DE2114600B2

DE2114600B2 - Verfahren zur gezielten Vakuumentkohlung hochlegierter Stähle

Info

Publication number: DE2114600B2
Application number: DE2114600A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Vacmetal Gesellschaft fuer Vakuum Metallurgie mbH
Current assignee: Vacmetal Gesellschaft fuer Vakuum Metallurgie mbH
Priority date: 1971-03-25
Filing date: 1971-03-25
Publication date: 1981-05-07
Also published as: US3837841A; GB1329216A; JPS5428370B1; FR2130350B1; CS216653B2; FR2130350A1; IT952335B; DE2114600A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Vakuumentkohlung hochlegierter Stähle durch Ein- oder Aufblasen von gasförmigem Sauerstoff im Vakuum auf eine Stahlschmelze.

Es ist bekannt, hochlegierte Chromstähle zur Vermeidung von Chromverlusten im Vakuum durch Ein- oder Aufblasen von Sauerstoff zu entkohlen, wobei jo es Schwierigkeiten bereitet, im Vakuum einen bestimmten Endkohlenstoffgehalt einzustellen. Dabei war man bislang auf Schätzungen angewiesen. Wegen der stark schwankenden und vielen Einflußgrößen unterworfenen Frischbedingungen besteht die Gefahr, daß beispielsweise durch Schwankungen des Sauerstoffangebots der Kohlenstoffsollwert unter- oder überschritten wird. In diesen Fällen läßt sich erst nach mehrmaliger Probenahme im Vakuum, Abwarten d<ir Analysenergebnisse sowie anschließendes Nachblasen mit Sauerstoff oder Aufkohlen die Sollanalyse in etwa erreichen.

Es ist zwar auch bekannt, die physikalischen und chemischen Parameter eines Frischgases für die Prozeßsteuerung zu verwenden, das gilt insbesondere für die Temperatur und die chemische Zusammensetzung des Abgases. So ist aus »Automatisierung von Hüttenwerken« Internationale Eisenhüttentagung 1965, Band 1, Amsterdam, 29. bis 31. März 1965, Liege, S. 307 bis 316 ein Verfahren bekannt, bei dem die Kohlenstoffabbrandgeschwindigkeit mit Hilfe der Abgasmenge und einer Abgasanalyse bestimmt wird. Dabei wird die Abgasmenge mit Hilfe einer Differenzdruckmessung, einer Absolutdruck- und einer Temperaturmessung vor einer Venturi-Düse bestimmt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig, weil für die Bestimmung der Kohlenstoffabbrandgeschwindigkeit insgesamt eine Abgasanalyse sowie zwei Druck- und eine Temperaturmessung erforderlich sind. Des weiteren beschreibt »Stahl und Eisen«, 1968, S. 153 bis 168 im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen hochlegierter Edelstahle im Sauerstoffaufblas-Konverter den Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffgehalt und dem Chromgehalt in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Druck über der Schmelze. Es finden sich jedoch keinerlei Angaben, wie dieser Zusammenhang für eine Prozeßsteuerung ausgenutzt werden könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich ein bestimmter Endkohlenstoffgehalt betriebssicher einstellen läßt ohne während der Behandlung Proben nehmen zu müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das nachfolgend im einzelnen beschriebene Verfahren.

Ein chromlegierter Stahl wird in bekannter Weise im Ofen erschmolzen, wobei die Gehalte an Chrom, Nickel, Phosphor und Schwefel in etwa auf den Sollwert eingestellt werden. Der Kohlenstoffgehalt der Schmelze liegi zur Vermeidung von Chromverlusten beim Frischen im Ofen wesentlich über dem Sollwert; er beträgt beispielsweise etwa 0,2 bis 1,0%. Die Schmelze wird schlackenfrei oder mit wenig Schlacke abgestochen und beispielsweise in einer Pfannenentgasungsanlage gegebenenfalls unter Umrühren mit Argon entgast und dabei der Druck auf etwa 10 Torr gesenkt Sodann wird mit Hilfe einer Lanze Sauerstoff in das Vakuumgefäß bzw. in die Schmelze auf- oder eingeblasen. Entsprechend der auf- oder eingeblasenen Sauerstoffmenge kommt es zu einem Temperaturanstieg im Vakuumgefäß.

Da der Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Schmelze exotherm der Gleichung

O₂+2C=200

reagiert wird eine erhebliche Wärmemenge frei und es erhöht sich die Temperatur des aus dem Vakuumgefäß abgesaugten Gases erheblich.

Die Temperaturmessung kann erfindungsgemäß zu einei meßtechnischen Überwachung der Entkohlung ausgenutzt werden. Die Vakuumpumpen werden beispielsweise so dimensioniert, daß trotz der anfallenden CO-Menge der Druck im Behandlungsgefäß im Bereich zwischen 10 Torr und 30 Torr bleibt Versuche haben ergeben, daß bei Einhaltung dieses Druckbereiches im Behandlungsgefäß großtechnisch die Entkohlung bis zu einem Wert entsprechend einem CO-Gleichgewicht von etwa 50 Torr in wirtschaftlich vertretbaren Zeiten möglich ist. Welcher Kohlenstoffgehalt in der Schmelze bei einem CO-Gleichgewicht entsprechend 50 Torr verbleibt, hängt von dem für die CO-Reaktion verfügbaren Sauerstoffangebot in der Schmelze ab, das wiederum abhängig von der Temperatur der Schmelze und deren Chromgehalt ist. Wie aus dem Diagramm der Zeichnung zu entnehmen ist, ist bei gegebenem CO-Partialdruck das Sauerstoffangebot ohne Verschlackung von Chrom umso höher, je höher die Temperatur der Schmelze ist. Dementsprechend ist der erreichbare Endkohlenstoffgehalt um so niedriger, je höher die Temperatur der Schmelze ist.

Um den Endkohlenstoffgehalt zu erreichen, muß so lange mit Sauerstoff geblasen und evakuiert werden, bis die CO-Reaktion infolge Erreichens des Gleichgewichts abbricht. Wird länger geblasen, so kommt es zu einer unerwünschten Verschlackung des Chroms. Daß der Gleichgewichtswert erreicht ist, läßt sich durch einen plötzlichen Temperaturabfall des abgesaugten Gases, bedingt durch das Ausbleiben der exothermen CO-Entwicklung aus der Reaktion des Sauerstoffs mit dem Kohlenstoff, feststellen.

Durch Temperaturmessung in der Schmelze im Augenblick des Temperaturabfalls des Abgases wird der erreichte Kohlenstoffgehalt kontrolliert. Ist dieser Wert niedriger als der Sollwert, so kann der Schmelze unverzüglich im Vakuum Kohlenstoff zugesetzt werden. Ist der erreichte Kohlenstoffgehalt der Schmelze höher als der angestrebte Wert, so wird der Schmelze im Vakuum ein Element, das eine hohe Sauerstoffaffinität

und stark exotherm reagiert, z. B. Silizium zugesetzt. Die zugesetzte Siliziummenge wird so gewählt, daß durch Verbrennung mit dem zugegebenen Sauerstoff die Temperatur erreicht wird, die für die Einstellung des Kohlenstoffsollgehaltes erforderlich ist Bei einem kurzen Nachblasen mit Sauerstoff kommt es wiederum zu einem Temperaturanstieg, bis der Kohlenstoffsollgehalt erreicht ist, was wiederum an einem plötzlichen Absinken der Abgastemperatur zu erkennen ist

Das beschriebene Verfahren kann natürlich auch in der Weise durchgeführt werden, daß aus der Temperatur entsprechend dem Kohlenstoffsollgehalt sowie dem Wärmeverlust, der bei einer entsprechenden Entgasungszeit ohne Sauerstoffzugabe eintreten würde, und der Wärmetönung der CO-Reaktion die erforderliche Temperatur am Anfang der Vakuumbehandlung errechnet wird. Diese Temperatur der Schmelze wird beim Abstich eingestellt, oder es wird, falls die Temperatur der Schmelze zu niedrig ist, vor oder während der Vakuumbehandlung die erforderliche Siliziummenge zugesetzt, um beim entkohlenden Sauerstoffbfasen zu der gewünschten Badtemperatur und damit zu dem Kohlenstoffsollgehalt zu gelangen. Die erforderliche Abstichtemperatur der Schmelze kann aufgrund bekannter Daten nach folgender Beziehung errechnet werden:

To= Te+T_A+Th-Tr
Hierin bedeutet

To die Abstichtemperatur;

Te die Endtemperatur, die für die Entkohlung entsprechend dem Diagramm der Zeichnung erforderlich ι υ ist;

Ta den Temperaturverlust beim Abstich;

Th den Temperaturverlust der Schmelze in der Vakuumpfanne vom Ende des Abstichs bis zum Ende des Blasens. Als Blaszeit kann hierbei mit hinreichender Genauigkeit eine Zeif von 10 bis 15 Minuten eingesetzt werden. Th setzt sich also aus betriebsbedingten Größen zusammen, die leicht ermittelt werden können;

Tr die Reaktionswärme, die sich aus der Reaktion Hi zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff sowie anderen mit Sauerstoff reagierenden Elementen ergibt Zur Ermittlung von 7« kann die nachfolgende Gleichung (2) dienen.

T_R = 300 ■ [% Si] + 140 · [% C] +350 [% Al] + 130 · [% Cr] +90 · [% Mn].

Hieraus ergibt sich, daß bei zu geringer Abstichtemperatur zur Vermeidung der Verlängerung der Ofenzeit Silizium oder Aluminium im Vakuum vor dem Blasen mit Sauerstoff zugesetzt werden kann, die Tr in dem Maße vergrößern, in dem Tozu niedrig ist.

Das Verfahren wird nachfolgend anhand einiger Beispiele erläutert:

	Kohlenstoff,
Beispiel 1	Silizium,
Eine 50-t-Schmelze der Zusarr	Mangan,
0,5%	Chrom,
O,35°/o	Nickel,
0,5%	Schwefel,
18%	Phosphor,
10%
0,015%
0,03%

500 kg Ferromangan

(80% Mn, 1% C),
150 kg Ferrochrom

(70% Cr, 1,5% C) und
480 kg Ferrosilizium

(75% Si)

korrigiert. Damit ergab sich auftragsgemäß
Schmelze der Zusammensetzung

0,025% Kohlenstoff,

wurde bei einer Temperatur von 1630⁰C abgestochen. Die Pfanne wurde in ein Vakuumgefäß gebracht und das Gefäß evakuiert.

Entsprechend dem Sauerstoffgehalt der Schmelze kam es zu einer leichten CO-Reaktion und demzufolge zu einer Senkung des Kohlenstoffgehaltes um etwa 0,02%. Beim Erreichen des Druckes von 10 Torr wurde eine Sauerstofflanze über das Bad gefahren und der Sauerstoff strom in einer Menge von 1800 kg/h eingeschaltet. Die sofort einsetzende heftige CO-Reaktion ergab eine Erhöhung der am Anfang der Absaugleitung gemessenen Abgast^mperatur von etwa 300⁰C auf etwa 500⁰C. Nach etwa 12 Minuten sank schlagartig die Abgsstemperstur. fMe Sauerstoffzufuhr wurde sofort abgeschaltet. Die Temperaturmessung ergab eine Temperatur der Schmelze von 177O⁰C. Nach dem Diagramm dör Zeichnung entspricht dies einem Kohlenstoffgehalt von 0,01%. Anschließend wurde die Zusammensetzung de'¹ Schmelze durch Zugabe von

0,7%	Silizium,	Kohlenstoff,
1,3%	Mangan,	Silizium,
180/0	Chrom,	Mangan,
10%	Nickel,	Chrom,
0,03%	Schwefel,	Nickel,
0,03%	Phosphor,	Schwefel,
Übereinstimmung mit dem Kohlenstoffsc 12 bis 0,03%.	Phosphor,

Beispiel 2
Eine 50-t-Schmelze der Zusammensetzung
0,3%
0,5%
1%
17%
10%
0,01%
0,025%

wurde bei einer Temperatur von 1600° C abgestochen und in ein Vakuumgefäß gebracht. Nach Erreichen eines Druckes von 10 Torr im Vakuumgefäß wurde mit einem Sauerstofffluß von 1000 kg/h gefrischt; nach 10 Minuten sank die Abgastemperatur ab. Die Stahltemperatur betrug 167O⁰C. Nach dem Diagramm der Zeichnung war somit ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,022% erreicht. Der Sollgehalt der fertigen Schmelze betrug jedoch maximal 0,03% Kohlenstoff und bis mindestens 17,5% Chrom. Demnach war es erforderlich, mindestens 1% Chrom zuzusetzen. Bei einem Zusatz von

Ferrochrom mit 1,5% Kohlenstoff war eine Zunahme des Kohlenstoffgehaltes um 0,021% in Rechnung zu stellen. Es wurden 750 kg Ferrochrom (70% Cr) sowie 130 kg Ferrosilizium (75% Si) zugegeben. Dadurch ergab sich eine Abnahme der Temperatur der Schmelze auf 1630° C und eine Zunahme des Kohlenstoffgehaltes auf 0,05%. Es wurde daher nochmals kurz mit einem Sauerstofffluß von 1000 kg/h geblasen. Dabei ergab sich ein Temperaturanstieg und nach knapp 2 Minuten ein merklicher Temperaturabfall. Eine erneute Temperaturmessung in der Schmelze ergab 1650⁰C, entsprechend 0,025% Kohlenstoff. Anschließend wurde im Vakuum 500 kg Ferrosilizium (75% Si) zugesetzt und durchgemischt. Die Fertiganalyse der Schmelze ergab

0.025%	Kohlenstoff,
0,7%	Silizium,
0,9%	Mangan,
17,8%	Chrom,
10%	Nickel,
0,01%	Schwefel,
0,025%	Phosphor,

und entsprach somit den Forderungen.
in Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein sicheres Einstellen niedriger Kohlenstoffgehalte ohne zeitraubende Analysen und nennenswerte Chromverluste; es eignet sich daher besonders für eine großtechnische Anwendung.

Hierzu i Blatt Zcichninmcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entkohlen hochlegierter Stähle, insbesondere Chromstahl, durch Ein- oder Aufblasen von Sauerstoff im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß ein in üblicher Weise gefrischter legierter Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt solange in Vakuum entkohlt wird, bis die Abgastemperatur plötzlich abfällt, daß dann die Temperatur der Schmelze gemessen und die Badzusammensetzung entsprechend den sich aus der gemessenen Temperatur ergebenden Gleichgewichtsgehalten für Kohlenstoff und Chrom korrigiert wird.

2. Verfahren zum Entkohlen hochlegierter Stähle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Korrektur der Badzusammensetzung zunächst ein mit dem Sauerstoff exotherm reagierendes Element in die Schmelze eingebracht wird.

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