[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Verringerung des Anteils
an mitlaufender Schlacke beim Abstich von Konvertern zur Stahlerzeugung.
[0002] Bei der Raffination von Roheisen zu Stahl in Konvertern, beispielsweise durch das
Sauerstoffblasverfahren, werden im Stahl unerwünschte Begleitelemente, z.B. Phosphor,
in der Schlacke abgebunden. Nach Abschluß der Raffination müssen Stahl und Schlacke
beim Abguß (Abstich) mit möglichst guter Effektivität getrennt, der mit dem Stahl
mitlaufende Anteil an Schlacke, als möglichst gering gehalten wird. Dadurch werden
die Analysentreffsicherheit, der Reinheitsgrad und das Ausbringen von Stahl erhöht.
[0003] Das Mitlaufen von Schlacke tritt im wesentlichen - bei einer kritischen Minimalhöhe
des flüssigen Stahls über der Abstichöffnung - durch die Ausbildung eines Wirbels
oder einer Gerinnesenke auf, in die Schlacke hineingezogen wird. Die kritische Höhe
beträgt erfahrungsgemäß 200 bis 300 mm über der Abstichöffnung.
[0004] Aus theoretischen Überlegungen (Arch. Eisenhüttenwesen 54, 1983, Nr. 5, Seite 187
- 194) und Modellversuchen mit simulierten Pfannen ist bekannt, daß der Wirbel sich
aus einer zentralen Wirbelsenke und einer konzentrischen Potentialströmung zusammensetzt.
[0005] Trotz der guten theoretischen Beschreibung der Wirbelbildung gelang es nicht, eine
für die Praxis notwendige Voraussage für den Zeitpunkt des Schlackemitlaufens anzugeben.
Daher konnten nur einige allgemeine konstruktive Hinweise zur Wirbelminderung in Pfannen
empfohlen werden:
- in der Nähe des Ausgußeinlaufes radial angeordnete mechanische Hindernisse (US-PS
40 79 868),
- in die Wirbelsenke eingetauchter feuerfester Stab (DE-OS 31 26 559),
- Eintauchen eines Rohres in das Bad und kontinuierliches Blasen von Inertgas dicht
über dem Ausguß (DE-OS 26 07 070).
[0006] In einer späteren Veröffentlichung zum gleichen Thema (Stahl und Eisen 105, 1985,
Nr. 14/15, Seite 765 - 769) wird die mittig vom Ausguß her vorgenommene Spülgasbehandlung
(analog DE-PS 26 39 712) als nicht vollkommene Methode beschrieben, da die Rührwirkung
im Wirbel aufgesplittet wird.
[0007] Dort wird für Pfannen (Boden metallurgischer Gefäße) weiter empfohlen:
- den Auftrieb der Schlacke durch Verflüssigen mit CaO zu erhöhen,
- den Ausströmwirbel zu behindern,
- die Sogwirkung des Ausströmwirbels zu mindern und
- den Ausströmvorgang vor dem Schlackedurchschlupf zu drosseln bzw. zu unterbrechen.
[0008] Dazu werden einige allgemeine Hinweise gegeben wie "Erhöhung der Mindestüberdeckung
über der Ausströmöffnung (Gefäß neigen, günstigere Bodengestaltung mit Schräge oder
Vertiefung)" sowie "Gasblasen nahe der Ausströmachse" und "Einflußnahme auf die Zuströmung
zur Ausströmachse",
Die Umsetzung in konstruktive Maßnahmen wurde in diesen Fällen nicht spezifiziert.
[0009] Die Darstellung von vereinfachten Pfannenmodellen hilft bei der Lösung des Problems,
das Mitlaufen der Restschlacke aus Konvertern zu verhindern, nur indirekt, wie eine
weitere Veröffentlichung (Ironmaking and Steelmaking, 1984, Vol. 11, Nr. 6, Seite
332 - 339) am Beispiel von Konverterversuchen zeigt. Dort wird festgestellt, daß in
Stahlkonvertern die - für das Potentialfeld um die Wirbelsenke verantwortliche - Initialströmung
vom Konverterkippen oder Sauerstoffblasen herrühren könne. Verbleibende Strömungen
vor Abstichbeginn seien jedoch unbekannt.
Es wird für Pfannen empfohlen, elektromagnetisch zu rühren oder radiale Hindernisse
am Ausguß anzuordnen. Für Konverter brachte ein Gasblasen mit Argon durch poröse Steine
rund um den Ausguß, der offensichtlich auswechselbar gestaltet ist, einige Vorteile
bei der Minderung des Schlackemitlaufens. Bei einem 300 t-Konverter wurde Argon mit
200 l pro Minute eingeblasen; die mitgelaufene Schlackenmenge betrug 100 kg. Entgegen
den eingangs zitierten Veröffentlichungen wird hier den Maßnahmen wie "nicht zentrische
Ausgüsse, schwimmende oder feste Scheiben und Kugeln über dem Ausguß sowie zeitweises
Schließen des Abstichloches" nur ein geringer Einfluß auf die Problemlösung zugestanden.
[0010] Weiterhin ist aus DE-OS 34 41 324 bekannt, einen Gasblasenschleier aus Inertgas um
ein Pfannenabstichloch dadurch zu erzeugen, daß ein vom Innern der Pfanne einsetzbarer
Lochstein stark poröse, rohrförmige oder ringförmige feuerfeste Elemente enthält,
durch die vom Boden aus Gas geblasen wird.
[0011] Schließlich ist in der DE-OS 14 33 511 ein Konverter offenbart, der ein vor einem
Durchbruch in der Konverterwand geflanschtes Bauteil mit einem feuerfest ausgemauerten
Trichter und Abstichloch aufweist. Diese Anordnung soll dem gleichen Zweck dienen
wie das Abzapfloch an üblichen Konvertern.
[0012] In der DE-PS 26 39 712 ist ein Verhältnispyrometer zum Erfassen von mit dem Gußstrahl
mitlaufender Schlacke und anschließendes Einschwenken eines Abstichlochverschlusses
dargestellt.
[0013] In der DE-OS 31 26 559 wird eine den Gußstrahl erfassende Feldspule dargestellt,
mit der Schlacke im Gußstrahl geortet werden kann. Außerdem ist gezeigt, daß ein Konverter
von Abstichbeginn bis zum Erreichen der kritischen Badhöhe (Stahl und Schlacke) von
600 mm nur sehr geringfügig um seine 90-Grad-Kippstellung geschwenkt wird.
[0014] Anschließend soll der Konverter bei gleichzeitigem Eintauchen und Nachführen eines
Tauchkörpers über ein Gestänge kontinuierlich in Aufrechtposition gedreht werden,
wobei ab etwa 73 Grad keine Schlacke mehr auslaufen kann.
[0015] Um das Mitlaufen von Schlacke durch Tauchkörper zu verhindern, sind entsprechende
Einrichtungen, Gestänge, Antriebe etc. notwendig, die im Stahlwerksbetrieb, gerade
am Konverter, nur mit erheblichem Aufwand eingesetzt werden könnten, da hierbei die
Kippbewegung des Konverters und die Führung des Tauchkörpers koordiniert werden müssen.
Die Beobachtung des Gießstrahles ermöglicht die Beendigung des Abstichs beim Mitlaufen
von Schlacke, jedoch ist hierbei einerseits bereits eine erhebliche Menge Schlacke
mit abgelaufen, andererseits noch eine relativ große Menge an flüssigem Stahl im Konverter
vorhanden.
[0016] Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ohne großen konstruktiven Aufwand
für Tauchkörper, Führungsgestänge etc. das Mitlaufen von Schlacke möglichst weit zum
Ende des Abstichvorgangs zu verlagern, wenn nur noch eine geringe Restmenge von Stahl
im Konverter vorhanden ist.
[0017] Das Mitlaufen von Schlacke wird durch eine aufgrund der Kippbewegung und der Form
des Konverters erzeugte Strömung von Stahl hervorgerufen. Diese bildet sich beim Auslaufen
des Stahls durch die Abstichöffnung allmählich aus.
[0018] Die obengenannte Aufgabe wird demzufolge gelöst, indem die Ausbildung der zweiachsig
gerichteten Strömung, insbesondere der Umlauf- oder Wirbelströmung (Strömung mit einer
Tangentialkomponente) im Potentialfeld um das Abstichloch, durch eine spezielle Gestaltung
der Umgebung des Abstichlochs weitgehend verzögert und die Reststahlmenge bei Eintritt
einer Wirbelbildung minimiert wird.
[0019] Dazu wird um das Abstichloch eines Konverters mit zylindrischem Mittelteil und im
wesentlichen kegelstumpfartigem Kopfteil, wobei das Abstichloch etwa an der Übergangsstelle
zwischen Mittel- und Kopfteil liegt, eine Mulde von einem - bezogen auf die Achse
des Abstichloches - nicht rotationssymmetrischen Querschnitt geschaffen, der bereits
auf eine Wirbelströmung hemmend wirkt. Der größte Querschnitt dieser Mulde in einer
Ebene etwa rechtwinklig zur Achse des Abstichloches ist vorzugsweise wenigstens zehnmal
so groß wie der Querschnitt des Abstichloches.
[0020] Diese Größe hat sich experimentell als günstig erwiesen, um einerseits wirtschaftliche
Abstichströme zu erhalten und andererseits die Reststahlmenge im Konverter für einen
weitgehend schlackenfreien Abstich zu minimieren.
[0021] Die Muldentiefe wird in Abhängigkeit von den Konverterabmessungen und der Stahl-
bzw. Schlackenmenge sowie des Abstichlochdurchmessers entsprechend der daraus resultierenden
kritischen Stahlbadhöhe, bei der die Wirbelbildung einsetzen würde, festgelegt.
[0022] Zusätzlich können in der Mulde Wehre eingebaut sein, die die Wirbelströmung noch
weiter behindern. Die Mulde kann weiterhin im Bereich der sich im Konverterinhalt
bildenden Wirbelsenke eine Überdeckung innerhalb der Mulde aufweisen, die eine schlackenfreie
Zone auf dem Stahlbad in der Mulde schafft. Die Überdeckung sollte mit Rücksicht auf
das Einbringen von stückigem Schrott und von Roheisen nicht über den Muldenrand ragen
und könnte mit den Wehren eine Einheit aus feuerfester Masse bilden.
[0023] Die Mulde kann als Ausnehmung aus der Ausmauerung, als zusätzliche Ausmauerung oder
als Ausbauchung des Konvertermantels mit Ausmauerung ausgeführt sein.
[0024] Eine ergänzende Maßnahme zur weitgehenden Verhinderung von Strömungen mit einer Tangentialkomponente
ist das stoßweise Einleiten von Inertgas neben dem Abstichrohr. Dabei steigen Gasblasen
durch die über dem Abstichrohr befindliche Schmelze, wodurch die Ausbildung einer
Potentialströmung gestört wird.
[0025] Das stoßweise Zuführen von Argon oder Stickstoff oder anderem, möglichst preiswertem
aber inertem Gas hat drei Vorteile. Gegenüber einer ständigen Gaszufuhr senkt dieses
Verfahren die Kosten. Außerdem ist die Wirbelstörung intensiv, wenn sich kein quasistationärer
Strömungszustand im Konverterinhalt ausbildet. Ferner wird durch die stoßweise Gaszuführung
im Gegensatz zur kontinuierlichen, ein Emulsionsbildung der Schlacke mit dem Stahl
verhindert und auf diese Weise ein vorzeitiges ungewolltes Mitlaufen von Schlacke
verhindert. Die Gaszuführung kann hierbei in Form einzelner Bohrungen mit Rohren um
das Abstichloch, aber auch als Ringspalt um das Abstichloch ausgeführt sein. Der Ringspalt
wird vorzugsweise durch einen Blechmantel um das handelsüblich als aufeinander aufgesetzte
Lochsteine ausgebildete Abstichloch gebildet, der zur Konverterinnenseite offen ist
und nach außen einen Gasanschluß aufweist. Die üblicherweise verwendeten porösen Feuerfestmassen
lassen keine genügende Stoßwirkung mit einem Inertgas zu. Da der Verschleiß des Abstichloches
etwa zehnmal höher ist als der Verschleiß der Konverterausmauerung, kann das Abstichrohr
samt Gasführung als vorgebaute Einheit während einer Konverreise mehrfach ausgetauscht
werden.
[0026] Weiterhin kann die Mulde selbst oder die Mulde mit eingebauten Wehren und/oder der
Überdeckung über dem Abstichloch als Baueinheit ausgetauscht werden. In der Idealform
bilden dabei die Mulde und ihre Einbauten samt Abstichrohr und Gaszuführung eine Montageeinheit.
[0027] Als weitere zusätzliche Maßnahme kann durch elektromagnetische Felder, die durch
in die Mulde eingebettete Spulen erzeugt werden, der Stahlschmelze eine Strömung induziert
werden, die entweder in Richtung der Achse des Abstichrohres weist oder entgegen einer
vorhandenen Tangentialkomponente der Strömung wirkt.
Durch die Ausbildung der Mulde kann dabei die Rührwirkung auf das relevante Stahlbadvolumen
begrenzt werden.
[0028] Als weitere Funktion dient die Mulde während des Abgießens als abgegrenztes, mit
flüssigem Stahl gefülltes Volumen, in dem durch geeignete Meßtechniken (z.B. Widerstandsmessung,
Induktionsmessung) das Auftreten von Schlacke bei absinkendem Stahlbadspiegel bestimmt
werden kann.
[0029] Dabei können die Meßeinrichtungen zur Bestimmung des Eintretens von Schlacke in den
Bereich der Mulde oder in den Bereich des Abstichloches ausgelegt sein. Sobald mit
diesen Einrichtungen Schlacke im Bereich der Mulde oder des Abstichloches durch entsprechende
Meßverfahren detektiert wird, kann beispielsweise durch Einschwenken eines Stopfens
in die Ausgußöffnung das Einlaufen von Schlacke in die Pfanne verhindert werden.
[0030] Eine Voraussetzung für die Wirkung dieser erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Kontrolle
der Kippbewegung des Konverters, durch die während des gesamten Abstiches eine gleichmäßige
Füllung der Mulde mit Stahl erreicht wird. Durch bekannte Sollwertanzeiger kann dabei
die nicht einsehbare Muldenlage relativ zur Konverterlage für den Steuermann dargestellt
werden.
[0031] Eine weitere Steigerung der Effektivität der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verringerung
des mitlaufenden Schlackenanteils kann durch Versteifung der Schlacke beispielsweise
mit grobstückigem Kalk erreicht werden, der durch nachträgliches Einbringen nur anschmilzt
und so Haftbrücken bildet, ohne eine metallurgische Reaktion zu erzeugen.
[0032] In den schematischen Darstellungen sind drei spezielle Ausführungsbeispiele der Einrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt eines Konverters mit einer Mulde als Ausbauchung,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Konverters mit einer Mulde als zusätzliche Ausmauerung,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines Konverters in der Umgebung des Abstichloches mit einer
Mulde als Ausnehmung der Ausmauerung.
[0033] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Konverter 1 mit einer Mulde 21, die als
eine Ausbauchung 5 um das Abstichloch 7 ausgebildet ist. Die durch die Ausbauchung
5 des Konvertermantels 11 und die Ausmauerung 41 geformte Mulde 21 hat eine Höhe H,
die größer ist als die kritische Höhe für die Wirbelbildung im Konverterinhalt. Die
Querschnittsfläche senkrecht zur Achse des Abstichloches 7 der Mulde 21 ist etwa 10-
bis 100-fach größer als die Querschnittsfläche des Abstichloches 7. Das Abstichloch
7 ist bei senkrecht stehendem Konverter vorzugsweise um einen Winkel α gegen die Horizontale
geneigt. In der Mulde 21 sind Wehre 31 zur Behinderung einer rotationssymmetrischen
Strömung vorgesehen.
[0034] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Konverter 1 mit einer Mulde 22, die als
Hohlraum der speziellen Ausmauerung 42 um das Abstichloch 7 herum ausgeführt ist.
Die durch die Ausmauerung 42 geformte Mulde 22 hat eine Höhe H, die größer ist als
die kritische Höhe für die Wirbelbildung. Die Querschnittsfläche senkrecht zur Achse
des Abstichloches 7 der Mulde 22 ist etwa 10-bis 100-fach größer als die Querschnittsfläche
des Abstichloches 7. In der Mulde 22 sind Wehre 32 zur Behinderung einer rotationssymmetrischen
Strömung vorgesehen.
[0035] Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Konverters mit einer Mulde 23, die als Ausnehmung
der Ausmauerung 43 um das Abstichloch 7 herum ausgebildet ist. Die durch die Ausnehmung
geformte Mulde 23 hat eine Höhe H, die größer ist als die kritische Höhe für die Wirbelbildung.
Die Querschnittsfläche senkrecht zur Achse des Abstichloches 7 der Mulde 23 ist etwa
10- bis 100-fach größer als die Querschnittsfläche des Abstichloches 7. In der Mulde
23 sind Wehre 33 zur Behinderung einer rotationssymmetrischen Strömung vorgesehen.
[0036] Zwischen dem Abstichloch 8, das mit dem Konvertermantel 11 verbunden ist, und den
Abstichlochsteinen 44 befindet sich eine feuerfeste Füllmasse 45. In die feuerfeste
Füllmasse 45 sind Inertgaszuführungen 6 eingebracht, die als einzelne Rohre 6 beginnen
und im Bereich unterhalb der Mulde 23 als Ringspalt aus einem Blechmantel 47 um die
Abstichlochsteine 44 ausgeführt sein können. Die Inertgaszuführung 6 kann durch die
Stirnfläche 46 der feuerfesten Füllmasse 45 oder durch das Abstichrohr 8 oder durch
den Konvertermantel 11 geführt werden.
1. Einrichtung zur Verminderung eines gegen Ende eines Abstichvorgangs eines mit einer
Ausmauerung versehenen Konverters durch ein Abstichloch mitlaufenden Schlackenanteils,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausmauerung des Konverters am Abstichloch eine
Mulde (21, 22, 23) geformt ist, deren Tiefe etwa gleich oder größer als die kritische
Höhe für eine Wirbelbildung im Konverterinhalt ist, deren Projektionsfläche in der
Ebene senkrecht zur Achse des Abstichlochs (7) mindestens das etwa Zehnfache der Querschnittsfläche
des Abstichlochs (7) beträgt und deren Querschnitt - bezogen auf die Achse des Abstichloches
(7) - nicht rotationssymmetrisch ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Mulde
(21, 22, 23) im wesentlichen rechteckig ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mulde (21,
22, 23) eine Tangentialströmung um das Abstichloch (7) störende Wehre (31, 32, 33)
angeordnet sind.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Mulde (21, 22, 23) über dem Abstichloch (7) eine Überdeckung eingebaut ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde
(21) durch eine Ausbauchung (5) von Konvertermantel (11) und Ausmauerung (41) gebildet
ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde
(22) durch eine im Innern des Konverters liegende Ausmauerung (42) gebildet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde
(23) durch eine Ausnehmung der Ausmauerung (43) am Abstichloch gebildet ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich
am Abstichloch wenigstens eine rohrförmige, in den unteren Teil der Mulde mündende
Gaszuführung (6) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige zu einem
Abstichloch aufgereihte zylindrische Lochsteine (44) von einem Blechmantelrohr (47)
für die Gaszuführung umgeben sind, das zum Konverterinneren offen ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lochsteine (44) und das Blechmantelrohr (47) eine austauschbare Einheit bilden.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
ein Teil der Mulde (21, 22, 23) eine selbständige Montageeinheit ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mulde (21, 22, 23), die Lochsteine (44) und das Blechmantelrohr (47) eine selbständige
Montageeinheit sind.
13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Ausmauerung (41, 42, 43) der Mulde (21, 22, 23) Spulen zur Erzeugung elektromagnetischer
Felder eingebaut sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Ausmauerung (41, 42, 43) am Abstichloch (7) Meßeinrichtungen zur Ermittlung des
Eintretens von Schlacke in die Mulde (21, 22, 23) und/oder in das Abstichrohr (8)
vorgesehen sind.
15. Verfahren zur Verminderung eines gegen Ende eines Abstichvorgangs eines ausgemauerten
Konverters (1) durch ein Abstichloch (7) mitlaufenden Schlackenanteils unter Verwendung
von Einrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kippbewegung des Konverters (1) so gesteuert wird, daß während des Abstichs
möglichst lange der Stahlbadspiegel über und in der Mulde (21, 22, 23) und insbesondere
über dem Abstichloch (7) über der für eine Wirbelbildung kritischen Höhe bleibt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schlacke etwa
oberhalb der Mulde (21, 22, 23) Mittel zur Erhöhung der Zähigkeit der Schlacke aufgebracht
werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schlacke Kalk
aufgestreut wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, insbesondere mit einer Einrichtung
nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einer oder mehreren Stellen neben
dem Abstichloch (7) ein durch das Stahlbad in der Mulde (21, 22, 23) bis zur Schlacke
aufsteigendes inertes Gas stoßweise eingeblasen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, insbesondere mit einer Einrichtung
nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Felder so erzeugt
werden, daß Strömungen im Konverterinhalt mit Tangentialkomponenten um die Achse des
Abstichlochs (7) entgegengewirkt wird.