ES2205916T3

ES2205916T3 - Metodo para desnitrar acero fundido durante su produccion.

Info

Publication number: ES2205916T3
Application number: ES99959490T
Authority: ES
Inventors: Jean-Christophe Mailhan; Daniel Pernet
Original assignee: USINOR SA
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2004-05-01
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: WO2000037688A1; FR2787468A1; AU1664800A; RO121135B1; HUP0104705A3; SI20533A; FR2787468B1; ATE246734T1; KR20010101205A; BR9916269A; BG105612A; CA2356370A1; ZA200104661B; AU756853B2; CN1329675A; EP1141422B1; EA200100563A1; TR200101606T2; EA003345B1; JP2002533566A

Abstract

Un proceso de desnitruración de un baño de acero de fusión durante la elaboración, mediante introducción de oxígeno, caracterizado porque consiste en aportar al baño igualmente carbono en forma insuflable y porque el carbono y el oxígeno son inyectados conjunta pero separadamente al seno de la misma zona del baño metálico.

Description

Método para desnitrar acero fundido durante su producción.

La presente invención es concerniente con el dominio de la elaboración de aceros de bajo contenido de nitrógeno. Se aplica ventajosamente a la elaboración de grados de bajo y muy bajo contenido de carbono.

Se sabe que la presencia de nitrógeno en el acero se puede probar indeseable por diferentes razones. Una de ellas es el impacto de este elemento sobre las propiedades de empleo de los aceros, como consecuencia de una disminución de la ductilidad del metal y así de su aptitud para el estampado o si el nitrógeno está presente en forma de nitruros de aluminio, como consecuencia de una limitación de la capacidad de soldadura debido a una puesta en solución del nitrógeno en la ZAC (zona afectada por el calor) y de la fragilización mecánica local resultante. Sin embargo, la presencia de nitrógeno puede también ser indeseable debido a su impacto en las etapas mismas de hileras de producción, tal como un aumento de grietas ligadas a la bolsa de ductilidad en la corriente continua o la disminución de la aptitud del producto obtenido a ser perfilado.

Los procesos de fabricación o el grado de ciertos aceros necesitan por consiguiente de muy bajos contenidos de nitrógeno en el producto final obtenido, por ejemplo, para fijar las ideas, de 15 a 20 ppm para las chapas destinadas a la construcción automotriz o para aceros para embalaje, de 50 ppm aproximadamente para placas de plataformas marinas o de 40 a 60 ppm para los hilos o cordones de refuerzo de neumáticos, etc. Estos contenidos de nitrógeno son obtenidos en los trabajos de acero, en todas las etapas de elaboración de metal en fusión, después del horno eléctrico o después del convertidor hasta su solidificación en la corriente continua. Se sabe que la elaboración en horno eléctrico en particular, se distingue por una fuerte contaminación de nitrógeno del metal, debido a la pirólisis catalítica de la molécula del nitrógeno del aire en la zona térmica del arco eléctrico que facilita su transferencia al metal líquido. Este fenómeno es conocido por ser un factor importante que impide la elaboración mediante la "hilera eléctrica", de una parte de grados realizados hoy en día por la "hilera de fundición" (reducción-fusión de minerales de hierro en la fusión en alto horno después de la refinación en oxígeno en un convertidor neumático) para el cual los contenidos de nitrógeno más bajos, del orden de 20 ppm, son actualmente obtenidos.

Los mecanismos físico-químicos que registran la evolución del contenido de nitrógeno del acero líquido son bien conocidos (véase por ejemplo el artículo de Ch. Gatellier en H. Gaye que aparece en la REVUE de METALLURGIE, CIT de Enero de 1986, páginas 25 a 42). El nitrógeno sufre un equilibrio químico "metal-gas" que se puede expresar mediante la formula N \rightleftarrows ½ N_{2} (gas). La constante de equilibrio de esta reacción, que se escribe como K_{N}=a_{N}/
(P_{N2})^{1/2}, depende débilmente de la temperatura en el dominio de funcionamiento de los reactores concernientes (1500 a 170°C). aN es la actividad del nitrógeno disuelto, que puede ser asimilado al contenido de nitrógeno del metal en el caso de aceros de carbono débilmente aliados y P_{N2} es la presión parcial del nitrógeno del gas en contacto con el metal líquido. Lo que significa que en presencia de N_{2} atmosférico, el contenido de nitrógeno del ' metal va a aumentar continuamente hacia su límite de solubilidad, el cual se sitúa en la vecindad de 430 ppm a la temperatura del acero de fusión (1600°C).

La desnitruración del metal es, en cuanto a sí misma, obtenida al hacer circular por el metal líquido un gas de lavado que no contiene nitrógeno (P_{N2}=0) con el fin de desplazar la reacción anterior hacia la derecha (efecto de lavado). Industrialmente, este gas puede ser argón o helio inyectado, pero en poca cantidad y con un costo elevado o del monóxido de carbono formado in situ mediante la descarburación del metal después de la inyección de oxígeno, que se practica clásicamente en forma gaseosa o en partículas (véase por ejemplo el artículo de K. Shinme y T. Matsuo, "Acceleration of nitrogen removal with decarburization by powdered oxidizer blowing under reduced pressure", que aparece en la revista japonesa ISIJ en 1987). El límite de esta práctica de inyección de O_{2} está ligado al contenido de carbono del metal al principio de la descarburación, que va a imponer el volumen de CO emitido en el tiempo y por consiguiente la desnitruración posible y así cualquiera que sea el contenido de nitrógeno inicial y contemplado del metal a elaborar.

Este procedimiento físico-químico debe ser completado por el papel jugado por los elementos tensioactivos del metal, a saber oxígeno y azufre, que tienen los dos por efecto bloquear la transferencia de nitrógeno entre el metal y el gas. Debido a esto, más allá de una cierta actividad en oxígeno disuelto, correspondiente a un límite superior del contenido de carbono (que es del orden de 0.1% ponderal para aceros al carbono), la desnitruración mediante gas de lavado puede ser totalmente inhibida.

Se comprende así todo el interés de poder desarrollar una técnica de desnitruración del metal líquido que permita en particular elaborar mediante la ruta "eléctrica" aceros en donde el contenido de nitrógeno sea similar a aquellos obtenidos por la ruta de "fusión", es decir del orden de 20 ppm, inclusive menos en el producto final obtenido.

El objeto de la presente invención es precisamente promover una desnitruración del metal de fusión que aproveche mejor el potencial de desnitruración del gas de lavado por una parte y que permita, por otra parte, controlar el contenido final de nitrógeno independientemente del contenido inicial de carbono del baño metálico, que es actualmente el caso con una descarburación clásica.

Para este efecto, la invención tiene por objeto un procedimiento de desnitruración de acero de fusión en el curso de elaboración mediante insuflación de oxígeno, caracterizado porque consiste en aportar igualmente carbono en forma insuflable (carbono pulvurulento) y porque el carbono y oxígeno son inyectados conjunta pero separadamente al seno de la misma zona del baño metálico (a unos 20 cm de distancia entre sí por ejemplo).

Así, en la zona de aporte de carbono y de oxígeno, se crean localmente condiciones favorables a la desnitruración. En efecto, en el caso de una inyección simple de oxígeno (caso de la descarburación clásica), la zona de inyección (punta de lanza) se va a traducir rápidamente por un empobrecimiento de carbono que va a retardar la formación de CO y por una actividad de oxígeno disuelto correlativamente elevada que, como se sabe, va a contrariar la desnitruración del metal por las burbujas de CO formadas.

El aporte conjunto de carbono a esta misma zona va a permitir una formación más rápida de burbujas de CO mediante reacción entre el carbono y oxígenos aportados y una reducción de la actividad local del oxígeno disuelto. Se obtiene de esta manera una mejor eficacia de la desnitruración por el CO emitido, que va así a suplantar la tendencia natural del acero a nitrurarse al contacto del nitrógeno del aire en la superficie y conducir así globalmente a una disminución del contenido de nitrógeno del metal.

Se recuerda ciertamente que en un horno de arco, como además en todo reactor siderúrgico que compone la ruta o trayectoria de elaboración del metal, la pared circundante no es y no puede ser rigurosamente hermética con respecto a la atmósfera exterior. Consecuentemente, el contenido final de nitrógeno del producto obtenido resulta necesariamente de un intercambio entre las recuperaciones de nitrógeno (contaminación por aire por ejemplo) y la desnitruración aplicada durante la elaboración en estado líquido.

Por otra parte, al regular de preferencia los aportes de manera estequiométrica (a saber un kilogramo de C por 0.9 Nm_{3} de O_{2}), no se modifica el contenido de carbono del baño metálico. Se realiza así una emisión de CO de "contenido de carbono del baño constante" y así la duración puede entonces ser adaptada a la desnitruración deseada (contenido de nitrógeno contemplado en relación al contenido de nitrógeno inicial).

La invención se comprenderá mejor y otros aspectos y i ventajas aparecerán en vista de la descripción que sigue dada con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

La figura 1 es una gráfica que muestra la evolución comparada del contenido ponderal de nitrógeno de un baño de acero en horno eléctrico que contiene más de 0.15% de carbono en peso, en función del volumen de CO emitido en el baño, a partir de una sola inyección de oxígeno (curva a) y a partir de una co-inyección de carbono-oxígeno de acuerdo con la invención (curva b);

La figura 2 es una gráfica análoga a aquella de la figura precedente, pero en un baño descarburado, es decir en el caso en donde el contenido ponderal de carbono del baño metálico es reducido, a saber menor de 0.1%;

La figura 3 es una gráfica que muestra la evolución comparada del contenido ponderal de nitrógeno en función del volumen de CO emitido en el baño mediante co-inyección de carbono-oxígeno de acuerdo con la naturaleza del gas de transporte del carbono inyectado.

La técnica de co-inyección de acuerdo con la invención ha sido probada y aplicada en condiciones industriales en un horno pequeño de 6 toneladas de capacidad, aportando simultáneamente carbono y oxígeno mediante dos lanzas de inyección independientes en donde las extremidades de salida son colocadas lado a lado al mismo nivel que el seno del baño de acero de fusión a tratar, a una veintena de centímetros entre sí. El aporte de carbono ha sido realizado mediante un carbono de bajo contenido de azufre y nitrógeno (contenidos ponderales menores de 0.1% para estos dos elementos) y utilizando ya sea argón, o nitrógeno como gas portador. El aporte de oxígeno se hace ya sea por inyección de O_{2} gaseoso, ya sea por inyección de mineral de hierro (equivalente a 0.2 Nm_{3} de O_{2} por un 1 kilogramo de mineral).

Los resultados cuantitativos obtenidos son presentados primero en las figuras 1 y 2 en donde se compara la co-inyección de carbono y oxígeno (curva b) con una descarburación simple (curva a) y que representa la evolución del contenido de nitrógeno del metal en función del volumen de CO emitido al baño, para un acero respectivamente a más de 0.15% de carbono (figura 1) y a menos de 0.10% (figura 2).

Como se puede ver, para los aceros relativamente poco descarburados, el contenido de O_{2} disuelto es siempre demasiado débil para llegar a bloquear la difusión del nitrógeno disuelto hacia las burbujas del gas de lavado y que, ya sea del CO de descarburación del baño (curva a) o del CO generado por reacción entre el carbono y el oxígeno aportados al baño de acuerdo con la invención (curva b). Se observa en efecto un paso bastante similar de estas dos curvas de cinética de desnitruración, además vecinas entre sí, dadas en función de la cantidad acumulada de CO que se libera del baño con el tiempo, aunque se puede notar una eficacia ligeramente mejor, del orden de 5 ppm, en favor de la inyección mixta de acuerdo con la invención.

En cambio, para los aceros descarburados o de bajo contenido de carbono - en donde se colocará la frontera en 0.10% en peso para fijar las ideas, debido a que se sabe que debajo de este umbral no se llega a desnitrar mediante el simple juego usual de la descarburación -, se observa en la figura 3 que la cinética de desnitruración en caso de la co-inyección (curva b) tiene asimismo paso como en el caso precedente y que es por consiguiente independiente del contenido inicial de carbono del baño. En cambio, en el caso clásico de la mono-inyección de O_{2} solamente (curva a) se comprueba una recuperación sistemática de nitrógeno que crece regularmente a todo lo largo de la emisión de CO de descarburación. Este fenómeno de recuperación de nitrógeno que, como ya se explicó es resultante de dos mecanismos que actúan simultáneamente pero en sentido contrario, muestran claramente que en el caso de bajo contenido de carbono, la desnitruración mediante CO de descarburación es bloqueada por la formación local, en la vecindad de las burbujas de gas, de fases oxidadas de actividad elevada y que en consecuencia las recuperaciones de nitrógeno atmosférico son el mecanismo dominante, tanto más poderosas además porque la superficie del baño es entonces agitada por las burbujas que llegan y estallan (curva a). Por el contrario, como se muestra en la curva b de la figura 1, en el caso de la co-inyección de acuerdo con la invención (curva b de la figura 2), el mecanismo dominante es siempre el de la desnitruración mediante el CO de lavado, independientemente del contenido inicial de carbono, por consiguiente el mismo para un muy bajo contenido de carbono.

La influencia del gas de transporte del carbono en los resultados obtenidos es dada en la figura 3. Se puede ver que con una inyección de carbono bajo flujo de nitrógeno (curva 1), la cinética de desnitruración es más lenta y conduce a un contenido de nitrógeno de metal límite (parte plana p) debajo del cual no se puede acceder, más elevado que en el caso de inyección bajo flujo de argón. Es no obstante posible obtener una desnitruración en este caso que puede ser compatible con un objetivo "promedio" en el contenido de nitrógeno contemplado (parte plana p a 35 ppm en el caso presente por ejemplo).

El método de desnitruración de la invención prueba ser suficientemente flexible de realización para permitir múltiples variantes de aplicación, en donde se mencionan posteriormente algunos ejemplos:

- Utilización de cualquier tipo de aporte de carbono y oxígeno

Se puede en efecto utilizar como aportador de oxígeno cualquier gas oxidante o cualquier polvo oxidante (mineral de hierro, pero también mineral de manganeso, polvo de sílice, etc.). Asimismo se podría utilizar cualquier tipo de producto carbonado a los fines de aporte de carbono.

Se podrían igualmente utilizar productos que contienen a la vez estos dos elementos, para los cuales el aporte local es así efectuado de maneras conocidas mediante medios automatizados, inclusive de mezclas preparadas por adelantado (mezcla carbón/mineral de hierro por ejemplo).

- Utilización de cualquier tecnología de aporte que asegure las condiciones "locales" contempladas en la presente

Se podrían utilizar en efecto lanzas de inyección clásicas, enfriadas o no; toberas parciales sumergidas o cualquier otra forma de inyectores, ya sea del tipo de "inyecciones separadas" para oxígeno y carbono o del tipo de "inyección única" de tubos concéntricos o adyacentes.

- Utilización de esta técnica en cualquier tipo de reactor siderúrgico

La co-inyección de acuerdo con la invención se puede practicar sin dificultades particulares en horno eléctrico, pero igualmente en convertidor con soplado de O_{2} en lo alto (tipo LD, AOD) o por el fondo (tipo OBM, LWS); en horno-recinto o en instalaciones bajo vacío, tipo RH o se podría además beneficiar del efecto de vacío en la desnitruración (P_{N2} débil por encima del baño metálico).

- Modificación de la relación carbono/oxígeno en relación a la estequiometría

Se ha visto anteriormente la ventaja de regular los aportes de O_{2} y de C a la estequiometría. Como se comprende, es igualmente posible mantener condiciones desnitrurantes en la punta de lanza, modificando ligeramente esta relación carbono-oxígeno a fin de por ejemplo proseguir una descarburación de metal al mismo tiempo que en lugar de la fase denitrurante.

De entre las ventajas notables de la invención se notarán en particular:

- La posibilidad de desnitruración a bajos contenidos de carbono.

Debido a la modificación de las condiciones locales (contenido de carbono, actividad del oxígeno disuelto) esta técnica permite, como se ha visto, desnitrar el metal cuando el contenido promedio de carbono del baño metálico es inferior a 0.1% (límite debajo del cual no desnitrura más con una simple descarburación). Fases de desnitruración por emisión de CO de "contenido de carbono del baño constante" han podido ser así realizadas para un contenido de carbono promedio del baño comprendido entre 0.05 y 0.1% en peso.

- La facilidad y flexibilidad de aplicación del proceso

La técnica no necesita una inversión fuerte. En el caso del horno eléctrico en particular, las instalaciones necesarias están en general ya disponibles en planta, a saber: una red de alimentación de oxígeno acoplada a un dispositivo de inyección al metal (ordinariamente ya presente para la descarburación) y un distribuidor de polvo asociado a un dispositivo de inyección de carbono al metal (ya presente en general para la inyección de carbono a la escoria). Este último dispositivo deberá no obstante ser duplicado si se busca realizar una inyección simultánea de carbono y de oxígeno al metal, cuando se desarrolla al mismo tiempo una escoria espumante en el baño metálico. En el caso de otros reactores de elaboración, puede ser necesario proporcionar un dispositivo de aporte de carbono a la misma zona que el oxígeno inyectado.

El costo de la práctica de esta técnica de desnitruración se resume entonces a aquella de los consumibles: Productos de aporte de carbono y oxígeno y de gas de transporte en el caso de una inyección de productos sólidos.

- Una desnitruración posible en "tiempo enmascarado"

Esta técnica puede ser particularmente interesante en el caso de un horno eléctrico de doble cuba en donde la fase de desnitruración por aporte simultáneo de carbono y de oxígeno se podría hacer en tiempo enmascarado cuando se opera la fusión de una nueva carga metálica en la otra cuba puesta bajo tensión. Para esto, la operación de desnitruración se hará al final de la elaboración de una cara, fuera de tensión eléctrica, la potencia eléctrica es transferida en la otra cuba para la fusión de la carga siguiente, sin pérdida de productividad para el trabajo de acero.

Será evidente que el método de acuerdo con la invención puede presentar múltiples equivalentes o variantes de realización en la medida en donde es respecto a su definición dada en las reivindicaciones adjuntas.

Se hace contar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención,

Claims

1. Un proceso de desnitruración de un baño de acero de fusión durante la elaboración, mediante introducción de oxígeno, caracterizado porque consiste en aportar al baño igualmente carbono en forma insuflable y porque el carbono y el oxígeno son inyectados conjunta pero separadamente al seno de la misma zona del baño metálico.

2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los aportes de carbono y de oxígeno son regulados de manera estequiométrica.

3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el carbono es inyectado en estado sólido pulvurulento con la ayuda de un gas de transporte.

4. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque se aplica en una instalación de trabajo de acero en horno eléctrico de doble cuba.