WO1997019197A1 - Verfahren und vorrichtung zur entkohlung von stahlschmelzen - Google Patents

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Horst-Dieter Schöler
Volker Wiegmann
Rainer Dittrich
Frank Haers
Leo Peeters
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    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
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    • F27D2003/169—Construction of the lance, e.g. lances for injecting particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0075—Regulation of the charge quantity

Definitions

  • the invention relates to a process for the decarburization of molten steel in a closed metallurgical vessel which is connected to a vacuum system and into which combustible substances can be introduced oxygen and a feed device, and a corresponding device for carrying out the process
  • EP 0 1 10 809 discloses a method for treating steel in the ladle by means of reactive slags, in which a metallothermic reaction is provided, with With the help of a lance, oxygen is blown into a bell immersed in the melt, combustible metallic substances react to form reactive slags and a neutral or reducing purge gas is blown in below the pipe in which the steel treatment takes place
  • Vacuum chamber and an oxygen lance is arranged in the vacuum chamber at a given distance, from which oxygen or oxygen-containing gas for burning the CO is inflated near the surface of the molten steel located in the vacuum chamber, taking into account a predetermined ratio of (CO + CO 2 ) / Amount of exhaust gas or CO / (CO + CO 2 )
  • Oxygen or an oxygen-containing gas is supplied through a CO combustion lance near the surface of the molten steel in the vacuum chamber
  • the invention has set itself the goal of creating a method and a corresponding device for decarburizing a steel melt, in which the decarburization time is reduced and / or the end carbon content is reduced while realizing a high degree of oxide purity
  • the chemical heating agent for example in the form of aluminum powder, can be used in a special way to accelerate decarburization.
  • the reaction kinetics are influenced by the Al 2 O 3 particles formed during heating. These deoxidation products act as foreign germs and can therefore force the decarburization rate, especially through the formation of CO bubbles.
  • a combination lance is used in which the oxygen and the metallic fuels are conveyed.
  • Figure 1 Treatment in a vacuum vessel.
  • FIG. 1 Treatment in an RH vessel.
  • Figure 3 Treatment in a closed pan.
  • FIG. 1 shows a vacuum vessel 43 provided with a lid 44, which has a
  • Suction line 42 is connected to a vacuum system 41.
  • a vacuum vessel In the vacuum vessel there is a metallurgical vessel 10 which has a jacket 12 which is provided with a refractory lining 13 on the inside. The vessel is filled with melt S.
  • a measuring lance 28 and a combination lance 31 protrude through the cover 44.
  • the combination lance 31 has a feed line 32 for oxygen and a feed line 33 for metallic substances.
  • a shut-off 34 is provided on the feed line 32 and a shut-off 35 on the feed line 33.
  • the barriers 34 and 35 have
  • Control elements 23, 25, which are connected to a measuring and regulating device 22 via control lines 24, 26.
  • This measuring and control device 22 is connected via a measuring line 27 to a measuring element 21 provided on the measuring lance 28 for measuring the temperature T and a measuring element 29 for measuring the pressure P prevailing in the vessel space.
  • an open metallurgical vessel 10 is used, which is filled with melt, a tube feed 46 and a tube outlet 47 of an RH vessel 45 being immersed in the melt.
  • the RH vessel is connected to a vacuum system 41 via a suction line 42.
  • Combination lance 31 projects into the RH vessel for supplying, in particular, coarse solids, a tube 38 which is connected to a container 36 by a shut-off 37.
  • the measuring, regulating and control device is designed as in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a vessel 10 which is closed by a lid 15 which has a bell 14 which, on the mouth side, is immersed in the melt S located in the vessel 10.
  • the suction line 42 connected to the vacuum 41 is designed in such a way that a lockable branch is provided, specifically to the bell 14 with the shutoff 48 and to the cover 15 with the shutoff 49.
  • the measuring and regulating device as well as the control device are designed as in FIGS. 1 or 2.
  • the temperature measuring element 21 is guided through the metallic jacket 12 of the vessel 10 deep into the refractory lining 13.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
  • Coating With Molten Metal (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entkohlung von Stahlschmelzen in einem geschlossenen metallurgischen Gefäß, das an eine Vakuumanlage angeschlossen ist und in das über eine Lanze Sauerstoff sowie über eine Zuführeinrichtung brennbare Stoffe einführbar sind. Hierbei erfolgen folgende Schritte: a) nach Einfüllen der Schmelze und kontinuierlichem Absenken des Druckes unter 100 mbar wird zusätzlich zu dem während der Entkohlungsphase zur Durchführung des C-Abbrandes eingesetzten Ergänzungs-Sauerstoffs eine vorgebbare Menge an Überschuß-Sauerstoff eingeblasen; b) zum Zeitpunkt des partiellen Sauerstoffüberberschusses wird metallischer Brennstoff gleichmäßig verteilt zugegeben. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung, bei der im verschließbaren Gefäß Meßelemente (21 und 29) zur Erfassung der Schmelzentemperatur (T bzw. des Druckes P) vorgesehen sind, die über ein Meß- und Regelgerät (22) mit Steuerorganen (23, 25) zur Zuführung von Sauerstoff (O2) und metallischen Brennstoffen (A) verbunden sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Entkohlung von Stahlschmelzen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entkohlung von Stahlschmelzen in einem geschlossenen metallurgischen Gefäß, das an eine Vakuumanlage angeschlossen ist und in das über eine Lanze Sauerstoff sowie über eine Zufuhreinrichtung brennbare Stoffe einfuhrbar sind, und eine entsprechende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Bei der sogenannten Forced Decarburizadion ist es bekannt, Sauerstoff während der Entkohlungsphase zuzusetzen. Dieser Sauerstoffzusatz ist immer dann erforderlich, wenn der im Stahl vorhandene Sauerstoff zur Entkohlung nicht ausreicht, bzw. so niedrig ist, daß der erforderliche C-Abbau nicht in der zur Verfügung stehenden Zeit abgeschlossen ist. Bei einem solchen Verfahren werden beispielsweise Tauchrohre eines RH-Gefäßes in die Schmelze eingetaucht. Mit Start des Druckabbaus im RH-Gefäß startet der Entkohlungsprozeß gleichzeitig in Abhängigkeit mit der Druckabsenkung. Bei einem erreichten Unterdruck von p < 100 mbar wird die Sauerstofflanze gestartet und O2 etwa 1 bis 3 min. geblasen. Während der
Tiefvakuumphase findet die Selbstentkohlung statt, die Entkohlung wird beendet nach der Desoxidation.
Während der Entkohlung werden bis zu 70 % CO gebildet. Ein Teil dieses Gases reagiert automatisch mit Teilen des zugesetzten Sauerstoffs zu CO2. Der Nachverbrennungsgrad ist bei dieser Fahrweise kleiner 30 %. Weiterhin ist es hüttenmännische Praxis, zum chemischen Aufheizen von Stahlschmelzen in atmosphaπschen Anlagen Aluminium einzusetzen Bei diesem chemischen Heizen wird der Energiegewinn, der aus der Verbrennung des Aluminiums mit dem zugesetzten Sauerstoff resultiert, zum Aufheizen der Schmelze ausgenutzt
Neben dem reinen thermischen Heizen mit Aluminium kann dieses mit anderen Stoffen zur Behandlung der Schmelze eingesetzt werden So ist aus EP 0 1 10 809 ein Verfahren zur Behandlung von Stahl in der Pfanne mittels reaktiven Schlacken bekannt, bei der eine metallothermische Reaktion vorgesehen ist, wobei mit Hilfe einer Lanze Sauerstoff in ein in die Schmelze eingetauchte Glocke eingeblasen wird, brennbare metallische Stoffe unter Bildung reaktiver Schlacken reagieren und unterhalb des Rohres, in welchem die Stahlbehandlung stattfindet, ein neutrales oder reduzierendes Spulgas eingeblasen wird
Nachteil dieses Verfahrens zur Entschweflung-, Desoxidation- und Reinigungsreaktion von Stahlschmelzen ist die Bildung der reaktiven Schlacken, die in der in das flussige Metall eingetauchte Glocke stattfinden sollen
Weiterhin ist aus der EP 0 347 884 B1 ein Verfahren zum Entgasen und Entkohlen von erschmolzenem Stahl bekannt, bei dem Stahl aus einem Behälter in eine
Vakuumkammer gefuhrt hat und in der Vakuumkammer im gegebenen Abstand eine Sauerstofflanze angeordnet ist, aus der Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas zur Verbrennung des CO in der Nähe der Oberflache des in der Vakuumkammer befindlichen erschmolzenen Stahls aufgeblasen wird Unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Verhältnisses von (CO + CO2)/Abgasmenge bzw CO/(CO + CO2) wird
Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas durch eine Lanze zur Verbrennung von CO in der Nahe der Oberfläche des in der Vakuumkammer befindlichen erschmolzenen Stahls zugeführt
Diesem Verfahren ist nicht zu entnehmen, die Schmelze bei bestimmten
Druckverhaltnissen chemisch aufzuheizen und mit einer definierten Uberschußmenge an Sauerstoff aufzublasen Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, ein Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Entkohlurig einer Stahlschmelze zu schaffen, bei denen unter Realisierung eines hohen oxidischen Reinheitsgrades die Entkohlungszeit verkürzt und/oder der Endkohlenstoffgehalt vermindert wird
Die Erfindung erreicht dieses Ziel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 5
Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu dem wahrend der Entkohlungsphase zur Durchfuhrungs des Kohlenstoffabbaus eingesetzten Erganzungssauerstoffs weiterer
Sauerstoff eingeblasen und gleichzeitig metallischer Brennstoff verteilt zugegeben
In bekannten Vakuumanlagen wurden bisher ausschließlich beruhigt vergossene (AI, Si oder Al-Si-Desoxidation) Schmelzen bzw unberuhigt vergossene Schmelzen (Entkohlungsschmelzen) nach erfolgter Entkohlung und anschließender Desoxidation chemisch aufgeheizt Die Begründung war die Erniedrigung des zur Entkohlung erforderlichen Sauerstoffs beim Zusatz des Heiz-Alumimums Ausgenutzt wird der Energiegewinn, der bei der Reaktion aus der Verbrennung des Aluminiums mit dem zugesetzten Sauerstoff resultiert. Bei diesem Verfahren wurde aber die Entkohlungsreaktion stark gebremst und der zu erwartende Entkohlungssauerstoff wurde nicht erreicht
Erfindungsgemaß wird dieser Nachteil umgangen und der während der Entkohlung eintretende Temperaturverlust durch den Heizvorgang mit Aluminium oder ähnlichen Produkten wird kompensiert Bei dem vorgeschlagenen Sauerstoffzusatz kommt es zu einem zeitlich begrenzten partiellen Sauerstoffüberschuß in der Schmelze Partieller Sauerstoffüberschuß ist der zusätzliche Sauerstoff, der während der Entkohlung unberuhigt vergossenen Schmelzen in Vakuumanlagen zum Verbrennen metallischer Brennstoffe bzw Brennstoffgemische zusätzlich benötigt, ohne den Entkohlungsprozeß nachteilig zu beemflußen. Dieser Überschuß zeigt positive thermodynamische und kinetische Effekte und fördert in überraschender Weise den Entkohlungsprozeß. Bei der Entkohlungsreaktion [C] + [O] = (CO), die nicht nur stark druckabhängig sondern auch im besonderen Maße temperaturabhängig ist, wird dadurch beschleunigt, daß die beim chemischen Heizen kurzzeitig anstehende starke Überhitzung einer Teilschmelze insbesondere im RH-Gefäß sich katalytisch auf die Entkohlungsreaktion auswirkt.
Weiterhin kann in besonderer Weise das chemische Aufheizmittel, beispielsweise in Form von Aluminiumgrieß für die Beschleunigung der Entkohlung benutzt werden. Neben dem thermodynamischen Effekt wird nämlich die Reaktionskinetik durch die beim Heizen gebildeten AI2O3-Partikel beeinflußt. Diese Desoxidationsprodukte wirken als Fremdkeime und können somit forcierend auf die Entkohlungsgeschwindigkeit, insbesondere durch die Bildung von CO-Blasen, wirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Kombinationslanze eingesetzt, bei der der Sauerstoff und die metallischen Brennstoffe gefördert werden. Bei besonders grobkörnigen Stoffen wird vorgeschlagen, diese durch ein gesondertes Rohr dem Gefäß zuzuführen.
Mit diesem Verfahren kann jede partielle Temperatur-Zunahme während einer Entkohlung unter Vakuum realisiert werden. Dies hat den Vorteil, typische Temperaturverluste wie z.B. durch ungenügend vorgewärmte Behandlungsgefäße bzw. Stahlpfannen und durch Verzögerungen infolge Transport- oder verlängerte Behandlungszeiten zu kompensieren.
Mit gezieltem chemischen Aufheizen der Entkohlungsschmelzen während der Entkohlungsphase können die Konverter- oder UHP-Abstichtemperaturen gesenkt werden. Dies führt:
bei Konvertern zu
- höheren Konverterhaltbarkeiten
- hohe Variabilität im festen Schrotteinsatz
- kürzeren Tap to tap-Zeiten
bei Elektro-Lichtbogenöfen zu
- kürzeren Tap to tap-Zeiten
- geringerer spezifischer Elektroden-Verbrauch
- geringerem spezifischen Energieverbrauch Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich bei verschiedensten Gefäßformen anwenden, wie im folgenden Beispiel der beiliegenden Zeichnung dargelegt. Dabei zeigen:
Figur 1 Die Behandlung in einem Vakuumgefäß.
Figur 2 Die Behandlung in einem RH-Gefäß.
Figur 3 Die Behandlung in einer geschlossenen Pfanne.
Die Figur 1 zeigt ein mit einem Deckel 44 versehenes Vakuumgefäß 43, das über eine
Saugleitung 42 an eine Vakuumanlage 41 angeschossen ist. Im Vakuumgefäß befindet sich ein metallurgisches Gefäß 10, das einen Mantel 12 aufweist, der mit einer Feuerfestauskleidung 13 innen versehen ist. Das Gefäß ist mit Schmelze S gefüllt.
Durch den Deckel 44 ragen eine Meßlanze 28 und eine Kombinationslanze 31.
Die Kombinationslanze 31 weist eine Zuleitung 32 für Sauerstoff und eine Zuleitung 33 für metallische Stoffe auf. An der Zuleitung 32 ist eine Absperrung 34 und an der Zuleitung 33 eine Absperrung 35 vorgesehen. Die Absperrungen 34 und 35 weisen
Steuerorgane 23, 25 auf, die über Steuerleitungen 24, 26 mit einem Meß- und Regelgerät 22 verbunden sind. Dieses Meß- und Regelgerät 22 ist über eine Meßleitung 27 mit einem an der Meßlanze 28 vorgesehenen Meßelement 21 zur Messung der Temperatur T und ein Meßelement 29 zur Messung des im Gefäßraum herrschenden Druckes P verbunden.
Bei der Figur 2 wird ein offenes metallurgisches Gefäß 10 eingesetzt, das mit Schmelze gefüllt ist, wobei in die Schmelze eine Rohrzuführung 46 und eine Rohrabführung 47 eines RH-Gefäßes 45 eintauchen. Das RH-Gefäß ist über eine Saugleitung 42 mit einer Vakuumanlage 41 verbunden. Zusätzlich zu einer
Kombinationslanze 31 ragt in das RH-Gefäß zur Zuführung von insbesondere groben Feststoffen ein Rohr 38 hinein, das durch eine Absperrung 37 mit einem Behälter 36 in Verbindung steht. Die Meß- und Regel- sowie die Steuereinrichtung ist wie in der Figur 1 ausgebildet. Die Figur 3 zeigt ein Gefäß 10, das durch einen Deckel 15 verschlossen ist, der eine Glocke 14 aufweist, die mündungsseitig in die im Gefäß 10 befindliche Schmelze S eintaucht.
Die mit der Vakuum 41 verbundene Sauleitung 42 ist so ausgestaltet, daß eine absperrbare Verzweigung vorgesehen ist, und zwar einmal zur Glocke 14 mit der Absperrung 48 und zum Deckel 15 mit der Absperrung 49.
Die Meß- und Regeleinrichtung wie auch die Steuereinrichtung sind wie in den Figuren 1 oder 2 ausgestaltet. Zur Druckmessung sind die Elemente 29 im
Innenraum 17 der Glocke 14 sowie im Innenraum 11 des Gefäßes, hier der Pfanne 10, vorgesehen.
Das Temperatur-Meßelement 21 ist durch den metallischen Mantel 12 des Gefäßes 10 bis tief in die Feuerfestauskleidung 13 geführt.
O 97/19197 PPC< T/DE96/02165
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Positionsliste
10 Metallurgisches Gefäß Vakuumeinrichtung
11 Innenraum Gefäß 41 Vakuumanlage
12 Mantel 42 Saugleitung
13 Feuerfestauskleidung 43 Vakuumgefäß
14 Glocke 44 Deckel
15 Deckel 45 RH-Gefäß
17 Glockeninnenraum 46 Rohr Zuführung
47 Rohr Abführung
Meß- und Regeleinrichtung 48 Absperrung Glocke
21 Meßelement 49 Absperrung Pfanne
22 Meß- und Regelgerät
23 Steuerorgan O2 A Brennstoff
24 Steuerleitung O2 O2 Sauerstoff
25 Steuerorgan Brennstoff T Temperatur
26 Steuerleitung Brennstoff P Druck
27 Meßleitung
28 Meßlanze Temperatur
29 Meßelement Druck
Medien
31 Kombinationslanze
32 Zuleitung Sauerstoff 33 Zuleitung metallische Brennstoffe
34 Absperrung O2
35 1. Absperrung Brennstoff
36 Brennstoffbehälter
37 2. Absperrung Feststoff 38 Rohr Feststoff

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Entkohlung von Stahlschmelzen in einem geschlossenen metallurgischen Gefäß, das an eine Vakuumanlage angeschlossen ist und in das über eine Lanze Sauerstoff sowie über eine Zuführeinrichtung brennbare Stoffe einführbar sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) nach Einfüllen der Schmelze und kontinuierlichem Absenken des Druckes unter 100 mbar wird zusätzlich zu dem während der Entkohlungsphase zur Durchführung des C-Abbrandes eingesetzten
Ergänzungs-Sauerstoffs eine vorgebbare Menge an Überschuß-Sauerstoff einblasen, b) zum Zeitpunkt des partiellen Sauerstoffüberschußes wird metallischer Brennstoff gleichmäßig verteilt zugegeben.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Brennstoff Aluminium-Pulver bzw. Aluminium-Grieß oder ein Brennstoffgemisch ist, z.B. AI, Fe, Si, Mn.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Brennstoff in Portionen diskontinuierlich zugegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß nach Unterschreitung von p - 100 mbar während der ersten 10 min. Blasezeit der Überschuß-Sauerstoff eingeblasen wird.
5. Einrichtung zur Entkohlung von Stahlschmelzen mit einem verschließbaren
Gefäß, das an eine Vakuumanlage angeschlossen ist und in dessen Innenraum über Zuführeinrichtungen Gase und körnige Feststoffe zuführbar sind, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im verschließbaren Gefäß Meßelemente (21 und 29) zur Erfassung der Schmelzentemperatur (T bzw. des Druckes P) vorgesehen sind, die über ein Meß- und Regelgerät (22) mit Steuerorganen (23, 25) zur Zuführung von Sauerstoff (O2) und metallischen Brennstoffen (A) verbunden sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verschließbare Gefäß ein mit einem Deckel (44) versehenes Vakuumgefäß (43) ist, in dem ein metallurgisches Gefäß (10) abstellbar ist, daß durch den Deckel (44) eine mit dem Meßelement (21) versehene Lanze (28) führbar ist, die bis in die in dem metallurgischen Gefäß (Pfanne 10) befindlichen Schmelze (S) ragt, und daß durch den Deckel (44) Zuleitungen (32, 33) für Sauerstoff (O2) und metallische Brennstoffe (A) ragen, an denen die Steuerorgane (23, 25) angeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verschließbare Gefäß als RH-Behälter ausgestaltet ist, dessen Zu- und Abführrohre (46, 47) in die in ein metallurgisches Gefäß (Pfanne 10) befindliche
Schmelze (S) eintauchen, und daß die Steuerorgane (23, 25) an Absperrungen (34, 35) angeschlossen sind, die in Zuleitungen (32, 33) für Sauerstoff (O2) und/oder Brennstoffe (A) angeordnet sind. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glocke (14) vorgesehen ist, die durch einen die Gefäßmundung (16) des metallurgischen Gefäßes (10) verschließenden Deckel (15) geführt ist und bis in die Schmelze (S) ragt, und daß Zuleitungen (32, 33) für Sauerstoff (O2) und metallische Brennstoffe (A) vorgesehen sind, die in den Glockeninnenraum (17) ragen und an denen Absperrungen (34, 35) steuernde Steuerorgane (23, 25) angebracht sind
9 Einπchtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombinationslanze (31 ) vorgesehen ist, in der die Zuführungen (32, 33) für Sauerstoff (O2) und/oder metallischen Brennstoffen (A) angeordnet sind
10 Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Zufuhrung (33) für metallische Brennstoffe der Kombinationslanze (31) ein in das Gefäß ragende Rohr (33) vorgesehen ist, durch das insbesondere grobkörnige Feststoffe aus einem Behälter (36) forderbar sind
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