Verfahren zur Herstellung von Stählen mit hohem Reinheitsgrad und geringen Gasgehalten in Stahlwerken und Stahlgiessereien

Abstract

 Verfahren zur Herstellung von Stählen mit hohem Reinheitsgrad und geringen Gasgehalten in Stahiwerken und Stahlgießereien, bei welchem der flüssige Stahl in einer Pfanne mit einem Inertgas gespült wird, wobei vor der Pfannenbehandlung und nach dem Einschmelzen mit den gewünschten Legierungsbestandteilen ein Frischen in einem Konverter mittels eines Inertgas-/Luft-/Sauerstoffgemisches in einer oder mehreren Phase (n) erfolgt, wobei die einzelnen Behandlungsstufen Frischen, Desoxydieren und Feinen so getrennt werden, daß jeder Schritt optimal durchgeführt werden kann, ohne den Zusammenhang des gesamten Prozeßablaufs zu stören.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die Einrichtung zur Herstellung von Stählen mit hohem Reinheitsgrad und geringen Gasgehalten für besondere Anforderungen, bei welchem der flüssige Stahl in einer Pfanne mit einem Inertgas gefeint wird und die Behandlungsstufen Frischen und Desoxydieren in einem Konverter durchgeführt werden.

[0002] Zur Herstellung von Stählen mit hohem Reinheitsgrad und geringen Gasgehalten sind bereits verschiedene Verfahren bekannt.

[0003] Am bekanntesten ist dabei das Erschmelzen im Lichtbogenofen oder das Erschmelzen im Lichbogenofen mit nachgeschaltetem Frischen in einem Konverter unter Verwendung von Mischgasen oder unter Vakuum.

[0004] Die Herstellung der besonderen Stähle nur im Lichtbogenofen ist energietechnisch sehr aufwendig und hinsichtlich des einzustellenden Reinheitsgrades problematisch.

[0005] Die Herstellung der angeführten Stähle im Lichtbogenofen mit nachgeschaltetem Frischen in bisher bekannten Konvertern unter Verwendung von Mischgasen hat den Nachteil, daß diese Konverter, ursprünglich ausgelegt für die alleinige Herstellung von Chromstählen, einen kleineren spezifischen Reaktioneraum haben, als er für die Herstellung der angeführten Stahlqualitäten erforderlich ist. Voraussetzung für eine notwendige hohe Frisch- und Aufheizgeschwindigkeit ist ein großes spezifisches Reaktionsvolumen mit einem hohen spezifischen Sauerstoffangebot.

[0006] Außerdem ist während der Desoxydationsphase eine Reoxydation der Schmelze durch in den Reaktionsraum eintretende Luft nicht zu vermeiden.

[0007] Ferner findet eine intensive Luftsauerstoffberührung während des Abstichs des reduzierten Stahls statt, was als Folge störende oxydische Verunreinigungen ergibt und damit im Produkt zu Ausschuß führt.

[0008] Die Herstellung der angeführten Stähle mit nachgeschaltetem Frischen in einem Vakuumkonverter ist vom apparativen Aufwand und vom Betreiberaufwand komplizierter und aufwendiger.

[0009] Die vorstehend genannten Verfahren sind weiterhin schwierig zu fahren und erfordern ein hohes Maß an Erfahrung sowie den Einsatz von Fachpersonal.

[0010] Es ist weiterhin bekannt, daß bei der Herstellung dieser Stähle eine Endbehandlung in von Inertgas durchspülten Pfannen vorgenommen werden kann. Doch ist auch hier die genaue Einstellung der gewünschten Werte hinsichtlich der Legierungsbestandteile, der Temperatur, des Sauerstoff- und Wasserstoffwertes und Reinheitsgrades nicht oder nur schwierig möglich, wenn die vorgegebenen Ausgangswerte des Lichtbogenofens oder bisher bekannten Konverters nicht reproduzierbar eingestellt werden können.

[0011] Bei den drei vorgenannten Verfahren ist es weiterhin insbesondere nachteilig, daß die gewünschten metallurgischen Werte nicht mit ausreichender Treffsicherheit einstellbar sind, so daß Materialfehler unvermeidbar sind, die bei hochbelasteten Anlageteilen, z. B. in Kernkraftwerken, nicht mehr toleriert werden können.

[0012] Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung der vorgenannten Güten zu schaffen, welchen die vorgenannten Nachteile nicht mehr anhaften und die es insbesondere ermöglichen, eine stabile, gut reproduzierbare Qualität des Stahls zu gewährleisten, bei gleichzeitiger Erhöhung der Produktivität, Verminderung des Ausschußrisikos und guter Steuerbarkeit des Prozesses.

[0013] Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll weiterhin relativ einfach aufgebaut sein und energiemäßig günstig betrieben werden können, wobei auf die Anwendung von Vakuum und hohen Betreiberaufwand verzichtet werden kann.

[0014] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß vor der Pfannenbehandlung und nach dem Einschmelzen mit den gewünschten Legierungsbestandteilen ein Frischen in einem Konverter mittels eines Inertgas/Luft/Sauerstoffgemisches in einer oder mehreren Phase(n) erfolgt, wobei auf nach dem an sich bekannten Aufheizen eine Schnell-Desoxydationsphase und nach dem Abstrich eine Feinspülphase mit Inertgas in der Pfanne erfolgt. ,

[0015] Während der Pfannenbehandlungszeit kann vorteilhaft eine Auffangschlacke auf die Schmelze aufgegeben werden. Danach folgt die Feinspülphase, wodurch insbesondere die Entstehung von störenden groben Einschlüssen vermieden wird. t

[0016] In diesem Zusammenhang kann als Inertgas insbesondere Argon verwendet werden.

[0017] Weiterhin kann vorteilhaft während der Desoxydationsphase im Konverter eine Verringerung der Konverteröff_- nungsfläche erfolgen und/oder während des Abstichs aus dem Konverter kann weiterhin vorteilhaft ein Desoxydationsmittel zur Vermeidung der Stahloxydation aufgegeben sowie die Konverteratmosphäre sauerstoffrei gehalten werden.

[0018] Die Einrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kennzeichnet sich vorteilhaft dadurch, daß ein Konverter zum Frischen und Desoxydieren des Stahls in mehreren Phasen vorhanden ist, der nacheinander eine Behandlung mit einem Inertgas/Luft/ Sauerstoffgemisch und reinem Inertgas mit voneinander stark abweichenden Gasmengen erlaubt.

[0019] Vorteilhaft weist der Konverter eine Vorrichtung auf, die zeitweise eine Verringerung der Konverteröffnung erlaubt.

[0020] Weiterhin vorteilhaft kann der Konverter Einblasöffnungen und eine Gasmengenregelung aufweisen, die eine stufenlose Variation der einzublasenden unterschiedlichen Gase erlauben. Eine Einzelsteuerung der Beaufschlagung der Einblasöffnungen kann vorteilhaft sein.

[0021] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Einrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0022] Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Gegenstand der Erfindung es erlaubt, mit geringem apparativen Aufwand und unter Vermeidung des Einsatzes von Vakuum während der Einstellung des Stahls auf die gewünschten metallurgischen Werte, einen besonders hochwertigen Stahl zu erzeugen, und bei dem eine stabile und qualitätsmäßig reproduzierbare Steuerung möglich ist.

[0023] Gegenüber bisher bekannten Einrichtungen und Verfahren zeichnet sich die Erfindung aus durch

- einfache Möglichkeit der genauen Einstellung der chemischen Analyse und Temperatur der Stähle

- einfache Einstellung der Endschwefelwerte je nach Anforderung

- bessere mechanische Werte in der Endproduktion 4

- Verbesserung des Ausbringens

- sichere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse durch einfache Steuerbarkeit

- energiesparende Nutzung der Rohrstoffe

- geringe Investitionskosten bei entsprechenden Qualitätszielsetzungen.

[0024] Im weiteren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 die einzelnen Phasen I - V der Stahlerzeugung gemäß der Erfindung und

Figur 2 die Temperaturführung während der einzelnen Phasen gemäß Figur 1.

[0025] Gemäß Figur 1 wird in der Phase I der Stahl geschmolzen, wobei dies entweder in einem Kupolofen, Induktions- oder einem Lichtbogenofen oder in einem durch eine Lanze erhitzten Tiegel erfolgen kann.

[0026] In der Phase II wird der Stahl abgestochen und mit den gewünschten Legierungszusätzen sowie solchen Zusätzen versehen, die im Frischverfahren gemäß den Phasen II und III die notwendige Temperaturerhöhung ermöglichen.

[0027] In der Phase II und III wird nach Einfüllen der Zuschläge und der Zusätze die Konverterbehandlung mit Sauerstoff, Stickstoff, Luft oder Argon bzw. Mischungen dieser Gase vorgenommen. 4

[0028] Nach dem Abkippen der Schmelze in einer Pfanne gemäß Phase IV wird dort eine Feinspülung vorgenommen und danach kann in Phase V entweder ein Block-, Form- oder Strangguß usw. erfolgen.

[0029] Im einzelnen wird nach dem Abstich aus einem Einschmelzaggregat gemäß Phase I der Zusatz von Legierungs- und Zuschlagelementen vorgenommen und danach erfolgt die genannte zweiphasige Behandlung in einem Konverter. Es erfolgt ein rasches und intensives Frischen mit einer erheblichen Temperatursteigerung von ca. 1500 auf über 1700 °C durch das Einblasen des bekannten Inertgas-Luft-Sauerstoffgemisches. Dieses Frischen kann mit einer Lanze unterstützt werden. Es erfolgt dann eine Schnell-Desoxydationsphase mit einer relativ geringen Temperaturverminderung, in welcher bereits die gewünschte Einstellung der Endanalyse weitestgehend erfolgt und in welcher die während des Frischens erzeugten Oxide weitgehend reduziert werden. Nach der Schnell-Desoxydationsphase mit hohen Gasdurchsätzen erfolgt der Abstich. Feine _Feinspülphase mit erheblich geringeren Gasdurchsätzen, z. B. 0,01 - 0,05 m³/t erfolgt anschließend in der Pfanne.

[0030] In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, daß die Misch- und Kontrollorgane für die Einführung der benötigten Gase in einem Konverter eine entsprechende Auslegung besitzen und daß die Einblasöffnungen im Boden oder nahe dem Boden des Konverters derartig ausgebildet sind, daß sie auch in Phasen mit geringem Gasdurchsatz frei von eindringendem Stahl bleiben.

[0031] Während der Desoxydationsphase ist es vorteilhaft, die Konverteröffnung zu verringern. Die Vorrichtung zur Verringerung der Konverteröffnung kann so ausgebildet sein, daß sie beim'Abstich der Schmelze am Konverter verbleiben kann.

[0032] Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird die Schmelze über den Konverterrand entleert, wobei die Schlacke mit in die Pfanne gekippt wird und dort einen Teil der Auffangschlacke bildet. Während des Abkippens wird die Inertgasatmosphäre im Konverter beibehalten und der ausfließende Stahl wird zur Vermeidung eines Desoxydationsmittels oder der Anwendung einer Inertgasabschirmung geschürzt.

[0033] Mit dieser Pfannen-Nachbehandlung lassen sich die gewünschten metallurgischen Werte hinsichtlich der chemischen Analyse, Temperatur und des Reinheitsgrades genau einstellen, wobei die Schmelze derart wird, daß spätere gröbere Einschlüsse vermieden werden können. Es entstehen Stähle mit besseren mechanischen Eigenschaften.

[0034] In Phase V wird dann der Stahl unter einem Gießstrahlschutz vergossen.

[0035] Bei Durchführung des Verfahrens ist zu beachten, daß alle eingesetzten Legierungen trocken sind und alle Zugaben so frühzeitig der Schmelze zugesetzt werden, daß sie ebenfalls gut durchgespült werden.

[0036] Alle Schlackenbildner sollten vorab im Konverter gefüllt sein und die Charge sollte schlackenfrei umgefüllt werden. Im Konverter werden mindestens 0,5 % Kohlenstoff herausgefrischt.

[0037] Die Prozeßgaszufuhr muß im Bereich von 0,5 - 2,0 Nm³/t/ min regelbar sein mit einer darauf abgestimmten Absaugung der Rauchgasmengen.

[0038] Während der Behandlungszeit im Konverter sollte eine Spülung mit mindestens 4 - 6 Nm'Ar/t durchgeführt werden und die Zeit bis zum Abstich nach Fertigstellung der Schmelze darf höchstens 5 - 10 min betragen.

[0039] Weiterhin ist es vorteilhaft, die Abstichpfanne basisch oder neutral zuzustellen. Sie ist gut vorzuwärmen und mit ein oder mehreren Boden-Spülsteinen auszurüsten.

[0040] Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung liegen u. a. darin, daß es nicht nur für die Herstellung von besserem Stahl in Industrieländern eingesetzt werden kann, sondern daß es aufgrund seiner Einfachheit und stabilen Verfahrensführung auch in nicht hoch industriealisierten Ländern erfolgreich verwendet werden kann.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Stählen mit hohem Reinheitsgrad und geringen Gasgehalten in Stahlwerken und Stahlgießereien, bei welchem der flüssige Stahl in einer Pfanne mit einem Inertgas ge-, spült wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Pfannenbehandlung und nach dem Einschmelzen mit den gewünschten Legierungsbestandteilen ein Frischen in einem Konverter mittels eines Inertgas/Luft/Sauerstoffgemisches in einer oder mehreren Phase(n) erfolgt, wobei die einzelnen Behandlungsstufen Frischen, Desoxydieren und Feinen so getrennt werden, daß jeder Schritt optimal durchgeführt werden kann, ohne den Zusammenhang des gesamten Prozeßablaufs zu stören.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Pfanne eine desoxydierende Substanzen enthaltende Auffangschlacke auf die Schmelze aufgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Pfannenbehandlungszeit eine Feinspülung der Schmelze erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Frischen im Konverter eine Desoxydationsphase bei gleichzeitigem Intensivspülen mit Inertgas folgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter über den Rand entleert wird und die Schlacke mit in die Pfanne gekippt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt des Stahls bei chromhaltigen Stählen kleiner 20 ppm und bei un- und mittellegierten Stählen kleiner 10 ppm eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abstichs des Konverters die Inertgasatmosphäre bestehen bleibt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgesetzte Inertgasmenge oder Luftmenge oder Luft/Sauerstoff- oder Inertgas/Sauerstoffmenqe während der Aufheiz- und der Desoxydationsphase ein Vielfaches, mindestens 10 - 20 mal so groß ist, wie die in der Feinspülphase durchgesetzte Inertgasmenge in der Pfanne.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Desoxydationsphase eine Verringerung der Konverteröffnungsfläche erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abstichs ein Desoxydationsmittel auf den ausfließenden Stahl zugegeben wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ausfließende Stahl durch einen Inertgasschleier vor Reoxydation geschützt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Gesamtbehandlung (Konverter plus Pfanne) die Schlacke auf 10 Teile gerechnet auf folgende Zusammensetzung eingestellt wird:

₁ - 2 x A1₂⁰₃

1 - 3 x Si0₂

2 - 5 x Ca0

1 - 2,x Mg0

1 x sonstige Metalloxyde.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt des Stahls während der Frischperiode um mindestens 0,5 % verringert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischperiode durch zusätzliches Auf- oder Einblasen von Sauerstoff mittels Lanze verkürzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß feste oxydhaltige Stoffe mit Trägergas durch eine Lanze zugegeben werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Reaktionsraum im Konverter zwischen 0,45 - 0,80 pro t Ausbringen liegt.

17. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konverter zum Frischen des Stahls in mehreren Phasen vorhanden ist, der nacheinander eine Behandlung mit einem Luft/Inertgas/Sauerstoffgemisch und reinem Inertgas mit voneinander stark abweichenden Gasmengen erlaubt, und dem Konverter eine Pfanne zum Feinspülen des Stahls nachgeschaltet ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvertermündung eine Vorrichtung aufweist, die zeitweise eine Verringerung der Konverteröffnung erlaubt.

19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch einen Konverter mit einer Gasmengenregelung und Einblasöffnungen, die eine Variation der einzublasenden unterschiedlichen Gase erlauben.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasöffnungen mit Einzelsteuerungen vorgesehen sind.

21. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfanne für die fertige Schmelze mit basischen oder neutralen Feuerfestmaterialien zugestellt wird, so daß aus dem Pfannenfutter kein Sauerstoff in die Schmelze nachgeliefert werden kann.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstichpfanne für die fertige Schmelze mit Dolomit ausgekleidet ist.

Zeichnung