Verfahren und Vorrichtung zum Entschwefeln von Eisenschmelzen

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entschwefeln von Eisenschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, sowie die dazu erforderliche Vorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass man Stählschmelzen zum Entschwefeln in speziell hierfür konstruierte Gefässe umfüllt, die eine geeignete Auskleidung aufweisen müssen.

[0003] Da Entschwefelungsprozesse umso günstiger verlaufen, je weniger Sauerstoff in der Schmelze vorhanden ist, werden Stahlschmelzen vor dem Entschwefeln desoxydiert und es wird Sorge getragen, dass die sich über dem Bad befindliche Schlacke eine solche chemische Zusammensetzung aufweist, dass die Gefahr einer Rückoxydation im Verlauf des anschliessenden Entschwefelns unterdrückt wird. Ein Verfahren, das diese Erkenntnisse berücksichtigt, beschreibt die DE-AS 22 09 902, gemäss welcher man zum Entschwefeln einer Schmelze dieselbe in einer Pfanne mit Auskleidung aus Schamotte, Magnesit, Dolomit oder hochtonerdehaitigen MateriaLien zunächst desoxydiert und dann mit einer Schlacke bestimmter chemischer Zusammensetzung abdeckt, um dann ein Gemisch aus feinkörnigem Calcium oder Ca-Verbindungen mit einem neutralen Trägergas einzublasen. Als Entschwefelungsmittel kommen dabei in der Hauptsache Calcium bzw. Calciumverbindungen, wie CaO, CaF2, CaSi, CaC2 in Frage ; das Trägergas ist ein neutrales Gas, wie z.B. Argon. Die Schlacke soll weniger als 2 % FeO aufweisen, die Mündung der Einblaslanze tiefer als 2000 mm unter dem Badspiegel liegen und die Desoxydation vorher so geführt worden sein, dass mehr als 0,015 % Al in der Metallphase vorliegen.

[0004] Es fällt auf, dass die Eintauchtiefe·der Blaslanze mindestens 2 m betragen soll; im spezifischen Ausführungsbeispiel werden 2.6 m für eine 4 m hohe Pfanne angegeben. In der Tat wird vorausgesetzt, dass Calcium, das bei 1600°C einen Dampfdruck von 2.13 atm. hat, innerhalb der Schmelze flüssig vorliegt, sofern es sich zumindest 1.7 m unterhalb der Badoberfläche befindet. So wird gelehrt, dass die flüssigen Calciumtropfen wesentlich langsamer aufsteigen als die Dampfblasen dies tun, wodurch man eine verlängerte Reaktionszeit und damit eine günstigere Ausnutzung der eingesetzten Calciummengen erzielt.

[0005] Ein Verfahren das es erlaubt Eisenschmelzen weitestgehend zu entschwefeln und gleichzeitig auf den Einsatz synthetischer Schlacken und auf die Beachtung der Zusammensetzung der Ofenschlacke zu verzichten, sowie die verschleissfördernden hohen Eintauchtiefen der Blaslanzen zu vermeiden, wurde von der Anmelderin entwickelt und in der luxemburgischen Patentanmeldung LU 82.977 beschrieben. Dieses Verfahren sieht vor, dass man eine Eisenschmelze in eine geeignete Pfanne einträgt, sorgfältig abschlackt und mit 1 - 2 kg Kalk/Tonne Eisen abdeckt, dass man die Schmelze bis auf höchstens 35 ppm Sauerstoff desoxydiert und ihr anschliessend ein Gemisch bestehend aus Kalk, Flusspat und metallischem Aluminium durch Einblasen mittels eines Trägergases durch eine Tauchlanze so zuführt, dass der Lanzenausgang sich auf einer mittleren Tiefe von ca. 1.50 m unterhalb der Badoberfläche befindet.

[0006] Um die beim Umfüllen der Schmelze und beim Behandeln mittels kühlenden Trägergasen unvermeidlichen Wärmeverluste auszugleichen, wurde vorgeschlagen, die Schmelze in der Pfanne mit geeigneten Mitteln, vorzugsweise elektrothermisch aufzuheizen, was hohe Kosten verursacht.

[0007] Das Ziel der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfahren vorzuschlagen, das auf die Zuhilfenahme stark kühlender Hilfsmittel weitgehend verzichtet, das das zeitraubende und temperaturverlustträchtige Umfüllen vermeidet und das ohne die Verwendung teurer und verschleissender Blaslanzen auskommt und darüber hinaus durch einen Langzeitkontakt zwischen der Schmelze und den Behandlungsstoffen verlängerte Reaktionszeiten sowie eineverbesserte Ausnutzung der Reagenzien ermöglicht.

[0008] Dieses Ziel wird erreicht durch das erfindungsgemässe Verfahren, das vorsieht eine Stahlschmelze unmittelbar nach dem Frischen weitestgehend abzuschlacken und ihr sodann Gase und in Gasen suspendierte Feststoffe je nach Bedarf einzeln und kombinert, durch ein und dasselbe Beschickungsaggregat von unten zuzuführen, wobei letzteres im wesentlichen aus einem feuerfesten Gefässbodenstein besteht, den man mit orientierten Durchgängen solcher Art versieht, dass sie gleichzeitig gasdurchlässig sind, ohne den Durchtritt flüssigen Metalls zu gestatten und sowohl die Gaszufuhr als die Feststoffzufuhr je nach Bedarf einzuschalten, mengenmässig zu steuern und zu unterbrechen.

[0009] Der Grundgedanke, der die Basis für die Entwicklung des erfindungsgemässen Verfahrens bildet, kann wie folgt ausgedrückt werden: Will man Metallschmelzen durch das Zuführen geeigneter Stoffe, im Rahmen üblicherweise komplizierter Verfahren desoxydieren und nachträglich entschwefeln, so muss man sich von den in der Fachwelt bestehenden Vorurteilen befreien, welche u.a. besagen, dass man Schmelzen mit Feststoffen nur durch Eintragen von oben, durch Einblasen mittels Lanzen und durch Eindüsen von unten bewerkstelligen kann, wobei ein genügend starker Trägergasdurchfluss durch die Einführvorrichtung stattfinden muss, um das Eindringen von flüssigem Metall zu verhindern. Weiter muss man sich von der Ansicht entfernen, dass Gefässbodensteine nur gas-, nicht aber feststoffdurclilässig gestaltet werden können und dass Gefässbodensteine zum Beschicken mit Gasen allein geeignet seien.

[0010] Der erste Verfahrensschritt nach der Erfindung ist, wie bereits gesagt, das möglichst totale Abschlacken der Schmelze. Dieser Schritt ist wesentlich, da bekanntlich bei Abwesenheit von Ofenschlacken die Tendenz zur Aufnahme von Stickstoff und von Wasserstoff in die Schmelze merklich zurückgedrängt wird. In diesem Zusammenhang ist auch das erfindungsgemässe, später erwähnte Abdecken des Bades mit reinem Kalk in erster Linie als Schutzmassnahme gegen die Stickstoff bzw. Wasserstoffaufnahme zu sehen und erst in zweiter Linie als Hassnahme zum Beeinflussen der metallurgischen Vorgänge an den Phasengrenzen. In der Tat konnte festgestellt werden, dass sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff beim anschliessenden Entschwefeln in die Metallmatrix eindringen, sofern Ofenschlacken bestimmter Zusammensetzung in ausreichenden Mengen vorhanden sind.

[0011] Erfindungsgemäss besteht der nächste Schritt darin, dass man durch das Beschickungsaggregat, das man gruppenweise im Boden des metallurgischen Gefässes anordnet, vorerst reinen Kalk mit Hilfe eines neutralen Trägergases in die Schmelze einführt. Als Trägergas dient bspw. Argon. Diese Massnahme dient zum Abdecken der Schmelze und damit zum Schutz gegen eine Aufnahme unerwünschter Gase aus der Luft.

[0012] Nach dem Abdecken der Schmelze mit Kalk wird eine weitere Schutzmassnahme gegen die Aufnahme von N2 bzw. H2 vorgenommen, indem man das Gefäss mit einem dicht anliegenden Deckel abschliesst, der lediglich Oeffnungen zum Einführen von Messonden zum Erfassen der Temperatur und eventuell der Sauerstoffaktivität aufweist.

[0013] Als nächster Schritt erfolgt eine Drosselung der Kalkzufuhr und ein Hinzumischen von metallischen Aluminium mit dessen Hilfe man die Schmelze desoxydiert. Das von unten eingeführte Aluminiumpulver desoxydiert die Schmelze besonders wirkungsvoll; wichtig ist, dass man zum glatten Durchgang des Aluminiums durch das Beschickungsaggregat, dieses im Gemisch mit-Kalk im Verhältnis von 1:1 bis 1:5 einsetzt.

[0014] Ist die Schmelze bis auf höchstens 35 ppm 02 desoxydiert, so führt man, immer durch das gleiche Beschickungaggregat ein Gemisch bestehend aus metallischem Aluminium zu 0-30 Gew.%, aus Flusspat zu 0-20 Gew. % und aus Kalk zu 50-100 Gew. % in die Schmelze ein.

[0015] Zum Einblasvorgang selbst ist zu sagen, dass er sich erfindungsgemäss abspielt indem man einen konstanten Trägergasdurchfluss durch das Beschickungsaggregat einstellt und die Menge an einzutragendem Gemisch pro Zeiteinheit, je nach Bedarf variiert. So wird man je nach der Schmelztemperatur die Menge an Gemisch über die Behandlungszeit hinweg konstant halten, oder aber den Hauptanteil innerhalb der Anfangsperiode eintragen. Alternativ ist es erfindungsgemäss vorgesehen, dass man die Gemischmenge pro Zeiteinheit konstant hält und den Trägergasdurchfluss variiert und zwar dann, wenn man zu bestimmten Zeitpunkten auf eine stärkere oder schwächere Durchwirbelung des Bades Wert legt. Die Flexibilität des erfindungsgemässen Verfahrens erlaubt es, die Feststoffzufuhr zu drosseln, zu unterbrechen und nach ausreichender Durchwirbelung des Bades wieder einzuschalten.

[0016] Wie bereits angedeutet, werden im Boden des metallurgischen Gefässes, also im Konverterboden mehrere Beschickungsaggregate angeordnet, die man im Verlauf des Verfahrens je nach Bedarf einzeln bis insgesamt betreibt und die man einzeln mit Gasen allein bzw. mit in Gasen suspendierten Feststoffen beschickt. Dies begreift auch die Massnahme, dass man der chemischen Reaktivität der Gase bzw. der Feststoffe, sowie den thermischen Gegebenheiten innerhalb der Schmelze insofern Rechnung trägt, als man endotherm reagierende Gase bzw. Feststoffe mit Hilfe von solchen Beschickungsaggregaten in die Schmelze einleitet, die unterhalb heisserer Badzonen angeordnet sind und dass man beim eventuellen Verwenden exotherm reagierender Gase bzw. Feststoffe entsprechend umgekehrt vorgeht.

[0017] Jedes Beschickungsaggregat begreift einen feuerfesten, gasdurchlässigen Baukörper, der aus mindestens zwei, an Längs flächen aneinanderliegenden, aus feuerfestem, ungebranntem, z.B. mit einem Kohlenstoffträger gebundenem oder chemisch gebundenem Material bestehenden Segmenten aufgebaut ist, die an mindestens einer Längsfläche mit einer verschleissfesten Auflage versehen sind. Die Segmente sind durch ein gemeinsames Metallgehäuse zusammengefasst, das an Längsflächen der Segmente dicht, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Mörtelschicht, anliegt, wobei an einer Stirnfläche des Baukörpers mindestens ein Anschluss und ein Verteilungsraum für die Materialzufur angeordnet sind und der Anschluss mit zumindest einer Gas- und mit zumindest einer FeststoEfzuführeinrichtung verbunden ist, von denen jede eine Dosiervorrichtung begreift.

[0018] Somit werden erfindungsgemäss gasdurchlässige Baukörper, die dem Stand der Technik entsprechend zum Zuführen von Gasen in flüssige Metalle vorgesehen werden und wie sie die Anmelderin in ihren luxemburgischen Patenten LU 82.552, 82.553, 82.554, 82.597 beschrieben hat, zum kombinierten Einführen von Gasen und Feststoffen herangezogen, was durch ein Koppeln des Baukörpers mit ebenfalls bekannten, jedoch in anderen Zusammenhängen verwendeten Feststoffzufuhreinrichtungen ermöglicht wird. So.ist die Dosiervorrichtung für Feststoffe nützlicherweise eine an sich bekannte Zellenrad-Druchblasschleuse wie die Anmelderin sie z.B. in ihrem luxemburgischen Patent LU 80.692 beschrieben hat. Letztere ermöglicht ein stufenloses, lediglich durch Aendern der Zellenrad-Umdrehungsgeschwindigkeit zu bewirkendes Variieren der einzutragenden Menge an Gemisch pro Zeiteinheit, wobei der TrägergasDurchfluss unabhängig hiervon variiert werden kann.

[0019] Eine besonders günstige Verfahrensweise wird ferner dadurch ermöglicht dass man die Menge an tatsächlich eingeblasenen Entschwefelungsmitteln kontinuierlich bestimmen kann und zwar genügt es hierzu, das Gewicht des sich entleerenden Gemisch-Vorratsbehälters laufend zu messen; eine Massnahme die die Bauweise der meistens konventionneller Anlagen nicht gestattet.

[0020] Die nach dem erfindungsgemässen Verfahrens entschwefelten Schmelzen weisen nicht nur den erwünschten niedrigen Schwefelgehalt auf, sondern das Metall selbst zeichnet sich durch einen äusserst niedrigen Gehalt an Einschlüssen aus, wobei letztere ausgesprochen sphärischen Charakter haben.

Ansprüche

1. Verfahren zum Entschwefeln von Eisenschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schmelze unmittelbar im Anschluss an den Frischprozess im hierfür verwendeten metallurgischen Gefäss weitestgehend abschlackt und ihr sodann ausschliesslich durch den Gefässboden Gase und in Gasen suspendierte Feststoffe je nach Bedarf einzeln und kombiniert durch ein und dasselbe Beschickungsaggregat zuführt, wobei letzteres im wesentlichen aus einem feuerfesten Gefässbodenstein besteht, den man mit orientierten Durchgängen solcher Art versieht, dass sie gleichzeitig gasdurchlässig sind, ohne den Durchtritt flüssigen Metalls zu gestatten und dass man sowohl die Gaszufuhr als auch die Feststoffzufuhr je nach Bedarf einschaltet, mengenmässig steuert und unterbricht.

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der Schmelze zum Erzielen einer schützenden Deckschicht reinen Kalk zuführt, wobei das Trägergas ein neutrales Gas ist. -

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Abschlacken der Schmelze und nach Abdecken mit Kalk, einen Deckel dicht auf das Gefäss aufsetzt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass man der Schmelze bis zum Erreichen einer Sauerstoffkonzentration von höchstens 35 ppm ein Gemisch aus metallischem Aluminium und aus Kalk im Mengenverhältnis von 1:1 bis 1:5 zuführt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass man der Schmelze nach dem Desoxydieren ein Gemisch an Feststoffen zuführt, das einen Anteil von 0-30 Gew.% an metallischem Aluminium, einem Anteil von 0-20 Gew.% an Flusspat und einen Anteil von 50-100 Gew.% an Kalk aufweist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Menge an tatsächlich eingeblasenem Gemisch kontinuierlich misst, indem man die Gewichtsabnahme des Gemisch-Vorratsbehälters kontinuierlich bestimmt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass man im Boden des metallurgischen Gefässes mehrere Beschickungsaggregate anordnet, die man im Verlauf des Prozesses je nach Bedarf einzeln bis insgesamt betreibt und die man einzeln mit Gasen bzw. mit in Gasen suspendierten Feststoffen beschickt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass man der chemischen Reaktivität der Gase bzw. der Feststoffe, sowie den thermischen Gegebenheiten innerhalb der Schmelze insofern Rechnung trägt, als man endotherm reagierende Gase bzw. Feststoffe mit Hilfe von solchen Beschickungsaggregaten in die Schmelze einleitet, die unterhalb heisserer Badzonen angeordnet sind und dass man beim eventuellen Verwenden exotherm reagierender Gase bzw. Feststoffe entsprechend umgekehrt vorgeht.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Feststoffe mittels einer Zellenrad-Durchblasschleuse dosiert, wobei- man einen konstanten TrägergasdurchfLuss einstellt und die Menge an einzutragendem Gemisch stufenlos variiert.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass man den Trägergasdurchfluss ändert.

11. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden eines mit einer SauerstoffAufblaslanze ausgerüsteten Konverters mehrere Beschickungsaggregate angeordnet sind, wobei jedes Beschickungsaggregat einen feuerfesten, gasdurchlässigen Baukörper begreift, der aus mindestens zwei, an Längsflächen aneinanderliegenden, aus feuerfestem, ungebranntem, z.B. mit einem Kohlenstoffträger gebundenem oder chemisch gebundenen Material bestehenden Segmenten aufgebaut ist, die an mindestens einer Längsfläche mit einer verschleissfesten Auflage versehen sind, dass die Segmente durch ein gemeinsames Metallgehäuse zusammengefasst sind, das an Längsflächen der Segmente dicht, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Mörtelschicht, anliegt, und dass an einer Stirnfläche des Baukörpers mindestens ein Anschluss und ein Verteilungsraum für die Materialzufuhr angeordnet sind, wobei der Anschluss mit zumindest einer Gas- und mit zumindest einer Feststoffzufuhreinrichtung verbunden ist und letzteres eine Dosiervorrichtung begreift.

12. Vorrichtung nach dem Anspruch 11, dadruch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung eine an sich bekannte Zellenrad-Durchblasschleuse ist.