DE69426921T2 - Verfahren zum Herstellen von Stählen mit erhöhten Stickstoffgehalten - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung betrifft die Herstellung von Stählen, die einen hohen Stickstoffgehalt aufweisen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Emaillierstählen mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt, die für eine gute Formbarkeit stabilisiert werden und die einen hohen Stickstoffgehalt für ausgezeichnete Emaillierungscharakteristika besitzen.
• Für zahlreiche Anwendungen müssen Emaillierungsstähle einen hohen Gütegrad mit ausreichender Formbarkeit und Ziehbarkeit aufweisen, um beispielsweise zu Badewannen, Abwaschbecken und dergleichen ausgeformt zu werden. Um dem Stahl geeignete Formbarkeitscharakteristika zu verleihen, wird der Stahl mit reaktiven Legierungselementen, wie Titan, Niobium und Bor, stabilisiert. In der Vergangenheit enthielten stabilisierte Emaillierungsstähle Kohlenstoff in der Größenordnung von 0,02%. Der Anteil an reaktiven Legierungselementen, die zur Stabilisierung dieses Anteils an Kohlenstoff erforderlich sind, führte zu beträchtlichen Mengen an Desoxidationsprodukten, wie Aluminiumoxid, welches im unmittelbaren oberflächennahen Bereich des Stahls enthalten ist. Um ein zufriedenstellendes Produkt für viele der Anwendungen herzustellen, auf welches solche Stähle aufgebracht werden sollten, war es notwendig, diese Oberfläche vollständig zu beträchtlichen Kosten bezüglich Arbeitsleistung und der Ausbeute zu entfernen. Die mit Oberflächenfehlern in dem stabilisierten Stahl verbundenen Probleme können durch die Verwendung von stabilisiertem Stahl mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt (ULC- Stahl), d. h. Stahl, welcher lediglich etwa 0,005% Kohlenstoff enthält, vermindert oder eliminiert werden. Stähle, die lediglich etwa 0,005% Kohlenstoff enthalten, können mit kleineren Mengen an Stabilierungselementen stabilisiert werden und dadurch die gewünschten Eigenschaften bezüglich der Formbarkeit und Ziehbarkeit ohne die damit verbundenen Oberflächenfehler vorsehen. Eine Chemie mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt sorgt zwar für die notwendigen Formbarkeits- und Oberflächencharakteristika, doch reicht ULC-Stahl allein für Emaillierungszwecke nicht aus. Stahl, welcher emailliert werden soll, muß allgemein die Fähigkeit besitzen, gegenüber der Bildung so genannter "Wasserstofffehler" beständig zu sein.
• Das Vorhandensein von Feuchtigkeit während des Emaillierens des Stahls führt unvermeidbar dazu, daß eine bestimmte Menge an Wasserstoff in dem festen Stahl gelöst wird. Wenn der Stahl keine Komponente oder Komponenten enthält, die den Wasserstoff in dem Stahl einfangen und halten, entweicht der Wasserstoff allmählich aus dem Stahl und erzeugt Fehler in der darübereliegenden Emaille, welche anschließend auf diesen als Beschichtung aufgebracht wird. Der am meisten problematische Wasserstofffehler, der in dem Überzug auftritt, ist als "Fischhaut" bekannt. Da dieses Problem für Tage oder Wochen nicht auftreten kann, nachdem der Stahl emailliert wurde, kann der fehlerhafte Stahl bereits in das Endprodukt eingebracht werden und zum Beispiel in einen neuen Haus installiert werden, bevor dieses sich manifestiert. Dies führt zu signifikanten Verlusten bezüglich Zeit, Arbeitsleistung, Produktivität und letztendlich der Kosten für den Stahlhersteller, den Produkthersteller und den Verbraucher. Ein weiterer Emaillierungsfehler zeigt sich als Blasen oder Verfärbungen in dem darüberliegenden Überzug.
• Um zufriedenstellende Emaillierungseigenschaften in stabilisiertem Stahl mit einem ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt zu erzielen, fand man heraus, daß ein hoher Stickstoffgehalt äußerst nützlich ist. Während es normalerweise wünschenswert ist, einen niedrigen Stickstoffgehalt in ULC- Stahl beizubehalten, stellt sich heraus, daß ein hoher Stickstoffgehalt Wasserstofffehler durch die Bildung von Wasserstoff einfangenden Reaktionsprodukten, wie TiN, ZrN und BN, in dem Stahl vermindert oder eliminiert. Diese Reaktionsprodukte verhindern ein Entweichen des Wasserstoffs und verursachen Fehler in dem darüberliegenden Überzug.
• Ein Weg, um Stickstoff in den Stahl zu bekommen, ist die Zusetzung von Stickstoff enthaltenden Legierungen, wie von nitriertem Mangan und nitriertem Calcium, nach dem Sauerstoffeinblaszyklus in einem basischen Sauerstoffblas-Konverter (BOF). Da diese Legierungen aber ziemlich teuer sind, erhöhen sie die Kosten des Verfahrens und des Stahls. Solche Legierungen tendieren auch zu einer Verzerrung der Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisse in dem Stahl, so daß häufig ungenügend Sauerstoff vorhanden ist, um den Stahl durch Vakuum-Umlauf-Entkohlung auf ultraniedrige Kohlenstoffanteile zu verarbeiten. Stickstoff kann auch in dem Vakuum- Entgasungsverfahren durch die Verwendung von Stickstoff an Stelle von Argon für das Auftriebgas von den Winddüsen in dem sogenannten "Up leg"-Schnorchel eines RH-Entgasers zugesetzt werden. Allerdings ist die Rückgewinnung variabel und sieht keinen adäquaten Stickstoffgehalt vor, um Wasserstofffehler zu verhindern. Stickstoff kann auch in dem BOF unter Verwendung von Inertgas-Winddüsen zugesetzt werden. Allerdings sind die Resultate wiederum variabel und unzureichend, um die Zielchemie zu erhalten. Obwohl Kombinationen dieser Praktiken gelegentlich zu ungenügend Stickstoff und Kohlenstoff in dem Produkt führen können, sind die Resultate der Kombinationen, wie mit den einzelnen Praktiken, variabel und unzureichend, um die erforderliche Stahlchemie mit einer angemessenen Reproduzierbarkeit herzustellen.
• Um die Anforderungen an die Formbarkeit von anspruchsvollen Emaillierungskunden angemessen zu erfüllen, während gleichzeitig ein Stahl bereitgestellt wird, welcher ausreichend Wasserstoffabsorptionsvermögen besitzt, um Fischschuppen und andere Emaillierungsfehler zu vermeiden, ist es wünschenswert, vollständig stabilisierten Stahl mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt zu verwenden, um die geeignete Formbarkeit zu erzielen und gleichzeitig Stickstoffwerte von mehr als 0,01% zu haben, um die Einschlüsse zu bilden, die notwendig sind, um den überschüssigen Wasserstoff aufzunehmen. Dies ist ein wesentlich höherer Stickstoffgehalt als bei normalem Stahl mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt, welcher typischerweise lediglich im Größenbereich von 0,006% und darunter liegt. Diese Kombination von Anforderungen ist einzigartig bei der Emaillierung von Stahl und erforderte die Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vor dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten die Stickstoffgehalte nicht auf einem ausreichend hohen Level gehalten werden, um Emaillierungsstahl mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt herzustellen.
• Die JP-A-5 239 596, erteilt an Yasuhiro et al., beschreibt eine Emaillierungs-Stahlmasse, bestehend aus < 0,005% Kohlenstoff und 0,04-0,12% Stickstoff.
• Das US-Patent Nr. 3 417 463, erteilt am 24. Dezember 1968 an Knüppel et al., beschreibt die Veredelung von Stahl durch Sauerstoffbeblasung und Vakuum-Entkohlung der veredelten Stahlschmelze. Stickstoff wird als ein Spülgas während der Vakuum-Entgasung zugesetzt, wodurch Stähle mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt erhalten werden. Der Stickstoffgehalt des Stahls ist nicht beschrieben.
• Das US-Patent Nr. 4 081 270, erteilt am 28. März 1978 an Tichauer et al., beschreibt ein Verfahren, in welchem während des letzten Teils des Blasverfahrens Stickstoffgas in den Stahl zusammen mit der Sauerstofflanze geblasen wird. Ein Kohlenstoffgehalt von 0,03% und ein Stickstoffzielgehalt von etwa 0,015% beispielhaft erläutert. Es gibt keine Beschreibung der Zusetzung von Stickstoff während des Vakuum-Entkohlungsschritts. Auch gibt es keine Beschreibung der Herstellung von Stählen mit ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt.
• Das US-Patent Nr. 4 348 229, erteilt am 7. Sept. 1982 an Suemune et al., betrifft Emaillierungs- Stahlzusammensetzungen mit niedrigem Stahlgehalt. Das Verfahren zur Herstellung der beanspruchten Zusammensetzungen schließt die Herstellung von Blöcken, die 0,003 bis 0,010% Kohlenstoff, 0,025% oder weniger Bor und 0,002 bis 0,025% Stickstoff enthalten, das Warmwalzen der Stahlblöcke, das Erhitzen auf einen Temperaturbereich von 1100-1300ºC und das sich anschließende erneute Warmwalzen auf eine gewünschte Dicke mit einer Finishing- Temperatur von 900ºC ein.
Beschreibung der Erfindung
• Das Verfahren der Erfindung ermöglicht die Herstellung eines optimalen chemischen Stahl- Emaillierproduktes, d. h. eines stabilisierten Stahls mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt mit einem hohen Stickstoffgehalt. Das bevorzugte chemische Stahlprodukt weist einen Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als etwa 0,005 Gew.-% und einen Stickstoffgehalt von nicht weniger als etwa 0,01 Gew.-% auf. Zum ersten Mal kann dieses optimale chemische Stahlprodukt in beständiger und ökonomischer Weise erhalten werden. Es ist unmöglich, diesen Stahl auf Routinebasis mit reproduzierbaren Resultaten durch irgendein anderes den Erfindern bekanntes Verfahren herzustellen.
• Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert; optionale Merkmale sind in den Unteransprüchen dargelegt.
• Das Verfahren der Erfindung ist für die primäre Anwendung auf Sauerstoffblasverfahren bestimmt. In der bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren ein basischer Sauerstoffblas-Konverter (BOF) verwendet. Wie in dem Fachbereich bekannt ist, beinhalten Verfahren mit basischem Sauerstoff typischerweise das Beschicken von geschmolzenem Eisen, Stahlabfall und anderen Komponenten zur Bildung des Stahlprodukts in einen metallurgischen Behälter, der so ausgelegt ist, daß ein Hochdrucksauerstoffstrom, typischerweise von einer Sauerstofflanze, aufgenommen wird. Eine Hochgeschwindigkeitsstrom aus hochreinem Sauerstoff von der Lanze wird in die geschmolzenen Eisenausgangsmaterialien geblasen, um sie zu Stahl zu veredeln. Die Details der Sauerstoffblasverfahren im allgemeinen, und des basischen Sauerstoffblas-Konverters (BOF) im besonderen, sind dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt. Gleichfalls, wie in dem Fachbereich zur Herstellung von Stählen mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt bekannt ist, wird, nachdem der Kohlenstoffgehalt durch das Sauerstoffblasverfahren verringert wurde, der Kohlenstoffgehalt der Schmelze weiter auf ultraniedrige Anteile durch zusätzliche Entkohlungsverfahren, wie die Vakuum-Umlauf- Decarbonsierung (VCD), in einem so genannten Vakummentgaser verringert. In dem Vakuum- Entkohlungsverfahren wird die Schmelze in eine Niederdruckumgebung eingeführt, so daß die Kohlenstoff- und Sauerstoffreaktionsprodukte, wie Kohlenmonoxid, sich aus der Schmelze als gasförmige Reaktionsprodukte entwickeln. Gelegentlich wird zusätzlicher Sauerstoff in das Schmelzmetallbad während der Entkohlung eingeführt, um das Kohlenstoff/Sauerstoff- Verhältnis für eine optimale Kohlenstoffenwicklung einzustellen. Wie in dem Fachbereich bekannt ist, wird auch Inertgas eingeführt, typischerweise durch in dem Bad untergetauchte Winddüsen, um den Partialdruck des CO zu verringern und das Bad zu bewegen und umzurühren. Das bevorzugte Verfahren der Erfindung beinhaltet eine Zweiphasenmethode, bei welcher die Stahlschmelze sowohl während des Sauerstoffblasverfahrens und wiederum während des nachfolgenden Entkohlungsverfahrens behandelt wird. Während das Verfahren hierin in Zusammenhang mit dem basischen Sauerstoffblas-Konverter und dem Vakuumentgaser beschrieben wird, wird in Erwägung gezogen, daß es auf andere Sauerstoffblasverfahren, die dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt sind, anwendbar sind.
• In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Stickstoffgas in die geschmolzene Eisencharge an einem gewissen Punkt während des Sauerstoffblaszyklus eingeführt. Idealerweise geschieht dies durch Mischen von Stickstoffgas mit dem Sauerstoff und gemeinsames Blasen der kombinierten Gase in die Schmelze durch die Sauerstofflanze. Dies ermöglicht die Injizierung des Stickstoffs direkt in die Sauerstoffreaktionszone, bei der es sich um die Region in der Schmelze handelt, wo der Sauerstoff mit der geschmolzenen Charge reagiert und diese entzündet. Die maximale Menge an Stickstoff löst sich in dieser Region, da es die heißeste Region in der Schmelze ist. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, daß die Löslichkeit des Stickstoffs in der Sauerstoffreaktionszone am höchsten ist, da die Temperatur in dieser Region ausreichend ist, um monoatomaren Stickstoff aus dem weniger löslichen diatomaren Stickstoff zu bilden. Normalerweise kommt Stickstoffgas als das diatomare Molekül N2 vor, welches eine geringe oder keine Löslichkeit in flüssigem Metall besitzt. Jedoch nimmt man an, daß die in der Sauerstoffreaktionszone während des Blasens vorliegenden Temperaturen ausreichen, um monoatomaren Stickstoff zu bilden, welcher im wesentlichen in dem flüssigen Metall löslicher ist. Während damit das gemeinsame Einführen der Gase durch die Sauerstofflanze das optimale Mittel zur Sicherung der maximalen Stickstoffaufnahme ist, könnte das Injizieren von Stickstoff durch andere Mittel bewerkstelligt werden, wie mit einer zweiten Lanze mit ausreichend Druck, um den Stickstoff in die Reaktionszone zu bringen. Theoretisch könnte dies auch durch Winddüsen in dem Ofen geschehen. Da aber die Winddüsen mit wesentlich weniger Druck als die Lanze blasen, müßten die Winddüsen modifiziert werden, um mit ausreichend Druck zu blasen, um den Stickstoff in die Schmelze zu bekommen. Selbstverständlich kann die Stickstoffeinführung durch die Lanze oder Lanzen mit einer Stickstoffeinführung durch die Winddüsen und/oder die Zusetzung von Stickstoff enthaltenden Legierungen verbessert werden.
• Da die Einführung von Stickstoffgas eine begrenzte Kühlungswirkung hat, wird das Stickstoffgas vorzugsweise in den Lanzenstrom eingeleitet, nachdem das Sauerstoffblasen ausreichend Zeit hatte, um mit der Verringerung des Kohlenstoffgehalts der Schmelze zu beginnen. Es kann auch wünschenswert sein, die Zielblastemperatur auf mehr als die normalerweise für eine bestimmte Charge angewandte Temperatur zu erhöhen, um jegliche Kühlungswirkung auszugleichen. Wie in dem Fachbereich bekannt ist, ist das Sauerstoffblasverfahren typischerweise innerhalb von etwa 20 bis 35 Minuten abgeschlossen. In der ersten Phase des Verfahrens wird der Kohlenstoffgehalt der Schmelze auf etwa 0,02 bis 0,03 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Stahls, verringert, wobei der damit verbundene Gehalt an gelöstem Sauerstoff oberhalb etwa 500 ppm liegt. Der Stickstoffgehalt nach der ersten Phase sollte mindestens etwa 0,01 bis 0,015 Gew.-%., bezogen auf das Gewicht des Stahls, betragen. Vorzugsweise ist der Stickstoffgehalt höher als 0,015% nach der ersten Phase. Wenn der Stickstoffgehalt zu niedrig ist, sollte die Schmelze erneut mit dem kombinierten Sauerstoff und Stickstoffgas geblasen werden. Der Sauerstoffgehalt der Schmelze nach der ersten Phase sollte vorzugsweise so reguliert werden, daß er den Kohlenstoffgehalt um etwa 150 ppm übersteigt, was für ein gutes Kohlenstoff/Sauerstoff- Verhältnis für eine erfolgreiche Vakuum-Entkohlung auf ultraniedrige Kohlenstoffanteile sorgt. Um die ultraniedrigen Kohlenstoffanteile zu erhalten, wird die Schmelze danach in den Vakuumentgaser befördert.
• In der zweiten Phase wird die Wärme weiter auf ultraniedrige Kohlenstoffanteile durch Vakuum-Entkohlung verarbeitet. Der Schlüsselfaktor in dieser Stufe, unter der Annahme, daß ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, um den Kohlenstoff zu entfernen, ist die Verlangsamung des Stickstoffverlustes. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird der Stickstoffverlust aus dem Entgaser, so nimmt man an, durch mindestens zwei Mechanismen gesteuert. Erstens verringert das Vakuum den Partialdruck des Stickstoffs über dem Bad. Diese Verringerung verändert das Gleichgewicht zwischen dem in dem Stahl gelösten Stickstoff und seiner Umgebung und bewirkt den Verlust von etwas Stickstoff durch simple Efferveszenz. Der zweite Faktor beim Stickstoffverlust ist der "Scrubbing"-Effekt der CO-Blasen, die erzeugt werden, wenn die Wärme entkohlt wird. Mit dieser zweiten Wirkung befaßt sich die Erfindung.
• Durch die Verwendung von Stickstoffgas als Auftriebgas durch die Entgaser-Winddüsen werden einige der CO-Blasen mit Stickstoff "gesalzen", wodurch die Neigung dieser Blasen, Stickstoff aus dem Bad zu entfernen oder zu "scrubben", vermindert wird. Das Einführen von Stickstoff in den Entgaser durch Winddüsen ist das bevorzugte Verfahren. Allerdings gibt es andere Wege zur Einführung des Stickstoffs in die Schmelze während des Entkohlungsverfahrens, wie einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Zweitens ist durch Beliefern des Entgasers mit Ausgangskohlenstoffanteilen, die bereits relativ niedrig von dem Sauerstoffblasverfahren sind, die Menge des während der Entkohlung entstehenden CO begrenzt. Selbstverständlich kann es, wenn der Kohlenstoffgehalt der Schmelze bei Einführung in den Entgaser immer noch zu hoch ist, erforderlich sein, Sauerstoff in das Bad während der Vakuum-Entkohlung einzuführen, um für eine angemessene Stöchiometrie für die CO-Entwicklung zu sorgen oder um Argon oder anderes Inertgas aus den Winddüsen zu verwenden, um den Partialdruck des CO weiter zu vermindern. Im letzteren Fall kann Argon mit Stickstoff durch die Winddüsen gemischt werden, oder die zwei Gase können in einer abwechselnden Weise aus den Winddüsen geblasen werden.
• In der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stahl zu ultraniedrigen Kohlenstoffgehalten von weniger als etwa 0,005% verarbeitet, während gleichzeitig ein hoher Stickstoffgehalt von nicht weniger als etwa 0,01% beibehalten wird. Der erhaltene Stahl weist eine ausgezeichnete Formbarkeit und Beständigkeit gegenüber Wasserstofffehlern auf, wodurch er für anspruchsvolle Emaillierungsanwendungen besonders geeignet gemacht wird.
• Entsprechend dem zuvor Erwähnten stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls mit hohem Stickstoffgehalt aus einer Charge, die eine Menge an geschmolzenem Eisenmetall beinhaltet, bereit. Das Verfahren umfaßt das Blasen von Sauerstoffgas in die geschmolzene Eisenmetallcharge, um den Kohlenstoffgehalt des Eisenmetalls zu verringern, und das Blasen eines ersten Anteils an Stickstoffgas in das geschmolzene Metall. Zumindest ein Teil der geschmolzenen Charge wird danach in eine Niederdruckumgebung eingeführt, um den Kohlenstoffgehalt des Metalls weiter zu verringern, und, während sie sich dort befindet, wird ein zweiter Anteil an Stickstoffgas in das geschmolzene Metall eingeführt. Ein solches Verfahren führt zu der optimalen Chemie für stabilisierten Emaillierungsstahl mit ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt. Der erste Anteil an Stickstoffgas wird vorzugsweise in die Sauerstoffreaktionszone des geschmolzenen Metalls eingeführt. Dies wird vorzugsweise durch Blasen des Sauerstoffgases und des ersten Anteils an Stickstoffgas als kombinierter Gasstrom von einer Hochdrucklanze bewerkstelligt. Vorzugsweise wird das Stickstoffgas in einer Menge von etwa 5 bis etwa 20 Gew.- %, bezogen auf das Gewicht des in das geschmolzene Metall geblasenen kombinierten Sauerstoff- und Stickstoffgases geblasen. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Niederdruckumgebung ein Vakuumentgaser, und der zweite Anteil an Stickstoffgas wird durch Winddüsen in dem Vakuumentgaser eingeführt.
• In einer Ausfuhrungsform wird der Kohlenstoffgehalt des Eisenmetalls auf nicht mehr als etwa 0,03 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des geschmolzenen Eisenmetalls, vor dem Einführen des geschmolzenen Metalls in die Niederdruckumgebung verringert. Ausreichend Stickstoffgas wird dem geschmolzenen Eisenmetall zugeführt, um den Stickstoffgehalt davon auf nicht weniger als etwa 0,01 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des geschmolzenen Metalls, vor der Einführung in die Niederdruckumgebung zu bringen. Vorzugsweise wird das geschmolzene Metall in der Niederdruckumgebung gehalten, bis der Kohlenstoffgehalt des Metalls auf etwa 0,005 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des geschmolzenen Metalls, verringert ist. Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform wird die Charge so hergestellt, daß sie ein oder mehrere Elemente, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Bor und Zirkonium, einschließt.
• Viele weitere Merkmale, Vorteile und ein besseres Verständnis der Erfindung erhält man anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
• Die erste Phase des bevorzugten Verfahrens findet in dem Sauerstoffblasofen statt, nachdem dieser mit den notwendigen Ausgangsmaterialien beschickt wurde, typischerweise in einer Größenordnung von etwa 75% geschmolzenes Eisen und 25% Abfall. Das Verhältnis wird durch eine Wärme-und-Masse-Bilanz für eine bestimmte Charge bestimmt. Um das Stickstoffgas, das zur Erreichung der erforderlichen Chemie notwendig ist, bereitzustellen, wurde eine Hochdruck- Stickstoffgasleitung in die Hauptsauerstoffleitung jeder Sauerstofflanze bei einem BOF- Umwandler abgezweigt. Die Stickstoffleitung wird in die Sauerstoffleitung zwischen der Lanze und der den Sauerstoffstrom regulierenden Gerätschaft abgezweigt, so daß die Sauerstoffquelle und die Stickstoffquelle unabhängig voneinander gesteuert werden können. Um die thermischen Wirkungen des Stickstoffgases auszugleichen, kann die Zieltemperatur des Blasens auf oberhalb der normalen Zieltemperatur für eine bestimmte Charge erhöht werden. Zum Beispiel kann die Zieltemperatur um 22,2ºC (40ºF) erhöht werden, so daß man an Stelle der Eingabe einer Zieltemperatur von 1621,1ºC (2950ºF) für das Blasen eine Zieltemperatur von 1643,3ºC (2990ºF) eingeben würde. Ansonsten wird die Sauerstoffblassequenz in der normalen Weise, wie einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt, für die BOF-Verarbeitung begonnen. Das Ziel in dieser Phase ist die Verringerung des Kohlenstoffgehalts auf zwischen etwa 0,02 und 0,03%, vorzugsweise etwa 0,028%, um die größtmögliche Stickstoffaumahme während einer Blasperiode, wo minimales CO-Gas erzeugt wird, zu ermöglichen. Die Zieltemperatur, das Sauerstoffvolumen und die Dauer des Blasens variieren von Charge zu Charge. Die entsprechenden Berechnungen für die Blasparameter sind dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wohlbekannt.
• Während die Sauerstoffblassequenz in dem BOF sich dem Ende nähert und der Kohlenstoffgehalt des Stahls verringert wird, wird Stickstoff der Sauerstoffleitung hinzugefügt. Idealerweise beginnt der Stickstoffstrom an dem Punkt beim Blasen, wo etwa 65% des vorhergesagten Sauerstoffvolumens geblasen wurden. An diesem Punkt beträgt die Sauerstoffströmungsrate ungefähr 539 Nm³ (19 000 Standard-Kubikfuß) pro Minute (SCFM). Der Stickstoff wird mit einer Strömungsrate von ungefähr 85 Nm³ (3000 SCFM) eingeführt. Die resultierende Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff wird durch die Sauerstofflanze in das Bad zum Ausgleich des erforderlichen Sauerstoffblasvorgangs geblasen und bewirkt eine Erhöhung des Stickstoffgehalts des Bades, während gleichzeitig eine fortgesetzte Abnahme an Kohlenstoff ermöglicht wird. Die Einführung von Stickstoff in den Sauerstoffstrom beeinflußt nicht die Gesamtmenge an Sauerstoff, die erforderlich ist, um den durch die Wärme-und-Masse-Bilanz errechneten Endpunkt zu erreichen.
• Der Stickstoffgasgehalt in dem Strom von der Sauerstofflanze macht etwa 5-20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von Sauerstoff und Stickstoff in dem Strom, aus. Vorzugsweise macht der Stickstoffgehalt etwa 10% aus. Wenn der Stickstoffgehalt zu niedrig ist, wird ungenügend Stickstoff in dem Stahl gelöst, um Wasserstofffehler in dem emaillierten Produkt zu vermeiden. Wenn der Stickstoffgehalt zu hoch ist, gibt es nicht genügend Sauerstoff in dem Strom, um die Charge zu entzünden und mit dieser zu reagieren und um den Kohlenstoffgehalt ausreichend zu verringern. Beim Abdrehen wird der Gehalt an gelöstem Stickstoff gemessen, bevor zu der zweiten Phase des Verfahrens der Erfindung übergangen wird. Auf Basis des gemessenen Stickstoffgehalts kann es erforderlich sein, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um sicherzustellen, daß der Stickstoffendgehalt mindestens zwischen 0,01 und 0,015% beträgt, bevor es weiter in den Entgaser geht. Wenn der Stickstoffgehalt unter 0,01% liegt, wird die Schmelze mit dem kombinierten Stickstoff- und Sauerstoffstrom erneut geblasen. Wenn der Stickstoffgehalt zwischen etwa 0,010 und 0,015% liegt, ist es wünschenswert, nitriertes Mangan oder eine ähnliche stickstoffhaltige Legierung während des Abstechens hinzuzufügen. Im Falle der typischen Charge sollten etwa 680 kg (1500 Pfund) nitriertes Mangan hinzugefügt werden. Wenn der Stickstoffgehalt über etwa 0,015% liegt, kann die Schmelze zu dem Entgaser ohne Modifizierung weiterfließen. Allerdings kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, mehrere Stickstoffzusetzungsstechniken zu kombinieren und den Stickstoffgehalt weiter selbst vor der Beendigung der anfänglichen Blassequenz zu erhöhen. Zum Beispiel können Stickstoff enthaltende Legierungen, wie nitriertes Mangan, der Schmelze zugesetzt werden und/oder kann Stickstoffgas in die Schmelze durch Winddüsen in dem BOF eingeführt werden, um die Stickstoffzufuhr zu erhöhen.
• Neben der Tatsache, daß der Stickstoffgehalt der Wärme auf etwa 0,01% oder mehr gebracht wird, ermöglicht die Anwendung dieser Technik typischerweise die resultierende Chemie der Wärme nach dem Abstechen in einer Weise, daß der Sauerstoffgehalt des Bades den Kohlenstoffgehalt um mehr als 150 ppm übersteigt. Weiterhin kann der Kohlenstoffgehalt der Wärme nach dem Abzweigen auf unter 300 ppm begrenzt werden. Dies sorgt für eine gute Chemie für die zweite Entkohlungsphase. Die Kombination aus wenig Kohlenstoff, viel Stickstoff und einem angemessenen Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis ist wichtig für die Herstellung von Stahl von Emaillierungsgüte mit einem ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt.
• Bei der Beendigung der ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt der Stahl aus dem BOF mit etwa 0,03% Kohlenstoff. In der zweiten Phase wird der Kohlenstoffgehalt auf einen Bereich für den ultraniedrigen Kohlenstoffgehalt von 0,0025 bis 0,005% in dem Vakuumentgaser abgesenkt. Durch die Implementierung der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der durchschnittliche Stickstoffgehalt aufwerten von oberhalb etwa 0,012% gehalten werden. In dem Vakuumentgaser verläuft die Verarbeitung auf ultraniedrige Kohlenstoffanteile normal für die Vakuum-Umlauf-Entkohlungs-Verarbeitung, mit der Ausnahme, daß das durch die Inertgas-Winddüsen in den Behälter des Vakuumumlaufverfahrens (VCP) eingespritzte Auftriebgas entsprechend dem Stickstoffgehalt der einströmenden Schmelze variiert wird. Wenn der Stickstoffgehalt der einströmenden Schmelze weniger als etwa 0,016% beträgt, besteht das Auftriebgas durch die Winddüsen völlig aus Stickstoffgas. Wenn der Stickstoffgehalt der einströmenden Schmelze zwischen etwa 0,016% und 0,020% liegt, kann das Auftriebgas eine Mischung aus Stickstoff und Argon oder anderem Inertgas umfassen. Im Verlaufe des Entkohlungsverfahrens wird der Stickstoffgehalt der Wärme zu dem gewünschten Produktbereich von 0,010 - 0,015% verringert.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stahls mit ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt und hohem Stickstoffgehalt, umfassend das Blasen von Sauerstoffgas in eine Charge aus geschmolzenem Eisenmetall, um den Kohlenstoffgehalt des Eisenmetalls zu verringern, und das Blasen eines ersten Anteils an Stickstoffgas in das geschmolzene Metall in einer ausreichenden Menge, um den Stickstoffgehalt des Metalls auf nicht weniger als etwa 0,01 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Metalls, zu bringen, aber wobei der Stickstoffgehalt unterhalb etwa 0,02% nach dem Blasen liegt, und das Einführen mindestens eines Teils des geschmolzenen Metalls in eine Niederdruckumgebung, um den Kohlenstoffgehalt des Metalls weiter auf weniger als etwa 0,005 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des geschmolzenen Eisenmetalls, zu verringern; wobei das Verfahren das Folgende umfaßt: Einleiten eines zweiten Anteils des Stickstoffgases in das geschmolzene Metall, während sich dieses in der Niederdruckumgebung befindet, in einer Weise, die wirksam ist, um einen Wasch- bzw. Scrubbingeffekt von CO in dem geschmolzenen Metall abzuschwächen, um den Stickstoffgehalt im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,015 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Metalls, zu halten.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Blasen des Sauerstoffs in das geschmolzene Metall eine Hochtemperatur-Sauerstoffreaktionszone erzeugt und der erste Anteil an Stickstoffgas in die Sauerstoffreaktionszone eingeleitet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, umfassend das Blasen des Sauerstoffgases und des ersten Anteils an Stickstoffgas als kombinierter Gasstrom aus einer Hochdruckblaslanze, die so ausgelegt ist, daß sie die Gase in das geschmolzene Metall leitet.

4. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Blasen des ersten Anteils an Stickstoffgas in einer Menge von etwa 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des in das geschmolzene Metall geblasenen Sauerstoffgases und Stickstoffgases.

5. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Niederdruckumgebung ein Vakuumentgaser ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, umfassend das Einfuhren des zweiten Anteils an Stickstoffgas durch Winddüsen in den Vakuumentgaser.

7. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Senken des Kohlenstoffgehaltes des Eisenmetalls auf nicht mehr als etwa 0,03 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des geschmolzenen Eisenmetalls, vor der Einfuhrung des geschmolzenen Metalls in die Niederdruckumgebung.

8. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Einführen von ausreichend Stickstoffgas in das geschmolzene Eisenmetall, um dessen Stickstoffgehalt auf nicht weniger als etwa 0,02 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des geschmolzenen Eisenmetalls, vor der Einführung in die Niederdruckumgebung zu bringen.

9. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Herstellen der Charge, um ein oder mehrere Elemente, gewählt aus Titan, Bor und Zirkonium, einzuschließen.