DE102004004038B3

DE102004004038B3 - Verfahren zur Herstellung eines Al-beruhigten Stahles mit niedrigen Gehalten festigkeitssteigernder Elemente

Info

Publication number: DE102004004038B3
Application number: DE200410004038
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr. Wünnenberg; Jürgen Dr. Cappel; Thomas Dr. Schlüter; Jörg Rzepczyk; Klaus Hanke
Original assignee: Mannesmannroehren Werke AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Al-beruhigten Stahles mit niedrigen Gehalten festigkeitssteigernder Elemente, bei dem vorentschwefeltes Roheisen in einem Konverter zu Stahl mit einem C-Gehalt < 0,01 Gew.-% verblasen und anschließend der Stahlschmelze beim Abgießen in eine Pfanne zur weiteren Absenkung des Schwefelgehaltes ein schwefelabbindendes, vorzugsweise Ca enthaltendes, Mittel zugegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Al-beruhigten Stahles mit niedrigen Gehalten festigkeitssteigernder Elemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Patentanspruchs 2.

In der Feinblechindustrie werden zunehmend Stahlgüten mit niedrigen Festigkeitswerten verlangt. Diese Güten sind durch niedrigste Gehalte an C, P, Si, Cu, Cr, Ni, Mo bzw. niedrigste Festigkeitswerte gekennzeichnet und auch unter der Bezeichnung ULC (Ultra Low Carbon) und IF (Interstitiell Free) bekannt. Insbesondere die geforderten extrem niedrigen Kohlenstoffgehalte können Probleme bereiten, da sich nach dem Konverterprozess bei der nachfolgenden sekundärmetallurgischen Behandlung Aufkohlungen gezeigt haben, die je nach Grad als Fehlschmelzen verworfen werden mussten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Al-beruhigten Stahles mit niedrigen Gehalten festigkeitssteigernder Elemente anzugeben, das eine Aufkohlung vermeidet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung werden bei der sekundärmetallurgischen Behandlung insbesondere zur weiteren Schwefelabsenkung nur solche Mittel zugegeben, die nahezu frei von Kalkstein (CaCO₃) sind, beispielsweise reines CaO.

Die näheren Untersuchungen haben ergeben, dass Karbonate aus dem Kalk, die vorzugsweise in der sekundärmetallurgischen Behandtung zur Schwefelabsenkung eingesetzt werden, die Quelle für den Kohlenstoffzubrand sind. Die Reaktionen die dabei ablaufen, lassen sich wie folgt beschreiben:
CaCO₃ spaltet sich bei hohen Temperaturen (> 1000 °C) zu CaO und CO₂ auf. CaCO₃ → (CaO) + {CO₂} (1)

Das für die Desoxidation der Stahlschmelze zugesetzte Al ist in der Lage Kohlenstoff von CO abzuspalten und damit den Kohlenstoffzubrand zu verursachen. Anders ausgedrückt: das Kohlenmpnoxid wird durch Aluminium in der Stahlschmelze reduziert und der verbleibende Kohlenstoff wird im Stahl gelöst. 2Al + 3CO₂ → (Al₂O₃) + 3{CO} (2) 2Al + 3CO → (Al₂O₃) + 3[C] (3)

Weder das in der Stahlschmelze vorhandene Titan noch das Mangan oder Silizium können einen Kohlenstoffzubrand bewirken, da wegen der Thermodynamik CO stabiler ist als MnO, SiO₂ und Ti₂O₃. 2Ti + 3CO₂ → (Ti₂O₃) + 3{CO} (4) Mn + CO₂ → (MnO) + {CO} (5) Si + 2CO₂ → (SiO₂) + 2{CO} (6)

Unter Beachtung dieser Zusammenhänge muss bei der Herstellung von ULC- und IF-Stählen darauf geachtet werden, dass bei einer mit Al-desoxidierten Stahlschmelze während der sekundärmetallurgischen Behandlung möglichst kein Kalkstein (CaCO₃) eingeschleppt wird, damit dies nicht zu den zuvor beschriebenen Reaktionen führt. Erreichen kann man dies beispielsweise durch Zugabe eines fast reinen CaO für die Schwefelabsenkung.

Die Beschaffung eines fast reinen CaO und die Vermeidung jeglichen Kalksteineintragens kann schwierig sein und die Kosten für die Stahlherstellung in die Höhe treiben.

Aus diesem Grund wird zur Lösung des Problems eine zweite Variante vorgeschlagen. Diese Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass für die sekundärmetallurgische Behandlung eine unberuhigte Stahlschmelze in die Pfanne eingefüllt wird und zur Schwefelabsenkung handelsübliches, d. h. mit Kalkstein verunreinigtes CaO zugegeben wird. Da kein Al in der Schmelze vorhanden ist, können die zuvor beschnebenen Reaktionen auch nicht ablaufen. Erst am Schluss der Behandlung, wenn das CO aus der Schmelze entfernt ist, wird Al zur Desoxidation zugegeben.

Auch bei dieser Verfahrensweise wird sich durch die Verunreinigung mit Kalkstein CaO und CO₂ bilden. Trotzdem laufen die besagten Reaktionen nicht ab, da in der Schmelze kein Al vorhanden ist. Vor der endgültigen Zugabe von Al ist aber das CO weitgehend aus der Stahlschmelze entwichen, so dass das zugegebene Al kein C abspalten kann.

Die letztgenannte Verfahrensweise hat den Vorteil, dass auf die teuere Zugabe von hochreinem CaO verzichtet werden kann und nur durch Abänderung des Zeitpunktes der Zugabe von Al zur Desoxidation ein Kohlenstoffzubrand verhindert wird.

Mit der vorgeschlagenen Verfahrensweise lassen sich folgende Wirkungen erzielen:

– ein Kohlenstoffzubrand wird verhindert,
– Mn-, Ti- und insbesondere Si-Gehalte werden werter abgesenkt,
– Cr- und P-Gehalte werden etwas vermindert,
– ein hoher Ausgangsgehalt an Kohlenstoff kann auf den für eine ULC-Güte abgesenkt werden,
– ein niedriger Ausgangsgehalt an Kohlenstoff kann konstant gehalten werden.

Die letztgenannte Wirkung ist damit zu erklären, dass bei einem niedrigen Ausgangsgehalt an Kohlenstoff die Aktivität nicht mehr ausreicht, um Reaktionen der zuvor beschriebenen Art ablaufen zu lassen.

Der Vorteil der vorgeschlagenen Verfahrensweise ist darin zu sehen, dass man einen Teil der ohnehin zur Aufnahme der Desoxidationsprodukte und zur Stahlentschwefelung erforderlichen Weichbrandkalk-Menge nicht sofort beim Abstich in die Pfanne gibt, sondern erst bei der sekundärmetallurgischen Behandlung zusetzt. Weiterhin kann die vorgeschlagene Verfahrensweise dazu genutzt werden, um durch gezielten Einsatz von Kalkstein bei Verletzung von Analysenobergrenzen der festigkeitssteigernden Elemente die Gehalte dieser Elemente durch Abbrand in den Bereich der Kundenspezifikationen zu bringen.

Anhand der nach folgenden schematischen Diagramme wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer ca. 70kg-Versuchsschmelze näher erläutert. Es zeigen:
1 Änderung der Stahlzusammensetzung durch Zugabe von CaCO₃ auf eine Al-beruhigte Stahlschmelze
2 Änderung der Stahlzusammensetzung einer unberuhigten Stahlschmelze durch die Zugabe von CaCO₃
3 wie 2 aber mit niedrigem Ausgangsgehalt an Kohlenstoff in der Stahlschmelze
1 zeigt die Änderung der Stahlzusammensetzung durch Zugabe von CaCO₃ auf eine Al-beruhigte Schmelze. Die Zugabe von CaCO₃ und die Zugabe von Al sind durch senkrecht nach unten zeigende Pfeile gekennzeichnet.
Wie man erkennen kann, setzen mit Beginn der Zugabe die Reaktionen gemäß den Gleichungen 1 bis 6 ein. Zuerst wird CaCO₃ infolge der hohen Temperatur aufgespalten in CaO und CO₂, danach folgen die Reaktionen der Elemente Al, Ti, Mn, Si mit CO₂ Der deutlich sichtbare Anstieg im Kohlenstoffgehalt von ca. 0,005 Gew.-% auf mehr als 0,015 Gew.-% ist auf die Reaktion gemäß Gleichung 3 zurück zu führen. Durch Al wird das Kohlenmonoxid zu Kohlenstoff unter Bildung von Al₂O₃ reduziert. Durch die Reaktion gemäß den Gleichungen 4 – 6 sinken die Gehalte an Mn, Si, und Ti.
Diese genannten Reaktionen würden nicht ablaufen, wenn man hochreines CaO als schwefelabsenkendes Mittel einsetzen würde, so dass sich kein CO₂ bilden könnte, das im Zusammenwirken mit Al zum schon erwähnten Kohlenstoffzubrand führt.
Ein völlig anderes Bild zeigt 2. In diesem Fall wird einer unberuhigten Schmelze CaCO₃ zugegeben. Der Kohlenstoffgehalt ist durch Zugabe von reinem Kohlenstoff auf fast 0,09 Gew.-% herauf gesetzt worden. Durch Zugabe von Fe₂O₃ wurde der Sauerstoffgehalt auf einem üblichen Level eingestellt. Mit Zugabe von CaCO₃ sinken die Gehalte an Mn, Si, Ti und insbesondere C. Statt der bisher beobachteten Zunahme des Kohlenstoffgehaltes (siehe 1) sinkt dieser bei einem unberuhigten Stahl.
Die nach Beendigung der Behandlung erforderliche Desoxidation der Schmelze wird durch Zugabe von Al bewirkt.
Für das Beispiel in 3 wurde ebenfalls eine unberuhigte Stahlschmelze eingesetzt und in bekannter Weise CaCO₃ zugegeben. Für dieses Beispiel wurde auf eine Zugabe von C verzichtet, so dass der Ausgangsgehalt für C schon sehr niedrig bei etwa 0,005 Gew.-% liegt, was einer ULC-Güte in etwa entspricht.
Wie man der Darstellung entnehmen kann, sinken, wie zu erwarten ist, die Gehalte Mn, Si, Ti aufgrund der Reaktion gemäß den Gleichungen 4 – 6, während der Kohlenstoffgehalt nahezu konstant bleibt.
Die Zugabe von Al zur Desoxidation der Stahlschmelze erfolgt am Ende der Behandlung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Al-beruhigten Stahles mit niedrigen Gehalten festigkeitssteigernder Elemente, bei dem vorentschwefeltes Roheisen in einem Konverter zu Stahl mit einem C-Gehalt < 0,01 Gew.-% verblasen und anschließend der Stahlschmelze beim Ausleeren in eine Pfanne zur weiteren Absenkung des Schwefelgehaltes ein schwefelabbindendes, Ca enthaltendes Mittel, und zur Desoxidation Al zugegeben wird dadurch gekennzeichnet, dass bei der sekundärmetallurgischen Behandlung eine Teilmenge des zur Stahlentschwefelung insgesamt erforderlichen schwefelabbindenden Mittels nach der Entkohlung zur Schlackenbildung zugegeben wird und dass dieses Mittel nahezu frei von Kalkstein (CaCO₃) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Al-beruhigten Stahles mit niedrigen Gehalten festigkeitssteigernder Elemente, bei dem vorentschwefeltes Roheisen in einem Konverter zu Stahl mit einem C-Gehalt < 0,01 Gew.-% verblasen und anschließend der Stahlschmelze beim Abgießen in eine Pfanne zur weiteren Absenkung des Schwefelgehaltes ein schwefelabbindendes, Ca enthaltendes Mittel, zugegeben wird dadurch gekennzeichnet, dass für die sekundärmetallurgische Behandlung eine unberuhigte Stahlschmelze in die Pfanne ausgeleert wird und während der Behandlung eine Teilmenge des zur Stahlentschwefelung insgesamt erforderlichen schwefelabbindenden Mittels zugegeben und als letzter metallurgischer Behandlungsschritt die unberuhigte Stahlschmelze mit Al desoxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärmetallurgische Behandlung unter Schutzgas erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärmetallurgische Behandlung unter Vakuum erfolgt.