DE69512967T2

DE69512967T2 - Verfahren zur Herstellung von chromhaltingen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt

Info

Publication number: DE69512967T2
Application number: DE69512967T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Inagaki; Akihiro Nagatani; Motoshi Shinkai; Masahide Tsuno
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: US5547489A; EP0688877A1; DE69512967D1; JP3531218B2; KR960001140A; ES2139840T3; KR100396029B1; JPH083615A; TW346505B; EP0688877B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von chromhältigem kohlenstoffarmem Stahl.
Beim Verfahren zur Herstellung von chromhältigem kohlenstoffarmem Stahl, wie z. B. von Edelstählen, ist es üblich, ein sauerstoffhältiges Gas in die Stahlschmelze in einem Raffinierofen bei Atmosphärendruck einzublasen, um die Stahlschmelze zu entkohlen und dadurch deren Kohlenstoffgehalt zu senken. Dieses Verfahren ist allgemein als AOD-Verfahren bekannt.
Das Entkohlungsraffinieren bei Atmosphärendruck wird wirkungslos, wenn der Kohlenstoffgehalt in der Stahlschmelze gering wird, da das in die Stahlschmelze eingeblasene Sauerstoffgas nicht zur Entkohlung dient, sondern Chrom oxidiert, weshalb der Wirkungsgrad der Entkohlung allmählich sinkt.
Auf dieser Basis schlug die Anmelderin ein verbessertes Verfahren zum Raffinieren von Stahl vor, umfassend die Schritte des Senkens des Drucks im Raffinierofen auf 2,67 · 10³ - 2,67 · 10&sup4; Pa (20-200 Torr), wenn der Kohlenstoffgehalt einen relativ hohen Wert aufweist, z. B. 0,2%, das Einblasen nur von nicht-oxidierendem Gas wie z. B. Ar in die Stahlschmelze, um die Stahlschmelze und die Schlacke zu rühren, wodurch eine Reaktion zwischen Chromoxiden, die sich während des Atmosphärendruck-Betriebs bilden, und dem Kohlenstoff in der Stahlschmelze herbeigeführt wird, sodass Entkohlung und Teilreduktion der Chromoxide erfolgt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Entkohlungsraffinieren innerhalb kurzer Zeit erfolgt, der Verbrauch an teurem Argongas gesenkt und die Ausbeute an Chrom verbessert wird.
Das Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Temperatur der Stahlschmelze auf hohe Werte steigt, wodurch die Lebensdauer der Feuerfest-Materialien im Raffinierofen sinkt.
Genauer gesagt bewirkt das Einblasen von sauerstoffhältigem Gas in die Stahlschmelze während des Betriebs bei Atmosphärendruck exotherme Reaktionen, sodass die Temperatur der Stahlschmelze steigt; in der darauffolgenden Phase des Betriebs bei reduziertem Druck bewirken endotherme Reaktionen von Chromoxiden und dem Kohlenstoff in der Stahlschmelze sowie der Zusatz von Additiven wie etwa Desoxidationsmitteln ein Absinken der Temperatur der Stahlschmelze.
Andererseits ist es notwendig, beim Abstich die Temperatur der Stahlschmelze auf einem Wert zu halten, der über dem Schmelzpunkt des Stahls liegt, um das anschließende Gießen zu vereinfachen.
Bei der Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, das den Betrieb bei Atmosphärendruck und den anschließenden Betrieb bei reduziertem Druck umfasst, ist es notwendig, im Betrieb bei Atmosphärendruck überschüssiges Sauerstoffgas einzublasen, damit die Temperatur der Stahlschmelze in Erwartung der Temperaturabnahme während des Betriebs bei reduziertem Druck zunimmt, sodass die Temperatur der Stahlschmelze auf oder über einem bestimmten Wert gehalten werden kann.
In diesem praktischen Betrieb erreicht die Stahlschmelze notwendigerweise - sogar für einen kurzen Zeitraum - eine extrem hohe Temperatur, welche die Lebensdauer von Feuerfest-Materialien in den Raffinieröfen verkürzt.
Das allgemeine Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und nützlichen Verfahrens zur Herstellung von chromhältigem kohlenstoffarmem Stahl und vorzugsweise die Abschwächung oder Lösung der oben besprochenen Probleme.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines chromhältigen kohlenstoffarmen Stahls bereitgestellt, der 5% oder mehr Chrom enthält, wobei das Verfahren die folgenden getrennten und aufeinanderfolgenden Schritte umfasst:
a) einen Vorgang bei Atmosphärendruck, in dessen Verlauf ein sauerstoffhältiges Gas in die Stahlschmelze eingeblasen wird, die in einen Raffinierofen eingefüllt ist, um den Stahl zu entkohlen und das Chrom zu oxidieren; gefolgt von
b) einem ersten Vorgang unter reduziertem Druck, der bei einem Druck zwischen 2,67 x 10³ und 2,67 · 10&sup4; Pa (20 bis 200 Torr) durchgeführt wird, in dessen Verlauf ein nicht-oxidierendes Gas in die Stahlschmelze eingeblasen wird, während die Stahlschmelze und die Schlacke im Ofen gerührt werden, um Reaktion der Chromoxide in der Schlacke und des Kohlenstoffs in der Stahlschmelze zu bewirken, um den Stahl weiter zu entkohlen, und in dessen Verlauf die Temperatur der Stahlschmelze absinken gelassen wird; gefolgt von
c) einem zweiten Vorgang unter reduziertem Druck im Endstadium der Entkohlung, in dessen Verlauf ein sauerstoffhältiges Gas in den Ofen eingeblasen wird, um durch die Oxidation von im Stahl vorhandenem Chrom Wärme zu erzeugen, wodurch die Temperatur der Stahlschmelze im Ofen erhöht wird; gefolgt von
d) einem abschließenden Vorgang unter reduziertem Druck, in dessen Verlauf ein Reduktionsmittel in den Ofen eingeleitet wird, um die vorhandenen Chromoxide zu reduzieren,
sodass der Temperaturanstieg des Stahls in zwei getrennten Schritten erfolgt, die den Schritten (a) und (c) entsprechen, wobei es im Zwischenschritt (b) zu einem Absinken der Temperatur kommt.
Es ist vorzuziehen, dass:
i) die im Verlauf von Schritt (a) in den Ofen eingeleitete Menge an Sauerstoff (O²) geringer ist als die Menge (O¹), die eingeleitet werden müsste, damit der Stahl eine Temperatur T¹ erreicht; und
ii) die Menge an im Verlauf von Schritt (c) in den Ofen eingeblasenem Sauerstoff gleich O¹ minus O² ist und ausreicht, um die Temperatur der Stahlschmelze im Ofen auf eine gewünschte Temperatur T² zu erhöhen,
worin T² jene Temperatur ist, welche die Stahlschmelze am Ende von Schritt (c) erreichen soll, um zu gewährleisten, dass sie trotz des Absinkens der Temperatur im Verlauf von Schritt (d) am Ende von Schritt (d) die korrekte Verarbeitungstemperatur aufweist; und
T¹ jene Temperatur ist, die der Stahl am Ende von Schritt (a) erreicht haben müsste, um zu gewährleisten, dass er am Beginn von Schritt (d) die Temperatur T² erreicht hat, falls Schritt (c) ausgelassen wird.
Noch bevorzugter wird Schritt (a) fortgesetzt, bis der Kohlenstoffgehalt in der Stahlschmelze auf 0,15% abgenommen hat.
Anders ausgedrückt sinkt die Gesamtmenge an Sauerstoffgas im sauerstoffhältigen Gas, das während des Vorgangs (a) bei Atmosphärendruck eingeblasen wird, und O&sub2;-hältiges Gas wird während des Entkohlungsschritts (c) wieder in die Stahlschmelze eingeblasen, z. B. mit einem Sauerstoffgasgehalt, der jener Sauerstoffgasmenge entspricht, die fiktiv vom Gas subtrahiert wird, das während des Betriebs bei Atmosphärendruck eingeblasen wird, sodass durch Oxidation von Chrom Wärme erzeugt wird und die Temperatur der Stahlschmelze im Allgemeinen auf eine bestimmte Temperatur ansteigt, die erforderlich ist, um die Temperaturabnahme während des nachfolgenden Schritts auszugleichen.
Fig. 1 ist eine grafische Darstellung der Temperaturänderung einer Stahlschmelze in Verbindung mit den Schritten des Verfahrens der Erfindung; und
Fig. 2 ist eine vertikale Schnittansicht des Ofens, die einen wichtigen Schritt des Verfahrens der Erfindung zeigt.
Wie oben beschrieben, umfasst das vorliegende Verfahren das nochmalige Einblasen von sauerstoffhältigem Gas in die Stahlschmelze im Endstadium der Entkohlungsphase des Vorgangs bei reduziertem Druck, sodass die Schmelzentemperatur z. B. auf einen bestimmten Wert erhöht wird, der aufgrund der erwarteten nachfolgenden Temperaturabnahme erforderlich ist.
Bei der Durchführung des Verfahrens kann die Gesamtmenge an anfänglich eingeblasenem O&sub2;-Gas reduziert werden, und eine zusätzliche Menge, die z. B. im Wesentlichen der Differenz zwischen der fiktiven gesamten und der reduzierten Menge an O&sub2;-Gas entspricht, wird im Endstadium der Entkohlungsphäse während des Vorgangs bei reduziertem Druck eingeblasen. Die Mengenreduktion in der ersten Phase kann das allmähliche, z. B. schrittweise Verringern der O&sub2;-Gehalts des eingeblasenen Gases vorsehen.
Auf diese Weise kann die Temperatursteigerung der Stahlschmelze in zwei Schritten durchgeführt werden, ohne das gesamte Wärmegleichgewicht zu verändern. Daher ist es möglich, die höchste Temperatur im Vorgang bei Atmosphärendruck zu senken und dadurch die Lebensdauer der Feuerfest-Materialien zu verlängern.
Die beim erneuten Einblasen des sauerstoffhältigen Gases entstehenden Chromoxide werden durch Zugabe von Reduktionsmitteln reduziert. Die erforderlichen Mengen an Reduktionsmitteln können größer sein als im herkömmlichen Verfahren.
Wenn man daher das Verfahren der Erfindung mit dem herkömmlichen Verfahren vergleicht, müssen keine Unterschiede hinsichtlich der Menge des einzublasenden Sauer stoffgases, der sich bildenden Chromoxide oder der einzufüllenden Reduktionsmittel bestehen, weshalb im Verfahren der Erfindung die Temperatur der Stahlschmelze beim Abstich auf dem gleichen Wert gehalten werden kann wie beim herkömmlichen Verfahren.
Es folgt ein Beispiel, das die Erfindung näher erläutert.
Ein 18Cr-8Ni-Edelstahl wurde durch Schmelzen in einem Lichtbogenofen hergestellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, würde Stahlschmelze 10 in einen Raffinierofen 12 eingebracht und entkohlt, indem ein Mischgas aus Sauerstoffgas und Argongas durch eine Blasdüse 18 in der Nähe des Ofenbodens unter Atmosphärendruck eingeblasen wurde. Die Verhältnisse zwischen Sauerstoffgas und Argongas wurden in drei Stufen geändert (siehe Fig. 1), während der Kohlenstoffgehalt in der Stahlschmelze abnahm.
In dieser Phase wird durch die Reaktionen von Sauerstoff mit Kohlenstoff und Chrom in der Stahlschmelze Wärme erzeugt, und die Temperatur der Stahlschmelze 10 nimmt zu.
Wenn die Stahlschmelze gemäß einem herkömmlichen Verfahren entkohlt wurde, nahm die Temperatur der Stahlschmelze 10 in dieser Phase auf 1.740ºC zu (siehe die durchbrochene Linie "B" in Fig. 1), während im Verfahren der Erfindung aufgrund der Reaktion der Gesamtmenge an Sauerstoff, der während des Betriebs bei Atmosphärendruck eingeblasen wurde, die höchste Temperatur auf 1.720ºC verringert war (siehe die durchgehende Linie "A" in der Figur).
Die Temperatur der Stahlschmelze zu Beginn des Raffinierens betrug 1.525ºC, der Kohlenstoffgehalt 1,5%.
Als der Kohlenstoffgehalt in der Stahlschmelze 10 auf 0,15% sank, wurde der Raffinierofen 12 mit einem Deckel dicht verschlossen und über eine Leitung 16 auf 5,33 · 10³ Pa (40 Torr) evakuiert. Dann wurde durch die Blasdüse 18 nur Argongas eingeblasen.
Das Einblasen von Gas unter reduziertem Druck bewirkte kräftiges Rühren der Stahlschmelze 10 und der Schlacke 20, weshalb die Reaktionen von Chromoxiden in der Schlacke 20 mit Kohlenstoff in der Stahlschmelze sowie Entkohlung und Reduktion der Chromoxide fortgeführt wurden.
Die Reaktionen waren insgesamt endotherm, sodass die Temperatur der Stahlschmelze 10 sank (siehe Fig. 1).
Ein O&sub2;/Ar-Mischgas wurde dann unter Beibehaltung des reduzierten Drucks erneut in die Stahlschmelze eingeblasen. Die Gesamtmenge an Sauerstoffgas wurde auf 50-100 Nm³ eingestellt, was dem Rest der Menge an Sauerstoffgas entspricht, der während des Betriebs bei Atmosphärendruck im erfindungsgemäßen Verfahren eingeblasen wird. Anders ausgedrückt erfolgte das Einblasen von Sauerstoffgas in dieser Phase der Temperaturerhöhung solcherart, dass die Gesamtmenge an eingeblasenem Sauerstoffgas die gleiche wie beim herkömmlichen Verfahren war.
Das Einblasen von Sauerstoffgas bewirkt Oxidation von Chrom, und infolge der exothermen Reaktionen steigt die Temperatur der Stahlschmelze 10 wieder an. Die Temperatur der Stahlschmelze ist die gleiche wie die Temperatur zu Beginn der Reduktionsbehandlung gemäß dem herkömmlichen Verfahren.
Unter Beibehaltung des reduzierten Drucks wurde das eingeblasene Gas vom Mischgas auf Argongas alleine umgestellt und Ferrosilicium in die Stahlschmelze eingebracht, um die gebildeten Chromoxide zu reduzieren. Der raffinierte Stahl wurde dann abgestochen. Die Temperatur beim Abstich betrug 1.680ºC.
Wie oben in Zusammenhang mit dem Arbeitsbeispiel erwähnt, kann die höchste Temperatur beim Raffinieren verringert und die notwendige Abstichtemperatur gleichzeitig beibehalten werden. Somit wird die Lebensdauer des Feuerfest-Materials des Raffinierofens 12 verlängert.
Die obige Beschreibung ist lediglich eine beispielhafte Erklärung der Erfindung; es ist zu beachten, dass verschiedene andere Verfahren innerhalb des in den Ansprüchen dargelegten Schutzbereichs der Erfindung durchgeführt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines chromhaltigen kohlenstoffarmen Stahls, der 5% oder mehr Chrom enthält, wobei das Verfahren die folgenden getrennten und aufeinanderfolgenden Schritte umfaßt:

a) einen Vorgang bei Atmosphärendruck, in dessen Verlauf ein sauerstoffhaltiges Gas in geschmolzenen Stahl eingeblasen wird, der in einen Raffinierofen gefüllt ist, um den Stahl zu entkohlen und das Chrom zu oxidieren; gefolgt von

b) einem ersten Vorgang unter reduziertem Druck, der bei einem Druck zwischen 2,67 · 10³ und 2,67 · 10&sup4; Pa (20 bis 200 Torr) durchgeführt wird, in dessen Verlauf ein nicht-oxidierendes Gas in den geschmolzenen Stahl eingeblasen wird, während der geschmolzene Stahl und die Schlacke im Ofen gerührt werden, um Reaktion der Chromoxide in der Schlacke und des Kohlenstoffs im geschmolzenen Stahl zu bewirken, um den Stahl weiter zu entkohlen, und in dessen Verlauf die Temperatur des geschmolzenen Stahls absinken gelassen wird; gefolgt von

c) einem zweiten Vorgang unter reduziertem Druck im Endstadium der Entkohlung, in dessen Verlauf ein sauerstoffhaltiges Gas in den Ofen eingeblasen wird, um durch die Oxidation von im Stahl vorhandenem Chrom Wärme zu erzeugen, wodurch die Temperatur des geschmolzenen Stahls im Ofen erhöht wird; gefolgt von

d) einem abschließenden Vorgang unter reduziertem Druck, in dessen Verlauf ein Reduktionsmittel in den Ofeneingeleitet wird, um die vorhandenen Chromoxide zu reduzieren,

so daß der Temperaturanstieg des Stahls in zwei getrennten Schritten erfolgt, die den Schritten (a) und (c) entsprechen, wobei es im Zwischenschritt (b) zu einem Absinken der Temperatur kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin:

i) die im Verlauf von Schritt (a) in den Ofen eingeleitete Menge an Sauerstoff (O²) geringer ist als die Menge (O¹), die eingeleitet werden müßte, damit der Stahl eine Temperatur T¹ erreicht; und

ii) die Menge an im Verlauf von Schritt (c) in den Ofen eingeblasenem Sauerstoff gleich O¹ minus O² ist und ausreicht, um die Temperatur des geschmolzenen Stahls im Ofen auf eine gewünschte Temperatur T² zu erhöhen,

worin T² jene Temperatur ist, die der geschmolzene Stahl am Ende von Schritt (c) erreichen soll, um zu gewährleisten, daß er trotz des Absinkens der Temperatur im Verlauf von Schritt (d) am Ende von Schritt (d) die korrekte Verarbeitungstemperatur aufweist; und

T¹ jene Temperatur ist, die der Stahl am Ende von Schritt (a) erreicht haben müßte, um zu gewährleisten, daß er am Beginn von Schritt (d) die Temperatur T² erreicht hat, falls Schritt (c) ausgelassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin Schritt (a) fortgesetzt wird, bis der Kohlenstoffgehalt im geschmolzenen Stahl auf 0,15% gesunken ist.