HU189326B - Process for production of steels with low or super-low carbon content with the regulation the end point of the carbon and blasting temperature - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás alacsony, illetve szuperalacsony karbon tartalmú acélok vákuum alatt, oxigénbefúvatással történő előállítására a karbon végpont és fúvatási hőmérséklet szabályozásával, amelynek során az acél csapolása után salaklehúzást, hevítést és öntést végzünk, ahol az oxigént fúvatólándzsán át vezetjük az olvadékba, a rendszer egységeit hűtővízzel hűtjük és a keletkező füstgázokat a rendszerből elvezetjük.

Korrózióálló acélokat már körülbelül a századforduló óta gyártanak. Az azóta eltelt évtizedek alatt ezen acélok gyártásának három módszere: a felépítéses, átolvasztásos és fémvisszanyeréses eljárás alakult ki.

Felépítéses eljárás során a betétet karbonacél hulladékból állítják össze, majd beolvadás után a karbont 0,04-0,5%-ra lefrissítik. Salakhúzás, újsalakképzés és redukálás után elvégzik az ötvözést. A krómötvözés céljára szuperalacsony (C 0,060,006%) karbontartalmú ferrokrómot használnak. Az így gyártott ferrites és ausztenites korrózióálló acéjok végösszetételénél a karbon 0,08-0,10%.

Átolvasztásos eljárást a martenzites korrózióálló acéloknál alkalmazzák (C 0,12% esetén). Ez az eljárás lehetővé teszi a saját (korrózióálló) acélhulladék újbóli felhasználását. Beolvasztás után salakredukálást, majd ötvözés korrekciót végeznek. A króm ötvözése a beolvadási és az előírt karbon függvényében alacsony, vagy magas karbontartalmú ferrokrómmal történik.

Fémvisszanyeréses eljárásnál a korrózióálló, vagy hasonló összetételű magas Cr, Ni tartalmú hulladékok fokozott visszahasznosítását lehet megoldani.

A karbon oxidálását fogyólándzsán keresztül történő oxigéngáz befúvatásával végzik, mialatt a fürdő hőmérséklete fokozottan növekszik (meghaladja az 1800’C hőmérsékletet). Frissítés után a salakot redukálják, elvégzik az ötvözést, kéntelenítenek, ha fürdő összetétele és hőmérséklete megfelelő, az adagot lecsapolják,

A korrózióálló acélok alkalmazási, felhasználási területe az utóbbi években jelentősen növekedett. Ezek közül a legfontosabbak: vegyipar, építőipar, járműipar, orvosi műszeripar, egészségügyi berendezések, nyomástartó edények, tartályok, élelmiszeripari, energetikai, atomenergetikai berendezések stb. Különösen azóta növekedett a korrózióálló acélok gyártása ugrásszerűen, mióta a szuperalacsony karbontartalom elérése lehetővé vált és az atomerőművek száma is egyre nö. Ez utóbbinál például a termikus reaktor belső szerkezeti elemeit, amelyek a hasadóanyaggal érintkeznek „ELC” típusú ausztenites krém - nikkel típusú acélból készítik. Az atomipar speciális célra m^x. 1% bór ötvözésű szuperalacsony karbon tartalmú korrózióálló acélokat is igényel.

A korrózióállóság szempontjából különösen fontos az acélok karbontartalma. Ausztenites acéloknál 0,03% karbon felett kristályközi korrózió lép fel, ha az acélban lévő karbon nincs titánnal vagy nióbiummal lekötve. 0,03% C alatt nem szükséges a karbon stabilizálása, mert ekkor a szövetszerkezet tiszta ausztenitből áll, a kristályhatárokon sem indul meg az acél korróziós folyamata.

Az ilyen eljárások lefolytatásánál nagy jelentősége van a szelektív karbon oxidáció biztosításának úgy, hogy a hasznos ötvözök koncentrációja nem, vagy csak kismértékben csökken és az acélfürdő túlmelegedése nem következik be.

Korrózióálló acéloknál a króm tartalmú olvadékok frissítése során a karbon [C] + >/2{O₂} = {CO} vagy

2[C] + {0₂} = {COJ reakciók mellett, termodinamikai és kinetikai okokból a Cr oxidáció veszélye minden esetben fennáll az alábbi egyenlet szerint:

2[Cr] + %{0₂> = (Cr₂O₃)

Ezért a folyamatot úgy kell irányítani, hogy a szelektív karbon oxidációnak kedvező körülményeket teremtsünk. Ezt vagy igen magas fürdőhőmérséklettel (t > 1800 ’C) vagy a CO gáz kis nyomásértékével lehet megvalósítani.

A hagyományos saválló acélgyártás elektromos ívkemencében a nagyon magas hőmérsékletű utat használja fel, amely azonban költség és termelékenységi okok miatt háttérbe szorult.

A vákuum oxigénes frissítés során vákuum alatt, különböző értékű nyomáson oxigéngáz befúvatással elsősorban a karbon tartalmat frissítik le, acélgyártási szempontból valamilyen folyékony középtermékből kiindulva, amelyben természetesen nemcsak a Cr és Ni, hanem más elemek nagyobb koncentrációja is előfordulhat (például mangános acélok gyártása).

Jóllehet az ilyen eljárások foganatosítása során a rendszer túlmelegedése elvileg nem várható, a gyakorlat során mégis igen sokszor bekövetkezik. Ennek oka általában az, hogy a gyártási folyamat közvetlen ellenőrzése nem lehetséges, így a frissítés befejezése becsült karbon végpontnál történik.

További bizonytalanságot eredményez a lándzsavezetés ellenőrizhetetlensége és az ebből következő túlfúvatások, amelyek gyakran 1750 ’C feletti fürdőhőmérsékleteket eredményeztek.

A fentiek következtében a fürdő gyakran túlmelegedett és az üstkemencék tűzálló falazata sűrűn meghibásodott. Az átlagos élettartam 1-2 adag volt.

Emellett a fúvatólándzsa fogyása is meglehetősen nagy volt és általában egy fúvatólándzsa nem volt elegendő egy adag elkészítéséhez.

A jelen találmánnyal olyan eljárás kidolgozása volt a célunk, amelynek segítségével lehetővé válik alacsony, illetve szuperalacsony karbon tartalmú acélok vákuum alatt, oxigénbefúvatással történő előállítása, oly módon, hogy a befúvatás végpontját (az olvadék karbon tartalma és hőmérséklete vonatkozásában) pontosan, műszeres ellenőrzéssel lehessen meghatározni és így a fürdő túlmelegedése megakadályozható legyen.

A kitűzött feladatot a találmány szerint úgy oldottuk meg, hogy. a fúvatólándzsán át felülről végzett oxigénbefúvatás során az olvadékot alulról argonnal öblítjük át és/vagy az eltávozó füstgázok összetételét, hőmérsékletét és mennyiségét, valamint a bevezetett és elvezetett hűtővíz hőmérsékle-21

189 326 tét és mennyiségét folyamatosan mérjük, ezek függvényében az argon bevezetés, illetve az indukciós keverés intenzitását szabályozzuk és a kezelési, illetve technológiai lépéseket a kapott mérési eredmények alapján végezzük el.

A füstgáz hőmérséletét célszerűen nikkel-krómnikkel hőelemmel mérjük, a füstgáz összetevői közül pedig elsősorban a szénmonoxid, széndioxid és oxigén tartalom mérését végezzük.

A találmány szerint az oxigénbefúvatást akkor állítjuk le, ha a befúvatáshoz számított összes oxígénmennyiségnem már legalább 90%-a az olvadékba került és a füstgázban mért szénmonoxid menynyiség 8% alá csökkent.

A találmány szerinti eljárás során a fúvatólándzsa helyzetét is ellenőrizni lehet. A fúvatólándzsát a lándzsafogyásnak megfelelő sebességgel merítjük az olvadékba és ha a füstgáz hőmérsékletének melegedésével együtt a füstgázban a széndioxid értéke ugrásszerűen megnő, a szénmonoxid értéke pedig ugyanakkor csökken, a lándzsa utánállítást mindaddig fokozott sebességgel végezzük, amíg a CO₂/CO arány vissza nem áll.

A találmány szerinti eljárás lehetővé teszi, hogy a szuperalacsony karbon tartalmú korrózióálló acélokat nagy biztonsággal, jó reprodukálhatósággal és üzembiztosán lehessen gyártani. Célszerű a fúvatás befejezése után a mélyvákuum alatti karbon-oxigén dezoxidáció elvégzése, melynek idejét az elérendő végső karbontartalom szabja meg. Ennek befolyásolását az argon gáz intenzitásának változtatásával lehet elvégezni.

Az eljárás alkalmas speciális minőségű acélok előállítására is. Ilyenek lehetnek például:

- 0,03%-nál kisebb karbon tartalmú acélok gyártása. Korrózióálló acélok esetében a stabilizáló elemek elhagyhatók, melv gazdasági előnnyel is jár;

- [C] + [N] < 120 ppm, Cr ~ 18% és Mo ~ 2% vagy Cr ~ 25% és Mo ~ 1% tartalmú szuperferrites acélok, melyek gazdaságosságát a Ni fém kiváltása jelenti;

- Fe - Cr - Al típusú acélok szuperalacsony kéntartalommal történő gyártása, ellenállásos fűtőelemek céljára;

- Maraging-acélok gyártása;

- nikkelbázisú ötvözetek gyártása (pl. 50% Ni, 18% Cr, 1% Si) hulladék ötvözetből, a fémes króm pedig ferrokróm karburéval vehető be. Az eljárás az indukciós kemencés fémalkotókból való felépítéses eljáráshoz képest jelentős megtakarítást biztosíthat;

- a jelenleg is gyártott hőálló acélok (pl. Ni = 36%, Cr=16%, Si = 2,0%), valamint mangános acélok gyártása is gazdaságosabb lehet az olcsóbb betét és a jobb minőség (kevesebb zárvány és gáztartalom) következtében;

- nitrogén mikroötvözés is kivitelezhető a porózus téglán keresztül történő nitrogén gáz befúvatássál·

- C < 0,003%, Cr ~ 13%, Ni ~ 4% tartalmú (Pelton-kerék) öntvények, valamint

- dinamó és transzformátor lemezek alapanyagai szuperalacsony karbon tartalommal és nagy belső tisztasággal.

A találmány szerinti eljárás további előnye, hogy lehetővé teszi a folyamat teljesen automatizált, számítógépes ellenőrzését és vezérlését. Ennek során nem csupán az oxigén szükséglet meghatározása, a lándzsavezérlés és a fúvatás végének meghatározása történhet számítógéppel, hanem az alkalmazott ötvözök szükséges mennyiségének számítása, adagjelentés, műveleti jelentés stb. is.

A találmány szerinti eljárás egy gyakorlati alkalmazása például a következőképpen történt.

Az adag gyártása 80 tonnás ívkemencében történt, majd az üstmetallurgiai egységben kezelték. Salak húzás, újsalakképzés után a kezdő fúvatási hőmérséklet beállítása a hevítő egységben történt.

Az ívkemencében a betét összeállításánál a gazdaságosságot a korrózióálló hulladék nagymértékű alkalmazása jellemzi, illetve a krómtartalom kiegészítése olcsóbb FeCr karburéval történik. A Ni és Mo kiegészítése megtörténhet az ívkemencében, olcsóbb ferroötvözetekkel (pl. NiO, MoO stb). A fémes betét többi részét ötvözetlen és gyengén ötvözött hulladék képezi, a Mn FeMn karburéval az üstbe ötvözhető csapoláskor. Különösen fontos az alacsony foszfor tartalom a betétanyagoknál, mivel foszfortalanításra nincs lehetőség, (illetve csak nagy krómveszteséggel). Ezért ajánlatos a betétbe kis C, P tartalmú, ismert acélhulladékot is adagolni. A kéntartalommal nincs probléma, mivel a kéntelenítés feltételei adottak a fúvatás utáni re-, dukáló periódusban.

Az ívkemencében beolvadás után a C-tartalom 0,3% és a Si-tartalom 0,1-0,15% értékének elérése céljából az ajtón át fogyólándzsával oxigén befúvatása szükséges, amelynek során a hőmérséklet 1680-1750 °C értékre is emelkedhet az oxidálandó elemek mennyisége függvényében. A salakképző anyagok mennyisége nem haladja meg a 15 kg/t mennyiséget, kiredukálása FeSi és Al dara használható. Mivel esetünkben a salak a salakolókocsi buktatásával az adagról lehúzható, az ívkemencében salakot nem húzunk, hanem a csapolás során a salak előreengedésével az üstben kihasználjuk az intenzív fém - salak keveredést a krómredukció érdekében. A csapolási hőmérséklet 1660 °C.

A salaklehúzógéppel történő salakeltávolítás után próbavétellel meg kell az acél összetételét határozni és a hőmérsékletet meg kell mérni. Fúvatás előtt az ötvözés korrekciót el kell végezni. A Cr, Mn a felső, a Mo, Ni az alsó határra ötvözendő. A fúvatás kezdő hőmérsékletét az oxidálandó elemek függvényében úgy kell meghatározni, hogy a fúvatási véghőmérséklet ne haladja meg az 1700 °C-ot. C 0,3 esetén a kezdő hőmérséklet 1600-1620°C.

A fúvatási véghőmérséklet kézben tartása érdekében a Si = 0,10—0,15% kiinduló érték a legkedvezőbb. Égetettmész adagolásáról gondoskodni kell még a fúvatás előtt a keletkezett SiO₂ üstfalazatra gyakorolt kedvezőtlen hatása és a Cr₂O₃ salakoldódásának csökkentése érdekében (B = 2,5).

A már említett számítási metodika alapján az oxigénszükségletet meg kell határozni, a vákuum gőzsugár-szivattyú üzembehelyezése után 13 300-16 000 Pa nyomás elérése után a fúvatás elkezdhető. A fúvatási intenzitás először 5, majd 15Nm³/perc. Az oxigénlándzsa hegyét a fürdő

-3I

189 326 alatt kell 50 mm-rel vezetni a fúvatás alatt. A vákuum kémlelő nyílás és a televíziós kamera csak közelítőleg teszi lehetővé a fürdő viselkedésének ellenőrzését a keletkezett gázok utóégése és a salak felfröccsenések miatt. A számított oxigénmennyiség mintegy % részét 13 300-16 000 Pa nyomáson maximális indukciós keverés mellett fúvatják be, majd Ά részét kisebb 4000-5000 Pa nyomáson maximális indukciós keverés mellett és 150 1/perc Ar gáz befúvatást is végeznek a krómos „salakbunda” áttörése és a fémfürdő vákuum érzékelés fokozása érdekében.

Fúvatás végén a C oxidáció sebessége csökken, ami a reakciótér nyomásesésében, a füstgáz hőmérséklet csökkenésében és a gázhűtőrendszer hűtővizének hőmérsékletlépcső csökkenésében mutatkozik meg. Ekkor az Ar gáz áramlási intenzitása már 1801/perc. Megfelelő végpont esetén a hőmérséklet 1680-1700 °C tartományija esik. Az oxigén fúvatás befejezésekor a fürdőkarbon tartalma 0,03-0,05%, de a további C oxidáció lehetősége adott, mélyvákuumban intenzív indukciós keverés és Ar gázos

Öblítés mellett. Ekkor az oldott oxigén reakcióba lép a még meglévő karbonnal.

A tiszta fövés után a redukáló periódus következik. CaO, CaF₂, majd FeSi beadagolásával a salak⁵ képzés, majd salak redukálásával párhuzamosan a kéntelenítés is megtörténik. A 66 Pa nyomáson 20-25 percig végzett mélyvákuum jól kiredukált, folyékony salak kialakítását teszi lehetővé, ugyanakkor lejátszódik a vákuum karbon dezoxidáció is. ¹⁰ Lényeges még, hogy a bázicitás legalább 2 érték legyen. Tapasztalat szerint a redukció után (Cr₂O₃) = 5 - 7 + esetén az eljárással 97-98% Cr kihozata! is elérhető. .

₁₅ A redukció után megtörténik a hőmérséklet és a kémiai összetétel pontos beállítása, majd az adagot öntésre átadják.

A következő táblázatban példaképpen bemutatjuk egy alacsony karbon tartalmú ötvözet gyártási „„ folyamatát, a technológia valamennyi paraméterének feltüntetésével, ahol a betét 81 500 kg, a leöntött súly 76 700 kg, a fajlagos fémbetét 1062 kg és a krómkihozatal 96,9% volt.

Idő /perc 41

Műveletek

I6^0°C ,

I59O°C

1622^

Isapolas UHP vkemencéből ialakhuzás fevités

Vákuum alatti frissítés a,j»C 0,26 MnO, 96 SiO, 18 S 0,021 P 0,030 15,80 Ni 10,33 Cu 0,17

1400 kg FeCr 70 % /0=7,5/ _>C 0,39 SiO,10 Mn 1,01 P 0,032 S 0,017 g_Cr 17,0 Ni 10,13

200 kg CaO + 20 kg CaF, p = 66 Pa -?p = 14630 Pa, »p = 11000 Pa,

0₂ = 400 p = 5320 Pa, p = 2660 Pa,

O₂ - 720 m

0_? · 5 mf/min of =15 ír. /min _~2

0_ = 15 mf/min Of = 15 m~/nrin = 67 Pa

Mélyvákuum

100

120

140

170

1671°6

1571°C

Hevítő egységben kikészités

Alsó öntés kokillaba p = 67 Pa

C 0,01 SiO,02 S 0,015 P 0,033 Cr 15,90 Ni 10,48 Cu0,18

800 kg FeSi 75 %

700 kg Ni gran. 99 %

550 kg Fe Mn aff. 91 %

2300 kg FeCr 70 % /0=0,06/ ¢- CaO + CaF_

C 0,03 Fhl,07 Si 0,43 S 0,016 P 0,033 Cr 16,90 Ni 10,67 - Al + Si poros salak redukálás

C 0,03 Mn 1,08 Si 0,40 P 0,032 Cr 17,9 Ni 10,7

C 0,03 Si 0,40 Mn 1,06 P 0,032 S 0,016 Cr 17,64 Ni 11,26 Cu 0,17

189 326

A találmány szerinti eljárás további részleteit ábra segítségével ismertetjük. Az ábrán egy tipikus gázösszetétel-változás diagramját tüntettük fel, a fúvatás és tisztafövés közben.

Az ábrán jól látható a szénmonoxid, széndioxid és oxigén tartalom változása a füstgázban, a technológiai lépések során.

Megfigyelhető, hogy a 20. perc előtt a szénmonoxid tartalom ugrásszerűen csökkent, a széndioxid és az oxigén tartalom ugyancsak ugrásszerű növekedésével egyidejűleg. Ez nyilvánvalóan azt jelentette, hogy a fúvatólándzsa nem ért az olvadékba. Ezért a lándzsa előtolási sebességét megnöveltük és ennek hatására a mért értékek ismét megfelelő szintre álltak be.

Jól megfigyelhető az ábrán a karbon végpont elérése is. Látható, hogy a szénmonoxid tartalom rohamosan csökken és ugyanakkor a széndioxid és oxigén tartalom növekedésnek indul, amikor a fúvatás már a vége felé közeledik. Ez egyértelműen jelzi a karbon végpontot.

Az elmondottakból látható, hogy a találmány szerinti eljárás döntően új alapokra helyezi az oxigén befúvatással történő frissítés technológiáját és ezzel mintegy korlátlan lehetőségeket nyit az ilyen típusú acélok gyártása során.

Claims (5)

1. Eljárás alacsony, illetve szuperalacsony karbon tartalmú acélok vákuum alatt, oxigén befúvatással történő előállítására, a karbon végpont és fúvatási hőmérséklet szabályozásával, amelynek során az acél csapolása után salaklehúzást, hevítést, vákuum alatti frissítést, majd kikészítést és öntést végzünk, ahol az oxigén fúvatólándzsán át vezetjük az olvadékba, a rendszer egységeit hűtővízzel hütjük és a keletkező füstgázokat a rendszerből elvezetjük, azzal jellemezve, hogy a fúvatólándzsán át felülről végzett oxigénbevezetés során az olvadékot alulról argonnal öblítjük át és/vagy indukciós keverést végzünk, az eltávozó füstgázok összetételét, hőmérsékletét és mennyiségét, valamint a bevezetett és elvezetett hűtővíz hőmérsékletét és mennyiségét folyamatosan mérjük, ezek függvényében az argonbevezetés, illetve az indukciós keverés intenzitását szabályozzuk és a kezelési, illetve technológiai lépéseket a kapott mérési eredmények alapján végezzük el.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a füstgázok hőmérsékletét nikkel-krómnikkel hőelemmel mérjük.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a füstgázok szénmonoxid, széndioxid és oxigén tartalmát mérjük.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxigén befúvatást akkor állítjuk le, ha a befúvatáshoz számított öszszes oxigén mennyiségének már legalább 90%-a az olvadékba került és a füstgázban mért szénmonoxid mennyiség 8% alá csökkent.

5. Az 1^4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fúvatólándzsát a lándzsafogyásnak megfelelő sebességgel merítjük az olvadékba és ha a füstgáz hőmérsékletének emelkedésével együtt a füstgázban a széndioxid értéke ugrásszerűen megnő, a szénmonoxid értéke pedig ugyanakkor csökken, a lándzsa utánállítását mindaddig fokozott sebességgel végezzük, amíg a széndioxid-szénmonoxid arány vissza nem áll.