EP4026919A1 - Verfahren und vorrichtung zur stahlproduktion - Google Patents

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EP4026919A1
EP4026919A1 EP21150490.7A EP21150490A EP4026919A1 EP 4026919 A1 EP4026919 A1 EP 4026919A1 EP 21150490 A EP21150490 A EP 21150490A EP 4026919 A1 EP4026919 A1 EP 4026919A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactant
steel
crude steel
crude
nitrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21150490.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Apfel
Willi Anton Buehler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Primetals Technologies Germany GmbH filed Critical Primetals Technologies Germany GmbH
Priority to EP21150490.7A priority Critical patent/EP4026919A1/de
Publication of EP4026919A1 publication Critical patent/EP4026919A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/072—Treatment with gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/06—Deoxidising, e.g. killing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/10—Handling in a vacuum

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing steel and a plant with such a device.
  • alloying elements In steel production, a distinction is made between alloying elements and impurities. While alloying elements are added to the raw steel in a targeted manner, for example during a secondary metallurgical steelmaking process, in order to achieve certain material properties, impurities in the steel are undesirable. They get into the steel, for example, through the input materials or the process atmosphere. It is generally a goal in steelmaking to keep the concentration of these impurities as low as possible.
  • the conventional route of steel production via blast furnaces and converters allows the production of steels with a nitrogen content of less than 30 ppm.
  • the hydrogen or the hydrogen compound is introduced into the electric arc furnace through porous, so-called purging plugs at the bottom of the electric arc furnace or by steam injection by means of corresponding injection nozzles on the wall of the electric arc furnace.
  • the introduction of the hydrogen or the hydrogen compound thus takes place in a thermodynamic state of the melted charge materials defined by the ambient conditions in the electric arc furnace. Due to the high oxygen concentration that is usual in arc furnaces, this state is defined, among other things, by low nitrogen solubility.
  • crude steel produced using an electric arc furnace is generally refined in a secondary metallurgical steelmaking process, also known as a second metallurgical process, prior to final casting to obtain desired properties.
  • the crude steel provided by the arc furnace can be heated again or further, for example with the aid of a ladle furnace, in particular brought to a desired casting temperature, and/or alloying elements can be added to the crude steel.
  • this usually leads to renewed absorption of nitrogen, which counteracts the nitrogen reduction previously carried out in the arc furnace.
  • This effect is also intensified by the fact that the condition of the crude steel without the increased oxygen concentration in the electric arc furnace is defined by a high level of nitrogen solubility.
  • crude steel is provided with the aid of an electric arc furnace and the crude steel provided is refined in a secondary metallurgical steel production process before casting.
  • a reactant is fed to the crude steel provided, at least a portion of which reacts with nitrogen from the crude steel provided to form a nitrogen compound.
  • Crude steel within the meaning of the invention is the product that results from a primary metallurgical steel production process.
  • Crude steel for example, refers to the melt from input materials such as pig iron or scrap, which is removed, for example, from a blast furnace converter or an electric arc furnace, i. H. can be cut off. Crude steel is therefore in particular unalloyed steel.
  • the crude steel produced using the primary metallurgical steelmaking process can be transferred, for example, to what is known as a ladle. There, the raw steel can be subjected to a secondary metallurgical steel production process and a specific alloy can be produced as a result, for example. The crude steel processed in this way can then be cast from the ladle.
  • a secondary metallurgical steel production process within the meaning of the invention is a part of the overall steel production process in which the product produced with a blast furnace converter or electric arc furnace is further processed, in particular refined.
  • the raw steel tapped from the blast furnace converter or electric arc furnace can be prepared for casting, for example decarburized (decarburized) in a vacuum plant and/or alloyed in a ladle furnace.
  • An electric arc furnace within the meaning of the invention is a device for melting charge materials such as scrap using an electric arc.
  • the arc can be generated with the help of electrodes that are lowered to the charge materials or even inserted into them.
  • One aspect of the invention is based on the approach of binding nitrogen contained in the crude steel after it has been tapped from an electric arc furnace during a secondary metallurgical process.
  • a reactant preferably hydrogen or a hydrogen compound
  • the reactant can be blown into the crude steel in its gaseous phase.
  • the nitrogen compounds thus formed in the crude steel can then be removed, preferably in a conventional manner.
  • the nitrogen compounds can be removed from the crude steel provided by degassing.
  • vacuum degassing is expediently carried out before the crude steel is cast.
  • the reactant is a process gas supplied to the crude steel provided mixed in.
  • Argon for example, which is chemically inert, can be fed to the crude steel in order to move the crude steel, in particular to stir and/or mix it.
  • argon can be added to the crude steel in a ladle furnace while it is bubbling, ie with the formation of bubbles.
  • the amount of reactant supplied to the raw steel provided is varied.
  • the ratio of reactant to process gas can be varied. This allows the formation of the nitrogen compounds to be adapted to the course of the secondary metallurgical process. For example, at the beginning of the secondary metallurgical process, a large amount of reactant, i. H. with a high feed rate. In this case, the process gas is expediently replaced at least almost completely by the reactant. Before (vacuum) degassing, the amount of reactant supplied, i. H. the feed rate, can then be reduced, in particular reduced to zero. In particular, the addition of the reactant to the process gas can be stopped here. As a result, measures such as degassing can be introduced before the crude steel is cast, which not only allows the nitrogen compounds to be removed from the crude steel, but also the unbound reactant.
  • Varying the amount of reactant supplied can also be advantageous if the conditions under which the reactant is or can be supplied change during the course of the secondary metallurgical steelmaking process.
  • the quantity of reactant supplied can be reduced if the ambient pressure is low, in particular when a vacuum is present, since the saturation limit for the reactant in the crude steel is then lower.
  • the proportion of reactant in a mixture with the process gas is expediently at least reduced when the concentration of nitrogen in the crude steel reaches or falls below a predetermined concentration threshold value.
  • reactants can be saved as a result.
  • a further increase in the concentration of reactants in the crude steel can also be avoided in this way.
  • a vacuum is generated and the crude steel provided is at least partially exposed to the vacuum generated.
  • the reactant can be added to the crude steel before or during the application of the vacuum. Conveniently, the reactant is supplied to that part of the crude steel which is exposed to the vacuum. As a result, the nitrogen removal from the crude steel can be performed much more efficiently.
  • the saturation concentration of hydrogen in crude steel is around 22 ppm.
  • the saturation concentration is less than 1 ppm. Therefore, at lower pressures, the saturation concentration of a reactant can be reached more easily and quickly. As a result, the excess hydrogen can bind the nitrogen in the crude steel more quickly.
  • the introduction of the reactant into crude steel which is exposed to a vacuum during the secondary metallurgical steelmaking process, therefore has the advantage that the amount of reactant required to bind the nitrogen in the crude steel is significantly lower. Binding of a large part of the nitrogen in the crude steel, in particular up to 80%, is correspondingly much faster. At the same time, means for supplying the reactant are less oxidized.
  • the reactant is added to the crude steel provided in a Ruhrstahl-Heraeus process. Since the Ruhrstahl-Heraeus process is a continuous (degassing) process, continuous nitrogen binding and removal can also be achieved. In particular, the nitrogen compound formed with the aid of the reactant can be removed from the crude steel by the Ruhrstahl-Heraeus process.
  • the reactant is expediently fed to the crude steel in a riser through which the crude steel rises into a vacuum chamber.
  • the reactant is preferably supplied in the riser together with a lifting gas, in particular argon.
  • the reactant can be mixed with a lifting gas such as argon.
  • the mixture can then be fed to the crude steel in the riser, preferably with the formation of bubbles.
  • the proportion of reactant mixed with the lifting gas is preferably varied during the Ruhrstahl-Heraeus process.
  • the ratio of reactant and lifting gas can be varied.
  • the reactant can be mixed with the lifting gas, for example in a ratio of 50:50.
  • the proportion of reactant in the reactant-lifting gas mixture can be reduced again, in particular reduced to zero. This allows the reactant to be removed from the raw steel before it is cast.
  • One advantage of feeding the reactant in the Ruhrstahl-Heraeus process, especially when feeding it together with the lifting gas, is that the feeding of a large amount of (lifting) gas or at a high feed rate is already provided for a priori in order to to cause the crude steel to rise in the riser. This amount is significantly higher than the amount of other gases that are usually added to the crude steel during the secondary metallurgical steelmaking process or also the primary metallurgical steelmaking process in the electric arc furnace.
  • the use of the reactant here accordingly allows the reactant to be supplied at such high supply rates as well. On the other hand, the supply of such large amounts of reactant, for example via flushing plugs, would be significantly more time-consuming.
  • the reactant is fed to the crude steel provided at a feed rate of at least 150 m 3 /h.
  • the desired concentration of the reactant in the raw steel can therefore be reached particularly quickly.
  • the reactant is added to the raw steel provided in a ladle furnace or a ladle degassing arrangement.
  • the reactant can be fed in at the same time as alloying materials, which means that the secondary metallurgical steelmaking process can be carried out efficiently.
  • the nitrogen compound formed can then be removed in subsequent degassing, for example using a ladle degassing arrangement.
  • the reactant can be added to the crude steel under vacuum conditions, which brings with it the advantages already mentioned, such as a reduction in the saturation concentration.
  • the reactant is fed to the crude steel provided using an inlet lance.
  • the inlet lance can, for example, be at least partially inserted into the crude steel when it is in the ladle furnace.
  • the sprue can be inserted at least partially into the crude steel when it is in a ladle degassing arrangement.
  • the reactant can then be introduced into the raw steel, optionally with the formation of bubbles.
  • the inlet lance is not inserted into the raw steel but is or is positioned above a level of raw steel.
  • the inlet lance can be positioned in a vacuum chamber in which a vacuum for degassing the crude steel is generated in the crude steel Heraeus process.
  • the reactant is then preferably blown onto the raw steel, in particular at high pressure.
  • the inlet lance is at least partially introduced into the crude steel provided before the reactant is passed through the inlet lance.
  • a process gas is blown out of the inlet lance when the inlet lance is introduced into the crude steel.
  • this prevents the lance opening or nozzle from becoming clogged when it is introduced into the crude steel as the crude steel cools down.
  • this way it is possible to avoid bringing the reactant into contact with a surrounding atmosphere. As a result, undesired reactions of the reactant in the atmosphere can be avoided.
  • the reactant is expediently fed in through the inlet lance at least at times together with a process gas, in particular argon.
  • the reactant can be added to a flushing gas introduced into the raw steel provided, preferably in a predetermined mixing ratio, for example in a ratio of 50:50.
  • the reactant can thereby move the Crude steel, contribute in particular to stirring and / or mixing.
  • flushing gas is at least temporarily completely or at least almost completely replaced by the reactant.
  • flushing gas can be saved and/or the feed rate of the reactant can be increased.
  • the supply of reactant is at least reduced, in particular stopped, before the inlet lance is pulled out of the raw steel provided. This also makes it possible to avoid bringing the reactant into contact with the surrounding atmosphere. In order to be able to avoid clogging of the lance opening or nozzle when the inlet lance is pulled out, flushing gas is preferably blown out again.
  • the reactant is blown onto the crude steel provided as part of a supersonic steam jet.
  • the reactant is preferably blown onto the raw steel, in particular inside the vacuum chamber.
  • the reactant can penetrate through the level of the crude steel into the crude steel and form the nitrogen compound there.
  • the reactant is hydrogen, which is blown onto the crude steel as a component of steam.
  • the H 2 O molecules can then be broken down within the crude steel where the oxygen combines with carbon from the crude steel to form carbon monoxide and can thus decarbonize.
  • the hydrogen can form NH compounds, in particular ammonia (NH 3 ), with the nitrogen from the crude steel.
  • the inlet lance preferably has a Laval nozzle.
  • the raw steel is degassed after the addition of reactant before it is cast. This can ensure that all or at least a large part of the nitrogen compounds formed in the crude steel are removed from the crude steel before it is further processed. The result is a particularly low-nitrogen end product.
  • the device according to the invention for producing steel has a feed device which is set up to supply crude steel provided with the aid of an electric arc furnace during a secondary metallurgical steelmaking process for refining the crude steel before casting, of which at least a part is mixed with nitrogen from the crude steel provided to a nitrogen compound reacts.
  • the feed device preferably includes a mixing unit which is set up to add the reactant to a, in particular conventional, process gas such as argon.
  • the mixing unit can be set up to vary the proportion of reactant added to the process gas.
  • the feed device is part of a continuous degassing arrangement which is set up for carrying out the Ruhrstahl-Heraeus process.
  • the feed device can in particular be part of a lifting gas feed or formed by it.
  • the reactant can be fed to the crude steel at a particularly high rate and can therefore be supplied in a particularly short time.
  • the reactant can be fed in continuously and nitrogen compounds formed can be correspondingly continuously removed from the crude steel.
  • the feed device can be designed as an inlet lance arranged in a vacuum chamber of the continuous degassing arrangement.
  • the feed device can in particular be part of a COB lance or formed by it.
  • a COB lance in the vacuum chamber is usually used to blow oxygen onto the raw steel in the vacuum chamber in order to decarbonize the raw steel, but can optionally also be designed to blow only reactant present in the gas phase, in particular hydrogen.
  • the feed device is designed as an inlet lance or forms at least part of such an inlet lance.
  • the inlet lance is preferably set up to introduce a process gas, in particular a flushing gas such as argon, into the crude steel provided, in particular while it is in a ladle, preferably in a ladle furnace and/or a ladle degassing arrangement.
  • the invention relates to a plant for producing steel, which has an electric arc furnace for preparing raw steel and a device according to the invention.
  • FIG 1 shows a first example of a device 1 for producing steel with a feed device 2.
  • the feed device 2 is set up to add a reactant to raw steel 3 provided using an electric arc furnace during a secondary metallurgical steel production process for refining the raw steel 3 before casting. At least part of the reactant can react with nitrogen from the crude steel 3 provided to form a nitrogen compound.
  • the feed device 2 is designed as a lifting gas feed 6 of a continuous degassing arrangement 4 .
  • the continuous degassing arrangement 4 is set up to carry out a Ruhrstahl-Heraeus process.
  • Hydrogen for example, can be used as a reactant. This can react with nitrogen from the crude steel 3 to form ammonia.
  • Crude steel 3 produced in a primary metallurgical steelmaking process is in FIG 1 arranged in a ladle 5.
  • the continuous degassing arrangement 4 is formed above the ladle 5 .
  • the continuous degassing arrangement 4 has a riser 4a through which the crude steel 3 can rise from the ladle 5 into a vacuum chamber 4b.
  • the vacuum chamber 4b is connected to a vacuum pump 4c, which is set up to generate a vacuum in the vacuum chamber 4b.
  • the partial pressure of impurities in the vacuum chamber 4b can be reduced.
  • the concentration of these impurities in the portion of the raw steel 3 currently in the vacuum chamber 4b decreases.
  • the so purified or degassed crude steel 3 can flow back into the ladle 5 via a return line 4d.
  • the lifting gas supply 6 is set up to introduce a lifting gas into the riser pipe 4a.
  • the lifting gas supply 6 can be set up to generate bubbles of the lifting gas in the riser 4a. This reduces the effective density of the crude steel 3 in the riser 4a compared to the return line 4d, so that the crude steel 3 rises in the riser 4a.
  • the feed device 2 advantageously has a mixing unit 2a which is set up to admix the reactant to the lifting gas.
  • the mixing unit 2a is preferably connected to a reactant reservoir 2b, for example a tank or a supply line. At least part of the reactant taken from the reactant reservoir 2b and mixed with the lifting gas with the aid of the mixing unit 2a can then already form a nitrogen compound with nitrogen from the crude steel 3 in the riser 4a.
  • the lifting gas feed 6 is expediently set up to feed the lifting gas or the lifting gas-reactant mixture to the crude steel 3 in the riser pipe 4a at a relatively high feed rate.
  • Such high feed rates of 150 m 3 /h, for example, are advantageous here in order to be able to ensure the uniform flow of crude steel 3 through the continuous-flow degassing arrangement 4 .
  • large amounts of reactant can also be fed to the crude steel 3 with the aid of the feed device 2 designed as a lifting gas feed 6 . This is an advantage over the supply of reactant, for example via porous plugs or wall-mounted injection nozzles, for example in arc furnaces, which only allow low feed rates.
  • the feed device 2 is preferably set up to vary the proportion of reactant mixed with the lifting gas.
  • the feed device 2 is expediently connected to a control unit 2c.
  • the control unit 2c can be set up, for example, to control a valve arrangement of the mixing unit 2a.
  • control unit 2c can be set up in particular to completely remove the process gas, usually argon, after the start of the Ruhrstahl-Heraeus process - when the crude steel 3 has already risen in the riser 4a or at least to be almost completely replaced by the reactant.
  • the control unit 2c is therefore expediently set up to interrupt the reactant supply from the reactant reservoir 2b shortly before the raw steel 3 is cast, so that the lifting gas supply 6 only introduces lifting gas into the riser pipe 4a.
  • FIG 2 shows a second example of a device 1 for producing steel with a feed device 2.
  • the feed device 2 is set up to add a reactant to crude steel 3 provided using an electric arc furnace during a secondary metallurgical steelmaking process for refining the crude steel 3 before casting. At least part of the reactant can react with nitrogen from the crude steel 3 provided to form a nitrogen compound.
  • the feed device 2 has an inlet lance 7 arranged in a vacuum chamber 4b of a continuous degassing arrangement 4 .
  • the continuous degassing arrangement 4 is set up to carry out a Ruhrstahl-Heraeus process.
  • the continuous degassing arrangement 4 has a riser 4a with a lifting gas supply 6, a vacuum pump 4c and a return line 4d.
  • the crude steel 3 can be conveyed from a casting mold 5 through the vacuum chamber 4b, with contaminants being able to be removed from the crude steel 3.
  • the inlet lance 7 arranged in the vacuum chamber 4b is set up to feed the reactant to the crude steel 3 as part of a supersonic steam jet 8 which can penetrate a mirror 3a of the crude steel 3 in the vacuum chamber 4b.
  • the inlet lance 7 is preferably connected to a reactant reservoir 2b.
  • the inlet lance 7 is preferably set up to blow a jet of steam at supersonic speed onto the raw steel 3 in the vacuum chamber 4b.
  • the inlet lance 7 can have a Laval nozzle.
  • the reactant is formed by the water molecules from the steam jet 8 , in particular the hydrogen from the steam jet 8 .
  • the water molecules in the raw steel 3 can be broken up so that the hydrogen can combine with the nitrogen from the raw steel 3 .
  • the use of steam is particularly advantageous here, since the oxygen contained in the water molecules can be used to decarbonize the raw steel 3 at the same time.
  • the steam jet is preferably a steam jet 8 made from superheated steam.
  • the reactant reservoir 2b is therefore expediently set up to superheat steam or to provide such superheated steam, which is also referred to as superheated steam.
  • the reactant reservoir 2b can have a superheater for this purpose.
  • FIG. 3 shows a third example of a device 1 for producing steel with a feed device 2.
  • the feed device 2 is set up to add a reactant to crude steel 3 provided with the aid of an electric arc furnace during a secondary metallurgical steelmaking process for refining the crude steel 3 before casting. At least part of the reactant can react with nitrogen from the crude steel 3 provided to form a nitrogen compound.
  • the feed device 2 has an inlet lance 7 arranged in a ladle furnace 9 .
  • the ladle furnace 9 is composed, among other things, of a ladle 5 containing the crude steel 3 and a cover 11 fitted with electrodes 10 and which can be placed on the ladle 5 .
  • the ladle furnace 9 is expediently set up for tempering the crude steel 3 with the aid of the electrodes 10 by generating an arc for heating the crude steel 3 .
  • a casting temperature can be set very precisely.
  • the ladle furnace 9 can also be set up to introduce alloying elements into the crude steel 3 .
  • the ladle furnace 9 can have an alloy material feed (not shown).
  • the casting ladle 5 can have flushing plugs with a pore structure arranged on its base.
  • the process gas can bubble through the pore structure of the raw steel 3, i. H. under bubble bonding, are supplied.
  • the process gas can also be referred to as purge gas.
  • the function of the flushing plugs is taken over by the inlet lance 7 . That is, the inlet lance 7 is set up to process gas in the Introduce crude steel 3 and thereby ensure, for example, that the crude steel 3 is thoroughly mixed.
  • the inlet lance 7 is expediently designed to be vertically movable, which is indicated by the arrows in the area of the lance tip. This makes it possible, for example, to lower the inlet lance 7 into the crude steel 3 before the lid 11 is lowered onto the ladle 5 and after the lid 11 is lifted at a later point in time, in particular before the crude steel 3 is removed from the ladle 5 for casting from the crude steel 3 to pull out.
  • the feed device 2 has, similar to in FIG 1 shown example, a mixing unit 2a, which is coupled to the inlet lance 7.
  • the mixing unit 2a is expediently set up to admix the reactant to the process gas.
  • the mixing unit 2a is preferably connected to a reactant reservoir 2b.
  • the feed device 2 preferably has a control unit 2c, which is set up to control the mixing unit 2a.
  • the control unit 2c can in particular cause a proportion of the reactant S added to the process gas to vary.
  • control unit 2c can be set up, for example, to control the mixing unit 2a in such a way that before and during lowering the inlet lance 7 only the process gas is blown out of the inlet lance 7 .
  • the control unit 2c can also be set up to cause the reactant to be admixed to the process gas after at least part of the inlet lance 7 has been lowered into the crude steel 3, in particular the process gas is completely or at least almost completely replaced by the reactant.
  • control unit 2c is also set up to cause the process gas to be blown out of the inlet lance 7 immediately before and/or when the inlet lance 7 is pulled out of the crude steel 3, ie the reactant is (again) replaced by the process gas.
  • the advantage of the inlet lance 7 compared to purging plugs arranged at the base of the ladle furnace 9 for introducing process gas and in particular the reactant mixed with the process gas lies in a reduction in the reduction and the associated reduced wear.
  • the reactant is blown in through a well-defined outlet opening of the inlet lance 7, in particular a metallic nozzle at the tip of the lance, the reduction is significantly less pronounced than when flowing through the pore structure of sink plugs due to the higher flow rate of the reactant.
  • FIG 4 shows a fourth example of a device 1 for producing steel with a feed device 2.
  • the feed device 2 is set up to add a reactant to crude steel 3 provided using an electric arc furnace during a secondary metallurgical steelmaking process for refining the crude steel 3 before casting. At least part of the reactant can react with nitrogen from the crude steel 3 provided to form a nitrogen compound.
  • the feed device 2 has an inlet lance 7 arranged in a ladle degassing arrangement 12 .
  • the ladle degassing arrangement 12 is expediently set up for degassing the crude steel 3 .
  • the ladle degassing arrangement 12 can be set up to accommodate a casting ladle 5 in a housing 12a that can be closed in a gas-tight manner.
  • the housing 12a is connected to a vacuum pump 12b which is adapted to create a vacuum within the housing 12a.
  • a vacuum pump 12b which is adapted to create a vacuum within the housing 12a.
  • an inlet lance 7 is provided, which is set up to blow out a process gas such as argon.
  • the inlet lance 7 is expediently designed to be vertically movable so that at least a part of the inlet lance 7 can be inserted through the housing 12a into the crude steel 3 in the casting mold 5 after the casting mold 5 has been received and, after the crude steel 3 has been degassed, can be pulled out again.
  • the feed device 2 has a mixing unit 2a in order to add the reactant to the process gas as required.
  • the reactant can be taken from a reactant reservoir 2b and the addition can be controlled using a control unit 2c.
  • the inlet lance 7 and the feed device 2 can be as in connection with 3 be designed or set up as described.
  • 5 10 shows an example of a method 100 for producing steel.
  • a reactant in particular hydrogen
  • the reactant, or at least part of it, can then form a compound with the Form nitrogen in the melt, which is removed from the melt via a gas outlet.
  • a reactant is again supplied to the crude steel in a further method step S2.
  • This can be the same reactant used in method step S1.
  • the reactant is preferably fed to the crude steel at least at times simultaneously and/or alternately with a process gas.
  • the reactant is expediently admixed to the process gas at least temporarily, with the proportion of reactant admixed to the process gas being variable.
  • the added proportion of reactant can be varied as a function of the course of the process, in particular as a function of the remaining nitrogen concentration in the crude steel.
  • the addition of the reactant to the process gas, optionally also the at least temporary replacement of the process gas by the reactant, can be carried out, for example, as part of a Ruhrstahl-Heraeus process.
  • the reactant is expediently mixed with a lifting gas introduced into a riser or replaces the lifting gas at least temporarily.
  • lifting gas can also be saved.
  • the reactant can also be added to a flushing gas for homogeneous mixing of the crude steel, for example in a ladle furnace during tempering and/or the alloying of the crude steel, or in a ladle degassing arrangement before and/or during degassing.
  • the reactant is expediently fed through an inlet lance, which is first lowered into the crude steel blown out the raw steel. For example, after the nitrogen concentration in the crude steel has fallen to or below a predetermined value, the blowing out of reactant from the inlet lance is stopped and the inlet lance is pulled out of the crude steel again.
  • the flushing gas is preferably continuously blown out of the inlet lance during the introduction into and extraction from the crude steel.
  • An inlet lance for feeding in the reactant can also be used advantageously in the context of the Ruhrgas-Heraeus process.
  • a supersonic steam jet containing the reactant is preferably blown onto the crude steel which has risen into a vacuum chamber through the lifting gas.
  • the supersonic steam jet can penetrate the level of the raw steel in the vacuum chamber, so that the reactant in the raw steel can form the nitrogen compound.
  • step S3 the nitrogen compound formed in the crude steel is removed from the crude steel.
  • the crude steel is expediently degassed for this purpose.
  • degassing takes place continuously in the vacuum chamber and thus immediately after the reactant has been fed into the riser. It is advantageous here to continue the degassing for a while after the addition of the reactant to the lifting gas has stopped or only pure lifting gas has been introduced into the riser again. As a result, the raw steel can also be freed from reactants.
  • the degassing can take place in a discrete degassing step that is independent of the supply of the reactant.
  • a casting mold can be inserted into a gas-tight, sealable housing of a ladle degassing arrangement and the raw steel contained therein can be degassed before casting.

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  • Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) und eine Vorrichtung (1) zum Produzieren von Stahl sowie eine Anlage mit einer solchen Vorrichtung (1). Dabei wird mithilfe eines Lichtbogenofens Rohstahl (3) bereitgestellt (S1) und der bereitgestellte Rohstahl (3) in einem sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess vor dem Gießen veredelt. Erfindungsgemäß wird dem bereitgestellten Rohstahl (3) während des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses ein Reaktionsmittel zugeführt (S2), von dem zumindest ein Teil mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl (3) zu einer Stickstoffverbindung reagiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Produzieren von Stahl sowie eine Anlage mit einer solchen Vorrichtung.
  • Bei der Stahlerzeugung wird zwischen Legierungselementen und Verunreinigungen unterschieden. Während Legierungselemente dem Rohstahl zum Beispiel während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses gezielt zugegeben werden, um bestimmte Materialeigenschaften zu erzielen, sind Verunreinigungen im Stahl unerwünscht. Sie gelangen etwa durch Einsatzstoffe oder die Prozessatmosphäre in den Stahl. Es ist im Allgemeinen ein Ziel bei der Stahlerzeugung, die Konzentration dieser Verunreinigungen möglichst gering zu halten.
  • Die konventionelle Route der Stahlherstellung über Hochofen und Konverter erlaubt es Stähle herzustellen, die Stickstoffgehalte von weniger als 30 ppm aufweisen.
  • Aufgrund ihrer Kohlenstoffdioxid-Emissionen und dem damit verbundenen negativen Einfluss auf das Klima verlieren die konventionellen Hochöfen jedoch an Attraktivität. Günstiger erscheinen vor diesem Hintergrund auf Lichtbogenöfen basierende Verfahren. Allerdings haben diese Verfahren den Nachteil, dass sich der Stickstoffgehalt im Rohstahl deutlich schlechter reduzieren lässt, insbesondere, da zu einem Großteil Schrott als Einsatzstoff (wieder-)verwendet wird.
  • Daher zielt neuere Forschung darauf ab, die Stahlherstellungsroute über den Lichtbogenofen derart weiterzuentwickeln, dass auch hier eine Reduktion des Stickstoffgehalts im produzierten Rohstahl erreicht werden kann. Ein Ergebnis dieser Bemühungen resultiert in dem Ansatz, Wasserstoff oder eine Wasserstoffverbindung in den Lichtbogenofen einzuleiten, um Stickstoff aus den aufgeschmolzenen Einsatzstoffen zu binden.
  • Dabei wird der Wasserstoff oder die Wasserstoffverbindung durch poröse, sogenannte Spülsteine am Grund des Lichtbogenofens oder durch Dampfinjektion mittels entsprechender Einspritzdüsen an der Wandung des Lichtbogenofens in den Lichtbogenofen eingeleitet. Die Einleitung des Wasserstoffs oder der Wasserstoffverbindung findet dadurch in einem durch die Umgebungsbedingungen im Lichtbogenofen definierten thermodynamischen Zustand der aufgeschmolzenen Einsatzstoffe statt. Aufgrund der im Lichtbogenofen üblichen hohen Sauerstoffkonzentration ist dieser Zustand unter anderem durch eine geringe Stickstoff-Löslichkeit definiert.
  • Wie bereits erwähnt wird der mithilfe eines Lichtbogenofens produzierte Rohstahl im Allgemeinen im Rahmen eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses, auch zweiter metallurgischer Prozess genannt, vor dem endgültigen Gießen veredelt, um gewünschte Eigenschaften zu erhalten. Der vom Lichtbogenofen bereitgestellte Rohstahl kann zum Beispiel mithilfe eines Pfannenofens erneut oder weiter erhitzt, insbesondere auf eine gewünschte Gießtemperatur gebracht, und/oder dem Rohstahl Legierungselemente zugegeben werden. Dabei kommt es für gewöhnlich jedoch zur erneuten Aufnahme von Stickstoff, welche der zuvor im Lichtbogenofen ausgeführten Stickstoffreduktion entgegenwirkt. Dieser Effekt wird auch dadurch verstärkt, dass der Zustand des Rohstahls ohne die im Lichtbogenofen erhöhte Sauerstoffkonzentration durch eine hohe Stickstoff-Löslichkeit definiert ist.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den auf Lichtbogenofen basierenden Stahlerzeugungsprozess weiter zu verbessern, insbesondere derart, dass im Endprodukt ein geringerer Stickstoffgehalt erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stahlerzeugung sowie eine Anlage mit einer solchen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der Beschreibung.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird mithilfe eines Lichtbogenofens Rohstahl bereitgestellt und der bereitgestellte Rohstahl in einem sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess vor dem Gießen veredelt. Erfindungsgemäß wird dem bereitgestellten Rohstahl während des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses ein Reaktionsmittel zugeführt, von dem zumindest ein Teil mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl zu einer Stickstoffverbindung reagiert.
  • Rohstahl im Sinne der Erfindung ist das Produkt, das aus einem primärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess hervorgeht. Rohstahl bezeichnet also beispielsweise die Schmelze aus Einsatzstoffen wie zum Beispiel Roheisen oder Schrott, die zum Beispiel aus einem Hochofen-Konverter oder einem Lichtbogenofen entnommen, d. h. abgestochen, werden kann. Bei Rohstahl handelt es sich also insbesondere um unlegierten Stahl.
  • Der mithilfe des primärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses erzeugte Rohstahl lässt sich zum Beispiel in eine sogenannte Gusspfanne überführen. Dort kann der Rohstahl einem sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess unterzogen und dadurch beispielsweise eine bestimmte Legierung hergestellt werden. Aus der Gusspfanne heraus kann der derart prozessierte Rohstahl dann gegossen werden.
  • Ein sekundärmetallurgischer Stahlerzeugungsprozess im Sinne der Erfindung ist ein Teil des gesamten Stahlerzeugungsprozesses, bei dem das mit einem Hochofen-Konverter oder Lichtbogenofen erzeugte Produkt weiter verarbeitet, insbesondere veredelt, wird. Beim sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess kann der aus dem Hochofen-Konverter oder Lichtbogenofen abgestochene Rohstahl für das Gießen vorbereitet, zum Beispiel in einer Vakuumanlage entkarbonisiert (entkohlt) und/oder in einem Pfannenofen legiert, werden.
  • Ein Lichtbogenofen im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Aufschmelzen von Einsatzstoffen wie Schrott mithilfe eines Lichtbogens. Der Lichtbogen lässt sich dabei mithilfe von Elektroden erzeugen, die zu den Einsatzstoffen abgesenkt oder sogar bis in diese eingeführt werden.
  • Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, im Rohstahl enthaltenen Stickstoff nach dem Abstechen aus einem Lichtbogenofen während einem sekundärmetallurgischen Prozess zu binden. Zweckmäßigerweise wird dazu ein Reaktionsmittel, vorzugsweise Wasserstoff oder eine Wasserstoffverbindung, während dem sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess in den Rohstahl eingeleitet. Das Reaktionsmittel kann zum Beispiel in seiner gasförmigen Phase in den Rohstahl eingeblasen werden. Die dadurch im Rohstahl gebildeten Stickstoffverbindungen können dann, bevorzugt auf konventionelle Weise, entfernt werden. Beispielsweise können die Stickstoffverbindungen durch Entgasung aus dem bereitgestellten Rohstahl entfernt werden. Zweckmäßigerweise wird dazu vor dem Gießen des Rohstahls eine Vakuumentgasung durchgeführt.
  • Das Zuführen eines Reaktionsmittels in den Rohstahl während des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses drängt sich dem Fachmann hierbei nicht auf, da während des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses andere thermodynamischen Bedingungen herrschen als während des primärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses im Lichtbogenofen. Durch die deutlich höhere Löslichkeit von Stickstoff im "beruhigten" Rohstahl nach dem Abstechen aus dem Elektroofen steigt beispielsweise die für das Erreichen einer Wasserstoffsättigung benötigte Menge an Wasserstoff. Des Weiteren wirkt insbesondere Wasserstoff als Reaktionsmittel stark reduzierend und würde zu starkem Verschleiß der Spülsteine führen, insbesondere aufgrund deren Porenstruktur und der damit verbundenen vergrößerten Oberfläche.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsmittel einem dem bereitgestellten Rohstahl zugeführten Prozessgas beigemischt. Um den Rohstahl zu bewegen, insbesondere zu rühren und/oder zu durchmischen, kann beispielsweise Argon, welches chemisch inert ist, dem Rohstahl zugeführt werden. So lässt sich Argon dem Rohstahl etwa in einem Pfannenofen blubbernd, d. h. unter Blasenbildung, zuführen. Durch die Beimischung des Reaktionsmittels kann zumindest ein Teil des Prozessgases eingespart werden. Der sekundärmetallurgische Stahlerzeugungsprozess kann dabei ungestört weiterlaufen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Menge des dem bereitgestellten Rohstahl zugeführten Reaktionsmittels variiert. Beispielsweise kann das Verhältnis von Reaktionsmittel zu Prozessgas variiert werden. Dadurch lässt sich die Bildung der Stickstoffverbindungen an den Verlauf des sekundärmetallurgischen Prozesses anpassen. Beispielsweise kann zu Beginn des sekundärmetallurgischen Prozesses eine große Menge an Reaktionsmittel, d. h. mit hoher Zuführrate, zugeführt werden. Zweckmäßigerweise wird hierbei das Prozessgas zumindest nahezu vollständig von dem Reaktionsmittel ersetzt. Vor einer (Vakuum-)Entgasung kann die Menge an zugeführtem Reaktionsmittel, d. h. die Zuführrate, dann verringert werden, insbesondere auf Null reduziert werden. Insbesondere kann hierbei die Beimischung des Reaktionsmittels zum Prozessgas gestoppt werden. Dadurch lassen sich vor dem Gießen des Rohstahls Maßnahmen wie beispielsweise eine Entgasung einleiten, die nicht nur eine Entfernung der Stickstoffverbindungen aus dem Rohstahl, sondern auch des ungebundenen Reaktionsmittels erlauben.
  • Die Variation der Menge des zugeführten Reaktionsmittels kann auch vorteilhaft sein, wenn sich im Verlauf des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses die Bedingungen, unter denen das Reaktionsmittel zugeführt wird oder werden kann, ändern. Beispielsweise kann die Menge an zugeführtem Reaktionsmittel bei niedrigem Umgebungsdruck, insbesondere bei Anliegen eines Vakuums, gegebenenfalls verringert werden, da dann die Sättigungsgrenze für das Reaktionsmittel im Rohstahl geringer ist.
  • Zweckmäßigerweise wird der Anteil des Reaktionsmittels an einem Gemisch mit dem Prozessgas zumindest vermindert, wenn die Konzentration von Stickstoff im Rohstahl einen vorgegebenen Konzentrationsschwellenwert erreicht oder unterschreitet. Einerseits kann dadurch Reaktionsmittel eingespart werden. Zum anderen ist so auch eine weitere Erhöhung der Konzentration von Reaktionsmittel im Rohstahl vermeidbar.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Vakuum erzeugt und der bereitgestellte Rohstahl zumindest teilweise dem erzeugten Vakuum ausgesetzt. Das Reaktionsmittel kann dem Rohstahl vor oder während des Anlegens des Vakuums zugeführt werden. Zweckmäßigerweise wird das Reaktionsmittel demjenigen Teil des Rohstahls, der dem Vakuum ausgesetzt ist, zugeführt. Infolgedessen kann die Stickstoffentfernung aus dem Rohstahl wesentlich effizienter durchgeführt werden.
  • In einem Atmosphärendruck von 1013 mbar liegt die Sättigungskonzentration von Wasserstoff in Rohstahl bei etwa 22 ppm. In einem stärkeren Vakuum, bei dem der Druck unter 1 mbar liegt, liegt die Sättigungskonzentration dagegen bei weniger als 1 ppm. Daher kann bei geringeren Drücken die Sättigungskonzentration eines Reaktionsmittels einfacher und schneller erreicht werden. Infolgedessen kann der Wasserstoffüberschuss den Stickstoff im Rohstahl schneller binden.
  • Gegenüber dem Einleiten eines Reaktionsmittels im Lichtbogenofen hat die Einleitung des Reaktionsmittels in Rohstahl, der während dem sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess einem Vakuum ausgesetzt ist, daher den Vorteil, dass die zur Bindung des Stickstoffs im Rohstahl notwendige Menge an Reaktionsmittel deutlich geringer ist. Eine Bindung eines Großteils des Stickstoffs im Rohstahl, insbesondere bis zu 80 %, ist so entsprechend deutlich schneller. Gleichzeitig werden Mittel zum Zuführen des Reaktionsmittels weniger stark oxidiert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl bei einem Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren zugeführt. Da das Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren ein kontinuierliches (Entgasungs-)Verfahren ist, lässt sich so auch eine kontinuierliche Stickstoffbindung und -entfernung erreichen. Insbesondere kann die mithilfe des Reaktionsmittels gebildete Stickstoffverbindung durch das Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren aus dem Rohstahl entfernt werden.
  • Zweckmäßigerweise wird das Reaktionsmittel dem Rohstahl in einer Steigleitung, durch die der Rohstahl in eine Vakuumkammer aufsteigt, zugeführt. Vorzugsweise wird das Reaktionsmittel in der Steigleitung gemeinsam mit einem Hubgas, insbesondere Argon, zugeführt. Insbesondere kann das Reaktionsmittel einem Hubgas wie Argon beigemischt werden. Das Gemisch lässt sich dann dem Rohstahl in der Steigleitung zuführen, bevorzugt unter Blasenbildung.
  • Vorzugsweise wird dabei der dem Hubgas beigemischte Anteil an Reaktionsmittel während dem Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren variiert. Insbesondere kann das Verhältnis von Reaktionsmittel und Hubgas variiert werden. Zu Beginn des Rohstahl-Heraeus-Verfahrens wird bevorzugt ausschließlich Hubgas in die Steigleitung eingeleitet, um ein Verstopfen der dazu vorgesehenen Öffnungen in der Hubgasleitung zu vermeiden. Sobald der Rohstahl in der Steigleitung aufgestiegen ist, lässt sich das Reaktionsmittel dem Hubgas beimischen, zum Beispiel im Verhältnis 50:50. Es ist aber auch denkbar, das Hubgas dann im Wesentlichen vollständig oder zumindest nahezu vollständig durch das Reaktionsmittel zu ersetzen. Nachdem genügend Reaktionsmittel zugeführt und Stickstoff aus dem Rohstahl entfernt wurde, kann der Anteil von Reaktionsmittel am Reaktionsmittel-Hubgas-Gemisch wieder verringert, insbesondere auf Null reduziert, werden. Dadurch kann das Reaktionsmittel wieder aus dem Rohstahl entfernt werden, bevor dieser gegossen wird.
  • Ein Vorteil des Zuführens des Reaktionsmittels beim Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren, insbesondere beim Zuführen gemeinsam mit dem Hubgas, besteht darin, dass das Zuführen einer großen Menge an (Hub-)Gas bzw. mit großer Zuführrate hierbei bereits a priori vorgesehen ist, um das Aufsteigen des Rohstahls in der Steigleitung zu bewirken. Diese Menge ist gegenüber der Menge sonstiger Gase, die dem Rohstahl während des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses oder auch dem primärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess im Lichtbogenofen üblicherweise zugesetzt werden, deutlich höher. Die Verwendung des Reaktionsmittels hierbei erlaubt es entsprechend, das Reaktionsmittel mit ebensolchen hohen Zuführraten zuzuführen. Dagegen wäre die Zuführung solch großer Mengen an Reaktionsmittel zum Beispiel über Spülsteine deutlich zeitaufwändiger.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl mit einer Zuführrate von wenigstens 150 m3/h zugeführt. Die gewünschte Konzentration des Reaktionsmittels im Rohstahl kann daher besonders schnell erreicht werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl in einem Pfannenofen oder einer Pfannenentgasungsanordnung zugeführt. Im Pfannenofen kann das Reaktionsmittel zeitgleich mit Legierungsstoffen zugeführt werden, wodurch der sekundärmetallurgische Stahlerzeugungsprozess effizient ausgeführt werden kann. Die gebildete Stickstoffverbindung kann dann bei einem nachfolgenden Entgasen, zum Beispiel mithilfe einer Pfannenentgasungsanordnung, durchgeführt werden.
  • In der Pfannenentgasungsanordnung kann das Reaktionsmittel dem Rohstahl unter Vakuumbedingungen zugeführt werden, was die bereits genannten Vorteile wie Reduktion der Sättigungskonzentration mit sich bringt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl mithilfe einer Einlauflanze zugeführt. Die Einlauflanze kann beispielsweise zumindest teilweise in den Rohstahl eingeführt werden, wenn sich dieser im Pfannenofen befindet. Alternativ kann die Einlauflanze zumindest teilweise in den Rohstahl eingeführt werden, wenn sich dieser in einer Pfannenentgasungsanordnung befindet. Das Reaktionsmittel kann dann in den Rohstahl eingeleitet werden, gegebenenfalls unter Blasenbildung. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass die Einlauflanze nicht in den Rohstahl eingeführt, sondern oberhalb eines Rohstahlspiegels positioniert wird oder ist. Insbesondere kann die Einlauflanze in einer Vakuumkammer positioniert sein oder werden, in der bei dem Rohstahl-Heraeus-Verfahren ein Vakuum zum Entgasen des Rohstahls erzeugt wird. Das Reaktionsmittel wird dann vorzugsweise auf den Rohstahl, insbesondere mit hohem Druck, aufgeblasen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Einlauflanze zumindest teilweise in den bereitgestellten Rohstahl eingeführt, bevor das Reaktionsmittel durch die Einlauflanze geführt wird. Vorzugsweise wird beim Einführen der Einlauflanze in den Rohstahl jedoch ein Prozessgas von der Einlauflanze ausgeblasen. Zum einen lässt sich dadurch ein Verstopfen der Lanzenöffnung bzw. -düse beim Einbringen in den Rohstahl durch sich abkühlenden Rohstahl vermeiden. Zum anderen kann auf diese Weise ein Inkontaktbringen des Reaktionsmittels mit einer umgebenden Atmosphäre vermieden werden. Infolgedessen lassen sich ungewünschte Reaktionen des Reaktionsmittels in der Atmosphäre vermeiden.
  • Zweckmäßigerweise wird das Reaktionsmittel zumindest zeitweise gemeinsam mit einem Prozessgas, insbesondere Argon, durch die Einlauflanze zugeführt. Insbesondere kann das Reaktionsmittel einem in den bereitgestellten Rohstahl eingeleiteten Spülgas beigemischt werden, vorzugsweise in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis, beispielsweise in einem Verhältnis 50:50. Das Reaktionsmittel kann dadurch zur Bewegung des Rohstahls, insbesondere zu dessen Verrührung und/oder Vermischung, beitragen.
  • Es ist insbesondere denkbar, dass das Spülgas zumindest zeitweise vollständig oder zumindest nahezu vollständig durch das Reaktionsmittel ersetzt wird. Dadurch kann Spülgas eingespart und/oder die Zuführrrate des Reaktionsmittels erhöht werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Zuführen von Reaktionsmittel zumindest reduziert, insbesondere gestoppt, bevor die Einlauflanze aus dem bereitgestellten Rohstahl herausgezogen wird. Auch dadurch kann ein Inkontaktbringen des Reaktionsmittels mit der umgebenden Atmosphäre vermieden werden. Um auch beim Herausziehen der Einlauflanze ein Verstopfen der Lanzenöffnung bzw. -düse vermeiden zu können, wird hierbei vorzugsweise wieder Spülgas ausgeblasen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsmittel als Teil eines Überschall-Dampfstrahls auf den bereitgestellten Rohstahl aufgeblasen. Vorzugsweise wird das Reaktionsmittel dabei bei dem Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren, insbesondere innerhalb der Vakuumkammer, auf den Rohstahl aufgeblasen. Dadurch muss eine Austrittsöffnung, durch die das Reaktionsmittel und/oder der Überschall-Dampfstrahl ausgeblasen wird, nicht von Rohstahl umgeben sein und ist daher nicht den im Rohstahl herrschenden extremen Bedingungen ausgesetzt.
  • Das Reaktionsmittel kann durch den hohen Druck des Überschall-Dampfstrahls durch den Spiegel des Rohstahls in den Rohstahl eindringen und dort die Stickstoff-Verbindung bilden.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Reaktionsmittel Wasserstoff ist, der als Bestandteil von Wasserdampf auf den Rohstahl aufgeblasen wird. Die H2O-Moleküle können dann innerhalb des Rohstahls aufgebrochen werden, wo der Sauerstoff mit Kohlenstoff aus dem Rohstahl Kohlenstoffmonooxid bilden und damit entkarbonisieren kann. Der Wasserstoff kann mit dem Stickstoff aus dem Rohstahl N-H-Verbindungen, insbesondere Ammoniak (NH3), bilden.
  • Um den Überschall-Dampfstrahl zu erzeugen, weist die Einlauflanze vorzugsweise eine Lavaldüse auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Rohstahl nach dem Zuführen von Reaktionsmittel entgast, bevor er gegossen wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle oder zumindest ein Großteil der im Rohstahl gebildeten Stickstoffverbindungen aus dem Rohstahl entfernt werden, bevor dieser weiterverarbeitet wird. Das Resultat ist ein besonders stickstoffarmes Endprodukt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Stahl weist eine Zuführeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, mithilfe eines Lichtbogenofens bereitgestelltem Rohstahl während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses zur Veredelung des Rohstahls vor dem Gießen ein Reaktionsmittel zuzuführen, von dem zumindest ein Teil mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl zu einer Stickstoffverbindung reagiert.
  • Vorzugsweise umfasst die Zuführeinrichtung eine Mischeinheit auf, die dazu eingerichtet ist, einem, insbesondere konventionellen, Prozessgas wie beispielsweise Argon das Reaktionsmittel beizumischen. Die Mischeinheit kann dabei dazu eingerichtet sein, den Anteil des dem Prozessgas beigemischten Reaktionsmittels zu variieren.
  • Die Zuführeinrichtung ist in einer bevorzugten Ausführungsform Teil einer Durchlaufentgasungsanordnung, die zum Ausführen des Ruhrstahl-Heraeus-Verfahrens eingerichtet ist.
  • Die Zuführeinrichtung kann insbesondere Teil einer Hubgaszuführung oder von dieser gebildet sein. Dadurch kann das Reaktionsmittel dem Rohstahl mit einer besonders hohen Zuführrate und daher in besonders kurzer Zeit zugeführt werden. Insbesondere kann das Reaktionsmittel kontinuierlich zugeführt und gebildete Stickstoffverbindungen entsprechend kontinuierlich aus dem Rohstahl entfernt werden.
  • Alternativ kann die Zufuhreinrichtung als in einer Vakuumkammer der Durchlaufentgasungsanordnung angeordnete Einlauflanze ausgebildet sein. Die Zuführeinrichtung kann insbesondere Teil einer COB-Lanze oder von dieser gebildet sein. Eine COB-Lanze in der Vakuumkammer dient üblicherweise zum Aufblasen von Sauerstoff auf den Rohstahl in der Vakuumkammer, um den Rohstahl zu entkarbonisieren, kann gegebenenfalls aber auch zum ausschließlichen Aufblasen von in der Gasphase vorliegendem Reaktionsmittel, insbesondere Wasserstoff, ausgebildet sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung als Einlauflanze ausgebildet oder bildet zumindest einen Teil einer solchen Einlauflanze. Die Einlauflanze ist vorzugsweise dazu eingerichtet, ein Prozessgas, insbesondere ein Spülgas wie zum Beispiel Argon, in den bereitgestellten Rohstahl einzuleiten, insbesondere während sich dieser in einer Gußpfanne, vorzugsweise in einem Pfannenofen und/oder einer Pfannenentgasungsanordnung, befindet.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zum Erzeugen von Stahl, die einen Lichtbogenofen zur Bereitstellung von Rohstahl und eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.
  • Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Anlage kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit gegenständlich formuliert zu sehen und umgekehrt.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    ein erstes Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen von Stahl, in dem eine Zuführeinrichtung als Hubgaszufuhr einer Durchlaufentgasungsanordnung ausgebildet ist;
    FIG 2
    ein zweites Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen von Stahl, in dem eine Zuführeinrichtung eine in einer Vakuumkammer einer Durchlaufentgasungsanordnung angeordnete Einlauflanze aufweist;
    FIG 3
    ein drittes Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen von Stahl, in dem eine Zuführeinrichtung eine in einem Pfannenofen angeordnete Einlauflanze aufweist;
    FIG 4
    ein viertes Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen von Stahl, in dem eine Zuführeinrichtung eine in einer Pfannenentgasungsanordnung angeordnete Einlauflanze aufweist; und
    FIG 5
    ein Beispiel eines Verfahrens zum Erzeugen von Stahl.
  • FIG 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Stahl mit einer Zuführeinrichtung 2. Die Zuführeinrichtung 2 ist dazu eingerichtet, mithilfe eines Lichtbogenofens bereitgestellten Rohstahl 3 während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses zur Veredelung des Rohstahls 3 vor dem Gießen ein Reaktionsmittel beizumischen. Zumindest ein Teil des Reaktionsmittels kann mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl 3 zu einer Stickstoffverbindung reagieren. Die Zuführeinrichtung 2 ist dabei als Hubgaszufuhr 6 einer Durchlaufentgasungsanordnung 4 ausgebildet. Die Durchlaufentgasungsanordnung 4 ist zum Durchführen eines Ruhrstahl-Heraeus-Verfahrens eingerichtet.
  • Als Reaktionsmittel kann beispielsweise Wasserstoff eingesetzt werden. Dieser kann mit Stickstoff aus dem Rohstahl 3 zu Ammoniak reagieren.
  • Der bei einem primärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess erzeugte Rohstahl 3 ist in FIG 1 in einer Gusspfanne 5 angeordnet. Um Verunreinigungen aus dem Rohstahl 3 entfernen zu können, ist oberhalb der Gusspfanne 5 die Durchlaufentgasungsanordnung 4 ausgebildet.
  • Die Durchlaufentgasungsanordnung 4 weist eine Steigleitung 4a auf, durch die der Rohstahl 3 aus der Gusspfanne 5 in eine Vakuumkammer 4b aufsteigen kann. Die Vakuumkammer 4b ist mit einer Vakuumpumpe 4c verbunden, welche dazu eingerichtet ist, ein Vakuum in der Vakuumkammer 4b zu erzeugen. Dadurch lässt sich in der Vakuumkammer 4b der Partialdruck von Verunreinigungen verringern. Infolgedessen nimmt die Konzentration dieser Verunreinigungen in dem Teil des Rohstahls 3 ab, der sich gegenwärtig in der Vakuumkammer 4b befindet. Der derartig gereinigte bzw. entgaste Rohstahl 3 kann über eine Rückführleitung 4d zurück in die Gusspfanne 5 fließen.
  • Um den Rohstahl 3 aus der Gusspfanne 5 in die Vakuumkammer 4b zu befördern, ist die Hubgaszufuhr 6 dazu eingerichtet, ein Hubgas in die Steigleitung 4a einzuleiten. Zum Beispiel kann die Hubgaszufuhr 6 dazu eingerichtet sein, Bläschen des Hubgases in der Steigleitung 4a zu erzeugen. Dadurch verringert sich die effektive Dichte des Rohstahls 3 in der Steigleitung 4a gegenüber der Rückführleitung 4d, sodass der Rohstahl 3 in der Steigleitung 4a aufsteigt.
  • Die Zuführeinrichtung 2 weist im gezeigten Beispiel vorteilhaft eine Mischeinheit 2a auf, die dazu eingerichtet ist, dem Hubgas das Reaktionsmittel beizumischen. Zu diesem Zweck ist die Mischeinheit 2a vorzugsweise mit einem Reaktionsmittelreservoir 2b verbunden, beispielsweise einem Tank oder einer Versorgungsleitung. Zumindest ein Teil des dem Reaktionsmittelreservoir 2b entnommenen und mithilfe der Mischeinheit 2a dem Hubgas beigemischten Reaktionsmittels kann dann bereits in der Steigleitung 4a eine Stickstoffverbindung mit Stickstoff aus dem Rohstahl 3 bilden.
  • Zweckmäßigerweise ist die Hubgaszufuhr 6 dazu eingerichtet, das Hubgas bzw. das Hubgas-Reaktionsmittel-Gemisch mit einer verhältnismäßig großen Zuführrate dem Rohstahl 3 in der Steigleitung 4a zuzuführen. Solch hohe Zuführraten von beispielsweise 150 m3/h sind hierbei vorteilhaft, um den gleichmäßigen Durchfluss von Rohstahl 3 durch die Durchlaufentgasungsanordnung 4 sicherstellen zu können. Entsprechend können mithilfe der als Hubgaszufuhr 6 ausgebildeten Zuführeinrichtung 2 auch große Mengen von Reaktionsmittel dem Rohstahl 3 zugeführt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber der Zuführung von Reaktionsmittel beispielsweise über poröse Spülsteine oder wandmontierten Einspritzdüsen zum Beispiel im Lichtbogenofen, die nur geringe Zuführraten erlauben.
  • Die Zuführeinrichtung 2 ist in bevorzugter Weise dazu eingerichtet, den Anteil des dem Hubgas beigemischten Reaktionsmittels zu variieren. Zweckmäßigerweise ist die Zuführeinrichtung 2 dazu mit einer Steuereinheit 2c verbunden. Die Steuereinheit 2c kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Ventilanordnung der Mischeinheit 2a zu steuern.
  • Um eine möglichst schnelle Entfernung des Stickstoffs aus dem Rohstahl 3 zu erzielen, kann die Steuereinheit 2c insbesondere dazu eingerichtet sein, nach Beginn des Ruhrstahl-Heraeus-Verfahrens - wenn bereits Rohstahl 3 in der Steigleitung 4a aufgestiegen ist - das Prozessgas, üblicherweise Argon, vollständig oder zumindest nahezu vollständig durch das Reaktionsmittel zu ersetzen. Bevor der Rohstahl 3 der Gusspfanne 5 zum Gießen entnommen wird, wird bevorzugt sichergestellt, dass nicht nur die Konzentration des Stickstoffs im Rohstahl 3, sondern auch die Konzentration des Reaktionsmittels (wieder) reduziert wird. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2c daher dazu eingerichtet, die Reaktionsmittelzufuhr aus dem Reaktionsmittelreservoir 2b kurz vor dem Gießen des Rohstahls 3 zu unterbrechen, sodass die Hubgaszufuhr 6 nur noch Hubgas in die Steigleitung 4a einleitet.
  • FIG 2 zeigt ein zweites Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Stahl mit einer Zuführeinrichtung 2. Die Zuführeinrichtung 2 ist dazu eingerichtet, mithilfe eines Lichtbogenofens bereitgestellten Rohstahl 3 während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses zur Veredelung des Rohstahls 3 vor dem Gießen ein Reaktionsmittel beizumischen. Zumindest ein Teil des Reaktionsmittels kann mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl 3 zu einer Stickstoffverbindung reagieren. Die Zuführeinrichtung 2 weist dabei eine in einer Vakuumkammer 4b einer Durchlaufentgasungsanordnung 4 angeordnete Einlauflanze 7 auf. Die Durchlaufentgasungsanordnung 4 ist zum Durchführen eines Ruhrstahl-Heraeus-Verfahrens eingerichtet.
  • Analog zum in FIG 1 gezeigten Beispiel weist die Durchlaufentgasungsanordnung 4 eine Steigleitung 4a mit einer Hubgaszufuhr 6, eine Vakuumpumpe 4c und eine Rückführleitung 4d auf. Damit kann der Rohstahl 3 aus einer Gussform 5 durch die Vakuumkammer 4b gefördert werden, wobei sich Verunreinigungen aus dem Rohstahl 3 entfernen lassen.
  • Die dabei in der Vakuumkammer 4b angeordnete Einlauflanze 7 ist dazu eingerichtet, das Reaktionsmittel dem Rohstahl 3 als Teil eines Überschall-Dampfstrahls 8, welcher einen Spiegel 3a des Rohstahls 3 in der Vakuumkammer 4b durchdringen kann, zuzuführen. Zu diesem Zweck ist die Einlauflanze 7 vorzugsweise mit einem Reaktionsmittelreservoir 2b verbunden.
  • In bevorzugter Weise ist die Einlauflanze 7 dazu eingerichtet, einen Wasserdampfstrahl mit Überschallgeschwindigkeit auf den Rohstahl 3 in der Vakuumkammer 4b zu blasen. Zu diesem Zweck kann die Einlauflanze 7 eine Lavaldüse aufweisen.
  • Das Reaktionsmittel bilden in diesem Fall die Wassermoleküle aus dem Dampfstrahl 8, insbesondere der Wasserstoff aus dem Dampfstrahl 8. Im Rohstahl 3 können die Wassermoleküle aufgebrochen werden, sodass sich der Wasserstoff mit dem Stickstoff aus dem Rohstahl 3 verbinden kann. Die Verwendung von Wasserdampf ist hierbei besonders vorteilhaft, da gleichzeitig der in den Wassermolekülen enthaltene Sauerstoff zur Entkarbonisiserung des Rohstahls 3 genutzt werden kann.
  • Beim Wasserdampfstrahl handelt es sich vorzugsweise um einen Dampfstrahl 8 aus überhitztem Wasserdampf. Das Reaktionsmittelreservoir 2b ist daher zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, Wasserdampf zu überhitzen oder solchen überhitzen Wasserdampf, der auch als Heißdampf bezeichnet wird, bereitzustellen. Das Reaktionsmittelreservoir 2b kann zu diesem Zweck einen Überhitzer aufweisen.
  • FIG 3 zeigt ein drittes Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Stahl mit einer Zuführeinrichtung 2. Die Zuführeinrichtung 2 ist dazu eingerichtet, mithilfe eines Lichtbogenofens bereitgestellten Rohstahl 3 während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses zur Veredelung des Rohstahls 3 vor dem Gießen ein Reaktionsmittel beizumischen. Zumindest ein Teil des Reaktionsmittels kann mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl 3 zu einer Stickstoffverbindung reagieren. Die Zuführeinrichtung 2 weist dabei eine in einem Pfannenofen 9 angeordnete Einlauflanze 7 auf.
  • Der Pfannenofen 9 setzt sich zusammen unter anderem aus einer Gußpfanne 5, die den Rohstahl 3 enthält, und einem mit Elektroden 10 bestückten Deckel 11, der auf die Gußpfanne 5 aufsetzbar ist. Mithilfe der Elektroden 10 ist der Pfannenofen 9 zweckmäßigerweise zum Temperieren des Rohstahls 3 eingerichtet, indem ein Lichtbogen zum Erhitzen des Rohstahls 3 erzeugt wird. Es lässt sich so zum Beispiel eine Gießtemperatur sehr präzise einstellen.
  • Der Pfannenofen 9 kann auch dazu eingerichtet sein, Legierungselemente in den Rohstahl 3 einzubringen. Dazu kann der Pfannenofen 9 eine Legierungsstoffzufuhr aufweisen (nicht gezeigt).
  • Um eine homogene Durchmischung des Rohstahls 3 insbesondere während des Erhitzens mit den Elektroden 10 oder Zufuhr von Legierungsstoffen zu erzielen, ist es bekannt, ein Prozessgas wie etwa Argon in den Rohstahl 3 einzuleiten. Dazu kann die Gußpfanne 5 an ihrem Grund angeordnete Spülsteine mit einer Porenstruktur aufweisen. Durch die Porenstruktur kann das Prozessgas dem Rohstahl 3 blubbernd, d. h. unter Blasenbindung, zugeführt werden. Das Prozessgas kann in diesem Fall auch als Spülgas bezeichnet werden.
  • Im vorliegenden Beispiel wird die Funktion der Spülsteine jedoch von der Einlauflanze 7 übernommen. D. h., dass die Einlauflanze 7 dazu eingerichtet ist, dass Prozessgas in den Rohstahl 3 einzuleiten und dadurch beispielsweise für eine Durchmischung des Rohstahls 3 zu sorgen.
  • Zweckmäßigerweise ist die Einlauflanze 7 vertikal verfahrbar ausgebildet, was durch die Pfeile im Bereich der Lanzenspitze angedeutet ist. Dadurch ist es möglich, die Einlauflanze 7 zum Beispiel vor der Absenkung des Deckels 11 auf die Gußpfanne 5 in den Rohstahl 3 abzusenken und nach dem Abheben des Deckels 11 zu einem späteren Zeitpunkt, insbesondere vor der Entnahme des Rohstahls 3 aus der Gußpfanne 5 zum Gießen aus dem Rohstahl 3, herauszuziehen.
  • Die Zuführeinrichtung 2 weist, ähnlich wie im in FIG 1 gezeigten Beispiel, eine Mischeinheit 2a auf, die mit der Einlauflanze 7 gekoppelt ist. Die Mischeinheit 2a ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, dem Prozessgas das Reaktionsmittel beizumischen. Die Mischeinheit 2a ist dazu vorzugsweise mit einem Reaktionsmittelreservoir 2b verbunden.
  • Die Zuführeinrichtung 2 weist darüber hinaus vorzugsweise eine Steuereinheit 2c auf, die zu Steuerung der Mischeinheit 2a eingerichtet ist. Die Steuereinheit 2c kann dadurch insbesondere veranlassen, dass ein Anteil des dem Prozessgas beigemischten ReaktionsmittelS variiert.
  • Um ein Inkontaktbringen des Reaktionsmittels mit der Atmosphäre im Pfannenofen 9 und/oder ein Verstopfen der Lanzenöffnung bzw. -düse mit abkühlendem Rohstahl 3 zu verhindern, kann die Steuereinheit 2c beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Mischeinheit 2a derart zu steuern, dass vor und beim Absenken der Einlauflanze 7 lediglich das Prozessgas aus der Einlauflanze 7 ausgeblasen wird. Die Steuereinheit 2c kann weiter dazu eingerichtet sein, zu veranlassen, dass dem Prozessgas nach dem Absenken zumindest eines Teils der Einlauflanze 7 in den Rohstahl 3 das Reaktionsmittel beigemischt wird, insbesondere das Prozessgas vollständig oder zumindest nahezu vollständig durch das Reaktionsmittel ersetzt wird. Bevorzugt ist die Steuereinheit 2c auch dazu eingerichtet, zu veranlassen, dass unmittelbar vor und/oder beim Herausziehen der Einlauflanze 7 aus dem Rohstahl 3 lediglich das Prozessgas aus der Einlauflanze 7 ausgeblasen wird, d. h. das Reaktionsmittel (wieder) durch das Prozessgas ersetzt wird.
  • Der Vorteil der Einlauflanze 7 gegenüber am Grund des Pfannenofens 9 angeordneten Spülsteinen zum Einleiten von Prozessgas und insbesondere dem Prozessgas beigemischten Reaktionsmittel liegt in einer Verminderung der Reduktion und dem damit verbundenen verringerten Verschleiß. Beim Einblasen des Reaktionsmittels durch eine wohldefinierte Austrittsöffnung der Einlauflanze 7, insbesondere eine metallische Düse an der Lanzenspitze, ist die Reduktion aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsmittels deutlich geringer ausgeprägt als beim Durchströmen der Porenstruktur von Spülsteinen.
  • FIG 4 zeigt ein viertes Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Stahl mit einer Zuführeinrichtung 2. Die Zuführeinrichtung 2 ist dazu eingerichtet, mithilfe eines Lichtbogenofens bereitgestellten Rohstahl 3 während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses zur Veredelung des Rohstahls 3 vor dem Gießen ein Reaktionsmittel beizumischen. Zumindest ein Teil des Reaktionsmittels kann mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl 3 zu einer Stickstoffverbindung reagieren. Die Zuführeinrichtung 2 weist dabei eine in einer Pfannenentgasungsanordnung 12 angeordnete Einlauflanze 7 auf.
  • Die Pfannenentgasungsanordnung 12 ist zweckmäßigerweise zum Entgasen des Rohstahls 3 eingerichtet. Dazu kann die Pfannenentgasungsanordnung 12 dazu eingerichtet sein, eine Gusspfanne 5 in einem gasdicht verschließbaren Gehäuse 12a aufzunehmen. Das Gehäuse 12a ist mit einer Vakuumpumpe 12b verbunden, die dazu eingerichtet ist, ein Vakuum innerhalb des Gehäuses 12a herzustellen. Dadurch lässt sich im Gehäuse 12a der Partialdruck von Verunreinigungen verringern. Infolgedessen nimmt die Konzentration dieser Verunreinigungen im Rohstahl 3 ab.
  • Um eine homogene Durchmischung des Rohstahls 3 in der Gusspfanne 5 erreichen zu können, ist eine Einlauflanze 7 vorgesehen, die zum Ausblasen eines Prozessgases wie etwa Argon eingerichtet ist. Zweckmäßigerweise ist die Einlauflanze 7 vertikal beweglich ausgebildet, sodass zumindest ein Teil der Einlauflanze 7 nach Aufnahme der Gussform 5 durch das Gehäuse 12a in den sich in der Gussform 5 befindlichen Rohstahl 3 einführbar und, nach der Entgasung des Rohstahls 3, wieder herausziehbar ist.
  • Die Zuführeinrichtung 2 weist eine Mischeinheit 2a auf, um dem Prozessgas das Reaktionsmittel nach Bedarf beizumischen. Das Reaktionsmittel kann dabei einem Reaktionsmittelreservoir 2b entnommen und die Beimischung mithilfe einer Steuereinheit 2c gesteuert werden.
  • Die Einlauflanze 7 und die Zuführeinrichtung 2 können dabei wie im Zusammenhang mit FIG 3 beschrieben ausgebildet bzw. eingerichtet sein.
  • FIG 5 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens 100 zum Erzeugen von Stahl.
  • In einem Verfahrensschritt S1 wird bei einem primärmetallurgischen Prozess mithilfe eines Lichtbogenofens aus Einsatzstoffen wie metallisches Eisen enthaltendes Material und/oder Schrott Rohstahl bereitgestellt. Vorzugsweise wird bereits im Rahmen des dieses Prozesses Stickstoff aus den eingeschmolzenen Einsatzstoffen entfernt. Zu diesem Zweck kann im Lichtbogenofen beispielsweise ein Reaktionsmittel, insbesondere Wasserstoff, etwa über Spülsteine mit Porenstruktur oder an einer Wandung des Lichtbogenofens montierte Einspritzdüsen in die Schmelze eingeleitet werden. Das Reaktionsmittel oder zumindest ein Teil davon kann dann eine Verbindung mit dem Stickstoff in der Schmelze bilden, welche der Schmelze über eine Gasabfuhr entzogen wird.
  • Um die Stickstoffkonzentration in dem derart bereitgestellten Rohstahl noch weiter zu verringern, wird dem Rohstahl in einem weiteren Verfahrensschritt S2 erneut ein Reaktionsmittel zugeführt. Dabei kann es sich um dasselbe, auch in Verfahrensschritt S1 verwendete Reaktionsmittel handeln. Alternativ ist es aber auch denkbar, in Verfahrensschritt S2 ein anderes Reaktionsmittel zu verwenden.
  • Vorzugsweise wird das Reaktionsmittel zumindest zeitweise gleichzeitig und/oder wechselseitig mit einem Prozessgas dem Rohstahl zugeführt. Das Reaktionsmittel wird dem Prozessgas dazu zweckmäßigerweise zumindest zeitweise beigemischt, wobei der dem Prozessgas beigemischte Anteil an Reaktionsmittel variierbar ist. Beispielsweise lässt sich der beigemischte Anteil an Reaktionsmittel in Abhängigkeit des Prozessverlaufs, insbesondere in Abhängigkeit der verbleibenden Stickstoffkonzentration im Rohstahl, variieren.
  • Die Beimischung des Reaktionsmittels zum Prozessgas, gegebenenfalls auch das zumindest zeitweise Ersetzen des Prozessgases durch das Reaktionsmittel, kann zum Beispiel im Rahmen eines Ruhrstahl-Heraeus-Verfahrens erfolgen. Das Reaktionsmittel wird dabei zweckmäßigerweise einem in eine Steigleitung eingeleiteten Hubgas beigemischt bzw. ersetzt das Hubgas zumindest zeitweise. Dadurch lässt sich das Reaktionsmittel dem Rohstahl nicht nur zu großen Mengen in besonders kurzer Zeit zuführen, sondern zusätzlich Hubgas einsparen.
  • Alternativ kann die Beimischung des Reaktionsmittels auch zu einem Spülgas zur homogenen Durchmischung des Rohstahls erfolgen, etwa in einem Pfannenofen bei der Temperierung und/oder der Legierung des Rohstahls, oder in einer Pfannenentgasungsanordnung vor und/oder während der Entgasung. Das Reaktionsmittel wird dabei zweckmäßigerweise durch eine Einlauflanze, die zunächst in den Rohstahl abgesenkt wird, in den Rohstahl ausgeblasen. Nachdem beispielsweise die Stickstoffkonzentration im Rohstahl auf oder unter einen vorgegebenen Wert gefallen ist, wird das Ausblasen von Reaktionsmittel aus der Einlauflanze gestoppt und die Einlauflanze wieder aus dem Rohstahl herausgezogen. Während des Einführens und Herausziehens in bzw. aus dem Rohstahl wird in bevorzugter Weise kontinuierlich das Spülgas aus der Einlauflanze ausgeblasen.
  • Eine Einlauflanze zum Zuführen des Reaktionsmittels lässt sich auch im Rahmen des Ruhrgas-Heraeus-Verfahrens vorteilhaft einsetzen. Hierbei wird mithilfe der Einlauflanze vorzugsweise ein das Reaktionsmittel enthaltener Überschall-Dampfstrahl auf den durch das Hubgas in eine Vakuumkammer aufgestiegenen Rohstahl geblasen. Der Überschall-Dampfstrahl kann den Spiegel des Rohstahls in der Vakuumkammer durchdringen, sodass das Reaktionsmittel im Rohstahl die Stickstoffverbindung bilden kann.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird die im Rohstahl gebildete Stickstoffverbindung aus dem Rohstahl entfernt. Zweckmäßigerweise wird der Rohstahl hierzu entgast.
  • Beim Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren findet das Entgasen kontinuierlich in der Vakuumkammer und damit unmittelbar nach dem Zuführen des Reaktionsmittels in der Steigleitung statt. Es ist hierbei vorteilhaft, das Entgasen auch noch eine Weile fortzuführen, nachdem die Beimischung des Reaktionsmittels zum Hubgas gestoppt bzw. wieder nur noch reines Hubgas in die Steigleitung eingeleitet wird. Dadurch kann der Rohstahl auch von Reaktionsmittel befreit werden.
  • Alternativ kann das Entgasen in einem vom Zuführen des Reaktionsmittels unabhängigen, diskreten Entgasungsschritt erfolgen. Beispielsweise kann eine Gussform am Ende des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses in ein gasdicht verschließbares Gehäuse einer Pfannenentgasungsanordnung eingeführt und der darin enthaltene Rohstahl so vor dem Gießen entgast werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Zuführeinrichtung
    2a
    Mischeinheit
    2b
    Reaktionsmittelreservoir
    2c
    Steuereinheit
    3
    Rohstahl
    3a
    Spiegel
    4
    Durchlaufentgasungsanordnung
    4a
    Steigleitung
    4b
    Vakuumkammer
    4c
    Vakuumpumpe
    4d
    Rückführleitung
    5
    Gusspfanne
    6
    Hubgaszufuhr
    7
    Einlauflanze
    8
    Dampfstrahl
    9
    Pfannenofen
    10
    Elektrode
    11
    Deckel
    12
    Pfannenentgasungsanordnung
    12a
    Gehäuse
    12b
    Vakuumpumpe
    100
    Verfahren
    S1-S3
    Verfahrensschritt

Claims (14)

  1. Verfahren (100) zum Produzieren von Stahl, wobei mithilfe eines Lichtbogenofens Rohstahl (3) bereitgestellt (S1) und der bereitgestellte Rohstahl in einem sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozess vor dem Gießen veredelt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem bereitgestellten Rohstahl (3) während des sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses ein Reaktionsmittel zugeführt wird (S2), von dem zumindest ein Teil mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl (3) zu einer Stickstoffverbindung reagiert.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reaktionsmittel einem dem bereitgestellten Rohstahl (3) zugeführten Prozessgas beigemischt wird.
  3. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Menge des dem bereitgestellten Rohstahl (3) zugeführten Reaktionsmittels variiert wird.
  4. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Vakuum erzeugt und der bereitgestellte Rohstahl (3) dem erzeugten Vakuum zumindest teilweise ausgesetzt wird, wobei das Reaktionsmittel demjenigen Teil des Rohstahls (3), der dem Vakuum ausgesetzt ist, zugeführt wird.
  5. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl (3) bei einem Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren zugeführt wird.
  6. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl (3) mit einer Zuführrate von wenigstens 150 m3/h zugeführt wird.
  7. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl (3) in einem Pfannenofen (9) oder einer Pfannenentgasungsanordnung (12) zugeführt wird.
  8. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reaktionsmittel dem bereitgestellten Rohstahl (3) mithilfe einer Einlauflanze (7) zugeführt wird.
  9. Verfahren (100) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einlauflanze (7) zumindest teilweise in den bereitgestellten Rohstahl (3) eingeführt wird, bevor das Reaktionsmittel durch die Einlauflanze (7) geführt wird.
  10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Zuführen von Reaktionsmittel zumindest reduziert wird, bevor die Einlauflanze (7) aus dem bereitgestellten Rohstahl (3) herausgezogen wird.
  11. Verfahren (100) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Reaktionsmittel als Teil eines Überschall-Dampfstrahls (8) auf den bereitgestellten Rohstahl (3) aufgeblasen wird.
  12. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Rohstahl (3) nach dem Zuführen von Reaktionsmittel entgast (S3) wird, bevor er gegossen wird.
  13. Vorrichtung (1) zum Erzeugen von Stahl,
    gekennzeichnet durch
    eine Zuführeinrichtung (2), die dazu eingerichtet ist, mithilfe eines Lichtbogenofens bereitgestelltem Rohstahl (3) während eines sekundärmetallurgischen Stahlerzeugungsprozesses zur Veredelung des Rohstahls (3) vor dem Gießen ein Reaktionsmittel zuzuführen, von dem zumindest ein Teil mit Stickstoff aus dem bereitgestellten Rohstahl (3) zu einer Stickstoffverbindung reagieren kann.
  14. Anlage zum Erzeugen von Stahl, mit einem Lichtbogenofen zur Bereitstellung von Rohstahl (3) und einer Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1057342B (de) * 1958-03-28 1959-05-14 Fischer Ag Georg Verfahren zum Behandeln von metallischen Schmelzen
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CN101603115A (zh) * 2009-07-09 2009-12-16 武汉科技大学 一种将氢气用于钢液脱氧的工艺
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