DE1228291B - Verfahren und Vorrichtung zum nachtraeglichen Entgasen geschmolzener Staehle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

C21c

Deutsche Kl.: 18 b-7/08

Nummer: 1228 291

Aktenzeichen: St 21343 VI a/18 b

Anmeldetag: 20. November 1963

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum nachträglichen Entgasen geschmolzener Stähle durch stufenweise Gießstrahlentgasung, bei welcher der Gießstrahl einer Vorentgasungskammer mit geringem Vakuum in einzelne Tröpfchen auseinandergerissen und anschließend in einer Nachentgasungskammer mit höherem Vakuum ohne wesentliches Auseinanderreißen des Strahles entgast wird.

Die Stahlentgasung im Vakuum ist zu einem für die Stahlwerke wichtigem Verfahren geworden, bei dem man sich die Eigenschaft zunutze macht, daß der Gasgehalt von Stahl, insbesondere der Gehalt an Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, vom Druck abhängig ist. Bei normalen Bedingungen beginnt der Stahl unterhalb eines Druckes von 300 bis 100 mm QS absolut Gas abzugeben.

Die Drucksenkung zur Abgabe von Gas aus schmelzflüssigem Stahl gewährleistet jedoch nicht ohne weiteres eine dem Druck entsprechende Entgasung, weil die Gesetzmäßigkeiten der Diffusion im wesentlichen die während der Vakuumbehandlungszeit abzugebende Gasmenge bestimmen. Hiernach ist die Gasabgabe bei einem vorgegebenen Vakuum im wesentlichen abhängig von der Behandlungszeit und von dem Weg, den das Gas innerhalb der Stahlschmelze bis zur gasabgebenden Stahloberfläche zurücklegen muß.

Es sind mehrere Verfahren bekannt, mit denen das für den günstigsten Gasgehalt erforderliche hohe Vakuum erzeugt, die Einwirkungszeit des hohen Vakuums so lange wie möglich und die Diffusionswege so kurz wie möglich festgesetzt werden. Diese Verfahren sind auch im Hinblick auf die für die jeweils gegebenen Verhältnisse günstigste Anwendungsmöglichkeit entwickelt worden, wobei ein besonderes Anwendungsgebiet die Herstellung von schweren Schmiedeblöcken und das Begießen von Kokillen im Vakuum ist. Bei diesem Verfahren wird der schmelzflüssige Stahl in eine Zwischenpfanne gegossen, die auf ein unter Vakuum stehendes Gefäß aufgesetzt ist. Durch den Stopfenstein dieser Zwischenpfanne fließt der Strahl in eine im vakuumdichten Gefäß aufgestellte Kokille. Die Vakuumkammer muß vor der Benutzung evakuiert werden, wobei sich die Höhe des Vakuums nach den durch die Aufgabe gegebenen Randbedingungen richtet. Weiterhin ist es erforderlich, den Stahl so in die Zwischenpfanne einzugießen, daß das Stopfenloch immer durch den ausfließenden Stahl bedeckt bleibt, damit ein Eintritt der atmosphärischen Luft in das Vakuumgefäß vermieden wird. Zu diesem Zweck sind der Abfluß aus der Zwischenpfanne und der Zufluß zur Gießpfanne so auf-Verf ahren und Vorrichtung zum nachträglichen
Entgasen geschmolzener Stähle

Anmelder:

Standard-Messo Duisburg

Gesellschaft für Chemietechnik m. b. H. & Co.,

Duisburg, Düsseldorfer Str. 29

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Theodor Messing,
Mülheim/Ruhr-Speldorf

einander abgestimmt, daß immer eine flüssige Stahlmenge in der Zwischenpfanne verbleibt.

Beim Durchtritt des Stahles durch das Stopfenloch und beim Einfließen in den Vakuumraum tritt jedoch eine plötzliche Drucksenkung vom Atmosphärendruck auf das Vakuum ein, wobei der Stahl je nach Gasgehalt und gewähltem Vakuum mehr oder weniger auseinandergerissen wird und als Tropfenschauer in die Kokille einfällt. Auf dem Fallweg findet während der Fallzeit eine Entgasung des Stahles statt. Die Diffusionswege des Gases im Stahl werden hierbei durch die Größe der Tropfen bestimmt.

Es hat sich herausgestellt, daß je nach der Stahllegierung und der Stahlvorbehandlung die Gasgehalte im Stahl und damit die aus dem Stahl herauszuholenden Gasmengen sehr unterschiedlich sind. Daraus ergibt sich, daß die ungesteuerte Expansion des Stahles aus der Zwischenpfanne in den Vakuumraum nur dann zur Qualitätsverbesserung der zu gießenden Produkte, z. B. der gegossenen Blöcke, führt, wenn die Ausgasung aus dem Stahl nicht zu groß ist.

Die Qualität des Erzeugnisses wird nämlich bei zu großer Gasabgabe des Stahls dadurch schlecht, daß

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der Stahl in feinste Tröpfchen zerrissen wird, die einen breiten Sprühstrahl erzeugen und dazu führen, daß viele Tröpfchen an die Kokillenwand spritzen, bevor der flüssige, in der Kokille aufsteigende Stahl diese Wandstelle erreicht. Durch die Abkühlungswirkung der kalten Kokillenwand erstarren diese Tropfen und werden erst später vom aufsteigenden flüssigen Stahl umspült, wodurch nach der Erstarrung die Oberflächenbeschaffenheit des Blockes schlecht ist. Außerdem kann es sehr leicht vorkommen, daß die erstarrten Tropfen, die sich in Agglomeraten ansammeln, sich von der Wand lösen und in den Schmelzfluß zurückfallen. Da auch ein Stoffaustausch der erstarrenden Tropfen mit der Kokillenwand nicht ausgeschlossen werden kann, können mit den eingelagerten Agglomeraten Verunreinigungen im gegossenen Block auftreten. Weiterhin führt ein zu stark versprühter Tropfenschauer dazu, daß Stahl über die Kokille hinaus spritzt und zu Verlusten führt oder Bartansätze an den oberen Kanten der Kokille bildet, wodurch nicht selten bei zu starker Sprühwirkung und nach Erkalten des Blockes ein Aufhängen des Blockes in der Kokille erfolgt und eine erhebliche Rißgefahr verursacht wird.

Diese Gegebenheiten konnten erst dadurch in ihrer vollen Wirkung festgestellt werden, daß in neuerer Zeit mit verstärkten Pumpenleistungen nach dem Dampfstrahlprinzip beliebig hohe Gießleistungen mit Stahl beliebig hohen Gasgehaltes bei äußerst niedrigem Druck erzielt werden können. Bei den ohne verstärkte Pumpen betriebenen bisherigen Anlagen sind durch die begrenzte Saugleistung der mechanischen Pumpe diese Erscheinungen nicht zutage getreten.

Um die infolge des geringen Druckes auftretenden Nachteile zu vermeiden, wird in den bekannten Anlagen die Größe des Vakuums den gegebenen Verhältnissen, insbesondere der Sprühwirkung des Strahles, angepaßt. Dies geschieht durch Verschlechterung des Vakuums, so daß gerade die durch ein günstigeres Vakuum bezweckte bessere Entgasung des Stahles, um zu einem guten Endgasgehalt zu gelangen, verschlechtert wird.

Es ist ein Verfahren zur Gießstrahlentgasung mit der dazugehörigen Vorrichtung bekannt, bei dem unter Aufrechterhaltung eines Vakuums von mindestens 0,5 mm QS in der Vakuumkammer der Strahl des zu entgasenden Stahles bei seinem Eintritt in die Vakuumkammer zunächst in einer ringförmigen Vorkammer in konischer Form versprüht, auseinandergerissen und dabei entgast wird, bei dem anschließend der versprühte Strahl innerhalb der Vorkammer wieder gebündelt und der Stahl in Form eines zylindrischen, in sich geschlossenen Strahles in die Form übergeführt wird. Der Unterdruck in der Vorkammer muß etwa in der gleichen Größenordnung des Unterdruckes in der eigentlichen Vakuumkammer liegen, weil die Austrittsöffnung der Vorkammer nur zur Bündelung des verspritzten Stahles dient und zur darunterstehenden Kokille einen wesentlich größeren Querschnitt aufweisen muß, als es der Menge des sie durchfließenden Stahlstrahles und Gasstroms entspricht. Eine Druckdifferenz zwischen der Vorkammer und der eigentlichen Vakuumkammer soll weder vorhanden sein noch erstrebt werden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform des bekannten Verfahrens und seiner Vorrichtung sollen unterschiedliche Drücke in der Vorkammer und in der eigentlichen Entgasungskammer herrschen. Dabei soll der Druck in der Vorkammer 2,5 mm QS nicht überschreiten und der Druck in der eigentlichen Vakuumkammer auf einem Wert von unter 1,0 mm QS gehalten werden. Ferner sind zwei Vakuumaggregate vorhanden, eins zum Absaugen des Gases aus dem eigentlichen Vakuumbehälter und ein weiteres zum Absaugen der Gase aus einer Zwischenkammer, die sich über dem Deckel der eigentlichen

ίο Vakuumkammer befindet. Dabei bildet die bekannte Vorrichtung zur Bündelung des aufgerissenen Gießstrahles einen Teil dieser Zwischenkammer. Das eine Pumpenaggregat dient dazu, den größten Teil des aus dem Gießstrahl austretenden Gasgehaltes aus der Anlage zu entfernen und den Druck in der Vorkammer so einzustellen, daß der in die eigentliche Vakuumkammer austretende, wieder gebündelte Gießstrahl nicht zerplatzt. Auch mit dieser bekannten Vorrichtung wird mit Hilfe der Vakuumpumpe in

der Vorkammer und somit auch in der Vorrichtung, die zur Bündelung des Gießstrahles beim Übertritt in die eigentliche Vakuumkammer dient, ein Unterdruck aufrechterhalten, der nach Möglichkeit gleich dem in der Entgasungskammer gehalten wird. Wenn der Druck in der Vakuumkammer auf vorzugsweise 0,5 mm QS eingestellt ist, soll der Druck in der Vorkammer vorzugsweise unter 2,5 mm QS gehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum nachträglichen Entgasen geschmolzener Stähle in einem Vakuumbehälter zu schaffen, bei dem die durch die verstärkten Pumpenleistungen erzielbaren niedrigen Drücke im Vakuumbehälter voll ausgenutzt werden können, ohne daß das Erzeugnis infolge des zu großen Druckgefälles verschlechtert wird.

Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Vor- und Nachentgasungskammer durch nur eine, auch mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpe mit Anschluß an die Nachentgasungskammer evakuiert wird, wobei das schlechtere Vakuum der Vorkammer durch Auslegung der Zu- und Auslaufquerschnitte der Vorkammer und durch in die Vorkammer eingeleitetes Fremdgas .auf einem Wert gehalten wird, der etwa 50 bis 250 Torr über dem in der Nachentgasungskammer herrschenden Druck von etwa 0,5 bis 5 Torr eingeregelt wird.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden die bekannten Vorteile der Gießstrahlentgasung mit der günstigen Wirkung eines hohen Vakuums verbunden, ohne daß dabei auf den Gasgehalt des Stahles und die Geschwindigkeit Rücksicht genommen werden muß. Der geringe Druck in dem Vakuumbehälter wird hierbei mit Hilfe von Dampfstrahl-Vakuumpumpen hoher Saugleistung erzeugt und in allen Phasen der Vakuumbehandlung aufrechterhalten. Dabei genügt nur ein Vakuumaggregat zur Absaugung der Gase, die beim.Eintritt des Stahles in das Vakuum aus dem Stahl austreten, und die Vorkammer braucht zur Regelung des in ihr herrschenden Unterdruckes nicht mit einem Anschluß für eine besondere Vakuumpumpe versehen zu sein.

Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung benutzt, bei der erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise in einem Vakuumbehälter über der Kokille am Behälterdeckel unter einer Zulauf öffnung im Behälterdeckel eine Kammer mit einer Auslauföffnung befestigt ist, deren Querschnitt größer ist als

der Querschnitt der Zulauföffnung und in die ein Gasrohr mündet.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Die an sich bekannte Gießstrahlentgasungseinrichtung besteht aus einem Vakuumbehälter 1, in dem auf Lagerböcken 8 eine Kokille 2 angeordnet ist und der mit einem Behälterdeckel 5 luftdicht .abgeschlossen ist.

Auf dem Deckel 5 des Vakuumbehälters 1 ist eine Zwischenpfanne 3 angeordnet. Die Zwischenpfanne 3 wird mit Hilfe einer Gießpfanne 13 mit geschmolzenem Stahl gefüllt und ist über eine Zulauföffnung 11, die durch einen Stopfenstein 10 verschließbar ist, mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden. Das Vakuum im Inneren des Behälters 1 wird von nicht dargestellten Saugpumpen erzeugt und aufrechterhalten, die über ein Saugrohr 6 mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden sind.

Gemäß der Erfindung ist im Behälter 1 über der Kokille 2 eine Kammer 4 vorgesehen, die über die Zulauföffnung 11 mit der oberhalb des Vakuumbehälters 1 angeordneten Zwischenpfanne 3 verbunden ist. Die Kammer 4 ist mittels Halterungen 7 am Behälterdeckel 5 befestigt und mit einer Auslauf öffnung 12 versehen, deren Querschnitt größer ist als der Qerschnitt der Zulauföffnung 11. In die Kammer 4 mündet ein Gasrohr 14, durch das von außen Inertgas zur Erhöhung des Druckverlustes eingeblasen werden kann.

Die Kammer 4 ist ausschließlich dazu angeordnet, den aus der Zwischenpfanne 3 in den Vakuumbehälter 1 einlaufenden Stahl aufzunehmen und gleichzeitig wieder auslaufen zu lassen, wobei die Abmessungen der vom Stahl zu durchlaufenden Ein- und Auslaufquerschnitte so gerechnet sind, daß der Stahl mit einem vorherbestimmten Widerstand und damit mit einem vorherbestimmten Druckverlust sie durchströmt. Zur Gewährleistung der einwandfreien Durchströmung ist es erforderlich, daß die Auslauföffnung 12 der Kammer 4 größer ist als die Einlauföffnung 11. Die Auslauföffnung 12 muß jedoch so klein sein, daß der sie durchströmende Stahl einschließlich der vorentgasten Gasbestandteile in der Lage ist, auf Grund bekannter Strömungsgleichungen einen Druckverlust zu verursachen.

Da bei der Berechnung dieser Verhältnisse die gewünschte Wirkung nur annähernd getroffen werden kann, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die den Betriebsverhältnissen entsprechende genaue Einhaltung der Druckabsenkung dadurch zu erzielen, daß in die Kammer 4 von außen Inertgas eingeblasen wird, dessen zusätzliche Strömung den Widerstand und damit den Druck frei wählbar verändert.

Ein günstiges Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird bei einem Druck in der Kammer 4 erzielt, der in einem Druckbereich liegt, der der wesentlichen Sauerstoffentgasung bzw. CO-Reaktion zugemessen ist. Je nach Zusammensetzung des Stahles liegt dieser Druckbereich zwischen 50 und 300 mm QS_abs?lut.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Stahl aus der Gießpfanne 13 in die Zwischenpfanne 3 gegossen, aus der er nach öffnen des Stopfens 10 durch die Zulauföffnung 11 austritt und zuerst in die zusätzlich eingebaute Vorentgasungskammer 4 innerhalb des Vakuumbehälters 1 eintritt. In der Vorentgasungskammer 4 herrscht nur beim Angießen das gleiche Vakuum wie im Vakuumbehälter 1 und in der

60 Kokille 2. Die Auslauföffnung 12 der Vorentgasungskammer 4 ist zwar größer als die verschließbare Zulauföffnung 11, so daß der Stahl bei geöffnetem Zwischenpfannenstopfen 10 die Vorkammer 4 ohne Aufstauung durchlaufen kann, sie ist jedoch klein genug, um einen Druckverlust zu verursachen.

Der geschmolzene Stahl wird auf diese Weise beim Eintritt in den Vakuumbehälter 1 zwar in einzelne Tröpfchen auseinandergerissen und entgast, wobei sich die Tröpfchen jedoch wieder sammeln und als gebündelter Strahl die Vorkammer 4 verlassen. Durch den Strömungswiderstand des in das höhere Vakuum in der Nachentgasungskammer austretenden Stahlgasgemisches stellt sich in der Vorkammer 4 ein Überdruck gegenüber dem hohen Vakuum ein, der beispielsweise mit Hilfe einer Fremdgasmenge reguliert werden kann. Der teilweise entgaste Stahl wird nun in höherem Vakuum wesentlich weniger breit versprüht, wodurch die störenden und eine bestmögliche Entgasung verhindernden Erscheinungen vermieden werden. Bei durchgeführten Versuchen hat sich herausgestellt, daß bei einem Druck von 0,5 bis 5 Torr in der Nachentgasungskammer im Vakuumbehälter 1 ein Druck von 50 bis 250 Torr in der Vorentgasungskammer 4 ein günstiges Ergebnis bringt.

Durch die stufenweise Gießstrahlentgasung der geschmolzenen Stähle in einem Vakuumbehälter gemäß der Erfindung wird die zerstäubende Wirkung des austretenden Stahles vermieden. Da der Stahl aus der Vorkammer 4 vorentgast in die Nachentgasungskammer im Vakuumbehälter 1 eintritt, ist es möglich, in diesem ein besseres Vakuum anzuwenden und hierdurch eine günstigere Entgasung zu erzielen. Weiterhin wird die Entgasungswirkung gemäß der Erfindung dadurch günstiger beeinflußt, daß durch die Vorkammer 4 je nach dem Flüssigkeitsinhalt dieser Kammer die Gesamtfallzeit des Stahles vergrößert und hierdurch die Diffusion günstig beeinflußt wird.

Selbstverständlich kann an Stelle der dargestellten Kokille 2 auch eine mit einem Verschluß versehene Pfanne im Vakuumbehälter angeordnet werden, wie auch die Erfindung nicht auf die skizzierte bauliche Ausführung beschränkt sein soll.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum nachträglichen Entgasen geschmolzener Stähle durch stufenweise Gießstrahlentgasung, bei welcher der Gießstrahl in einer Vorentgasungskammer mit geringem Vakuum in einzelne Tröpfchen auseinandergerissen und anschließend in einer Nachentgasungskammer mit höherem Vakuum ohne wesentliches Auseinanderreißen des Strahles entgast wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor- und Nachentgasungskammer durch nur eine, auch mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpe mit Anschluß an die Nachentgasungskammer evakuiert wird, wobei das schlechtere Vakuum in der Vorkammer durch Auslegung der Zu- und Auslaufquerschnitte der Vorkammer und durch in die Vorkammer eingeleitetes Fremdgas auf einem Wert gehalten wird, der etwa 50 bis 250 Torr über dem in der Nachentgasungskammer herrschenden Druck von etwa 0,5 bis 5 Torr eingeregelt wird.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise in einem Vakuumbehälter (1) über der Kokille (2) am Behälterdeckel (5) unter einer Zulauföffnung (11) im Behälterdeckel eine Kammer (4) mit einer Auslauföffnung (12) befestigt ist, deren Querschnitt grö-

ßer ist als der Querschnitt der Zulauföffnung und in die ein Gasrohr (14) mündet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1 082 706; Zeitschrift »Stahl und Eisen«, 1962, S. 852.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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