CH464260A - Verfahren zur metallurgischen Behandlung von flüssigen Metallen und Metall-Legierungen, Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, sowie Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

      Verfahren    zur     metallurgischen    Behandlung von flüssigen Metallen     und        Metall-Legierungen,     Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, sowie Anwendung des Verfahrens    Die Erfindung     betrifft    ein Verfahren zur metallurgi  schen Behandlung von flüssigen Metallen und     Metall-          Legierungen    in elektrischen Tiegel- oder     Rinnenöfen     unter Anwendung einer von oben auf die Schmelze  einwirkenden     Beheizung.     



  Es ist bekannt, zum Schmelzen von Metallen und  Metall-Legierungen elektrische, nach dem Induktions  prinzip arbeitende Tiegel- oder     Rinnenöfen    zu verwen  den. Der Benutzung solcher Öfen zur metallurgischen  Behandlung von Metallschmelzen, im wesentlichen also       Raffinationsvorgänge,    etwa zum Zwecke der Entschwefe  lung,     Entphosphorung,    Entgasung usw., stand als wesent  licher Umstand deren konstruktive Eigenart entgegen.  Diese erfordert bekanntlich eine freie Zugänglichkeit von  oben.

   Selbst wenn der Ofenraum durch einen Deckel  abgeschlossen wird, ist es unvermeidlich, dass die Bad  oberfläche abkühlt und die     Raffinationsschlacken-Ab-          deckung    einfriert, wodurch die     Schlackenarbeit    verhin  dert wird.  



  Zum Betrieb kernloser     und    mit Netzfrequenz arbei  tender     Induktionsschmelzöfen    wurde schon vorgeschla  gen, kaltes Einsatzgut ganz oder teilweise mit von oben in  den Schmelztiegel eingeführten Öl- oder Gasbrennern       niederzuschmelzen.    Während des Niederschmelzens oder  im Anschluss daran wirkt bei diesem Vorschlag die  Induktionserhitzung nur     zusätzlich    noch auf das Einsatz  gut ein. Es soll damit erreicht werden, dass der Wärme  bedarf für weitere Operationen an der Schmelze nur rein  induktiv gedeckt zu werden braucht.  



  Bekannt ist     schliesslich    auch ein Verfahren zum  Schmelzen von Stahl mittels Plasmabrennern. Bei diesem  Verfahren wirken drei Brenner von oben auf Stahl ein.  Die Brenner werden dabei mit Argon oder Stickstoff  betrieben. Sie erreichen Temperaturen von mehr als  5 000 C. Aus diesem Grunde ist     es    auch möglich, den  Schmelzvorgang wesentlich zu beschleunigen. Der abgezo  gene Stahl ist absolut sauber, weil die     inerten    Abgase der  Brenner keinerlei chemische Veränderungen bewirken.

      Die Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe  gestellt, eine Verfahrensweise sowie eine Vorrichtung zu  schaffen, die es ermöglichen, das bisher nur auf das  Schmelzen beschränkte Anwendungsgebiet elektrischer  Induktionsöfen und Plasmabrenner auch auf das der       Metallraffination    zu erweitern.  



  Erfindungsgemäss wird daher ein Verfahren vorge  schlagen, bei dem in einem elektrischen Induktionsofen  eine auf der Schmelze schwimmende Reaktionsschlacke  während der Dauer der Reaktion durch     Beheizung     mittels Plasmabrenner auf Reaktionstemperatur gehalten  wird.  



  Einer zweckmässigen Verfahrensvariante zufolge  kann durch die Wirkung des Plasmabrenners eine     gleich-          mässige    Temperaturverteilung über die gesamte     Badober-          fläche    gewährleistet und ständig aufrechterhalten werden.  Der Betrieb des Plasmabrenners kann dabei in bekannter  Weise mit Argon, Stickstoff, Kohlensäure, Kohlenwasser  stoffen, Wasserstoff oder auch mit einem anderen,     glei-          chermassen    geeigneten Trägergas erfolgen.  



  Durch die Erfindung kann somit erstmalig die ge  meinsame     Verwendugn    von Induktionsöfen und Plas  mabrennern zum Zweck metallurgischer Behandlung von  flüssigen Metallen und Metall-Legierungen ermöglicht  werden.  



  Aus dieser gemeinsamen Anwendung ergeben sich  bedeutende Vorteile: Während der     Reaktionsprozess    in  der eingesetzten Schmelze sowie deren gleichzeitige Be  wegung auf induktivem Wege erfolgt, wird die auf der  Schmelze befindliche     Schlackenschicht    während der  Reaktion durch die Wirkung des Plasmabrenners auf  Reaktionstemperatur gehalten.     Hieraus    resultiert, dass  nicht nur die dem Induktionsofen eigenen Vorteile voll  erhalten bleiben, sondern noch durch die des Plasma  brenners sinnvoll ergänzt werden, was sich wiederum  günstig auf den Energiehaushalt auswirkt. Dieser liegt für  den Plasmateil weit niedriger als derjenige für den  Induktionsofen.

   Eine nach dem erfindungsgemässen Ver-      fahren arbeitende Anlage kann daher auf bewährten       Induktionsofen-Konstruktionen    aufbauen, während die  zur Erzeugung des Plasmas     erforderliche    Apparatur       unaufwendig    und somit auch unkompliziert,     störunanfäl-          lig    und wenig voluminös zu gestalten ist.  



  Bei den für derartige Prozesse bisher in Gebrauch       befindlichen    Ofengattungen,     z.B.        Lichtbogenöfen,    ist da  gegen ein relativ     grosser    technischer Aufwand erforder  lich, um allein in der     Schmelze    die nötige     Badbewegung     hervorzurufen und aufrechtzuerhalten, die für eine wirt  schaftliche Reaktionsgeschwindigkeit     unerlässlich    ist.

    Auch gegenüber solchen Öfen ergibt sich bei der Anwen  dung von Induktionsöfen bereits eine beträchtliche Ein  sparung von technischem Aufwand, so dass die vorge  schlagene Verfahrensweise weitaus     wirtschaftlicher    ist,  weil der erforderliche     Investitionsaufwand    niedriger ge  halten werden kann. Dies wiederum ist nicht zuletzt  darauf zurückzuführen, dass bei     Induktionsöfen    keine  besonderen Vorkehrungen zur Erzielung und Aufrechter  haltung ausreichender     Badbewegung    getroffen werden  müssen. Die     Badbewegung    ergibt sich bei derartigen Öfen  bekanntlich durch die wirksamen magnetischen Kräfte.  



  Plasmabrenner sind auch den bekannten konventio  nellen öl- oder Gasbrennern überlegen, zumal diese  relativ unwirtschaftlich sind und auch ständiger Pflege  und Wartung bedürfen. Die Erzeugung des Plasmas kann  in bekannter Weise dadurch erfolgen, dass Gas auf hohe  Temperaturen     erwärmt    wird. Durch die Behandlung  dieser hochionisierten turbulenten Gasmassen     kommen     sodann die Plasmaschwingungen auf rein elektrodynami  schem Wege zustande.  



  Von besonderem Vorteil zeigt sich auch, wenn durch  die Wirkung des Plasmabrenners eine     gleichmässige     Temperaturverteilung über die gesamte     Badoberfläche     gewährleistet und ständig aufrechterhalten wird, weil  durch diese Verfahrensweise örtliche     Überhitzungen    in  folge     Temperatur-Konzentrationen    und -Schwankungen  vermieden werden. Darüber hinaus kann sich bei der  vorgeschlagenen     Beheizungsart    der     Raffinationsprozess     hinsichtlich der Temperatur und Wärmedosierung besser  und sicherer steuern lassen, wodurch sich im übrigen  auch der Reaktionsverlauf in der gewünschten oder  erforderlichen Richtung günstig     beeinflussen    lässt.

    



  Die Auswahl eines optimal geeigneten Trägergases  kann     zweckmässigerweise    in Anpassung an die jeweils  vorliegenden verfahrenstechnischen Erfordernisse sowie  auch unter Berücksichtigung besonderer wirtschaftlicher  Gesichtspunkte erfolgen. So kann beispielsweise bei der       Kupferraffination    nach dem erfindungsgemässen Verfah  ren Stickstoff als Trägergas in Betracht kommen. Beim       Schmelzen    von Grauguss oder Stahl hingegen bietet sich  zur Durchführung von     Entphosphorungs-    und     Entschwe-          felungs-Reaktionen    aus verfahrenstechnischer Sicht be  sonders Argon als Trägergas an.

   Argon hat zudem noch  den Vorteil, dass es eine     Schutzgasatmosphäre    über die       Schmelzoberfläche    legt, die die Schmelze vor schädlichen  Einwirkungen der Atmosphäre schützt.     Die    Schutzwir  kung der     Argonatmosphäre    lässt sich durch     Dosierung     der     Plasmaträgergasmenge        beeinflussen.    Auch wirkt sich  Argon, als Schutzgas angewandt,     infolge    des hiermit  verbundenen     Partialdruckgefälles    günstig auf die     Entga-          sungsgeschwindigkeit    aus.

   Ein ebenfalls beachtlicher  Vorteil des     erfindungsgemässen    Verfahrens im     Hinblick     auf die Verwendung von     Induktionsöfen    ist schliesslich  auch darin zu sehen, dass     infolge    des ständigen Wechsels  der Phasengrenzen aufgrund der     Schmelze    ein fortdau  ernder Konzentrationsausgleich herbeigeführt wird, was    wiederum Reaktionsablauf und     -geschwindigkeit    begün  stigt.  



  Die     erfindungsgemässe    Vorrichtung zur Durchfüh  rung des Verfahrens zeichnet sich aus durch einen als  Flächenbrenner ausgebildeten direkten oder indirekten  Plasmabrenner, dessen Plasmastrahl durch eine oder  mehrere, den Strahl breit     auseinanderziehende    Düsen  und/oder Magnetfelder     hindurchtritt.    Es     liegt    auf der  Hand, dass sich auch dieses Merkmal der Erfindung  günstig auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage auswirkt,  zumal dadurch auch der bauliche Aufwand sowie War  tung und Pflege wesentlich vereinfacht werden können.  



  Nach weiterer Erfindung findet das Verfahren auf       Raffinationsprozesse    Anwendung, insbesondere zum  Zwecke der Entschwefelung,     Entphosphorung    und/oder  Entgasung der Metalle oder     Metall-Legierungen.     



       In    der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausfüh  rungsbeispiel dargestellt. Die Figur zeigt dabei einen  Vertikalschnitt durch einen     Induktionsofen    mit einem  von oben auf die Reaktionsschlacke wirkenden Plasma  brenner.  



  Der in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnete Induk  tionsofen besteht     u.a.    aus einer wassergekühlten Kupfer  spule 2. In dieser ist der Schmelztiegel 3 eingesetzt, der  aus keramischem oder anderem geeigneten Material  besteht. Während die Schmelze 4 und die     Reaktions-          schlackenschicht    mit 5 bezeichnet sind, ist 6 der von  oben auf die Reaktionsschlacke wirkende Plasma  brenner. Die ganze Anordnung befindet sich in einem  entsprechend bemessenen Gehäuse, das infolge seiner  Kipplagerung das Ausgiessen der Schmelze gestattet  (nicht dargestellt). Zur Erzielung einer optimalen Aus  nutzung des Plasmabrenners sowie der von ihm benötig  ten Energie ist er als Flächenbrenner ausgebildet.

   Da  durch wird eine gleichmässige Temperaturverteilung über  die gesamte     Badoberfläche    gewährleistet und ständig  aufrechterhalten. Betrieben wird der Brenner mit Argon,  Stickstoff, Kohlensäure,     Kohlenwasserstoffen,    Wasser  stoff oder mit einem anderen, gleichermassen geeigneten  Trägergas. Die Flächenwirkung des Brenners wird da  durch erreicht, dass sein Plasmastrahl durch eine oder  mehrere den Strahl     breitauseinanderziehende    Düsen  und/oder Magnetfelder hindurchgeleitet wird, wobei der  Brenner entweder als direkter oder auch als indirekter  Brenner ausgebildet wird.

   Unter dem     Begriff     Direkter  Brenner  ist bekanntlich zu verstehen, dass er mit nur  einer Elektrode zur Erzeugung des     Plasmas    zwischen  dieser Elektrode einerseits und der Metallschmelze als  Gegenelektrode andererseits versehen ist. Wenn der  Brenner     demhingegen    mit zwei Elektroden zur Erzeu  gung des Plasmafeldes ausgestattet ist, spricht man  bekanntlich von einem  indirekten Brenner .  



  Die magnetischen Kräfte der eingesetzten Schmelze 4  bzw. der Spule 2 rufen eine     Badbewegung    hervor; vgl.  hierzu die     Pfeilung    in der Zeichnung. Die dabei auftre  tenden     ponderomoxorischen    Kräfte gehen von der Rand  zone des Schmelzgutes aus, so dass das flüssige Metall  bzw. die Metall-Legierung vom Rand zur Mitte gedrängt  wird und dabei nur nach oben entweichen kann, von wo  es schliesslich wieder zum Rand zurückfliesst.  



  So sehr die in der Schmelze erzielte Rührwirkung an  sich     erwünscht    ist, weil sie eine gute     Durchmischung    der       Schmelze    und damit eine homogene Legierung sowie  schliesslich auch eine gleichmässige Temperatur hervor  ruft, so problematisch wirkt sich aber die     Badbewegung     auf die - meist keramische -     Tiegelwandung    aus, die  dadurch relativ hoch beansprucht wird.

        Darüber hinaus führt die damit verbundene     grosse          Badüberhöhung        (=Badkuppe)    zur Gasaufnahme und  Oxydation der     flüssigere        Schmelze,    zumal bei den übli  cherweise verwendeten Induktionsöfen bisher keine  schützende Schlackenschicht aufgebracht werden konnte.  Bei Anwendung des     erfindungsgemässen    Verfahrens und  seiner adäquaten Vorrichtung werden diese und ähnliche       nachteilige    Wirkungen jedoch vermieden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur metallurgischen Behandlung von flüssi gen Metallen und Metall-Legierungen in elektrischen Tiegel- oder Rinnenöfen unter Anwendung einer von oben auf die Schmelze einwirkenden Beheizung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem elektrischen Induktions ofen eine auf der Schmelze schwimmende Reaktions schlacke während der Dauer der Reaktion durch Behei- zung mittels Plasmabrenner auf Reaktionstemperatur ge halten wird. UNTERANSPRUCH 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass durch Wirkung des Plasmabrenners eine gleichmässige Temperaturverteilung über die gesam- t1 Badoberfläche gewährleistet und ständig aufrechterhal ten wird.

   PATENTANSPRUCH 1I Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch einen als Flä chenbrenner ausgebildeten direkten oder indirekten Plas mabrenner, dessen Plasmastrahl durch eine oder mehre re, den Strahl breit auseinanderziehende Düsen und/oder Magnetfelder hindurchtritt. PATENTANSPRUCH III Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I auf Raffinationsprozesse. UNTERANSPRUCH 2.

   Anwendung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass die Raffination in einer Entschwe felung, Entphosphorung und/oder Entgasung besteht.