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DE2608279B2 - Verfahren zum einschmelzen von stahl aus schrott im elektroofen - Google Patents

Verfahren zum einschmelzen von stahl aus schrott im elektroofen

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DE2608279B2
DE2608279B2 DE19762608279 DE2608279A DE2608279B2 DE 2608279 B2 DE2608279 B2 DE 2608279B2 DE 19762608279 DE19762608279 DE 19762608279 DE 2608279 A DE2608279 A DE 2608279A DE 2608279 B2 DE2608279 B2 DE 2608279B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen von Stahl aus Schrott im Elektroofen, bei dem der vorgewärmte Schrott kontinuierlich in einem von einer ständig aufrechterhaltenen Schlackenschieht bedeckten Bad eingeschmolzen wird, wobei die Wärmezufuhr mit Hilfe von in die Schlackenschieht eintauchenden Elektroden erfolgt.
Das elektrothermische Einschmelzen von Stahl aus Schrott war lange Zeit vorwiegend dem Elektro-Lichtbogenofen vorbehalten. Andere Schmelzaggregate, wie z. B. der Induktionsofen, finden ihre Einsatzgrenze in der Stahlindustrie an den speziellen Vorbedingungen der Einsatzstoffe sowie an der nur begrenzt durchzuführenden Schlackenmetallurgie.
Die Vorteile des Elektro-Lichtbogenofens, nämlich hohe Schmelzleistungen durch die Konzentration großer Energiemengen zu erzielen, eine weitgehende Unabhängigkeit von der physikalischen Beschaffenheit des Schrottes (die allerdings wesentlichen Einfluß auf den Energieverbrauch hat) sowie die Möglichkeit einer gezielten Schlackenmetallurgie, werden von den folgenden Nachteilen begleitet:
— hohe Geräuschbelästigung, speziell während der Einschmelzperiode,
— starke Flickererscheinungen, speziell während der Einschmelzperioden und damit starke Beanspruchung des Netzes,
— hohe Abbrandverluste durch das direkte Einwirken des Lichtbogens auf den Schrott während der Einschmelzperiode und auf das Stahlbad während der Feinungsperiode. Damit verbunden sind hohe Eisenverluste durch Verdampfung sowie der Anfall großer Rauchmengen,
— erhöhte Eisenverluste durch das Arbeiten mit relativ Fe-reicher Schlacke bei gleichzeitig relativ hoher spezifischer Schlackenmenge,
— erhöhte Energieverluste durch das ständige Arbeiten mit einem Lichtbogen, der bedingt durch die StrahlungsverJuste einen thermisch ungünsiigen Ausnützungsfaktor hat,
— Arbeiten mit relativ großen spezifischen Schlackenmengen., damit die an sich kinetisch ungünstigen Grenzflächenreaktionen Stahlbad/Schlacke noch zeillich vertretbar ablaufen,
— Aufnahme von Stickstoff aus der Ofenatmosphäre durch dessen Ionisation im Lichtbogen und Einwirkmöglichkeit auf das blanke Stahlbad unter den Elektroden (Brennfleck),
— Verwendung der teuren Graphitelektroden,
— Limitierung der Ofenleistung durch limitierte Durchmesser der Graphitelektroden,
— hoher Verschleiß an ff-Material, speziell verursacht durch die Strahlungswärme des Lichtbogens, durch die zusätzlichen mechanischen und thermischen Beanspruchungen des Chargen- und Kippbetriebs sowie durch den zusätzlichen chemischen Angriff des Mauerwerks und hier speziell des Deckels durch das im Lichtbogen abbrennende und in der Ofenatmosphäre oxydierende Eisen im Rauchgas,
— arbeitsintensiv, speziell durch chargenweises Einbringen des Schrottes und während der Feinungszeit durch Arbeiten bei teilweise geöffneten Ofentüren.
Bekannt ist aus der US-PS 23 82 534 ein Schachtofen, in dem Schrott eingeschmolzen wird, wobei die Elektroden in die über dem Metallbad vorhandene Schlackenschieht eintauchen. Die Wärmeübertragung von der Schlacke auf das Metallbad erfolgt ausschließlieh durch Konvektion. Hierbei wird in dem Schachtofen das Metall lediglich roh geschmolzen; die Fertigschmelze muß in einem anderen Ofen (Lichtbogenofen) erzeugt werden.
Hinweise auf Reaktionsbedingungen, die bei dem Prozeß aufrechterhalten werden sollten, um einen optimalen Reaktionsverlauf zu erreichen, sind der US-PS 23 82 534 nicht zu entnehmen.
Es ist Aufgabe der Erfindung — unter Beibehaltung der Vorteile des Elektro-Lichtbogenofens — die angeführten Nachteile hinsichtlich der Umweltverschmutzung auszuschalten, die spezifischen Verbrauchsund Betriebsdaten zu verbessern sowie den gesamten Prozeßablauf thermisch und metallurgisch zu optimieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den
hr> Verlauf der Reaktionen in der Schlackenschieht weitgehend zu beeinflussen, damit sie unter den kinetisch günstigsten Voraussetzungen verlaufen und weitgehend unabhängig von der Phasengrenzreaktion
Schlacke/Metall sind.
Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einschmelzen von Stahl aus Schrott im Eltktroofen, bei dem der vorgewärmte Schrott kontinuierlich in einem von einer ständig aufrechterhaltenen Schlackenschicht bedeckten Bad eingeschmolzen wird, wobei die Wärmezufuhr mit Hilfe von in die Schlackenschi"ht eintauchenden Elektroden erfolgt. Die besonderen, zur Lösung der genannten Aufgabe vorgeschlagenen Maßnahmen bestehen darin, daß man den Schrott vor to dem Chargieren auf mindestens 500°C, vorzugsweise mehr als 700°C, vorwärmt, im Ofen mit einer ständig dort verbleibender, reaktionsfähigen flüssigen Schlacke arbeitet, die eine 70 — 220°C über ihrer Liquidustemperatur und 40— 100°C über der Stahlabstichtemperatur befindliche Temperatur aufweist, und daß man die Schlackenschicht mit einer Dicke von mindestens 200 mm, vorzugsweise 800 mm, aufrechterhält.
Der grundsätzliche Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einschmelzen von Stahl aus bis zu 100% Schrott im Elektro-Reduktionsofen geht wie folgt vorsieh:
Die elektrische Energie wird durch Elektroden dem Prozeß zugeführt. Die Anzahl der Elektroden beträgt beim Rundofen vorzugsweise drei, beim Rechteckofen zwei, vier oder sechs, bei extrem großen Leistungen erhöht sich die Zahl beim Rechteckofen jeweils um zwei.
Die Elektroden tauchen in eine das Metallbad ständig bedeckende Schlackenschicht ein, deren Dicke weitgehend abhängig ist von der Temperatur des eingesetzten Schrottes. Die Schlacke dient gleichzeitig als Heizelement, wobei die elektrische Energie durch Widerstandserwärmung in Joul'sche Wärme umgesetzt und dem Prozeß zugeführt wird.
Die Metallurgie der Entkohlung, Entphosphorung, Entschwefelung etc. wird in die Schlackenschicht verlegt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diese Reaktionen, noch weitgehend in der Schlackenschicht unter den kinetisch günstigsten Voraussetzungen durchzuführen und weitgehend unabhängig von der Phasengrenzreaktion Schlacke/Metall zu sein.
Der Ofenherd ist so ausgebildet, daß die durch die Schlackenschicht gelangten Eisentröpfchen sich sammeln und das erschmolzene Metall in gewissen Zeitabständen abgestochen wird. ZweckmäCigerweise wird der Ofenherd so ausgebildet sein, daß er zum Analysenausgleich eine Kapazität von empfehlenswerterweise 1 — 10 Abstichgewichten hat, wobei sich seine Kapazität vorwiegend nach der einzusetzenden Schrottqualität richten soll.
Ein wesentlicher Einfluß für den Prozeßablauf geht von der Vorwärmtemperatur des Schrottes aus. Je höher seine Temperatur ist, um so schneller setzen die Reaktionsvorgänge ein.
Wesentlich für optimale Reaktionsbedingungen und damit für einen optimalen Reaktionsverlauf ist, daß der Schrott sofort mit der flüssigen Schlacke reagieren kann und diese Reaktionsbedingungen auch durchgehend aufrechterhalten werden können. Vermieden soll bo werden, daß der Schrott bei seinem Eintauchen in die Schlacke von einer an ihm erstarrenden Schlackenschicht umgeben wird, die ihrerseits erst wieder aufschmelzen muß und erst dann mit dem Reaktionsablauf begonnen werden kann. <>>
Auf Grund langwieriger Versuche wurde gefunden, daß für die Aufrechterhaltung dieser optimalen Reaktionsbedingungen, d. h. sofortiges Einsetzen der Entkohlungs-, Entschwefelungs- und Entphosphorungsreaktionen und deren weitgehendster Ablauf in der Schlacke, daher folgende verfahrenstechnische Maßnahmen zu treffen sind.
— Einsatz von vorgewärmtem Schrott von mindestens 500°C, empfehlfcnswerterweise aber über 700°C.
— Sehr reaktionsfähige und überhitzte Schlacke, wobei die Arbeitstemperatur empfehlenswerterweisu 40-100°C über der Stahltemperatur und enipfehlenswerterweise 70-220°C über der Liquidustemperatur der Schlacke liegen soll, wobei die Überhitzung über Liquidustemperatur fast ausschließlich von der Vorwärmtemperatur des Schrottes abhängt.
— Aufrechterhaltung einer ständig im Ofen verbleibenden Schlackenschicht, deren Mindestdicke durch getrennte Abstichlöcher von Metall und Schlacke aufrechterhalten wird und die je nach Vorwärmtemperatur und Stückgröße des Schrottes empfehlenswerterweise bei 200-800 mm sein soll.
— Aufrechterhaltung eines Mindestabstandes zwischen der Schrottchargierung und Elektrode von mindestens 0,3 χ Elektrodendurchmesser, um die elektrische Leitfähigkeit der Schlacke im Bereich der direkten Energieumsetzung nicht zu stark zu erhöhen und damit die Widerstandserwärmung zu gefährden (Übergang zum Lichtbogenbetrieb).
Der Beschickungsmechanismus kann wie folgt durchgeführt werden:
a) Beschickung von zerkleinertem Schrott durch eine oder mehrere Beschickungsöffnungen kontinuierlich oder diskontinuierlich, empfehlenswerterweise kontinuierlich und durch mehrere Beschickungsöffnungen. Wesentlich ist, daß der Mindestabstand des gerade in die Schlacke eintauchenden Schrottstückes zur Elektrode hin von mindestens 0,3 χ dem Elektrodendurchmesser gewährleistet bleibt.
b) Kontinuierliche Beschickung durch aneinandergeschweißte oder anderweitig verbundene Schrottpakete oder andere Schrottelemente durch eine oder mehrere Beschickungsöffnungen (Beschickungsrohre) am Ofen. Wesentlich dabei ist, daß das Beschickungsrohr im Durchmesser etwas größer als der größte Durchmesser des Schrottpaketes ist. Ein Ausströmen der Ofengase durch die Beschickungsrohre kann durch einen Luft- oder Inertgasverschluß vermieden werden. Die Erwärmung des Schrottes erfolgt weitgehend in der Ofenatmosphäre und kann vorgegeben werden durch die Strangdicke und die Absenkgeschwindigkeit.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Schmelzbetriebes ist es, daß die anfallenden heißen Ofengase kontrollierbar in Menge, Temperatur und Kontinuität einer Wärmerückgewinnungsanlage zugeführt werden können. Neben energetischen oder sanitären Verwendungszwecken kann die Wärmerückgewinnung auch gezielt für die prozeßeigene Schrottvorwärmung außerhalb des Reduktionsofens eingesetzt werden. Durch die ständig gleichbleibende Wärmezuführung aus dem Prozeß können auch u. U. erforderliche Zusatzwärmemengen durch öl oder Gas oder andere Quellen klar kalkuliert werden.
Diese Ausnutzung der kontinuierlich anfallenden Abgaswärme unter evtl. Zusatz von kostengünstiger
Primärenergie für die Schrottvorwärmung führt metallurgisch wie energetisch zu optimalen Betriebsergebnissen.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist seine Uniweltfreundlichkcit. Durch die in die Schlacke eintauchenden Elektroden sowie durch die Art der Energicumsctzung durch Widerstandsbeheizung treten keine Geräuschbelästigungen auf. wie /.. B. im Extremfall beim L.chtbogenofcnbetrieb mit Schrotteinsatz. Durch die kontinuierliche Energiezuführung und durch die ständig gleichbleibenden Widerstandsbedingungen in der Schlacke ist auch eine ständig gleichmäßige Energicabnahme gewährleistet. Elickererscheinungen treten nicht auf. Es kann mit relativ schwachen elektrischen Netzen gearbeitet werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist es, daß Abbrandverluste weitgehend vermieden werden, und /war durch die Art des Energieeinbringens, durch die das Metallbad abdeckende Schlackenschicht und durch die Energieverteilung in der Schlacke selbst. Ebenso wird nur mit geringen Zusatzschlackenmengen gearbeitet, die je nach Prozeßführung, Schrottqualität und gewünschtem Endprodukt zweckmäßigerweise bei 3 — 30 kg/t Eertigstahl liegen werden. Ersetzt müssen prinzipiell nur die Verdampfungsverluste und die durch metallurgische Reaktionen verbrauchten Aktivitäten werden.
Ebenso kann als Vorteil des Verfahrens angesehen werden, daß die Stickstoffaufnahme aus der Ofenatmosphäre durch Vermeidung eines Lichtbogens sowie durch die ständige Abdeckung des Stahlbades mit Schlacke vermieden wird.
Ein weiterer wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil ist die längere Standzeit des ff-Materials. Durch die ständig gleichbleibenden Temperaturbedingungen, durch den Wegfall der Strahlungswärme des Lichtbogens, durch die Abkehr vom Kippbetrieb sowie durch die Vermeidung einer eisenoxydreichen Ofenatmosphäre kann mit Standzeiten der ff-Ausmauerung von einem Jahr und mehr gerechnet werden.
Um einen erhöhten chemischen Verschleiß des ff-Matcrials in dem Gebiet der erhöhten Schlackenschicht sowie an der Grenzfläche Metall/Schlacke zu vermeiden, wird das Ofengefäß außen mit Wasser gekühlt, was im Ofeninnern in dem unmittelbaren Berührungsgebiel von Schlacke und Ausmauerung zu einer Absteifung der Schlacke führt, so daß die Schlacke selbst praktisch zur Ausmauerung in diesem Gebiet umfunktioniert wird.
Als wesentlicher weiterer Vorteil des Verfahrens kann es angesehen werden, daß der Prozeß auch mit Kohleelektrodcn, vor allem aber mit der preiswerten Söderbcrgclcktrode betrieben werden kann. Gerade durch den Einsatz der Söderbergclektrode öffnet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit für den Bau von Größtöfen, da nach dem gegenwärtigen Stand der Technik Söderbergcleklroden bis zu 2 m Durchmesser bereits praxiserprobt sind, während Graphitelektroden, wie beim Lichtbogenofen eingesetzt, ihr derzeitiges Limit bei 0,7 m Durchmesser haben.
Die jeweilige Schlackenzusammensetzung, mit der der Prozeß betrieben wird, richtet sich stark nach dem Einsatzmaterial und der geforderten Stahlqualität Korrekturen können, wenn sie kurzfristig erforderlich werden, durch den Einsatz von Hohlelektroderi durchgeführt werden.
Eine neue Arbeitsweise in der Elektrometallurgie nämlich metallurgische Arbeiten außerhalb des Schmelzaggregates in der Abstichpfanne oder einem nachgcschalteten Zusatzaggregat durchzuführen, urr die Leistungsfähigkeit eines Schmelzbetriebcs zi steigern, kommt der neuen Verfahrensweise sehi entgegen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung schematise!· dargestellt.
Es handelt sich um einen feststehenden F.lck tro-Rcduktionsofen. der mit Hilfe von Elektroden 1 vorzugsweise vorgebrannten Kohlcelektroden (Söderbergclektroden). beheizt wird. 2 ist der Ofendeckel, ir welchem sich bei 3 eine Einrichtung zum kontinuierlichen Chargieren von zerkleinertem Schrott befindet Bei 4 ist eine entsprechende Chargiereinrichtung vorgesehen, durch die jedoch zu einem Strang, ζ. Β durch Schweißen, verbundene Schrottpakete zugefühn werden. Im Ofen wird eine das Metallbad 6 ständig bedeckende dicke Schlackcnschicht 5 aufrechterhalten in die die Elektroden eintauchen. Der Schlackenabstich befindet sich bei 7; der Metallabstich 8 ist um die Mindesthöhe der gewünschten Schlackenschicht unlei dem Abstich 7 vorgesehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Einschmelzen von Stahl aus Schrott im Elektroofen, bei dem der vorgewärmte Schrott kontinuierlich in einem von einer ständig aufrechterhaltenen Schlackenschicht bedeckten Bad eingeschmolzen wird, wobei die Wärmezufuhr mit Hilfe von in die Schlackenschieht eintauchenden Elektroden erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schrott vor dem Chargieren auf mindestens 5000C, vorzugsweise mehr als 7000C, vorwärmt, im Ofen mit einer ständig dort verbleibenden reaktionsfähigen flüssigen Schlacke arbeitet, die eine 70--2200C über ihrer Liquidustemperatur und 40—1000C über der Stahlabstichtemperatur befindliche Temperatur aufweist, und daß man die Schlackenschieht mit einer Dicke von mindestens 200 mm, vorzugsweise 800 mm, aufrechterhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrott in einem Abstand von den Elektroden, der mindestens dem 0,3fachen des Elektrodendurchmessers entspricht, in das Metallbad eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführgeschwindigkeit des aus Schrottpaketen zusammengefügten Stranges in Abhängigkeit von seiner Abschmelzung gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlackenschieht aus Zuschlagstoffen gebildet wird (synthetische Schlacke).
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlacke auf entkohlende und/oder entschwefelnde und/oder entphosphorende Wirkung eingestellt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Korrekturstoffe durch Hohlelektroden zugeführt werden.
40
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