SI20533A - Postopek za denitriranje staljenega jekla med njegovo izdelavo - Google Patents

Abstract

Postopek sestoji iz vbrizganja kisika in ogljika v vpihljivi obliki (prašnato oglje prednostno) v kopel staljene kovine, ki jo je treba obdelati, skupno vendar ločeno v isto cono kopeli tako, da se lokalno iz teh dveh elementov ustvarijo v kopeli mehurčki CO, ki bodo nato pri dušiku prevzeli nalogo za denitriranje. Stehiometrično reguliranje uvajanj ogljika in kisika omogoča denitriranje pri konstantnem ogljiku v kopeli. Postopek se prednostno uporablja pri izdelavi vrst jekla z zelo nizkim ogljikom, zlasti v električni peči.ŕ

Description

POSTOPEK ZA DENITRIRANJE STALJENEGA JEKLA

MED NJEGOVO IZDELAVO

Pričujoči izum se nanaša na področje izdelave jekel z nizkimi vsebnostmi dušika. Uporablja se ugodno pri izdelavi vrst z nizkim in zelo nizkim ogljikom.

Poznano je, da se prisotnost dušika v jeklu lahko pokaže nezaželena iz različnih vzrokov. Eden med njimi je učinek tega elementa na lastnosti za uporabo jekel, zaradi zmanjšanja duktilnosti kovine in torej njene sposobnosti vlečenja (v fr. orig.: 1'emboutissage), ali če je dušik prisoten v obliki aluminijevega nitrida, zaradi zmanjšanja sposobnosti za varjenje zaradi prenosa dušika v raztopino v ZAC (cona, na katero vpliva toplota) in rezultirajoče mehanske lokalne lomljivosti. Vendar je prisotnost dušika lahko nezaželena tudi zaradi njegovega učinka celo na faze postopkov za proizvodnjo, kot na primer povečanje razpok, povezanih pri kontinuirnem litju v livnem loncu (v fr. orig. : la poche) z duktilnostjo ali zmanjšanje sposobnosti dobljenega proizvoda, da se vleče.

Postopki izdelave ali vrsta določenih jekel potrebujejo torej včasih zelo nizke vsebnosti dušika pri končnem dobljenem proizvodu, na primer, da se določijo pomeni, od 15 do 25 ppm za pločevine, namenjene avtomobilski kostrukciji ali za jekla za embalažo, okoli 50 ppm za plošče za ploščadi off-shore ali od 40

-2do 60 ppm za žice za ojačanje pnevmatik, itd. . . Te vsebnosti dušika se pričakujejo v jeklarni v vseh fazah izdelave staljene kovine, od električne peči ali od konverterja do njegove strditve pri kontinuirnem litju. Poznano je, da se posebno izdelava v električni peči razlikuje zaradi močne kontaminacije kovine z dušikom, zaradi krekiranja molekul dušika iz zraka v termični coni električnega obloka, ki olajša njegov prenos v tekočo kovino. Poznano je, da je ta pojav važen faktor, ki ovira izdelavo z električnim postopkom dela vrst, izdelanih danes s talilnim postopkom (v fr. orig.: la filiere fonte) (redukcija-taljenje železovih rud v talini v visoki peči, potem čiščenje s kisikom v pnevmatičnem konverterju), s katerim se običajno dobijo bolj nizke vsebnosti dušika, reda 20 ppm.

»

Fizikalno - kemični mehanizmi, ki vplivajo na potek vsebnosti dušika v tekočem jeklu, so dobro poznani (glej na primer članek od Ch. Gatellier in H. Gaye, izšel v REVUE de METALLURGIE, CIT, iz januarja 1986, str. 25 do 42) . Dušik sledi kemičnemu ravnotežju kovina plin, ki se lahko izrazi s formulo:

N 1/2 N_{2 (plin)} . Ravnotežna konstanta te reakcije, ki se napiše

K_N ^{= h}n/ (^pN2)^1/f2 > zavisi rahlo od temperature v področju delovanja reaktorjev, za katere gre (1550 do 1700 °C) . aN je aktivnost raztopljenega dušika, ki se lahko prilagodi vsebnosti dušika v kovini v primeru nizko legiranih ogljikovih jekel in PN2 3^e parcialni tlak dušika v plinu v stiku s tekočo kovino. To pomeni, da se bo v prisotnosti atmosferskega N2 vsebnost dušika v kovini kontinuirno povečevala proti svoji meji topnosti, ki se nahaja blizu 430 ppm pri temperaturi staljenega jekla (približno 1600 °C) .

Denitriran j e (v fr. orig.: la denitruration) kovine se, kar se njega tiče, dobi z izvajanjem cirkuliranja izpiralnega plina v tekoči kovini, ki ne vsebuje dušika (P_N2 = 0) , da bi se η

-Jpremaknila reakcija spredaj proti desni (učinek izpiranja). Industrijsko je ta plin lahko vbrizgan argon ali helij, vendar s slabim učinkom in z visokimi stroški ali ogljikov monoksid, tvorjen in situ z razogljičenjem kovine ob vbrizganju kisika, ki se vrši klasično v plinasti obliki ali v obliki delcev (glej na primer članek K. Shinme in T. Matsuo, Acceleration of nitrogen removal with decarburization by powdered oxidizer blowing under reduced pressure”, ki je izšel v japonski reviji ISIJ v 1987) . Meja tega postopka z vbrizganjem 0₂ je povezana s vsebnostjo ogljika v kovini v začetku razogljičenja, ki bo določila volumen CO, emitiran v teku časa in torej možno denitriranje, in s tem, kakšne so začetne vsebnosti dušika ter namen kovine, ki jo je treba izdelati.

Ta fizikalno kemijski pristop je treba dopolniti z vlogo, ki jo igrajo površinsko aktivni elementi kovine, namreč kisik in žveplo, ki imata oba učinek blokiranja prenosov dušika med kovino in plinom. Zaradi tega je nad določeno aktivnostjo raztopljenega kisika, ustrezajočo zgornji meji vsebnosti ogljika, ki je reda 0,1 mas. % za ogljikova jekla), lahko denitriranje z izpiralnim plinom popolnoma inhibirano.

Tako se razume vsak interes, da bi uspelo razviti tehniko denitriranja tekoče kovine, ki posebno omogoča izdelavo jekel z električnim postopkom, katerih vsebnosti dušika bi bile podobne tistim, dobljenim s talilnim postopkom, to je reda 20 ppm, in celo manj pri dobljenem končnem proizvodu.

Cilj pričujočega izuma je natančno izvesti denitriranje staljene kovine, ki izrablja najbolje denitrirajoči potencial izpiralnega plina z ene strani in, ki omogoča, z druge strani, uravnavanje končne vsebnosti dušika neodvisno od začetne vsebnosti ogljika v kovinski kopeli, medtem ko je to sedaj primer s klasičnim

-4razogljičenjem.

V ta namen ima izum za cilj postopek denitriranja staljenega jekla v teku izdelave z vpihavanjem kisika, označen s tem, da sestoji tudi iz uvajanja ogljika v vpihljivi obliki (prašnat ogljik) in da sta ogljik in kisik vbrizgana skupno, vendar ločeno znotraj iste cone kovinske kopeli (kakih 20 cm razdalje eden od drugega, na primer).

Tako se v coni uvajanja ogljika in kisika ustvarijo lokalno ugodni pogoji za denitriranje. Dejansko se bo v primeru enostavnega vbrizganja kisika (primer klasičnega razogljičenja) v coni za vbrizganje (ustje brizgalne cevi) hitro pokazalo osiromašenje ogljika, kar bo zakasnilo tvorbo CO in soodnosno povišana aktivnost raztopljenega kisika, ki bo, to je znano, ovirala denitriranje kovine s tvorjenimi mehurčki CO.

Skupno uvajanje ogljika v to isto cono bo omogočalo bolj hitro tvorbo mehurčkov CO z reakcijo med uvedenim ogljikom in kisikom in zmanjšanje lokalne aktivnosti raztopljenega kisika. Zato se dobi boljša učinkovitost denitriranja z emitiranim CO, ki bo tako premagala naravno tendenco jekla, da se nitrira s stiku z dušikom iz zraka na površini in bo torej globalno vodila do zmanjšanja vsebnosti dušika v kovini.

Vsekakor se spomnimo, da v obločni peči, kot vrh tega v vsakem železarskem reaktorju, ki sestavlja postopek za izdelavo kovine, stena ni in ne more biti absolutno tesna z ozirom na zunanjo atmosfero. Zato je končna vsebnost dušika v dobljenem proizvodu nujno posledica kompromisa med obnovitvami dušika (kontaminacija z zrakom, na primer) in denitriranjem, uporabljenim ob izdelavi v tekočem stanju.

-5Ob reguliranju uvajanj zlasti na stehiometričen način (namreč 1 kg C za 0,9 Nm³ O₂) sicer ne modificiramo vsebnosti ogljika v kovinski kopeli. Tako izpeljemo emisijo CO pri konstantni vsebnosti ogljika v kopeli in katere trajanje lahko torej prilagodimo zaželenemu denitriranju (vsebnost dušika, ki se skuša doseči v razmerju na začetno vsebnost dušika).

Izum bo dobro razumljen in drugi vidiki in prednosti se bodo razkrile iz opisa, ki sledi, danega s sklicevanjem na priložene slike risb, na katerih:

- slika 1 je diagram, ki kaže primerjalni potek masne vsebnosti dušika v kopeli jekla v električni peči, ki vsebuje več kot 0,15 mas. % ogljika, v odvisnosti od volumna CO, emitiranega v kopeli, od posameznega vbrizganja kisika (krivulja a) in od soinjiciranja ogljika - kisika po izumu (krivulja b);

- slika 2 je diagram, analogen tistemu iz predhodne slike, vendar na razogljičeni kopeli, to je v primeru, kjer je masna vsebnost ogljika v kovinski kopeli nepomembna, namreč pod 0,1 %.

- slika 3 je graf, ki kaže primerjalen potek masne vsebnosti dušika v odvisnosti od volumna CO, emitiranega v kopeli ob soinjiciranju ogljika-kisika v skladu z naravo nosilnega plina vbrizganega ogljika.

Tehnika soinjiciranja po izumu je bila testirana in uporabljena v industrijskih pogojih v majhni peči s kapaciteto 6 ton, ob uvajanju istočasno ogljika in kisika iz dveh neodvisnih brizgalnih cevi za vbrizganje, katerih izhodni konci so bili nameščeni drug poleg drugega na istem nivoju znotraj kopeli (v fr. orig.: le bain) staljenega jekla, ki ga je bilo treba obdelati, kakih dvajset centimetrov drug od drugega. Uvajanje ogljika smo izvršili z ogljem z nizko vsebnostjo žvepla in dušika (masna vsebnost manjša od 0,1 % za ta dva elementa) in ob

-6uporabi bodisi argona bodisi dušika kot nosilnega plina. Uvajanje kisika se naredi bodisi z vbrizganjem plinastega 0₂, bodisi z vbrizganjem železovih rud (ekvivalent 0,2 Nm³ O₂ za 1 kg rude).

Dobljeni kvantitativni rezultati so predvsem tisti, predstavljeni na slikah 1 in 2, kjer primerjamo soinjiciranje ogljika in kisika (krivulja b) enostavnemu razogljičenju (krivulja a) in to ob predstavljanju poteka vsebnosti dušika v kovini v odvisnosti od volumna CO, emitiranega v kopeli, za jeklo poedino z več kot 0,15 % ogljika (slika 1) in z manj kot 0,10 % (slika 2).

Kot to lahko vidimo za relativno malo razogljičena jekla, je t

vsebnost raztopljenega 0₂ vedno premajhna, da bi uspela blokirati difuzijo raztopljenega dušika proti mehurčkom izpiralnega plina in to bodisi CO iz razogljičenja kopeli (krivulja a) ali CO, proizvedenega z reakcijo med ogljikom in kisikom, uvajanima v kopel skladno z izumom (krivulja b) . Opazimo dejansko popolnoma podoben potek teh dveh kinetičnih krivulj za denitriranje, sicer sosednjih druga drugi, danih v odvisnosti od kumulirane količine CO, ki se sprošča iz kopeli s časom, četudi lahko opazimo nekoliko boljšo učinkovitost, reda 5 ppm, v korist mešanega vbrizganja v skladu z izumom.

Nasprotno, za razogljičena jekla ali z nizkim ogljikom, -katerih mejo postavimo na 0,10 mas. % za določitev pomenov, kajti vemo, da pod tem pragom ne uspemo več denitrirati z enostavnim običajnim delovanjem razogljičenja-, opazimo na sliki 3, da ima kinetika denitriranja v primeru soinjiciranja (krivulja b) prav isti potek kot v predhodnem primeru in da je torej neodvisna od začetne vsebnosti ogljika kopeli. Nasprotno v klasičnem primeru mono-injiciranja O₂ samega (krivulja a) ugotavljamo sistematično

-7obnovitev dušika, ki raste pravilno čisto vzdolž emisije CO iz razogljičenja. Ta fenomen obnovitve dušika, ki, kot je že pojasnjeno prej, je rezultanta dveh mehanizmov, ki delujeta hkrati, vendar v nasprotnem smislu, kaže jasno, da je v primeru nizkega ogljika, denitriranje s CO iz razogljičenja blokirano z lokalno tvorbo oksidiranih faz s povišano aktivnostjo v bližini plinskih mehurčkov in so torej obnovitve z atmosferskim dušikom dominanten mehanizem, toliko bolj učinkovit sicer, kot je površina kopeli vrh tega premešana z mehurčki, ki se tam razpočijo (krivulja a) . Zato pa je v skladu s tem, kar kaže krivulja b iz slike 1, v primeru soinjiciranja po izumu (krivulja b iz slike 2) , dominanten mehanizem vedno tisti denitriranja s CO za izpiranje, neodvisno od začetne vsebnosti ogljika, torej celo za zelo nizke ogljike.

»

Vpliv nosilnega plina za ogljik na dobljene rezultate, je podan na sliki 3. Tam lahko vidimo, da je z vbrizganjem oglja pod tokom dušika (krivulja 1) kinetika denitriranja bolj počasna in vodi k omejeni vsebnosti dušika v kovini (nivo p), pod katero ni mogoče priti, bolj visoki kot v primeru vbrizganja pod tokom argona. Kljub temu je mogoče v tem primeru doseči denitriranje, ki je lahko združljivo s srednjim ciljem za vsebnost dušika, ki jo skušamo doseči (nivo p s 35 ppm v aktualnem slučaju, na primer).

Postopek denitriranja iz tega izuma se izkaže kot dovolj prilagodljiv za realizacijo, da omogoča raznovrstne variante uporabe, katerih nekatere primere omenjamo dalje spodaj:

- Uporaba kateregakoli tipa uvaianna ogljika in kisika. Dejansko se bo kot dajalec kisika lahko uporabil vsak oksidirni plin ali vsak oksidirni prah (železova ruda, vendar tudi manganova ruda, silicijev prah, itd....). Prav tako bomo v namen

-8uvajanja ogljika lahko uporabili vsak tip proizvoda, ki vsebuje ogljik.

Prav tako se bodo lahko uporabili proizvodi, ki vsebujejo hkrati ta dva elementa, za katera se lokalno uvajanje tedaj izvede na poznane načine z avtomatiziranimi sredstvi, in celo vnaprej pripravljene mešanice (mešanica oglje/železova ruda, na primer).

- Uporaba katerekoli tehnologije uvajanja, ki zagotavlja lokalne pogoje, ki jih tu skušamo doseči.

Dejansko se bodo lahko uporabile klasične brizgalne cevi za vbrizganje, hlajene ali ne; potopljene stenske šobe ali katerakoli drugačna oblika injektorjev, ki so tipa za ločena vbrizganja za kisik in'ogljik ali tipa za enkratno vbrizganje s koncentričnimi cevmi ali ležečimi drug poleg drugega.

- Uporaba te tehnike v kateremkoli tipu železarskega reaktorja:

Soinjiciranje v smislu izuma se lahko izvaja brez posebnih težav v električni peči, vendar enako v konverterju s pihanjem 0₂ iz višine (tip LD, AOD) ali pri dnu (tip OBM, LWS) ; v peči-livnem loncu (v fr. orig. : au four-poche) ali v napravah pod vakuumom, tipa RH, kjer bomo povrhu lahko deležni ugodnosti učinka vakuuma na denitriranje (P_N2 nizek nad kovinsko kopeljo).

Modifikacija razmerja oaljik/kisik v primerjavi s stehiometrijo.

Prej smo videli prednost reguliranja uvajanj 0₂ in C pri stehiometriji. Kot se razume, je torej enako mogoče vzdrževati denitrirajoče pogoje na ustju brizgalne cevi ob rahlem modificiranju tega razmerja ogljik/kisik, da bi, na primer,

-9nadaljevali razogljičenje kovine v istem času, kot se vrši denitrirajoča faza.

Med značilnimi prednostmi tega izuma se bo posebno opazila:

- možnost denitriranja pri nizkih vsebnostih ogljika.

Zaradi modifikacije lokalnih pogojev (vsebnost ogljika, aktivnost raztopljenega kisika), omogoča ta tehnika, kot smo videli, da se denitrira kovina, medtem ko je srednja vsebnost ogljika v kovinski kopeli tam nižja od 0,1 % (meja, pod katero se ne denitrira več z enostavnim razogljičenjem). Faze denitriranja z oddajanjem CO pri konstantni vsebnosti ogljika v kopeli so bile lahko tako izvedene za srednjo vsebnost ogljika v kopeli zajeto med 0,05 in 0,1 mas. %.

- enostavnost in prilagodljivost uporabe postopka.

Tehnika ne potrebuje velikega investiranja. Posebno v primeru električne peči so potrebne instalacije navadno že na razpolago v tovarni, namreč: sistem za uvajanje kisika, vezan na napravo za vbrizganje v kovino (običajno že prisoten za razogljičenje) in razdeljevalec prahu, zvezan na napravo za vbrizganje oglja v kovino (navadno že prisoten za vbrizganje oglja v žlindro). Vendar se bo ta zadnja naprava morala ločiti na dvoje, če želimo realizirati hkratno vbrizganje ogljika in kisika v kovino, medtem ko se razvija istočasno peneča se žlindra na kovinski kopeli. V primeru drugih reaktorjev za izdelavo je lahko potrebno predvideti napravo za uvajanje ogljika v isto cono, kot je vbrizgan kisik.

Stroški izvajanja te tehnike denitriranja se torej rezimirajo na stroške potrošnih materialov: na proizvode za uvajanje ogljika

-10in kisika in nosilni plin v primeru vbrizganja trdnih proizvodov.

- denitriranie možno v prikritem času.

Ta tehnika je lahko posebno zanimiva v primeru električne peči z dvojno kadjo (v fr. orig. : a double cuve) , kjer bomo fazo denitriranja s hkratnim uvajanjem ogljika in kisika lahko naredili v prikritem času, medtem ko se izvaja taljenje nove kovinske šarže v drugi kadi, dani pod napetost. Zato se bo operacija denitriranja izvedla na koncu izdelave ene šarže, izven električne napetosti, pri čemer je električna moč prenesena na drugo kad za taljenje naslednje šarže, brez izgube produktivnosti za jeklarno.

Samo po sebi se razume, da ima postopek v smislu ·» gum* lahko številne ekvivalente ali variante realizacije, v kolikor je upoštevana njegova definicija, dana v priloženih zahtevkih.

Claims (4)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Postopek za denitriranje kopeli staljenega jekla v teku izdelave z uvajanjem kisika, označen s tem, da sestoji iz uvajanja tudi ogljika v vpihljivi obliki v kopel in da se ogljik in kisik vbrizgata skupno, vendar ločeno znotraj iste cone kovinske kopeli.
2. 2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se uvajanja ogljika in kisika regulirajo na stehiometričen način.
3. 3. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se ogljik vbrizga v trdnem prašnatem stanju s pomočjo nosilnega plina.
4. 4. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se uporabi v električni jeklarski napravi z dvojno kadjo.