Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgasung einer Stahlschmelze mit einem verbesserten Auslaufrüssel. Die vorliegende Erfindung be- trifft insbesondere eine besondere Form eines Auslaufrüssels zur Vermeidung von lokalen Totwassergebieten (dead water region) in einer Stahlgießpfanne. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Entgasung vom flüssigen Stahl mit dem verbesserten Auslaufrüssel.

Bei dem Verfahren zur Entgasung vom flüssigen Stahl handelt es sich um ein RH-Verfahren (Ruhrstahl-Heraeus Verfahren). Beim RH-Verfahren wird der flüssige Stahl aus einer Gießpfanne in einem Steigrohr in ein Evakuierungsgefäß befördert. Ein Fördergas, insbesondere Argon, wird über dem Stahlbadspiegel in das Steigrohr eingeführt. Der in das Steigrohr über mehrere Düsen injizierte Argonstrom zerfällt in eine Vielzahl von Argonblasen, die in unmittelba- rer Wandnähe aufsteigen. Die Beförderung des flüssigen Stahls wird durch die Volumenvergrößerung durch Argon im Steigrohr und durch den Druckunterschied zwischen dem äußeren Luftdruck und dem Unterdruck im Evakuierungsgefäß ermöglicht. Die Argonblasen reißen die Schmelze mit und sorgen für einen gleichmäßigen Schmelzumlauf. Der Partialdruck wird gleichzeitig ge- senkt und die Entkohlungsreaktion beschleunigt. Der in das Evakuierungsgefäß eingesaugte Stahl wird zersprüht. Dadurch treten eine starke Oberflächenvergrößerung und eine gute Entgasung des flüssigen Stahls ein.

Sauerstoff, der während der gesamten Behandlungszeit gleichzeitig eingeführt und unter anderem aus der Schlacke nachgeliefert wird, führt zur Bildung von Kohlenmonoxid (CO). CO gast im Vakuumgefäß aus, wodurch die gewünschte Entkohlung erreicht wird. Die Feinentkohlung kann auf möglichst niedrige Werte durch zusätzlich eingeblasenen Sauerstoff optimiert werden. Eine hohe Umlaufgeschwindigkeit der Schmelze und damit eine Erhöhung des Fördergasstromes sowie eine Vergrößerung des Rüsseldurchmessers der Vakuumanlage führen zu einem schnelleren Entkohlungsablauf.

Aus DE 19511640 C1 ist ein Rüssel für ein Entgasungsgefäß mit einer feuerfes- ten Auskleidung und einer darin angeordneten Gasspüleinrichtung mit mehreren Kanälen bekannt. Die Kanäle sind über den Umfang des Rüssels verteilt und verlaufen, bezogen auf die Mittenlängsachse des Rüssels, durch die feuerfeste Auskleidung in radialer Richtung. Die Kanäle sind an der Außenseite an mindestens eine Gaszuführleitung anschließbar. Die Kanäle sind zur Ausbildung eines nahezu kontinuierlichen Gasschleiers entlang der Innenwand des Rüssels in dichter Folge umlaufend angeordnet. Ein gleichmäßiger Strom von flüssigem Stahl wird bis ins Vakuumgefäß erreicht. Die über den gesamten Umfang verteilte, vorzugsweise feinblasige Gaszuführung ermöglicht eine besonders feine Verteilung des Behandlungsgases bei einem gleichzeitig stark erhöhten Reaktionsvolumen zwischen Behandlungsgas und Stahlschmelze. Auf diese Art und Weise lässt sich eine höhere und schnellere Entkohlungsleistung erzielen, so dass geringere Mengen an Reduktionsmedien notwendig sind.

Aus JP 6299227 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Stahl mit sehr gerin- gern Kohlenstoffanteil mit einer Entgasungsvorrichtung bekannt, wobei der Einlaufrüssel so positioniert ist, dass die Distanz zwischen der Achse des Einlaufrüssels und der Achse des Metallbades mindestens 10% des inneren Durchmessers des Metallbades beträgt.

Aus JP 1198418 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vakuumentga- sung von geschmolzenem Stahl bekannt, wobei sowohl in den Einlauf- und Auslaufrüssel Gas eingeleitet und abwechselnd die Funktion der Rüssel geändert werden kann. Aus JP 57200514 A ist ein Verfahren zur Entgasung vom geschmolzenen Stahl bekannt, wobei die Entgasungswirkung durch eine Entgasung in einer RH- Vakuum Apparatur verbessert wird, in dem ein Inertgas in einen Stahlschmelzgefäß vom Boden eingeblasen wird.

Aus JP 3271315 A ist ein RH-Vakuum Entkohlungsverfahren von Edelstahl be- kannt, wobei die Entgasung und Entkohlung in kurzer Zeit erreicht und der Chromverlust reduziert wird. Das Ergebnis wird durch die Verwendung von Stahl mit geringem Siliziumgehalt und durch wiederholte Entgasung und Ent- kohlungsvorgänge mit einem RH-Vakuumgefäß erreicht.

Aus JP 2173204 A ist ein Vakuumgefäß für eine RH-Entgasungsvorrichtung bekannt, wobei ein Ultraschall Oszillator an einer Kontaktstelle mit dem flüssigen Stahl im Vakuumgefäß eingebaut wird, um Blasen zu zerstören, die durch die Gaseinblasung erzeugt werden und um die Reaktionsoberfläche an der Phasenreaktion zu verbessern.

Aus JP 11158536 A ist ein Verfahren zum Schmelzen von Stahl mit sehr niedri- gern Kohlenstoffgehalt bekannt, wobei Inertgas durch das Einlaufrohr unter das zugesetzte Aluminium in das Gefäß beim Auslaufrüssel zum Umlauf nach der Entkohlung eingeblasen wird.

Aus JP 3107412 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Stahl mit sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt bekannt, wobei während der Entkohlung sowohl in das Einlauf- wie das Auslaufrohr zur gleichen Zeit Argon eingeblasen wird.

Es hat sich gezeigt und wird durch numerische Simulationen belegt, dass sich in der Stahlgießpfanne einer RH-Anlage lokale Strömungsgebiete, sogenannte Totwassergebiete bilden, die sich relativ spät, erst nach etwa zwei Minuten mit der übrigen Schmelze vermischen. Die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen den Nachteil auf, dass sich Totwassergebiete in der Stahlgießpfanne bilden durch die die Homogenisierungszeit der Schmelze erhöht wird.

Ein Totwassergebiet bildet sich üblicherweise zwischen dem Auslaufrüssel und der Feuerfestwand der Gießpfanne. Durch den nach unten gerichteten Schmel- zenstrahl aus dem Auslaufrüssel wird wenig Material aus der direkten Umgebung um den Auslaufrüssel her angesaugt. Folglich bleibt die Kohlenstoffkonzentration dort aufgrund der verzögerten Homogenisierung insgesamt auf einem hohen Niveau. Das Totwassergebiet vermischt sich schlecht mit der übrigen Schmelze, da die mittlere Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist. Aufgrund des geringen Massen-, Impuls- und Energieaustausches zwischen dem Totwassergebiet mit hoher Kohlenstoffkonzentration und der übrigen Schmelze mit niedriger Kohlenstoffkonzentration muss die Pfannenschmelze häufig umgewälzt werden bis der gewünschte Endkohlenstoffgehalt erreicht ist. Da die Pfannenschmelze häufig umlaufen muss, ist die Behandlungszeit hoch. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entgasung einer Stahlschmelze mit einem verbesserten Auslaufrüssel bereitzustellen, der die Bildung von Totwassergebieten reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und zuverlässiges Verfahren zur Entgasung und / oder Entkohlung einer Stahlschmelze bereitzu- stellen, wobei die Bildung von Totwassergebieten reduziert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst, durch eine Vorrichtung, die mindestens ein Entgasungsgefäß, eine Stahlgießpfanne, einen Einlaufrüssel und eine darin angeordnete Gasspüleinrichtung und einen Auslaufrüssel um- fasst. Der Auslaufrüssel weist an der Unterkante in radialer Richtung, bezogen auf die Mittenlängsachse des Auslaufrüssels, mindestens eine Bohrung auf. Die Vorrichtung ist bevorzugt eine RH-Anlage. Als Folge eines sich einstellenden Venturi-Effekts wird die kohlenstoffhaltige Schmelze aus dem Totwassergebiet zwischen dem Auslaufrüssel und der Pfannenzustellung angesaugt und in den Abwärtsstrom des Auslaufrüssels geleitet.

Die Größe und die Anzahl der Bohrungen an der Unterkannte des Auslaufrüssels sind abhängig von dem jeweiligen RH-Verfahren und müssen daran ange- passt werden. Wesentliche Parameter sind die Geometrie und Eintauchtiefe der Ein- und Auslaufrüssel sowie der Unterdruck im RH-Vakuumgefäß.

Es muss verhindert werden, dass nicht zu viel Schmelze von Außerhalb in den Auslaufrüssel transportiert wird und dadurch möglicherweise oben schwimmende Schlacke von der freien Oberfläche der Stahlgießpfanne mit eingesaugt wird.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere der neuen Form des Auslaufrüssels wird das lokale Totwassergebiet in seinen Abmessungen reduziert. Die Behandlungs- und Umlaufzeit der Schmelze kann vorteilhaft verkürzt werden. Das führt zur vorteilhaften Senkung des Argonverbrauchs und zur wei- teren Kostenreduktion. Die Produktivität der RH-Anlage wird gesteigert.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Auslaufrüssel, der mehrere Bohrungen (7) im Umkreis von 360° aufweist. Der Auslaufrüssel weist besonders bevorzugt mehrere Bohrungen im Umkreis von 180° in Richtung der Feuerfestwand der Gießpfanne auf. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Auslaufrüssels werden die lokalen Totwassergebiete wirksam reduziert.

Die Größe und die Anzahl der Bohrungen sind von der Geometrie und Eintauchtiefe des Auslaufrüssels sowie dem Unterdruck im Evakuierungsgefäß abhängig.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Auslaufrüssel, wo- bei die Bohrungen einen Durchmesser von 10 mm bis 50 mm, bevorzugt 25 mm bis 35 mm aufweisen. Bei diesen Durchmessern für die Bohrungen werden gute Ergebnisse bei der Totwasserreduzierung erzielt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Auslaufrüssel, dessen Eintauchtiefe in der Stahlschmelze der Gießpfanne von 300 mm bis 1200 mm, bevorzugt 400 mm bis 1000 mm beträgt. In diesem Bereich für die Eintauchtiefe werden gute Ergebnisse bei der Totwasserreduzierung erzielt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Auslaufrüssel, wobei eine oder mehrere Bohrungen 50 mm bis 900 mm, bevorzugt 100 mm bis 700 mm, oberhalb der Unterkante des Auslaufrüssels angeordnet sind. Dadurch wird der vertikale Abstand zwischen den Bohrungen und der Pfannenschlacke möglichst groß. Es wird verhindert, dass Pfannenschlacke in den Auslaufrüssel angesaugt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Auslaufrüssel, wobei sich Bohrungen in einer Bohrungsreihe oder in mehreren übereinander liegenden Bohrungsreihen am Auslaufrüssel befinden. Bevorzugt sind eine oder zwei übereinander liegende Bohrungsreihen am Auslaufrüssel.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren zur Entgasung einer Stahlschmelze gelöst, wobei

a) ein Fördergas, insbesondere Argon, über dem Stahlbadspiegel in einen Einlaufrüssel eingeleitet wird,

b) flüssiger Stahl aus einer Gießpfanne in den Einlaufrüssel gesogen wird c) flüssiger Stahl aus dem Einlaufrüssel in ein darüber befindliches Evakuierungsgefäß befördert wird,

d) flüssiger Stahl entgast und entkohlt wird und

e) flüssiger Stahl über einen Auslaufrüssel in die Gießpfanne befördert wird, wobei der Auslaufrüssel an der Unterkante in radialer Richtung, bezogen auf die Mittenlängsachse des Auslaufrüssels, mindestens eine Bohrung aufweist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiter durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Auslaufrüssels in einer RH-Anlage zur Reduzierung von lokalen Totwassergebieten in einer Gießpfanne gelöst. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Auslaufrüssels werden lokale Totwassergebiete wirksam reduziert.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung weiter im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine RH-Anlage nach dem Stand der Technik ohne Bohrungen im Auslaufrüssel und mit einem lokalen Totwassergebiet zwischen dem Auslaufrüssel und der Feuerfestwand der Gießpfanne,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße RH-Anlage mit Bohrun- gen im Auslaufrüssel und mit reduziertem lokalen Totwassergebiet zwischen dem Auslaufrüssel und der Feuerfestwand der Gießpfanne,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße RH-Anlage im Ruhezustand und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße RH-Anlage im Betriebs- zustand.

Die in Fig. 1 dargestellte RH-Anlage I weist eine Stahlgießwanne 3 mit einem Volumen von 200 t auf. Die Eintauchtiefe des Auslaufrüssels 1 and des Einlaufrüssels 4 betrug jeweils 600 mm. Die Prozesszeit betrug 85 s. In der RH-Anlage wurden folgende Verfahrensschritte durchgeführt. Argon 5 wurde über dem Spiegel des Stahlbads 10 in den Einlaufrüssel 4 eingeführt. Der flüssige Stahl 10 wurde aus der Gießpfanne 3 in den Einlaufrüssel 4 gesogen. Der flüssige Stahl 10 wurde aus dem Einlaufrüssel 4 in das darüber befindliche Evakuierungsgefäß 2 befördert. Der flüssige Stahl 10 wurde im Evakuierungsgefäß 2 entgast. Der flüssige Stahl 10 wurde über den Auslaufrüssel 1 wieder in die Gießpfanne 3 befördert. Ein lokales Totwassergebiet 9 bildete sich zwischen dem Auslaufrüssel 4 und der Feuerfestwand 8 der Gießpfanne 3 aus. Durch den nach unten gerichteten Schmelzenstrahl aus dem Auslaufrüssel 4 wurde wenig Stahlschmelze 10 aus der direkten Umgebung um den Auslaufrüssel 1 her angesaugt. Folglich blieb die Kohlenstoffkonzentration im Totwassergebiet 9 aufgrund der verzögerten Homogenisierung insgesamt auf einem hohen Niveau. Das Totwassergebiet 9 vermischte sich schlecht mit der übrigen Schmelze 10, da die mittlere Strömungsgeschwindigkeit niedrig war. Die Verfahrensdauer war hoch. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße RH-Anlage I mit Bohrungen 7 im Auslaufrüssel 1 und mit stark reduzierten lokalen Totwassergebiet 9 zwischen dem Auslaufrüssel 1 und Feuerfestwand 8 der Gießpfanne 3. Der Verfahrensablauf war wie im Beispiel in Fig. 1 mit den folgenden Unterschieden. Der Auslaufrüssel 1 wies mehrere Bohrungen 7 in radialer Richtung auf, bezogen auf die Mittenlängsachse 6 des Auslaufrüssels 1 auf der Seite hin zur Feuerfestwand 8 der Gießpfanne 3. Die Bohrungen 7 waren 150 mm oberhalb der Unterkante des Auslaufrüssels 1 angeordnet. Die Eintauchtiefe des Auslaufrüssels H _sn ork _e i betrug 400 mm. Stahlschmelze 10 wurde aus der direkten Umgebung um den Auslaufrüssel 1 her angesaugt. Die Homogenisierung in der Stahlschmelze 10 erfolgte schneller. Folglich sank die Kohlenstoffkonzentration im Totwassergebiet 9. Die Verfahrensdauer wurde dadurch stark verringert. Figuren 3 und 4 verdeutlichen das folgende Beispiel. Zunächst werden die Geometrie einer RH-Anlage in Tabelle 1 und die physikalischen Größen in Tabelle 2 erläutert.

Der Unterdruck im RH-Gefäß wird allmählich reduziert, zum Beispiel von anfangs 250 mbar bis herunter auf 2 mbar innerhalb von etwa 6 min. Der Druck von 2 mbar ist dann auch der tiefste Druck im RH-Gefäß, insbesondere direkt oberhalb der Schmelzenoberfläche im RH-Gefäß. Die Zykluszeit beträgt in einer RH-Anlage etwa 10 min bis 50 min. Die Homogenisierungszeit beträgt in der Schmelze bei einem Auslaufrüssel ohne Bohrungen etwa 90 s bis 480 s. Die Homogenisierungszeit beträgt in der Schmelze bei einem Auslaufrüssel mit Bohrungen etwa 85 s bis 456 s. Das bedeutet eine Reduzierung der Zykluszeit um etwa 5 %. Die Anzahl n der Bohrungen beträgt bevorzugt 3 bis 9. Die Zahl ist bevorzugt ungerade, da zentrale Bohrung auf der Achse, daher im engsten Spalt zwischen Pfannenausmauerung und Rüssel liegen sollte.

Der Winkel α zwischen den Bohrungen ist abhängig von der Anzahl n der Bohrungen. Bei bis zu 3 Bohrungen beträgt α = 10° bis 20°. Dadurch erfolgt eine gezielte Absaugung des Totwassers aus dem Bereich zwischen Pfannenzustellung und Rüsselwand. Bei bis zu 9 Bohrungen beträgt α = 7.5° - 11.25°. Dies entspricht dann einem abgedeckten Bereich von 60° bis 90°.

Der bevorzugte Bohrungsdurchmesser liegt bei 10 mm bis 50 mm.

Bei einer üblichen Eintauchtiefe des Auslaufrüssels von H _snO r _ke i = 600 m, sollte die Bohrungsreihe maximal 300 mm oberhalb der Austrittsöffnung des Auslaufrüssels positioniert sein. Die Bohrungsreihe in vertikaler Richtung soll nicht näher als 300 mm unterhalb der Schmelzenoberfläche in der Stahlgießpfanne sein, sonst besteht die Gefahr, dass Schlacke von der Oberfläche mit angesaugt wird. Bei Eintauchtiefen größer als 600 mm können alternativ auch zwei oder mehr Bohrungsreihen übereinander angeordnet werden, siehe Tabelle 2.

Vorteilhaft ist auch eine einzige, vertikale Bohrungsreihe im Raum zwischen Rüsselaußenwand und Feuerfestzustellung der Pfanne. Auf diese Weise wird das gesamte Totraummaterial, das sich hauptsächlich hier sammelt, sehr ge- zielt in den Rüssel angesaugt. Weiterhin können die Bohrungen im Auslaufrüssel auch zwischen den beiden Rüsseln angeordnet werden, da sich auch in diesem Bereich beruhigtes Schmelzenmaterial sammelt.

Charakteristische Parameter bei Variation der Eintauchtiefe des Auslaufrüssels am Beispiel des Rüssel-Innendurchmessers Dj = 650 mm und dem Unterdruck im RH-Gefäß 2 mbar gehen aus Tabelle 3 hervor.

Tabelle 3

E ⁾ Eintauchtiefe des Auslaufrüssels

^A) Anzahl der übereinander liegenden Bohrungsreihen am Auslaufrüssel

^ Vertikaler Abstand zwischen der Rüssel-Unterkante und den Bohrungsreihen

^B) Anzahl der Bohrungen

^ Winkel zwischen den Bohrungen

D ⁾ Bohrungsdurchmesser Bezugszeichenliste

I RH-Entgasungsanlage

1 Auslaufrüssel

2 Evakuierungsgefäß / Vakuumgefäß

3 Gießpfanne / Stahlgießpfanne / Schmelzgefäß

4 Einlaufrüssel / Steigrohr

5 Gasspüleinrichtung / Inertgas / Argon

6 Mittenlängsachse

7 Bohrung

8 Feuerfestwand

9 Totwassergebiet

10 Stahlschmelze

P ₀ Druck in der Gießpfanne im Ruhezustand

PRH Druck im Entgasungsgefäß

Hmei _t Abstand von der Unterkante des Entgasungsgefäßes bis zum Gaseinlauf Di Durchmesser des Entgasungsgefäßes

D _{2 a} Aussendurchmesser des Einlaufrüssels und des Auslaufrüssels

D ₂ i Innendurchmesser des Einlaufrüssels und des Auslaufrüssels

D ₃ Durchmesser der Gießpfanne

rho Dichte der Schmelze

Hsnorkei Eintauchtiefe des Auslauf rüssels

hn _o zz _e i Abstand der Bohrung von der Unterkannte des Auslaufrüssels

H Abstand von der Unterkante des Entgasungsgefäßes und Schmelzspiegel

Zi Anstieg der Schmelze

Δz Abstand von der Unterkante des Entgasungsgefäßes und Gaseinlauf

T Temperatur der Schmelze