Toelichting bij het schema van een fabriek voor de fabricage van vloeistaal

I ,

SCHEIvLA VAN EEN :bABRIEK VOOR DE 1'ABRICAGE VAN VLOEISTAAL

==========

1 ' I

,

~

j~

I:'

.--@

Inleiding

Keuze van het proces

I

Inrichting fabriek

Bouwen inrichting van de oven Keuze grondstoffen

Laden van de oven Het smelten

Reacties in het bad

H~t gieten

Instrumentatie van de Siemens Martin,oven Gedeeltelijke materiaalbalans

Warmtebalans van de metallurgische reacties Warmtebalans van de Siemens Martin oven Berekening van de regenerator

Literatuurlijst 1 fi 8 10

13

13

13

14

16

17'

18

19

25

31

1.

Onder vloeistaal verstaat men meestalongelegeerd staal met maximaal 0,3% C. Deze naam is echter niet logisch, daar vrijwel a+lle staalsoorten tegenwoordig via de vloeibare toestand worden gemaakt en dus ook vloeistaal zouden moeten heten.

Voor staal met ten hoogste 0,310 C is daarom, in verband met het belangrijkste gebruik, de naam Qons1~gct~~~1~~1 ingevoerd.

Het komt in de handel in de vorm van staven, profie'len,

I

platen en buizen. Het is zowel koud als warm goed' te sme-den, te walsen en te trekken. Het meest gebruikte staal bevat minder dan 0,1% koolstof. Door het lage koolstofge-halte heeft het een hoge rek.

In verband met het voorgaande zal worden behandeld de be- . reiding van ~onstructiestaal met ten hoogste 0,1% C.

Bij het bereiden van 'staal worden diverse p~ocessen toe-gepast. Alvorens een keus te maken, zullen de verschillende methoden in het kort worden aangegeven.

1. Q.~!:.1 or PLQ.Q§'§mill.·

In een peervormig vat, gevuld met vloeibaar ruwIDJzer, wordt door openingen in de bodem lucht geperst. De

zuurstof uit de lucht verbrandt de koolstof en de ande-re bijmengselen van het ruwijzer. Aangezien de peer niet wordt verwarmd,. moet de lucht snel worden doorgevoerd om te grote warmteverliezen te vermijden. Het proces wordt in de regel zo geleid, dat in 20 minuten een charge van 10 à 25 ton is omgezet.

Teneinde het proces 'snel te kunnen uitvoeren, is de peer kipbaar gemaakt.

r

Bij het vullen wordt de peer zover achterover gelegd, dat de vulling de doorboorde bodem niet kan raken.

Daarna wordt de wind aangezet en de peer rechtop gezet. Na afloop van het proces wordt de peer geheel

achter-over gedraaid, waQrbij eerst de slak en dan het st~al

wordt uitgegoten.

De peer wordt gevuld uit een menger, waarin het uit de hoogoven komende ruwijzer tijdelijk wordt bewaard.

Aangezien ddor het ontkolen van het ruwijzer het smelt-punt van omgeveer 11000 C tot 15000 C stijgt, moet de temperatuur van de smelt eveneens stijge~ om vast worden te voorkomen. Deze temperatuurstijging wordt verkregen uit de verbrandingswarmte, welke bij de oxydatie van bepaalde bijmengselen van het ruwijzer vrij komt. Tijdens het frissen verbranden de elementen Si, C, P en Mn in de genoemde volgorde. Vooral Si en P hebben een hoge verbrandingswarmte.

Voor de bekleding van de peer worden zure en basische stoffen gebruikt. De keuze hiervan heef~ grote invloed op het proces. ~ebruikt men een bekleding van silicaten

(hei~§'ê..ê.em§'!:'_:Qroces), dan mag de inhoud van de peer

niet basisch zijn, daar in dat geval een sterke aantas-ting van de bekleding zal optreden. De fosfor kan in het vloeibare ijzer slechts volledig oxyderen indien het tijdens de reactie ontstane fosforpentoxyde wordt gebonden. Het evenwicht

4 P + 5

°

_{2 ;:::; 2 P20 5}

wor dt in dit geval door het verwi j deren van het P 205 naar rechts verschoven. De binding .van dit zure oxyde kan slechts door een basische slak gebeuren. Deze mag echter niet wegens de aantasting van de zure bekleding

worde~

gebruikt. Bij dit proces moet men dus van

fos-forarm ruwijzer uitgaan. De aanwezigheid van fosfor is namelijk ongewenst omdat het staal hierdoor grofkorrelig en koud bros wordt. De vereiste verhoging van de

tempe-ratuur wordt verkregen door de verbranding van Si, waarvan 2-4% in het Bessemer ruwijzer aanwezig is.

Bij ruwijzer, dat een aanmerkelijk percentage P bevat, gebruikt.men een peer met een basische voering,

be-staande uit gebrande dolomiet (magnesiumcarbonaat)als vuurvast materiaal, (ThomasQroces). Deze basische bekle-ding maakt het mogelijk e~n sterk basische slak (kalk) te gebruiken, waardoor het zich bij de vèrbranding vGrmende fosforoxyde wordt gebonden en de verwijdering van de fosfor uit de smelt kan plaats vinden.

Het gebruik van de basische slak maakt het echter on-gewenst, dat het ruwijzer veel silicium bevat. Immers, ook de bij het verbranden ontstane silicium oxyde wordt door de slak gebonden en om deze laatste basisch te houden zou men een grote hoeveelheid kalk moeten toe voegen. Om deze reden wordt ruwijzer met mindèr dan 1% Si gebruikt.

Het Thomasstaal is goedkoper dan het Bessemer staal, omdat het Bessemer ruwijzer duurder is dan het T{lomas ruwlJzer. Dit komt, doordat het Thomas ruwijzer uit goedkopere ertsen kan worden bereid en dooidat bij de bereiding van het Bessemer ruwijzer de temperatuur in de hoogoven hoger moet worden opgevoerd om het hoge Si gehalte te verkrijgen.

2. Het Martinproces

Dit proces dankt zijn ontstaan aan de grote hoeveelhedèn staalschrot, die,vooral bij de invoering van het

Bessemer proces, niet meer konden worden verwerkt. In tegenstelling tot de convertorprocessen wordt hier een brandstof gebruikt, als bijvoorbeeld generatorgas, cokesovengas, teer, olie, enz.

De .M:artinoven gestaat gewoonlijk uit een langwE?rpige~[Jplatte

bak, de zool, waarover een gewelf is gebouwd. De brand-. stof en de lucht worden door kanalen aan de korte zijde

van de overi toegevoerd en strijken bij het verbranden over de smelt.

De warmte van de verbrandingsgassen wordt, afhankelijk van het proces, gebruikt voor het voorwarmen van gas en lucht of van de lucht alleen. Hièrtoe worden de verbrandingsgassen door de regenerator geleid, die ge-woonlijk onder de oven is gebouwd.

....

~

_~ . "6

or

Ook h;ier heeft men ovens met zure en basische bekleding. Men verwerkt erts, staalschrot en ruwijzer, die in de goede verhouding voor het koolstofgehalte samen worden versmolten. De duur van het proces bedraagt verscheidene uren en men heeft dus de gelegenheid de samenstelling van het bad regelmatig te controleren en zo nodig te corrigeren.

Het C-gehalte kan worden verlaagd met erts en staalschrot en verhoogd met ruwijzer, spiegelijzer, enz.

De oven wordt na het gaar worden van het bad door afsteken en bij wentelbare ovens door omkippen in de gietpan geledigd.

In ons land worden de Martinovens gebruikt voor het versmelten van staalschrot. Men voegt slechts zoveel' ruwijzer of g~etijzerschrot toe als nodig is voor het _, reduceren van d& roest van het staalschrot en voor het verkrijgen van h~t gewenste koolstof gehalte.

De tot nu toe besproken processen worden gebruikt voor de bereiding van constructie~ en machinestaal, dus koolstofstaal of de laaggelegeerde staal~oorten. De

bijzondere kwaliteiten staal en vooral de hooggelegeerde staalsoorten worden in k~oezen of in electrische ovens bereid.

Het smelten in kroezen wordt, behoudens in Engeland,

weinig meer toegepast. ]irissen heeft hierbij niet plaats, zodat de samenstelling van het schrot van te voren

bèkend moet zijn. Voor het legeren worden ferrolegeringen gebruikt. De kroezen zijn zo groot, dat zij met de

hand kunnen worden gehanteerd •

.

3. Elê.2.trischLoVêM·

Voor zeer zuivere en hooggelegee~de staalsoorten worden tegenwoordig meer en meer electrische ovens gebruikt. Hierbij onder~cheidt men:

a. ovens volgens ~i~~~anQ. Deze bezitten twee of ~rie electroden, welke boven het pad zijn geplaatst. De verwarming van het bad geschiedt door uitstraling

/

b. bij de Heroult ~ wordt een boog getrokken tussen de boven he t bad staande electroden en het bad. Gewoonlijk worden diieelectroden gebruikt, welke worden gevoed met draaistroom. Een deel van de warmte wordt verkregen door de Ohmse weerstand, die de stroom in de slak en de smelt ondervindt.

Een voordeel van de lichtboogovens is dat de slak een ho-ge temperatuur krijgt, waardoor de ~~ffinageprocessen

snel verlopen.

c. bij inductie ovens worden in het bad wisselstromen geinduceerd, welke door de Ohmse weerstand het bad ver-warmen.

Ze worden onderverdeeld in laag frequent en hoogfrequent ovens.

Bij de laagfrequent ovens dient het gesmolten metaalbad als secundaire wikkeling van een transformator. De

primaire. wik~eling bestaat uit een zeer groot aantal koper dra den.

De hoogfrequent ovens berusten op het verwarmen van een kroes met een induetiespiraal, die daaromheen is gewonden. Niet alleen wordt door de inductiestromen het bad ver-warmd, maar tevens wordt het in beweging gebracht v~aar­

door een betere menging en contact met de slak ontstaat. Electrische ovens bieden de volgende voordelen:

1. zeer hoge temperatuur

2. neutrale atmosfeer mogelijk

3. reducerende slak te gebruiken (hierdoor mogelijk grote hoeveelheden legeringseiementen in metaal te doen

opnemen). ~ Á..<- t-,"'~... ~

1

~.

Keuze van het Eroces.

Gegeven het feit, dat we constructiestaal zullen~fabriceren,

is de keuze val1 het proces nog van diverse factoren afhanke-lijk, o.a. van:

E1§~!~_~§~_Q~_f§~~~~~; bij plaatsing naast hoogovens kan men

goedkoop over yloeibaar ruwijzer beschikken.

in landen met vee 1 waterkracht zal electrische energie goedkoop zijn.

E~~j~_~~~_Q~_g~QgQ~~Q~~~g.

_,

verhouding in prijs van schrot en erts, fosforarm- en fosforhoudend ruwijzer.

We nemen aan, da t de fabriek wor dt geplaat st in Nederland ,

niet bij de hoogovens. ?-

(ij

~-~

1

In Nederland is de schrotverwerking aantrekkelijk, omdat hiervan over het algemeen een flink aanbod is, erts

daaren-tegen moet worden ingevoerd,

Op grond van het voorgaande zi jn de convertorprocessen niet aantrekkelijk, immers le hiGrvoor heeft men vloeibaar

ruwijzer nodig

2e schrot kan in de convertor niet wor den verwerkt

3e door het doorblazen van lucht bevat convertorstaal stikstof, wat het staal ongeschikt maakt voor_dieptrekwerk.

Blijft dus de keus tussen Siemens Martin- en electrische ovens.

Electrische ovens'worden in verband met de dure electrische energie alleen toegepast voor gelegeerd staal. Daa~ dit hier niet is vereist, kiezen we de Siemens Martin oven.

Bij de Siemens lVIartin ovens hebben we nog de keus uit: 1. wentelbare- en niet wentelbare ovens

2. ovens met basische en met zure bekleding

3.

gasgestookte- en oliegestookte ovens.

Çt'fe]_M~

.

ad 1. wente a ovens zijn zeer duur en alleen voordelig

~ bij grote maat oven (boven de 150 ton). Ze worden

~ geladen met een hoog percentage gesmolten metaal, omdat een zo grote hoeveelheid vast metaal niet binnen

redelijke tijd te smelten is. Wentelbare ovens komen hier dus niet in ~anmerking.

ad 2. Zoals eerder vermeld kan in een oven met zure bekleding slechts fosforarm ruwijzer worden behandeld. Aangezien dit aanzienlijk duurder is dan fosforhoudend ruwijzer en de bereiding van staal uit beide ongeveer dezelfde kosten meebrengt, kiezen we een oven met basische bekleding.

ad

3.

Voor de oorlog werden bijna a~le ovens met generator-gas gestookt, waarvoor een generator-gasgenerator moest worden gebouwd. Na de oorlog gaat men meer en meer over op

olie. Voordelen: ~

Ie groter hoeveelheid brandstof per m3 toe te voegen 2e dubbele voorwarmcapaciteit omdat alleen de lucht

behoef" te worden voorgewarmd .

.

Beide, punten h3 bben t ot gevolg groter smeltcapaciteit. De olie moe t tot ongeveer 500 C worden vo orgewarmd om he m pompbaar te maken.

We kiezen dus een vaste, basische Siemens Martin oven, welke met olie wordt gestookt.

Aangezien staal met 0,1% C weinig voor gietstu~ken wordt gebruikt, nemen we aan, dat naast de gieterij een walserij aanwezig is, waar de gietblokken worden verwerkt.

Het walsen gebeurt bij hoge. temperatuur. _,

Voordeel is nu, dat de' 'blokken warm naar de walserij kunnen, zodat men niet of weinig behoeft te verwarmen.

", Inrichting fabriek.

In het schema is een hal aangegeven voor opslag van ruwijzer, schrot en kalk. Hij bevindt zich onmiddellijk naast de

ovenhal. De grondstoffen worden hier aangevoerd met wagentjes op rails, getrokken dool.' diesel locomotieven. Ze worden met magneetkranen dadelijk uit de wagens of uit de opslag in de laadbakken gebracht. De laadbakken worden met'de kraan op het ovenplatform geplaatst.

De opslagruimte v~n grondstoffen naast de ovenhal verzekert een vlugge en regelmatige aanvoer van materiaal.

Êr moet een goede rangeergelegenheid zijn om vertraging bij de afvoer van lege wagens te voorkomen.

De laadbakken hebben de volgen de afmetingen: lang

±

1,90, m. , breed 0,80 m. en diep 0,40 m.

Met behulp van een chargeermachine worden de bakken in de oven geleegd. De chargeermachine heeft daartoe een lange,. holle arm met verbreed einde. Dit einde kan, na draaien, met behulp van een staaf, w~lke in de holte van de arm zit, worden vast gezet in een opening aan het eind van de laadbak. De chargeermachine draait dan l80~ om een verticale as en brengt de bak door een geopende deur in de oven. De bak wordt in de oven door omdraaien van de arm geleegd en daarna weer op de rand van het platform geplaa tst.

Kalksteen wordt op dezelfde manier in de oven gebracht. De chargeermachine 'kan beide ovens bedienen.

Snel laden van de oven verhoogt de productiviteit.

Een moeilijkheid is, dat de laadbakken niet groter kunnen worden gemaakt in verband met de grootte van I de ovendeuren

en de hoogte van het gewelf.

In de ovenhal staan twee Siemens Martin ovens opgesteld van 80 ton.

De oven wordt later uitvoerig behandèld.

Het gesmolten staal wordt via een goot opgevangen in een gietpan, welke de gehele lading van de oven kan opnemen. Met behulp van de kraan -wordt de pan boven één van de gietijzeren coquilles gebracht, welke op gietwagens staan

Om te voorkomen, dat de slak met het staal wordt meegegoten, wordt de gietpan gewoonlijk door een opening in de bodem geleegd.

De coquilles lopen naar boven enigszins taps toe voor het gemakkelijk lossen. Er zi jn coquilles voor het gieten van blokken van 2-5 ton.

Deze blokken worden op de wagens .lIEt een locomotief vervóerd naar de walserij, waar met behulp van een stroopkraan de

coquilles van de blokken worden verwijderd.

Nadat het staal uit de oven is. opgevangen in de gietpan, wordt de slak opgevangen in een slakkenkar.

il-!"

Nadat men de capaciteit van de oven hee1t gekozen, moet men de afmetingen bepalen.

Uit opgestelde grafi~ken (6 ) blijkt, dat voor een oven met een capaciteit van 80 ton de haardoppervlakte ± 35 m2 moet

zi~n. Lengte, breedte en diepte van de oven zijn beperkt. De lengte moet zodanig zijn, dat de vlam het hele ha~rd­ oppervlak gelijkmatig kan verwarmen (max.

16,5

m).

{ Breedte ~aximaal 4,5 ~, in verband met het herstel van de \ bodem tussen twee stookperioden in.

De diepte mag niet meer zijn dan 1 m. daar onvoldoende warmte krijgt.

anders de bodem De ovenhaard wordt gebouwd in een kast van staalplaat van + 2 cm dik. Deze kast rust op profielstaven, welke worden gedragen door goed gefundeerd metselwerk. In dit metselwerk bevinden zich de regeneratoren.

De ovenhaard wordt opgebouwd met magnesiet. De magnesietlaag is 30-35 cm dik. Onder de -magnesiet komt in de hoeken vuurvaste steen om de vormgeving te vergemakkelijken.

Hierna wordt gedroogd door een gasvlam in de oven te branden. Droogt men onvoldoende, dan kan bij een volgende droging

stoomvorming in de ~gnesiet optreden, met als gevolg scheuren. Na het drogen wordt een laag magnesiet specie op-gebracht. Dan wordt op de volgende wijze gedroogd: men legt een houtvuur aan en stuurt dan gas in de oven met langzaam toenemende hoeveelheid. Pas na + 3 - 5 uur wordt de richting

D - ~e._

van de vlam omgekeerd. eze duur ba ngt van opwarmsnelheid af. Dan langzamerhand vlugger omkeren tot een periOde van

10-20 minuten is bereikt. Dit omkeren geschiedt door de toevoer naar de ene brander te sluiten en naar d~ andere te o~enen.

Men blijft stoom doorsturen opdat de brander niet wordt afgesloten door slak, enz.

De methode van drogen beInvloedt de levensduur van de oven aanzienlijk. Te vlug opwarmen in de buurt van de overgangs-temperatuur kan belangrijke schade opleveren. (2)

.Nadat de oven de ·werktemperatuur heeft bereikt, wordt korrelvormig dolomiet ingebracht en verdeeld, zo, dat een goede vorm ontstaat. Dan wordt een hoeveelheid basische

slak toegevoegd en gesmolten. Hen verdeelt deze over de .. oven. Een deel van de slak vult de ruimten tuàsen de do-lomietkorrels, waarbij deze samen worden gebonden. Het surplus gesmolten slak wordt afgetapt. Tegelijk wordt het tapgat geconsolideerd. Het is belangrijk, dat de oven gelei-delijk afloopt naar het tapgat, aangezien dit opeenhoping ·van corrosieve·slak voorkomt. Bovendien zijn weinig hellende

wanden van belang, opdat bij herstel tussen twee stookperio-den het ingebrachte dolomiet blijft liggen op de aangetaste plaatsen.

De oven is nu klaar voor het gebruik. Up dit gebruik wordt 'later ingegaan.

Het gewelf wordt tegenwoordig van chroommagnesietsteen gemaakt. Dit brengt een andere gewelfconstructie mee omdat de stenen veel zwaarder zijn dan s11ica en bij de gebruiks-temperatuur zwakker. De stenen van het gewelf worden daarom opgehangen. Dikte gewelf ± 30 cm. Het materiaal'voor het gewelf is zeer belaegrijk, omdat de levensduur hiervan ge-woonlijk de gebruiksduur van de oven bepaalt. De silicasteen, welke vroeger meestal werd gebruikt, beperkte de maximum

temperatuur in de oven tot ongeveer 16800 C. Dit liet slechts een gering temperatuurgebied over, waarin men kon werken omdat 1550 - 16000 C de laagst mogelijke af tap-temperaturen zijn voor de verschillende soorten staal.

Chroommagnesietsteen laat een temperatuur toe, welke ongeveer 1000 C hoger ligt;r Het gewelf gaa~ 150 - 400 keer mee.

Aan de voorzijde yan de oven, tegenover het tapgat, zijn vier laaddeuren aangebracht. Deze worden met water gekoeld met· het oog op de bediening. Om de deur is ook waterkoeling

om een sterke temperatuurschok in de bekleding bij het laden te voorkomen. (1)

De poorten van de oven waardoor de voorgewarmde lucht binnenkomt en de verbrandingsgassen ontwijken, moeten een goede menging geven tussen de toegevoerde lucht en de

3:: Tegenwoordig heeft men pyrometers vQor het gewelf, welke gekoppeld zijn met de brandstoftoevoer.

verstoven olie. Afmeting en vorm van de poort bepalen de

gassnelheid. De poort wordt gemaakt van chroommagnesietsteen. Er zijn vele poorten ontworpen. Het belang van de poort

blijkt uit het feit, dat de I,S.I. een "Special Report" wijdde aan "the influence of port design on open-hearth furna ce flame s " .

Gedurende het stoken van de oven worden met de

verbrandings-g~ssen grote hoeveelheden stof, fijn verdeelde Fe-oxyden,

druppeltjes slak, kalk, enz., meegevoerd. Di~ kan de

regenerator verstoppen. Daarom zijn slakkenkamers gebouwd tussen de oven en de regeneratoren. Ze moeten flinke afme-tingen hebben om veel stof te kunnen opvangen en daardoor de regenerator langer in gebruik te doen zijn.

Het bovendeel van de regeneratoren wordt, in verband met de hoge témperatuur, gemsakt van silicasteen en het onderdeel van vuurvaste steen.

De verbrandingsgassen, welke de regenerator in gaan, hebben een temperatuur van ong. 16000 C. 'Zij verwarmen de stenen vulling. Na" enige tij d wordt de luchtstróom door de zojuist verwarmde regenerator gestuurd. De toevoerleiding van de lucht splitst zich daart~e in twee l~idingen, naar iedere regenerator een. Door de in deze splitsing aangebrachte klep t-e draaien kan men de toevoer naa.r een regenerator verande-ren in een afvoer naar de ~chporsteen en omgekeerd.

1.fI~~W\. 'I Bij van tot 1'nfM. ~ ~

oliegestookte Siemens Martin ovens is de oven slechts één regenerator nodig de gas gestookte ovens.

aan beide zij den in tegenstelling De ruimte, waardoor de brander wordt toegelaten, heeft zodanige afmetingen, dat de richting van de vlam enigszins kan worden gewijzigd.

De oliebrander heeft een waterkoeling voor het deel, dat in de oven is. Zijn functie is de olie te verstuiven. Dit

/

I~

verstuiven is goede menging met de lucht te verkrijgen. Theoretisch is uit een,oogpunt van verbrandi~g lucht beter, maar stoom is goedkoper en geeft beter verstuivi~g.

De warmte in de afvoerleiding van de regenerator kan men gebruiken voOr het maken van stoom. Temperatuur van de afvoergassen is 500 - 5500

c.

Keuze grondstoffen.

De Siemens Martin oven laat het gebruik van verschillende grondstoffen, toe. Een hoog Si gehalte moet men vermijden,

omdat een zure slak de voering aantast.

De analyse van het ruwijzer moet aan de volgende eisen voldoen:

C

3,0 - 3,6

%

Si 1,0% maximaal S 0,06

%

maximaal ~ 1,0 - 1,5

%

Mn, 0,5 - 3,0%

De werkelijke samenstelling hangt af van het gekozen proces. Bij koud ruwijzer en veel schrot is een hoog C gehalte een

voordeel in verband met de oxyden in het schrot. Laden van de oven.

Men brengt licht schrot op de bodem als bed voor de kalk. Dit voorkomt het aanbakken van de kalk aan de bodem evenàls beschadiging door zwaar ruwijzer. Dan wordt het schrot

opgebracht, daarna het ruwijzer.

Het doel van de ka lk is de te ve:rwij deren bijmengselen te oxyderen, zich er mee te verbinden en een vloeibare slak te vormen, welke gemakkelijk kan worden afgegoten •

_.

De kalk dient bovendien om oxydat~e van'het ijzer te voor-komen. De vloeibare laag kalk scheidt namelijk het metaal-bad van de oxyderende ovenatmosfeer.

Kalk wordt toegevoegd van 4,5 - 6% van de lading.

Het smelt~.

We stoken de oven nu zeer. fel om de lading vlug te smelten. Echter niet zo, dat het gewelf te heet wordt. Door de over-maat lucht ( we werken met 10% overover-maat) is de atmosfeer

oxyderend, daardoor treedt wat ijzeroxydevorming op.

~r ontstaat een scheiding tusse~ metaal en slak, doordat de slak op het gesmolten metaal:gaat drijven. Indien nodig kan het smelten van de kalk'worden geholpen door toevoeging van wat vloei.spaath (Cal!'2)' Men mag hiervan niet t.e veel gebruiken, omdat het giftige fluor damp geeft en de slak niet als kunstmest kan worden gebruikt.

, I

Reacti~in het bad.

De koolstof wordt verwijderd door een 'reactie tussen ijzer-oxyde en koolstof:

C + PeO ~ CO + ]'e waarbij het gevormde CO als gas ontsnapt.

Het is een endotherme reactie; hij veroorzaakt een borreling (het kOkeü) van het bad, die van fundamenteel belang is. Dit koken helpt bij:

lee het overbrengen van warmte in het metaalbad

2e • het verbeteren van het slak-metaal contact en verbetert daardoor de zuivering van het metaal.

3~ het overbrengen van de oxydatie producten naar de slak, welke anders als metalloid insluitingen in het metaal blijven.

4è • het verdrijven van de waterstof en andere ingesloten gassen.

Gedurende het smeltproces kunnen aanzienlijke hoeveelheden H

2 worden ingesloten. ?e gassen, welke in het gesmolten metaal zijn opgelost, zullen worden opgenomen in de bellen, gevormd door het CO en op deze manier worden verwijderd.

De voortgang van het koken controleert de smelter door monsters staal en slak te nemen. Een kleine lepel staal wordt uit

het bad gehaald, zo, dat een laagje slak terbescherming om het metaal blijft. Dit monster wordt in een kleine vorm

gegoten. Het breukvlak van het proefstuk geeft een aanwijzing voor het C gehalte. Voor verdere cont~ole wordt dit monster naar het chemisch laboratorium, dat in.verband met goede bedrijfscontrole aanwezig moet zijn, gestuurd. Hier wordt ana lyse van het~. C, Mn, P en S geha 1 te uitgevoerd. De slak,

wordt onderzocht op Fe percentage. Dit onderzoek duurt 10 à

20 minuten. Het koken kan worden ondersteund door het ge-bruik van de zuurstoflans. Dit is een stalen buis, waardoor

zuurstof wordt geperst, juist beneden het oppervlak van het gesmolten staal. Voordelen gebruik zuutstoflans:

lee doet temperatuur bad stijgen 2e • C in bad wordt vlug geoxydeerd.

De verwijdering van P vfundt plaats in 3 etappes. Het wordt eerst geoxydeerd tot P₂0

5• Dit oxyde vormt tijdelijk

ijzerfosfaat. Het fosfaat is echter zeer onstabiel. Het kan alleen bestaan in een sterk oxyderend milieu. Daarom gàat het later over in, een stabiel calciumfosfaat.

.

.

De exotherme aard van deze laatste overgang is oorzaak, dat men P niet kan verwijderen in een zeer hete oven.

Is de oven te heet, dan moet men het bad afkoelen door toevoeging van koud schrot. Bij hoge temperaturen wordt

de C v66r de P verwij~erd

(13).

De vo~m, waarin P in de slak overgaat, is van diverse factoren afhankelijk. Genoemd worden: 5 CaO.P₂0

5·Si02 3 CaO.P 205 en bij toevoegen van vloeispaath aan de slak.

3( 3

CaO.P

2

05)

CaF

2

•

Zwavel. Gedurende het smeltproces worden aanzienlijke veelheden zwavel uit de ovenatmosfeer geabsorbeerd. De hoe-veelheid blijkt afhankelijk van de hoehoe-veelheid S, welke de brandstof bevat en de tijd, gedurende welke èr contact vlam-vaste stof is. De hoeveelheid S, welke wordt geabsor-beerd na dat de afdekkende slak is gevormd, toont een da ling,. De S-opname geschiedt volgens

U3):

3 Fe + S02 ~ FeS + 2 ~eO 10 ]!, eO + S 0 2 ~ J!' e S + 3 ]' e 304

Beide reacties zijn exotherm en daarom zal de opneming van S minder zijn bij hoge, dan bij lage temperatu~.

Snel heet smelten zal de S.opneming in het metaalbad doen verminderen.

Het gevolg van toevoeging van ~erromangaan aan het bad is het uiteenvallen van ijzersulfide en de vorming van mangaansul-fide, die samenballen met de slak, aldus:

\

FeS + Mn ~ MnS + Fe

Deze reactie is echter niet volledig eneg@mengd sulfide van ijzer en mangaan wordt gevormd, welke zowel in het metaal als in de slak kan bestaan.

De constante van deze reactie is:

Ks

=

S.Mn

äls het ijzer verzadigd is aan MnS."

Deze reactie wordt teve'ns beinvloedt door de temperatuur. Dalende temperatuur doet de reactie naar rechts verlopen. De oplosbaarheid van MnS in ijzer vermindert bij dalende temperatuur .

Deze beide factoren zijn verantwoordelijk voor de ontzwa~eling

door mangaan."

Silicium. Wordt spoedig in~de basische oven verwijderd en gaat over in de slàk als dicalcium- of tricalciumsilicaat

(2 CaO. Si0

2 ' 3 CaO. Si02)·

Mangaan. Wordt in de basische S.M. ovea verwijderd volgens: l1n + :b'eO ~ MnO + ]'e

waarbij de MnO in de slàk over@aat.

De snelheid van de reactie zal worden beinvloed door de ijzeioxydconcentratie, welke in de slàk aanwezig is.

De manga~nreactie wordt eveneens beinvloed door de CaO

con-centratie. Toeneming hiervan in de slak bij actief koken kan tot gevolg hebben de reductie van Mn oxyde en terugkeer van Mn in het bad.

Het-B,ieten.

Zodra de smelt in de oven "gaar" is, wordt hij in de gietpan overgebracht. Het tapgat wordt daartoe" ~t een hamer en een lange staaf opengestoten. Eerst komt het metaal, dan de slak.

'-

_.

Men moet zorgen zo weinig mogelijk slak in de pan te krijgen, want hij kan de voering van de pan beschadigen. Bovendien kan, indien men met'spiegelijzer het staal wil opkolen, weer P in het ijzer terugkomen, door reductie van het in de slak aanwezige calciumfosfaat.

17

Spiegelijzer bevat 0,2 - 1,2

%

Si, 4- 5

%

C en 5 - 30

%

Mn.

Men laat het vloeibare staal enige tijd in de gietpan staan om slakdeeltjes de'gelegenheid te geven naar het oppervlak te stijgen. Sommige slakdeelt jes hebben een ge,ring stijgend vermogen. Men 'heeft dus een grote kans, dat zij in het

materiaal achterblijven. Bovendien zijn in het vloeibare staal

gas~~ls

02' N₂, CO en H₂ opgelost. Deze gassen zijn bij

lager temperatuur minder in het staal oplosbaar. Bij het stollen vormen zich dus gasbellen, welke ten dele in het gestolde materiaal aanwezig blijven. Voor gmetblokken, welke moeten worden gewalst, is dit niet zo erg, daar zij bij het walsen worden dichtgedrukt.

Na het gieten wordt de oven gehe'el geleegd.

Hierna wordt de bodem hersteld door met een schop dolomiet over de bodem te verspreiden en er ontstane putten mee te vullen. Met volle olietoevoer wordt even gestookt opdat de

~olomiet smelt en aan de oven hecht, zodat het bij het volgen-de lavolgen-den niet van volgen-de bovolgen-dem loslaat.(3).

Tijdschema: Laden duurt Smelten 11

Omzetting en gieten

Inspecter~n en herstellen totale tijd

Instrumentati~ Siemens Martin o~.

±

±

+

±

±

5 uur 3-à- 11 2~

_"

1

_"

12 uur

Tegenover de oven is een meetpaneel gebouwd, waarop men de waarden van de diverse metingen kan aflezen.

_,

~

Ei

zijn meters voor:

de hoeveelheid olie, welke per uur wordt verstookt

re.

de hoeveelheid lucht, welke door de generator gaat

de kamertemperatuur } stralingspyrometers

de temperatuur van het gewelf

de voorwarmtemperatuur van de olie

materiaal gewicht C in kg.

_%

~ew. t kg. ruw ijzer 20.000 3,

oe

600 schrot 60.000 0,15 90 totaal 80.000 690 geprodu-ceerd staa 1 0, OS 72 geoxydeerd 618

Ge deel te lijke lYlateriaalbalans.

Mn p Si S Fe

%

~ew. _kg.

%

fSew. _kg.

%

l5 ew • _kg.

%

gt:lvv. _kg.

%

0,60 120 1,40 280 0,25 50 0,065 13 94,68

o

,

60 360 0,05 30 0,10 60 0,05 30 99,05 . 480 310 110 43 • 0,31 239 0,032 25 -

-

0,040 31 99,50 241 285 110 12 .

totaal geproduceerd: 77,8~Q~ staal.

gew. kg. 18.900 59.400 78·300 77.400 900 t-' en

19 Warmtebalans van de metallurgisQhe_~ctie~.

Materiaa lba lans.

Gebruikt: 60 ton schrot (75%) 20 ton ruw ijzer (25%) 80 ton.

Gebruikt: 4,85 ton kalksteep met 95,2% Oa00_{3 d.i. 4630kg Oa003·} Dit kan leveren

l~~

x 4630

=

2039 kg 002'

Men neemt aan (11), dat 1/3 hiervan ontwijkt als 004· 2/3 reageert met 371 kg 0 uit de smelt en geeft 00.

Er blijft dus 247 kg 0 uit de smelt te oxyderen. Dit gebeurt met zuurstof uit de lucht.

VolgensL.S. Darken (11) wordt 1/10 van deze 0 geoxydeerd tot CO

2 ' terwijl 9/10 tot CO wordt geoxydeerd. In totaal ontwijkt dus:

1/3 van 2039 kg CO 2 • • • • Cl • • • 2/3 van 2039 kg 0°2 geeft

....

24,7 kg 0 geeft • • 0 • 0 • • • • • • • 222 kg

o

geeft • • • 0 0 0 • 0 • • • • 0 • kg CO₂ 680 90,5 kg CO 1730 2.1.~_ + 771 kg CO2 2248~g. CO We stellen het vochtgehalte van het ertà op 5%. Toegevoegd werd 1,7 ton, waarvan dus 85 kg water was.

Vochtgehalte schrmt 0,1% van 60.000 kg

=

60 kg. Samen 145 kg. water.

Men neemt aan, dat 20% hiervan gereduceerd wordt tot

H

_{2 ,} 16

dat levert dus 0,2 x 145 x 18 = 25,8 kg zuurst of . ( 11) Er was 12,0 ton slak met daarin 16,7% J!'eO en 3,1% J!e'203. Er werd 1700 kg erts gebruikt met een Fe percentage van 55.

....

, ,.:... .. _, " !"': •. Zuurstof balans.

Zuurstof verbruikt als: CO 2 = 771 x

-.2.L

_{= 561 kg} 44

co

= ₂₂₄₈

hL

_{= ·1285}

"

x ₂₈ 51°2 = 110 x

--2L

28 = 126

"

MnO ₌ 241 x

-1L

= 70

_"

55 P205 285 . x . 80 368;

_"

=

_{6 2}

= 8°2 = 12 x

-2.L

32 = 12

"

FeO = 12000 x 0,167 x

n-

16 = 444

_"

]'e 203 = 12000 x 0'031

,

. _x ~ ₁₆₀ = 112

"

2978 kg 02 Zuurstof geleverd door:

Erts ~ ₁₇₀₀ x 0,55 ·x ~ ₁₁₂ = 401 kg Eialk 4630 x

--2L

1482 11

100 =

Vocht ( zie voor) = 25,8"

1909 kg Er moet dus door de lucht worden geleverd 1069 kg O

2

Warmte ba lans.

De balans wordt berekend per ton gefabriceerd ataal .

.A ls standaard temperatuur wordt genomen 20°C. Hit de oven verdwijnende warmte:

Warmte in het-&~&Qi~~iaal

Bij de giettemperatuur van 1605 0C is de warmte inhoud van het staal 333 kcal/kgr,. dus per ton staal 0,3333 x 106 kcal/ton. Warmte_in de slak:

~.

.-..

inhoud bij deze. temperatuur is 488 kcal/kg. Per ton staal

dus 12000 x 488 = 75.300 kcal

=

0,0753 x 106 kcal/ton. 77,8

Warmte in de ontwijkende gassen:

In hiliofdzaak zijn dit CO, CO₂, H_{2 en H20. Als gemiddelde} temperatuur, waarbij. deze uit de slak on.twijken, is 15100C genomen. Voor ieder gas wordt de warmte inhoud vermenigvuldigd met de hh in kg per ton staa 1.

Hoeveelheid waterstof: er wordt 20% van de 145 kg water

=

29 kg

ontleed; dit levert 29 _{x 18} 2

₌

3,2 kg H2"0n6ntle ed ontweek er dus 116 kgH2O. CO 2

TZI

77,8 x_ 42~

=

4.242 CO 2248 x 11SL 12.110 77,8

=

H₂0 116 x 822 1.225 77,8

=

H 2 2..:.2x !2400 77,8 .

=

222 17.799 kcal/ton

₌

0,0178 x 106 kcal/ton.

I Warmte nodig voor ontleding_CaC0

3: Er is 4630 kg CaC0 3. 4630 x 424

=

25.2QO kcal/ton

=

77,8 0,0252 x 10 6 _kcal/ton. Warmte nodig om het water.te ontlede~:

Er is 3,2 kg waterstof gevormd. Per kg waterstof is nodig 28,7 x 103 kcal.

1180 kcal/ton

=

0,0012 x 106 kcal/ton. Warmte nodiB-Y,oor ontle ding ert ê,.:

Het erts bevat 1700 x 0,55

=

_{935 kg ijzer, dat als Fe 203} aanwezig is. Voor ontleding hiervan is nodig:

~!2

x 1750

=

21.060 kcal/ton

=

0,0211 x 106 kcal/ton. 77,8

Verbtandingswarmte van d~ koolstof: Deze bestaat uit drie delen:

1. het deel van de C dat tot CO wordt geoxydeerd door de CO

2 uit de kalksteen. Voor de oxydatie van 1 kg 0 is 3440 kcal nodig Hier:

3ii,~ 314~

= 16.400 kcal/t =' 0,0164 x 106 kcal/ton.

2. het deel van de C dat door luchtzuurstof tot· CO wordt geoxydeerd, d.i. 222 kg. Dit levert:

2227~,~450

= 6.980 kcal/t = 0,0070 x 106 kcal/ton. 3. het deel van de C C24,7kg) dat door de luchtzuurstof tot 002 wórdt geoxydeerd levert:

21,7

x7~~~0

=

2.568 kcal/t

=

0,0026 x 106 kcal/ton. Het eerste deel is een endotherme reactie.

, . 6

De totale vrijkomende warmte bij 2 en 3 is:O,0096xlO kcal/ton. Voor verbranding van C dus nodig: 0,0068 x 10 kcal/ton. 6

Warmte van de uii, de . lucht verbruikte~~sto~:

o .

Indien we de temp. van de zuurstof op 1600 Q nemen, dan is de voelbare warmte per kg 405 kcal. De opgenomen hh 02 is 1069 kg (zie zuurstofbalans). We vinden dus

106~7~840~

=

5560 kcal/ton

=

Verbrandingswarmte ygn het Mn:

0,0056 x 106 kcal/ton

Er wermt~41 kg Mn geoxydeerd, dit levert:

241

~7~~84

=

5.525 kcal/ton

=

0,0055 x 106 kcal/ton

Verbrandingswarm~e van de Si:

Geoxydeerd wordt 110 kg Si; hierbij komt vr~J

110 x 7830

=

11.070 kcal/ton

=

0,0111 x 106 kcal/ton 77,8 VefQ~Qingswarmte van de ~: 285 kg P l'evert

2857~, ~362.

=

0,0219 x 106 kcal/ton Verbrandingswarmte van de S. 12 kg S 12 x 2240 geeft - r 7 . 8 - = 0,0003 x'106 kcal/ton

Oxydatie van het ijzer:

In de ~lak was 16,7% :bleO en 3,1% ]l_{e2 03 • Dit komt overeen met}

~

x 16,7

=

13,0% FeIl d.i. 1560 kg ijzer. En

112 d

160 x 3,1

=

2,27" ]1_{eIII d.i.} 264 kg ijzer.

Achtereenvolgens komt bij de vorming hiervan vrij: 1560_x 115 8

=

23.200 kcal/ton

77,8

264 x 1750

=

77,8 5.930 kcal/ton$

29.130 kcal/ton Vorming, van 2 CaO.Si0

2•

=

0,0291 x 106 kcal/ton. Het gevormde Si0

2 vormt met CaO mn de slak 2 CaO.Si0 2.

Per kg zo gebonden CaO komt 306 kcal vrij. In deze verbinding komt naast 112 g CaO 28 g Si voor. Hier is 110 kg Si geoxydeerd, zo-dat de ontwikkelde warmte wordt:

110 x 112 x 306

=

1.730 kcal/ton =

28 x 77,8

Vorming van

2

~aO'P2Q5·

0,0017 x 106 kcal/ton.

Het geoxydeerde fosfor ~erbindt zich tot 3CaO.P205. Per kg ge-bonden CaO komt 975 kcal vrij. Er wordt 285 kg P geoxydeerd,

zodat de vrijkomende warmte is:

285 x 168 E 275

=

9.670 kcal/ton

=

62 x 77,8

V~branding _{van CO en H2•}

0,0097 x 106 kcal/ton.

De CO en H

2worden door de luchtzuurstof geoxydeerd. Devrijko-" mende warmte komt slechts voor een deel in slak en metaal terug.

Het nuttig effect hiervan wordt op ±20% gesteld, wat overeen-komt met het totaal nuttig effect van de brandstof.

2248 kg CO verbrandt

224~

x 2420

"77,8

tot CO

2• Per kg CO levert dit 2420 kcal.

kcal/ton. 3,2 kg H₂ levert per kg 29.150kcal

=

ei.~850

2.1.~û9.!.l.22-'77 ,8 - 1197 11

~

111

..

Warmtebalans van de metallurgische reacti~s

in 106 kcal per ton "geproduceerd staal

g~~_h~~_È~g_~~!~~jg~!g~-~~!~~~ ~~Q_h~!_È~g_!Q~g~YQ~!g~_~~!~!~

Warmte in het staal _{0,3333 Warmte in °2 uit de lucht 0,0056} ti _{in "de slak' 0,0753}

"

van oxydatie Si 0,0111

"

in ontweken ga ssen 0,0178 11

"

"

Mn 0,0055

" "

"

p 0,0219

"

voor ontleding CaC0

3 0,0252

"

voor ontleding water

o

,

0012

_"

11

"

s

0,0003

11 _{voor ontleding erts 0,0211} 11

"

"

:B'e 0,0291

11 _{voor verbranding C 0,0068}

"

_{van vorming 2 CaO.Si0 2 0,0017}

11 "

"

ti

3 CaO'P205 0,0097

11

van oxydatie H2 en CO 0,0142

"

uit de brandstof nodig 0,3816

totaal 0,4807 0,4807

======== ========

Aan het bad moet dus 0,3816 x 106 kcal/ton geproduceerd staal worden toegevoerd.

Qnz~~~rh~Q~rr_!~Q~~~_Q~lall~: 1. de"mate, waarin de CO

2 uit de kalksteen met de C uit het metaal reageert.

2. het percentage H

20 in de lading en het ~eel van dit H20, dat door het bad wordt gereduceerd.

3. de gemiddelde temperatuur van de gassen bij het ontwijken uit het vloeibare metaal.

Warmte balans van de Siemens 1~rtin oven .

•

Moeilijkheden bij de berekening van de warmtehoeveelheden in de oven zijn o.a.:

1. Verdeling van de brandende gassen voor- ieder deel van de oven is zeer ingewikkeld en varierend met de tijd, zodat het bijna onmogelijk is juiste gemiddelden te bepalen van de stroomsnelheid en de temperatuur op ieder punt.

2~ Door uitzetting en krimp van de ovenwanden ontstaan scheuren, waardoor lekkage optreedt, welke van dag tot dag varieert. Deze lekkage geeft toevoer van meer of minder voorgewarmde lucht.

3. In de ovenhaard wor den de wanden door aanta st ing dunner waardoor de warmteverliezen toenemen.

4. De weg van de verbrandingsgassen door de regenerator is niet dezelfde als de weg van de voor te warmen lucht. In verband met deze moeilijkheden zijn bij de bepaling

van de warmtebalans enige aannamen gemaakt en vereenvoudi-gingen toegepast, welke echter slechts weinig invloed hebben op het eindresultaat.

Volgens practijktabellen

(12)

nemen we aan, dat voor een oven van 80 ton

±

1,3 x 106 kcal/t on staa 1 nodig is.

Deze waarde klopt redelijk met opgaven in "Stahl und Eisen"

( 6), namelijk 1,4 -1,5 x 106 kcal/ton en een opgave van "Demka ": 1,1 x 106 kcal/ton.

We stoken met een olie, welke per kg 10,3 x 103 kcal levert. Per ton staal is dan nodig l~k& olie.

Samenstelling van de olie is: 87 , 2 7'~ C, 11,2% H, 0,'4 1~ N, 0,6 % 0, 0,6%

s,

s. g. 0,95. ~a~iua_~aA_h~~~~lh~i~_lucht_QQd~YQor~~~~~aQQi~ 2325 g 02 896 g 02 6 g 02 3227 g 02

L uc ht b

eva

t 23

,

gew1c ° ht sprocen en t O d 2' us no dO 19 202,2,723--14020

Als we aannemen, dat de lucht 0,9 % vocht bevat=126g en er is (zie boven)

+ 3227g0j3353g

t

gJ..ucl:

dan is er verder ± 10667 g N₂

Theoretisch benodigde hoeveelheid lucht is dus:

14020 . 3

1,2928 = 10,84'

Nm

0

We nemen 10% overmaat lucht. Dit bevat: 0,9

%

_{H 2 =}

°

13 g H 20 23

%

'0 2 = 322 g 02 en _{1067 g N2} 1402 g lucht. Eallal~_aamau~iallina-au-hQaY~h~~YaQ_~_Y~~Q~anding~­ Ilr.rui1illian. •

Voor "verstuiving" van de olie is nodig 380 g stoom per kg olie",.

--'\ .~ Jf ol 1. 2. [fl ft \ ..liJ 27 Er ,ontstaat dus: CO 2 H20 N2 °2 S02

3197 1008 12 gram; veibrandingsprod. oliè .. 126 10,667

_"

rest v. d. lucht

13 1.067 322 ti _{10% overmaa t lucht}

380 11 _{stoom voor IIve rstuiving"}

3197 1527 11.738 328 12

₌

16.802 gram

1,977 0,810 1,251 . 1,429 2,927 dichtheid in gil

1.615 1.884 . 9.380 229 4

₌

13.112 1

=

13,11 Nm3 verbr. producten. Dit komt dus neer op de volgende percentages:

12,3

%

CO₂, 14,4

%

H

2O, 71,5

%

N2 , 1,8% 02

,

samBa 100

%.

Nodig voor 126 kg o lielt on dus:

126

x

10,84

₌

1367 Nm3 lucht (theoretisch) • Er ontstaat:

126

x

13,11

₌

1655 Nm3 verbrandingsgas.

Uit de smelt ontwijkt bovendien nog (zie voor):

2248 kg CO en 771 kg CO 2 de CO verbrandt tot 44 x 2248

₌

3538 kg CO 2 28 ₊ -4309 kg CO 2

Per ton staal is dat 42°9

₌

28,0 Nm3 CO₂

77,8 x 1,977 3,2 _{kg H2 '} dit levert 28,8 kg H₂0

Dat is per ton 28 8" 2

=

0,46 Nm3 H20 77,8 x 0,810 +

-28,5 Nm3 Totale hoeveelheid verbrandingsgassen is dus 1683 Nm3 . Het blijkt uit metingen, dat de temperatuur v§n de gassen bij het verlaten van de ,ovenruimte slechts varieert in een nauw temperatuurgebied van 1540 - 1590 0 C. We zullen geen

grote fout maken als we voor deze temperatuur 15700 0 aannemen.

De s. 'IN. van de verbrandingsgassen tussen 20 en' 15700 0 is

0,392 gcal/l 00 • Deze gassen bevatten dus in totaal aan voelbare warmte:

1683 x 0,392 x(1570-20)

=

1,02 x 106 kcal/ton.

~erekening warmteafgifte aan inkomende lucht in re&~n~rator. Uit grafieken (ll)blijkt, dat het nuttig effect van een

regenerator bij oliestook, een luchtlekkage van 10-15% en een voor dit tonnage geldend oppervlak van het stapelwerk bij een diepte van 5,3-'5,4 m., ongeyeer 60% is.

In de regenerator treden warmteverliezen op door geleiding en straling. Daarom nemen we voor de temperatuur van de inkomende verbrandingsgassen niet 15700, maar een tempera-tuur van 14050 O. Deze waarde is uit ervaring gebleken (11).

De soortelijke warmte van de verbrandingsgassen tussen

1425 en 200

=

0,385 gcal/l 00 •

,

De voelbare warmte is dus:

1683 x 0,385.x (1405 - 20)

=

0,897 x 106 kcal/ton.

Hiervan wordt aan de voor te warman lucht 60% afgegeven, dus:

0,538 x 10 6 kcal/ton.

De theoretische luchthoeveelheid was 1367 Nm3;ton. We wensen een overmaat van 10%, dus totaal 1504 Nm3/ton..

Veronderstellen we een luchtlekkage van 15% lucht in de oven, dan gaat er 95% van de theoretische luchthoeveelheid door de regenerator,

d.l.:~

x 1367

=

1299 Nm3/ton.

o 0 .

Lucht heeft tussen 20 en 1100 C een S.w. van 0,340 g~al/l C. De temperatuur, waartoe de lucht wordt voorgewarmd, is dan:

_ _ ....;:O:...J.,..:.,5..:.,3L- + 200

=

-. .,

Bij de aangenomen omstandigheden is het warmteverlies in dè regenerator: 1,02 - 0,897

=

De regenerator geeft aan de voor te warmen lucht af:

Warmte, ?an regenerator afgegeven:

0,12 x 106 kcal/ton

0,54 x 106 kcal/ton 0,66 x 106 kcal/ton Warmte van de gassen, welke de schoorsteen ingaan~

0,897 - 0,538

=

0,359 x

io

6 kcal

Met deze gegevens stellen we de warmtebalans op. Warmtebalans van de Siemens Martin oven

in 106 kcal per ton geproduceerd staal. 1,30 Warmte opgenomen door

+

Verbrandingswarmte 'olie Voelbare warmte in

voorgewarmde lucht

metaalbad 0,38

0,54 Warmte aan regenerator

afgegeven 0,66

Warmte, welke door de

schoorsteen verdwijnt 0,36 Door oven upgenomen en

uitgestraalde warmte 0,44

1,84 1,84

========= ===========

De 0,54 x 106 kcal/ton is het deel van de opgenomen warmte, dat heen en weer gaat tussen de regeneratoren.

Veel groter is de warmtehoeveelheid, welke in de steen-vulling wordt opgenomen gedurende het gebruik van de oven. Bij regelmatig gebruik blijft deze warmte grotendeels

behouden. Hij gaat verloren, indien men oven en regenera-toren koud laat worden (reparaties, andere onderbrekingen).

Van de toegevoerde 1,30 x 10 kcal/ton woràt aan het bad afgegeven 0,38 x 106 kca I/ton.

Het netto rendement is dUs=~~=~

Dit is laag, maar om staal te maken in een Siemens lilartin oven moet de oven op zeer hoge temperatuur worden gehouden omdat de warmte van boven, via de slak, aan het bad moet worden toegevoeré

6

Om de oven op deze hoge temperatuur te houden is 0,44.iJX 10 kcal/ton nodig. Zo gezien is het nuttig effect

~:~6

x 100 ojo

=

=g~=~

.

Het warmteverlies in de regenerator is

~10,1320

x 100 do

7" =

=~:?:&=~

van de toegevoerde warmte.

Ten slotte een figuur, waarin de verdeling van de warmtestroom duidelijk is te zien.

De warmtehoeveelheden zijn uitgedrukt in procenten van de door de olie toegevoerd~ warmte.

100%

ve ebrandir: 3svvarmt e olie warmt4verlies oven

. ,7cJa

I V'iarmtereact ie s • in bad lucht SJ ~ 2% 'warmte-ver lie s in de regenerator

Berekening van de regenerator.

Hiervoor wo'rdt een methode van

o.

Jenne gevolgd, beschre-ven in Radex-Rundschau (14). Deze methode wordt

uitvoe-rige~ door Jenne behandeld in zijn proefschrift,

verde-digd aan de Montanistische Hochschule te Leoben.

Het temperatuurverloop i~ de regenerator,uitgezet tegen de regeneratorlengte, is weer te geven dom~ een functie T = Ae-x . Uitgezet tegen een lineaire verdeling van de regeneratorlengte geeft dit een kromme. Jenne maakt het temperatuurvaioop lineair, waardoor op de as van de rege-neratorlengte een ongelijkmatige verdeling ontstaat. Dit maakt het berekenen van correcties eenvoud~ger.

De te berekenen grootheden zijn voornamelijk door middel van in het artikel gegeven grafieken te vinden.

Gegevens voor de berekening:

De oven is bedoeld voor 80 ton staal. Per ton ontstaat 1683 Nm3 verbrandingsgas, terwijl er 1299 Nm3 lucht nodig is. De regenerator is opgebouwd met een rooster van

chamottesteen: 35-lagen van 70 mm dikte. Het totale

gewicht van het rooster is 89 ton. Het verwisselen van lucht-en rookgastoevoer naar de reglucht-eneratorkamers gebeurt om de 20 minuten.

Het biedt voordeel om de intredetemperatuur van de lucht als nul-niveau te beschouwen. Ter onderscheiding worden de op deze wijze gecorrigeerde temperaturen aangegeven met een b ervoor.

:: ~

Intredetemperatuur lucht ill

t1

= 200 0' bT

tl = 0 0 0 Intredetemperatuur rookgas T 1 =1405 0 0 bT =138500 g . gl Uittredetemperatuur rookgas Tg2 = 50506 bTg 2 = 48500

Ct

Nu geldt: ~g.

Cg .

_{Zg • (T gl - Tg2 ) =} ~I

.

_{ZL· (T12 - TIl)} Hierin zijn Cg en

Ot

de warmtecapaciteit van gas en lucht per uur kcal/hoC.

Z en Zt zijn de tijden waarna gas- en luchttoevoer worden

g.

verwisseld (hier gelijk).:

'~g en ~t factoren voor verliezen in de regenerator (leklucht, e.d.). Hiervoor kan men 0,95 aannemen.

Verbrandingsgassen 1683 Nm3/ton.

Dit is voor 80 ton per uur: 1683 x 80 = 14,16 x 103 Nm3/h. 9,5

Lucht: 1299km3/ton.

1299 x 80 3 3

Dit is voor 80 ton per uur: 9,5 = 10,92

x

10 Nm /h. Gemiddelde S.W. van het rookgas tussen 25 en 1420° = 0,39

ggal/lo.c Gem. S.W. van de lucht tussen 20 en 1100° = 0,34 gcal/l 0. Cg = 14,16

x

0,39 = 5,52

x

10 3 kcal/hOC. Ct = 10,92 x 0,34 = 3,72 x 103 " Ingevuld 0,95 x 5,52 x 103 x 0,33 x 900'= 3,72 x 10 3 .0,95 x 0,33 x

°

bTt2 = 1208 cr Tf2 = 1228°0.

zijn ol g en ti..

t

de warmteoverdrachtscoëfficienten van gas en lucht. Voor normale bedrijfsomstandigheden en stroomsnelheden

g.~ldt

'"

I.,(t

= 1,5.

De temperaturen van de chamottestenen zullen symmetrisch om een gemiddelde temperatuur varieren.

T_sl is de gemiddelde steentemp. boven in de regenerator T

s2 is de gemiddelde steentemp. onder in de regenerator. Beide .temperaturen

z~nder;

verdere definitie.

•

i

~

~\

_:ir' We vinden hier 1870 ~ _{(T sl} + _{Ts2 )} 1,5 x ol

t

x ---:::2-~~--=~ Dit geeft: Tsl + _Ts2

=

1614 0.

De gemiddelde steen temperatuur in het midden vande regenerator bTsmm = 807° Tsmm = 827°C •

De gemiddelde steentemperatuur aan het warme en aan het

koude eind van de regenerator, vindt men door de verschillen tussen rookgas- en luchttemperatuur in omgekeerde verhouding van de warmteoverdrachtscoE3fficienten onder te verdelen.

Tgl - Tt2 = 1385 1208 _-' 177 x

b..L -

_{2,5 - 105° bT 1 = 1313s m} 0C Tg2 - Ttl = 485 - ,0 = 485 x

b..2l-

_{2,5 -} 291° bT _s2m = 291°C Tslm = 1333 ° C _{Ts2m = 311°.}

c.

---

_A

Bepaling

e-Öis de verandering in temperatuur van de chamottesteen

e

is het verschil tussen rookgas- en luchttemperatuur. _.

'

Deze verhouding blijft over de regeneratorlengte constant. L angs gra 1SC e weg f ' h is _A

e

te V1n en. ' d H' 1er oe moe· men eers t t t berekenen:

het nuttig effect van de warmte

~.

= Ct •

Zt

₃

₂₇₂

_x

10

3 x Oz33

_Ó,675

Cg .CZg

=

5,52 x 10' x 0,'33

=

Cst 20 x ,10 3 Cg _{• Zg} = _{5,52 x 103 x 0,33} = 11,0

=

l. 900 =0,65 )1385

Hierin is C t de warmtecapaciteit van de regeneratormassa _{s .} dat is het gewicht maal de gemiddelde soortelijke warmte van déze massa = 80000 x 0,25

=

20 x 103 Kcal/oC.

/).

•

i

:.. ~\ ..

"'

Met behulp van

L

.9 is nu te vinden: (de index h betekent

l

aan het hete, de index k aan het koude eind van de regen.) eh

=

1385 - 1208

=

177° ~h

=

42°0

9k

=

485

-°

=

485° 8 k

=

116°0 9m

=

_~ 662

=

331° Ó_m

=

79°0

/l

Uit grafieken kan met behulp van ~ en de steendikte 70 mm de gemiddelde warmteoverdrachtsco~fficient o~er de gehele regenerator worden gevonden:

=

18kca1/m2h.

lAL

Tevens vindt men de waarde

tOf;-'

waarbij ij de verandering

pp <

van de temperatuur aan de oppervlakte van de chamottesteen is.

(~)

=

0,27

. opp

Voor de veranderingen van de oppervlaktetemperatuur van de chamottesteen vindt men hiermee

eh

=

177° 0 9 k = 485° 0 Dit geeft

°

bT s2m

=

291 bT

6

h .opp c /l _k.opp

=

°

"./' max. 315 0 s20pp ~min. < 267°0 bT / slopp max.

'-...

_min.

Voor de veranderingen in de rookgas- en hete luchttemperaturen zijn uit de volgende formules te berekenen

J

Llk 116 _101°

g2

=

=

=

e

331

1 + _{0,4 AT} 1 + 0,4 ₉₀₀ g

.' ' = 42 331 1 + 0,6 x 1208 =

De warmteoverdrachtscoëfficient voor het convectieve deel van de warmteoverdracht is ongeveer 2/3 van de totale

2 dus 12 kcal/m h.

Voor normale regeneratorroesters is de verhoudingvan steen-dikte tot kanaalbreedte ongeveer 0,67. Bij een steensteen-dikte

. d .

van 70 mm geeft dat een kanaalbreedteVvan 105 mm.

Uit een grafiek is de gemiddelde stroomsnelheid te vinden; in dit geval is dit V

=

0,35 m/sec.

Met behulp hièrvan vindt men het deel van het oppervlak van de regenerator waardoor de gassen kunnen stromen.

G

Nm

3/sec 14160 2

Fvrij

=.-y- =

mJsec

=

3600 x 0,35

=

11,3 m • Het totale oppervlak is

Ftot

~

Fvrij ( 1 + : )

volgèns een formule van Heiligenstaedt

=

1,67 F ..

=

18,8

vrl.J

2 m •

Het volume van de regeneratormassa is, eveneens volgens Heiligenstaedt,

_

3

V

G ~ 1,25 x gewicht vulling in tonnen

=

1,25 x 80 - 100 m • Voor de hoogte van de regeneratorvmlling vinden we dus

100

LITERATUURLI~ST.

1. Barthlll F. Radex Rundschau Heft 9/10 1953 2. Barth~ J:!1. Radex Rund~cbau He:ft 4/5 1954

,3. Brandt D. J. O. The Mamifa'cture of Iron and Steel 1953 4. Chesters J.H. en Thring M.W.

The Iron and Steel Institute Special Report

nr. 37 1946

5. Howe Hall J. en Staff I.C.S.

6. Mund À.

7.

Schack 8. Trinks 9. Truben 10. Winter Ä.

W.

K.G.

J' • Steelcasting

Stah1 und Eisen (73)

1942 1953

Der industrielle Wärmeübergang 1948 Industrial .burnace,s I 1951

Der Siemens .Martin Pr'oces 1953

The Iron and Steel Institute Special Report nr. 22 Symposium on Steelmaking 1938 11. American Institute of Mining and Meta11urgica1 engineers:

Basic Open Hearth Steelmaking 1951 12. Verein Deutscher Eisenhü'l;tenlellt e

Anha1tszah1en für die Wärmewirtschaft 1947. 13. Bashforth G.R. The Manufacture of Iron and Steel 11

1951 14. Jenne O. Radex Rundschau Heft 1 1955