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Verfahren zur Herstellung von stickstoffarmem Stahl nach dem basischen
Windfrischverfahren Seit Beginn der Großanwendung des Windfrischverfahrens bei der
Stahlerzeugung ist das Bestreben der Praxis und der wissenschaftlichen Forschung
auf das Erblasen eines in seiner Güte immer weiter verbesserten Konverterstahls
gerichtet. Als wesentliches Hindernis auf diesem Wege ist schon frühzeitig der Stickstoffgehalt
dieses Stahls erkannt worden. Der Stickstoffgehalt des windgefrischten Stahls liegt
mit etwa o,oio bis o,o25n/o erheblich höher als beim Siemens-Martin-Stahl (etwa
o,ooi bis o,oo8"/o), Tiegelstahl (etwa o,ooi bis o,oo8%) und Schweißstahl (0,003
bis o,oo5%). Es hat nicht an zahlreichen Vorschlägen und Versuchen gefehlt, die
Stickstoffaufnahme durch das Schmelzbad beim Windfrischen klein zu halten; alle
diese Vorschläge und Versuche haben jedoch bisher keine technisch und gleichzeitig
wirtschaftlich befriedigende Lösung des Problems der Herstellung von stickstoffarmem
Konverterstahl gebracht.
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Beim Normalverfahren des Windfrischens findet eine Oxydation der Begleitelemente
des Eisens durch den Sauerstoff des Gebläsewindes statt, wobei unter Begleitelementen
Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor u. a. verstanden werden. Die Erfahrung hat
gezeigt, daß der Fortgang des Frischens von einer Änderung des Stickstoffgehalts
des Bades begleitet ist, wobei diese Änderung offensichtlich von zahlreichen Einflüssen
wie Temperatur
des Bades, Form des Frischgefäßes, Badhöhe, Winddruck,
jeweiliger Konzentration der Begleitelemente und sonstigen technischen Einzelheiten
abhängig ist. Die Änderung des Stickstoffgehaltes des Bades kann mehr oder weniger
stetig oder unstetig verlaufen. Kennzeichnend für das normale Windfrischverfahren
ist die endgültige Stickstoffaufnahme im Stahl bis zu den bereits angegebenen Werten
von etwa o,oio bis o,0250/0. Die bekanntgewordenen Vorschläge zur Veränderung technischer
Verfahrenseinzelheiten, wie z. B. Verkleinerung der Badhöhe oder seitliche Zufuhr
des Gebläsewindes statt vom Konverterboden aus, bezwecken letzten Endes nichts anderes,
als die Berührungsdauer zwischen Stickstoff des Gebläsewindes und dem Eisenbad zu
verringern. Allen diesen Bestrebungen ist nur ein unbedeutender Teilerfolg beschieden
gewesen, weil es sich hierbei um Versuche handelt, die Vorgänge im Konverter auf
nur physikalischer Grundlage zu beeinflussen. Auch die bisherigen Anregungen, den
Stickstoffgehalt im Konverterstahl durch die Verwendung von mit Sauerstoff angereichertem
Gebläsewind oder durch die Zugabe von Sauerstoff in gebundener Form, z. B. durch
die Zugabe oxydischer Erze bei gleichzeitiger Temperaturdrosselung des Frischgeschehens
(Kühlung durch Schrott- und/ oder Erzeinschmelzen) herabzumindern, haben nicht zu
einem befriedigenden Ergebnis geführt. Gerade die Forderung auf Einhaltung oder
Herbeiführung einer niedrigen Badtemperatur hat sich als eine sehr schwierig zu
handhabende Verfahrensregel erwiesen. In Verfolgung dieser Arbeitsvorschrift ist
es fast unmöglich, auf jeden Fall aber unwirtschaftlich, so erblasenen Stahl nach
anerkannten Regeln der Gießtechnik und im großtechnischen Maßstab sauber in die
für die übliche Weiterverarbeitung gebräuchlichen Formen zu gießen, weil beim Vergießen
infolge der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der Schmelze ein nicht unbeträchtlicher
Teil der Schmelze, insbesondere in Form eines sogenannten Pfannenbärs, in der Gießpfanne
hängenbleibt und daher z. B. das Ausbringen zu gering ist.
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Erst in der äußersten Konsequenz findet die rein physikalische Deutung
des Frischgeschehens ihre scheinbare Rechtfertigung, nämlich dann, wenn man mit
praktisch reinem Sauerstoff anstatt mit Normalluft frischt. Dieses Verfahren ist
jedoch aus einer ganzen Reihe von Gründen unwirtschaftlich. Technisch reiner Sauerstoff
ist sehr teuer und in den für das Windfrischverfahren erforderlichen großen Mengen
vorläufig überhaupt nicht zu beschaffen. Metallurgisch nachteilig sind hierbei die
Gefahren einer Überfrischung und Überhitzung des Bades bei teuerer, schwieriger
und metallverlustreicher Schlackenarbeit. Vom Frischprozeß muß aber, verlangt werden,
daß man ihn sowohl physikalisch als auch chemisch zu jedem Augenblick sicher in
der Hand behalten und damit großtechnisch anwenden kann. Bekanntlich sind überfrischte
Chargen, d. h. solche mit überhöhtem Fe0-Gehalt, minderwertig, wenn nicht derart
ideale metallurgische Bedingungen vorliegen, daß durch Desoxydation und Entgasung
ein einwandfreies Enderzeugnis gewährleistet ist.
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Unter diesen Umständen ist es verständlich, wenn die bisher mit dem
Ziel der Senkung der Stickstoffaufnahme durch das Eisenbad beim Windfrischverfahren
gemachten Vorschläge als wesentlichen Teil ihres Inhalts die Vorschrift kalter Temperaturführung
durch Kühlmittelzugabe enthalten. Aber auf diese Weise können ja die Gefahren einer
physikalisch falschen Chargenführung (schlackenhaltiger Stahl, schlechte Gießbarkeit,
ungenügende Wirkung der Desoxydationsmittel) nur mehr oder weniger unvollkommen
gebannt werden.
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Das der Erfindung zugrunde liegende neue Verfahren zur Herstellung
von stickstoffarmem, d. h. weniger als o,oio% Stickstoff enthaltendem Konverterstahl
geht ebenfalls von der zusätzlichen Verwendung von Sauerstoff aus; ihm liegen jedoch
grundsätzlich neue Erkenntnisse zugrunde. Bei seiner Anwendung erreicht man niedrige
Stickstoffgehalte im Konverterstahl, ohne zu in ihrer Wirkung unsicheren Kunstgriffen
beim Erblosen und Desoxydieren Zuflucht nehmen zu müssen, insbesondere ohne die
Notwendigkeit von Maßnahmen zur Herbeiführung oder Einhaltung verhältnismäßig niedriger
Temperaturen und ohne qualitative Beeinträchtigung des Stahls beim Abgießen.
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Es scheint, daß die Stickstoffaufnahme durch die Dauer der Sauerstoffabgabe
an das Eisenbad beeinflußbar ist und eine Stickstoffaufnahme aus dem Gebläsewind
in um so höherem Maße erfolgt, je eher der Sauerstoff des Gebläsewinds zur Verbrennung
der Begleitelemente (insbesondere Silizium, Mangan, Kohlenstoff, Phosphor) verbraucht
ist, bevor der Gebläsewind das Bad verlassen hat. Es ist jedenfalls gefunden worden,
daß ein Stahl mit weniger als o,aio% Stickstoff erblosen wird, wenn der Zusatz von
Sauerstoff zum Gebläsewind mindestens in dem Maße gesteigert wird, wie die Verbrennung
der Begleitelemente des Eisens sich steigert, wenn also das Sauerstoffangebot an
das Eisenbad während des ganzen Verlaufs des Verfahrens entsprechend dem Sauerstoffverbrauch
für den Abbrand dieser Begleitelemente gesteigert oder über einer solchen Mindesthöhe
gehalten wird.
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Als praktische Lehre zur Durchführung des Verfahrens hat sich ergeben,
bei Roheisen normaler Zusammensetzung den Blasprozeß mit gewöhnlicher Luft zu beginnen
und sodann das Sauerstoffangebot an das Eisenbad entsprechend dem Sauerstoffverbrauch
für den Abbrand der Begleitelemente des Eisens in dem Maße zu steigern, daß bei
normalen Gehalten des Roheisens an Begleitelementen die Steigerung des Sauerstoffgehaltes
des Windes entsprechend dem beim basischen Windfrischverfahren bekannten Verlauf
der Entkohlung in der Nähe von, jedoch nicht unter i 0/0 pro i n/o Kohlenstoffabbrand
liegt und nach der Entkohlungsperiode auf mindestens dieser Höhe zu halten. Bei
anomalen Gehalten des Roheisens an Begleitelementen wird eine entsprechend erhöhte
prozentuale Steigerung des Sauerstoffgehaltes des
Windes vorgenommen.
Gegen Ende der Blasperiode wird das angegebene durch Sauerstoffzugabe zum Gebläsewind
erfolgende Sauerstoffangebot an das Eisenbad in an sich bekannter Weise teilweise
durch eine Zugabe von oxydischen. Erzen, Walzzunder od. dgl. in dem Maße vorgenommen,
daß unter Vermeidung einer Überhitzung der Schmelze eine Temperatur erreicht wird,
die eine gute Vergießbarkeit gewährleistet.
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Der Verlauf des Kohlenstoffabbrandes ist dem Stahlwerker bekannt.
Er hat also dafür zu sorgen, daß der Sauerstoffgehalt des Gebläsewindes von 2i "/o
auf mindestens 23 m/0 gesteigert ist, wenn der Kohlenstoffgehalt des Bades sich
um 2% gesenkt hat, also bei einem Roheisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,5)/0,
und sonst normalen Beimengungen am Ende der Entkohlungsperiode der Sauerstoffgehalt
des Gebläsewindes auf 24,5'/o gesteigert und mindestens auf dieser Höhe bis zum
Ende des Blasprozesses gehalten wird. Dieser Sauerstoffgehalt reicht dann auch für
die an die Entkohlung sich anschließende Periode der Entphosphorung aus, um eine
Stickstoffaufnahme während des Restes der Frischperiode trotz der ansteigenden Badtemperatur
zu verhüten. Anomale Gehalte von Begleitelementen erfordern natürlich eine entsprechende
Berücksichtigung bei der Sauerstoffzugabe während ihres Abbrandes.
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Erfolgt die Steigerung der Sauerstoffzugabe nicht kontinuierlich,
sondern stufenweise, muß die Kurve des nach der Lehre der vorliegenden Erfindung
erforderlichen Mindestsauerstoffgehaltes des Gebläsewindes unterhalb der Stufenlinie
der Sauerstoffzugabe liegen.
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Um eine Überhitzung des Bades zu vermeiden, erfolgt das nach der Lehre
der Erfindung einzuhaltende Sauerstoffangebot an das Eisenbad teilweise an Stelle
einer Sauerstoffzugabe zum Gebläsewind durch Zugabe von oxydischen Erzen, Walzzunder
od. dgl. Dabei werden aber gemäß der Erfindung die Zugabe von Sauerstoff zum Gebläsewind
und die Zugabe von Sauerstoff in Form von oxydischen Erzen, Walzzunder od. dgl.
so aufeinander abgestimmt, daß sowohl eine Überhitzung als auch eine Unterkühlung
des Bades vermieden, vielmehr eine Endtemperatur des Bades erzielt wird, die eine
gute Vergießbarkeit gewährleistet.
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Es hat sich gezeigt, daß eine Steigerung des Sauerstoffangebots nach
der Lehre der Erfindung die Aufnahmefähigkeit des Bades für Stickstoff stärker herabsetzt,
als die Temperatursteigerung sie anwachsen läßt. Außerdem kann eine Gefährdung des
Verfahrens durch erhöhten Auswurf, wie er erfahrungsgemäß bei einer Temperaturerniedrigung
zu befürchten ist, nicht mehr eintreten.
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Für die Erzeugung eines guten,, weichen und gut kaltverformbaren Konv
erterstahls mit niedrigem Stickstoffgehalt kommt es also nicht nur auf eine Reihe
bekannter technischer Verfahrensschritte an. Entscheidend hierfür ist vielmehr,
die stickstoffabstoßende Wirkung des dem Eisenbad zusätzlich angebotenen Sauerstoffs
auszunutzen. Der Wert der Erfindung liegt in der Erkenntnis neuartiger Zusammenhänge
zwischen Eisen, seinen Begleitelernenten, Sauerstoff und Stickstoff und in der Aufrechterhaltung
eines genügenden Sauerstoffangebots zur Bekämpfung einer unerwünschten Stickstoffaufnahme
beim Windfrischverfahren.
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Das neue Verfahren ermöglicht außerdem eine wesentliche Beschleunigung
des Frischvorganges und erlaubt es, die beim normalen Frischvorgang erzielten günstigen
Bedingungen beim Ende des Blasvorganges zu erreichen im Gegensatz zu den bisher
vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Stahls mit niedrigem Stickstoffgehalt
im Windfrischprozeß, die zur Vermeidung von Stickstoffaufnahme am Ende des Blasprozesses
fordern, die Badtemperatur möglichst niedrig zu halten.
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Man hat bisher auch zur Erzielung niedrigen Phosphorgehalts es für
notwendig gehalten, die Badtemperatur am Ende des Blasprozesses niedrig zu halten.
Es hat sich aber gezeigt, daß mit dem Verfahren nach der Erfindung nicht nur Stähle
mit niedrigem Stickstoffgehalt von weniger als o,oio"/o, sondern auch solche mit
gleichzeitig niedrigem Phosphorgehalt von höchstens o,05o% hergestellt werden können,
ohne die Badtemperatur am Ende des Blasprozesses niedrig zu halten.
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Das neue Verfahren ist auch zur Herstellung höhergekohlter und/oder
-legierter Stähle geeignet. Es treten hierbei trotz Zugabe mehr oder weniger großer
Mengen von Legierungszusätzen keine den technischen und wirtschaftlichen Wert der
Fertigerzeugnisse beeinträchtigende Reaktionshemmungen, Lösungs- oder Gießstörungen
in die Erscheinung.
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Zur Erzielung eines niedrigen Stickstoffgehalts hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, das im Konverter zu verblasende Roheisen zwischen dem Hochofenabstich
und dem Einfüllen in den Konverter bei Aufrechterhaltung oder Steigerung der Badtemperatur,
durch Sauerstoffzugabe in gasförmiger und/oder gebundener Form vorzubehandeln.