DE2438122A1 - Verfahren zum vakuumentkohlen von metallschmelzen - Google Patents

Verfahren zum vakuumentkohlen von metallschmelzen

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DE2438122A1
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Gerhard Dr Pateisky
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WITTEN EDELSTAHL
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WITTEN EDELSTAHL
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21CPROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/068Decarburising
    • C21C7/0685Decarburising of stainless steel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)

Description

  • "Verfahren zum Vakuumentkohlen von Metallschmelzen'i Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumentkohlen von Metallschmelzen, insbesondere von Chromstählen, bei dem Sauerstoff auf oder in die Schmelze geblasen wird oder feste Oxydationsmittel zugegeben werden0 Es sind zahlreiche Verfahren zum Vakuumbehandeln von Metallschmelzen bekannt. So hat sich insbesondere die Vakuumbehandlung von Stählen durchgesetzt, die je nach Verfahrensführung eine mehr oder minder starke Verringerung der Gehalte an Sauerstoff, Kohlenstoff und gelösten Gasen mit sich bringt. Beim Vakuumentkohlen wird der Schmelze Sauerstoff zugeführt, um infolge eines erhöhten Sauerstoffangebots möglichst rasch niedrige Kohlenstoffgehalte zu erreichen.
  • Besondere Bedeutung hat die Vakuumentkohlung chromhaltiger Stähle gewonnen, die insofern besondere Schwierigkeiten mit sich bringt, als beim Frischen mit fallendem Kohlenstoffgehalt in zunehmendem Maße Chrom verschlackt wird. Da es sich beim Chrom um einen hochwertigen Legierungsbestandteil handelt, hat es nicht an Versuchen gefehlt, die Oxydation des Chroms während der Entkohlungsreaktion zu unterdrücken; Ein Frischen bei höherer Temperatur würde zwar zu einer verminderten Chromverschlackung führen, läßt sich jedoch wegen der begrenzten Haltbarkeit der üblichen feuerfesten Futter der Frischgefäße bei hohen Temperaturen im allgemeinen nicht anwenden. Demgegenüber besitzt die Vakuumentkohlung den Vorteil, daß sich auch bei üblichen Badtemperaturen eine Chromverschlackung weitgehend vermeiden läßt, weil das Gleichgewicht der Kohlenstoff/Sauerstoff-Reaktion im Vakuum so weit in Richtung auf das Kohlenmonoxyd verschoben wird, daß der Kohlenstoffgehalt ohne wesentliche Oxydation des Chroms auf niedrige Werte abgebaut werden kann.
  • Beim Vakuumentkohlen kohlenstoffhaltiger Chromstähle läßt sich eine Chromoxydation naturgemäß nur solange vermeiden, wie die Schmelze noch eine gewisse Menge Kohlenstoff enthält. Sobald nämlich der Kohlenstoffgehalt weit genug abgebaut worden ist, geht die Schutzfunktion des Kohlenstoffs für das Chrom verloren und kommt es zu einer Oxydation des Chroms durch den eingeblasenen Sauerstoff. Um das zu verhindern, kommt es beim Vakuumentkohlen chromhaltiger Stähle entscheidend darauf an, die Sauerstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt zu unterbrechen, in dem der Kohlenstoffgehalt weit genug verringert ist und eine verstärkte Chromverschlackung beginnt. Da das Entkohlen im Vakuum erfolgt, ist eine Probennahme zum Bestimmen des Kohlenstoffgehaltes mit einem erheblichen Aufwand verbunden; sie erfordert zudem wegen der erforderlichen Analyse zuviel Zeit, während derer das Verfahren entweder unterbrochen oder fortgesetzt werden müßte. Eine Unterbrechung des Sauerstofffrischens bei niedrigen Kohlenstoffgehalten bringt zudem die Schwierigkeit mit sich, daß bei erneuter Sauerstoffbeaufschlagung die Kochreaktion nur schwer wieder einzuleiten ist. Aus diesem Grunde werden die Stahlschmelzen in den meisten Fällen überfrischt, um mit Sicherheit den geforderten Kohlenstoffgehalt zu erreichen. Dies hat eine erhöhte Chromverschlakkung zur Folge.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine Metallschmelze ohne Probennahme und ohne wesentliche Metallverschlackung, insbesondere Chromverschlackung, im Vakuum bis auf niedrige Kohlenstoffgehalte von beispielsweise 0,15 bis 0,003% entkohlt werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Erkenntnis, daß der Sauerstoffgehalt des beim Vakuumentkohlen anfallenden Abgases ein deutliches Anzeichen für den Kohlenstoffgehalt der Schmelze ist. Im einzelnen ergibt sich dies aus dem in der Zeichnung dargestellten Diagramm, auf dessen Ordinate der Logarithmus des Sauerstoffpartialdrucks und auf dessen Abszisse die Frischzeit aufgetragen ist.
  • Das Diagramm läßt erkennen, daß der Sauerstoffpartialdruck während des Frischens in weiten Grenzen, etwa von 0,5 bis 10-16 atm schwankt. Dabei fällt der Sauerstoffpartialdruck nach der Anfangsphase des Frischens I mit dem Beginn der Kochperiode II, d.h. der Phase hoher Entkohlungsgeschwindigkeit, steil abç Während der Hauptentkohlung, d.h. der Phase II mit hoher Entkohlungsgeschwindigkeit bleibt der Sauerstoffpartialdruck des Abgases im wesentlichen unverändert niedrig, bis er dann am Ende der Hauptentkohlung bzw. bei Beendigung des Kochens wiederum steil ansteigt und die Phase III geringerer Entkohlung bei stärkerer Chromverschlackung beginnt. Dem schließt sich die Phase IV der Entkohlung durch Reaktion des Kohlenstoffs mit dem im Stahl gelösten Sauerstoff und den Schwermetalloxyden der Schlacke an.
  • Der Steilanstieg des Sauerstoffpartialdrucks des Abgases findet bei einem bestimmten Kohlenstoffgehalt der Stahlschmelze statt, Er ist gekennzeichnet durch eine starke Abnahme der Entkohlungsgeschwindigkeit sowie durch einen Anstieg der Chromverschlackung und hängt vom Druck und der Temperatur im Reaktionsraum, dem Legierurigsgehalt der Schmelze, von der Blasintensität des Sauerstoffs und von der Schlackenmenge ab. Dabei verschieben eine Erhöhung des Drucks im Reaktionsraum und des Chromgehaltes in der Schmelze bzw. eine Erniedrigung der Temperatur und der Blasintensität den Steilanstieg des Sauerstoffpartialdrucks zu höheren Kohlenstoffgehalten. Im Rahmen der in Stahlwerken üblichen Betriebspraxis tritt der Steilanstieg bei Kohlenstoffwerten zwischen 0,02% und 0,15% C auf und kann in diesem Bereich durch Wahl der genannten Betriebsparameter gezielt auf einen gewünschten Kohlenstoffgehalt eingestellt werden.
  • Von Vorstehendem ausgehend, besteht die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe nun darin, daß fortlaufend der Sauerstoffpartialdruck im Abgas gemessen und die Entkohlung bei einem plötzlichen Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks (Steilanstieg) am Ende der Hauptentkohlungsperiode beendet wird. Vorzugsweise wird der Sauerstoffpartialdruck mit Hilfe einer Festelektrolytzelle aus einem Sauerstoffionen leitenden Material wie beispielsweise stabilisiertes Zirkoniumoxyd gemessen, die Partialdruckmessungen von 10-2° atm bis zu mehreren Atmosphären Druck mit hinreichender Genauigkeit gestattet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich infolge der bereits erwähnten Abhängigkeit des Steilanstiegs des Sauerstoffpartialdrucks von den Prozeßparametern auch zum Bestimmen des Endkohlenstoffgehaltes der Schmelze, Ebenso kann eine Schmelze bei einem gewünschten Endkohlenstoffgehalt abgefangen werden, wenn die Prozeßparameter entsprechend gewählt und beim Beginn des Steil anstiegs die Sauerstoffzufuhr unterbrochen wird. Dies sei an zwei Schmelzen gezeigt: Eine 45-t-Charge eines nach dem LD-Verfahren gefrischten Stahls mit 0,530/0 Kohlenstoff, 0,25% Silizium, 1,80% Mangan, 17,09% Chrom und 9,48% Nickel wurde nach dem VOD-Verfahren bei einem Druck von 20 Torr gefrischt, um den Kohlenstoff auf einen Wert von Z 0,04% zu verringern. Während der Vakuumbehandlung wurde mit einer Festelektrolytzelle fortlaufend der Sauerstoffpartialdruck des Abgases gemessen. Dabei ergab sich der Steil anstieg des Sauerstoffpartialdrucks nach 33 Minuten. Die Vakuumbehandlung wurde bei Beginn des Steilanstiegs des Sauerstoffpartialdrucks abgebrochen. Die Analyse einer Stahlprobe ergab einen Kohlenstoffgehalt von 0,025% und einen Chromgehalt von 16,64%.
  • Eine Charge gleichen Gewichts und gleicher Vorbehandlung mit 0,50% Kohlenstoff, 0,040% Silizium, 0,31% Mangan, 23,83% Chrom und 0,20% Nickel wurde nach dem VOD-Verfahren bei einem Druck von 100 Torr gefrischt, um den Kohlenstoffgehalt auf 0,07 bis 0,12% zu verringern. Auch in diesem Fall wurde während der Vakuumbehandlung fortlaufend der Sauerstoffpartialdruck im Abgas gemessen. Der Steilanstieg trat nach 32 Minuten eine Die Sauerstoffzufuhr sogleich unterbrochen. Die Analyse der entnommenen Stahlprobe ergab einen Kohlenstoffgehalt von 0,094% und einen Chromgehalt von 23,43%.
  • Das Ergebnis dieser Schmelzen zeigt, daß sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit hoher Genauigkeit ohne wesentlichen Chromabbrand ein bestimmter Kohlenstoffgehalt erreichen läßt; Von besonderem Vorteil ist dabei der geringe Aufwand bei der Prozeßüberwachung, für die außer der Festelektrolytzelle und dem zugehörigen Meßgerät im wesentlichen nur Meßeinrichtungen erforderlich sind.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Vakuumentkohlen von Metallschmelzen, insbesondere von Chromstählen, bei dem Sauerstoff auf oder in die Schmelze geblasen wird und/oder feste Oxydationsmittei zugegeben werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e -t , daß fortlaufend der Sauerstoffpartialdruck im Abgas gemessen und die Sauerstoffzufuhr bei einem plötzlichen Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks am Ende der Hauptenkohlungsperiode unterbrochen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Prozeßparameter im Reaktionsraum so eingestellt werden, daß der Steilanstieg des Sauerstoffpartiaidrucks bei einem bestimmten Kohlenstoffgehalt eintri-tt.
DE2438122A 1974-08-08 1974-08-08 Verfahren zum vakuumentkohlen von metallschmelzen Withdrawn DE2438122A1 (de)

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