DE2608924B2

DE2608924B2 - Verfahren zum Frischen einer kohlenstoffhaltigen Eisenschmelze

Info

Publication number: DE2608924B2
Application number: DE19762608924
Authority: DE
Inventors: William Johannesburg Transvaal Bleloch (Suedafrika)
Original assignee: ELECTROHEAT Pty Ltd JOHANNESBURG TRANSVAAL (SUEDAFRIKA)
Current assignee: ELECTROHEAT Pty Ltd JOHANNESBURG TRANSVAAL (SUEDAFRIKA)
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1976-03-04
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2608924C3; DE2608924A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Frischen einer kohlenstoffhaltigen Eisenschmelze durch Aufbla sen eines brennenden Gasstrahls auf die Schmelzen oberfläche mittels einer Sauerstoff und brennbares Gas zuführenden Lanze in einem Konverter.

Aus der DE-PS 8 00 015 ist ein Verfahren zum Beschleunigen des Frischens im Siemens-Martin-Ofen

is bekannt, bei dem Sauerstoff in oder auf das Metallbad geblasen wird, wobei dem Sauerstoff noch andere oxidierende Begleitgase, z.B. auch Wasserdampf, beigemischt werden. Die Beimischung von Wasserdampf führt bei diesem bekannten Verfahren zu einer

wärmezehrenden Dissoziation des Wasserdampfes, wobei der dabei gebildete Wasserstoff anderweitig verbrennt

Aus der AT-PS 2 25 214 ist ein Verfahren zur Zuführung von Wärme beim durch Aufblasen von Sauerstoff oder sauerstoffreicher Gase erfolgenden Frischen eines festen und/oder flüssigen Einsatzes eines Tiegels bekannt, wobei als Brennstoff ein brennbares Gas, vorzugsweise Erdgas, zugeführt wird. Gemäß diesem Verfahren ist es auch möglich, das brennbare

jo Gas zusammen mit Luft oder sauerstoffangereicherter Luft beispielsweise durch eine Mischdüse zuzuführen.

Aus der AT-PS 2 38 743 ist es bekannt, brennbare Gase zusammen mit dem Sauerstoffstrahl beim Frischen von Metallen aufzublasen, wobei der Abstand der Austrittsöffnung der Blasdüse von der Badoberfläche während der ganzen Dauer des Frischprozesses größer ist als der Bereich des Strahls, in dem die Verbrennung im Strahl instabil verläuft Neben der Hauptdüse ist eine zweite Düse vorsehbar, und es ist möglich, durch die Nebendüse Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas einzuführen, wenn durch die Hauptdüse ein reduzierendes Gas eingeblasen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zum Frischen einer kohlenstoffhaltigen Eisenschmelze anzugeben, die insbesondere einen Chrom- und Vanadiumgehalt aufweist, bei dem der Kohlenstoff so weit entzogen wird, daß der ursprünglich in der Größenordnung von 6% oder höher liegende Kohlenstoffgehalt auf einen Wert unter 0,05% verrin gert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die außerhalb des Konverters eingeschmolzene und überhitzte Schmelze in den Konverter eingefüllt und hierauf zum teilweisen Entziehen von Kohlenstoff zunächst nur Sauerstoff aufgeblasen wird, und daß alsdann durch Zuführen von Wasserstoff an der Lanzenmündung ein hochtemperierter, mindestens teilweise zu Wasserdampf verbrennender Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl erzeugt und zur Bildung

feo flüchtiger Kohlenstoffverbindungen auf die Schmelzenoberfläche aufgeblasen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

<>5 Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß der nach dem normalen Sauerstoffaufblaszyklus in der Eisenschmelze verbleibende Kohlenstoff durch Reaktion mit der Flamme entfernt wird, wobei flüchtige

Kohlenstoffverbindungen erzeugt werden, die sich vom Metall trennen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kohlenstoffgehalt von 6% und mehr Kohlenstoff enthaltenden Eisenschmelzen auf 0,05% und weniger zu verringern. Vorteilhafterweise wird dabei der Wasserstoff durch ein getrenntes, zentrales Rohr in der Lanze zur Lanzenmündung geführt, obwohl der Wasserstoff und Sauerstoff auch am oberen Ende der Lanze gemischt werden können und dann an der düsenartigen Mündung entzündet werden, wobei das Gasgemisch keine Tendenz zeigt, sich an irgendeiner anderen Stelle als der düsenartigen Lanzenmündung zu entzünden.

Nachfolgend wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert Bei der Durchführung des beschriebenen Ausführungsbeispiels erfolgt der Kohlenstoffentzug aus einer 30-Tonnen-Charge eines eisenhaltigen Metalls, bestehend aus 15 Tonnen Schrott mit 0,12% Kohlenstoff, 0,25% Silizium und 10,5% Chrom, 43 Tonnen hochkohlenstoffhaltigem Ferrochrom mit 58% Chrom, 6,1% Kohlenstoff und 3,6% Silizium, 10^5 Tonnen Weicheisenschrott mit 0,40% Kohlenstoff und 0,45% Silizium und schließlich 0,15 Tonnen 75prozentigem Ferrosilizium.

Diese 30-Tonnen-Charge aus eisenhaltigem Metall wurde geschmolzen in einem Stahlschmelzofen mit einer Kapazität von 35 Tonnen und bis auf etwa 1650⁰C überheizt, so daß eine Schmelze entstand, welche 18,2% Chrom, 036% Kohlenstoff (Möglichkeit zur Kohlenstoffaufnahme von den Graphitelektroden) und 0,88% Silizium (Möglichkeit zur Oxidation des Siliziums) enthielt

Pie überheizte Eisenmetallschmelze wurde mittels eines Gießkranes in einen vorgeheizten, basisch-feuerfest ausgekleideten Sauerstoffaufblaskonverter überführt der mit einer Sauerstofflanze ausgerüstet war, die in ihrem Sauerstoffkanal ein Zentralrohr zur Einleitung von Wasserstoff in den Lanzenkopf besaß. Der im Querschnitt kreisrunde Sauerstoffkanal in der Lanze war zur Abgabe von bis zu 85 nm³ Sauerstoff pro Minute, und das zentrale Wasserstoff rohr in dem im Querschnitt kreisrunden Sauerstoffkanal zur Abgabe von ebenfalls 85 nm³ Wasserstoff pro Minute ausgelegt. Die Sauerstoffzufuhr erfolgte von einer konventionellen Lufttrennquelle und von einer Standard-Hochdruck-Wasserelektrolyse-Anlage mit Hochdruckspeicher für Sauerstoff und Wasserstoff, und die beiden Stoffe wurden über die notwendigen Steuerventile, Einwegventile und Durchflußmesser der Konverterlanze zugeführt

Nach dem Einbringen in den Konverter wurde die Charge wie im normalen Konverterbetrieb mit Sauerstoff angeblasen, bis ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4% erreicht war und der Silizumgehalt unter 0,1% lag, und sobald notwendig wurde Schlacke von dem Metall entfernt und das Sauerstoff-Einblasen wieder aufgenommen. Danach wurde Wasserstoff in das Lanzen-Zentralrohr eingeleitet und an der Düsenmündung der Lanze im Sauerstoffstrom entzündet um einen Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenstrahl zu bilden, der in der Betriebshöhe der Lanzenmündung oberhalb des Metalls eine Geschwindigkeit hatte, die ausreichend ist um in die Metallschmelze bis etwa in die gleiche Tiefe einzudringen, wie der vorausgehende Sauerstoffstrahl. Der Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenstrahl wurde durch entsprechende Einstellung der Steuerventile so eingestellt daß er anfangs etwa 30% Sauerstoff-Überschuß über die stöchiometrische Menge hinaus aufwies, wie sie zur Bildung von Wasserdampf erforderlich ist Im Verlauf der Blasoperation wurde der Sauerstoff-Überschuß, falls nötig, erhöht oder vermindert Dieser Blasvorgang wurde so lange fortgesetzt bis der Kohlenstoffanteil der Charge auf den gewünschten Wert abgesenkt war. Man kann davon ausgehen, daß der den Anfang bildende Sauerstoff-Blasvorgang bei dieser Charge aus eisenhaltigem Metall etwa 9 bis 10 Minuten, und das Einblasen des Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenstrahls voraussichtlich weniger als 15 Minuten

ίο dauert

Das schließlich entstehende Metall enthält voraussichtlich 17,4% Chrom und weniger als 100 ppm Kohlenstoff. Das in Konvertern mit basischen feuerfesten Auskleidungen hergestellte Metall wird normaler- weise mehr als 6 ppm Wasserstoff enthalten, so daß eine Entgasung unter Vakuum mit konventionellen Mitteln oder durch Reinigen mit Argon notwendig wird; zu diesem Zweck wird beispielsweise etwa 1 nm³ Argon pro Tonne des fertigen Metalls vor dem Abstich eingeblasen.

Als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung sei der Fall angenommen, daß bei im wesentlichen gleichem Verfahrensablauf wie beim ersten praktischen Ausführungsbeispiel und bei gleichen Quantitäten der Konver- ter mit einer beliebigen sauren feuerfesten Standard-Auskleidung wie beispielsweise Kalkdinas, Schamotte od. dgl. ausgekleidet ist so daß der Prozeß mit einer sauren Schlacke betrieben wird. Unter diesen Bedingungen braucht das entstehende Metall, wie im ersten

jo Ausführungsbeispiel spezifiziert, nicht einer Vakuum-Entgasung und/oder einer Reinigung mit Argon unterzogen zu werden, sondern kann direkt zu Brammen vergossen oder in anderer Weise weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise werden Prozeß- Schwierigkeiten, wie Schäumen der Schlacke und Konverterauswurf, weitgehend vermieden.

Das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf die Herstellung von perlitfreiem Vanadiumstahl mit sehr niedriger Über gangstemperatur und hohem Widerstand gegen Deh nungsalterung zur Verwendung für Bauteile wie beispielsweise Langstrecken-Pipelines und Karosseriebleche. Dieses dritte Ausführungsbeispiel läuft folgendermaßen ab:

Verfahrenszweck ist der Entzug von Kohlenstoff aus einer Carge von Eisenmetall, welches aus 22 Tonnen Roheisen mit 4,2% Kohlenstoff, 0,6% Silizium, 0,3% Phosphor und 1,4% Vanadium, ferner aus 77 Tonnen Stahl mit 0,4% Kohlenstoff und 0,4% Phosphor und

so schließlich aus 0,75 Tonnen 75prozentigem Ferrosilizium zusammengesetzt ist.

Diese Carge des Eisenmetalls wird in einem Lichtbogen-Stahlschmelzofen mit etwa 100 Tonnen Kapazität geschmolzen und bis auf etwa 1650⁰C überheizt so daß eine Schmelze entsteht die 03% Vanadium und etwa 2% Kohlenstoff enthält wobei die Möglichkeit der Kohlenstoffaufnahme und der partiellen Oxidation von Silizium während des Schmelzens und Überhitzens besteht.

M) Das geschmolzene und überhitzte Eisenmetall wird mittels einer Gießpfanne in einen zuvor beheizten sauer ausgekleideten Sauerstoffaufblaskonverter überführt, der mit einer Sauerstofflanze ausgestattet ist deren Sauerstoffkanal ein Zentralrohr zur Einleitung von

ii > Wasserstoff in den Lanzenkopf aufweist Der ringförmige Querschnitt des Sauerstoffkanals in der Lanze ist so bemessen, daß bis zu 140 nm³ Sauerstoff pro Minuten durchströmen können, und das zentrale Wasserstoff-

rohr in dem Sauerstoffkanal ist ebenfalls so bemessen, daß bis zu 140 nm³ Wasserstoff pro Minute hindurchströmen können. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt von einer konventionelien Luftseparatorquelle und von einer Staiidard-Hochdruckwasserelektrolyr.e-Anlage mit Hochdruckspeicher für Sauerstoff und für Wasserstoff; beide Stoffe werden der Konverterlanze über geeignete Steuerventile zugeführt, die bei dem Konverterprozeß sachgemäß bedient werden.

Nach Einbringen der Charge in den Konverter wird in diese wie beim normalen Konverterbetrieb mit Sauerstoff angeblasen, bis der Kohlenstoffgehalt auf etwa 0,4% und der Siliziumgehalt bis unter 0,1% abgesenkt ist und sobald erforderlich wird die Schlacke von dem Mstail entfernt. Danach wird Wasserstoff durch das Lanzen-Zentralrohr geleitet und an der Düsenmüdung der Lanze in dem Sauerstoffstrom gezündet, um den Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenstrahl zu bilden, dessen Höhe über der Metallschmelze und dessen Geschwindigkeit so bemessen wird, daß er bis in etwa die gleiche Tiefe wie der vorhergehende Sauerstoffstrahl in die Metallschmelze eindringt. Durch entsprechendes Einstellen der Steuerventile wird der Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenstrahl so justiert, daß er anfangs etwa 30% Sauerstoffüberschuß über die zur Bildung von Wasserdampf notwendige stöchiometrische Menge hinaus besitzt. Das Blasen dauert an, bis der Kohlenstoffgehalt der Charge den gewünschten niedrigen Wert aufweist. Voraussichtlich dauert das anfängliche Sauerstoffblasen etwa 10 Minuten für diese so Eisenmetallcharge, während das Blasen mit dem Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenstrahl voraussichtlich weniger als 15 Minuten dauert.

Das entstehende Metall besitzt erwartungsgemäß weniger als 0,01% Kohlenstoff, 0,28% Vanadium und weniger als 3 ppm Wasserstoff. Erwartungsgemäß besitzt das Metall eine Obergangstemperatur in der Größenordnung von — 8O⁰C. und es läßt sich normalerweise ohne Vakuumentgasung und/oder Argon-Reinigung für den Wasserstoffentzug vergießen.

Der für dieses Verfahren notwendige Wasserstoff kann von jeder beliebigen Quelie bezogen werden, jedoch unter normalen Umständen bezieht man Wasserstoff am besten aus einer gut entwickelten und zuverlässigen Standard-Elektrolyse-Anlage, die Wasserstoff als wichtiges Nebenprodukt von deuteriumangereichertem Wasser abgibt

Es bleibt freigestellt Einfach- oder Mehrfach-Lanzenöffnungen vom konvergierend-divergierenden Typ zu wählen. Ferner werden der bzw. die Zuführkanäle zur Mündung vorzugsweise wassergekühlt und aus Kupfer hergestellt und der durch diese Kanäle strömende Sauerstoff-Wasserstoff-Gasstrom weist eine ausreichende Geschwindigkeit auf, damit unter normalen Betriebsbedingungen keine unerwünschte Zündung in den Lanzenkanälen erfolgen kann.

Außerdem läßt sich in den zuvor beschriebenen Wasserdampf-Flammenstrahl Stickstoff entweder allein oder als Bestandteil von Luft zuführen, und zwar in gewünschten Mengen, falls dieser Stoff als legierendes Element erforderlich ist wie beispielsweise in bestimmten kohlenstoffarmen Chromstählen und in bestimmten kohlenstoffarmen austenitischen Manganstählen.

Falls erwünscht kann man auch den Wasserstoff durch den Lanzenkanal und den Sauerstoff durch das Zentralrohr hindurchleiten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Frischen einer kohlenstoffhaltigen Eisenschmelze durch Aufblasen eines brennenden Gasstrahls auf die Schmelzenoberfläche mittels einer Sauerstoff und brennbares Gas zuführenden Lanze in einem Konverter, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Konverters eingeschmolzene und überhitzte Schmelze in den Konverter eingefüllt und hierauf zum teilweisen Entziehen von Kohlenstoff zunächst nur Sauerstoff aufgeblasen wird, und daß alsdann durch Zuführen von Wasserstoff an der Lanzenmündung ein hochtemperierter, mindestens teilweise zu Wasserdampf verbrennender Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl erzeugt und zur Bildung flüchtiger Kohlenstoffverbindungen auf die Schmelzenoberfläche aufgeblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an der düsenartigen Lanzenmündung dadurch gebildet wird, daß der Wasserstoff durch ein im wesentlichen koaxial durch den Sauerstoffkanal der Lanze verlegtes Rohr der düsenartigen Mündung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff der düsenartigen Lanzenmündung über ein im wesentlichen koaxial in einem Wasserstoffkanal der Lanze verlegtes Rohr zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an der düsenartigen Lanzenmündung dadurch gebildet wird, daß der Wasserstoff und Sauerstoff am oberen Ende der Lanze gemischt und an der düsenartigen Mündung entzündlet werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl im wesentlich vollständig zu Wasserdampf verbrennt, der einen Kohlenstoffoxydgehalt von weniger als 1 Volumenprozent enthält

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl eine im wesentlichen aus Sauerstoff und Wasserdampf bestehende Mischung ist, die einen Kohlenstoffoxydgehalt von weniger als 1 Volumenprozent enthält.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl eine Mischung aus Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf ist, die einen Kohlensioffoxydgehalt von weniger als 1 Volumenprozent enthält

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an freiem Sauerstoff in dem Hochgeschwindigkeits-Flammenstrahl zwischen 0 und etwa 60 Volumenprozent beträgt, und daß der Wert abhängig ist von dem Stadium des Kohlenstoffentzuges und der Zusammensetzung der Eisenschmelze in dem Konverter.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein basisch ausgekleideter Konverter verwendet wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein sauer ausgekleideter Konverter benutzt wird.