DE2538159A1 - Verfahren zum frischen von roheisen - Google Patents

Description

FATETvJTANWALTE A. GRÜNECKER

DK=L-INd

H. KINKELDEY

DR-ING

W. STOCKMAIR

Da-ING-AoE ICAtTECH)

K. SCHUMANN

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P. H. JAKOB

DlPL-INa

G. BEZOLD

OR RER MAT. · DIPL-OtM.

MÜNCHEN

E. K. WEIL

OR RER OEC ING

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

LINDAU

USS ENGINEERS AND CONSULTANTS, INC.
Grant Street, Pittsburgh,
Pennsylvania / U.S.A.

Verfahren zum Frischen von Roheisen

Die Erfindung bezieht sich auf das Frischen von Roheisen mittels eines der bekannten bodenblasenden Stahlherstellungsverfahren, wie des Bessemer Verfahrens, des sogenannten SIP-Verfahrens und des sogenannten Q-BOP-Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung jedoch ein Verfahren zum raschen und wirkungsvollen Abbau von Stickstoff im Verlaufe des Frischens einer Stahlschmelze auf einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,2 und im allgemeinen weniger als 0,1 %.

Bei dem am meisten verbreiteten Verfahren zur Herstellung von-Blasstahl, dem basischen Sauerstoffverfahren, wird Sauerstoff

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von oben derart durch eine Lanze geblasen, daß der Sauerstoff eine die Schmelze überlagernde Schlackenschicht durchstößt und in das Schmelzbad eindringt. Ist es erforderlich gasförmige Verunreinigungen, wie Stickstoff, aus einer basisch verblasenen Schmelze zu entfernen, so wird der Stahl aus dem BOP-Ofen in eine Pfanne abgegossen und eine etwa 10 bis 25 Minuten dauernde Spülung mit einem Inertgas vorgenommen. Im Gegensatz dazu wird bei den vorstehend erwähnten bodenblasenden Verfahren der Sauerstoff von einem unterhalb der Schmelzoberfläche gelegenen Ort durch Blasformen in den Ofen eingeblasen, die im Boden oder in den Seiten des Konvertergefäses angeordnet sind. Bei dem SIP- oder Q-BOP-Verfahren wird ein Schutzgas, im allgemeinen ein Kohlenwasserstoff, zur Umhüllung des SauerstoffStrahles verwendet, um den unzumutbar hohen Abbrand zu verringern,' der sonst an den Blasformen und in den Sauerstoff-Eintrittsbereichen im Ofen, d. h. im Boden des Q-BOP-Gefäßes, auftreten würde. Einer der bedeutsamsten Vorteile des bodenblasenden Verfahresn gegenüber dem BOP (Basic Oxygen Process)-Verfahren besteht darin, daß die bodenblasenden Verfahren das Ausführen einer Inertgasspülung im Schmelzgefäß selbst gestatten. Außerdem sei unterstrichen,daß das Q-BOP-Verfahren insbesondere eine effektivere und wirkungsvollere Entgasung innerhalb einer kürzeren Zeitdauer gestattet, was das Ergebnis der vergleichsweise höheren Gasdurchflußmengen ist, die bei dem in Rede stehenden Verfahren benutzt werden können. Hinsichtlich der Wirksamkeit oder des Wirkungsgrades derartiger Reinigungsspülungen sei erwähnt, daß eine theoretische Mindestmenge an Inertgas (im allgemeinen Argon) selbstverständlich erforderlich ist, um eine bestimmte Menge Stickstoff zu entfernen. In diesem Zusammenhang sei auf den Aufsatz von Kollman und Preusch in Proceedings of the Electric Furnace Conference of AIME, 1961, Seiten '23 bis 42 verwiesen. Bei den gegenwärtigen Produktionsverhältnissen haben sich jedoch vielfach größere

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Argonmengen als erforderlich herausgestellt, da viele der "beteiligten Reaktionen durch einen Massenübergang in der flüssigen Phase kontrolliert werden und nicht vollständig innerhalb annehmbarer Zeitperioden ablaufen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Reinigungsverfahren zu schaffen, welches eine Verringerung sowohl der verwendeten Gasmenge als auch der Behandlungsdauer für den Abbau einer bestimmten Stickstoffmenge oder eines bestimmten Stickstoffanteiles gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch enthaltenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. Diede zeigt:

Ein Schaubild, welches die unterschiedliche Stickstoffabbaugeschwindigkeit bei zwei Stählen unterschiedlichen Kohlenstoffgehaltes veranschaulicht.

Gasförmige Verunreinigungen, wie Stickstoff, werden normalerweise durch Spülen des Stahls mit Argon entfernt. Dabei beruht ein derartiger Stickstoffabbau auf dem Absenken des Kp-Partialdruckes als Folge der Verdünnungswirkung des Argons. Wie bereits erwähnt, wird eine solche Spülung üblicherweise nur anschließend an die bis zum angestrebten Endkohlenstoffgehalt durchgeführte Entkohlung vorgenommen. Es ist nun gefunden worden, daß die Geschwindigkeit oder das Maß des Stickstoffabbaues bei hohen Sauerstoffaktivitäten (beispielsweise 500 oder selbst 300 ppm Sauerstoff) durch eine langsame chemische Reaktion auf der Oberfläche des geschmolzenen Eisens gesteuert wird. Demzufolge ist bei derartig hohen Sauerstoffaktivitäten die Schmelzbadoberfläche (Eisenoberfläche) im wesentlichen mit

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einer Schicht aus adsorbiertem Sauerstoff bedeckt, welche die Geschwindigkeit oder das Maß des Stickstoffabbaus beträchtlich verzögert. Es ist auch bereits festgestellt worden, daß sich die relative Bedeutung dieses Verzögerungseffektes mit der Sauerstoffaktivität verringert, so daß bei niedrigen Sauerstoffaktivitäten (beispielsweise von weniger als 100 ppm Sauerstoff) das Haß oder die Geschwindigkeit des Stickstoffabbaues insgesamt entweder durch den Massentransport in der flüssigen Phase oder durch die Sättigung des Inertgases beim Gleichgewichts-Stickstoffdruck gesteuert wird. Im letztgenannten Fall (niedrige Sauerstoffaktivität) ist der Massentransport oder -übergang in der flüssigen Phase (liquid phase mass transfer) der vorherrschende Steuerungsfaktor bei relativ hohen Stickstoffgehaltenen der Größenordnung von 0,01 % Np), während die Steuerung über die Sättigung bei sehr niedrigen Stickstoffgehalten (weniger als 0,002 % Stickstoff) vorherrscht. Angesichts dieser Erkenntnisse im Hinblick auf den Verzögerungseffekt des adsorbierten Sauerstoffs ist es leicht verständlich, weshalb das Sauerstoffeinblasen selbst nicht sehr wirkungsvoll im Hinblick auf die Entfernung von Stickstoff aus der Stahlschmelze ist.

Da die Sauerstoffaktivität der Kohlenstoffaktivität umgekehrt proportional ist, ist ersichtlich, daß die Wirksamkeit der Inertgasspülung beträchtlich dadurch gesteigert werden kann, daß eine derartige Spülung bei vergleichsweise hohen Kohlenstoff gehalt en, d.h. bei Kohlenstoffgehalten von mehr als 0,3 % und insbesondere von mehr als 0,5 %·> vorgenommen wird. Der beträchtliche Nutzeffekt, der sich aus einer derartigen Spülung bei höheren Kohlenstoffgehalten ergibt, ist in der Zeichnung mit Hilfe der beiden Kurvenzüge dargestellt. So war beispielsweise eine Argonspülung mit 56 nr/min, die 2 Minuten lang bei einer 30t-Charge ausgeführt wurde, lediglich imstande, den An-

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fangsstickstoffgehalt von 0,005 % auf 0,004 % zu verringern. Die erwähnte 30t-Charge war zuvor auf einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 % gefrischt worden. Vurde jedoch im Gegensatz dazu der gleiche Spülvorgang (flushing rate) bei einer Charge mit vergleichbarer Größe vor demjenigen Zeitpunkt vorgenommen, zu welchem der Kohlenstoffgehalt der Schmelze auf 0,5 % verringert war, so wurde der Stickstoffgehalt mit der gleichen 2-minütigen Spülung auf fast 0,001 % verringert.

Wenngleich sich das erfindungsgemäße Verfahren für alle bodenblasenden Stahlherstellungsverfahren eignet, so werden Art und Weise seiner Durchführung doch nur am Beispiel des Q-BOP-Verfahrens beschrieben. Das anfängliche Verblasen des Roheisens wird in der für das Q-BOP-Verfahr en üblichen Weise, durchgeführt. Das bedeutet, daß ein Strahl im wesentlichen reinen Sauerstoffs mit Hilfe von Blasformen in die Schmelze eingebracht wird, wobei die Blasformen im oder in der Nähe des Konverterbodens angeordnet sind. Die Verwendung eines derart reinen Sauerstoffs würde normalerweise zu einem extrem schnellen Abbrand sowohl der Blasformen als auch des Bodens selbst führen. Deshalb ist jeder Sauerstoffstrom von einem Umschließungs- oder Kühlgas umgeben, um auf diese Weise die heftige Reaktion zu verlangsamen und dadurch einen verringerten Abbrand oder verringerten Verschleiß zu erzielen. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Umhüllungsgas wird vorzugsweise innerhalb eines kritischen Bereiches gehalten, damit der Abbrand langsam und kontrolliert vor sich gehen kann. Somit sind während der anfänglichen Blasperiode grundsätzlich zwei verschiedene Gasdurchsatz- oder Durchflußmengen zu betrachten. Bei diesen Gasdurchflußmengen handelt es sich um Ro und um Rp, wobei Ro die in der Zeiteinheit eingeführte Sauerstoffmenge und Rp die in'der Zeiteinheit zugeführten Umhüllungsgase, wie Methan, bedeutet. Wie der US-Patente ehrift 3 706 549 zu entnehmen, auf deren Offenbarung hier ausdrücklich Bezug ge-

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nommen wird, gilt Ro»Rp. Demzufolge kann die mittlere gesamte in der Zeiteinheit zugeführte Menge Rm als die Summe aus Ro + Rs definiert werden, wobei Rs die in der Zeiteinheit zugeführte Menge aller anderen Gase bezeichnet. So kann beispielsweise Rs gleich Rp + R. sein, wobei R. die in der Zeiteinheit zugeführte Menge an Argon oder anderen Inertgasen bezeichnet. Es ist zu beachten, daß Rm nicht notwendigerweise konstant ist, sondern nur die mittlere in der Zeiteinheit zugeführte Gesamtgasmenge bezeichnet. Es ist jedoch erforderlich, Rm. innerhalb eines erforderlichen Durchsatz- oder Durchflußbereiches von etwa 2,1 Nm /min je Tonne Stahl bis etwa 4,5 Nnr/min je Tonne zu frischenden Stahls zu halten. Der Mindestdurchfluß ergibt sich aus der Notwendigkeit, in den Blasformen einen ausreichenden Gegendruck aufrechtzuerhalten, um so schmelzflüssiges Material daran zu hindern, die Austrittsöffnungen der Blasformen zu verstopfen. Wenngleich Durchflußmengen, die höher liegen als das vorstehend angegebene Maximum an sich im Hinblick auf eine Verkürzung der Blaszeit wünschenswert wären, (da dadurch die Produktionskapazität erhöht würde) so hat sich doch herausgestellt, daß Durchflußmengen von beträchtlich mehr als 4,5 Nm-Vmin je Tonne izu einem unangenehmen Verspritzen oberhalb des Konverters führen.

Während des Anfangsbereiches des Blasens ist Rj.im allgemeinen, gleich O oder vernachlässigbar, während Ro größer als 0,8 Rm ist. Bei einem Stahl, der einen anfänglichen Stickstoffgehalt besitzt, der oberhalb des im fertigen Stahlerzeugnis angestrebten Stickstoffgehaltes von it 0,002 % und im allgemeinen si 0,004 % liegt, wird die Schmelze anschließend mit einem Inertgas wie Argon über eine ausreichende Zeitdauer durchgespült, um den Stickstoffgehalt auf das angestrebte Niveau abzusenken, was in aller Regel unterhalb von 80 und sehr häufig bei unterhalb von 50 % des Ausgangsgehaltes liegt.

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Wenngleich der Spülvorgang zu jedem Zeitpunkt vor dem Absenken des Kohlenstoffgehaltes der Schmelze auf 0,3 % in Angriff genommen werden kann, so ist es doch vorzuziehen, diese Spülung erst zu beginnen, nachdem das Verblasen des Siliciums abgeschlossen ist, aber bevor der Kohlenstoffgehalt der Schmelze auf weniger als 0,5 % abgesenkt worden ist. Das Abwarten des Herausfrischens von Silicium ist wichtig, um ein Erreichen der angestrebten Temperaturen sicherzustellen und das Einleiten des Spülvorganges vor einem Absenken des Kohlenstoffgehaltes der Schmelze auf weniger als 0,5 % ist wichtig, um die angestrebte niedrige Säuerstoffaktivität zu erreichen. Die Spülung wird vorzugsweise so vorgenommen, daß das Einblasen von Sauerstoff beendet und statt Sauerstoff nunmehr ein Inertgas eingeblasen wird, wodurch Eo auf 0 verringert wird, während E. etwa gleich Εφ wird. Wenngleich weniger erstrebenswert, so ist es jedoch nicht von ausschlaggebender Bedeutung, das Eo auf 0 verringert wird. Das Inertgas darf somit einen geringen Sauerstoffgehalt aufweisen, da dieser Sauerstoff sehr rasch zu CO umgewandelt wird, was zu einer wirksamen Gasverweildauer im Bad führt, in welchem die Sauerstoffaktivität nichts desto weniger ausreichend für den vorliegenden Zweck ist. Demzufolge kann das Spülen innerhalb des erfindungsgemäß betrachteten Bereiches so ausgeführt werden, daß der Spülgasdurchfluß E, wenigstens 0,8 Εφ beträgt. Wie bereits erwähnt, wird die Spülung hin- ' reichend lange durchgeführt, um den Stickstoffgehalt des Bades auf das angestrebte Niveau abzusenken. In Abhängigkeit sowohl von der Menge des zu entfernenden Stickstoffs als auch von der Größe des Ausdruckes E., sind Behandlungsdauern zwischen ein.er halten Minute bis zwei Minuten im allgemeinen ausreichend. Anschließend word sodann die Entkohlung oder das Frischen wieder aufgenommen, indem der eingeleitete Sauerstoffdurchfluß so gesteigert wird, daß E_Q wieder wenigstens 0,8 E^ ausmacht. Dieses wiederaufgenommene Einblasen von Sauerstoff wird fort-

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gesetzt, bis der Badkohlenstoffgehalt auf den angestrebten Endgehalt verringert worden ist, der im allgemeinen bei weniger als 0,1 % Kohlenstoff liegt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Frischverfahren für bodenblasende Stahlherstellungsverfahren zur Herstellung von niedriggekohlten Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,2 °/o. Erfindungsgemäß wird eine Inertgasspülung zu einem intermediären Zeitpunkt des Blasvorganges vorgenommen, wodurch ein rascherer und wirksamerer Stickstoffabbau erzielt wird. Dabei wird die Inertgasspülung zu einem Zeitpunkt begonnen, zu welchem der Kohlenstoffgehalt der Schmelze noch mehr als 0,3 % und vorzugsweise mehr als 0,5 % beträgt. Ist der Stickstoffgehalt auf den angestrebten Endgehalt abgesenkt, so wird das Einblasen von Sauerstoff wieder aufgenommen, um den angestrebten Endkohlenstoffgehalt zu erreichen.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Frischen von Roheisen mit Hilfe eines bodenblasenden Frischverfahrens, "bei welchem der Kohlenstoffgehalt des Roheisens durch Einleiten eines sauerstoff haltigen Gases auf weniger als 0,2 % vermindert wird, wobei das Gas mit einem Gesamtdurchfluß Rm innerhalb des erforderlichen Durchsatzbereiches eingeleitet wird, Rm die Summe aus dem eingeleiteten Sauerstoffdurchfluß Ro und dem eingeleiteten Durchfluß anderer Gase Rs bezeichnet und Ro wenigstens 0,8 Rm beträgt und im Bad ein beträchtlich oberhalb des im Pertigerzeugnis angestrebten Stickstoffgehaltes liegender Ausgangsstickstoffgehalt von mehr als 0,002 % vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) in das Bad ein Inertgas zu einem Zeitpunkt eingeleitet wird, zu welchem der Badkohlenstoff gehalt noch nicht auf 0,3 % abgesenkt ist, um einen Spülungsdurchfluß an eingeleitetem Inertgas von wenigstens 0,8 Rm zu erzielen, wobei das Inertgas mit dem genannten Spülungsdurchfluß hinreichend lange eingeleitet wird, um den Stickstoffgehalt auf das angestrebte Niveau ab-'zusenken, welches weniger als 80 % des Ausgangsstickstoffgehaltes beträgt und daß

   ⁵ b) anschließend der Durchfluß des eingeleiteten Sauerstoffs so gesteigert wird, daß Ro wieder wenigstens 0,8 Rm beträgt, wobei der gesteigerte Sauerstoffdurchfluß hinreichend lange beibehalten wird, um den Badkohlenstoffgehalt auf einen End-

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   kohlenstoffgehalt von weniger als 0,2 % abzusenken.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß das Inertgas mit dem genannten Spülung sdur'chfluß eingeleitet wird, bevor der Kohlenstoffgehalt des
   Schmelzbades auf 0,5 % vermindert worden ist.
3. 3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas mit dem genannten Spülungsdurchfluß ausreichend lange eingeleitet wird, um den Stickstoffgehalt auf'ein Niveau abzusenken, welches weniger als 50 % des Ausgangsstickstoffgehaltes beträgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Bad auf einen Endkohlenstoffgehalt von
   weniger als 0,1 % gefrischt wird.
5. 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangssticksotff gehalt wenigstens 0,004 °/o beträgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5? dadurch gekenn ζ e i chn e t, daß der Spülungsdurchfluß etwa gleich Em ist.

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