NO153861B - Fremgangsmaate for forhindring av slaggoverloep ved pneumatisk raffinering under overflaten av en staalsmelte. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår raffinering av stål og mere spesielt pneumatisk raffinering av stål under badoverflaten og som krever tilsetning av et brennstoffmateriale for å oppnå den ønskede tappetemperatur uten slaggoverløp.

Uttrykket "pneumatisk raffinering under badoverflaten", heretter kalt badraffinering, er ment å beskrive en fremgangsmåte der dekarburisering av smeiten oppnås ved under overflaten å injisere oksygengass, alene eller i kombinasjon med en eller flere gasser valgt blant argon, nitrogen, ammoniakk, damp, karbonmonoksyd, karbondioksyd, hydrogen, metan eller høyere hydrokarbongasser. Gassene kan blåses inn ved å følge forskjellige blåseprogrammer avhengig av stålkvalitet og de spesifikke gasser som brukes i kombinasjon med oksygen. Raffineringsperioden ender hyppig med visse avslutningstrinn slik som f.eks. kalk og/eller legeringstil-setninger for å redusere de oksyderte legerende elementer og for å danne et basisk slagg, og tilsetning av legerende elementer for å justere smeltesammensetningen for å oppfylle visse spesifikke spesifikasjoner.

Det er i teknikken kjent flere pneumatiske badraffineringsprosesser som f.eks. inkluderer AOD-, CLU-, OBM-, Q-BOP-

og LWS-prosessene. De følgende US-patenter er illustrerende for disse respektive prosesser; US-PS 3.252.790; 3.867.135; 3.706.549; 3.930.843 og 3.844.768.

Under pneumatisk raffinering blir smeiten oppvarmet ved

de eksoterme oksydasjonsreaksjoner som skjer under dekarburi-seringstrinnet i raffineringsperioden. Smeltene avkjøles heller hurtig under avslutningstrinnet fordi tilslagene av kalk og legerende elementer er endoterme.

Pneumatisk raffinering under overflaten, vanligvis i denne teknikk kalt "blåsing", gir vanligvis ett eller flere av de følgende resultater; dekarburisering, desoksydasjon, desulfurisering, defosforisering og avgassing av smeiten.

For å oppnå disse resultater er det nødvendig: (1) å tilveiebringe tilstrekkelig oksygen til å brenne ut karbon til det ønskede nivå (dekarburerisering), og (2) å tilveiebringe tilstrekkelig spylegass til: grundig å blande desoksyderings-tilslagene inn i smeiten (desoksydering), oppnå god gjensidig påvirkning mellom slagg og metall (desulfurisering) og sikre at det oppnås lave nivåer av hydrogen og nitrogen i smeiten (avgassing).

Pneumatisk raffinering har to motstridende temperaturkrav. Det ene er at det holdes en tilstrekkelig høy temperatur

ved de eksoterme reaksjoner til å tillate at de endoterme trinn utføres mens temperaturen i smeiten holdes tilstrekkelig høy til tapping av smeiten. Det andre er at den topptempéra-tur som oppnås i raffineringsbeholderen holdes under det som vil forårsake utilbørlig forringelse av den ildfaste foring i beholderen.

Selv om foreliggende oppfinnelse kan anvendes på alle de ovenfor angitte pneumatiske badraffineringsprosesser for stål blir for hensiktsmessighetens skyld oppfinnelsen beskrevet og illustrert under henvisning til argon-oksygen dekarburiseringsprosessen, også kalt AOD-prosessen.

Uttrykket "argon-oksygen dekarburiseringsprosessen" slik dette benyttes i foreliggende søknad og krav er ment å definere en prosess for raffinering av smeltet metall inne-holdt i en raffineringsbeholder som er utstyrt med minst en neddykket lanse, omfattende (a) å blåse inn i smeiten gjennom nevnte lanse eller lanser en oksygenholdig gass inneholdende opptil 90% av en fortynningsgass, hvorved fortynningsgassen virker til å redusere partialtrykket for karbonmonoksyd i gassboblene som dannes under dekarburiseringen av smeiten og/eller å forandre matehastigheten for oksygen til smeiten uten i det vesentlige å forandre den totale innblåsningshastighet for gassen, og deretter (b) å blåse inn en spylegass i smeiten gjennom nevnte lanse eller lanser hvori spylegassen bevirker å fjerne urenheter fra smeiten ved avgassing, desoksydering, forflyktigelse eller flotasjon av urenhetene med etterfølgende innfanging av eller reaksjon med slagget. Prosessen benytter vanligvis en oksygenholdig gasstrøm omgitt av en ringformet strøm av beskyttende fluid som virker som beskyttelse for lansen eller lansene og den omgivende ildfaste foring for utilbørlig slitasje. Brukbare fortynningsgasser er argon, helium, hydrogen, nitrogen, karbonmonoksyd, karbondioksyd eller damp; argon er foretrukket. Brukbare spylegasser er argon, helium, nitrogen og damp og argon er foretrukket. Brukbare beskyttelsesfluider er argon, helium, hydrogen, nitrogen, karbonmonoksyd, karbondioksyd, damp eller et hydrokarbon-fluid og igjen er argon foretrukket.

Under raffineringen påvirkes temperaturen i smeiten av

de faktorer som bevirker varmetap og de som bevirker varme-gevinster. Varme kreves for: (1) å heve temperaturen i smeiten fra chargetemperaturen til tappetemperaturen,

(2) å oppløse kalk eller andre bestanddeler i slagget,

(3) å oppløse enhver legering, skrap eller andre tilslag som tilsettes under raffinering, og (4) å erstatte varmetap fra smeiten til omgivelsene under hele raffineringsperioden (dvs. under inert gassomrøring, blåsing, reduksjon og stans).

Varme tilføres under raffineringsperioden kun ved de eksoterme reaksjoner som inntrer under raffineringen. Disse inkluderer oksydasjon av karbon, silisium, aluminium og andre tilstedeværende metalliske bestanddeler i smeiten slik som f.eks. jern, krom og mangan. Hvis etter raffinering smeltetemperaturen er utilstrekkelig til å oppnå den ønskede tappetemperatur, er det vanlig praksis å blåse smeiten igjen med oksygen for derved å danne varme ved oksydasjon av karbon og metalliske elementer i smeiten. Slik omblåsing er imidlertid uønsket fordi den tar ytterligere tid, krever bruk av ytterligere oksygen, silisium og kalk og forårsaker uønskede oksydasjoner av metalliske elementer i smeiten,

alt som fører til den totale driftsineffektivitet og påvirker

også smeltens kvalitet på ugunstig måte.

En måte å unngå det ovenfor angitte problem på er beskre-

vet i US-PS 4.187.102. Den metode som deri er beskrevet omfatter tilsetning av hurtig og langsomt oksyderende elementer til smeiten (slik som aluminium henholdsvis silisium)

før innblåsing av raffineringsoksygen begynner. Den varme som tilveiebringes ved oksydasjon av disse elementer må

være tilstrekkelig til å gi en temperatur i smeiten ved slutten av raffineringsperioden som minst er lik den ønskede tappetemperatur, men ikke så høy at den forårsaker ødeleggelse av det ildfaste materiale. Mens denne metode i de fleste> tilfeller er tilfredsstillende kan den prosess som er beskrevet i det ovenfor angitte patent i enkelte tilfeller forårsake såkalt "slopping".

"Slopping" er et metallurgisk fenomen som er vanlig ved pneumatisk raffinering av metaller hvori emulsjonen av slagg og metall som dannes over smeiten som raffineres blåses opp og ut av den åpne munn av raffineringsbeholderen. Denne slopping virker ikke bare ugunstig på utbytte, men

er også farlig for arbeidere som befinner seg i nærheten.

Det er funnet at de følgende faktorer øker tendensen for

en stålsmelte til å "koke over" under AOD-raffinering:

1. Høy hastighet for utvikling av karbonmonoksyd.

2. Høy gass (argon og/eller oksygen) blåsehastigheter.

3. Lite fritt volum i raffineringsbeholderen.

4. Dannelse av en metall-slagg emulsjon.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å forbedre den kjente teknikk og angår i henhold til dette en fremgangsmåte for å forhindre overkoking av slagg ved pneumatisk raffinering under overflaten av en stålsmelte:som krever brennstofftilsetninger, mens man samtidig regulerer smeltens temperatur ved til smeiten å sette et oksyderbart' brennstoffmateriale i en mengde tilstrekkelig til å oppnå den ønskede tappetemperatur ved slutten av raffineringsperioden, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at det oksyderbare brennstoffmate-rialet tilsettes på et tidspunkt etter at smeiten er dekarburisert til i det vesentlige spesifikasjonens karboninnhold eller etter at karboninnholdet har sunket til under 0,50%.

Uttrykket "oksyderbart brenselsmateriale" slik det benyttes heri er ment å omfatte de materialer hvis oksydasjon er termodynamisk favorisert i forhold til karbon ved stålfrem-stillingstemperaturer, som har en høy varmefrigivning pr. oksygenenhet, dvs. 9,6 x 10<6> kalorier pr. normal kubikkmeter, målt ved 0°C og en atmosfære, og hvis damptrykk ikke er vesentlig større enn det for jern. Aluminium, silisium og zirkonium er illustrerende for brukbare oksyderbare brenselsmaterialer. Aluminium er det foretrukkede materiale for bruk ifølge oppfinnelsen og kan tilsettes som aluminium-metall eller som en aluminiumlegering.

Den foretrukne pneumatiske prosess er argon-oksygen dekarburiseringsprosessen.

Foreliggende oppfinnelse kan anvendes for å forhindre overkoking i en hvilken som helst stålsmelte som krever tilsetning av oksyderbart brenselsmateriale utover det som inneholdes i chargen for å heve temperaturen i smeiten. Slike stal omfatter karbonstål, lavlegerte stål og verktøy-stål.

Figur 1 er et grafisk diagram som illustrerer en typisk tid-temperaturkurve for to stålsmelter fremstilt ifølge oppfinnelsen og en ifølge teknikkens stand.

Ved høye karbonnivåer er ved AOD-raffinering av lavlegerte stål karbonfjerningshastigheten avhengig av oksygeninnblåsningshastigheten. Når oksygeninnblåsningshastigheten økes, blir dekarburisering og også tendensen til å koke over øket. Varmetapsbetraktninger krever imidlertid opprettholdelse av en blåsehastighet så høy som mulig uten å ta i betraktning overkoking eller nedbryting av ildfast materiale. Som en konsekvens er det ikke brukbart å bekjempe over-

koking ved i alvorlig grad å begrense oksygeninnblåsningshastigheten.

Et lite frivolum er et resultat av uriktig beholderkonstruk-sjon og/eller overdreven smeltestørrelse. Fordi overkoking inntrer etter at en slaggemulsjon er dannet i beholderen,

er det ønskelig å ha et stort frivolum tilgjengelig for å romme emulsjonen.

Den prosess som er beskrevet i det ovenfor angitte amerikanske patent resulterer selv under effektiv temperaturregulering enkelte ganger i overkoking av grunner som ikke er forstått. Foreliggende oppfinnelse unngår overkoking i alle tilfelle.

Oppfinnelsen er antatt å forhindre overkoking ved å sikre

at kombinasjonen av høyt karboninnhold og høy temperatur ikke faller sammen med nærværet av en slagg-metallemulsjon under dekarburisering. Drivkraften for karbonmonoksyddannel-ser reduseres ved å redusere dekarburiseringstemperaturen.

En lavere dekarburiseringstemperatur oppnås ved ikke å tilsette aluminium eller andre varmedannende oksyderbare stoffer inntil etter at dekarburisering er i det vesentlige ferdig. I tillegg sikres opprettholdelse av slagg med relativt lav tendens til å danne en skummende emulsjon ved ikke å tilsette alt varmedannende materiale, f.eks. aluminium, inntil etter at vesentlig dekarburisering har skjedd. Ved tilstrekkelig lave karbonnivåer, dvs. omtrent 0,50%, er det funnet at faren for overkoking er over.

Trinnene som er beskrevet ovenfor unngår overkoking og kontrollerer på samme tid raffinerings- og tappetemperaturene. Under dekarburisering opprettholdes badtemperaturen eller

den økes ved oksydasjon av silisium og metaller som er tilstede i smeiten før og under den første dekarburisering. Etter vesentlig dekarburisering tilsettes tilstrekkelig aluminium eller andre oksyderbare stoffer for å opprettholde

eller å øke smeltetemperaturen alt etter som det er nødvendig før reduksjonen og avslutningstrinnene for den totale raffine-ringsprosess.

Tilsetning av aluminium eller andre oksyderbare stoffer

til smeiten bør skje på kontrollert måte slik at temperaturen i smeiten økes tilstrekkelig til å tillate det etter-følgende endoterme raffineringstrinn å skje. I enkelte tilfeller kan det være ønskelig å tilsette en andel av aluminium på helt opptil 35% før dekarburisering er ferdig eller sågar har begynt. Dette er f.eks. ønskelig for å desoksydere en høyt oksydert smelte før tilsetning av det nødvendige karbon. Karbon kan tilsettes for å sikre tilstrekkelig CO til å understøtte avgassing av smeiten.

Figur 1 viser typiske temperaturprofiler for smelter av karbonstål raffinert i henhold til oppfinnelsen, kurvene A og B, og en smelte raffinert med teknikken i henhold

til det ovenfor angitte US-patent, kurve C. I kurve A

blir det oksyderbare materiale, her aluminium, tilsatt etter at dekarburisering i det vesentlige var ferdig.

På det punkt tilsettes aluminium for å bringe temperaturen opptil det ønskede nivå over tappetemperaturen for å gi tilstrekkelig varme slik at smeiten ved slutten av det avsluttede trinn (vist i striplede linjer) er i det minste den ønskede tappetemperatur. I kurve B ble ca. 1/3 av den totale aluminiummengdetilsatt før dekarburisering. Aluminium forårsaker at temperaturen i smeiten øker med

ca. 55,5°C. Når dekarburiseringen er ferdig, blir deretter resten av aluminium tilsatt for å heve temperaturen i smeiten til det ønskede nivå som sikrer riktig tappetemperatur

ved slutten av avslutningstrinnet. Kurve C representerer resultatene som oppnås ifølge det ovenfor angitte US-patent der all aluminium så vel som silisium og andre langsomt oksyderende elementer ble tilsatt før dekarburisering.

De følgende eksempler skal illustrere den beste måte for

gjennomføring av foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 1

En 20.000 kg smelte av HY-80 stål ble raffinert i en 23 tonns AOD-raffineringsbeholder. Chargen ble smeltet under reduserende betingelser i en lysbueovn. 620 kg kalk ble tilsatt til AOD-beholderen før smeiten ble overført fra lysbueovnen til AOD-beholderen. Deretter ble 10,5 normal kubikkmeter pr. minutt, målt ved 0°C ved en atmosfæretrykk, oksygen og 3,7 normal kubikkmeter pr. minutt argon ble blåst inn i smeiten i henhold til konvensjonelle AOD-metoder for å dekarburisere smeiten og for å fjerne silisium. Beholderen ble slått av etter 27 minutter av AOD-blåsingen. Temperaturen ble målt til 1680°C. 23 kg nikkel og 16 kg molybden ble tilsatt som legeringsadditiver. 52 kg aluminium ble tilsatt for varmedannelse. AOD-blåsingen ble deretter gjenopptatt i ytterligere 4 minutter. Temperaturen ved slutten av denne blåsing var 1710°C. 170 kg 75% FeSi ble deretter tilsatt som legeringstilslag og smeiten omrørt ved hjelp av argon i 4 minutter. Det ble tatt en smelteprøve og supplerende legeringstilslag ble tilsatt smeiten og omrørt ved hjelp av argon. Smeiten ble tappet ved 1610°C. Man merket ingen tendenser til "slopping". Karboninnholdet på tidspunktet for aluminiumtilsetningen var 0,17%, dvs. spesifikasjonens karboninnhold.

Eksempel 2

33.600 kg smelte av AISI 1029-stål ble laget i en 36 tonns AOD-beholder. Smeiten ble dekarburisert til 0,06% karbon

i en lysbueovn med valsehud og tilstrekkelig kalk og kalksten for å gi en basisk slagg. Ovnen ble avslagget og tappet. 1160 kg kalk ble prechargert til AOD-beholderen. Stålet fra lysbueovnen og 45 kg aluminium ble deretter chargert til AOD-beholderen og omrørt i 1 minutt med argon. 2 50 kg standard ferromangan og 300 kg grafitt ble tilsatt. Smeiten ble deretter blåst med 32,8 normal kubikkmeter pr. minutt oksygen og 10,9 normal kubikkmeter pr. minutt argon for å dekarburisere smeiten og å fjerne silisium. Etter 8 minut-

ters argon-oksygen blåsing ble beholderen slått av. Temperaturen var 1565°C. 317 kg 75% FeSi ble nå tilsatt og det hele ble omrørt bare med argon i 4 minutter. Smeiten ble tappet ved 1640°C og man opplevde ingen overkoking under smeltingen. Karboninnholdet ved aluminiumtilsetningen var 0,28% C, dvs. spesifikasjonens karboninnhold.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for å forhindre overkoking av slagg ved pneumatisk raffinering under overflaten av en stålsmelte som krever brennstofftilsetninger, mens man samtidig regulerer smeltens temperatur ved til smeiten å sette et oksyderbart brennstoffmateriale i en mengde tilstrekkelig til å oppnå den ønskede tappetemperatur ved slutten av raffineringsperioden, karakterisert ved at det oksyderbare brennstoffmaterialet tilsettes på et tidspunkt etter at smeiten er dekarburisert til i det vesentlige spesifikasjonens karboninnhold eller etter at karboninnholdet har sunket til under 0,50%.

2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man som oksyderbart brenselsmateriale anvender aluminium.

3 . Fremgangsmåte ifølge kravene 1 og 2, karakterisert ved at man tilsetter opptil 35% av det brenselsmateriale som skal tilsettes før smeiten i det vesentlige er dekarburisert til spesifikasjonens karboninnhold.