DE2608320B1

DE2608320B1 - Verfahren zum kontinuierlichen erschmelzen von stahl mit hohem reinheitsgrad

Info

Publication number: DE2608320B1
Application number: DE19762608320
Authority: DE
Inventors: H W Dr-Ing Gudenau; Horst Dr-Ing Koenig; Gero Dipl-Ing Rath; Haye Dr-Ing Roth
Original assignee: Demag AG
Current assignee: Mannesmann Demag AG
Priority date: 1976-02-28
Filing date: 1976-02-28
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2342342B1; CA1091933A; BR7701177A; DK141884B; US4113468A; SE426847B; ZA771022B; MX4231E; DK141884C; GB1566028A; DE2608320C2; FR2342342A1; IT1075290B; JPS52105514A; DK72377A; SE7702079L; JPS5734329B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Erschmelzen von Stahl mit hohem Reinheitsgrad, insbesondere mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt. Das Erschmelzen derartiger Stähle ist deshalb von großem Interesse, weil sie als Ausgangsprodukt für eine große Anzahl von Stahlqualitäten verwendet werden können, deren endgültige Zusammensetzung durch Zulegieren, z. B. in der Pfanne oder in einem nachgeschalteten metallurgischen Aggregat, hergestellt wird. Voraussetzung ist, daß ein solches Verfahren wirtschaftlich und in industriellem Maßstab durchführbar ist.

Es wurde bereits vorgeschlagen, sehr kohlenstoffarmes Eisen durch Reduktion von Eisenerz im Elektroofen dadurch herzustellen, daß man im Ofen ständig eine mindestens 20 cm dicke Schicht des flüssigen Metalls beläßt, die ständig von einer metalloxydhaltigen flüssigen Schlackenschicht von solcher Dicke bedeckt ist, daß die im oberen Teil der Schlackenschicht zum Schmelzen der Charge und zur Reduktion erforderliche Hitze gerade ausreicht, um die Metallschicht in flüssigem Zustand zu halten, ohne sie zu überhitzen. Nach diesem Verfahren kann der Kohlenstoffgehalt des Stahls zwar bis auf 0,05% gesenkt werden, eine weitergehende Verringerung ist jedoch nicht möglich.

Es wurde nun gefunden, daß es gelingt, einen Stahl höchster Reinheit, praktisch technisch reines Eisen, mit niedrigsten Endkohlenstoffgehalten von bis zu 0,015% kontinuierlich und großtechnisch im geschlossenen Elektro-Niederschachtofen unter Verwendung einer das geschmolzene Metall ständig bedeckenden Schlacke, in die die Elektroden eintauchen, zu erschmelzen, wenn dabei folgende Bedingungen eingehalten werden:

a) Es wird vorreduziertes Material — Eisenschwamm - eingesetzt, das Kohlenstoff zu Sauerstoff mindestens im Verhältnis 1:1,4 ent

hält.

b) Es wird die Schlackenschicht auf einen Schäumgrad von 1,2 bis 5 gehalten, wobei unter Schäumgrad die Volumenzunahme der Schlacke beim Schäumen gegenüber der nicht schäumenden Schlacke verstanden wird, deren Volumen oder »Schäumgrad« mit »1« bezeichnet ist.

c) Es wird eine gut flüssige und reaktionsfähige basische Schlacke (CaO/SiO₂) mit einem FeO-Gehalt von 7 bis 30% und 5 bis 12% MgO verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die spezifischen Eigenschaften des Eisenschwamms zunutze, welche insbesondere in folgendem bestehen:

Der Eisenschwamm enthält Kohlenstoff, der vom Vorreduziervorgang her sowohl in freier Form als auch chemisch im Fe₃C gebunden vorliegt, sowie FeO. Dadurch sind die Reaktionspartner FeO und C in kürzester Entfernung nebeneinander vorhanden, wo-

ao durch sich gute Reaktionsbedingungen ergeben. Gleichzeitig ist es möglich, das Verhältnis von C zu O im Eisenschwamm beim Herstellungsvorgang weitgehend konstant einzustellen. Darüber hinaus hat Eisenschwamm eine hohe Porosität und ein im Vergleich zum Roherz und Schrott geringes spezifisches Gewicht. Schließlich bringt der Eisenschwamm Schlackenbildner mit, welche die Voraussetzung für die Energieübertragung durch Widerstandsbeheizung im Elektro-Niederschachtofen schaffen.

Wird nach der Erfindung gearbeitet, so ergeben sich eine Anzahl von zum Teil unvorhergesehenen Vorteilen. So werden nicht nur Stahlqualitäten mit C-Gehalten bis herab zu 0,015% erreicht, sondern durch gezielte Schlackenführung werden auch die Elemente Phosphor und Schwefel weitgehendst entfernt. Ohne zusätzliche Einrichtungen zur Nachbehandlung werden im vergossenen Stahl niedrigste N-Werte, nämlich von unter 0,001%, erhalten. Das Eisenausbringen wird durch weitgehende Vermeidung von Abbrand-Verlusten sowie durch Arbeiten mit den stöchiometrisch erforderlich geringsten Zusatzschlackenmengen erhöht. Die geringen Abbrandverluste beruhen darauf, daß mit in die Schlacke eintauchenden Elektroden gearbeitet und dadurch ein günstiger spezifischer Energieverbrauch erzielt wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein geringerer Verbrauch an Feuerfestmaterial eintritt, weil der Schmelzbetrieb kontinuierlich abläuft und deshalb thermische Schwankungen, die beim Chargenbetrieb auftreten und die Gefäßzustellung beeinträchtigen, unterbleiben. Durch das Eintauchen der Elektroden in die Schlacke wird die Wärmeabstrahlung verringert und die Lebensdauer der Ofenzustellung erhöht. Da ein feststehendes Ofengefäß verwendet wird, unterbleiben mechanische Beanspruchungen des Feuerfestmaterials. Gleichzeitig kann am Mantel des feststehenden Ofengefäßes in Höhe der Schlackenschicht eine Wasserkühlung angeordnet werden, wodurch eine weitgehende Absteifung der Schlacke in den gefährdeten Randzonen erfolgt und der Verschleiß der Ausmauerung zusätzlich herabgesetzt wird. Das feststehende Ofengefäß gestattet es ferner, schlackenfreien Stahl abzustechen, wodurch die Haltbarkeit der Pfannenausmauerung verbessert wird, weil diese dem Angriff von Schlacke nicht ausgesetzt ist.

Der verfahrensgemäß betriebene Ofen kann mit den preisgünstigen Söderbergelektroden gefahren

werden. Da - wie erwähnt—die Schmelzwärme durch Widerstandsbeheizung übertragen wird, tritt keine Lärmbelästigung der Umgebung auf. Schließlich kommt der verfahrensgemäß betriebene Ofen mit einer unkomplizierten Entstaubungsanlage aus, weil nur geringe Gasmengen anfallen. Ebenfalls wegen des geringen Gasanfalls bleiben die Verdampfungsverluste gering.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet wie folgt: In einem stehenden Ofengefäß wird kontinuierlich die elektrische Energie durch die in die Prozeßschlacke tauchenden Elektroden in an sich bekannter Weise weitgehend in JouFsche Wärme umgesetzt und liefert auf diese Weise die für die Durchführung des weiteren Prozeßablaufs notwendige Wärmeenergie, wobei die Schlacke als Heizelement dient.

Der als Einsatzmaterial dienende kontinuierlich aufgegebene Eisenschwamm bringt in seinem strukturellen Aufbau die Komponenten FeO und Kohlenstoff mit, wobei der Kohlenstoff teils als freier Kohlenstoff dem Pellet anhaftet, teils als Eisenkarbid (Fe₃C) chemisch gebunden vorliegt (ca. 0,3 bis 2% C im Eisenschwamm).

Grundsätzlich wird mit einer heißen Schäumschlacke gearbeitet, die eine Mindestdicke von 200 mm hat. Diese ständig aufrechterhaltene Mindestdicke wird dadurch gewährleistet, daß das Schlackenabstichloch mindestens 200 mm über dem Metallabstichloch angebracht wird. Der Schäumeffekt wird erzielt durch die Entkohlungsreaktion des im Eisenschwamm befindlichen Kohlenstoffs mit dem ebenfalls im Eisenschwamm befindlichen FeO unter Bildung eines weitgehend kohlenstofffreien Eisens und der Gaskomponente CO. Das entstehende CO schäumt bei seinem Aufsteigen in der Schlacke bis zu seinem Entweichen in die Ofenatmosphäre die Schlacke auf.

Um eine weitgehende Entkohlung zu erhalten, ist es erforderlich, daß der Eisenschwamm nicht zu schnell die Schlackenschichi durchdringt. Er wird deshalb gezielt in einem Zustand der Schwebe und Turbulenz in der Schlacke gehalten, und zwar so lange, bis die Reaktionen nahezu vollständig abgelaufen sind. Dieser Zustand der Schwebe und Turbulenz kann gesteuert werden durch einen entsprechenden Schäumgrad der Schlacke. Unter Schäumgrad der Schlacke ist der Faktor zu verstehen, um den sich das Volumen der Schäumschlacke im Vergleich zum normalen Schlackenvolumen ohne Schäumwirkung »Schäumgrad Ie - vermehrt. Dieser Schäumgrad nimmt durch seine Auftriebbildung wesentlichen Einfluß auf die Verweilzeit des Eisenschwamms in der Schlacke. Gezielt angestrebt wird ein Schwebezustand, der den Eisenschwamm bis zu seiner vollständigen Metallisierung zum Eientröpfchen hin in der Schlacke hält, wobei dieses Eisentröpfchen dann naturgemäß infolge seines spezifischen Gewichtes absinkt.

Dieser Zustand der Schwebe und Turbulenz, in dem der Eisenschwamm bis hin zum Eisentröpfchen dem kinetisch günstigsten Zustand für den Ablauf der Reaktionen ausgesetzt ist, wird durch einen Schäumgrad von 1,2 bis 5 erreicht, wobei als Steuergrößen die folgenden Faktoren gelten:

- Stückgröße des Eisenschwamms,

- C/O-Verhältnis des Eisenschwamms,

- Viskosität und Temperatur der Schlacke,

- ■ Energiekonzentration.

Im eingesetzten Eisenschwamm muß zur Erzielung

von Stahlqualitäten mit niedrigsten C-Gehalten von 0,015% und hoher Reinheit ein C/O-Verhältnis von minimal 1:1,4, empfehlenswerterweise jedoch darüber (z.B. 1:1,55) vorliegen.

Durch die Möglichkeit, die Verweilzeit des Eisenschwamms bis hin zum Eisentröpfchen in der Schlacke gezielt zu steuern, können auch die Entschwefelungsund Entphosphorungsreaktionen der Schlacke mit to den blanken Eisentröpfchen noch teilweise in die Schlacke verlegt werden, was kinetisch äußerst günstig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei Zusatz eines gewissen Schrottanteils zum Eisenschwamm anwendbar.

Durch die Gesamtkonzeption der Widerstandserwärmung, der das Metallbad abdeckenden Schlackenschicht und des Schäumeffektes (Auskochen) kann auch der N-Gehalt im Stahl auf Minimalstwerte gebracht werden. Es lassen sich mühelos N-Werte von unter 0,001 % im Endprodukt erreichen ohne jegliche Nachbehandlung.

Eine weitere Voraussetzung für einen guten Reaktionsablauf ist eine gut flüssige und reaktionsfähige »5 Schlacke, wobei neben der für die Entschwefelung und Entphosphorung erforderlichen Basizität (CaO/SiO₂) und dem vor allen für die Entkohlung erforderlichen FeO-Gehalt, delr zweckmäßigerweise zwischen 7 und 30% liegt, eine wesentliche Steuergröße der MgO-Gehalt darstellt. Unter Einschluß aller den Prozeß bestimmender Faktoren soll er zwischen 5 und 12% liegen.

Durch die im Ofen ständig verbleibende Mindestschlackenmenge, gegeben durch den Abstand von Metallabstich zu Schlackenabstich, kann man mit sehr geringen Neuschlackenmengen arbeiten, die sich aus der stöchiometrisch erforderlichen Mindestschlakkenmenge ergibt, was sich wiederum positiv auf den Energieverbrauch auswirkt. Diese ständig im Ofen verbleibende Schlackenschicht trägt wesentlich zu einem gleichmäßigen, ruhigen und elektrisch stabilen Ofenbetrieb bei. Durch die Widerstandsbeheizung unter ständig gleichen elektrischen Bedingungen werden Flickererscheinungen, stark schwankende Leistungsaufnahmen (Auftreten eines Kurzschlusses) und starke Geräusche (hervorgerufen durch Lichtbogen) vollkommen vermieden. Die Vermeidung von Flickererscheinungen und Geräuschen tragen einen wesentlichen Teil zur Umweltfreundlichkeit der erfindungsgemäßen Siahlschmelztechnologie bei.

Während einer Versuchsserie wurde auf der Einsatzseite mit einem Eisenschwamm der folgenden chemischen Zusammensetzung gearbeitet:

CaO:	0,244
SiO₂:	1,550
MgO:	0,398
AI₂O₃:	0,588
C:	1,165
Fe met:	87,770
FeO:	7,840
V:	0,150
Ti:	0,260
S:	0,010
P:	0,025

Aus diesem Eisenschwamm wurden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Arbeitsweise Stahlqualitäten er-

6

schmolzen, die im Durchschnitt folgende Endanalyse nen Fe-Gehalt von min. 98,82% und kann als techhatten: nisch reines Eisen angesehen werden.

Die Zeichnung stellt schematisch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Elektro-5 ofen dar.

1 sind die Kohle- bzw. Söderbergelektroden, 2 die Beschickungseinrichtungen. Das Metallbad 5 ist mit einer Schlackenschicht bedeckt, die in ihrem unteren Teil 4 weniger stark, in ihrem oberen Teil 3 stärker ίο schäumt. 6 ist das Schlackenabstichloch, 7 das Metallabstichloch, wobei das letztere um die Mindestdicke der gewünschten Schlackenschicht tiefer als der Der nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise Schlackenabstich 6 angebracht ist. Der Ofendeckel ist erzeugte Stahl hatte in seinen Durchschnittswerten ei- mit 8, das Ofengefäß mit 9 bezeichnet.

C:	0,015-0,025 %
Si:	^0,01 %
Mn:	^0,01 %
P:	^ 0,005 %
S:	g 0,004%
N:	^ 0,001 %
V:	^0,01 %
Ti:	^0,01 %
O:	=3 0,1 %

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum kontinuierlichen Erschmelzen von Stahl mit hohem Reinheitsgrad, insbesondere mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt, im geschlossenen Elektro-Niederschachtofen unter Verwendung einer das geschmolzene Metall ständig bedeckenden Schlacke, in die die Elektroden eintauchen, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) es wird vorreduziertes Material — Eisenschwamm - eingesetzt, das Kohlenstoff zu Sauerstoff mindestens im Verhältnis 1:1,4 enthält;

b) es wird die Schlackenschicht auf einem Schäumgrad von 1,2 bis 5 gehalten, wobei unter Schäumgrad die Volumenzunahme der Schlacke beim Schäumen gegenüber der nicht schäumenden Schlacke verstanden wird, deren Volumen oder »Schäumgrad« mit »1« bezeichnet ist;

c) es wird eine gut flüssige und reaktionsfähige basische Schlacke (CaCVSiO₂) mit einem Fe-Gehalt von 7 bis 30% und 5 bis 12% MgO verwendet.