AT337231B

AT337231B - Verfahren zur herstellung von stahlen hoher reinheit im elektrischen lichtbogenofen

Info

Publication number: AT337231B
Application number: AT24575A
Authority: AT
Inventors: Wolfgang Dr Holzgruber
Original assignee: Inteco Int Techn Beratung
Priority date: 1975-01-14
Filing date: 1975-01-14
Publication date: 1977-06-27
Also published as: BE837558A; ATA24575A

Description

Die Erschmelzung von Edelstählen erfolgt auch heute noch in bei weitem überwiegenden Masse im basisch zugestellten elektrischen Lichtbogenofen.

Es ist daher berechtigt, die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften, aber auch die Erzeugungskosten der mit diesem Schmelzaggragat hergestellten Stähle als Grundlage für die Beurteilung des Standards der- selben in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht heranzuziehen. Verbesserungen dieses Standards sind sowohl in wirtschaftlicher Hinsicht, z. B. durch Möglichkeiten zur Verkürzung der Ersohmelzungszeiten, als auch in technischer Hinsicht, z. B. durch Erhöhung der Stahlreinheit, die für die Verarbeitungs- und Ge- brauchseigenschaften massgebend ist, zweifellos wünschenswert.

Merkmale der Stahlreinheit sind z. B. die S- und P-Gehalte, deren maximal zulässige Höhe im allgemeinen durch Normvorschriften festgelegt ist, aber auch die Anteile an Spurenelementen, z. B. an Pb, Sb,
Sn u. dgl., die Wasserstoff-und Stickstoffgehalte, sowie die Menge, Art, Form und Verteilung von Schlacken- einschlüssen.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren angegeben, das sowohl die Erschmelzungsdauer zu verkürzen als auch die Stahlreinheit zu verbessern gestattet.

Die Erschmelzung im Lichtbogenofen erfolgt im wesentlichen mit Hilfe dreier nacheinander durchzufüh- render Verfahrensschritte, für welche die Bezeichnungen Einschmelzen, Frischen und Feinen üblich sind.

Nach dem Einschmelzen des metallischen Einsatzes, der in der Regel vorwiegend aus Schrott besteht, folgt die Frischperiode, in der mit Hilfe einer Frischschlacke vor allem eine Entkohlung und Entphosphorung des Stahlbades und in geringem Umfange eine Entschwefelung desselben erzielt werden soll. Nach dem Ab- ziehen der oxydierend wirkenden Frischschlacke beginnt die Feinungsperiode, deren Aufgabe vor allem die
Beseitigung zu hoher Schwefelgehalte ist. Der Schwefel wird in den Lichtbogenofen im wesentlichen durch den
Schrott eingebracht, wobei zum Schwefelgehalt der Metallteile desselben noch zusätzlich die Schwefelgehalte von Ölrückständen an Spänen, von Lackanstrichen, Beschichtungen, anhaftenden Gummiresten u. dgl., kom- men. Je nach der Schrottqualität können sich daher Schwefelgehalte zwischen 0, 03 bis 0, 15% nach dem Nie- derschmelzen einstellen.

Diemaximal zulässigen S-GehalteinEdelstählen liegenim allgemeinen bei 0, 025%, sind häufig aber noch niedriger und betragen dann höchstens 0, 015 oder nur höchstens 0, 010%.

Die ausreichende Entfernung des Schwefels ist daher ausserordentlichwichtig ; sie erfolgt in der Feinungs- periode mit Hilfe einer hochbasischen Kalk-Flussspat-Schlacke, die nach dem Abziehen der Frischschlacke auf das Stahlbad aufgebracht wird.

Gemäss der Vorstellung, dass der Schwefel im Stahlbad als Eisensulfid [FeS] gelöst ist, der mit dem Kalk in der Schlacke (CaO) in Reaktion tritt, kann für die Entschwefelung die Reaktionsgleichung [FeS] + (CaO) = (FeO) + (CaS) angegeben werden. Demnach verläuft die Entschwefelung an der Phasengrenze Stahlbad-Schlacke und führt zu den in die Schlacke gehenden Reaktionsprodukten (CaS) und (FeO).

Unter Berücksichtigung der Gleichge- wichtskonstante K für diese Reaktion und unter Berücksichtigung der jeweiligen Aktivität a der Reaktions- teilnehmer erfolgt die Entschwefelung, also die Bildung von (CaS), gemäss der Beziehung
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Demnach wird sich bei einem bestimmten FeS-Anteil im Stahlbad umso mehr CaS bilden, je höher der Wert für a (Ca0) und je kleiner der Wert für a (FeO) ist.

Für eine wirksame Entschwefelung muss daher der Kalkanteil in der Schlacke ausreichend hoch bemessen werden. Der störende FeO-Anteil hingegen wird durch den Zusatz von Reduktionsmitteln, wie z. B. Kohlenstoff in Form von Graphit oder Elektrodenmehl, Si- oder Al-Pulver, wodurch es zur Bildung von CO, Six 2 oder A12 03 sowie von metallischem Fe kommt, möglichst niedrig gehalten.

Die an der Phasengrenze Stahlbad-Schlacke ablaufende Entschwefelungsreaktion hat aber zur Voraussetzung, dass der Schwefel aus dem Stahlbad und der Kalk aus der Schlacke laufend an diese Phasengrenze herantransportiert und die entstehenden Reaktionsprodukte, vor allem das CaS, in die Schlacke wegtransportiert werden. Der Zeitaufwand für die Entschwefelung ist daher umso geringer, je grösser die Reaktionfläche ist und je rascher der Zu-und Abtransport der Reaktionsteilnehmer erfolgt. Da aber in der Feinungsperiode die Badbewegung nur gering ist, kann dieser Zu- und Abtransport nur relativ langsam erfolgen. Die Grösse der Reaktionsfläche ist ausserdem bei nur geringer Badbewegung durch die Ofengrösse und die Ofenform praktisch vorbestimmt. Aus diesen Gründen erfordert der Zeitaufwand für einen wirksamen Schwefelabbau einen relativ hohen Anteil an der gesamten Schmelzzeit.

Hinzu kommt, dass die Entschwefelungsreaktion erst beginnen kann, wenn eine reaktionsfähige Schlacke vorliegt, die aber nach dem Abziehen der Frischschlacke

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Abbau des im Stahl gelösten Sauerstoffs mit Hilfe eines nicht oxydierend wirkenden Trägergases eine vorgeschmolzene, hochbasische Schlacke eingeblasen wird, deren Schmelzpunkt um mindestens 1500C unter der Temperatur des Stahlbades liegt.

Die übliche Feinungsperiode wird demnach im wesentlichen durch einen Einblasevorgang ersetzt, der nur etwa 5 bis 20 min dauert.
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vorgeschmolzene Schlacke besteht15000C das unverzügliche Aufschmelzen der Schlacke gewährleistet ist. Dies ist die Voraussetzung für eine wirksame Entschwefelung. Vorzugsweise liegt die Liquidustemperatur der Schlacke um 300 bis 4000C nie- driger als die Temperatur der Stahlschmelze.

Die Korngrösse der einzublasenden Schlackenteilchen soll kleiner als 5mm sein, d. h., sie sollen kleiner i als eine Kugel mit 5mm Durchmesser oder kleiner als ein Körper sein, dessen dem Kugeldurchmesser ent- sprechender Durchmesser kleiner als 5 mm ist. Vorzugsweise soll die Korngrösse 1 bis 3 mm betragen.

Wenn die Korngrösse zu klein ist, z. B. jener von Staubteilchen entspricht, werden die eingeblasenen Teil- chen mit dem Trägergas wieder ausgetragen. Bei zu grossen Teilchen besteht die Gefahr, dass sie nicht ge- nügend raschaufschmelzen und dannim noch festen Zustand auf der im Stahlbad entstandenen flüssigen Schlak- kenschicht schwimmen.

Die einzublasende Schlackenmenge beträgt im allgemeinen 0, 5bis 2%, vorzugsweise etwa 1% des Schmelz- gewichtes. Sie ist naturgemäss vom Ausmass der notwendigen oder erwünschten Entschwefelung abhängig.

Das Einblasen in das Stahlbad kann mit einem selbstverzehrenden Einblaserohr erfolgen, wie dies auch beim Sauerstoffblasen üblich ist.

Das zur Verwendung kommende Trägergas für die Einbringung der Schlackenteilchen darf nicht oxy- dierend wirken, so dass also weder Luftoder Sauerstoff hierfür'in Betracht kommen, weil vor dem Einblasen eine Vordesoxydation der Schmelze durchgeführt werden soll. Als Trägergas kann vor allem technisch reines
Argon oder Stickstoff verwendet werden. Auch Gemische dieser Gase sind als Trägergas verwendbar. Gege- benenfalls können hierfür auch Kohlenwasserstoffe, z. B. Erdgas, herangezogen werden.

Der erforderliche Druckdes Trägergases beträgt für das Verfahren der Erfindung wenigstens 6 atü, vor- zugsweise wird mit 8 bis 12 atü gearbeitet.

Mit der Schlacke können noch zusätzlich Reduktionsmittel, wie Ferrosiliziumpulver, Aluminiumpulver,
Magnesiumpulver u. dgl. eingeblasen werden, um Reste von Schwermetalloxyden zu beseitigen und damit die
Wirksamkeit der Schlacke zu erhöhen.

Durch die vor dem Einblasen notwendige Vordesoxydation, die in üblicher Weise z. B. mit Kohlenstoff,
Ferromangansilizium, Ferrosilizium oder Aluminium erfolgen kann, soll in der Schmelze ein Si-Gehalt von mindestens 0, 1% oder ein AI-Gehaltvonmindestens 0, 02%, einzeln oder gemeinsam, eingestellt werden.

Der Zusatz von Legierungselementen, die leichter als Eisen oxydierbar sind, kann entweder unmittelbar nach dem Einblasen der Schlacke oder auch unmittelbar vor dem Einblasen nach erfolgter Vordesoxydation erfolgen. Das letztere Verfahren hat den Vorteil, dass während des Blasvorganges das Aufschmelzen und die gleichmässige Verteilung der Legierungssätze durch die heftige Badbewegung gefördert wird.

Im Anschluss an das Einblasen kann es manchmal vorteilhaft sein, ohne Zufuhr von Schlacke, am einfach- sten mit dem Trägergas, 5 bis 15 min nachzublasen, um eine möglichst vollständige Abscheidung von Ein- schlüssen und Suspensionen aus dem Stahl zu erzielen, um Wasserstoff- und Stickstoffanteile weiter abzubauen und umdieDurchmischungder Schmelze in Bezug auf Legierungsbestandteileund Temperatur zu verbessern. Die zeitliche Begrenzung dieser Massnahme ist deshalb sinnvoll, weil unter 5 und über 15 min er- fahrungsgemäss keine zusätzlichen Wirkungen bzw. Verbesserungen erzielbar sind.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Stählen hoher Reinheit im basisch
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eines nicht oxydierend wirkenden Trägergases in das Stahlbad eingeblasen wird.

Ausser den bereits aufgezeigten Vorteilen des erfindungsgemässen Verfahrens und der besonderen Ausführungsformen derselben sei noch darauf hingewiesen, dass durch das Einblasen des Trägergases die Wirkung einer guten Durchmischung und Durchwirbelung der Schmelze hervorgerufen wird, welche eine feine Verteilung der eingeblasenen Schlackenteilchen verursacht und damit günstige Voraussetzungen für einen hohen Wert des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen der verflüssigten Teilchen für den Ablauf der Entschwefelungsreaktion schafft. Ausserdem wird durch die Durchwirbelung der Schmelze die Abscheidung von Ein-

schlüssen und Suspensionen sowie der Abbau von Wasserstoff- und Stickstoffanteilen erheblich erleichtert.
Diese Wirkungen können durch ein Nachblasen noch zusätzlich verstärkt werden.

Während der üblichen
Feinungsperiode wird hingegen Wasserstoff und Stickstoff ohne Gegenwirkung aufgenommen.

Das erfindungsgemässe Verfahren führt somit zu einer Erhöhung der Stahlreinheit. Es ist darüber hinaus vor allem im Vergleich zu den üblichen Schlackenreaktionsverfahren technisch leicht beherrschbar, weil auch nach dem Einblasen noch immer die Möglichkeit der Kontrolle und gegebenenfalls der Korrektur der Zu- sammensetzung und der Schmelztemperatur besteht.

Das Verfahren der Erfindung ist aber auch in wirtschaftlicher Hinsicht von erheblichem Interesse. Auf die Verwendung von Rührspulen zur Durchmischung der Schmelze kann z. B. auch bei grossen Elektroöfen verzichtet werden. Die Zeitersparnis im Vergleich zur üblichen Feinungszeit führt zu einer Verkürzung der
Chargenfolgezeitund damit zu einer Verbesserung der Ofenauslastung. Da das Stahlbad während der üblichen
Feinungsperiode bereist auf Giesstemperatur ist, unterliegt das Ofenmauerwerkin diesem Zeitabschnitt einem besonders hohen Verschleiss. Eine Verkürzung der Feinungszeit hat daher eine erhebliche Senkung des Mauer- werkverbrauches je Tonne Stahl zur Folge.

Diesen wirtschaftlichen Vorteilen gegenüber sind die vergleichsi weise erhöhten Kosten für das Vorschmelzenund Zerkleinern der Schlacke sowie für das Einblasen derselben unerheblich.

Ausführungsbeispiel : In einem 20 t fassenden, basisch zugestellten elektrischen Lichtbogenofen
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des metallischen Einsatzes, der zur Gänze aus Schrott bestand, die übliche Frischperiode durchgeführt, in der das Legieren mit Nickel und Molybdän erfolgte. Am Ende der Frischperiode betrug der C-Gehalt 0, 21%, der Mn-Gehalt 0, 22%, der Cr-Gehalt 0, 18%, der P-Gehalt 0, 014% und der S-Gehalt 0, 053%. Die Schmelze hatte eine Temperatur von 16500C. Nach dem Abziehen der Frischschlacke wurden zur Vordesoxydation 10 kg Aluminium und anschliessend 86 kg Ferromangansilizium mit 65% Mn, 25% Si, Rest im wesentlichen Eisen, zugesetzt, wodurch sich ein Al-Gehalt von 0, 025%, ein Mn-Gehalt von 0, 50% und ein Si-Gehalt von 0, 11% einstellte.

Unmittelbar im Anschluss an die Vordesoxydation wurden ferner 200kg Ferrochrom mit 67% Chrom und 7, 1% C in die Schmelze eingebracht, die zu einer Erhöhung des Cr-Gehaltesauf 0, 85% und des C-Gehaltes auf 0, 28% führten. Diese Zusätze, die innerhalb von 5 min erfolgten, verursachten eine Temperaturabnahme der Schmelze auf 16200C. Zur Entschwefelung wurden nun 250 kg vorgeschmolzener Schlacke mit etwa 40% CaO, 30% CaF 2'20% Al203 und 10% Si02, deren Korngrösse 1 bis 2 mm betrug, und zusätzlich noch 30 kg Ferrosilizium mit 70% Si in die Schmelze eingeblasen. Als Trägergas wurde technisch reines Argon mit einem Druck von 8 atü verwendet ; die Einblasezeit betrug 10 min.

Für das Einblasen wurde ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 12, 7mm verwendet. Je Minute wurden 3, 5 m3 Argon verbraucht. Im Anschluss an das Einblasen der Schlacke und des Ferrosiliziums wurde 8 min mit einer Argonmenge von 2 m3 je min nachgeblasen.

Während der gesamten Blasezeit waren die Elektroden des Ofens in Betrieb, wobei mit einer Leistungszufuhr von 2700 kW gefahren wurde. Die nach dem Einblasen und Nachblasen gezogene Probe hatte eine Zu-
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28%0, 015% Al. Der Wasserstoffgehalt zum Zeitpunkt der Probenahme betrug 3, 7 ppm. Dieser Wert ist jedoch im vorliegenden Falle nur von theoretischem Interesse, weil das Vergiessen der Schmelze im Vakuum erfolgte.

Die Temperatur zum Zeitpunkt der Probenahme war 16400C und entsprach damit der vorgesehenen Abstichtemperatur.

In der Pfanne wurden der Schmelze noch 17 kg Ferrosilizium und 50 kg eines üblichen, im Handel erhältlichen Entschwefelungsmittel zugesetzt, wodurch der S-Gehalt noch weiter auf 0, 009% abgesenkt werden konnte.

Das aus dem anschliessend im Vakuum gegossenen Block hergestellte Schmiedestück hatte einen guten Ultraschallbefund und erwies sich bei der Bearbeitung frei von Schlackenzeilen und Sandstellen.

Durch die Anwendung des Verfahrens der Erfindung war es möglich, die sonst übliche Feinungsperiode, die bei diesem Stahl und bei diesem Ofen mindestens 70 min gedauert hätte, auf 28 min abzukürzen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Herstellung von Stählen hoher Reinheit im basisch zugestellten Lichtbogenofen, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem üblichen Abziehen der Frischschlacke und nach einer Vordesoxydation eine vorgeschmolzene, hochbasische Schlacke in feinkörnigem Zustand, bestehend aus 10 bis 60% CaO, 10 bis 70% CaF2, 0 bis 40% A1203, max. 20% Si02 und max. 5% Schwermetalloxyden, deren Liquidustemperatur um mindestens 150 C unter der Temperatur der Stahlschmelze liegt, mit Hilfe eines nicht oxydierend wirkenden Trägergases in das Stahlbad eingeblasen wird. <Desc/Clms Page number 5> EMI5.1 1%0, 02%, einzeln oder gemeinsam, im Stahlbad eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dassindasStahlbadmit einer Temperatur von mindestens 1500 C eine Schlacke eingeblasen wird, die aus 35 bis 50% CaO, 25 bis 40% CaF2, 15 bis 25% Al bis 15% Si02 und aus max. 2% Schwermetalloxyden des Eisens, Mangans, Chroms u. dgl. besteht, deren Liqudustemperatur im Bereich zwischen 1250 und 13500C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlacke eingeblasen wird, deren Liquidustemperatur um 300 bis 4000C niedriger ist, als die Temperatur der Stahlschmelze. EMI5.2 blasen wird, deren Korngrösse max. 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm beträgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dassindas Stahlbad eine Schlackenmenge eingeblasen wird, die 0, 5 bis 2%, vorzugsweise etwa 1% des Schmelzgewichtes beträgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Einblasen der Schlacke der Blasvorgang ohne Schlackenzufuhr mit dem Trägergas 5 bis 15 min fortgesetzt wird.

8. Verfahren nach den ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas mit einem Druck von wenigstens 6 atü, vorzugsweise jedoch von 8 bis 12 atü in die Stahlschmelze eingeblasen wird.