DE112008001288T5

DE112008001288T5 - Verbesserte Legierungsrückgewinnung in Bädem aus geschmolzenem Stahl unter Verwendung mit Desoxidationsmitteln dotierter Fülldrähte

Info

Publication number: DE112008001288T5
Application number: DE112008001288T
Authority: DE
Inventors: Leslie Wade Niemi; Gregory P. Marzec
Original assignee: Affival Inc
Current assignee: Affival Inc
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2010-07-15
Also published as: GB2461239A; GB0919971D0; CZ2009857A3; SE0901523L; SE0901523A0; MX2009012438A; RU2529132C2; AT507365A2; EP2158337A4; EP2158337A1; CA2686285A1; ES2343302B1; SK500572009A3; JP2010527410A; CN101688260A; US20080314199A1; WO2008144617A1; ZA200908515B; KR20100029078A; PL390678A1

Abstract

Legierungs-Abgabevorrichtung mit:
mindestens einer Additivlegierung; und
mindestens einem Desoxidationsmittel, wobei das Desoxidationsmittel mit der Legierung vermischt wird, um ein Gemisch zu schaffen; und
einer länglichen Hülle um das Gemisch herum.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/938,671, eingereicht am 17. Mai 2007, deren Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen ist.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Hinzufügen von Legierungen zu geschmolzenem Metall und insbesondere Stahl. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf das Hinzufügen von Legierungen und Desoxidationsmitteln zu geschmolzenem Stahl, um die Rückgewinnung beim Metall zu steigern.
Hintergrund der Erfindung
Es ist allgemein bekannt, Legierungen und andere Zusatzstoffe zu geschmolzenem Stahl hinzuzufügen, um die Materialeigenschaften, darunter Festigkeit und Zähigkeit, des Stahl-Endproduktes zu verbessern.
Im Stand der Technik erfolgt das Hinzufügen von Legierungen und Zusatzstoffen zu geschmolzenem Stahl häufig durch Einschließen von pulverisierten Legierungen und Zusatzstoffen in einer Metallhülle, um einen ”Fülldraht” zu bilden, welcher anschließend in den geschmolzenen Stahl ”injiziert” wird, der in einem Tiegel in der Stahlraffinierungsanlage der meisten Stahlwerke enthalten ist. US-Patent Nr. 4,128,414 beschreibt einen derartigen Injektionsvorgang. Ein Teil des in den Stahl injizierten Materials verbleibt nicht in dem Stahl. Um effizient zusatzstoffverstärkten oder legie rungsverstärkten geschmolzenen Stahl herzustellen, ist es erstrebenswert, die ”Rückgewinnung” bei geschmolzenem Stahl zu steigern.
”Rückgewinnung” ist ein Maß für die in dem geschmolzenen Stahl nach der Injektion enthaltenen Menge an Legierungen und Zusatzstoffen. Rückgewinnung wird angegeben als Prozentsatz von in den Stahl injizierter Legierung oder Zusatzstoff, welche(r) nach der Injektion in dem Stahl enthalten ist. Je höher der nach der Injektion in dem Stahl enthaltene Prozentsatz, desto höher wird die Rückgewinnung sein. Höhere Rückgewinnungen bedeuten niedrigere Kosten für den Stahlhersteller, da weniger Fülldraht injiziert wird. Auch bedeutet höhere Rückgewinnung üblicherweise, dass die chemischen Eigenschaften des Stahl-Endprodukts vorhersagbarer und reproduzierbarer sein werden.
Es ist allgemein bekannt, dass Additivlegierungen (typischerweise zu Pulvern mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter gemahlen), welche in einem mit Stahl ummantelten Fülldraht eingeschlossen sind, der tief in geschmolzene Bäder injiziert wird, zu einer bedeutenden Verbesserung bei der Rückgewinnung führen. Aber es ist ebenfalls allgemein bekannt, dass die Rückgewinnung gewisser Additivlegierungen durch den Sauerstoffgehalt sowohl des Schmelzbades als auch der geschmolzenen Schlacke oben auf dem Schmelzbad negativ beeinflusst wird. Eine Verringerung des Sauerstoffgehalts des Schmelzbades und der Schlacke ist möglich; jedoch kann er niemals auf Null gebracht werden. Im Allgemeinen verbleibt stets eine gewisse Menge Sauerstoff in dem geschmolzenen Metall und der Schlacke, welche die Rückgewinnung der Additivlegierung negativ beeinflusst. Je höher der Sauerstoffgehalt, desto negativer die Wirkung.
Man nimmt an, dass Sauerstoff 13 in dem geschmolzenen Metall 10 bewirkt, dass die Oberfläche der Additivlegierung 16 oxidiert wird, bevor das Teilchen 16 des Pulvers aus der Additivlegierung in dem geschmolzenen Metall 10 aufgelöst werden kann. Dies ist in 1 dargestellt. In diesem Fall bedeckt die oxidierte Schicht 19 das Teilchen 16 des Pulvers aus Additivlegierung und verringert dadurch die Gesamtdichte des Teilchens 16 und macht es schwimmfähiger als den Stahl 10. Beispielsweise hat Nb eine Dichte von 8,57 g/m³, und die Dichte von Nb₂O₅ beträgt 4,47 g/m³, aber die Dichte von Stahl ist 7,6 g/m³. 2 stellt eine oxidierte Legierung mit einer geringeren Dichte dar, welche zur Oberfläche des geschmolzenen Stahls 10 hin aufsteigt. In anderen Fällen wird die Oxidschicht 19 zu einer Barriere für den aus der Additivlegierung bestehenden geschmolzenen Kern 16. Beispielsweise hat 70%iges FeTi einen Schmelzpunkt von 1.085°C, während TiO₂ einen Schmelzpunkt von 1.850°C hat, aber die Temperatur des geschmolzenen Stahls 10 beträgt üblicherweise etwa 1.600°C. Dieses Problem ist in 3 veranschaulicht. Die Wirkung dieser Mechanismen ist, dass sie nicht zulassen, dass das Teilchen 16 aus Additivlegierung sich vollständig in der Metallschmelze 10 auflöst, bevor das Teilchen 16 an die Schlacken-Oberfläche aufsteigt, wo es absorbiert wird.
Bei anderen bekannten Verfahren wird die Additivlegierung 16 in das Schmelzbad 10 injiziert, um für das Endprodukt vorteilhafte Nitride und/oder Carbide zu bilden. Jahrelang haben Stahlhersteller Calciumcyanamid (CaCN₂) zum Zweck der Erhöhung des Stickstoffgehalts in ihrem Schmelzbad 10 verwendet. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 3,322,530 . Ferner hat sich erwiesen, dass die Rückgewinnung von Stickstoff sehr verbessert ist, wenn das CaCN₂ zu dem Schmelzbad 10 durch Injektion von Fülldraht hinzugefügt wird, wie in US-Patent Nr. 4,897,114 beschrieben.
Trotz der Verbesserungen im Stand der Technik bleibt ein Bedarf an der Verbesserung der Rückgewinnung bei den geschmolzenen Metallen und insbesondere Stahl.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann als Abgabevorrichtung für Legierungen ausgeführt werden. Die Abgabevorrichtung kann ein Gemisch mit mindestens einer Additivlegierung und mindestens einem Desoxidationsmittel enthalten. Das Gemisch kann von einer länglichen Hülle bedeckt sein. Die Hülle kann ein im Wesentlichen hohler Draht sein, in welchem sich das Gemisch befindet.
Die mindestens eine Additivlegierung kann FeNb, FeV oder FeTi sein. Das mindestens eine Desoxidationsmittel kann Ca, CaSi, Si, Al oder CaN₂ sein. Das Desoxidationsmittel kann ein typischerweise aus Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter zusammengesetztes Pulver sein. Die Additivlegierung kann aus Teilchen gemahlenen Pulvers, typischerweise mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter, bestehen. Das Desoxidationsmittel kann in einer Menge von typischerweise 5% bis 50% Gewichts- oder Volumenanteil des Gemischs vorhanden sein.
Die vorliegende Erfindung kann als Verfahren zum Zuführen einer Additivlegierung zu geschmolzenem Metall ausgeführt sein, wobei mindestens ein Desoxidationsmittel mit mindestens einer Additivlegierung gemischt wird, um ein Gemisch zu schaffen. Das Gemisch kann in einer Metallhülle eingeschlossen werden, um eine Legierungs-Abgabevorrichtung zu schaffen. Geschmolzenes Metall kann hergestellt werden, und die Legierungs-Abgabevorrichtung kann dem geschmolzenen Metall zugeführt werden. Die Abgabevorrichtung kann in das geschmolzene Metall eingeführt werden, und es kann zugelassen werden, dass die Hülle in dem geschmolzenen Metall schmilzt. Sobald es geschmolzen ist, wird zugelassen, dass das Gemisch sich mit dem geschmolzenen Metall vermischt und dadurch zur Verteilung des Gemischs in dem geschmolzenen Metall führt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Rückgewinnung der Additivlegierung in dem geschmolzenen Stahl durch Vermischung desoxidierender Pulver, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Ca, CaSi, Si, Al, CaN₂, etc. in variierenden Mengen (typischerweise, aber nicht beschränkt auf, 5% bis 50% Gewichts- oder Volumenanteil des Gemischs), mit den Additivlegierungen verbessert. Ohne sich durch die Theorie beschränken zu wollen, nimmt man an, dass die desoxidierenden Pulver, wenn sie mit Additivlegierungsmitteln vermischt und innerhalb eines in das Schmelzbad injizierten Fülldrahts enthalten sind, in nächster Nähe zu den Additivlegierungspulvern freigesetzt werden. Die desoxidierenden Pulver reagieren mit dem in dem geschmolzenen Metall enthaltenen aufgelösten Sauerstoff und schaffen so eine sauerstoffverarmte Zone in demselben Bereich wie Additivlegierungs-Teilchen. Ebenso ist im Fall der Vermischung von CaCN₂-Pulvern mit Nitrid und/oder Carbid zur Bildung von Additivlegierungen in Fülldrähten die Zone, wo die Pulver in dem Schmelzbad freigesetzt werden, sowohl sauerstoffverarmt als auch mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert. Somit schafft die vorliegende Erfindung einen zusatzstoffverstärkten oder legierungsverstärkten geschmolzenen Stahl mit verbesserter Rückgewinnung.
Kurze Zeichnungsbeschreibung
Zum Zweck eines umfassenderen Verständnisses der Beschaffenheit und Ziele der Erfindung sollte auf die beigefügten Zeichnungen und die folgende Beschreibung Bezug genommen werden. Kurz gesagt, stellen die Zeichnungen Folgendes dar:
1 stellt ein Verfahren aus dem Stand der Technik dar, wobei ein mit Sauerstoff angereichertes Schmelzbad mit einer Additivlegierung reagiert und dadurch eine Oxidschicht über einem Additivlegierungskern bildet.
2 zeigt, dass bei den Verfahren aus dem Stand der Technik eine Oxidschicht die Dichte verringert und so die Schwimmfähigkeit der Additivlegierung in dem Bad aus geschmolzenem Stahl erhöht.
3 stellt eine Oxidschicht mit hohem Schmelzpunkt dar, welche als Barriere gegen die Auflösung des Additivlegierungskerns mit niedrigem Schmelzpunkt wirkt.
4 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei mit Sauerstoff in dem Bad reagierende CaCN₂-Teilchen eine sauerstoffverarmte Zone verursachen. Gleichzeitig werden Kohlenstoff und Stickstoff in das Schmelzbad freigesetzt und bewirken so eine Anreicherung in der sauerstoffverarmten Zone.
5 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher das Desoxidationsmittel keinen Kohlenstoff oder Stickstoff in das Schmelzbad freisetzt.
6 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden, um eine erhöhte Rückgewinnung bei zusatzstoffverstärktem oder legierungsverstärktem geschmolzenem Stahl zu schaffen. Ohne sich durch die Theorie beschränken zu wollen, nimmt man an, dass das Hinzufügen von desoxidierenden Pulvern 31 zu Additivlegierungspulvern 28 in Fülldrähten zur Injektion in Schmelzbäder eine chemische Reaktion zwischen dem desoxidierenden Pulver 31 und den in dem Schmelzbad 10 enthaltenen Sauerstoffatomen bewirkt. Diese Reaktion verringert den Sauerstoffgehalt in der örtlich begrenzten Zone 34, in welcher die Additivlegierungspulver 28 freigesetzt werden. Dies ist in 4 und 5 zu sehen. Durch die Verringerung des Sauerstoffgehalts des Bades in Zone 34, in welcher die Additivlegierungspulver 28 freigesetzt werden, wird der oxidierte Anteil dieser Additivlegierungspulver 28 stark verringert und dadurch die Rückgewinnung der Additivlegierung 28 erhöht. Durch die Erhöhung der Rückgewinnung der Additivlegierung 28 wird die Menge, deren Injektion in das geschmolzene Metall 10 erforderlich ist, verringert und so eine Zeit- und Geldersparnis für den Stahlhersteller bewirkt. Ferner werden durch die Erhöhung der Rückgewinnung die chemischen Eigenschaften des Stahl-Endprodukts vorhersagbarer und reproduzierbarer – beides erwünschte Vorgangsmerkmale.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Legierungs-Abgabevorrichtung geschaffen. Die Legierungs-Abgabevorrichtung kann eine Mischung aus einer Additivlegierung wie FeNb, FeV oder FeTi und einem Desoxidationsmittel aus Ca, CaSi, Si, Al oder CaN₂ umfassen. Diese Mischung kann in einer länglichen Metallhülle untergebracht sein.
Anders als der Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung das Desoxidations- und/oder Karbonisierungs- und Nitrierungspotential erkannt, wenn CaCN₂ mit bestimmten oxidierbaren Nitrid- und/oder Carbid-Bildnern (z. B. FeNb, FeV, FeTi) kombiniert und dann durch Fülldraht-Injektion in das Schmelzbad eingeführt wird. 4 veranschaulicht, dass, wenn CaCN₂-Teilchen 31 mit nitrid- und/oder carbidbildenden Additivlegierungen 28 in Fülldrähten vermischt werden, die CaCN₂-Teilchen 31 eine Zone 34 um das Additivlegierungs-Teilchen 28 herum bilden, in welcher der Sauerstoffgehalt verringert und der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt angereichert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Desoxidationsmittel in Form eines Pulvers mit Teilchen vor, welche typischerweise einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter haben, während die Additivlegierung in Form eines gemahlenen Pulvers mit Teilchen vorliegt, welche typischerweise einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter haben. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Desoxidationsmittel in einer Menge von typischerweise 5% bis 50% Gewichts- oder Volumenanteil vorhanden.
6 stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren dar. Bei einem derartigen Verfahren wird ein Desoxidationsmittel aus Ca, CaSi, Si, Al oder CaCN₂ mit einer Additivlegierung, welche FeNb, FeV oder FeTi sein kann, vermischt 100. Das vermischte Material kann in einer Metallhülle eingeschlossen 103 werden, um eine Legierungs-Abgabevorrichtung zu schaffen. Dann wird, sobald ein Bad aus geschmolzenem Metall wie geschmolzenem Stahl hergestellt 106 ist, die Legierungs-Abgabevorrichtung in das geschmolzene Metall zugeführt 109. Es wird zugelassen 112, dass die Hülle schmilzt, und das Gemisch wird in das geschmolzene Metall ausgegeben. 6 stellt ein derartiges Verfahren dar.
Man nimmt an, dass durch Vermischen einer Verbindung, welche sowohl desoxidiert als auch das geschmolzene Metall mit Stickstoff und Kohlenstoff anreichert (z. B. CaCN₂), mit oxidierbaren nitrid- und/oder carbidbildenden Pulvern in Fülldrähten die Zone, in welcher die Mischung freigesetzt wird, Sauerstoffverarmung und sowohl Stickstoff- als auch Kohlenstoffanreicherung aufweisen wird. Das Ergebnis ist eine verbesserte Rückgewinnung der Additivlegierung, wie zuvor beschrieben, mit dem Vorteil, dass mehr Nitride und/oder Carbide in dem Endprodukt hergestellt werden. In diesem Fall kann die Menge an in das Schmelzbad injizierten nitrid- und/oder carbidbildenden Additivlegierungen verringert werden und gleichzeitig das Endprodukt den verbesserten Vorteil vermehrter Nitride und/oder Carbide aufweisen. So können die Herstellungskosten verringert und die Produkteigenschaften verbessert werden.
Obgleich die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine oder mehr besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, ist klar, dass andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geschaffen werden können, ohne den Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Daher gilt die vorliegende Erfindung als nur durch die angehängten Ansprüche und deren sinnvolle Auslegung eingeschränkt.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung schafft eine erhöhte Rückgewinnung bei zusatzstoffverstärktem oder legierungsverstärktem geschmolzenem Stahl. Dies wird durch desoxidierende Pulver erreicht, die mit Additivlegierungen vermischt sind. Das desoxidierende Pulver reagiert mit dem Sauerstoff, wodurch in diesem Bereich der Sauerstoff verarmt. Der Legierungs- oder Zusatzstoffbereich wird angereichert, wodurch die Rückgewinnung bei dem geschmolzenen Stahl verbessert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4128414 [0004]
- US 3322530 [0008]
- US 4897114 [0008]

Claims

Legierungs-Abgabevorrichtung mit: mindestens einer Additivlegierung; und mindestens einem Desoxidationsmittel, wobei das Desoxidationsmittel mit der Legierung vermischt wird, um ein Gemisch zu schaffen; und einer länglichen Hülle um das Gemisch herum.
Legierungs-Abgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Additivlegierung aus der aus FeNb, FeV und FeTi bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Legierungs-Abgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Desoxidationsmittel aus der aus Ca, CaSi, Si, Al und CaCN₂ bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Legierungs-Abgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Desoxidationsmittel ein Pulver mit Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter ist.
Legierungs-Abgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Additivlegierung ein gemahlenes Pulver mit Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter ist.
Legierungs-Abgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Desoxidationsmittel in einer Menge von 5 bis 50% der Mischung in Gewichts- oder Volumenanteilen vorhanden ist.
Verfahren zum Zuführen einer Additivlegierung zu geschmolzenem Metall, umfassend: Vermischen mindestens eines Desoxidationsmittels mit mindestens einer Additivlegierung, um ein Gemisch zu schaffen; Einschließen der Mischung aus Desoxidationsmittel und Additivlegierung in einer Metallhülle, um eine Legierungs-Abgabevorrichtung zu schaffen; Herstellung geschmolzenen Metalls; Zuführen der Legierungs-Abgabevorrichtung in das geschmolzene Metall.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das geschmolzene Metall Stahl ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Desoxidationsmittel aus der aus Ca, CaSi, Si, Al und CaCN₂ bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Additivlegierung aus der aus FeNb, FeV und FeTi bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst, bei dem zugelassen wird, dass die Hülle schmilzt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst, bei dem das Gemisch verteilt wird.