RO121135B1 - Procedeu de denitrurare a oţelului topit în cursul elaborării sale - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de denitrurare a oţelului topit în timpul elaborării, destinat în special obţinerii oţelurilor cu conţinutredus de carbon. Procedeul conform invenţiei constă în injectarea în baia de metal topit de tratat, o dată, dar separat, în aceeaşi zonă a băii, a oxigenului şi carbonului sub o formă insuflabilă (de preferinţă, carbon pulverulent), generând local, în baie, bule de CO, pornind de laaceste două elemente, care merg să se încarce cu azot de denitrurare. O reglare stoechiometricăa aportului de carbon şi oxigen permite o denitrurare a carbonului constant din baie. Procedeul seaplică preferenţial la elaborarea sortimentelorde oţel cu un conţinut foarte scăzut de carbon, în special în cuptoare electrice.

Description

Invenția se referă la un procedeu de denitrurare a oțelului, în cursul elaborării, destinat în special obținerii oțelurilor cu un conținut redus și foarte redus de carbon.

Se știe că prezența azotului în oțel nu este dorită, pentru diferite motive. Unul dintre acestea este impactul acestui element asupra proprietăților de utilizarea oțelurilor, ca urmare a reducerii ductilității metalului și deci a capacității sale de ambutisare sau, dacă azotul este prezent sub formă de nitrură de aluminiu, are loc o limitare a sudabilității, datorită trecerii în soluție a azotului, în zona afectată de căldură, și a fragilității mecanice locale, rezultante. Dar, prezența azotului poate fi nedorită și pentru motivul impactului său asupra filierelor de producere, cum ar fi o creștere a punctelor critice, legate de ductilitate și curgere continuă, sau diminuarea capacității produsului obținut de a fi trefilat.

Procedeele de fabricație sau anumite tipuri de oțeluri necesită uneori conținuturi foarte scăzute de azot în produsul final obținut, cum ar fi, de exemplu, de la 15 la 25 ppm, pentru tolele destinate construcției de automobile sau pentru ambalaje, de 50 ppm aproximativ pentru plăcile platforme off-shore, sau de 40 la 60 ppm pentru cablurile de ranforsare pneumatice. Aceste conținuturi de azot sunt așteptate la oțelărie, la toate etapele de obținere a metalului în stare topită, de la cuptorul electric sau de la convertizor până la solidificare la turnarea continuă. Se știe că această elaborare, în special, la cuptorul electric, se distinge printr-o impurificare avansată cu azot a metalului, datorită cracării moleculelor de azot în aer, în zona termică a arcului electric, facilitând transferul său în metalul lichid. Acest fenomen este cunoscut ca un factor important, care împiedică elaborarea printr-o filieră electrică, a unei părți dintre tipurile realizate azi prin filiera fontă (reducere-topire a minereului de fier la fontă în furnal înalt, apoi afânare cu oxigen într-un convertizor pneumatic), prin care se obține în mod obișnuit un conținut de azot foarte scăzut, de ordinul a 20 ppm.

Mecanismele fizico-chimice, care au loc la îmbogățirea conținutului de azot în oțelul lichid, sunt bine cunoscute (a se vedea, de exemplu, articolul lui Ch. Gatellier și H. Gaye, apărut în Revue de Metallurgie, ianuarie 1986, pag. 24 ia 42). Azotul prezintă un echilibru chimic metal-gaz, care se poate exprima astfel:

N₂ «¹/₂ Na₂ (gaz).

Constanta de echilibru al acestei reacții, care are următoarea expresie K_N= a_N/(P_N2)’^/!, depinde în mică măsură de temperatură, în domeniul de funcționare a reactoarelor respective (1550 la 1700’C), a_N reprezintă activitatea azotului dizolvat, care poate fi asimilată conținutului de azot din metal, în cazul oțelurilor carbon slab aliate, iar P_N2 reprezintă presiunea parțială a azotului din gazul aflat în contact cu metalul lichid. Aceasta înseamnă că în prezența N₂ atmosferic, conținutul de azot din metal va continua să crească spre limita sa de solubilitate, care se situează în jurul valorii de 430 ppm, la temperatura oțelului topit (1600’C aproximativ).

Denitrurarea metalului este obținută prin circularea în metalul lichid, a unui gaz de spălare care nu conține azot (P_N2=0), în vederea deplasării reacției de mai sus spre dreapta (efect de spălare). Industrial, acest gaz poate fi argon sau heliu injectat, dar cu debit scăzut și cu un cost ridicat, sau monoxidul de carbon format in situ, prin decarburarea metalului în timpul injectării oxigenului, care se practică în mod clasic sub formă gazoasă sau particulară (a se vedea, articolul lui K. Shinme și T. Matsuo, Acceleration of nitrogen removal with decarburization by powdered oxidizer blowing under reduced pressure, apărut în revista japoneză ISIJ în 1987). Limitarea la această practică de injectare a O₂ este legată de conținutul de carbon al metalului, la începutul decarburării, care va reduce volumul de CO degajat în timp și deci denitrurarea posibilă, oricare ar fi conținutul de azot inițial.

RO 121135 Β1

Această apropiere fizico-chimică trebuie să fie completată de rolul jucat de 1 elementele tensioactive din metal, în special, oxigenul și sulful, care au amândouă efect de blocare a transferurilor de azot între gaz și metal. Datorită acest fapt, dincolo de o anumită 3 activitate a oxigenului dizolvat, care corespunde unei limite superioare a conținutului de carbon (care este de ordinul a 0,1 % în greutate pentru oțelurile carbon), denitrurarea cu gaz 5 de spălare poate fi total suprimată.

Astfel, este de înțeles interesul pentru a putea dezvolta o tehnică de denitrurare a 7 metalului lichid, care să permită să se realizeze, prin filiera electrică, oțeluri ale căror conținuturi în azot să fie similare celor obținute prin filiera fontă, adică de ordinul a 20 ppm, a 9 se vedea, mai puțin asupra produsului final obținut.

Problema, pe care o rezolvă invenția, constă în realizarea unei denitrurări a metalului 11 topit, care utilizează cel mai bine potențialul de denitrurare a gazului de spălare, pe de o parte, și care permite, pe de altă parte, să controleze conținutul total final de azot, indepen- 13 dent de conținutul inițial de carbon din baia metalică.

Procedeul de denitrurare a oțelului topit în cursul elaborării sale, prin injectare de 15 oxigen, conform invenției, rezolvă problema menționată, prin aceea că acesta constăîn aducerea prin insuflare în baia metalică, a carbonului sub formă pulverulentă, în condițiile în care 17 oxigenul și carbonul se injectează odată, dar separat, în miezul aceleiași zone a băii metalice (la circa 20 cm distanță unul de altul, de exemplu). 19 în zona de introducere a carbonului și oxigenului, se creează local condiții favorabile denitrurării. Ca efect, în cazul injectării simple a oxigenului (cazul decarburării simple), zona 21 de injectare (vârful ajutajului) va fi marcată printr-o sărăcire a carbonului, care va întârzia formarea CO, și printr-o activitate a oxigenului dizolvat mărită corespunzător care, se știe, 23 va contracara denitrurarea metalului prin bulele de CO formate.

Aportul simultan de carbon în aceeași zonă va permite formarea mai rapid a bulelor 25 de CO, prin reacția între carbon și oxigen, și o reducere a activității locale a oxigenului dizolvat. Se obține cea mai bună eficiență a denitrurării prin CO degajat, care va înlocui tendința 27 naturală a oțelului de a se nitrura în contact cu azotul din aer la suprafață și ar conduce per total la o diminuare a conținutului de azot din metal. 29 într-un cuptor cu arc, ca de altfel în orice reactor siderurgic care constituie filiera de producere a metalului, incinta nu este și nu poate fi riguros etanșă față de mediul exterior. 31 în consecință, conținutul final de azot al produsului obținut rezultă în mod necesar dintr-un compromis între reprizele de azot (contaminare cu aer, de exemplu) și denitrurarea utilizată 33 în timpul obținerii fazei lichide.

De altfel, prin stabilirea cantităților pe baza calcului stoichiometric (1 kg de C pentru 35 0,9 m de O₂), nu se modifică conținutul în carbon al băii metalice. Se realizează astfel o degajare de CO la un conținut constant de carbon din baie, a cărei durată poate fi adaptată 37 la denitrurarea dorită (conținut în azot vizat în raport cu conținutul inițial de azot).

Procedeul conform invenției prezintă următoarele avantaje: 39

- poate fi utilizat la orice tip de utilaj siderurgic, la conținuturi scăzute de carbon;

- permite o denitrurare rapidă și eficientă, mai ales în cazul aplicării la cuptoarele cu 41 cuvă dublă.

Invenția va fi prezentată în continuare, în legătură și cu fig. 1 ...3, care reprezintă: 43

- fig. 1, grafic al evoluției comparate a conținutului de azot, exprimat în greutate, dintr-o baie de oțel, într-un cuptor electric care conține 0,15% carbon în greutate, în funcție 45 de volumul de CO degajat în baie, pornind de la o injectare cu oxigen (curba a) și de la o coinjectare de carbon-oxigen, conform invenției (curba b); 47

RO 121135 Β1

- fig. 2, grafic analog celui din la figura precedentă, dar dintr-o baie decarburată, adică în cazul în care conținutul de carbon, exprimat în greutate, din baia metalică, este scăzut, în special mai mic de 0,1%;

- fig. 3, grafic al evoluției comparate a conținutului de azot, exprimat în greutate, în funcție de volumul de CO degajat în baie, prin coinjectarea de carbon-oxigen, în funcție de natura gazului care transportă carbonul injectat.

Procedeul de denitruare a oțelului topit, în timpul elaborării, conform invenției, a fost testat și utilizat în condiții industriale, într-un cuptor mic, având o capacitate de 61, prin introducerea simultană a carbonului și oxigenului prin două orificii de injectare independente, ale căror extremități de ieșire sunt situate la același nivel din mijlocul băii de oțel topit care se tratează, la o distanță de 20 cm unul de altul. Aportul de carbon se realizează dintr-un cărbune cu conținut scăzut de sulf și azot (conținuturi în greutate mai mici de 0,1% pentru aceste două elemente), și utilizând fie argon, fie azot ca gaz purtător. Aportul de oxigen se face fie prin injectare de O₂ gazos, fie prin injectare de minereu de fier (echivalentul fiind 0,2 Nm³ de O₂ pentru 1 kg de minereu).

Rezultatele cantitative, obținute, sunt cele prezentate în fig. 1 și 2, în care se compară coinjectarea carbonului și oxigenului (curba b) cu o decarburare simplă (curba a) și, reprezentând astfel evoluția conținutului de azot din metal, în funcție de CO degajat în baie, pentru un oțel cu peste 0,15% carbon (fig. 1) și cu mai puțin 0,10% (fig. 2).

Așa cum se poate vedea, pentru oțelurile puțin decarburate, conținutul în O₂ dizolvat este totdeauna prea scăzut pentru a ajunge să blocheze difuzia azotului dizolvat spre bulele de gaz de spălare și CO de decarburare a băii (curba a) sau CO generat prin reacția dintre carbon și oxigen în baie, conform invenției (curba b). Se observă, ca efect, o alură a graficului similară celor două curbe cinetice de denitrurare, una lângă cealaltă, date în funcție de cantitatea de CO acumulată, care se degajă în baie, în timp, putându-se nota cea mai bună eficiență, de ordinul de 5 ppm, în favoarea injectării mixte, conform invenției.

în schimb, pentru oțelurile decarburate sau cu un conținut scăzut de carbon, pentru care se va fixa limita de 0,10% în greutate, știindu-se că sub acest prag nu mai are loc denitrurarea prin simplul joc al decarburării, din fig. 3 se observă că cinetica denitrurării în caz de coinjectare (curba b) are aceeași alură ca și în cazul precedent, și că aceasta este independentă de conținutul inițial în carbon, al băii. în schimb, în cazul clasic de monoinjectare, doar a O₂ (curba a), se constată o reluare sistematică de azot, care crește în mod regulat în timpul degajării de CO la decarburare. Acest fenomen de reluare a azotului care, așa cum s-a explicat deja, este rezultanta a două mecanisme care au loc simultan dar, în sens contrar, arată în cazul conținutului redus de carbon, că denitrurarea cu CO de decarburare este blocată prin formarea locală, în vecinătatea bulelor de gaz, a fazelor oxidate cu activitate ridicată, și, în consecință, reprizele de azot atmosferic reprezintă mecanismul dominant, mult mai intens decât la suprafața băii, aceasta fiind agitată de bulele care vin aici să se spargă (curba a). Dimpotrivă, așa cum arată curba b din fig. 1, în cazul coinjectării conform invenției (curba b din fig. 2), mecanismul dominant este întotdeauna cel de denitrurare prin CO de spălare, independent de conținutul inițial de carbon, deci și pentru conținuturi foarte scăzute de carbon.

Influența gazului de transport al carbonului asupra rezultatelor obținute este prezentată în fig. 3. Aici se poate vedea că utilizând cărbune sub un flux de azot (curba 1), cinetica de denitrurare este mai lentă și conduce la un conținut de azot în metal limită (palier p) sub care nu avem acces, mai mult decât în cazul unei injectări sub flux de argon. Este posibil să se obțină o nitrurare, în acest caz, care poate fi compatibilă cu un obiectiv mediu cu privire la azotul vizat (palier p la 35 ppm, în cazul prezent, de exemplu).

RO 121135 Β1

Procedeul de denitrurare conform invenției s-a demonstrat a fi suficient de flexibil în 1 realizare, pentru a permite variante multiple de realizare, menționând în cele ce urmează câteva exemple. 3

- Utilizarea oricărui tip de aport de carbon și oxigen.

Se poate utiliza ca aducător de oxigen orice gaz oxidant sau orice pudră oxidantă 5 (minereu de fier, dar și minereu de mangan, silice pudră). De asemenea, se poate utiliza orice tip de produs carbonat, la sfârșitul introducerii carbonului. 7

Se mai pot utiliza produse conținând aceste două elemente, pentru care aportul local este efectuat într-un mod cunoscut, prin mijloace automatizate (a se vedea, amestecuri preparate 9 în avans, de exemplu, amestec cărbune/minereu de fier).

- Utilizarea oricărei tehnologii de introducere, asigurând condiții locale, 11 urmărite aici.

S-ar putea utiliza ajutaje de injectare clasice, răcite sau nu; ajutaje laterale imersate, 13 sau orice altă formă de injectoare, fie de tip pentru injectări separate pentru oxigen și carbon, sau de tip pentru injectare unică, cu tuburi concentrice sau adiacente. 15

Coinjectarea conform invenției poate să se utilizeze fără dificultăți deosebite la cuptorul electric, dar la fel în convertizorul de suflare a O₂ la înălțime (tipul LD, AOD) sau pe la 17 fund (tip OBM, LWS); la cuptorul sau în instalațiile sub vid, tip RH, unde s-ar putea beneficia în plus de efectul vidului asupra denitrurării (pN₂ scăzut sub baia metalică). 19

S-a observat anterior avantajul de a regla aporturile de O₂ și de C la utilizarea acestei tehnici, la orice tip de reactor siderurgic stoichiometrie. Așa cum se înțelege, este deci posibil 21 să se mențină condițiile de denitrurare în vârful ajutajului, modificând ușor raportul carbon/oxigen, pentru a urma, de exemplu, o decarburare a metalului în același timp cu faza 23 denitrurantă.

Datorită modifiării condițiilor locale (conținutul de carbon, activitatea oxigenului di- 25 zolvat), această tehnică permite denitrurarea metalului, conținutul mediu de carbon din baia metalică fiind mai mic de 0,1% (limită sub care nu mai are loc denitrurarea cu o simplă 27 decarburare). Faze de denitrurare prin degajare de CO la un conținut constant de carbon al băii au putut fi realizate pentru un conținut mediu de carbon al băii, cuprins între 0,05 și 29 0,1% în greutate.

Procedeul nu necesită investiții mari. în cazul cuptorului electric, în special, instalațiile 31 necesare sunt în general disponibile în uzină, adică: o rețea de alimentare cu oxigen, cuplată cu un dispozitiv de injectare în metal (prezent deja pentru decarburare) și un distribuitor de 33 pulbere, asociat cu un dispozitiv de injectare a cărbunelui în metal (deja prezent pentru injectarea cărbunelui în zgură). Acest ultim dispozitiv va trebui să fie dublat dacă se dorește 35 realizarea unei injectări simultane de carbon și oxigen în metal, producându-se în același timp o zgură spumantă în baia metalică. în cazul altor reactoare, este necesar să se prevadă 37 un dispozitiv de introducere a carbonului în aceeași zonă ca și oxigenul injectat.

Costul utilizării acestei tehnici de denitrurare se rezumă deci la elementele consu- 39 mabile: produșii care dau carbon și oxigen, precum și gaz de transport, în cazul injectării produșilor solizi. 41

Această tehnică poate fi interesantă în cazul unui cuptor electric cu o cuvă dublă, în care faza de denitrurare prin aport simultan de carbon și oxigen s-ar putea realiza în timp 43 mascat, când se realizează topirea unei noi șarje metalice în cealaltă cuvă pusă sub tensiune. Pentru aceasta, operația de denitrurare se va face la sfârșitul elaborării unei șarje, 45 fără tensiune electrică, puterea electrică fiind transferată la o altă cuvă, pentru topirea șarjei următoare, fără piederi de productivitate pentru oțelărie. 47

Se va ține cont de faptul că procedeul conform invenției poate prezenta variante de realizare multiple, echivalente. 49

Claims (4)

1. 3 1. Procedeu de denitrurare a unei băi de oțel topit, în curs de elaborare, prin introducerea oxigenului, caracterizat prin aceea că acesta constă în aducerea în baie, a carbo5 nului sub o formă insuflabilă, oxigenul și carbonul fiind injectate odată, dar separat, în masa aceleiași zone a băii metalice.
2. 7 2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că aportul de carbon și oxigen este reglat stoichiometric.
3. 9 3. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, carbonul este injectat în fază solidă, pulverulentă, cu ajutorul unui gaz transportor.
4. 11 4. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că se realizează într-o instalație de oțelărie electrică, cu o cuvă dublă.