DE102021214218A1 - Method of making a low carbon ferroalloy - Google Patents

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DE102021214218A1 DE102021214218.4A DE102021214218A DE102021214218A1 DE 102021214218 A1 DE102021214218 A1 DE 102021214218A1 DE 102021214218 A DE102021214218 A DE 102021214218A DE 102021214218 A1 DE102021214218 A1 DE 102021214218A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Ferrolegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, insbesondere von rostfreien und hochlegierten ULC-Stählen (Ultra Low Carbon - Stählen), bei dem zunächst in einem Konverter-Prozess eine Schmelze der Ferrolegierung durch Zugabe von Sauerstoff behandelt wird und dann in einem sich anschließenden Vakuum-Prozess die so vorbereitete Schmelze entkohlt wird. Um eine Verkürzung der Behandlungszeit der Schmelze zu erreichen und auch den Verbrauch an den benötigten Einsatzstoffen zu reduzieren, sieht die Erfindung vor, dass der Schmelze vor dem Abschluss des Konverter-Prozesses unter Bildung von Schlacke Sauerstoff zugegeben wird, wobei im Konverter-Prozess keine Reduktion der Schlacke erfolgt, und dass erst im nachfolgenden Vakuum-Prozess eine Reduktion der Schlacke erfolgt.The invention relates to a method for producing a ferroalloy with a low carbon content, in particular stainless and high-alloy ULC steels (ultra low carbon steels), in which a melt of the ferroalloy is first treated by adding oxygen in a converter process and then the melt prepared in this way is decarburized in a subsequent vacuum process. In order to shorten the treatment time of the melt and also to reduce the consumption of the required input materials, the invention provides that oxygen is added to the melt before the end of the converter process to form slag, with no reduction in the converter process of the slag takes place, and that the slag is only reduced in the subsequent vacuum process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Ferrolegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, insbesondere von rostfreien und hochlegierten ULC-Stählen (Ultra Low Carbon - Stählen), bei dem zunächst in einem Konverter-Prozess eine Schmelze der Ferrolegierung durch Zugabe von Sauerstoff behandelt wird und dann in einem sich anschließenden Vakuum-Prozess die so vorbereitete Schmelze entkohlt wird.The invention relates to a method for producing a ferroalloy with a low carbon content, in particular stainless and high-alloy ULC steels (ultra low carbon steels), in which a melt of the ferroalloy is first treated by adding oxygen in a converter process and then the melt prepared in this way is decarburized in a subsequent vacuum process.

Ein solches Verfahren ist aus der EP 2 986 743 B1 bekannt. Hier wird mit einem Vakuum-Konverter gearbeitet, bei dem in einer ersten Stufe eine Hauptentkopplung der Schmelze erfolgt, wobei über eine Top-Lanze Sauerstoff eingeblasen wird; anschließend erfolgt im selben Konverter in einer zweiten Stufe eine Tiefentkohlung unter Vakuum.Such a method is from EP 2 986 743 B1 known. A vacuum converter is used here, in which a main decoupling of the melt takes place in a first stage, with oxygen being blown in via a top lance; then, in a second stage, deep decarburization takes place in the same converter under vacuum.

Weitere Lösungen, die im Umfeld des gegenständlichen Verfahrens liegen, sind aus der EP 2 878 684 B1 , aus der WO 2006/050963 A2 , aus der DE 10 2014 215 669 A1 , aus der EP 2 207 905 B1 , aus der EP 1 431 404 B1 und aus der DE 10 2014 221 397 A1 bekannt.Further solutions, which are related to the present procedure, are from EP 2 878 684 B1 , from the WO 2006/050963 A2 , from the DE 10 2014 215 669 A1 , from the EP 2 207 905 B1 , from the EP 1 431 404 B1 and from the DE 10 2014 221 397 A1 known.

Das konventionelle Konverter-Verfahren in Kombination mit einem nachfolgenden Vakuum-Prozess ist eine Technologie zur Herstellung von rostfrei- und hochlegierten Stahlsorten, die sich durch einen extrem niedrigen Kohlenstoffgehalt auszeichnen. Sie umfasst die Herstellung von Austenit-, Ferrit- und Duplex-Stahlsorten einschließlich aller Derivate mit Kohlestoffgehalten kleiner als 0,015 %. Prozess-Linien (wie das AOD-VOD-Verfahren oder das MRP-VOD-Verfahren) nutzen diese Technologie. Sie ist auch unter dem Namen Triplex bekannt. Insoweit wird ausdrücklich auf die oben genannte EP 2 986 743 B1 der Anmelderin Bezug genommen.The conventional converter process in combination with a subsequent vacuum process is a technology for the production of stainless and high-alloy steel grades that are characterized by an extremely low carbon content. It includes the production of austenitic, ferritic and duplex steel grades including all derivatives with a carbon content of less than 0.015%. Process lines (such as the AOD-VOD process or the MRP-VOD process) use this technology. Also known as Triplex. In this respect, we expressly refer to the above EP 2 986 743 B1 the applicant referred.

Bei einem konventionellen Konverter- und Vakuum-Prozess, wie beispielsweise in der genannten EP 2 986 743 B1 beschrieben, endet das Verfahren metallurgisch mit einer Reduktion der Schlacke, die während des Kohlenstoff-Raffinationsprozesses formiert wird. Die Technologie besteht aus folgenden Behandlungsphasen: Der Entkohlung bis zu einem thermodynamischen Kohlenstoff-Gleichgewicht, der Schlacke-Reduktion, dem Abstich, dem Abschlacken und weiterer Entkohlung der Schmelze unter Vakuum. Die Fortsetzung der Entkohlung im Vakuum-Gefäß verläuft dann bei schlackenfreier Metall-Oberfläche und einem Vakuum bei ca. 100 mbar und einer kurzen Nachevakuierung (VCD - Vacuum Carbon Degassing) bei ca. 1 mbar.In a conventional converter and vacuum process, such as in the mentioned EP 2 986 743 B1 described, the process ends metallurgically with a reduction of the slag formed during the carbon refining process. The technology consists of the following treatment phases: decarburization to thermodynamic carbon equilibrium, slag reduction, tapping, deslagging and further decarburization of the melt under vacuum. The continuation of the decarburization in the vacuum vessel then takes place with a slag-free metal surface and a vacuum of approx. 100 mbar and a short post-evacuation (VCD - Vacuum Carbon Degassing) at approx. 1 mbar.

Bei dem eingangs beschriebenen Verfahren schließt dieses zwecks Einstellung der gewünschten Eigenschaften (gemäß der Zielanalyse) mit der Schlacke-Reduktion ab. Im Allgemeinen verläuft die Reduktion entsprechend den nachfolgenden Gleichungen (1) und (2) ab: ( X n O m ) + m 2 [ S i ] = n [ X ] + m 2 { S i O 2 }

Figure DE102021214218A1_0001
( X n O m ) + 2 m 3 [ A l ] = n [ X ] + m 3 { A l 2 O 3 }
Figure DE102021214218A1_0002
In the case of the method described at the outset, this concludes with the slag reduction for the purpose of setting the desired properties (according to the target analysis). In general, the reduction proceeds according to the following equations (1) and (2): ( X n O m ) + m 2 [ S i ] = n [ X ] + m 2 { S i O 2 }
Figure DE102021214218A1_0001
( X n O m ) + 2 m 3 [ A l ] = n [ X ] + m 3 { A l 2 O 3 }
Figure DE102021214218A1_0002

Dabei steht „X“ allgemein für eine Metall-Komponente wie beispielsweise Chrom oder Mangan."X" generally stands for a metal component such as chromium or manganese.

Die genannten Reaktionsgleichungen (1) und (2) beschreiben einen chemischen Reduktionsvorgang zwischen Schlacke und Metall, der mittels Vakuums und einer starken Inertgas-Rührung (meistens mit Argon) verläuft.The above reaction equations (1) and (2) describe a chemical reduction process between slag and metal, which takes place using a vacuum and strong inert gas stirring (usually with argon).

Der Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich ist, eine Verkürzung der Behandlungszeit der Schmelze zu erreichen, um damit wirtschaftliche Vorteile zu ermöglichen. Ferner soll additiv oder alternativ der Verbrauch an den benötigten Einsatzstoffen reduziert werden.The invention is based on the task of developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that it is possible to shorten the treatment time for the melt, in order to thereby enable economic advantages. Furthermore, the consumption of the required input materials should be reduced additively or alternatively.

Die Lös u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze vor dem Abschluss des Konverter-Prozesses unter Bildung von Schlacke Sauerstoff zugegeben wird, wobei im Konverter-Prozess keine Reduktion der Schlacke erfolgt, und dass erst im nachfolgenden Vakuum-Prozess eine Reduktion der Schlacke erfolgt.The solution to this problem by the invention is characterized in that oxygen is added to the melt before the converter process is completed, with the formation of slag, with no reduction of the slag taking place in the converter process, and that only in the subsequent vacuum process is a Reduction of the slag takes place.

Der Konverter-Prozess und der Vakuum-Prozess können in einem einzigen metallurgischen Gefäß durchgeführt werden. Der Prozess kann auch in einem Anlagen-Tandem Konverter-VOD (VOD-Verfahren - Vacuum Oxygen Decarburisation) durchgeführt werden.The converter process and the vacuum process can be carried out in a single metallurgical vessel. The process can also be carried out in a plant tandem converter VOD (VOD process - Vacuum Oxygen Decarburisation).

Der Druck beim Vakuum-Prozess wird vorzugsweise unter 100 mbar gehalten.The pressure during the vacuum process is preferably kept below 100 mbar.

Die Temperatur der Schlacke bei der Durchführung des Vakuum-Prozesses wird vorzugsweise zwischen 1.720 °C und 1.760 °C gehalten.The temperature of the slag when carrying out the vacuum process is preferably kept between 1720°C and 1760°C.

Während des Konverter-Prozesses erfolgt ein Einblasen von Sauerstoff bevorzugt, bis ein End-Kohlenstoffgehalt in der Schmelze unterhalb des Sauerstoff-Kohlenstoff-Gleichgewichts vorliegt.During the converter process, oxygen is preferably blown in until the final carbon content in the melt is below the oxygen-carbon equilibrium.

Der Schmelze können zum Erreichen eines hohen Verflüssigungsgrades der Schlacke ein Schlacken-Bildner, insbesondere in Form von Flussspat (CaF2), Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Sand, zugegeben werden.A slag former, in particular in the form of fluorspar, can be added to the melt to achieve a high degree of liquefaction of the slag (CaF 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and/or sand.

Die sich im Konverter-Prozess bildende Schlacke wird bevorzugt auf einer Basizität zwischen 1,4 und 1,6 gehalten, wozu der Schmelze Kalk zugeführt wird.The slag that forms in the converter process is preferably kept at a basicity of between 1.4 and 1.6, for which purpose lime is added to the melt.

Somit wird in der letzten Sauerstoff-Blasperiode während der Konverter-Behandlung aufgrund des genannten End-Kohlenstoffgehalt eine konditionierte flüssige Schlacke mit sehr hoher Sauerstoff-Reaktivität und niedriger Viskosität formiert. Die angestrebte hohe Sauerstoff-Reaktivität wird durch einen Überschuss des Sauerstoffs (Überblasen) und Bildung von Metall-Oxiden, insbesondere von Chrom, gezielt eingestellt.Thus, in the last oxygen blowing period during the converter treatment, due to said final carbon content, a conditioned liquid slag with very high oxygen reactivity and low viscosity is formed. The desired high oxygen reactivity is set in a targeted manner by excess oxygen (overblowing) and the formation of metal oxides, in particular chromium.

Die Zufuhr von Sauerstoff erfolgt dabei gezielt und orientiert sich am thermodynamischen Kohlenstoff-Gleichgewicht.The supply of oxygen is targeted and based on the thermodynamic carbon balance.

Der Sauerstoff-Überschuss ist in der Schlacke als Oxid gebunden und auch im flüssigen Metall gelöst. Die Sauerstoff-Zugabe wird dabei so bestimmt und eingestellt, dass eine gezielte Reduktion mit Kohlenstoff unter dem sich anschließenden Vakuum möglich ist.The excess oxygen is bound in the slag as an oxide and also dissolved in the liquid metal. The addition of oxygen is determined and adjusted in such a way that targeted reduction with carbon is possible under the subsequent vacuum.

Die gewünschte niedrige Viskosität der Schlacke wird durch eine entsprechend hohe Temperatur gewährleistet, insbesondere für eine Metall-Oxidation vor allem von Chrom.The desired low viscosity of the slag is ensured by a correspondingly high temperature, in particular for metal oxidation, especially of chromium.

Die tiefe Entkohlung während des Vakuum-Prozesses bei der Reduktion der Schlacke mit Kohlenstoff erfolgt bei der genannten hohen Temperatur und bei einem eingestellten Sauerstoff-Inertgas-Verhältnis.The deep decarburization during the vacuum process when reducing the slag with carbon takes place at the high temperature mentioned and with a set oxygen-inert gas ratio.

Die Konverter-Behandlung der Schmelze (d. h. die erste Phase des Verfahrens) endet also ohne Schlacke-Reduktion.The converter treatment of the melt (i.e. the first phase of the process) thus ends without slag reduction.

Die Erfindung sieht somit vor, dass die Konverter-Reduktion in den Vakuum-Schritt verlegt und dort integriert wird (s. die nachfolgend beschriebenen 1 und 2).The invention thus provides that the converter reduction is moved to the vacuum step and integrated there (see the below described 1 and 2 ).

Ein tiefes Vakuum und eine hohe Temperatur der Schmelze im Vakuum-Prozess ersetzen den Reduktionsvorgang vom Konverter vollständig und qualitativ besser. Die Verlegung des Konverter-Reduktionsprozesses und eine besondere Konditionierung der Schlacke noch im Konverter-Prozess verbessert wesentlich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.A deep vacuum and a high temperature of the melt in the vacuum process replace the reduction process in the converter completely and with better quality. The relocation of the converter reduction process and a special conditioning of the slag in the converter process significantly improves the economics of the process.

Verglichen mit dem vorbekannten Verfahren, wie eingangs beschrieben, ergibt sich nunmehr durch die erfindungsgemäße Lösung folgendes:

  • Es erfolgt eine Konverter-Behandlung ohne Schlacke-Reduktion.
Compared to the previously known method, as described at the beginning, the solution according to the invention now results in the following:
  • There is a converter treatment without slag reduction.

Es wird eine hoher End-Schlacke-Reaktivität sichergestellt.A high final slag reactivity is ensured.

Die letzte Konverter-Sauerstoff-Blasperiode zielt nicht nur auf einen End-Kohlenstoffgehalt ab, sondern auch auf eine konditionierte Schlacke mit sehr hoher Sauerstoff-Reaktivität. Die Sauerstoff-Reaktivität resultiert aus einem Sauerstoff-Überschuss (Überblasen) und Bildung von Metall-Oxiden (siehe hierzu die 3 und 4).The final converter oxygen blow period not only aims at a final carbon content, but also at a conditioned slag with very high oxygen reactivity. The oxygen reactivity results from an excess of oxygen (overblowing) and the formation of metal oxides (see the 3 and 4 ).

Die Schlacke weist eine niedrige Viskosität auf. Sie wird durch eine hohe Temperatur der Metall-Oxid-Bildung und die Verwendung von Verflüssigungs-Bildner (wie z.B. Fluor-Spar (CaF2), Al2O3 bzw. Sand) eingestellt.The slag has a low viscosity. It is set by a high temperature of the metal oxide formation and the use of liquefiers (such as Fluor-Spar (CaF 2 ), Al 2 O 3 or sand).

Die Behandlungstemperaturen der Schlacke liegen hoch und bevorzugt im genannten Bereich.The treatment temperatures of the slag are high and preferably in the range mentioned.

Vor der Vakuum-Behandlung erfolgt das Abschaffen des Abschlackens der Schmelze.Before the vacuum treatment, the slagging of the melt is abolished.

Die Reduktion der Konverter-Schlacke mit Kohlenstoff erfolgt unter tiefem Vakuum und hoher Temperatur.The reduction of the converter slag with carbon takes place under a deep vacuum and high temperature.

Die bevorzugte hohe Temperatur und das bevorzugte tiefe Vakuum bei ausreichendem Oxidationsgrad der Schlacke und den genannten Bedingungen führen zu einer vollständigen gezielten Entkohlung. Eine externe Sauerstoff-Zufuhr (Blasen) in die Schmelze wird nur dann notwendig, wenn die beschriebenen Bedingungen bzw. Voraussetzungen des Prozesses nicht eingehalten werden, wenn insbesondere der Schlacke-Oxidationsgrad bzw. die Temperatur der Schmelze nicht den thermodynamischen Bedingungen entsprechen.The preferred high temperature and the preferred deep vacuum with a sufficient degree of oxidation of the slag and the conditions mentioned lead to complete, targeted decarburization. An external supply of oxygen (bubbles) into the melt is only necessary if the conditions or prerequisites of the process described are not met, in particular if the degree of slag oxidation or the temperature of the melt do not correspond to the thermodynamic conditions.

Demgemäß erfolgt die Entkohlung der Legierung also dergestalt, dass in der End-Entkohlungsphase des Konverter-Prozesses (d. h. in der ersten Phase des Verfahrens) eine konditionierte hoch-metalloxidierte Schlacke erzeugt wird, worauf hin sich im Vakuum-Prozess (d. h. in der zweiten, sich anschließenden Phase des Verfahrens) eine starke Entkohlung der Schmelze stattfindet. Die Schlacke-Reduktion in der zweiten Phase verläuft mit Kohlenstoff unter stark vermindertem Druck und hoher Temperatur.Accordingly, the decarburization of the alloy takes place in such a way that in the final decarburization phase of the converter process (i.e. in the first phase of the process) a conditioned highly metal-oxidized slag is produced, whereupon in the vacuum process (i.e. in the second, subsequent phase of the process) a strong decarburization of the melt takes place. The slag reduction in the second phase proceeds with carbon under greatly reduced pressure and high temperature.

Somit können folgende Vorteile durch die vorgeschlagene Verfahrensweise erzielt werden:

  • Die Behandlungszeit (Reduktionszeit) kann verkürzt werden. Sie liegt bevorzugt zwischen 6 und 15 Minuten.
The following advantages can thus be achieved by the proposed procedure:
  • The treatment time (reduction time) can be shortened. It is preferably between 6 and 15 minutes.

Der durchschnittliche Inertgas-Verbrauch (beispielsweise von Argon) in der Reduktionsperiode liegt bei 5 bis 7 Nm3/t Legierung.The average consumption of inert gas (e.g. argon) in the reduction period is 5 to 7 Nm 3 /t alloy.

Der FF-Material-Verbrauch (Verbrauch an feuerfestem Material) kann vermindert werden, insbesondere unter 6,8 kg/ t Legierung, wodurch sich eine Verlängerung des Konverter-Einsatzes um ca. 10 bis 15 % ergibt.The FF material consumption (refractory material consumption) can be reduced, especially below 6.8 kg/t alloy, resulting in an extension of the converter use by about 10 to 15%.

Der Energiehaushalt der Schmelze kann verbessert werden.The energy balance of the melt can be improved.

Durch Wegfall des Abschlackens vor der Vakuum-Behandlung kann der Temperatur-Verlust der Schmelze im Bereich von 15 bis 23 K reduziert werden.By eliminating skimming before vacuum treatment, the temperature loss of the melt can be reduced in the range of 15 to 23 K.

Es kann eine Ersparnis von Reduktionsmitteln von ca. 11,0 kg/t Legierung Si bzw. 14,5 kg/t Legierung Al erreicht werden.Savings of reducing agents of approx. 11.0 kg/t alloy Si or 14.5 kg/t alloy Al can be achieved.

Gleichermaßen kann eine Ersparnis von Schlackenbildnern von ca. 45 kg/t Legierung Lime und 3 bis 5 kg/t Legierung Fluorspar erreicht werden.Likewise, a saving of slag-forming agents of approx. 45 kg/t Lime alloy and 3 to 5 kg/t Fluorspar alloy can be achieved.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

  • 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Konverter-Vakuum-Verfahren mit Zwischen-Abstich,
  • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Konverter-Vakuum-Verfahren ohne Zwischen-Abstich,
  • 3 zeigt schematisch das Prinzip der Entkohlung bei der Reduzierung einer Schlacke mit Kohlenstoff in einer Linie aus Konverter- und VOD-Anlage (Vakuum Oxygen Decarburisation),
  • 4 zeigt schematisch das Prinzip der Entkohlung bei der Reduzierung einer Schlacke mit Kohlenstoff in einem Vakuum-Konverter und
  • 5 zeigt schematisch das Kohlenstoff-Gleichgewicht für rostfreien Stahl (d. h. thermodynamischen Gleichgewichte zwischen Kohlenstoff und Chrom) bei unterschiedlichen Prozessbedingungen.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
  • 1 shows schematically a converter vacuum process according to the invention with intermediate tapping,
  • 2 shows schematically a converter vacuum process according to the invention without intermediate tapping,
  • 3 shows schematically the principle of decarburization when reducing a slag with carbon in a line consisting of converter and VOD plant (vacuum oxygen decarburization),
  • 4 shows schematically the principle of decarburization when reducing a slag with carbon in a vacuum converter and
  • 5 shows schematically the carbon balance for stainless steel (ie, thermodynamic equilibria between carbon and chromium) at different process conditions.

In den 1 bis 4 sind die verschiedenen Teilprozesse dargestellt, die sich aus dem kombinierten Konverter-Vakuum-Prozess (mit und ohne Abstich) ergeben, wobei (gemäß 3) der Konverter-Prozess vom Vakuum-Prozess getrennt sein kann oder (gemäß 4) eine Kombination der beiden Teilprozesse stattfindet.In the 1 until 4 shows the various sub-processes that result from the combined converter-vacuum process (with and without tapping), where (according to 3 ) the converter process can be separated from the vacuum process or (according to 4 ) a combination of the two sub-processes takes place.

Niedrige Kohlenstoffgehalte sind im System Metall-Schlacke beim vorhandenen Sauerstoff und bei stark verringertem Prozessdruck erreichbar. Das Vakuum bewirkt eine Reduzierung des Kohlenstoffgleichgewichts. Die Differenz zwischen dem temporären Kohlenstoffgehalt und dem Kohlenstoffgleichgewicht, naturgemäß verstanden als Reaktionspotential, bildet die treibende Kraft der Sauerstoff-Kohlenstoff-Reaktion. Je größer das Reaktionspotential ist, desto größer ist die Entkohlungsgeschwindigkeit gemäß nachfolgender Gleichung (3): ( d C d t ) = 1 τ ( C C * )

Figure DE102021214218A1_0003
wobei bedeutet:

(-dC/dt)
Entkohlungsgeschwindigkeit
C
aktueller Kohlenstoffgehalt
C*
Kohlenstoffgleichgewicht
τ
Entkohlungszeitkonstante
Low carbon contents are achievable in the metal-slag system with the presence of oxygen and at greatly reduced process pressure. The vacuum causes a reduction in the carbon balance. The difference between the temporary carbon content and the carbon equilibrium, naturally understood as the reaction potential, forms the driving force of the oxygen-carbon reaction. The greater the reaction potential, the greater the decarburization rate according to equation (3) below: ( i.e C i.e t ) = 1 τ ( C C * )
Figure DE102021214218A1_0003
where means:
(-dC/dt)
decarburization rate
C
current carbon content
C*
carbon balance
τ
decarburization time constant

Mit der dargestellten Abfolge der chemischen Reaktionen im flüssigen Metall gemäß Gleichung (4) { O 2 } = [ O ] n [ X ] + m [ O ] = ( X n O m ) ( X n O m ) + m [ C ] = n [ X ] + m { C O }

Figure DE102021214218A1_0004
wird das thermodynamische Gleichgewicht der XnOm -Reduktion durch Kohlenstoff wie folgt gemäß Gleichung (5) beschrieben: K C , X ( T ) = a X n P C O m a X n O m a C m
Figure DE102021214218A1_0005
With the illustrated sequence of chemical reactions in the liquid metal according to Equation (4) { O 2 } = [ O ] n [ X ] + m [ O ] = ( X n O m ) ( X n O m ) + m [ C ] = n [ X ] + m { C O }
Figure DE102021214218A1_0004
the thermodynamic equilibrium of X n O m reduction by carbon is described as follows according to equation (5): K C , X ( T ) = a X n P C O m a X n O m a C m
Figure DE102021214218A1_0005

Nach der Auflösung der Gleichung (5) und unter Einsatz der nachfolgenden Gleichung (6) kann Gleichung (7) erhalten werden, wie sie unten aufgeführt ist, aus der die Abhängigkeit des Kohlenstoff-Gleichgewichts vom äußeren Prozessdruck gemäß Gleichung (8) erkennbar ist: a C = a X n m p C O a X n O m n m K C , X ( T ) 1 m

Figure DE102021214218A1_0006
wobei a C = ƒ C C * a X = ƒ X X p C O = R R + 0,5 p
Figure DE102021214218A1_0007

X
Metall-Komponente wie Chrom, Mangan und Eisen
aC
Kohlenstoffaktivität
fC
Kohlenstoff-Aktivitätskoeffizient
aX
Element X-Aktivität
fX
Element X-Aktivitätskoeffizient
R
O2/ Inertgas-Verhältnis
aXnOm
Schlacken-Komponente XnOm-Aktivität
p,pCO
Prozessdruck, Kohlenmonoxid-Partialdruck
KC,X(T)
Kohlenstoff-Element X - Reaktionskonstante in Funktion der Temperatur
C * = ( ƒ X X ) n m ƒ C a X n O m 1 m K C , X ( T ) 1 m R R + 0,5 p
Figure DE102021214218A1_0008
After solving Equation (5) and using Equation (6) below, Equation (7) can be obtained as given below, from which the dependency of the carbon balance on the external process pressure according to Equation (8) can be seen: a C = a X n m p C O a X n O m n m K C , X ( T ) 1 m
Figure DE102021214218A1_0006
whereby a C = ƒ C C * a X = ƒ X X p C O = R R + 0.5 p
Figure DE102021214218A1_0007
X
Metal component such as chromium, manganese and iron
aC
carbon activity
fC
carbon activity coefficient
aX
Element X activity
fX
Element X activity coefficient
R
O 2 / inert gas ratio
aXnOm
Slag component XnOm activity
p,pCO
Process pressure, carbon monoxide partial pressure
KC,X(T)
Carbon element X - reaction constant as a function of temperature
C * = ( ƒ X X ) n m ƒ C a X n O m 1 m K C , X ( T ) 1 m R R + 0.5 p
Figure DE102021214218A1_0008

Wie Simulationen gemäß Gleichung (8) gezeigt haben, stellt sich das Kohlenstoff-Chrom-Reaktionsgleichgewicht unter atmosphärischem Druck, der Temperatur von 1.700 °C, einem Chrom-Gehalt von 18 % und dem O2/Inert-Gas-Verhältnis von 2 (Blas-Stufe 2:1, R=1,33) bei 0,25 % ein. Das Ergebnis besagt, dass eine weitere Sauerstoff-Zufuhr nach dem Erreichen des Gleichgewichts, in dem Fall von 0,25 %, eine starke Oxidation von metallischen Elementen vor allem von Chrom erzwingt und die Reaktivität der Schmelze forciert.As simulations according to Equation (8) have shown, the carbon-chromium reaction equilibrium is established under atmospheric pressure, a temperature of 1,700 °C, a chromium content of 18 % and an O 2 /inert gas ratio of 2 (Blas -Level 2:1, R=1.33) at 0.25% on. The result says that a further supply of oxygen after reaching equilibrium, in the case of 0.25%, forces a strong oxidation of metallic elements, especially chromium, and promotes the reactivity of the melt.

Im weiteren Vakuum-Verfahren beim Druck von 0,1 bar und bei dem R-Verhältnis von 0,22 findet eine starke Verschiebung des Gleichgewichts auf das Niveau von 0,0078 % (78 ppm) statt und begrenzt weitere Entkohlung. Diesbezüglich wird auf 5 Bezug genommen wo dies dargestellt ist.In the further vacuum process at a pressure of 0.1 bar and at an R ratio of 0.22, there is a sharp shift in the equilibrium to the level of 0.0078% (78 ppm) and limits further decarburization. In this regard, on 5 Referenced where shown.

Wie aus 5 mit der Darstellung der Gleichgewichte weiter hervorgeht, ist sowohl die Prozessführung durch das Vakuum und die Temperatur-Steuerung als auch das kontrollierte Blasen von Sauerstoff und Inertgas bzw. Stirring-Gas (d. h. das das O2/Inertgas-Verhältnis) sehr flexibel. Die maßgeblichen Parameter haben einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz der Entkohlung. Abhängig von der produzierenden Legierungs-Sorte können im Rahmen der Vorbedingungen verschiedene Variationen zwischen dem Temperatur-Druck-Verhältnis und dem O2/Inertgas-Verhältnis gewählt werden. Das Einstellen der Temperatur erfolgt im Konverter-Prozess und des Druckes im Vakuum-Prozess, das Einstellen des Verhältnisses gilt für beide Teilprozesse. Es sei angemerkt, dass in der EnergieBilanz des Prozesses der endothermische Ablauf der Schlacke-Reduktion zu berücksichtigen ist. Er bewirkt eine Abnahme der Metalltemperatur.How out 5 with the depiction of the equilibria, both the process management through the vacuum and the temperature control as well as the controlled blowing of oxygen and inert gas or stirring gas (ie the O 2 /inert gas ratio) are very flexible. The relevant parameters have a significant impact on the efficiency of decarburization. Depending on the alloy type being produced, different variations between the temperature-pressure ratio and the O 2 /inert gas ratio can be selected within the framework of the preconditions. The temperature is set in the converter process and the pressure in the vacuum process; the setting of the ratio applies to both sub-processes. It should be noted that the endothermic course of the slag reduction must be taken into account in the energy balance of the process. It causes the metal temperature to decrease.

Eine Prozesssteuerung errechnet, optimiert und führt aus die maßgeblichen Parameter und die Verhältnisse des Prozesses. Maßgebend ist die Ermittlung der Entkohlung zwischen dem Konverter-Prozessende und der Zielanalyse nach dem Vakuum-Schritt, um die Kohlenstoff-Ziel-Analyse zu erreichen. Dieser Wert bestimmt weiter den notwendigen Sauerstoff-Bedarf zwecks Metall-Oxidation. Korrekturen der Sauerstoff-Menge sind nicht ausgeschlossen und können sich aus weiterem Bedarf der Temperatur-Einstellung und Schlackenbildner-Zugaben bezüglich Basizität ergeben.A process control calculates, optimizes and implements the relevant parameters and the conditions of the process. The determination of the decarburization between the end of the converter process and the target analysis after the vacuum step is decisive in order to achieve the carbon target analysis. This value further determines the necessary oxygen demand for metal oxidation. Corrections to the amount of oxygen are not excluded and may result from further need for temperature adjustment and slag former additions related to basicity.

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Claims (8)

Verfahren zum Herstellen einer Ferrolegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, insbesondere von rostfreien und hochlegierten ULC-Stählen (Ultra Low Carbon - Stählen), bei dem zunächst in einem Konverter-Prozess eine Schmelze der Ferrolegierung durch Zugabe von Sauerstoff behandelt wird und dann in einem sich anschließenden Vakuum-Prozess die so vorbereitete Schmelze entkohlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze vor dem Abschluss des Konverter-Prozesses unter Bildung von Schlacke Sauerstoff zugegeben wird, wobei im Konverter-Prozess keine Reduktion der Schlacke erfolgt, und dass erst im nachfolgenden Vakuum-Prozess eine Reduktion der Schlacke erfolgt.Process for producing a ferroalloy with a low carbon content, in particular stainless and high-alloy ULC steels (Ultra Low Carbon steels), in which a melt of the ferroalloy is first treated in a converter process by adding oxygen and then in a subsequent vacuum -Process the melt prepared in this way is decarburized, characterized in that the melt is added to the melt before the conclusion of the converter process with the formation of slag, with no reduction of the slag taking place in the converter process, and that only in the subsequent vacuum process Reduction of the slag takes place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter-Prozess und der Vakuum-Prozess in einem einzigen metallurgischen Gefäß durchgeführt werden.procedure after claim 1 , characterized in that the converter process and the vacuum process are carried out in a single metallurgical vessel. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter-Prozess und der Vakuum-Prozess in einem Anlagen-Tandem Konverter-VOD (Vacuum Oxygen Decarburisation - Verfahren) durchgeführt werden.procedure after claim 1 , characterized in that the converter process and the vacuum process in a plant tandem converter VOD (Vacuum Oxygen Decarburization - process) are carried out. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Vakuum-Prozess niedriger als 100 mbar gehalten wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the pressure during the vacuum process is kept lower than 100 mbar. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Schlacke bei der Durchführung des Vakuum-Prozesses zwischen 1.720 °C und 1.760 °C gehalten wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the temperature of the slag is kept between 1,720 °C and 1,760 °C during the implementation of the vacuum process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Konverter-Prozesses ein Einblasen von Sauerstoff erfolgt, bis ein End-Kohlenstoffgehalt in der Schmelze unterhalb des Sauerstoff-Kohlenstoff-Gleichgewichts vorliegt.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that oxygen is blown in during the converter process until the final carbon content in the melt is below the oxygen-carbon equilibrium. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze zum Erreichen eines hohen Verflüssigungsgrades der Schlacke ein Schlacken-Bildner, insbesondere in Form von Flussspat (CaF2), Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Sand, zugegeben wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that a slag former, in particular in the form of fluorspar (CaF 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and/or sand, is added to the melt to achieve a high degree of liquefaction of the slag. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die im Konverter-Prozess bildende Schlacke auf einer Basizität zwischen 1,4 und 1,6 gehalten wird, wozu der Schmelze Kalk zugeführt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the slag forming in the converter process is kept at a basicity between 1.4 and 1.6, for which purpose lime is added to the melt.
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