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Verfahren zur Herstellung von Oxygenstahl
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Oxygenstahl
in einem nach oben offenen, basisch ausgekleideten Tiegel, bei dem Sauerstoff durch
eine Lanze gegen die Oberfläche der Roheisenschmelze geblasen wird.
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Bei der Herstellung von Oxygenstahl wird der Oberfläche der Schmelze
in dem basisch ausgekleideten Tiegel von oben her im wesentlichen reiner Sauerstoff
zugeführt. Dabei wird der Tiegel zunächst mit vorgegebenen Mengen an Schrott und
geschmolzenem Eisen beschickt und dann in eine senkrechte Stellung gebracht, woraufhin
die Sauerstofflanze bis in eine vorgegebene Position oberhalb der Oberfläche der
Roheisenschmelze gesenkt wird. Der Sauerstoff tritt dann aus einer Düsenöffnung
mit hoher Geschwindigkeit aus, wobei der Sauerstoff strahl teils chemische und teils
physikalische Wirkungen herbeiführt. Zunächst einmal beginnt der Sauerstoff beim
Auftreffen des Sauerstoffstrahls auf die Oberfläche des flüssigen Bades sofort mit
diesem zu reagieren, wobei Eisenoxyde entstehen, während gleichzeitig Kohlenmonoxyd
entwickelt wird, was zu einem heftigen Kochen der Schmelze führt und die beim Frischen
auftretenden metallurgischen Reaktionen beschleunigt.
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Die schlackenbildenden Flussmittel, hauptsächlich gebrannter Kalk,
Flußspat und Walzzunder, werden in vorgegebenen Mengen
zugesetzt,
nachdem die Sauerstoffzufuhr bereits begonnen hat. Diese Stoffe dienen der Entstehung
einer Schlacke mit der gewünschten Basizität und Fließfähigkeit.
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Das Frischen mit Sauerstoff in basisch ausgekleideten Tiegeln bietet
gewisse Vorteile hinsichtlich seiner Flexibilität bei der Verarbeitung von Rohmaterialien
unterschiedlicher Art und Zusammensetzung. Insbesondere kann schwerer oder leichter
Schrott verwendet werden, während der Oxyd-Zusatz, falls ein solcher verwendet wird,
in Form trockener Erze, Sinterstoffe, Pellets oder als Walzzunder zugesetzt werden
kann. Dabei kann das Frischen mit Sauerstoff bei allen Metallschmelzen angewandt
werden, die in basisch ausgekleideten Öfen mit offener Herdmulde verarbeitet werden
können.
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Bei der Herstellung von Oxygenstahl in basisch ausgekleideten Tiegeln
wird häufig ein sehr niedriger Endwert des Kohlenstoffgehalts des fertigen Stahls
gefordert. Tatsächlich muß der Kohlenstoffgehalt häufig auf Endwerte abgesenkt werden,
die bis auf 0,03% heruntergehen, damit der zulässige Höchstwert des Kohlenstoffgehalts,
der bei niedrig legierten Stahlsorten mit hoher Festigkeit, bei Stahlsorten zum
Emaillieren, bei Stahlsorten zum Tiefziehen und bei Elektrostahl bei 0,05% liegt,
mit Sicherheit eingehalten werden kann. Bei vielen Stahlsorten ist es sogar vorteilhaft,
wenn der restliche Kohlenstoffgehalt auf 0,02% abgesenkt wird, damit die gewünschte
Festigkeit oder andere metallurgische Eigenschaften erhalten werden können.
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Bei der Herstellung von Oxygenstahl besteht die Standardcharge für
die Beschickung des Tiegels zu etwa 70% aus
schmelzflüssigem Roheisen
und zu etwa 30% aus Stahlschrott, wobei der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt
der Charge zwischen etwa 2,5 und 3,0 liegt. Normalerweise wird der überschüssige
Kohlenstoff aus der Roheisenschmelze durch Oxydieren entfernt, indem man als Oxydationsmittel
Sauerstoff mit hoher Reinheit über eine Lanze zuführt. Unerwunschterweise ist mit
dem Oxydieren des Kohlenstoffs eine gleichzeitige Oxydation von Eisen verbunden.
Dabei ist der Prozentsatz des zu FeO oxydierten Eisens umso höher je niedriger der
Kohlenstoffgehalt der Schmelze ist. Das oxydierte Eisen geht aber mit der Schlacke
für immer verloren.
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Bei Schmelzen mit einem sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt von beispielsweise
0,03% kann der FeO-Anteil der Schlacke bis zu 35,0% betragen. Da es der üblichen
Praxis entspricht, daß für lt Metall zwischen etwa 113 und 136 kg Schlacke vorgesehen
sind, ergeben sich auf diese Weise beträchtliche Eisenverluste. Außerdem sind Schlacken
mit hohem FeO-Gehalt sehr dünnflüssig und chemisch äußerst aktiv, so daß das feuerfeste
Futter des Tiegels stark angegriffen werden kann.
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Bei Schmelzen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und großer Schlackenmenge
können im Stahl bis zu 1000 ppm Sauerstoff gelöst sein. Dieser Sauerstoff wird normalerweise
durch Zusatz von Aluminium aus dem Stahl entfernt. Nachteilig an diesem Verfahren
der Desoxydation ist es, daß nicht nur hohe Kosten entstehen, sondern auch Reste
des Aluminiums im Stahl zurückbleiben, die später die Ursache von Fehlern des Endproduktes
sein können.
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Die oben angesprochenen Probleme, die für die Herstellung von Oxygenstahl
in basisch ausgekleideten Tiegeln typisch sind, wurden bisher von der Stahlindustrie
als unvermeidlich hingenommen.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Oxygenstahl anzugeben, bei dem die
Eisenverluste verringert und unerwünschte Legierungsbestandteile im Endprodukt zumindest
weitgehend vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man solange Sauerstoff zuführt, bis der
Kohlenstoffgehalt der Schmelze auf einen Wert abgesunken ist, der etwa 0,10% über
dem gewünschten Endwert des Kohlenstoffgehalts liegt und daß man die Sauerstoff
zufuhr dann beendet und über die Lanze Argon zuführt, bis der gewünschte Endwert
des Kohlenstoffgehalts erreicht ist.
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Es ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens,
daß der beim Frischen in die Schlacke gelangende Eisenanteil verringert wird.
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Weiterhin ist es ein Vorteil des erfindungsgemäße Verfahrens, daß
die Zähigkeit der Schlacke erhöht wird.
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Es ist auch ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens,
daß nach Beendigung der Argon-Zufuhr die Menge des in der Stahlschmelze verbleibenden
gelösten Sauerstoffs beträchtlich unter der Menge liegt, die sich ergibt, wenn das
Frischen in üblicher Weise nur mit 100-prozentigem Sauerstoff erfolgt. Das Blasen
mit Argon während der Endphase führt ferner zu einem niedrigeren Pegel an nichtmetallischen
Desoxydationsprodukten im Endprodukt, so daß ein saubereres Stahlprodukt erhalten
wird. Bei Pfannenproben zeigte es sich ferner, daß erfindungsgemaß eine wesentlich
bessere Ausnutzung der Desoxydationsmittel
erreicht wird, da beispielsweise
bei der Aluminiumdesoxydation ein Wirkungsgrad zwischen 60 und 75% erreicht wird,
während bei ähnlicher Zusammensetzung der Schmelze hinsichtlich des Kohlenstoff-
und Mangangehalts und der Temperatur nur ein Wirkungsgrad von 25 - 50% erreichbar
ist, solange, wie bisher üblich,nur Sauerstoff eingeblasen wird.
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Die Verwendung von Argon in der Schlußphase des Frischungsprozesses
führte auch zu einer beträchtlichen Erhöhung der Zähigkeit der Schlacke. Beim Abziehen
der Schmelze kann die wesentlich zähere Schlacke nunmehr wesentlich leichter im
Tiegel zurückgehalten werden, wobei das Fehlen eines großen Eisenoxydanteils der
Schlacke aus dem Tiegel dazu beiträgt, die Effektivität der Desoxydationsmittel
zu verbessern. Weiterhin ist zu beachten, daß die höhere Zähigkeit der Schlacke
auch zu einer geringeren Haftung der Schlacke an den Wänden des Tiegels bzw. am
Futter desselben führt, so daß sich für die für das Futter verwendeten feuerfesten
Materialien eine beträchtlich erhöhte Lebensdauererwartung ergibt.
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Derzeit wird davon ausgegangen, daß das intensive Mischen der FeO-haltigen
Schlacke mit dem metallhaltigen Kohlenstoff beim Einblasen des Sauerstoffs zu folgender
chemischer Reaktion führt: FeO + C -y Fe + CO.
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Das Kohlenmonoxyd entweicht in die Atmosphäre und das reduzierte metallische
Eisen kehrt in die Metallschmelze zurück. Beim Einblasen von Argon ist der Freiraum
im Tiegel mit Argon gefüllt, während gleichzeitig der
Partialdruck
des Kohlenmonoxyds, welches in Kontakt mit -der Schmelze steht, sehr niedrig ist.
Hierdurch wird die Reaktion: FeO + C weiter beschleunigt. Im Hinblick auf die Turbulenz
der Schmelze, die sich beim Einblasen von Argon durch die Lanze ergibt, reagiert
der in dem Metall gelöste Sauerstoff auch mit dem Kohlenstoff, und zwar gem&B
folgender Formel:
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erwünscht, einen Stahl zu
erzeugen, bei dem der Rohlenstoffgehalt einen Endwert von 0,04% erreicht. In diesem
Fall wird dem Tiegel in üblicher Weise Sauerstoff zugeführt, bis der Kohlenstoffgehalt
der Schmelze bei etwa 0,14%, d.h. um etwa 0,10% über dem angestrebten Endwert des
Kohlenstoffgehalts liegt. Anstelle von Sauerstoff wird nunmehr 100-prozentiges Argon
eingeblasen. Um die gewünschte Emulsion zwischen Schlacke und Metallschmelze zu
erreichen, wird das Argon dabei im wesentlichen in der gleichen Menge pro Zeiteinheit
zugeführt wie der Sauerstoff bei der üblichen Oxygenstahlherstellung in basisch
ausgekleideten Tiegeln. Typischerweise wird dabei in einem 120 t-Tiegel mit einer
Strömungsgeschwindigkeit von etwa 198 m2/min. gearbeitet.
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Nachstehend soll zur näheren Erläuterung der Erfindung noch ein Beispiel
betrachtet werden, ohne daß die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt
wäre.
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Bespiel I In den Tiegel wurde Sauerstoff nach unten gegen die 120
t-Charge eingeblasen, bis der restliche Kohlenstoffgehalt der Schmelze bei etwa
0,2 - 0,25% lag <bzw bei den in Tabelle I angegebenen Werten), - Die Sauerstoffzufuhr
wurde nunmehr beendet, und es wurde eine Probe aus jeder Schmelze entnommen (Probe
I). Im Anschluß daran wurde statt des Sauerstoffs reines Argon eingeblasen, und
zwar für die Dauer von 2 x 2 Minuten in einer Menge zwischen etwa 85 und 170 3 /min.
Nach jedem der beiden Zeitintervalle, in denen Argon eingeblasen wurde, wurde eine
Probe entnommen (Proben IS und TII). Die dabei ermittelte Verringerung des Gehalts
an Kohlenstoff und an gelöstem Sauerstoff in der Schmelze ist in der nachfolgenden
Tabelle I angegeben.
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Wie aus den in der Tabelle zusammengestellten Daten deutlich wird,
lässt sich der Kohlenstoffgehalt erfindungsgemäß wirksam auf den gewünschten Endwert
drucken, ohne daß eine merkliche Verringerung des Mangangehalts eintritt.
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Außerdem wird erfindungsgemäß ein Teil des Eisenoxyds aus der Schlacke
während der Zuführung von Argon zu metallischem Eisen reduziert und kehrt in die
Schmelze zurück.
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Weiterhin bewirkt das Zuführen von Argon während der Schlußphase der
Metallaufbereitung eine Verringerung der Menge des gelosten Sauerstoffs, wodurch
die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten bei der Desoxydation verringert werden.
| Probe I Probe II Probe III |
| Charge C Mn FeO Temp OA C Mn FeO Temp OA OA* C Mn FeO Temp
OA OA* Argonmenge Blasdauer |
| *) % % % °F. ppm % % % °F. ppm |
| ppm % % % °F. ppm ppm |
| (m³/min.) |
| MIN. |
| **) |
| D2241 .21 .53 N.D. 2945 N.D. .095 .35 14.0 2940 387 N.D. .08
.33 10.2 2890 242 370 5000 4 |
| E6050 .25 .41 16.2 2950 204 .18 .35 N.D. 2900 126 N.D. .11
.30 N.D. 2935 N.D. 318 6000 4 |
| E6051 .20 .40 19.0 2915 235 .17 .34 16.6 2880 197 308 - - -
- - - 3000 3.25 |
| A3819 .21 .53 N.D. 2970 N.D. .13 .42 13.2 2965 310 N.D. .10
.36 11.3 2925 254 379 6000 4 |
| A3820 .25 N.D. N.D. 2980 N.D. .14 .61 12.8 3010 358 N.D. .11
.53 11.2 2960 302 312 3000 4 |
| A3821 .10 .41 19.5 3050 381 .10 .40 17.2 3010 321 446 - - -
- - - 3000 4 |
OA - gemessene Sauerstoffaktivität der Charge nach Blassen mit Argon *OA - errechnete
Sauerstoffaktivität aufgrund des äquivalenten C- und Mn-Gehalts und der Temperatur
der Charge beim Blasen mit Sauerstoff N.D.-nicht ermittelt *)- Größe der Charge
jeweils 120 t **)- .21 # 0,21 etc.