NO841355L - Fremgangsmaate ved drift av et matallurgisk anlegg - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved drift av et metallurgisk anlegg med en metallurgisk beholder såsom en smelteovn eller konverter, gjennom hvis lokk det er ført én eller flere hule elektroder, i hvis hulrom et tilførsels-rør kan heves og senkes.

For fremstilling av flytende jern ved reduksjon av jernoksyd-malm er det i østeriksk patent nr., 2 32 .020 foreslått å anvende en lukket beholder utstyrt med en ildfast foring med

én eller.flere søderberg- eller grafittelektroder stikkende gjennom beholderens lokk for dannelse av en elektrisk lysbue, flere innførsingssjakter gåsstett forbundet med beholderens innfallsåpninger for det reduserte materialet og med fléré reduksjonstårn utstyrt med en ildfast foring og tilsvarende antallet innføringssjakter. Fra dette østerikske patent er det også kjent å anordne én eller flere gjennomborede elektroder og gjennom boringen innsette en hev- og senkbar til-førselsinnretning av konsentriske rør for transport av brenn-stoff, oksygenholdig gass og vanndamp. Ifølge det østerrikske patent fremstilles en gass med egenskaper som ikke virker oksyderende på jern, hvilken tilføres reduksjonstårnene direkte.

Ved innsmelting av lav og ulegert skrapejern i en lysbueovn innføres ofte oksygen som ytterligere energikilde. Denne tilførsel av oksygen kan allerede kort etter smeltingens begynnelse vesentlig hjelpe på innsmeltingsprosessen, når 02~strålen er rettet i elektrodenes omgivelsesområdé. Derunder brenner fremfor alt karbonet ut fra tilsetningene og silisium samt karbon fra skrapjernet. Først når det har dannet seg metallsop og skrapjernet er tilstrekkelig oppvarmet i oksygenstrålens innflytelsesområde kan skrapjerns-brenhingen virkelig begynne.

Det finnes nå tilfeller ved hvilke innsmeltingsprosessen får hjelp av ovnens hoved- eller hjelperør gjennom mauelt be-tjente, selvforbrukende oksygenlanser med liten avbrenning j eller ved anvendelse av minst tre i ovnveggen mellom de såkalte "hot-spots" fast installerte eller gjennom åpningene i. ovns lokket førte olje-oksygen-brennere. Ved disse trekk skal kortest mulig chargeringstider oppnås, hvorunder de høye transformatorytelser spesielt skal utnyttes.fullstendig av såkalte UHP-(Ultra High Power-ovner med tilkoblingsverdier opptil 16.0 MVA)-ovner under nesten den hele innkoblingstid.

Ved manuell betjening av oksygenlansér får man sterk varme-belastning og øket ulykkesrisiko for arbeidspersonalet. Reaksjonssonens posisjon er ikke nøyaktig definert, hvorved det kan skje et uregelmessig angrep på den ildfaste ovns-foring. Videre er muligheten for en beskadigelse av elektrodene ikke utelukket ved den vanlige teknologi, og til slutt ér det mulige antall av innførte lanser henholdsvis brennere meget begrenset.

Oppgaven for foreliggende oppfinnelse er å overvinne de beskrevne ulemper og vanskeligheter ved metallsmelting og muliggjøre smelting henholdsvis metallurgisk behandling av forskjellige stålkvaliteter av skrapjern såmt av direkte redusert jernsvamp driftsikkert og med minst mulig energi-og tidsforbruk i en metallurgisk beholder.

Denne oppgave løses ved en fremgangsmåte av den innlednings-vis nevnte art ifølge oppfinnelsen ved at, etter valg, a) anlegget drives som lysbueovn for innsmelting av anvendelses- henholdsvis tilsetningsstoffer ved tilbaketrekning,

av rørmunningen bak hulelektrodens munning;

b) ved forskyvning av rørets munning frem til, eller litt foran hulelektrodens munning og samtidig tilførsel av en

plasmadannende gass drives anlegget som plasmaovn for smelting av anvendelses- eller tilsetningsstoffer under øket energ.iinnføring, eller

c) ved forskyvning av rørets munning utover hulelektrodens munning, eventuelt frem til neddykkning i et' bad av de i

nedsmeltede anvendte stoffer og tilførsel av oksygen-

holdig gass ved avbrutt strømtilførsel drives anlegget som gløde-konverter.

Ved drift som ren lysbueovn er gasstilførselsrøret lukket og dets munning litt - ca. 3-5 cm - tilbaketrukket i hulelektroden, slik at sistnevnte samtidig tjener som beskyttelses-rør for tilførselsrøret. Mellom hulelektroden og anvendelses-eller tilsetningsstoffene henholdsvis smeltebadet tennes en lysbue.

Ved drift som plasmaovn befinner munningen til tilførsels-røret seg omtrent i samme høyde med munningen av hulelektroden eller stikker maksimalt ca. 2 cm ut over sistnevnte. Mellom hulelektrode og anvendelsesstoffer henholdsvis smeiten brenner en lysbue, og samtidig tilføres gjennom tilførselsrøret en plasmadannende gass såsom helium, argon og spesielt oksygen. Innføres oksygen tjener dette både som plasma- og også som reaksjonsgass.

Kravet til at tilførselsrørets munning ved denne driftsform må rekke minst frem til hulelektrodens munning stammer fra at f.eks. oksygenet ellers ved hulelektrodens munning ville reagere med elektrodematerialet og brenne ut dets munning. Derav følger videre behovet for en liten konstant fremskyv-ning av tilførselsrøret for å kompensere dets nedbrenning- på munningen og for så å unngå en utbrenning av hulelektroden.

Som følge av det dannede plasmaets høye temperatur blir energiandelen som overføres direkte ved stråling på utgangsmaterialet henholdsvis på smeiten større, innsmeltingstidene blir tilsvarende kortere og energiutnyttelsen blir bedre da mindre varme avgis til ovnsveggene. En sump av smélteflytende metall danner seg først midt i ovnsrommet, slik at den fort-satt ikke smeltede del av utgangsmaterialene som befinner seg langs ovnsveggen gjennom lengre tid danner en ytterligere beskyttelse for foringen og formvarmes ved strålingsvarme inntil det synkér ned i smeltebadet.

Anvendes det metallurgiske anlegg til gløding stikker til—:

i

.førselsrørets.munning minst ca. 10 cm ut fra hulelektroden

og under blåseprosessen opprettholdes ingen lysbueutladning. Oksygenholdig gass eller rent oksygen blåses på badet eller blåses inn i dette.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen innblåses, ved. drift som gløde-konverter, tek-nisk ren oksygengass gjennom tilførselsrørene under badets ovnsflate av nedsmeltede utgangsstoffer.

Den uunngåelige nedbrenningen av tilførselsrøret kompenseres ved kontinuerlig etterskyvning av røret gjennom hulelektroden, hvorved hulelektroden samtidig fungerer som beskyttelsesrør for den øverste delen av tilførselsrøret.

Hensiktsmessig ånvéndes som tilførselsrør en selvforbrukende lanse av ildfast omhyllet stålrør. Lanser av denne type er kjente. De består for det meste av ulegert stål. Mantelen-av ildfast materiale bør. ikke være altfor tykk, da et tykt overtrekk ikke er meget motstandsdyktig.mot mekaniske påkjenn-inger, og lett kan ødelegges. Dertil har tykke omgitte lanser betydelig vekt og er dertil meget vanskelige å håndtere. Særlig egnet.er såkalte "kaloriserte" lanser, dvs. rør av ulegert stål, som er oppvarmet til ca. 1 000°C i aluminiums-pulver. Ved denne behandling diffunderer aluminium under dannelse av et overflatesjikt fra en Al-Fe-legering inne i stålet. Ved høye temperaturer dannes på de kaloriserte over- . flater en tynn film av ildfast aluminiumoksyd. Lansene kan fortrinnsvis være kalorisert på sine innvendige og utvendige sider, og deres brukstid er ved omtrent samme vekt avhengig av bruksbetingelsene 3-10 ganger større enn for ubesjiktede selvforbrukénde lanser. En videreutvikling av kaloriserte lanser med ytterligere ildfaste overtrekk er beskrevet i US patent nr. 3.292.662.

Ifølge en ytterligere foretrukken utførelsesf orm innføres,, gjennom minst ett tilførselsrør, alle karbonbærer og/eller-

finknuste tilsetningsstoffer.

. 1

Således kan, f.eks. ved behov, karbonstøv innblåses med en transportgass.

Oppfinnelsen er på tegningen nærmere illustrert ved hjelp av et utførelseseksempel med tre hulelektroder. I fig. 1 er det vist en metallurgisk beholder med hulelektroder med avtatt lokk, skjematisk i snitt. Fig. 2 er et snitt gjennom elek-trodéanordningen langs linjen II-II i fig. 1. Fig. 3 viser et forstørret utsnitt av munningsområdet til en hulelektrode, hvorunder det deri forskyvbare gasstilførselsrør befinner seg i egnet stilling for drift av anlegget som plasmaovn.

Den ildfast forede vegg av dén metallurgiske beholder er angitt med 1 i fig. 1. Over badets 2 overflate av nedsmeltede utgangsstoffer befinner det seg tre loddrett'anordnede sylin-driske hulelektroder 3a, 3b, 3c av karbonstampemasse eller grafitt, hvis akser går gjennom hjørnene til en likesidet trekant stående normalt på dennes plan (fig.. 2)...

Munningene til gasstilførselsrørene 4a, 4b, 4c som kan heves og senkes i hulelektrodene er vist forskjøvet så langt over hulelektrodenes munning at de stikker under overflaten av badet 2. I denne fremskutte stilling av tilførselsrørene drives anlegget som gløde-konverter, hvorunder meget god badgjennpmblanding oppnås som følge av den samtidige oksygen— innblåsning på tre definerte punkter. Et uregelmessig angrep på foringen av den metallurgiske beholder er utelukket, og likeledes skader på elektrodene. Hulelektrodene virker over en bestemt lengde av tilførselsrøret som ytterligere be^skyttelseskappe.

I fig. 3 eir munningen til et generelt med 4' angitt til-førselsrør vist nøyaktig på samme høyde som hulelektrodens munning. Tilførselsrøret består av et kjernerør 5 av ulegert stål, på hvis ytre og indre mantelflate det befinner seg et sjikt (6., 7) av ildfast materiale.

Innblåses ved denne stillingen av tilførselsrøret en egnet plasmadarinende gass i lysbuen.som brenner mellom hulelek troden og utgangsmaterialet. henholdsvis smeiten ,. kan innsmeltings- henholdsvis overhetingstiden. forkortes vesentlig.

Som følge av den geomietriske regelmessige anordning av hulelektroder med de deri førte irør skjer nedsmeltingen av chargen jevnere.

Tilførselsrørene er aksialt forskyvbare i hulelektrodene på ethvert ønsket tidspunkt, slik at disse, ved behov, straks f.eks. kan.tilføres oksygen.

Ved smelting av ulegert og lavlegert stålgods under oksygen-tilførsel må det anvendte skrapjern tilsettes vesentlig mer karbon enn ved vanlig innsmelting. Ved forbrenning av karbonet dannes ytterligere varme. Derunder blir, i det minste lokalt, ovnsatmosfæren oksyderende. Det er derfor også av denne grunn nødvendig for å komme på det nødvendige innløps-karboninnhold for utførelsen av glødingen å anvende vesentlig mer kull i oppløst eller ikke oppløst form i chargen. Mengden av det nødvendige ytterligere karbon lar seg om-trentlig beregne for den tilsiktede oksygentilsetning. Disse ytterligere mengder karbon bringes i form av- koks før inn-føringen av den øvrige charge på ovnsbunnen. Ved minst ett tilførselsrør kan etter behov karbonbærer - f.eks. i form av karbon - etterfylles direkte.

Innblåsningen av oksygen fører til at ved begynnelsen av innsmeltingen begynner allerede samtidig glødingsopera-sjonen. å løpe. Etter en smeltetid på ca. 10-20 minutter er de nødvendige temperaturer hådd i elektrodéområdet. Man kan

nå bevisst begynne med oksygeninnblåsningen ifølge driftsform b) av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Oksygenet treffer det rødglødende skrapjern og forbrenner jernbg - såvidt deri til stede - karbon. Dertil dannes et meget varmt plasma.

Karbonmonoksydet som dannes forbrennes bare delvis til kar-bondioksyd. Det dannede jern-(II)-oksyd oppoksyderes delvis;

til jern-(III)-oksyd og reduseres igjen med karbon og jern

i bunnområdet med sumpen som. er dannet ved elektrodenes innsmeltingsvirkning. Også jern-(II)-oksyd reduseres igjen delvis med koksen som er plassert på bunnen ved det høye

•karbonoverskuddet.

Med fremskridende innsmelting er reduksjonen av slaggets jernoksyder forbundet med dannelse av et. sterkt beveget skummende slagg, som kan betraktes som karakteristisk for god fjerning av fosfor. Slaggvolumet er vesentlig øket i forhold til stilbadets volum og sørger, ved sin bevegelse, for at stadig friske slaggmengdér bringes til reaksjons-flaten slagg/metallbad. Dette forløp begunstiges ved på-blåsing av oksygen.

Den varme som frigjøres ved forbrenning av jernet og karbonet avgis hovedsakelig til den omgivende charge. Det fort-satt tilstedeværende oksygenoverskudd forbrenner karbonmonoksydet som stammer fra omsetningen av smeltedråper med koks inne i skrapjernet i det minste delvis til karbondi-oksyd. Samvirket som oppstår gjennom virkningen av oksygenstrålen av smeltevirkning, glødevirkning og badbevegelse er spesielt viktig for det metallurgiske forløp. Driften av anlegget må derfor styres slik at begynnelsen av smeiten faller nesten sammen med begynnelsen av glødingen. Den stadig opptredende vekselvirkning av oksydasjon bg reduksjon virker som en kraftig gjennomarbeiding av chargen fulgt av sterk badbevegelse. Mengden av det utglødede karbon kan brukes som mål. for kokingens styrke.

Forutsetning for at fjerningen av fosfor utføres tidligere er slaggets tidlige reaktivitet, idet slagcjet må være flytende og inneholde oppløst, fritt kalk.

Ved å tilsette chargen en tilstrekkelig kaikmengde oppfylles derfor, ved' den delvis intreffende forbrenning av skrapjernet samtidig forutsetningene for én rask fjerning'av fosfor. Varmeutviklingen i brennflekken til oksygenstrålen skjer i' umiddelbar nærhet av slaggdanneren. Etter- dannelsen; av smeltesumpen kommer så den raske varmeovergang fra met allbadet til slagget som følge av den sterke glødereak-sjbnen. Virkningsgraden til det nydannede slagget stiger

med henblikk på oksydasjonsevne overfor fosfor desto mer jo høyere jern-(II)-oksydinnholdet og jo lavere temperaturen er.

Avkarboniseringen har i dette smelteavsnitt bare betydning som en forsterkning av. badbevegelsen og for ikke å la jern-innholdet i slagget stige for.meget.

Etter uttak av innsmeltingsslagget trenger man ikke lenger

ta hensyn til fos forinnholdet, dvs. avkarboniseringsreak-sjonen kan straks innledes og utføres ved hjelp av gass-formig oksygen.

En forskyvning fremover åv avsvovlingen i. innsmeltingstiden har likeledes betydning ved det beskrevne forløp av opera-sjonene. For avsvovlingen er tidlig tilgjengelighet av fritt kalk i slagget og dermed for svovelfordelingen mellom bad og slagg av stor betydning.

Reaksjonsbetingelsene under hvilke de to operasjoner, overgangen av svovelet fra metallfasen til slaggfasen og fjerningen av svovelet fra slagget gjennom gassfasen forløper,

er motsatte. Overgangen' av svovel fra metallbad til slagg begunstiges ved stigende basisitet og synkende, oksydasjons-potensial av slagget, ved stigende temperaturer samt ved økning av grenseflaten mellom metall- og slaggfase p.g.a.

en sterk badbevegelse.

Slagg-gassavsvovlingen akselereres ved stigende oksydasjons-potensiale og synkende basisitet i slagget, ved stigende temperatur og sterk badbevegelse.

Virkningen av basisitet og oksydasjonspotensiell som hoved-innflytelsesstørrelser er likeledes vanlig. Virkningsgraden av oksy.genstrålen oppstår ved overlagring av disse to forløp.

Ovnsatmosfæren er reduserende ved den vanlige elektrostål- I prosess under innsmeltingsfasen. Denne tidligere som vesent lig fordel hos elektroovnen betraktede kjensgjerning har vesentlig mistet betydning da diffusjonsdesoksydasjonen ble avløst av fellingsoksydasjonen. Ved innsmelting med- oksygen-understøttelse er ovnsatmosfæren, i det minste lokalt, sterkt oksyderende. Likevel er smeltens utgangstils.tand etter innsmeltingen av skrapjernet nesten den samme. Også det videre forløp av oksygenkonsentrasjonen under og etter glødings-

delen viser ingen påfallende forskjeller. En overdesoksydasjon av metallbadet kan ikke finne sted så lenge et tilstrekkelig, tilbud av oppløst og uoppløst oksygen er til stede i chargen. Dette karbontilbud gir også, på den ene side den største del av brennstoffet for prosessen og på den annen side er det en beskyttelse mot overdesoksydasjon og forutsetningen for oppnåelse av. det ønskede karboninnhold i innsmeltingsprøven.'

Ved innsmelting av ulegert stålgods forkortes dermed, ifølge oppfinnelsen, innsmeltings- og glødingsperioden ved oksygen-tilførsel.

En smelte av høylegert skrapjern må glødes med oksygen for å bevirke den utstrakte nødvendige avkarbonisering. Økonomisk omsmelting av høylegert skrapjern er derfor ikke mulig i en basisk lysbueovn uten tilførsel av oksygen, da utføringen av omsmeltet høylegert stål ved oksydasjon av smeiten er langt mindre ved hjelp av jernoksydene i slagget.

De legeringselementer i stålbadet som er uedlere enn jernet

skal såvidt mulig bevares mot oksydasjon under glødingen. En utskillelse av fosfor er imidlertid ikke mulig ved større innhold av krom og mangan. Chargéns fosforinnhold må derfor ikke overskride det krevede fos forinnhold i det omsmeltede ■ produkt.

Karbonets affinitet til oksygen stiger med økende temperatur

i badet, mens oksygenaffiniteten til de legeringselementer som er oksyderbare i jernrik smelte avtar med stigende bad-temperatur. Det må derfor tilstrebes å øke badets temperatur raskest mulig. Da legeringselementenes forbrenningsvarme

blir fri ved oksygengløding, må oksygentilbudet pr. tids-enhet for dette formål innstilles høyest mulig, men glød-ingen må likevel avbrytes når'det'ønskede sluttkarboninnhold er nådd.

For å forbedre legeringsutbyttet fra skrapjernet ytterligere,' foretas etter oksygenglødingen av legerte stål.en delvis reduksjon av tungmetalloksydene i slagget ved å strø på reduksjonsmiddel. Ved stål med' høyt kullinnhold kan man for dette formål anvende koksgrus, mens ved myke stål med lavt kullinnhold strøs finkornet ferrosilisium, aluminium eller silisiumkrom på slagget.

Ved smelting av høylegert stål fra artseget skrapjern er derfor bevisst anvendelse av oksygen av største betydning.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan driftstilstanden ■ til et metallurgisk anlegg styres meget godt. Oksygen, en plasmadannende gass eller, om nødvendig, reduksjonsmiddel kan til enhver tid bringes inn gjennom tilførselsrørene.

Innsmeltes direkte redusert jernmalm (jernsvamp) er det ikke mulig å holde innsmeltings- og glødingstiden fra hverandre,

da begge deler forløper praktisk talt samtidig. Årsaken til disse forhold ligger i restoksygeninnholdet til' svampen og

i karboninnholdet som samtidig foreligger i det flytende.. badet.

De to elementer sørger, ved sin omsetning til karbonmon-oksyd, for en vedvarende badbevegelse. For å opprettholde optimale betingelser må oksygen- og karboninnhold avstemmes riktig på hverandre. Er begge elementer ikke allerede til stede i jernsvampen i det riktige forhold, må ett av de to flytende bad tilføres. Dette kan igjen skje gjennom til-førselsrørene som er forskyvbare i hulelektrodene.

Jernsvamp kan kontinuerlig innsmeltes

- i det flytende bad eller f.

- i' elektrodekraterne .

Særlig fordelaktig er kombinasjonen av disse operasjons-

måter med trinnløs overgang.

Innstilles en kort lysbue på begynnelsen av innsmeltingen, hvilken lysbue tilføres oksygen, dannes et krater i løpet av kort tid. I dette krateret kan en delmengde av jernsvampen innføres kontinuerlig gjennom tilførselsrørene. Tilførsels-mengden avstemmes slik at først ved slutten av jernsvamptil-1-setningen innsmeltes en skrapjernsmantel som beskytter bvns-veggen. På dette tidspunkt tilsettes så, med trinnløs overgang, enten resten av jernsvampen med -vanlig tilsetnings-hastighet eller skrapjern etterfylles.

Innstillingen av driftstypen og chargeringen av tilsetningsstoffer henholdsvis jernsvamp skjer ved fremgangsmåten'ifølge oppfinnelsen lett. og raskt.

Brennstabiliteten til lysbuer i elektroovner er riktignok fastlagt ved ovnsanleggets elektriske verdier, men de på-virkes ved driftsmessige svingninger som følge av forandringene til motstanden ved skrapjernsforskyvninger under innsmeltingen og forandringene til lysbuens ionisasj.on,

hvilke skyldes kjemiske reaksjoner. Disse stadige forand-ringer betinger en ustabilitet hos lysbuen. Disse forhold hos lysbuen finnes spesielt ved ovner med fullelektroder. Lysbuer som går ut fra hulelektroder er vesentlig roligere

og forblir dertil rettet tilnærmet loddrett på badoverflaten. Lysbuene tilstreber å tennes på den indre kanten av hulelektroden, hvorunder denne boring må være bred nok til at lysbuen ikke hopper over på den ytre del.av elektroden.

Driver man det metallurgiske anlegget ifølge oppfinnelsen

ved forskyvning av munningen til tilførselsrøret og. samtidig tilførsel av en plasmadannende gass som plasmaovn, økes stabiliteten til utladningen ved dannelse av et ekstremt varmt plasma ytterligere.

i

■ i

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved drift av et.metallurgisk anlegg med en metallurgisk beholder, såsom en smelteovn eller konverter, gjennom hvis lokk det er ført én eller flere hulelektroder . (3a,3b,3c), i hvis hulrom et tilførselsrør (4) kan heves og senkes, karakterisert ved at etter valg a) anlegget drives som lysbueovn for innsmelting.av chargerings- henholdsvis tilsetningsstoffer ved tilbaketrekning av rørmunningen bak hulelektrodens (3a,3b,3c) munning; b) ahlegget drives som plasmaovn for smelting av ehargerings-' eller tilsetningsstoffer under øket energitilførsel ved forskyvning av rørets (4a,4b,4c) munning frem til, eller knapt foran, hulelektrodens (3a,3b,3c) munning og samtidig tilførsel av en plasmadannende gass, eller c) anlegget drives som glødekonverter ved forskyvning av munningen til røret (4a, 4b, 4c) ut over hulelektrodens (3a,3b,3c) munning, eventuelt frem til neddykkning i et bad (2) av nedsmeltede^ chargeringss tof f er og tilførsel av oksygenholdig gass ved avbrutt strømtilførsel.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en selvforbrukende lanse av stålrør (5,6,7) med ildfast mantel' anvendes som tilførselsrør (4).

3. Fremgangsmåte ifølge kravene 1 og 2, k a r a k t e r i-, sert ved at- karbonbærere og/eller finknuste til setningsstoffer innføres fallende gjennom minst ett tilfør-selsrør (4) . . 4.. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2 , karakterisert ved at ved drift som glødekonverter innblåses ren oksygengass gjennom tilførselsrørene under overflaten til badet av nedsmeltede chargeringsstof f er. ..i