DE60101564T2

DE60101564T2 - Vakuumbehandlung von metallschmelze mit gleichzeitigem einblasen von heliumgas

Info

Publication number: DE60101564T2
Application number: DE60101564T
Authority: DE
Inventors: François Stouvenot; Marc Burty; Jean-François DOMGIN; Pascal Gardin; Dominique Viale; Raymond Reitz; Frederic Leclercq
Original assignee: USINOR SA
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: JP5010086B2; DE60101564D1; BR0109628A; JP2003528981A; TR200301788T4; US6843826B2; FR2807066A1; US20040035248A1; MXPA02009461A; CN1420938A; ES2211793T3; CN1253586C; EP1268863A1; EP1268863B1; FR2807066B1; RU2257417C2; WO2001073140A1; AU2001246647A1; TR200301788T3; KR20020086728A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vakuumbehandlung eines geschmolzenen Metalls in flüssiger Form, wie zum Beispiel Stahl.
Am Ausgang des Konverters muss der glühende Stahl im allgemeinen verschiedene zusätzliche metallurgische Behandlungen erfahren, die in einer Pfanne erfolgen, welche mit einer Vakuumanlage ausgestattet ist. Diese Behandlungen bestehen im allgemeinen in einer Reduktion des flüssigen Metalls, dann wird es auf die gewünschte Farbe und Temperatur gebracht, bevor das Metall im Strang- oder Kokillenguss erstarrt. Für bestimmte Anwendungen, die niedrige Gehalte an gelösten Gasen (Wasserstoff und Stickstoff) und/oder an Kohlenstoff erfordern, erfolgt eine als Entgasung bezeichnete Behandlung, deren Wirksamkeit erheblich erhöht wird, indem die mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehende Atmosphäre in Unterdruck versetzt wird.
Was zum Beispiel die Entkohlungsbehandlung des Stahls anbelangt, so erfolgt diese – sofern die zweckmäßigen Voraussetzungen betreffend die Zusammensetzung des Stahls und den über der Schmelze herrschenden Druck erfüllt sind – durch Kombination des Sauerstoffs mit dem im Metall gelösten Kohlenstoff in der Weise, dass gasförmiges Kohlenmonoxid gebildet wird. Diese Entkohlung wird durch Umrühren des flüssigen Metalls unterstützt, zum Beispiel durch Einblasen eines neutralen Gases, meist Argon, aus dem Boden der Pfanne in den flüssigen Stahl.
Ein wirksames Umrühren ist für die richtige Durchführung sowohl der Entkohlung als auch der Entgasung unerlässlich, denn der oberhalb des Schmelzbads herrschende Unterdruck beeinflusst nur eine dünne Stahlschicht im oberen Teil des Schmelzbads. Es ist daher wesentlich, diesen Reaktionsbereich ununterbrochen mit dem darunter befindlichen Stahl zu versorgen, um die angestrebten Gesamtleistungen sicherzustellen. Das Gleiche gilt für Behandlungen zur Dehydrierung oder Denitrierung.
Im allgemeinen verursacht das Umrühren des flüssigen Stahls jedoch eine Beunruhigung der Oberfläche des von Schlacke bedeckten Stahls. Diese Beunruhigung, die sich noch verstärkt, wenn die Pfanne unter Vakuum gesetzt wird, kann Spritzer von flüssigem Stahl und Schlacke an die Wände der Pfanne, des Deckels oder der Wanne hervorrufen, in der die zu behandelnde Pfanne angeordnet ist. Um solche Spritzer zu beschränken und um zu verhindern, dass das flüssige Metall und die darauf schwimmende Schlacke überlaufen, muss der Betreiber einen Sicherheitsabstand zwischen der Oberfläche des ruhenden flüssigen Stahls und dem oberen Rand der Pfanne einhalten; dieser Abstand wird als Schutzhöhe bezeichnet. Die Einhaltung der Schutzhöhe bedingt somit, dass die Füllung der metallurgischen Pfanne auf einen Wert unterhalb ihres Nennwerts beschränkt wird.
Andernfalls wäre der Bediener gezwungen, den umrührenden Gasstrom zu begrenzen oder das Umrühren sogar entfallen zu lassen, um die Beunruhigung der Oberfläche zu begrenzen, was unmittelbar zu einer Qualitätsabwertung des erzielten Stahls führen kann.
Somit bezweckt die Erfindung ein Verfahren, das es ermöglicht, in einer Pfanne größere Mengen flüssigen Metalls unter Vakuum zu behandeln und dabei einen korrekten Verlauf der Behandlung zu gewährleisten.
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Vakuumbehandlung eines geschmolzenen Metalls in flüssiger Form mit folgenden Schritten:

– das geschmolzene Metall wird in flüssiger Form in eine metallurgische Pfanne eingebracht, wobei die Pfanne bis zu einer zwischen 0,4 und 0,6 m betragenden Schutzhöhe gefüllt wird,
– das Metall wird behandelt, wobei die Atmosphäre oberhalb der Pfanne in Unterdruck versetzt wird und gleichzeitig ein Umrühren des geschmolzenen Metalls begonnen wird, indem während eines Teils der Behandlung oder während der gesamten Behandlung Helium in den Boden der Pfanne eingeblasen wird.

Die Erfindung kann ferner folgende Merkmale aufweisen:

– die Behandlung ist eine Entkohlungsbehandlung, die auf Stahl angewendet wird,
– das behandelte Metall ist Stahl, der nach seiner Entkohlung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 60 ppm aufweist,
– die Behandlung ist eine Dehydrierungsbehandlung, die auf Stahl angewendet wird,
– die Behandlung ist eine Denitrierungsbehandlung, die auf Stahl angewendet wird,
– der eingeblasene Heliumstrom beträgt mindestens 1,875 Nl/min für 1 Tonne des geschmolzenen Metalls,
– das Einblasen von Helium erfolgt durch die Wand der Pfanne, die mit Gasdüsen versehen ist, die unterhalb des Bereichs des flüssigen Metalls eingesetzt sind,
– das Einblasen von Helium erfolgt durch den Boden der Pfanne, die in ihrem Boden mit Gasdüsen versehen ist.

Wie aus Vorstehendem hervorgeht, besteht die Erfindung darin, die Verwendung von Helium als Rührgas mit der Einstellung einer Schutzhöhe zu verbinden, die kleiner als in der üblichen Praxis ist.
Die gegenwärtigen Erfinder haben nämlich festgestellt, dass bei Verwendung von Helium anstelle von Argon oder Stickstoff als Rührgas die Beunruhigung der Oberfläche des flüssigen Stahls in stark gedämpfter Form in Erscheinung tritt, wodurch die Schutzhöhe verringert und folglich der Grad der Füllung der Pfanne mit flüssigem Metall erhöht werden kann, woraus sich ein erheblicher Produktivitätsgewinn ergibt.
Ein Beispiel für ein Verfahren nach dem Stand der Technik und ein Beispiel für die Verwendung der Erfindung werden nun für den Fall der Vakuumentkohlung von flüssigem Stahl in einer Wanne beschrieben.
Im Stand der Technik erfolgt die Vakuumbehandlung eines geschmolzenen Metalls, wie zum Beispiel Stahl, indem zunächst eine metallurgische Pfanne bis zu einer zwischen 0,6 und 1 m betragenden Schutzhöhe befüllt wird, dann die Pfanne unter Vakuum gesetzt wird und in deren Innerem gleichzeitig begonnen wird, Argon oder Stickstoff einzublasen, um den Stahl umzurühren.
Die in diesem Beispiel verwendete Pfanne hat eine im wesentlichen zylindrische Gestalt mit einer Gesamthöhe von ungefähr 4,4 Metern und eine maximale Aufnahmefähigkeit für 300 Tonnen Stahl. Wenn die Schutzhöhe auf einen Wert von 0,8 m eingestellt wird, können im allgemeinen 240 Tonnen pro Pfanne behandelt werden. Die verwendeten Gaseinblasdüsen bestehen aus drei porösen Stopfen, die im Boden der Pfanne eingesetzt sind. Die porösen Stopfen sind dazu ausgebildet, jeweils einen maximalen Gasstrom von 600 Nl/min zuzulassen (1 Nl = 1 Liter gemessen bei Normalbedingungen bezüglich Temperatur und Druck).
Wenn die den flüssigen Stahl enthaltende Pfanne in einen Raum gebracht wird, der unter zunehmenden Unterdruck gesetzt wird, entsteht aus den oberen Schichten des in der Pfanne befindlichen Metalls eine CO-Emission, und zwar bei einem Raumdruckniveau, das dem CO-Druck entspricht, der im Gleichgewicht mit den Aktivitäten des im Metall gelösten Kohlenstoffs und Sauerstoffs steht. Der CO-Emissionsstrom durch spontanes Sieden unter Wirkung des Unterdrucks ist relativ groß und führt zu einer Erhöhung des Metallspiegels in der Pfanne und zur Bildung von Metallspritzern. Aufgrund der CO-Emission muss der Rührgasstrom für jeden der porösen Stopfen begrenzt werden, bei einer anfänglichen Schutzhöhe von 0,8 m typischerweise auf einen Wert von 50 bis 80 N1/min, also auf einen 0,625 bis 1 Nl/t/min betragenden Gesamtstrom eingeblasenen neutralen Gases.
Wenn die Ergiebigkeit der CO-Emission nachlässt, weil der Kohlenstoffgehalt im Metall sinkt, beginnt man im allgemeinen den Rührgasstrom zu verstärken, und zwar in einer als Tiefvakuum bezeichneten Phase, bei der der Druck in dem die Pfanne enthaltenden Raum unter 10 mbar liegt, typischerweise in der Größenordnung von 1 mbar. Der von jedem porösen Element eingeblasene Gasstrom beträgt typischerweise 200 Nl/min, der Gesamtstrom von in die Pfanne eingeblasenem Argon oder Stickstoff beträgt also 2,5 Nl/min pro Tonne Stahl.
Unter diesen Bedingungen bleiben der Grad der Beunruhigung der Oberfläche des flüssigen Stahls sowie das Ausmaß der Stahlspritzer, die unter der vereinigten Aufwallwirkung des CO und des Rührgases entstehen, während der gesamten Dauer der Behandlung akzeptabel.
Wenn die Schutzhöhe auf einen Wert zwischen 0,4 und 0,6 m verringert würde, wäre es beim Einblasen von Argon oder Stickstoff unerlässlich, die pro Zeiteinheit eingeblasene Menge neutralen Gases erheblich zu senken, nämlich auf Werte, die kleiner sind als die für eine Standardschutzhöhe angegebenen Werte, was über die gesamte Dauer einer identischen Vakuumbehandlung zu einer Verschlechterung der Entkohlungsleistungen führen würde. Im Fall einer Entkohlung von Stahl würde dies zu einem Stahl führen, der unzureichend entkohlt und daher für die angestrebte Verwendung ungeeignet ist.
Dann wurde mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgegangen und eine Vakuumbehandlung von 240 t flüssigen Stahls in einer Pfanne durchgeführt, die der Pfanne des soeben beschriebenen Beispiels nach dem Stand der Technik ähnlich ist, wobei unter denselben Bedingungen wie zuvor Helium eingeblasen wurde. Die eingeblasenen Heliumströme liegen in der Evakuierungsphase für jeden der porösen Stopfen in der Größenordnung von 150 Nl/min, also insgesamt bei 1,875 Nl/t/min. Diese Ströme werden anschließend für jeden der Stopfen auf 200 Nl/min, also auf einen Gesamtstrom von 2,5 Nl/t/min, erhöht, sobald die Pfanne sich in einem Vakuum von 1 mbar oder weniger befindet.
Man stellt dann überraschend fest, dass die Beunruhigung der Oberfläche des flüssigen Stahls verringert ist. Die Spritzer flüssigen Stahls an die Wände der Pfanne sind infolge dessen ebenfalls verringert, was es erlaubt, die Pfanne soweit zu füllen, dass lediglich eine zwischen 0,4 und 0,6 m betragende Schutzhöhe freigelassen wird. Somit können in einem Arbeitsgang 20 zusätzliche Tonnen flüssigen Stahls mit denselben metallurgischen Leistungen und denselben Sicherheitsanforderungen wie beim Einblasen von Argon oder Stickstoff behandelt werden, woraus sich ein Produktivitätsgewinn in der Größenordnung von 10% ergibt.
Außerdem kann die Behandlung während der verfügbaren Zeit zu Ende geführt werden, wodurch ein Stahl gewonnen werden kann, der den angestrebten Kennwerten entspricht.
Es versteht sich, dass das Einblasen des Gases in das flüssige Metall mit jeder Art von Düse erfolgen kann, zum Beispiel insbesondere mit einem oder mehreren im Boden der Pfanne eingesetzten porösen Stopfen oder einer oder mehreren direkt ins flüssige Metall eingetauchten Lanzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Durchführung von Vakuumbehandlungen zur Entkohlung von Stählen ausgebildet, für die ein unter 60 ppm liegender Schlussgehalt an Kohlenstoff angestrebt wird, aber es kann in jeglichem metallurgischen Vakuumverfahren verwendet werden, das ein Umrühren erfordert und die Einhaltung einer Schutzhöhe beinhaltet.

Claims

Verfahren zur Vakuumbehandlung eines geschmolzenen Metalls in flüssiger Form, mit folgenden Schritten: – das geschmolzene Metall wird in flüssiger Form in eine metallurgische Pfanne eingebracht, wobei die Pfanne bis zu einer zwischen 0,4 und 0,6 m betragenden Schutzhöhe gefüllt wird, – das Metall wird behandelt, wobei die Atmosphäre oberhalb der Pfanne in Unterdruck versetzt wird und gleichzeitig ein Umrühren des geschmolzenen Metalls begonnen wird, indem während eines Teils der Behandlung oder während der gesamten Behandlung Helium in den Boden der Pfanne eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung eine Entkohlungsbehandlung ist, die auf Stahl angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach seiner Entkohlung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 60 ppm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung eine Dehydrierungsbehandlung ist, die auf Stahl angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung eine Denitrierungsbehandlung ist, die auf Stahl angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeblasene Heliumstrom mindestens 1,875 N1/min für 1 Tonne des geschmolzenen Metalls beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblasen von Helium durch die Wand der Pfanne erfolgt, die mit Gasdüsen versehen ist, die unterhalb des Bereichs des Flüssigmetalls eingesetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblasen von Helium durch den Boden der Pfanne erfolgt, die in ihrem Boden mit Gasdüsen versehen ist.