Metallurgie der Stahlherstellung, Softcover reprint of the original 1st ed. 1989

Das Buch behandelt die thermodynamischen und verfahrenstechnischen Grundlagen der Stahlherstellung. Die Art der Darstellung ist neu. Zwar wird die bewährte stoffliche Grundlage der Metallurgie durchgehend beibehalten. Stets werden jedoch die stofflichen Abläufe mit den sie begleitenden physikalischen Vorgängen der Strömung und der Bewegungsgesetze von Teilchen, Tropfen und Blasen verknüpft, um zu einer quantitativen Beschreibung bis hin zu komplexen Reaktionsabläufen metallurgischer Prozesse zu gelangen. Besonderer Wert ist auf eine gründliche Darstellung des Stoffübergangs auf der Grundlage der Grenzschichttheorie und auf eine systematische Beschreibung der Reaktortheorie metallurgischer Systeme gelegt. Ein eigenes Kapitel ist der Kinetik des Einschmelzens gewidmet. Das als Lehrbuch abgefaßte Buch soll damit dem Studierenden eine zeitgemäße Grundlage der Metallurgie vermitteln. Die Darstellung ist in erster Linie auf das quantitative Verständnis der chemischen und physikalischen Vorgänge gerichtet. Damit gibt das Buch zugleich dem Anlagenbauer, dem Entwicklungsingenieur und dem Betriebsmetallurgen eine vertiefte Basis für Planungen.

1 Allgemeines — Definition des Begriffs Stahl — Ziel der Stahlherstellung.- 2 Thermodynamische Grundlagen.- 2.1 Übersicht über die wichtigsten bei der Raffination ablaufenden Reaktionen.- 2.2 Aktivitäten in metallischen Mehrstoffsystemen.- 2.3 Struktur der Schlacken.- 2.4 Gasgleichgewichte.- 2.5 Oxidationsgleichgewichte.- 2.5.1 Das System Eisen-Sauerstoff.- 2.5.2 Zweistoffsysteme von Schlacken der Oxidationsreaktionen.- 2.5.2.1 Das System FeO-MnO.- 2.5.2.2 Das System FeO-SiO2.- 2.5.2.3 Das System FeO-Fe2O3-CaO.- 2.5.2.4 Das System FeO-Fe2O3-MgO.- 2.5.2.5 Die Systeme CaO-SiO2 und CaO-P2O5.- 2.5.3 Das Dreistoffsystem CaO-FeOn-SiO2 und die zugehörigen Metall-Schlacke-Gleichgewichte.- 2.5.4 Das System CaO-FeOn-P2O5 und das Entphosphorungsgleichgewicht.- 2.6 Desoxidationsgleichgewichte.- 2.6.1 Einfache Desoxidationsgleichgewichte.- 2.6.2 Bildung komplexer Oxide.- 2.7 Gleichgewichte der Entschwefelung.- 2.7.1 Löslichkeitsprodukte der Sulfide.- 2.7.2 Entschwefelung mit festen Entschwefelungsmitteln.- 2.7.3 Entschwefelung mit kalkbasischen Schlacken.- 2.8 Gleichgewichte mit alkalihaltigen Schlacken.- 2.9 Calciummetallurgie.- 3 Stoffübertragung.- 3.1 Formen schmelzmetallurgischer Reaktionen.- 3.1.1 Einführung und Grundbegriffe.- 3.1.2 Reaktionstypen.- 3.1.2.1 Konsekutivreaktionen.- 3.1.2.2 Doppelte Umsetzungen.- 3.1.2.3 Reaktionen mit Verzweigungen.- 3.2 Transportvorgänge.- 3.2.1 Einführung und Grundbegriffe.- 3.2.2 Grenzschichten.- 3.2.3 Stoffübergang bei reibungsfreier Strömung.- 3.2.4 Strömung und Stoffübergang bei Strömung mit Reibung, Strömung laminar.- 3.2.4.1 Gleichung der Strömungsgrenzschicht bei laminarer erzwungener Strömung.- 3.2.4.2 Gleichung der Diffusionsgrenzschicht bei laminarer erzwungener Strömung.- 3.2.4.3 Lösung der Grenzschichtgleichungen.- 3.2.5 Näherungsweise Berechnung der Grenzschichtgleichungen mit Hilfe der Integralprofilmethode.- 3.2.5.1 Grenzschicht an der längs angeströmten Platte.- 3.2.5.2 Strömungs- und Konzentrationsgrenzschichten an einer flüssig-flüssig-Phasengrenze.- 3.2.6 Strömung und Stoffübergang bei Strömung mit Reibung, Strömung turbulent.- 3.2.6.1 Begriff der Turbulenz.- 3.2.6.2 Reynoldssche Schubspannung.- 3.2.6.3 Prandtlscher Mischungsweg.- 3.2.6.4 Turbulenter Stofftransport.- 3.2.7 Turbulenter Impuls- und Stofftransport an freien Oberflächen.- 3.2.8 Einfluß grenzflächenaktiver Stoffe auf den Stoffübergang.- 3.2.9 Stoffübergang mit Fällungsreaktion an einer Phasengrenze.- 4 Kinetik schmelzmetallurgischer Reaktionen.- 4.1 Einführung.- 4.2 Metall-Gas-Reaktionen.- 4.2.1 Reaktion zwischen flüssigem Eisen und Stickstoff.- 4.2.1.1 Aufstellung des Reaktionsschemas.- 4.2.1.2 Stofftransport in der Gasphase.- 4.2.1.3 Stofftransport in der Schmelze.- 4.2.1.4 Phasengrenzreaktion bei reinen Eisen-Stickstoff-Schmelzen.- 4.2.1.5 Einfluß von Sauerstoff und Schwefel auf den Stickstoffübergang.- 4.2.2 Reaktion zwischen flüssigem Eisen und Wasserstoff.- 4.2.3 Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion in flüssigem Eisen.- 4.2.3.1 Oxidation des Kohlenstoffs an einer freien Oberfläche der Metallschmelze mit einem gasförmigen Oxidationsmittel.- 4.2.3.2 Oxidation von flüssigem Eisen durch Sauerstoff.- 4.2.3.3 Kohlenmonoxidreaktion.- 4.3 Metall-Schlacke-Reaktionen.- 4.3.1 Reaktionen ohne Beteiligung von Kohlenstoff.- 4.3.1.1 Transportbestimmte Reaktionen.- 4.3.1.2 Phasengrenzreaktion.- 4.3.2 Reaktionen mit Beteiligung von Kohlenstoff.- 4.4 Auflösung fester Stoffe.- 4.4.1 Auflösung dichter Stoffe.- 4.4.1.1 Der Ausbau der Atome aus dem Kristall.- 4.4.1.2 Transportbestimmte Auflösung.- 4.4.2 Auflösung poröser Stoffe.- 4.4.3 Auflösung von Kalk in silicatischen Schlacken.- 5 Bewegungsgesetze von festen Teilchen, Tropfen und Gasblasen in Mehrphasensystemen.- 5.1 Einführung.- 5.2 Bewegung fester Teilchen.- 5.3 Bewegung von Gasblasen.- 5.3.1 Blasenentstehung.- 5.3.2 Widerstandsgesetze für Gasblasen.- 5.3.3 Blasenzerfall.- 5.4 Bewegung von Tropfen.- 5.5 Bewegungsgesetze von Teilchensuspensionen und Blasenschwärmen.- 5.5.1 Bewegung von Partikelwolken begrenzter Höhe.- 5.5.2 Blasensäulen.- 5.5.2.1 Allgemeines.- 5.5.2.2 Blasensäulen im Konverter.- 5.5.2.3 Blasensäulen in der Pfanne.- 5.6 Verhalten feststoffbeladener Gasstrahlen.- 5.6.1 Zustandsdiagramm der pneumatischen Förderung.- 5.6.2 Hydrodynamisches Verhalten feststoffbeladener Gasstrahlen.- 5.6.2.1 Typen von Gas-Feststoff-Strahlen.- 5.6.2.2 Verhalten gekoppelter Gas-Feststoff-Strahlen beim Eindringen in Schmelzen.- 5.6.3 Eindringen von Teilchen in Schmelzen.- 5.6.3.1 Einführung.- 5.6.3.2 Eindringen eines Einzelteilchens.- 5.6.3.3 Weiteres Verhalten der Teilchen in der Schmelze, Eindringen eines Teilchenschwarms.- 5.7 Emulgierung.- 5.7.1 Bedingung der Tropfenbildung.- 5.7.2 Geschwindigkeit der Phasengrenze Schlacke-Metall.- 5.7.3 Menge der emulgierten Tropfen.- 6 Stoffübergang in metallurgischen Systemen.- 6.1 Einführung.- 6.2 Verschleiß von feuerfestem Material.- 6.3 Blasengerührte Grenzfläche.- 6.3.1 Modellvorstellungen.- 6.3.2 Experimentelle Ergebnisse.- 6.4 Grundsätzliches zum Stoffübergang an Teilchen, Tropfen und Blasen.- 6.5 Wachstum und Auflösung kleiner Teilchen in Schmelzen.- 6.6 Wechselwirkung zwischen Teilchen und Grenzflächen. Teilchenkoagulation und Teilchenabscheidung.- 6.7 Teilchenabscheidung durch Rühren.- 6.8 Stoffübergang an festen Teilchen bei höheren Reynoldszahlen.- 6.9 Stoffübergang an Teilchen mit Berücksichtigung von Diffusion im Teilchen.- 6.10 Stoffübergang zwischen Schmelzen und Tropfen.- 6.11 Stoffübergang zwischen Gasblasen und Schmelzen.- 7 Reaktortheorie.- 7.1 Begriff der Reaktortheorie.- 7.2 Makrokinetik in homogenen Systemen.- 7.2.1 Vorbemerkung.- 7.2.2 Makrokinetik in nichtemulgierten Systemen.- 7.2.2.1 Permanenter Phasenkontakt.- 7.2.2.2 Transitorischer Phasenkontakt.- 7.2.3 Makrokinetik in emulgierten Systemen.- 7.2.3.1 Permanenter Phasenkontakt.- 7.2.3.2 Transitorischer Phasenkontakt.- 7.2.4 Folgerungen.- 7.3 Stoffumsätze in dispergierten Systemen.- 7.3.1 Regeln für die Bestimmung der Stoffumsätze an Teilchen, Tropfen und Blasen.- 7.3.2 Metall-Schlacke-Reaktionen im Sauerstoffkonverter.- 7.3.2.1 Reaktionssystem Sauerstoffkonverter.- 7.3.2.2 Teilchengrößenverteilung, Menge und Verweilzeit der in der Schlacke emulgierten Eisentropfen.- 7.3.2.3 Entphosphorungsreaktion.- 7.3.2.4 Einfluß veränderter Parameter.- 7.3.3 Entschwefelung von Roheisen durch Einblasen von Kalk oder Calciumcarbid.- 7.3.3.1 Reaktionstechnische Analyse der Entschwefelung mit Kalk.- 7.3.3.2 Entschwefelung mit Calciumcarbid.- 7.4 Entkohlungsreaktion.- 7.5 Mischung.- 7.5.1 Einführung.- 7.5.2 Mischungsmodelle.- 7.5.2.1 Modell der turbulenten Umlaufströmung.- 7.5.2.2 Einfaches Umlaufmodell.- 7.5.2.3 Tank-in-Reihe-Modell.- 7.5.2.4 Zwei-Tank-Modell.- 7.5.2.5 Kombiniertes Umlauf- und Zwei-Tank-Modell.- 7.5.2.6 Verallgemeinertes Teilvolumenmodell.- 7.5.3 Mischung im Konverter.- 8 Kinetik des Einschmelzens.- 8.1 Einschmelzen mit direkter Übertragung der Wärme von der Heizquelle auf das Einschmelzgut.- 8.1.1 Aufgabenstellung.- 8.1.2 Vorwärmperiode.- 8.1.3 Schmelzperiode.- 8.2 Einschmelzen des Wärmguts in der eigenen Schmelze.- 8.2.1 Einführung.- 8.2.2 Einschmelzen ohne Berücksichtigung der Wärmeleitung im Festkörper.- 8.2.2.1 Isothermes Schmelzen eines auf Schmelztemperatur befindlichen Feststoffs in schwach überhitztem Bad.- 8.2.2.2 Adiabatisches Schmelzen eines auf Schmeltemperatur befindlichen Feststoffs in schwach überhitztem Bad.- 8.2.2.3 Isothermes Schmelzen eines auf Schmelztemperatur befindlichen Feststoffs in stark überhitztem Bad.- 8.2.2.4 Isothermes und adiabatisches Schmelzen eines kalten Einsatzstoffs mit der Wärmeleitzahl) ?? = 0.- 8.2.2.5 Isothermes Schmelzen eines kalten Einsatzstoffs mit der Wärmeleitzahl) ?? = ?.- 8.2.3 Einschmelzen mit Berücksichtigung der Wärmeleitung im Feststoff.- 8.2.4 Experimentelle Ergebnisse.- 8.3 Schmelzen von reinem Eisen in flüssigen Eisen-Kohlenstofflegierungen.- 8.4 Prozeßmodell des Einschmelzens.