DE2740767A1 - Windfrischverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Windfrischverfahren zur Erzeugung von nichtrostendem Stahl, insbesondere von Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt.

Die Erzeugung von nichtrostendem Stahl wirft besondere Probleme auf, die einerseits auf dessen verhältnismäßig hohen Chromgehalt und andererseits auf die Forderung eines möglichst geringen Kohlenstoffgehaltes zurückzuführen sind. Hierbei zwingt das zwischen Kohlenstoff, Chrom und Sauerstoff bestehende Gleichgewicht zur Einhaltung eines von den Verfahrensbedingungen abhängigen unteren Grenzwertes des Gehaltes der Roheisenschmelze an Kohlenstoff.

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Die ältesten Verfahren zur Erzeugung von nichtrostendem Stahl beruhen im wesentlichen auf dem Frischen der Charge eines elektrischen Ofens, die im wesentlichen Schrott von nichtrostendem Stahl enthält. Auf diese Weise war es jedoch nicht möglich, sehr weichen Stahl zu erhalten, sofern man nicht Schrott mit einem sehr niedrigen Gehalt an Chrom einsetzt und zum Frischen Zusätze von Ferro-Chrom mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt vorsieht. Die Einblasung von Sauerstoff bei der Behandlung der Schmelze im elektrischen Ofen brachte insofern eine wesentliche Verbesserung, als die Badtemperatur wesentlich erhöht und damit die Gleichgewichtszustände zwischen Kohlenstoff, Chrom und Sauerstoff verschoben werden konnten. Trotz dieser Maßnahmen war es jedoch nicht möglich, unmittelbar nichtrostenden Stahl mit einera Gehalt von weniger als 0,04% Kohlenstoff zu erzeugen, wobei sich noch nachteilig auswirkte, daß die notwendigerweise hohen Temperaturen einen sehr hohen Wärmebedarf erforderten und einen sehr raschen Verschleiß der feuerfesten Auskleidung verursachten.

Die zuerst vorgeschlagene Verwendung von Vakuum, dann die einen noch bedeutenderen Fortschritt bildende Verwendung eines gasförmigen Verdünnungsmittels des Kohlenoxids führten zu sehr geringen Kohlenstoffgehalten, ohne daß ein zu großer Verlust an Chrom und eine zu hohe

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Frischtemperatur in Kauf genommen werden mußten. In der Folgezeit wurden einige weitere Verbesserungen mehr wirtschaftlicher Art vorgeschlagen, die in der Verwendung von weniger teuren Verdünnungsmitteln bestanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorgenannten Art zu entwickeln, das gegenüber den vorbekannten Verfahren insbesondere den Vorteil einer Erhöhung der Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung des Frischbehälters aufweist.

Bei Windfrischverfahren zur Erzeugung von nichtrostendem Stahl, bei denen durch die zentrale Bohrung mindestens einer einen koaxialen Ringkanal aufweisenden Düse in die Roheisenschmelze eines Konverters ein oxidierendes Frischgas eingeblasen wird, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das anfänglich aus reinem Sauerstoff bestehende oxidierende Gas mit gasförmigem Argon vermengt wird, daß durch den Ringkanal der Düse flüssiges Argon eingeleitet wird und daß das Frischen so lange erfolgt, bis der gewünschte Endgehalt an Kohlenstoff erreicht ist. Man kann mit der Verdünnung des Sauerstoffs durch die Einleitung von gasförmigem Argon beginnen, ehe der Gehalt an Kohlenstoff erreicht wird, der dem Gleichgewicht mit Chrom bei der Temperatur der Schmelze entspricht, so daß reiner Sauerstoff nur am Anfang des

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Frischprozesses eingeblasen wird. Vorteilhafterweise beginnt man aber mit der Einblasung von Argon erst dann, wenn der Gehalt an Kohlenstoff ungefähr diesem Gleichgewicht entspricht, und steigert dann die Einblasung von Argon bis zu einer die Menge Sauerstoff übersteigenden Menge, bis der gewünschte endgültige Gehalt an Kohlenstoff erreicht wird.

Bei den bekannten Verfahren erfüllt das die Verdünnung bewirkende eingeblasene Gas zwei bestimmte Funktionen, nämlich eine metallurgische Funktion und die Funktion der Abkühlung der Düsen. Die erste dieser beiden Funktionen, die der Verschiebung der Gleichgewichte Kohlenstoff-Chrom-Sauerstoff dient und bei der der Partialdruck des Kohlenoxids bis zu einer überwiegenden Oxidation des Kohlenstoffs verringert wird, kommt vornehmlich im Endstadium des Frischprozesses zur Geltung. Die zweite Funktion, die nicht so hoch zu veranschlagen ist wie die erste hauptsächliche Funktion, kommt während der ganzen Dauer der Einblasung des Verdünnungsgases zur Geltung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist somit, diese beiden Funktionen zu trennen und die Ausübung dieser Funktionen durch einen einzigen Stoff, Argon, in zwei verschiedenen Aggregatzuständen zu bewirken, von denen

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jeder einzelne in höherem Maße geeignet ist, die jeweilige Funktion zu erfüllen.

Wenn man gasförmiges und flüssiges Argon unter dem Gesichtspunkt des angestrebten Kühleffektes vergleicht, so stellt man fest, daß gasförmiges Argon bei einer Erhitzung von ungefähr 25 C bis ungefähr 1600°C 0,196 . 10 cal je kg bindet, während mit flüssigem Argon 0,260 . 10 cal je kg abgeführt v/erden. Darüber hinaus erfolgt mit einem verflüssigten Gas in einer für den Fachmann nicht vorhersehbaren V/eise die Absorption der Wärmeenergie an einer räumlich sehr eng begrenzten Stelle am stirnseitigen Ende der Düse, so daß die erzielte Wirkung noch viel nachhaltiger ist, als sie aufgrund thermodynamischer Überlegungen erwartet werden konnte. Zur Erzielung desselben Kühlungseffektes benötigt man daher viel weniger flüssiges Argon als im Falle der Verwendung von gasförmigem Argon, so daß bei Verwendung von flüssigem Argon die Möglichkeit besteht, die Temperatur der Düsen sehr viel stärker zu senken und damit deren frühzeitigen Verschleiß zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise so geleitet, daß gasförmiges Argon während der Dauer des eigentlichen Frischprozesses nur so lange eingeblasen wird, als die Gleichgewichtsgehalte noch nicht erreicht sind. Was

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andererseits die Erfüllung der metallurgischen Funktion betrifft, so zählt nur die Menge des eingeblasenen Argons. Diese Menge muß groß genug sein, um das Kohlenoxid wirksam zu verdünnen. Es ist daher vorteilhafter, Argon in Gasform zu verwenden und gegen Ende des Frischprozesses ein Gemisch von Sauerstoff und Argon einzublasen, bei dem der Anteil an Argon überwiegt. Flüssiges Argon wird während dieser Periode des Frischprozesses eingeleitet, um die Düsen wirksam zu kühlen und ihren Verschleiß zu vermeiden bzw. herabzusetzen.

Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren kann man somit die Kühlung der Düsen unabhängig von den metallurgischen Problemen, die die Entkohlung aufwirft, steuern und auf diese Weise durch eine zweckmäßig ausgewogene Verwendung von Argon beider Aggregatzustände dieses Element mit hoher Geeamtwirtschaftlichkeit einsetzen, wobei die hierzu notwendige Menge etwa nur ein Viertel der Menge beträgt, die erforderlich ist, wenn Argon nur in gasförmigem Zustand eingeblasen wird.

Eines der Probleme, denen man bei der Erzeugung von nichtrostendem Stahl bei den seitherigen Verfahren begegnet, ist die Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung. Die Lebensdauer einer Auskleidung beträgt im allgemeinen

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etwa vierzig und höchstens etwa hundert Chargen. Die vorwiegende Abnützung findet nicht in der Ebene der Schlacke statt, obwohl auch diese die Auskleidung sehr stark angreift, sondern in der Ebene der Düsen. Diese werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr viel wirksamer gekühlt, was einen sehr beachtlichen Vorteil darstellt, da auf diese Weise die Lebensdauer der Auskleidungen wesentlich erhöht wird. Vorteilhafterweise sind die Düsen im Boden des Konverters, und nicht an dessen Seitenwänden angeordnet, um nach einer gewissen, mehr oder weniger großen Zahl von Erneuerungen der Auskleidung nur den Boden des Konverters auswechseln zu müssen.

Wenn andererseits die Kühlung der Düsen unter ausschließlicher Verwendung von gasförmigem Argon gewährleistet ist, ist es zufolge des unzureichenden Schutzes der Düsen nicht möglich, die Zeitdauer des eigentlichen Frischprozesses, also die Zeitdauer vor annäherndem Erreichen des Gleichgewichtes, sehr lang zu gestalten, und daher auch nicht möglich, eine sehr große Menge Sauerstoff einzublasen. Es ist daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht möglich, Roheisenschmelzen mit sehr hohem Ausgangsgehalt an Kohlenstoff zu frischen, so daß der Gehalt an Kohlenstoff der in den Konverter ein-

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gebrachten Charge etwa 1,5 bis 3% beträgt. Andererseits werden die Düsen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausreichend gekühlt, so daß die Zeitdauer des eigentlichen Frischprozesses ohne eine ins Gewicht fallende Abnützung der Düsen sehr lang gewählt werden kann. Es besteht daher die Möglichkeit, sehr stark kohlenstoffhaltige Chargen zu frischen und insbesondere chromhaltige Schmelzen mit einem Kohlenstoffgehalt bis zu 7%.

Bei einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man während der Dauer des eigentlichen Frxschprozesses das flüssige Argon durch flüssigen Sauerstoff ersetzen, entsprechend der Lehre der Patentanmeldung P da es sich hierbei um einen einfachen Frischprozeß handelt. Während dieser Zeitdauer des Frischprozesses kann man gegebenenfalls die Kühlung der Düsen mit flüssigem Stickstoff bewirken. Diese beiden verflüssigten Gase haben im Verhältnis zu flüssigem Argon den Vorteil geringerer Gestehungskosten, was ihre Verwendung interessant macht. Wenn man in die Nähe des Gleichgewichts Kohlenstoff-Chrom-Sauerstoff gelangt, ist es zweckmäßig, ein gasförmiges Sauerstoff-Argon-Gemisch durch die zentrale Bohrung der Düse einzublasen und das flüssige Argon durch den diese Bohrung umgebenden Ringkanal einzuleiten.

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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens macht keinerlei besondere Vorrichtungen notwendig. Es gelangen Düsen bekannter Art mit doppelter getrennter Stoffzufuhr zur Verwendung, die eine zentrale Bohrung für das einzublasende Gas und einen diese Bohrung umgebenden Ringkanal für die Zufuhr des verflüssigten Argons aufweisen. Solche Düsen werden üblicherweise bei bodenblasenden Konvertern verwendet. Sie bestehen aus zwei koaxial angeordneten zylindrischen Hülsen, die den vorgenannten Ringkanal begrenzen. Die Gase werden durch die innere Hülse eingeblasen; die Flüssigkeit wird durch den Ringkanal eingeleitet. Man kann auch Dreifachdüsen mit drei koaxial angeordneten zylindrischen Hülsen verwenden, durch deren innere Hülse der Sauerstoff, durch deren inneren Ringkanal gasförmiges Argon und durch deren äußeren Ringkanal flüssiges Argon eingeleitet wird. Diese Düsen, von denen bei einem Konverter im allgemeinen mehrere vorgesehen sind, sind vorzugsweise im Boden des Konverters angeordnet, um sich alle Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Nutze machen zu können; es kann jedoch selbstverständlich auch jede andere Anordnung der Düsen getroffen werden, die der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an Hand des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert

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werden. Die im allgemeinen in einem Lichtbogenofen erschmolzene Charge enthält 1,5 bis 3% Kohlenstoff und 0,5 bis 1,5% Silizium. Der Gehalt an Chrom entspricht im wesentlichen der Sorte des jeweils herzustellenden nichtrostenden Stahls. Der Frischprozeß wird durch Einblasung von reinem Sauerstoff durch die innere Hülse eingeleitet, während das flüssige Argon durch den Ringkanal einströmt. Die Einblasung von reinem Sauerstoff kann so lange fortgesetzt werden, bis der Gehalt des Bades an Kohlenstoff in der Nähe des dem Gleichgewicht mit Chrom entsprechenden Gehaltes liegt, der im allgemeinen etwa 0,3% beträgt. Man kann jedoch auch mit der Einblasung von gasförmigem Argon in verhältnismäßig kleinerer Menge beginnen, ehe der vorgenannte Gehalt erreicht wird, wobei das Volumenverhältnis von eingeblasenem Sauerstoff und eingeblasenem Argon höchstens 2:1 beträgt. Sobald ein Gehalt an Kohlenstoff erreicht wird, der in der Nähe des Gleichgewichts mit Chrom liegt, ist es notwendig, das Gleichgewicht Kohlenstoff-Sauerstoff zu ändern, um eine übermäßige Oxidation des Chroms zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird die Menge des eingeblasenen Sauerstoffs verringert und diejenige des eingeblasenen Argons erhöht, bis das auf Volumenbasis bestimmte Mengenverhältnis dieser beiden Gase etwa 1:2 beträgt. Die Einleitung von flüssigem Argon wird fortgesetzt, wobei die

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Menge gegebenenfalls verringert werden kann, da gasförmiges Argon in einer solchen Menge eingeblasen wird, daß sie auch einen Beitrag zur Kühlung der Düsen leistet. Wenn der gewünschte Endgehalt an Kohlenstoff erreicht ist, der unterhalb 0,01% liegen kann, hört man mit dem Einblasen von Sauerstoff auf, während das Einblasen von gasförmigem Argon fortgesetzt wird, wobei das Chrom, das in geringen Mengen oxidiert sein kann, reduziert wird. Diese Reduktion erfolgt mit Hilfe von Ferro-Silizium oder Aluminium oder auch mittels eines Gemisches dieser beiden. Hierauf werden die Endzuschläge zugegeben, mit denen die Gehalte der Verbindungselemente auf die ge- . wünschten Werte eingestellt werden und die gegebenenfalls eine Entschwefelung bewirken. Hierauf kann der Stahl vergossen werden.

Die Erzeugung von nichtrostendem Stahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt ungefähr 15 bis 25 Nm Sauerstoff je Tonne sowie etwa 0,1 bis 0,3 kg flüssiges Argon je Nm eingeblasener Sauerstoff. Das Argon steht unter einem Druck von etwa 1 bis 10 Bar und seine Temperatur beträgt ungefähr - 170 C.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein nichtrostender Stahl mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt

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erhalten, bei dessen Frischen nur geringe Verluste an Chrom auftreten und die Lebensdauer der Auskleidung und der Düsen wesentlich erhöht wird.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Windfrischverfahren zur Erzeugung von nichtrostendem Stahl, bei dem durch die zentrale Bohrung mindestens einer Düse mit mindestens einem koaxialen Ringkanal in die Roheisenschmelze eines Konverters ein oxidierendes Frischgas eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet , daß das anfanglich aus reinem Sauerstoff bestehende oxidierende Gas mit gasförmigem Argon gemischt wird, daß durch einen Ringkanal der Düse flüssiges Argon eingeleitet wird und daß das Frischen so lange erfolgt, bis der gewünschte Endgehalt an Kohlenstoff erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man so lange reinen Sauerstoff einbläst, bis der Gehalt an Kohlenstoff ungefähr einen Wert annimmt, der dem Gleichgewicht mit Chrom bei der jeweiligen Badtemperatur entspricht, und daß man dann den Sauerstoff mit Argon vermischt, bis der gewünschte Endgehalt an Kohlenstoff erreicht ist, wobei die Menge Argon größer als die Menge Sauerstoff ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das flüssige Argon über die ganze Dauer des Frischprozesses eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in der Periode zwischen dem Beginn des Frischprozesses und dem Beginn der Einblasung von gasförmigem Argon das in den koaxialen Ringkanal eingeleitete flüssige Argon durch flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Stickstoff ersetzt wird.

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