NO812881L - Dyse for oksygenlanse. - Google Patents

Abstract

Smeltet råjern dekarboniseres ved hjelp av en oksygenstrøm fra en lanse utstyrt med en dyse der dysen omfatter et innløp (4), en hals (5). og en konisk divergerende del (6) med en toppvin- ! kei (cc2) på mellom 60 og 70°, fortrinnsvis mellom 62 og 66° og aller helst ca. 65°.Ved dekarbonisering av smeltet råjern. som inneholder krom under anvendelse av en slik dyse oppnås det meget høye krom- og jernutbytter.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en dyse for en lanse for innblåsning av oksygen for dekarbonisering av råjern, og for råjern som inneholder krom. Dysen som oppfinnelsen vedrører, angår i bred tydning dekarbonisering av smeltet råjern ved hjelp av lanser som er plassert over nivået for det smeltede råjern, og som fører frem en oksygenstråle gjennom en dyse mot overflaten av det smeltede råjern. Nær-mere bestemt vedrører oppfinnelsen egenskapene i. oksygenstrålen som kommer ut fra innsprøytningslansene, utstyrt med den nye dysen og innflytelsen av disse egenskapene på betingelsene med hensyn til samvirke mellom oksygenstrålene og det flytende råjern. Den nye dysen benyttes spesielt,

men uten begrensning for dekarbonisering av råjern som inneholder krom.

Et antall studier er blitt utført med hensyn til egenskapene som dyser som er plassert på enden av oksygen-lanser som benyttes for dekarbonisering av råjern må besitte.. I arbeidet som vedrører stålets metallurgi under anvendelse

av basiske konvertere, benevnt "BOF Steelmaking", som ble utgitt i USA i 1976 av Iron and Steel Society, finnes det så-ledet nøyaktig informasjon i bind 3, kapittel 8, sidene 150-153 når det gjelder egenskapene hos dyser montert på oksygen-lanser. Det er nevnt spesielt på linjene 28 - 35 på side 150 at en relativt jevn, overlydsstrøm kan oppnås ved hjelp av en enkel, divergerende, konisk del, som følger forsnevringen.

Fig. 8-5, på side 151 gjengir en slik dyse for en oksygen-lanse. Endelig beskriver linjene 7-17 på side 153 nøyaktig informasjon vedrørende halvvinkelen som bør benyttes ved toppen av den divergerende, koniske delen. For store vinkler må unngås, siden de forsterker sjokkbølgene som forår-saker for rask fortynning av strålen. Det foreslås at halvvinkelen ved toppen av innsprøytningsdysen bør velges slik at den ligger i området mellom 2,5 og 10°, og en halvvinkel på 5° betraktes som et praktisk kompromiss.

Erfaring har vist at dyser fremstilt på denne måten gir relativt tilfredsstillende resultater i det generelle tilfelle for dekarbonisering av vanlig råjern, men man har - derimot møtt vanskeligheter når det gjelder å behandle råjern som inneholder krom og spesielt i utføring av dekarboni-ser ingsprosesser som benevnes i fransk patentsøknad nr.

80 01809 av 24.0.1.1980 fra Ugine Aciers.

Denne ansøkning beskriver en fremgangsmåte for de-karboniser ing av råjern med krom og nikkel som inneholder 1,5 - 8 vekt-% C, fra 10 - 30 vekt-% Cr, og opp til 30 vekt-% Ni, som omfatter, ihvertfall i sluttfasen av dekarboniseringsprosessen, dannelse av en emulsjon av gass og smeltet råjern, hvor karbon oksyderes direkte av oksygen.

Betingelsene som kreves for å fremstille den ovennevnte emulsjon er kritiske. Det er kjent at fremstilling av emulsjoner f.eks. mellom smeltet råjern, en slagg og en gassfase er en relativt enkel ting. Dette er tilfelle med dekarbonisering av smeltet råjern i LD-prosessen. Det er da viskositetsegenskapene hos slagget som spiller den viktigste rolle, som vist i artikkelen av A. Chatterjee, N.O.Lindfor og J.A.Wester: "Process metallurgy of LD Steelmaking" (Iron making and steel making 1976 - Nr.l). Skal derimot en emulsjon mellom en gassfase og smeltet råjern dannes og opprettholdes på stabil måte selv ved stort sett totalt fravær av slagg, inntil karboninnholdet er redusert til sluttnivåene nær 0,2%, er det nødvendig å ha klart definert betingelser med hensyn til temperatur på det smeltede råjern, karboninn-hold, lanse-bad avstand og strømningshastighet og trykk på oksygenet.

Som beskrevet i fransk patentansøkning nr. 80 01809 er resultatet når de riktige betingelser kombineres og der dannes en emulsjon mellom gassfaseri og smeltet råjern og denne opprettholdes på tilfredsstillende måte, både en rask og om-fattende dekarbonisering, mens man samtidig får et spesielt høyt utbytte av krom-metall. Eksemplene som er gjengitt i den ovennevnte ansøkning, vedrører prøver utført på enhets-mengder av råjern som inneholder krom på ca 60 kg. Dysen som benyytes har en halsdiameter på 2 mm, og en strømnings-hastighet på oksygen på 168 Nl/min.

Studiene som er satt i gang og de mange prøver som er utført for å utvikle den dekarboniseringsprosessen for råjern som inneholder krom, har vist at det ikke er tilstrekke-lig på passende måte å justere driftsparameterene som er i-dentifisert for å oppnå dannelse av en stabil emulsjon for reproduserbar måte. I mange situasjoner, kunne man legge merke til forsinkelser i dannelsen av emulsjonen og en viss grad av mangel på stabilitet i emulsjonen; slike forsinkelser og/eller mangel på stabilitet, førte til et fall i utbyttene av krom og jern. I noen tilfeller ble ingen emulsjon dannet i det hele tatt.

En måte å forbedre reproduserbarheten på starten av dannelsen av gass/smeltet råjernemulsjon, og også å øke stabiliteten av emulsjonen når denne er dannet, ble derfor forsøkt funnet.

Innretningene i denne oppfinnelsen vedrører en ny dyse for en overlyds-oksygeninnsprøytningslanse, og ved hjelp av denne innretningen er det mulig å frembringe dannelse av emulsjon mellom gass og smeltet råjern med en mye høyere grad av effektivitet.

Den nye dysen, ifølge oppfinnelsen, erkarakterisert veden divergerende del som, bak halsen eller forsnevringen, består av en konisk del hvor toppvinkelen er mellom 60 og 70°, og fortrinnsvis mellom 62 og 66°, og hvor vinkelen på 65° er nær det optimale under prøvebetingelsene. Den koniske delen kan være forlenget med en omdreiningsoverflate omkring den samme .aksen, hvor generatrisen har :en innoverrettet konkav bøyning for å redusere graden av fortynning av strålen.

Dysen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å utføre prosessen for å dekarbonisere råjern som inneholder krom ved hjelp av en overlydsoksygenstråle, som fransk patentansøkning nr. 80 01809 vedrører, og utføres på en spesielt effektiv måte.

Dysen ifølge oppfinnelsen kan også på bredere måte benyttes for dekarbonisering av råjern av alle typer, på grunn av en spesiell effektivitetsgrad ved å frembringe dannelse av emulsjon av den flytende fase ved hjelp av gassfasen

og antagelig også emulsjon med det smeltede slagg.

Eksemplene og de vedheftede tegninger vil gjøre det lettere å forstå egenskapene hos dysen som oppfinnelsen ved-rører, og anvendelsen av denne for dekarbonisering av råjern som inneholder krom. Fig. 1 viser en dyse av kjent type for en overlyds-oksygen-stråle.

Fig. 2 viser variasjonen i trykket i strålen som

en funksjon av vinkelen på toppen av den divergerende del av den koniske dyseåpningen.

Fig. 3 viser en dyse for en overlydsoksygen-stråle ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser variasjoner i kromutbyttet som en funksjon av toppvinkelen i den koniske, divergerende del av dysen. Fig. 5 viser reaksjoner i jernutbyttet som en funksjon av den ovennevnte toppvinkel. Fig. 6 viser en dyse ifølge oppfinnelsen med forbedret konfigurasjon.

I de første prøver med råjern som inneholder krom hvor fremgangsmåten beskrevet i frank patent nr. 80 01809 ble benyttet, anvendte man en oksygendyse som besto av en dyse, hvor forsnevringen eller halsen var dannet av et sylindrisk, . rørformet område med en diameter på ca. 2 mm og 20 mm langt. Enden av det rørformede området, ved utløpet, var ikke forlenget med en divergerende del, og ekspansjonen av oksygen-strålén var derfor absolutt ikke begrenset ved utløpet av for snevr ingen.

Erfaring hadde vist at under disse betingelser ble dysen belagt med et lag av kromoksydbaserte ildfaste oksyder. Dette laget ble påført hovedsakelig under dannelsen av og opprettholdelse av emulsjonen mellom gass og smeltet råjern.

Analyse av et slikt lag ga f.eks. følgende sammensetning :

Man ser fra dette eksemplet at det ovennevnte lag stort sett var dannet ved oksydasjon av komponentene av det kromholdige råjern, bare med tillegg av noen få % kalk fra slaggen som opprinnelig ble tilført - aluminiumoksyd og mag-nesiumoksyd - kom fra foringen. Det ble påvist at dette laget hadde tendens til å omringe åpningen i dysen, og danne en mer eller mindre klart definert tunnel rundt dyseåpningen.

Man fikk den idé å konstruere en dyse med en divergerende del, både for å forsøke å forbedre effektiviteten av strålen, og også unngå farene for å forstyrre stålen ved belegg av ildfaste oksyder, påført ved overføringer fra det smeltede råjern. Dyser med den generelle konfigurasjon vist i fig. 1 ble da konstruert. Disse dysene omfatter et innløp 1 forbundet til oksygeninnløpsledning, dertter en sylindrisk hals 2, som er omtrent 2 mm i diameter og 20 mm lang, og endelig, en konisk, divergerende del 3, hvor toppvinkelen al er ca. 10° i overensstemmelse med beskrivelsene i det ovennevnte arbeide "BOF Steelmaking".

Prøveresultatene med slike dyser var negative.

Det ble påvist at ingen oksydlag ble påført innenfor den divergerende del, men det var ikke hell med å danne en emulsjon av gass og smeltet råjern på en reproduserbar og stabil måte.

Prøver ble deretter utført for å identifisere spesielt påvirkningen av vinkelen på toppen av den koniske, divergerende del på trykket i strålen ved konstant strømnings-hastighet. Fig. 2 gir resultatene av disse prøvene i en serie med 8 dyser med de samme egenskaper som vist i fig. 1, bortsett fra at vinkelen i den divergerende del er forskjellig. Dyse nr. 1 hadde"ingen divergerende del, mens dysen 2, 3, 4,. 5, 6, 7 og 8 hadde koniske, divergerende deler som var 4 mm høye og hvor toppvinklene var henholdsvis 41, 53, 61, 65, 69, 77 og 100°.

Tre prøveserier ble utført med tre forskjellige nivåer på oksygenstrømmen, 172, 181 og 193 nl/min. For hver prøve ble kraften i N overført fra strålen til skålen en vekt plassert i en avstand fra ca. 3 cm fra åpningen'målt.

Kurvene 1, 2 og 3 som henholdsvis er trukket ved trømningshastigheter på 193, 181, 172 Nl/min, viser i hvert tilfelle at det finnes et enkelt, singulært punkt når man benytter en 65° divergerende del.

Selv om dette singulære punkt tilsvarer et minimalt trykknivå, fikk man den idé å konstruere i overensstemmelse med oppfinnelsen, dyser for dekarbonisering av råjern under anvendelse av en overlydsoksygenstråle som består av en konisk, divergerende del hvor toppvinkelen er mellom 60 og 70°,-. og fortrinnsvis mellom 62 og 66°, hvor vinkelen 65° innenfor nøyaktigheten av målingen tilsvarer den minimale trykkraft under prøvebetingelsene.

Fig. 3 viser dysen i overensstemmelse med oppfinnelsen. Den består av et innløp 4, og en hals 5, hvor egenskapene tilsvarer innløpet 1 og halsen 2 i fig. 1. På den annen side har den koniske, divergerende del 6, en toppvinkel a2 på 65°. Det ble påvist at det er mulig, når man benytter slik dyse, å frembringe, på helt reproduserbar måte, en emulsjon av råjern som inneholder krom ved hjelp av en superso-nisk oksygenstråle i overensstemmelse med den fremgangsmåte som er beskrevet i den ovennevnte franske patentansøkning.

Når emulsjonen er dannet, har den i tillegg en høy grad av stabilitet og opprettholdes inntil den endelige dekarbonisering av råjernet har funnet sted, dvs. inntil karboninnholdet er nær 0,2%. Selv om dette ikke kan beskreftes, er det mulig at den spesielle effektivitet av den divergerende del ved vinkler mellom 60 og 70°, og fortrinnsvis mellom 62 og 66°, skyldes den vesentlige grad av turbulens som frembringes i oksygenstrømmen ved denne form for divergerende konfigurasjon.

Påvirkningen av vinkelen i den divergerende del

på de gjennomsnittlige utbytter med hensyn på Cr og Fe i dekarboniseringsprosessen ble deretter studert. Prøver hadde i virkeligheten vist at et høyt stabilitetsnivå med hen- . syn til dannelse og opprettholdelse av emulsjonen mellom gass

og smeltet råjern, ble fulgt av meget høye utbytter med hensyn på Fe og Cr. Disse utbytter er beregnet i vekt-%, basert på mengdene av Fe og Cr i stålet som frembringes etter dekarboniseringen i forhold til de mengder som opprinnelig fantes

i råjernet.

Det etterfølgende eksempel gir resultatene av en serie dekarboniseringsprøver for råjern som ble utført på identisk måte hvor den eneste variasjon var med hensyn til diverger ingsvinklene i dysene.

En serie på seks dyser, av den samme type som er vist i fig. 3, men hvor hver har forskjellig toppvinkel i den koniske og divergerende del, ble fremstilt. De seks toppvinklene som ble fremstilt var: 41, 53, 61, 65, 69 og 77°. Hver av dysene består av en sylindrisk hals som er 2

mm i diameter og 20 mm lang, og høyden av den avskårede konus på den divergerende del er 4 mm i alle tilfeller.

Under anvendelse av disse dyser ble tre til ni prøver for dekarbonisering av råjern som inneholder krom ut-ført under anvendelse av en fremgangsmåte som tilsvarer den som er beskrevet i fransk patentansøkning nr. 80 01809, sidene 6 og 7.

En homogen råjerns-batch ble fremstilt med følgende sammensetning: Cr 17%, C 6%, Si 0,3%, Mn.0,3%, S<0,03%,. P<0,03%.

I hver prøve ble en mengde på 60 kg av det ovenfor angitte råjern oppvarmet til en temperatur på 1380°C i en ovn som var utstyrt for reduksjonsoppvarming, og overflaten av smeltede råjern var belagt med 340 g kalk. Oksygen inn-sprøytes deretter ved hjelp av en vertikal lanse med en strø-mningshastighet på ca 180 Nl/min. En av de seks dysene beskrevet ovenfor, benyttes, og den vertikale avstand mellom enden av dysen og badet er 26 mm. Oksygenet som blåses ut, reagerer med badet, og man kan observere tre etterfølgende faser.

I den første fasen reagerer oksygenet hovedsakelig med overflaten av det smeltede råjern, og oksyderer fortrinnsvis Cr, Si og Fe: etter hvert som de dannede oksyder som - inneholder en hovedandel C^C^, samler seg på overflaten av badet, inntrer en sekundær reaksjon med reduksjon av' disse oksyder ved hjelp av karbon. Hastigheten på reduksjonsreak-sjonen øker gradvis, samtigi som temperaturen stiger til ca. 1650°C ved ca. 10 min. CO som dannes føres bort i løpet av denne perioden, og brenner, og frembringer flammer.

I en annen fase, som starter fra det ellevte min, blir reduksjonen av oksydene og hovedsakelig kromoksyd ved hjelp av karbon, raskere enn hastigheten som disse oksyder dannes med. I denne perioden med heftig reaksjon, stiger temperaturen ytterligere, men ikke så raskt. Fra det ca.

15. min, stabiliserer dekarboniseringenshastigheten seg, og

karboninnholdet som da er ca. 4%, fortsetter å falle, med en hastighet på ca. 0,3% pr. min, og samtidig kan man se en tilsvarende reduksjon av kromoksyd. Denne mekanismen fortsetter inntil det 20. min: temperaturen i badet er da nådd ca. 1750°C, mens C-innholdet har falt til ca. 2,9%. Ved slutten av denne annen fase, er metalloksydene som ble dannet i begynnelsen nesten fullstendig reduserte.

Ved ca. det 20. minutt, er der en kombinasjon av betingelser for å sette i gang en tredje fase som vil tillate karboninnholdet å bli redusert til ca. 0,2%. Ved begynnelsen av tredje fase, er temperaturen i det smeltede råjern meget høy. Under disse betingelser, og når betingelsene med hensyn til strømningshastighet for oksygen og avstand mellom enden av dysen og det smeltede råjern også er uforandret, kan man se, at det fra det smeltede råjern selv dannes en emulsjon mellom gassen og det smeltede råjern, og denne emulsjonen dekker raskt overflaten av det smeltede råjern, og.ut-vikler seg deretter i tykkelse, slik at det opprinnelige volum av det smeltede råjern fordobles. Prosessen foregår som om råjernet selv, under påvirkning av oksygenstrålen og dannelse av CO, ved direkte reaksjon mellom oksygen og karbon i råjernet, går inn til en tilstand hvor det koker gjennom hele massen på grunn av de fysisk-kjemiske tilstander som frembringes. I emulsjonen som dannes på denne måten, er re-aksjonshastighetene høye, noe som gjør det mulig å fortsette dekarboniseringen i rask hastighet"inntil et endelig karbon- innhold på ca. 0,2% som oppnås i det 29. min. Temperaturen er da ca. 1820°C, og oksygenstrømmen stoppes.

Veiing av stålet som frembringes etter størkningen og analyse av jern og krom-innholdet i dette, gjør det mulig å bestemme de korresponderende Fe og Cr-utbytter.

Fig. 4 og 5 viser variasjon i Fe og Cr-utbyttet, som en funksjon åv vinkelen i den koniske, divergerende del av dysen. Man ser klart at utbyttene går igjennom et maksi-mum når dysen har en vinkel på 65°. Selv om disse faktorer kan modifisere den optimale vinkel i den koniske, divergerende del etter oppfinnelsen i en viss grad, er denne vinkelen fra de prøver som er utført, mellom 62 og 66°, i det drifts-området som benyttes.

Med en dyse som har en toppvinkel på 65°, er be-leggene på innsiden av dysen på grunn av ildfaste oksyder som skvetter opp fra det smeltede metall, små.

Tilleggsprøver har vist at det er mulig ytterligere å redusere slike belegg, og også å redusere graden av fortynning av strålen ved å strekke ut den koniske del av den divergerende del med en omdreiningsoverflate rundt den samme aksen, hvor generatrisen har en innoverrettet, konkav bøy-ning. Det er fortrinnsvis slik at tangenten på den genererende kurve av den delen av dysen faller sammen med opphavet til generatrisene for konusen. Ved slutten av generatrisene, kan tangentene strekkes parallelt med aksen eller nær parallelt' med denne.

Fig. 6 viser en dyse ifølge oppfinnelsen som er forbedret på den ovenfor angitte måte. Fig. 6 viser innløpet 7, den sylindriske hals 8, og den koniske, divergerende del

9, med en toppvinkel a.2 som tilsvarer de korresponderende deler av dysen ifølge oppfinnelsen, som er vist i fig. 3.

Delen 10 som strekker seg fra den koniske del 9, har.en konkav form som strekker seg mot aksen. Ved punktet 11 i for-bindelse mellom den avskårede konus og delen 10,faller tangentene for generatrisene for delen 10 sammen med generatrisen for den avskårede konus. Ved punktet 12, ved enden av dysen, er tangenten til generatrisen i den konkave del nesten parallelt med aksen for dysen. En forbedret dyse av denne type i overensstemmelse med oppfinnelsen, har den ikke ube-tydelige fordel på grunn av formen i utløpet, å eliminere farene for gjennomtrengning av oksyder og metall som kastes opp fra det smeltede metallbad. Som nevnt tidligere, er vinkelen a2 mellom 60 og 70°, og fortrinnsvis mellom 62 og 66°, hvor det optimale er nær 65° under prøvebetingelsene.

Dysen ifølge oppfinnelsen kan fremstilles av forskjellige materialer. Det er ofte foretrukket å benytte kobber. Det er viktig for de indre overflater at de er be-arbeidet på passende måte, og at der er gode overflatebetin-gelser for å unngå at partikler av oksyd eller metall kastes opp>ikke fester seg til overflaten. Vanligvis er dysen forbundet til en metall-lanse som er avkjølt med en passende væske eller gass.

Selv om eksemplene som er nevnt ovenfor vedrører prøver utført med små mengder, er det bekreftet at resultatene kan ekstrapoleres til industriell målestokk. Toppvinklene i den koniske, divergerende del ifølge oppfinnelsen, gir også optimale verdier i det tilfelle hvor det dreier seg om dyser med større tverrsnitt, som benyttes for å behandle råjern i industrielle mengder.

I tillegg, selv om dysen ifølge oppfinnelsen, hovedsakelig ble prøvet med hensyn til dekarbonisering av råjern som inneholder krom, har prøver vist at den med hell kan benyttes for dekarbonisering av alle typer råjern.

I sin bredeste betydning, er det således mulig å benytte oksygen-lanser utstyrt med dysen ifølge oppfinnelsen for dekarbonisering av råjern, i en basisk konverter under anvendelse av prosesser så somLD-prosessen eller tilsvarende prosesser.

I disse forskjellige situasjoner, gjør bruken av dysene ifølge oppfinnelsen det mulig å øke effektiviteten og hastigheten for dekarboniseringen, og det er.også,mulig å øke utbyttet av jern.

Claims (5)

1.D yse for dekarbonisering av smeltet råjern ved hjelp av en overlyds-oksygen-stråle, karakterisert ved at den består av en konisk, divergerende del med en toppvinkel på mellom 60 og 70°.

2. Dyse ifølge krav 1, karakterisert ved at den koniske> divergerende del har en toppvinkel på mellom 62 og 66°, og fortrinnsvis nær 65°.

3. Dyse ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at dysen bak den koniske del har den divergerende del en omdreiningsoverflate rundt den samme aksen hvor den genererende kurve har en konkav krumning som dreier innover.

4. Fremgangsmåte for dekarbonisering av råjern som inneholder krom, karakterisert ved at man benytter dysen ifølge hvilket som helst av kravene 1-3.

5. Fremgangsmåte for fremstilling av stabile emulsjoner mellom gass og smeltet råjern eller gass og slagg og smeltet råjern, karakterisert ved at man benytter dysen ifølge hvilket som helst av kravene 1-3.