NO146438B - Fremstilling av staal med hoeyt nitrogeninnhold - Google Patents

Abstract

Fremstilling av stål med høyt nitrogeninnhold -

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt" avkulling av stål og nærmere bestemt forbedring i den grunnleggende oksygenprosess, d.v.a. eri prosess hvor smeltet stål i en' konverter avkulles ved at det blåses oksygen inn i smeiten fra toppen. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for

å øke nitrogeninnholdet i stålet fremstilt ved den grunnleggende oksygenprosess.

Fremstilling av stål ved den grunnleggende oksygenprosess, som også benevnes BOP eller BOF prosessen, er kjent. Når lav-karbon stål fremstilles ved denne fremgangsmåten er innholdet av oppløst nitrogen underlagt vide variasjoner. Visse ståltyper har spesifikasjoner som krever et lavt nitrogeninnhold og fremgangsmåter er beskrevet for å tilveie-bringe dette f. eks. som beskrevet i Glassman's US patent nr. 3,769,000 og Pihlblad's US patent nr. 3,307,937.

På den annen side har noen stål spesifikasjoner som krever

et høyt innhold av nitrogen og derfor er der også foreslått fremgangsmåter for å øke nitrogeninnholdet. Flere av disse fremgangsmåtene krever et spesielt trinn for nitrogentilsetning etter at det konvensjonelle avkullingstrinnet er avsluttet. Eksempler på slike fremgangsmåter er vist i US patent nr. 2,865,736, US patent nr. 3,402,753 og US patent nr. 3,356,493, 3,322,530 og 3,230,075.

US patent nr. 3,180,726 beskriver blåsing av smeltene med rent nitrogen eller nitrogen sammen med en inert gass og tilsetning av et stabiliserende eller bindeelement etter blåsingen. Denne fremgangsmåten tillater imidlertid ikke stålprodusentene å justere nitrogeninnholdet i stålet uav-hengig, d.v.s. uten å forandre sammensetningen av smeiten ved å tilsette andre legeringselementer. Alle de ovennevnte fremgangsmåter har den ulempe at de krever et ytterligere trinn etter oksygenavkullingen og dermed økes tiden som kreves for å fremstille hver stålladning. Videre krever noen tilsetning av andre elementer for å binde nitrogen i smeiten mens andre krever kompliserte tappeinnretninger.

En annen tilnærming anvendt i tidligere teknikker er å øke nitrogeninnholdet i smeiten under avkullingen. US Patent nr. 3,754,894 viser hvordan nitrogeninnholdet i stål kan økes under avkullingen forutsatt imidlertid at avkullings-gassen og nitrogen tilføres fra under overflaten av smeiten. Denne fremgangsmåten kombineres ikke lett med BOF-prosessen hvor alle gassene tilføres fra ovenfor overflaten av smeiten. Hvis nitrogengass bare blåses inn i en oksygenkonverter fra ovenfor smeiten under konvensjonell avkulling vil resultatet ikke være reproduserbart og det tilsiktede nitrogeninnhold vil bare oppstå ved hell.

Det har ikke vært mulig før foreliggende oppfinnelse å fremstille stål med et høyt nitrogeninnhold ved den grunnleggende oksygenprosess uten å foreta et selvstendig trinn etter avkullingen og/eller å tilsette elementer til smeiten i tillegg til nitrogen.

Følgelig er det et formål ved den foreliggende oppfinnelse

å fremstille basisk-oksygenstål med et nitrogeninnhold som er reproduserbart og større enn det som oppnås ved vanlige BOP-teknikker.

Det er et annet formål ved den foreliggende oppfinnelse å fremstille basisk-oksygenstål med et høyt nitrogeninnhold uten at det kreves et spesielt trinn for nitrogentilsetning etter avkulling.

Det er et ytterligere formål ved den foreliggende oppfinnelse å øke nitrogeninnholdet i basisk oksygenstål uten tilsetning av andre legerende eller stabiliserende elementer enten sammen med eller i tillegg til nitrogen. .

Foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for fremstilling av stål med et høyt nitrogeninnhold.

Fremgangsmåte for fremstilling av stål med et høyt nitrogeninnhold innenfor et på forhånd valgt område i en prosess for stålfremstilling ved avkulling av en jernholdig smelte i en konverter der man blåser oksygen i smeiten fra ovenfor smeltens overflate og holder partialtrykket av nitrogen i rommet over smeiten like stort som det trykk man beregner som likevektstrykket for det ønskede oppløste nitrogeninnhold i det smeltede metall ved 1600°C, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at man

a) tilfører en nitrogenrik gass til smeiten samtidig med det nevnte oksygen under en siste del av avkullings-

3

trinnet i en mengde som minst tilsvarer 3 Nm nitrogen pr. metrisk tonn smeltet metall og på en slik måte at man får en kraftig vekselvirkning mellom den nitrogenrike gass og det smeltede metall,

b) avkuller smeiten med oksygen og nitrogenrik gass ved å blåse smeiten til et endelig manganinnhold på 0,10%

eller mindre.

Uttrykket "stål med et høyt nitrogeninnhold" eller høynitro-genstål" benyttes for å benevne stål med et nitrogeninnhold på minst 0.01% eller 100 ppm.

Uttrykket "det ønskede nitrogeninnhold" skal. bety det endelige nitrogeninnhold som stålprodusenten -forsøker å oppnå.

Uttrykket "nitrogenrik gass" som det brukes i den foreliggende spesifikasjon og krav betyr en gass som inneholder tilstrekkelig nitrogen til å tilfredsstille likevektskravet som nevnt ovenfor. De foretrukne nitrogenrike gasser er industrielt ren nitrogen eller luft. Gassformige nitro-genforbindelser som frigjør tilstrekkelig nitrogen ved reaksjon i etBOF-kar f.eks. ammoniakk, kan også anvendes.

Forkortelsen "Nm 3" anvendes til å bety en normalkubikk-metér gass målt ved 0°C og en atmosfærisk trykk.

Når stål avkulles ved toppblåsing, d.v.s. ved at det blåses oksygen i smeiten fra ovenfor smeltens overflate, er det kjent at nitrogeninnholdet i smeiten først reduseres etter-hvert som bobler av CO-gass som dannes under avkullingstrinnet fjerner nitrogen fra smeiten. Under de siste trinn av avkullingen i den vanlige BOF-prosess, reduseres dannelsen av CO-bobler. En reduksjon antar man har minst tre viktige effekter. For det første tillater reduksjonen i CO-dannelsen mer atmosfærisk nitrogen å trenge inn i konverten på grunn av den reduserte hastighet på avgassen ved karets åpning. For det annet trekkes noe av dette atmos-færiske nitrogen inn i oksygenet som blåses inn i smeiten og adsorberes deretter. For det tredje vil den reduserte CO-dannelse også føre til en redusert fjerning av nitrogen, noe som ytterligere bidrar til et øket endelig nitrogen-nivå. Forholdet mellom disse faktorer er i hovedtrekkene ukontrollerbart og det endelige nitrogeninnhold er derfor ikke reproduserbart og har en tendens til å variere fra charge til charge til tross for tilsynelatende identiske avkullingsbetingelser. Videre er vanligvis det endelige nitrogeninnhold i stål som er avkullet ved den vanlige oksygenprosess lavere enn det som kreves ved spesifikasjon-ene for "høyt nitrogeninnhold"-typer av stål. Når dette finner sted er renitrogenering nødvendig. Det følgende beskriver foretrukken fremgangsmåte ifølge den foreliggende oppfinnelse for renitrogenering av oksygenstål under avkulling. Nitrogenrik gass må tilføres smeiten samtidig med oksygen under den siste del av avkullingstrinnet. Den foretrukne fremgangsmåte for å. oppnå dette er å tilføre en nitrogenrik gass i oksygenstrømmen. Dette.kan' tilveie-bringes helt enkelt ved' å installere en ekstra forbindelse til oksygenledningen som fører inn oksygenet, og å koble en nitrogenrik kilde til den ekstra forbindelsen. Selv-sagt kan andre og mer kostbare fremgangsmåter anvendes, f. eks. en separat innblåsing av nitrogenrik gass eller anvend-else av tilførselsledninger som har adskilte parallelle passasjer for oksygen og nitrogenrik gass. Slike passasjer kan enten være konsentriske eller stå ved siden av hverandre i den samme tilførselsledning. En blander kan også plasseres i tilførselsledningen. Disse kompliserte fremgangsmåter gir imidlertid ingen fordel over den foretrukne fremgangsmåte for å utføre oppfinnelsen.

Strømningshastigheten for nitrogengassen må være tilstrekkelig til å holde et partialtrykk av nitrogen i rommet over smeiten som minst tilsvarer og som fortrinnsvis er større enn det som ville være likevekt med det ønskede oppløste nitrogeninnhold i det smeltede metall.

Mengden nitrogenrik gass som tilføres må minst tilsvare

3 Nm^ nitrogengass pr, metrisk tonn smeltet metall for å

få reproduserbare resultater. Mengden nitrogen som absorberes i smeiten øker med mengden nitrogen som tilføres. Mengden av nitrogen som absorberes vil imidlertid variere fra BOP-system til BOP-system. Når forholdet mellom til-ført nitrogen og endelig nitrogeninnhold er eksperimentelt bestemt for et spesielt BOF-system, og forutsatt andre variable holdes konstant, kan man oppnå reproduserbare resultater ifølge den foreliggende oppfinnelse så lenge den foreskrevne minimale mengde nitrogen tilføres smeiten.

Oksygen og den nitrogenrike gassblanding må blåses inn i smeiten på en slik måte at man får en kraftig vekselvirkning mellom den nitrogenrike gass og smeiten. Hvis dette ikke oppnås vil man ikke få konsistente resultater.

En måte å oppnå dette på er å anvende trykk i tilførsels-ledningene som er vesentlig større enn de som vanligvis anvendes. Hvert BOP-system har et normalt oksygentrykk som anvendes under vanlig avkulling. Man antar at det normale oksygentrykk i de fleste BOP-anlegg er utilstrekkelig for å få vekselvirkningene som er nødvendig ifølge oppfinnelsen. Envesentlig økning av trykket under tilsetningen av nitrogenrik gass vil gi de ønskede resultater., Det er f. eks. påvist at i en BOF-konverter for 213 metriske tonn utstyrt med en tilførselsledning med 4 åpninger med en diameter hver på o 4,45 cm, vil en økning av trykket på fra ca. 8,1 kg/cm<2 >til ca. 10,6 kg/cm 2 d.v.s. ca. 30%'s økning i målt trykk, være tilstrekkelig til å få den ønskede vekselvirkning mellom gassen og smeiten. Man skal imidlertid legge merke til at nedtrengningen av gass-strømmen og den resulterende rørevirkning ikke er fullstendig forutsigbar fra konverter til konverter og at dette forhold bare kan bestemmes empirisk. Blåsetrykkene som anvendes i noen BOF-anlegg behøver ikke økes for å få gass-smeltevekselvirkning som kreves ifølge oppfinnelsen.

En annen fremgangsmåte for å få den ønskede kraftige vekselvirkning er å blåse blandingen av nitrogenrik gass og oksygen med tilførselsledningen i en lavere stilling enn normalt. På samme måte som med blåsetrykket har alle BOP-anlegg en normal stilling på tilførselsledningen for forskjellige trinn av vanlig oksygenavkulling. Typisk er det at til-førselsledningen gradvis senkes etter hvert som avkullingen skrider frem. Vanlige stillinger for ledningen behøver ikke gi tilstrekkelig vekselvirkning mellom gassen og smeiten for reproduserbart å renitrogenere smeiten. Dette problemet kan rettes ved å bevege tilførselsledningen til en lavere stilling enn normalt under de siste trinn av avkullingen samtidig som den nitrogenrike gass tilføres.

En annen fremgangsmåte for å få den ønskede vekselvirkning mellom gass og smelte er å innføre nitrogenrike gasser med dysehastigheter som er større enn de som vanligvis anvendes i vanlig BOF-praksis. For å utføre den foreliggende oppfinnelse kan derfor noen BOF-anlegg være nødt til å øke gasshastighetene ved å anvende tilførselsledninger med mindre diameter på utstrømningsdysene.

Et annet krav for å få reproduserbare resultater er at

manganinnholdet i smeiten blåses til mindre enn 0,10% under avkullingen. Mangan er bare en "indikator" som reflekterer betingelsene i smeiten som er nødvendige for et reproduserbart nitrogenopptak, og man antyder ikke et årsaksforhold mellom mangan i stålet i nitrogenabsorbsjonen. I vanlig BOP-praksis justeres mangannivået til de endelige spesifikasjoner etter avkullingen ved tilsetning av forskjellige ferromanganlegeringer. Fremgangsmåten påvirkes derfor bare minimalt ved konsekvent å blåse til mindre enn 0,10% mangan under avkullingen.

Følgende eksempler illustrerer foretrukken praksis ved ut-førelsen av oppfinnelsen.

Eksempler

Seks charger på hver 213 metriske tonn ble avkullet ved toppblåsing med rent 0^ i et BOP-ferskingssystem i over-ensstemmelse med vanlig BOP-praksis. Tabell I nedenunder viser verdier for de variable som ble eksperimentelt vari-ert og de tilveiebragte resultater. I hvert tilfelle ble industrielt rent nitrogen tilført blandet med oksygen gjennom tilførselsledninger for oksygen, og man begynte "t" minutter før man antok at avkullingstrinnet var slutt. Verdien av "t" varierte., fra charge til charge som vist i tabell I og II nedenunder.

De første tre charger som er vist i tabell I illustrerer den korrekte fremgangsmåte for oppfinnelsen hvor man følger alle krav og hvor hovedkravene er: (1) Den nødvendige blandingsintensitet må oppnås og man oppnår dette her ved å anvende et trykk i tilførsels-ledningene som er høyere enn normalt under nitrogen-tilførselen. Det normale trykk for konverten er ca.

2

8,1 kg/cm .

(2) Minst 3 Nm 3 nitrogen tilføres pr. metrisk tonn stål og (3) manganinnholdet blåses til 0,10% eller mindre. Man skal legge merke til at for hver av disse tre charger var det endelige nitrogeninnhold innenfor 10% av det ønskede nitrogeninnhhold og alle nitrogeninnhold var i området for de akseptable nitrogenspesifikasjoner. for den ønskede kvalitet. Denne type reproduserbar-het har ikke vært mulig før foreliggende oppfinnelse.

Charge 4, 5 og 6, vist i tabell II, illustrerer utilfreds-stillende resultater man får når ett av de tre kravene ifølge oppfinnelsen ikke følges. Det endelige nitrogeninnhold i charge 4, 5 og 6 faller vesentlig utenfor kravet, d.v.s med 40 til 50% og ligger utenfor de aksepterbare nitrogenspesifikasjoner for de ønskede kvaliteter. Charge 4 hadde den riktige vekselvirkning mellom gass og smelte som man får ved øket trykk i tilførselsledningen og en passende mengde nitrogen, men manganinnholdet var ikke under 0,10%. For charge 5 var alle krav ifølge oppfinnelsen oppfylt, bortsett fra at det lave trykket som ble brukt ga utilstrekkelig vekselvirkning mellom smeiten og nitrogen. En utilstrekkelig mengde nitrogen var det eneste krav som man ikke tok. hensyn til i charge 6.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av stål med et høyt nitrogeninnhold innenfor et på forhånd valgt område i en pro- ■ sess for stålfremstilling ved avkulling av en jernholdig smelte i en konverter der man blåser oksygen i smeiten fra ovenfor smeltens overflate og holder partialtrykket av nitrogen i rommet over smeiten minst like stort som det trykk man beregner som likevektstrykket for det ønskede oppløste nitrogeninnhold i det smeltede metall ved 1600°C, karakterisert ved at man

   (a) tilfører en nitrogenrik gass til smeiten samtidig med det nevnte oksygen under en siste del av avkullingstrinnet i en mengde som minst tilsvarer 3 Nm nitro-

   gen pr. metrisk tonn smeltet metall og på en slik måte at man får en kraftig vekselvirkning mellom den nitrogenrike gass og det smeltede metall,

   (b) avkuller smeiten med oksygen og nitrogenrik gass ved

   å blåse smeiten til et endelig manganinnhold på 0,10% eller mindre.