Ing. R. Poschenrieder
und Dipl.-Ing. Dr.-Ing. E. Boettner,
Patentanwälte,
8000 München 8, Lucile-Grahn-Str..38
Als Erfinder benannt:
Norman Allen Devine Parlee,
Los Altos Hills, Calif.;
William Edward Mahin,
Oakland, Calif. (V. St. A.)
schmelze erforderliche Menge des Behandlungsmaterials der Metailschmelze anfänglich zuzusetzen
und anschließend dafür zu sorgen, daß der erfindungsgemäße Kreislauf stattfindet.
Besonders zweckmäßig ist es, die Wände des Dampfraumes auf eine Temperatur oberhalb des
Erstarrungspunktes des, flüchtigen Behandlungsmaterials zu erhitzen, so daß dieses sich dort in
flüssigem Aggregatzustand sammelt und in die Metallschmelze zurücktropft. Entsprechend der Form
der Dampf raumwände findet dabei gleichzeitig eme günstige Verteilung des in die Metallschmelze
zurückgeführten flüssigen Behandlungsmaterials statt. Die Bedingung, daß sich im Dampfraum das passive
Gas befindet, sorgt dafür, daß sich das kondensierte Behandlungsrnaterial nicht in unerwünschter Weise
umsetzt. Die durch die Erfindung bewirkte gleichmäßige Verteilung des wieder zugeführten Behandlungsmaterials macht es in der Regel auch überflüssig,
spezielle Rührvorrichtungen zu verwenden,' die zu einer einigermaßen ausreichenden \ Durchmischung
der Metallschmelze mit dem Behandlungsmaterial erforderlich waren.
D>e Verwendung eines geschlossenen Behandlungsraumes und eines passiven Gases darin ermöglicht
10» (22/3 w
einen höheren als Normaldruck im Behandlungsraum, so daß durch die Steuerung dieses Druckes
die Cieschwindigkeit der Verdampfung des flüchtigen Behandliiiigsmaterials geregelt werden kann. Bei
Verwendung eines leichten passiven Gases, wie Helium, bildet sich in der Regel eine Schichtung im
Dampfraiim aus, wonach unmittelbar über der Metallschmelzenoberfläche eine Schicht des gasförmigen Behandlungsmaterials angeordnet ist, die sich
allmählich nach oben immer weiter mit dem Helium vermischt
Im folgenden wird mit einem flüchtigen Behandlungsmaterial ein Material bezeichnet, das zur
Behandlung von Metallschmelze dient und bei der Behandlung in wesentlichem Maße in der Dampfphase ist Bei der Behandlung von Stahl dienen z. B.
Behandlungsmaterialien wie Calcium oder Magnesium zum Deoxydieren oder Entschwefeln von Stahl.
Diese sind jedoch schwierig zu verwenden, weil beide bei der Temperatur der Stahlschmelze fast sofort als
Dämpfe entweichen und weil beide eine geringe Löslichkeit im Stahl haben.
Der Ausdruck passives Gas soll ein Gas bezeichnen, das mit der Metallschmelze oder dem flüchtigen
Behandlungsmaterial nicht reagiert oder ungünstig beeinflußt wird, das aber die Funktion erfüllt, eine
Druckerhöhung zu bewirken und unerwünschte Gase auszuschließen. Beispiele von passiven Gasen sind die
Edelgase und in bestimmten Fällen Kohlenmonoxyd und Wasserstoff. Ein bevorzugtes passives Gas ist
Helium, weil es indifferent und außerordentlich leicht ist Es neigt zur Bildung eines geschichteten
Dampfsystems.
Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung dient ein Wärmeaustauscher in dem Dampfraum zum
Kondensieren. Auch können die Wände des Dampfraumes zu diesem Zweck dienen, so daß diese zwischen dem Siedepunkt und dem Schmelzpunkt des
Behandlungsmaterials erwärmt sind. Wenn die letztgenannte Ausbildung verwendet wird, ist es gewöhnlich notwendig, die Wände des Dampfraumes mit
Metall auszukleiden, da die meisten feuerfesten Substanzen zu porös sind, um Dämpfe zu enthalten, und
das Behandlungsmaterial in den kühleren Teilen der Poren der feuerfesten Materialien verfestigt würde.
Wenn die Behandlungsreaktionen reversibel sind, ist es auch erwünscht Reaktionsprodukte zu entfernen,
die sich gewöhnlich als Schlacke an der Schmelzenoberfläche sammeln, so daß die reversible Reaktion
nicht stattfinden kann. Zum Beispiel bei der Entfernung von Schwefel oder Sauerstoff aus Metall durch
Bildung der Sulfide oder Oxyde von aktiveren Metallen schwimmen die Sulfide und Oxyde, die sich bilden, auf der Schmelzenoberfläche. Wenn ein Überschuß an Behandlungsmaterial vorhanden ist, neigt
die Reaktion zur Bildung von Sulfid oder Oxyd. Um zu verhindern, daß die umgekehrte Reaktion eintritt,
bei der sich MetalIsuIfid oder Oxyd zersetzen, wird das Sulfid oder Oxyd entfernt, bevor es sich zersetzen
kann, um die Schmelze mit Schwefel oder Sauerstoff zu verunreinigen.
Bei der Erfindung kann natürlich auch ein Rühren der Metallschmelze stattfinden, insbesondere durch
Anwendung von elektrischer Induktion als Wärmequelle. Dabei führen die Wirbelströme eine Schmelzenbewegung aus, die für das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen vollauf genügt. Thermische
Rührwirkungen können auch anders erzeugt werden.
Beispiele und weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht. Sie sind
lediglich als Erläuterung und nicht als Beschränkung der Erfindung gedacht,
s F i g. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
F i g. 2 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung eines abgewandelten Verfahrens
to gemäß der Erfindung.
Die Zeichnungen beziehen sich auf ein Verfahren zum Entschwefeln von Stahl, bei dem Calcium als
ein flüchtiges Behandlungsmaterial verwendet ist.
Bei den üblichen Bedingungen zur Behandlung von
Stahlschmelze hat Calcium einen hohen Dampfdruck,
ist nur wenig in Stahl löslich und so stark reaktionsfähig, daß es sich fast explosiv mit Sauerstoff verbindet Nach der vorliegenden Eifindung und unter
Bezugnahme auf F i g. 1 wird Stahlschmelze mit Cal-
ao dum in einer Behandlungskammer 10 behandelt Diese Kammer 10 hat feuerfeste Wände und einen
feuerfesten Boden 11, die im wesentlichen nicht mit Calcium reagieren. Die Kammer 10 hat einen oberen,
kuppelähnlichen Teil 12, der mit Metall 13 ausge-
as kleidet ist und einen dichten Dampfraum 15 bildet Die Kuppel hat eine öffnung mit einem Stopfen 16,
der entfernt werden kann, um Stahl 17 einzuführen, z. B. durch Eingießen von geschmolzenem Stahl aus
einem Gießlöffel oder einfach indem fester Stahl ein
gebracht wird, der daraufhin geschmolzen wird. Der
Stopfen 16 wird danach wieder angebracht, um den Dampfraum im wesentlichen gasdicht abzuschließen.
Eine ebenfalls mit Metall 13 ausgekleidete Kammer 18 dient zum Entfernen von schwimmender Schlacke
von der Oberfläche der Schmelze 17. Ein Rechen 20 mit langem Stiel ist in einer Dichtungsbuchse 21 geführt und dient zum Abschäumen der Oberfläche der
Schmelze 17.
Für diesen Zweck können alle üblichen Mittel ver
wendet werden.
Die Wände der Kuppel 12 enthalten Heizelemente 22, welche bei dieser Ausführungsform die innere
Oberfläche der Metallauskleidung 13 Uber dem Siedepunkt des Calciums halten, so daß keine Calcium-
dämpfe an der Kuppel kondensieren oder erstarren. Die Heizelemente 22 erstrecken sich bis zu einem
Punkt, der niedriger als die Metalloberfläche liegt, um jede Verfestigung von Calcium zu verhindern,
und sie umgeben die Kammer 18. Die in F i g. 1 dar
gestellte Vorrichtung ist auch mit einem Behälter 23
versehen, welcher durch Trichterventile 25 und eine Luftschleuse 26 in die Kammer 10 entleerbar ist.
Der Behälter 23 kann verschlossen werden und die Luftschleuse 26 mit indifferentem oder passivem Gas
ausgespült sein, so daß mit dem Calcium keine Luft eingeführt wird.
Eine Leitung 27, die ein Ventil 28 enthält, ist vorgesehen, um das passive Gas, in diesem Beispiel Helium, in den Dampfraum 15 einzuführen. In der vor-
liegenden Durchführungsform ist auch eine Schlange 30, zu welcher Kühlmittel durch die Leitung 31 und
das Ventil 32 geführt werden kann, in dem Dampfräum vorgesehen, um, wenn gewünscht, verwendet
zu werden. Der Boden der KammerlO ist mit einem
unteren Gußauslaß 33 versehen, der mit einem Stopfen 35 verschlossen ist um den fertigbehandelten
Stahl aus der Kammer 10 zu entfernen. Der Flüssigkeit enthaltende Teil der KammerlO ist mit der In-
duktionsspule 36 umgeben, um den Stahl 17 auf der richtigen Behandlungstemperatur zu halten.
Bei Betrieb wird das Metall 17 in die Kammer 10 eingebracht, und der Stopfen 16 wird wieder angebracht
und verschlossen, um eine gasdichte Kammer zu erhalten. Durch die Leitung 27 wird Helium
eingeführt, bis aus der Atmosphäre im Dampfraum 15 im wesentlichen alle Luft entfernt ist. Die Induktionsspule
36 erhöht die Temperatur des Stahls auf die richtige Behandlungstemperatur, z. B. 1600° C,
und von der Oberfläche wird alles schwimmende unlösliche Material abgeschäumt, welches mit der
Charge eingeführt wurde oder sich während des Erhitzens bildet. Das schwimmende Material 37 wird
in der Kammer 18 gesammelt.
Die Heizelemente 22 werden in Betrieb genommen und so eingeregelt, daß die Oberfläche des inneren
Dampfraumes Uber der Siedetemperatur des Calciums ist. Darauf wird das Calcium aus dem Behälter
23 in die Kammer 10 eingeführt, vorzugsweise indem ao man es langsam auf die Oberfläche der Metallschmelze
17 fallen läßt, um heftige Reaktion zu vermeiden, und es beginnt die Entschwefelung durch die
Bildung von Calciumsulfid. Die passive Heliumatmosphäre ermöglicht es, daß das Calcium nur mit as
den Substanzen in dem Stahl, wie Schwefel und Sauerstoff, reagiert, und die erhaltenen Reaktionsprodukte
schwimmen an die Oberfläche des Metalls 17, von welcher sie aus der Berührung mit dem Stahl
entfernt werden können, indem sie in die Kammer 18 gerecht werden. Die heiße Metallschmelze 17 verursacht,
daß das Calcium verdampft, aber die Atmosphäre des leichten Heliums neigt dazu, das verdampfte
Calcium als eine dichte konzentrierte Decke in Berührung mit der Stahloberfläche zu halten.
Schließlich diffundieren Calciumdämpfe in den Dampfraum 15, und an diesem Punkt verursacht die
kontrollierte Einführung von Kühlmitteln durch die Leitung 31 und die Schlange 30 die Kondensation der
Calciumdämpfe, und diese fallen auf die Metalloberfläche zurück, wodurch das System in seinen unstabilen
Zustand zurückkehrt, bei welchem hochkonzentrierte Calciumdämpfe in unmittelbarer Nachbarschaft
der Metallschmelze sind. Der Wärmeaustauscher 30 kann kontinuierlich oder intermittierend betrieben
werden, um die erwünschte geschichtete Dampfphase zu erzeugen, und, wenn gewünscht,
braucht er überhaupt nicht verwendet zu werden, sondern die Heizelemente 22 können so gesteuert
werden, daß das Calcium an der Auskleidung 13 kon- so densiert. Unter diesen Bedingungen wird die Behandlung
fortgesetzt, bis der gewünschte Grad an Entschwefelung erreicht ist.
Anschließend an die Behandlung der Metallschmelze kann das Kühlmittel mit erhöhter Ge- ss
schwindigkeit durch die Leitung 31 fließen, wodurch sich das Calcium an dem Kondensator 30 verfestigt
und für den nächsten Stahlansatz verwendet werden kann. Das Arbeiten auf diese Art verhindert, daß
vorhandenes Calcium veriorengeht, wenn die Metallschmelze 17 entnommen wird, und es ermöglicht die
Verwendung eines größeren Uberschusses an Calcium, ohne daß dieser nach jeder Behandlung verlorengeht.
Bei einer Durchführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, hat die Behandlungszone die
Form einer beweglichen Glocke innerhalb einer sie umgebenden Kammer. Der die Flüssigkeit enthaltende
Teil der Kammer. 40 ist; mit- einer Kuppel 41 bedeckt, die aus feuerfestem Material bestehen kann.
Innerhalb dieser Kuppel 41.ist eine Glocke 42 gezeigt, die hier aus Metall mit einer feuerfesten Kante oder
einem Rand 43 hergestellt ist, der in die Metallschmelze eintaucht. Eine Leitung, die in die Glocke
mündet, geht durch die Kuppel bei 46 hindurch. An dieser Stelle ist eine Dichtungsbuchse, wenn eine verschlosseneKammer
erforderlich ist. Zum Heraufziehen oder Herablassen der Glocke 42 dienen am
Flansch 47 angreifende Organe. Eine Leitung 48 verbindet den Glockenteil mit einem Behälter 50, aus
welchem flüchtiges Behandlungsmaterial durch die Ventile 51 und die Luftschleuse 52 in das Innere der
Glocke 42 gebracht wird. Das Innere der Glocke 42 enthält auch Kühleinrichtungen 53; diese können
konzentrische Rohre sein, welchen durch die Leitung 55 Kühlmittel zugeführt wird, wobei das Kühlmittel
durch die Leitung 56 hinausgeführt wird und durch die Dichtungspackung 54 hindurchgeht. Um das geschmolzene
Bad 45 auf der richtigen Temperatur zu halten, dienen Induktionserhitzer 57. Eirie öffnung
58, die mit einem Stopfen 60 dicht verschließbar ist, dient zum Einführen von Stahl in die Kammer 40.
Die Leitungen 61 und 62, die Ventile 63 und 64 enthalten,
dienen zum Einleiten von Helium in die Kammer, in das Innere der Glocke 42 und die Teile der
Kuppel 41, die die Glocke umgeben. Bei der Durchführungsform der F i g. 2 bildet das Innere der Glocke
42 eine getrennte Kammer, wenn der feuerfeste Rand
43 in das flüssige Metall 45 eingetaucht wird, und alles Material innerhalb der Glocke 42 ist dann von
der Umgebung der Glocke isoliert. Die Kuppel 41 braucht dann nicht ausgekleidet zu sein und kann aus
porösem feuerfestem Material bestehen, oder sie kann insoweit sogar Luft enthalten. Im Betrieb wird Stahlschmelze
45 durch die öffnung 58 eingeführt, die gegebenenfalls mit dem Stopfen 60 dicht verschlossen
werden kann. Die Glocke 42 wird in das geschmolzene Bad 45 so weit abgesenkt, daß der feuerfeste
Rand 32 eingetaucht ist, wodurch die Glocke abgeschlossen ist. Vor dem Eintauchen ist es vorzuziehen,
mit einem starken Heliumstrom durch die Leitung 46 alle Luft oder andere Gase aus der Glocke 42 heraus-.
zuspülen. Bevor die Glocke eingetaucht wird, werden die Erhitzer 65 angestellt und so einreguliert, daß sich
die Temperatur der Metallwand 42 oberhalb des Siedepunktes des Calciums befindet. Der Heliumstrom
durch die Leitung 61 kann zu dieser Zeit unterbrochen oder zumindest seine Geschwindigkeit
kann so verringert werden, daß nur der erwünschte Druck im System aufrechterhalten wird, der sonst
durch kleine Leckstellen oder durch Auflösen in der Stahlschmelze verringert wird. Calcium wird durch
die Luftschleuse 52 eingeführt und fällt durrch die Leitung 48 auf die Oberfläche der Metallschmelze 45.
Das Kühlmittel, das durch die mit einem Ventil versehene Leitung 55 mit regulierter Geschwindigkeit
eingeführt wird, hält den Kondensator 53 auf der richtigen Temperatur, bei der kontinuierlich flüssiges
Calcium erzeugt wird. Dieses kehrt auf die Oberfläche der Metallschmelze zurück, um weiter für die
Behandlung zur Verfügung zu stehen. Wenn Induktionsheizung angewendet wird, bilden die starken
Wirbelströme eine Aufwölbung in der Metallschmelze. Dabei sammelt sich die Schlacke 66 an der
inneren Oberfläche der Glocke. Durch gelegentliches Abheben der Glocke aus der Berührung mit der
Claims (11)
1. Verfahren zur Behandlung von Metallschmelzen mit einem flüchtigen Behandlungsmaterial, bei dem dieses in Gegenwart eines passiven
Gases in einen geschlossenen Behandlungsraum eingeführt wird, der die Schmelze und darüber
einen Dampfraum enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem Dampfraum das passive Gas einschließt und daß man das
durch Berührung mit der Schmelze verdampfende Behandlungsmaterial laufend zum Kondensieren
bringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wände des Dampfraumes
auf eine Temperatur oberhalb des Erstarrungspunktes des flüchtigen Behandlungsmaterials
erhitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wände eines zusätzlich
im Dampfraum vorgesehenen Kondensators auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
und unterhalb des Siedepunktes und die Wände des Dampfraumes auf einer Temperatur
oberhalb des Schmelzpunktes des flüchtigen Behandlungsmaterials hält.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Dampf raumes
auf einer solchen Temperatur gehalten werden, daß das flüchtige Behandlungsmaterial dort kondensiert.
5. Verfahren nach Anspruchs oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kondensator ein Wärmeaustauscher
verwendet wird, der mit Kühlmittel gespeist wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Behandlungsraum
ein höherer Druck als atmosphärischer Normaldruck aufrechterhalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Eisenschmelze
Calcium als Behandlungsmaterial verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Etsenschrnelze
Magnesium als Behandlungsmaterial verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Helium
als passives Gas verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Metallschmelze gerührt und durch Induktionsheizung erhitzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wände einer in dem
geschlossenen Behandlungsraum in die Schmelze eingetauchten Tauchglocke auf einer Temperatur
oberhalb des Schmelzpunktes und die Wände eines in dem in der Tauchglocke eingeschlossenen
Dampfraum vorgesehenen Kondensators auf einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt
und dem Siedepunkt des flüchtigen Behandlungsmaterials hält.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 517 489 2 68 Q Bundndruckcrci Berlin
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