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Stahl besteht mehrheitlich aus Eisen, mit größere Mengen Kohlenstoff, z.B. 4%, die entfernt werden während eine kontrollierte Menge verbleibt. Der Anteil des Kohlenstoffs im Stahl ist sehr wichtig für das Verhalten des Werkstoffs nach der Wärmebehandlung. Tabelle 1 gibt einige dieser Eigenschaften wieder.
(Tabelle 1 Die Wirkung von Kohlenstoff auf Stahlapplikationen)
Es gibt verschiedene Zusatzstoffe, die verwendet werden, um die Grundeigenschaften des C-Stahls zu verbessern; so wird zum Beispiel Molybdän eingesetzt, um die Warmfestigkeit und Härte zu verbessern, während Nickel die Zähigkeit und Formbarkeit verbessert. Die unterschiedlichen Eigenschaften, die der Stahl für verschiedene Anwendungszwecke benötigt (z.B. Hammerkopf, Kfz-Karosserie) geben vor, welche Art von Stahl verwendet wird und wie der Stahl durch kontrolliertes Erwärmen sowie Kalt- und Warmwalzen behandelt wird. Tabelle 2 enthält weitere Details der Stahlzusatzstoffe. (Tabelle 2 Stahlzusatzstoffe)
Geschmolzenes Eisen aus dem Hochofen wird in speziellen, mit feuerfestem Stein ausgekleideten, ‚Torpedos‘ auf Schienenfahrzeugen (mit Kapazitäten zwischen 200 und 450 Tonnen) in das Blasstahlwerk befördert, wo das Eisen veredelt wird, um Stahl der gewünschten Güte und Zusammensetzung herzustellen.
Im Blasstahlwerk wird das Eisen in zwei Phasen behandelt: erstens, um Kohlenstoff zu entfernen und zweitens, um es mit Zusatzstoffen anzureichern, die sich auf die Eigenschaften des Stahls auswirken.
In der ersten Phase wird das Eisen mit Schrott und Flussmitteln gemischt, mit einem inerten Gas durchwirbelt und mit Sauerstoff verbrannt, bis laut Messung mit Tauchsonden der gewünschte Kohlenstoffgehalt erreicht wurde. Dieses ‚Sauerstoff(auf)blasverfahren‘ findet in großen Kippbehältern statt, die LD-Konverter genannt werden. In modernen Stahlwerken können LD-Konverter in der Regel 350 Tonnen Metall in einem ‚Blasvorgang‘ konvertieren. Ein Konverter alleine, wie in Abb. 1 dargestellt, wiegt in der Regel 650 Tonnen. Ein Blasstahlwerk verfügt in der Regel über zwei oder drei Konverter, um Eisen in Stahl zu konvertieren; dabei sind meist einer oder zwei zur Zeit in Betrieb, gelegentlich werden auch mehrere Konverter gleichzeitig betrieben. (Abbildung 1 LD-Konverter)
In der zweiten Phase wird das Roheisen in kleineren Kesseln mit Zusatzstoffen gemischt und durchläuft einen kurzen ‚Blaszyklus‘, bevor es in einer Stranggießanlage gegossen wird.
Unreinheiten im Eisen, die durch die heftigen Reduktionsbedingungen im Hochofen entstanden sind, müssen durch Oxidation beseitigt werden. Rückstände von Kohlenstoff und Silikon werden mit Hilfe der zugefügten Flussmittel oxidiert.
Das Linz-Donawitz-Verfahren (auch Sauerstoffaufblasverfahren genannt) ist ein schrittweises Verfahren, das sich auf die Positionierung des Konverters und die Bearbeitung von dessen Inhalt konzentriert. Der gesamte Prozess kann automatisiert werden, von zentral gespeicherten Informationen über Prozessrezepte zu den Front-End-Instrumenten; es bleibt jedoch weiterhin möglich, manuell zu intervenieren und nachzubearbeiten.
Der LD-Konverter ist ein Kessel, der sich auf der beschickenden Seite um 180° aus der aufrechten Vertikale neigt und über 90° auf der ablassenden Seite. Der Konverter ist während des Prozessablaufs in einem von diversen vorbestimmten Winkeln geneigt, wie in Abbildung 2 dargestellt. (Abbildung 2 Konverterpositionen)
Der Konverter dreht sich in seine Beschickungsposition und wird mit Altmetall (50 Tonnen), geschmolzenem Eisen (300 Tonnen), Kalk (15 Tonnen) und Magnesium und Kalkstein als Hauptflussmittel beschickt.
Der Konverter richtet sich dann wieder vertikal auf und die Hauptsauerstofflanze wird herabgelassen und bläst mit hoher Geschwindigkeit für 15 bis 20 Minuten Sauerstoff auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls.
Nachdem eine vorher festgelegte Menge von Sauerstoff eingeblasen wurde, ist der Vorgang abgeschlossen und die Hauptlanze wird zurückgezogen. Bei 80% und 100% Sauerstoffzufuhr, wie nach einem thermochemischem Modell berechnet, wird eine Unterlanze herabgelassen, um die Temperatur zu messen, die zur Berechnung der Kohlenstoffhemmung angesetzt wird.
Vorausgesetzt die Temperatur und die Analyse der Probe sind akzeptabel, so wird der Konverter von der vertikalen in die Abstechposition gekippt.
Nach dem Abstechen dreht der Konverter sich wieder in seine Schlackeposition zurück, wird gelegentlich geleert, kehrt zur Beimischung von Verdickungsmitteln in die Vertikale zurück, wird dann leicht geschüttelt zur Schlackenreinigung, bevor er sich wieder leert, indem der Konverter sich um 180° auf die gegenüber liegende Seite dreht.
Praktisch gesehen gibt es je nach Variablen noch andere Zwischenschritte. Zum Beispiel:
Während des Zyklus strömen inerte Gase wie Stickstoff und Argon (beim Blasen und erneuten Blasen) kontinuierlich in den Konverter, um dessen Inhalt zu rühren oder aufzuwirbeln und die die Rührelemente des Konverters für die Dauer des Einsatzes im Konverter frei zu halten.
Das Ergebnis ist ein sehr niedriglegierter Stahl. Der Prozentsatz, der für die Art des herzustellenden Stahls benötigt wird, wird höher liegen; deshalb wird eine kontrollierte Menge von Kohlenstoff hinzugefügt, um die technischen Anforderungen zu erfüllen.
Nachdem das Metall ausgegossen wurde, beginnt der Zyklus von Neuem und wenn die Stahlhersteller keinerlei Probleme haben, werden in einer 8-Stunden-Schicht in der Regel acht Aufblasverfahren durchgeführt, bei denen fast 3.000 Tonnen Stahl produziert werden.
Um den Inhalt des Konverters zu durchwirbeln, werden Argon oder Stickstoff durch eine Reihe von Dosen im Boden des Konverters eingesprüht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der Gesamtdurchsatz und die Art des Gases für jeden Schritt der Sequenz sind für das jeweilige Blasverfahren durch das geladene Rezept vorherbestimmt. Abbildung 3: Regelung der Badbewegung im LD-Konverter
Die Gesamtzufuhr wird gleichmäßig auf eine Anzahl von Reglern aufgeteilt, einen für jede Dose, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten, und wird dann zum Remote-Sollwert für den Regler. Die gemessene Zufuhr durchläuft einen Masseausgleich für die Temperatur und den Druck jeder Dose, jedes Gastyps und jedes Eingangs des Reglermoduls. Der 4-20mA-Reglereingang moduliert dann die Ventilposition.
Wird die Dose mit schwerer Schlacke verstopft, so erhöht der Minusdruck sich. Sollte dieser Druck sich auf ein Maß jenseits vorgegebener Grenzwerte erhöhen, schaltet der Regler von Flussregelung auf Druckregelung um und das Regelventil reagiert dann auf andere Regelalgorithmen. Bei Druckabfall (abzüglich eines Hysteresewertes) schaltet der Regler wieder auf Flussregelung zurück. Die Umschaltung zwischen den Reglerarten erfolgt automatisch und stoßfrei, da der nicht-aktive Regelkreis den Ausgang des aktiven Regelkreises überwacht. (Abbildung 3: LD-Bewegungsregelung)
Der Konverter wird im gewünschten Winkel positioniert, indem der entsprechende absolute Sollwinkel mit dem absoluten Istwinkel vergleichen wird und die Positionierungsmotoren in die korrekte Richtung gelenkt werden.
Die Positionierungsmotoren werden progressiv in zunehmender und anschließend abnehmender Geschwindigkeit angetrieben, je nach Fehlergröße und Zeitintervallen, bis die Position sich innerhalb der eingestellten Toleranzspanne befindet.
Das Sauerstoffaufblasverfahren (LD-Verfahren) bedient sich teurer Gase (Argon, Sauerstoff und Stickstoff); durch eine präzise Messung und Summierung dieser Gase und die Verwendung dieser Ergebnisse zur Erstellung von Berichten aus Kalkulationstabellen und Protokollen können kostengünstiger Betrieb sowie engmaschige Qualitätskontrolle unterstützt werden.
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