DE2608320C2 - Verfahren zum kontinuierlichen erschmelzen von stahl mit hohem reinheitsgrad - Google Patents
Verfahren zum kontinuierlichen erschmelzen von stahl mit hohem reinheitsgradInfo
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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
S 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/SiOa) 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, wodurch 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, weiche 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 Pfanncnausmauerung 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 Verdanpfungsverluste 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 Joul'sche Wärme umgesetzt und liefert auf diese Weiss die für die Durchführung des
weiteren Prozeßablaufs notwendige Wärmeenergie, wobei die Schlacke als Heizelement dient.
Der ais Einsatzmaterial dienende kontinuierlich aufgegebene Eisenschwamm bringt in seinem strukturell
Aufbau die Komponenten FeO und Kohlenstoff mit, wobei der Kohlenstoff teils als freier iCohlenstoff
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 Schlackenschicht 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 Schlacketivolumen ohne Schäumwirkung »Schäumgrad
1« - 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,
Energie konzentrat ion.
Energie konzentrat ion.
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
ίο den blanken Eisentröpfchen noch teDweise in die
Schlacke verlegt werden, was kinetisch äußerst günstig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei Zusatz eines gewissen Schrottanteils zum Eisenschwamm
»5 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
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 Mindestschiakkenmenge
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
Stahlschmelztechnologie 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 |
Al2O1: | 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 Stahlqualitaten er-
schmolzen, die im Durchschnitt folgende Endanalysc
hatten:
r: | 0,015-0,025 |
Si: | S 0,01 % |
Mn: | SO1Ol % |
P- | g 0,005 % |
S: | g 0,004 % |
N: | § 0,001 76 |
V: | g 0,01 % |
Ti: | S 0,01 % |
O: | ^ 0,1 % |
Der nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise erzeugte Stab! haiie in seinen Durchschnittswerten ei
nen Fe-Gehalt von min. 'J8,S2% und kann als tech
nisch reines Eisen angesehen werden.
Die Zeichnung stellt schematisch einen nach derr erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Elektro
ofen dar.
1 sind die Kohle- bzw. Söderbergelektroden, 2 die
Beschickungseinrichtungen. Das Metallbad 5 ist mi einer Schlackenschicht bedeckt, die in ihrem unterer
Teil 4 weniger stark, in ihrem oberen Teil 3 stärke] ίο schäumt. 6 ist das Schlackenabstichloch, 7 das Metall
abstichloch, wobei das letztere um die Mindestdickc der gewünschten Schlackenschicht tiefer als de
Schlackenabstich 6 angebracht ist. Der Ofendeckel is mit 8, das Ofengefäß mit 9 bezeichnet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- 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.
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