O 229280 ŽELEZARSKI ZBORNIK IZDAJAJO ŽELEZARNE JESENICE, RAVNE, ŠTORE IN METALURŠKI INŠTITUT LETO 20 LJUBLJANA SEPTEMBER 1986 Izdelava dinamo jekla po vod postopku v železarni Jesenice* UDK: 669-982:669.14.018.583 ASM/SLA: D7a, D8m, TSn J. Arh, B. Koroušič, J. Triplat Prispevek obravnava probleme, ki nastopajo pri izdelavi jekel z zelo majhno vsebnostjo ogljika in so legirana s silicijem in aluminijem. Pri konvencionalnem postopku je težava predvsem pri vodenju oksidacije na meji ravnotežja pri majhni vsebnosti ogljika ter odstranjevanje velike količine dezoksidacijskih produktov žvepla in plinov iz jekla. Izdelava dinamo jekel v vakuumu po VOD postopku je edina varianta, ki zagotavlja majhno vsebnost ogljika, žvepla in plinov ter zadostno čistočo jekla, ki je potrebna najprej zaradi nemotenega vlivanja dobre predelovalnosti v vročem in dobrih magnetnih lastnosti v izdelanem jeklu. UVOD Železarna Jesenice je edini proizvajalec dinamo jekla v Jugoslaviji. V elektro jeklarni pa predstavlja zaradi velike proizvedene količine najbolj masovno vrsto jekla. Pri izdelavi teh jekel imamo na Jesenicah že dolgoletne izkušnje in tradicijo. Težave pri izdelavi jekel z majhno vsebnostjo ogljika, kot je dinamo jeklo, so privedle do odločitve in izbire VOD naprave za izdelavo dinamo jekla, nerjavnih jekel in legiranih jekel. Po že dveletnem obratovanju in na osnovi dobrih rezultatov lahko trdimo, da je bila izbira postopka pravilna. Izdelava dinamo jekel po VOD postopku je še vedno novost. V strokovni literaturi ni najti opisov in referenc, tako da je železarna Jesenice med redkimi proizvajalci v svetu. Celotna tehnologija dupleks postopka EO peč-VOD naprava je narejena doma ob pomoči strokovnjaka Thyssen Edelstahlwerke. V glavnem je plod dela, znanja in izkušenj strokovnjakov železarne Jesenice. OPIS IZDELAVE DINAMO JEKEL PO VOD POSTOPKU Dinamo jeklo izdelujemo po dupleks postopku EO peč-VOD naprave. Vse naprave so grajene za 65 t teko- Predavanje na 2. Evropskem kongersu o elektrojeklarstvu. Firence, september 1986. čega jekla. Shematski prikaz obeh stopenj izdelave, to je v EO peči in v vakuumski komori, je podan na sliki 1. Oksidacijo Segrevanje Odlitje jekla Posnemanje žlindre Temp CC) 1600 1760 Čas (min) 40 1730 1685 7 Temp (*C) Čas (mh) 16B0 1620 1571 22 28 Transport in priprava poncvce Razogljičenje Legiranje FeSi, Al ,CaO ,CaFt Degazacija Odžveplanje Slika 1 Shematski prikaz stopenj izdelave dinamo jekla v EO peči in VOD napravi Fig. I Schematic presentation of stages in manufacturing electrical steel in an electric are furnace and VOD set-up PRVA STOPNJA - IZDELAVA JEKLA V EO PEČI Razmere pri izdelavi jekla v EO peči so prikazane na sliki 2. _I_L- 20 30 Čas ( min ) Slika 2 Spremembe kemijske sestave jekla v EO peči Fig. 2 Variations of chemical composition of steel in the electric are furnace Izdelava jekla v peči je v bistvu zelo enostaven in kratek postopek. Vložek je tako sestavljen, da šarže raz-talijo z okrog 0,30 do 0,50 % C. To je potrebno predvsem zaradi lažjega segrevanja taline na potrebno visoko temperaturo in čiščenja taline suspenzij nekovinskih vključkov. Pri sestavi vložka in izdelavi jekla je treba paziti še na vsebnost Mn, katerega koncentracija naj ne bo višja od predpisane analizne meje. Oksidacijo začenjamo pri visoki temperaturi, tako da je po oksidaciji že dosežena potrebna temperatura preboda, ki naj ne bo nižja od 1750. Da se izognemo preoksidaciji jekla v peči, je željeno, da zaključimo oksidacijo pri 0,03 do 0,05 % C. Oksidacija v EO peči je zmernejša in bolj enostavna, kot pri klasični izdelavi, saj ni potrebno pihati do ekstremno nizke vsebnosti C, ki je pri klasični izdelavi pri 0,02 % C. Šarže samo še ogrejemo na potrebno temperaturo in izlijemo v dobro ogreto bazično obzidano ponovco, skupaj z žlindro. Nato posnamemo žlindro iz ponovce. Žlindro je treba dobro posneti, predvsem zaradi redukcije Mn v času legiranja, da ne zgrešimo predpisane analizne meje. Ko smo posneli žlindro, šaržo prenesemo v vakuumsko komoro. previsokem ogljiku pa pihati kisik, da pospešimo razo-gljičenje taline. Razmere pri izdelavi dinamo jekla v VOD komori kažeta sliki 3 in 4. Čas (min) Slika 3 Spremembe kemijske sestave pri izdelavi dinamo jekla v VOD Fig. 3 Variations of chemical composition in manufacturing electrical steel in the VOD equipment Slika 4 Potek temperature in tlaka pri izdelavi dinamo jekla v VOD Fig. 4 Temperature and pressure course in manufacturing electrical steel in the VOD equipment DRUGA STOPNJA - IZDELAVA JEKLA V VOD NAPRAVI Iz ponovce vzamemo po prebodu vzorec za kemično analizo. Ko postavimo ponovco v vakuumsko komoro in priključimo cev za argon, izmerimo še temperaturo taline. Kemična analiza in temperatura sta izhodišči za nadaljni potek dela v vakuumski komori. Pri prenizki začetni temperaturi je potrebno šaržo najprej ogreti, pri Takoj po tem, ko smo izmerili temperaturo, pokrijemo komoro z vakuumskim pokrovom in obenem vključimo vakuumske črpalke. Pri normalnih razmerah potekajo drugo za drugim razogljičenje, legiranje, degazacija in odžveplanje. Razogljičenje: Razogljičenje se začne takoj, ko začne padati tlak v vakummski komori zaradi zniževanja parcialnega tlaka CO, za kar velja naslednja enačba: (C) x (O) = k x p00 Velikost razogljičenja je odvisna od vsebnosti aktivnega kisika. Kadar je ta prenizka, kar lahko ugotavljamo ali z direktnim merjenjem aD ali pa posredno preko ogljika, takrat dodatno pihamo kisik skozi kopje direktno na talino pri znižanem tlaku, pri čemer selektivno odgoreva le ogljik. Konec razogljičenja določimo po padcu tlaka v komori, pa tudi vizuelno z opazovanjem kuhanja skozi opazovalno okence. Legiranje: Legiranje začnemo s preddezoksidacijo z večjo količino aluminija, ki ga damo v talino pri najnižjem tlaku skozi legirni sistem v pokrovu tako, kakor tudi ferosilicij in vse žlindrotvorne dodatke. Za legiranje uporabljamo droben FeSi 75 %, ki ga dodamo v dveh ali treh porcijah. Plini, ki se začno takoj izločati iz FeSi, povzročajo penjenje žlindre. Iz tega razloga večji ostanki žlindre ali dodajanje žlindrotvornih dodatkov pred razogljičenjem niso zaželeni. Ferosiliciju sledijo žlin-drotvorni dodatki, pri čemer znaša dodatek apna od 12 do 15 kg/t. Kvaliteta apna, ki jo določajo velikost žaro izgub in vlage ter reaktivnost, je zelo pomembna za stopnjo od-žveplanja in končno kvaliteto jekla. Takoj za žlindrotvornimi dodatki dodamo še zadnje količine aluminija za legiranje. vilo za nizke vsebnosti topnega kisika in s tem boljšo livnost. Proces v vakuumski komori traja skupno od 50 do 70 minut. VREDNOTENJE REZULTATOV Do tehnologije, kakršno imamo danes, smo prišli skozi več razvojnih faz. Pri tem smo imeli dva glavna cilja: 1. izdelati jeklo z dobro livnostjo in dobro predelo-valnostjo (plastičnostjo v vročem), 2. izdelati čim bolj čisto jeklo s čim manjšo vsebnostjo skupnega kisika in žvepla. Oboje je med seboj tesno povezano. Velike količine A1203, ki nastaja pri dezoksidaciji taline in redukciji žlindre, je treba z izpiranjem z argonom spraviti iz jekla v žlindro, za kar je potreben določen čas in določena energija mešanja. Da preprečimo nastanek prekomernih količin A1203, je treba delati tako, da je že ostanek kisika po razogljičenju čim nižji. To dosežemo, če šarže pri razoglji-čenju sledijo stehiometričnem razmerju C/O =12/16. Temu razmerju sledijo šarže z vsebnostjo ogljika pred razogljičenjem med 0,026 in 0,036 %, kar je razvidno tudi s slike 5. DEGAZACIJA IN ODŽVEPLANJE Degazacija teče vzporedno z legiranjem, saj se sproščajo velike količine plinov, predvsem iz FeSi, pa tudi iz apna, ki ni vedno najboljše kvalitete, kar se pozna tudi na instrumentih za merjenje tlaka, ki naraste, ker črpalke pač ne morejo odsesati veliko sproščenih količin plinov naenkrat. Odžveplanje se začne, ko je formirana tekoča žlindra s primerno kemično sestavo za dobro odžveplanje. Pri tem izkoriščamo sedanje znanje o žlindrah in skušamo sestaviti žlindro tako, da je sulfidna kapaciteta žlindre kar največja. A1203 kot važna komponenta v žlindrah nastaja sam zaradi dezoksidacije taline in redukcije žlindre. Pomembno za stopnjo odžveplanja pa sta poleg pravilne kemične sestave žlindre zlasti še čas in moč mešanja jekla in žlindre pri najnižjem dosegljivem tlaku (pod 1 mb) in zadostni količini žlindre. Določanje konca procesa: Ker nimamo možnosti za merjenje temperature v času procesa, določimo konec procesa empirično na osnovi povprečnega padca temperature v času procesa. Pri tem skušamo upoštevati najnižje možne temperature za livanje, ker so nizke livne temperature pač zagoto- 002 0.03 Vsrbnosl ogljika (•/•) Slika 5 Potek razogličenja nekaterih poskusnih šarž Fig. 5 Course of decarburisation of some test melts Iz diagrama na sliki 5 spoznamo tudi za jeklarje pomembno ugotovitev, da je vsebnost kisika v talini po ra-zogljičenju najnižja pri šaržah z najvišjim izhodnim Tabela 1: Prikazujemo nekaj značilnih šarž z gibanjem ogljika in kisika v času razogljičenja v VOD Šarža aQ pred ao po O, C pred Mn pred C po Mn po dC dO ppm ppm N m3 % % % % % ppm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1360 536 0 0,017 0,21 0,004 0,09 0,013 824 2 806 302 0 0,020 0,14 0,003 0,17 0,017 504 3 462 203 20 0,036 0,28 0,009 0,21 0,027 259 4 406 190 0 0,039 0,17 0,022 0,22 0,017 216 1. aktiven kisik pred razogljičenjem 2. aktiven kisik po razogljičenju 3. količina vpihanega 02 4. 5. C in Mn pred razogljičenjem 6. 7. C in Mn po razogljičenju 8. C odstranjen z razogljičenjem 9. znižanje kisika v času razogljičenja Iz navedenega je očitno, da če želimo zagotoviti čim nižje vsebnosti celotnega kisika v dinamo jeklu, je prvi pogoj že optimiranje tehnološke faze izdelave jekla v EO peči. Ali povedano z drugimi besedami, z oksidaci-jo ogljika v peči je treba prenehati pri 0,04 do 0,06 %. ogljikom, kar sledi tudi iz znane odvisnosti produkta % C x aQ v odvisnosti od tlaka pco, ki jo kaže slika 6. 0.0020 0.0010 0.0005 00002 00001 Pwprecje za vakuumske taline / Ca0=Q0001£<' ✓'FbVOD ^Ravntf ezne "vrednosti _ 10 20 50 100 200 500 1000 2000 Pcotmb) Slika 6 Odvisnost produkta C x a0 od tlaka Fig. 6 Relationship betvveen the C x a0 product and the pressure Pri šaržah 1 in 2 je začetna vsebnost ogljika premajhna in kisika previsoka. Pri šaržah 3 in 4 pa je začetna vsebnost kisika premajhna. Pri šarži št. 3 smo v času razogljičenja dodatno pihali kisik, zato je razogljičenje dobro. Pri šarži št. 4 kisika nismo pihali, zato razogljičenje ni zadostno. praktični rezultati dveletne proizvodnje dinamo jekla na vod napravi Proizvodnja dinamo jekla v VOD napravi je enostavna in zanesljiva. Omogoča izdelavo jekla pri zelo različnih izhodnih stanjih, kot sta n. pr. visoka začetna vsebnost ogljika ali žvepla ali prenizka temperatura. V vsakem primeru je za uspeh nujen en sam pogoj, to je zanesljivo delovanje argonskega kamna. Brez mešanja z argonom ni VOD/VD postopka. V tabeli 2 prikazujemo najbolj značilne pokazatelje VOD/VD postopka izdelave dinamo jekla. 25 20 15 | 10 o 01 2345678910 11 Količina ogljika (*/. ■ 10"3) Slika 7 Porazdelitev C po razogličenju Fig. 7 Distribution of S in final composition 12 11 "h 9-8- 7- 5f-U 3 2 1 tfth. 0 2 A 6 8 10 12 M 16 18 20 x10"3 Količina žvepla ("/.) Slika 8 Porazdelitev S v končni sestavi Fig. 8 Distribution of S in final composition Na sliki 7 vidimo porazdelitev ogljika po razogljiče-nju, na sliki 8 pa porazdelitev žvepla v končni sestavi. Vzorcev za analizo po razogljičenju normalno ne jemljemo, ker ostane naprava zaprta. Za kontrolo procesa smo vzeli le 39 vzorcev, ki kažejo, da se da dosegati zelo nizke vsebnosti ogljika. Najnižja doslej analizira- Tabela 2: Značilni pokazatelji dveletne proizvodnje dinamo jekla po VOD postopku C pred VOD/VD C po razoglj. C končni S končni n X S n = 39 n X S n X S 1984 158 0,0416 0,021 X = 0,0044 158 0,0104 0,0061 158 0,0086 0,0054 1985 410 0,0278 0,0097 S = 0,002 410 0,0128 0,0046 410 0,008 0,005 jan. 86 30 0,024 0,0086 30 0,017 0,0038 30 0,0069 0,0047 febr. 86 33 0,031 0,014 33 0,0098 0,0037 33 0,0089 0,0038 na vsebnost C po razogljičenju znaša 0,0005 %, in sicer pri začetnih pogojih 0,025 C in 0,19 % Mn pred razoglji-čenjem. V končni analizi je bilo 0,0019 % C in 1,09 % Si. Postopno zmanjševanje standardne deviacije pri C in S v končni analizi kaže na vedno boljše delo. Vsebnost ogljika v končni analizi je glede na nizko vsebnost C po razogljičenju razmeroma visoka, odvisna pa je predvsem od vsebnosti C v FeSi in količine dodanega FeSi. VOD/VD postopek omogoča doseganje zelo nizke vsebnosti žvepla, kar je razvidno iz tabele 2 in s slike 8. Stopnja odžveplanja je visoka, v povprečju 74 %, z najvišjimi vrednostmi do 93 %, a v tabeli 3 prikazujemo nekaj značilnih kemičnih sestav žlindre pri dupleks procesu EOP/VOD. Na koncu prikazujemo še porazdelitev temperature pri izdelavi dinamo jekla za EO peč in VOD postopek. Porazdelitev temperature pri izdelavi dinamo jekla za EO peč in VOD postopek Glej sliko 9. Fig. 9 Distribution of temperature in manufacturing electrical steel in the electric are furnace and by the VOD process Tabela 3: Nekaj kemičnih sestav žlindre, značilnih za proizvodnjo dinamo jekla po postopku EOP/VOD Šarža SiO, ai2o3 FeO Fe203 MnO CaO MgO CaF2S % 2 po prebodu po razogljičenju po odžveplanju (CaO, a120,, CaF2) 13,7 7,9 6,0 3,92 3,06 19,0 - = 87% § 22,6 18,7 1,14 7,45 7,01 0,20 6,68 7,00 0,12 151=159 ISI 0,33 151 = 463 ISI 0,02 28,5 40.03 60.4 sk 9,30 18,2 6,80 3,07 3,5 6,7 = 0,003% 0,128 0,26 0,478 5 po odžveplanju (CaO, a120„ CaF2) 1,60 27,11 - = 92% C 1,70 0,26 47,5 sk 7,36 12,65 = 0,001 % 0,463 6 po odžveplanju (CaO, Al,O,, CaF2/SiO,) 5,98 27,1 - = 91 % S 0,57 0,48 57,3 Sk 2,80 4,71 = 0,004 % 0,480 7 po odžveplanju (CaO, A121j, Si02) 4,28 30,7 - = 76% S 0,86 0 0 151=129 ISI 56,45 sk 5,96 0 = 0,008% 1,03 ŽELEZARNA JESENICE - flO Slika 9 zaključki Od začetka leta 1984 izdelujemo na Jesenicah dinamo jekla po dupleks postopku EO peč-VOD postopek. VOD naprava je grajena za obdelavo 65 t tekočega jekla. Poleg dinamo jekla izdelujemo v VOD napravi še nerjavna jekla in druga legirana jekla, ki jih je treba zaradi visoke vsebnosti plinov razpliniti. V svetu dinamo jeklo le redko delajo po VOD postopku. Zato so dobljeni rezultati za jeklarje še tem bolj zanimivi. Prednosti izdelave dinamo jekla po EOP/VOD postopku v primerjavi s klasičnim postopkom v EO peči so: — izdelava jekla v EO peči je krajše in enostavnejše — preoksidaciji taline v peči se lahko izognemo — vsebnost C v izdelanem jeklu je občutno nižja — za legiranje uporabljamo cenejše surovine — odpade uporaba CaSi — zanesljivost izdelave jekla je večja — livnost jekla je odlična — predelovalnost jekla pri valjanju je boljša Dobri proizvodni rezultati so potrdilo, da smo se pri izbiri tipa naprave pravilno odločili. zusammenfassung Seit Anfang des Jahres 1984 werden Dynamo Stahle in Jesenice nach dem Duplex Verfahren LBO — VOD Verfahren erzeugt. Die VOD Anlage ist fiir die Behandlung von 65 t fliissig Stahl ausgelegt. Ausser Dynamo Stahlen werden in der VOD Anlage noch nichtrostende Stahle und andere legierte Stahle, die vvegen des zu hohen Gasgehaltes zu entgasen sind erzeugt. Wie bekannt werden Dinamo Stahle in der Welt nur selten nach dem VOD Verfahren erzeugt. Deshalb sind die erziehlten Ergebnisse in Jesenice fiir die Stah!werker um so mehr in-teresanter. Vorteile der Erzeugung von Dynamo Stahl nach dem LBO/VOD Verfahren im Vergleich zum Konventionellen Verfahren im LB Ofen sind: — Erzeugung von Stahl im LB Ofen ist kiirzer und ein-facher — die Uberoxydation der Schmelze im Ofen kann ver-mieden werden — Endkohlenstoff im fertigen Stahl ist erheblich niedriger — fiir das legieren werden billigere Legierungen angewen- det — entfallt Gebrauch von CaSi — Zuverlassigkeit der Erzeugung von Stahl ist grosser — Vergiessbarkeit von Stahl ist hervorragend — Verformbarkeit von Stahl beim Warmwalzen von Bram-men ist besser. Gute Produktionsergebnisse sind Bestatigung dafiir, dass wir uns bei der Auswahl des Anlagentypes richtig entschlossen haben. summary Since the beginning of 1984 the electrical steel in Jesenice Ironworks is manufactured by the duplex electric are furnace — VOD-process. The VOD set-up was built for treatment of 65 t molten steel. Beside the electrical steel also stainless and other alloyed steel are manufactured since they must be de-gassed due to high gas contents. , Electrical steel is in the world seldom manufactured by the VOD-process. Therefore the obtained results are stili more in-teresting for steelmakers. The advantages of manufacturing electrical steel by the EAF-VOD process compared with the standard process in an EAF are: — manufacturing the steel in EAF is shorter and simpler, — overoxidation of melt in the furnace can be avoided, — carbon content in final steel is essentially lower, — cheaper raw materials can be used for aIIoying, — application of CaSi is deserted, — reliability of manufacturing is greater, — steel castability is excellent, — workability of steel in rolling is better. Good produetion results are the confirmation that the choice of the type of equipment was correct. 3akj1k3hehhe HaHHHa« c 1984 roaa b MeTajuryprHMecKOM 3aBoae )Kejie-3apHa EceHHue H3r0T0BJiHeTca flHHaMHaa CTajib nynjieKC npo-ueccoM: ayroBaa sjieitTponeHb — BaKyyMHoe ycTp0iicTB0. Ba-KyyMHoe ycrp0HCTB0 nocTpoeHO fljia o6pa6oTKH 65 t. pac-njiaBJieHHoii ctajih. KpoMe ziHHaMHoii ctajih b stom ycTpoHcTBe H3r0T0BJi«K>Tca TaKJKe HepjKaBeiomHe h nponne ^erhpobahhbie crajih, h3 kotophx Haao bcjicuctbhh bmcoko-ro C0flep»aHHH ra30B sth ra3bi yaajiHTb. B oŠmeM H3rOTOBJieHHe aHHaMHOfi CTajiH b BaicyyMHOM ycTpoHCTBe BbinoJiHHeTCfl aoBOJibHO peaKO h, n03T0My, noJiy-neHHbie pe3yjibTaTbi npencTaBJiHioT 3HaHHTejibHbiii HHTepec nna CTajieBapoB. npehmymectbo H3roroBJieHHH zuihamhoh ctajih cnoco-6om flyroBaa nenb — BaKyyMHoe yCTp0HCTB0 b cpaBHeHHH c KJiaccHHecKHM cnoco6oM b ayr0B0M sjieKTponenH cjieay-lomee: — H3r0T0BJieHHe b ayr0B0H nei« Kopone h npocrne; — npejjBapHTejibHaa oKHCJieHHe He Heo6xoaHMo; — conepjKanHe yrjiepoaa b H3roTOBJieHHOH CTajiH cy-mecTBeHHo hh»e; — iuifl jierhpobahhh mo>kho ynoTpe6HTb 6ojiee aemebbie cnjraBbi; — OTnaaaeT ynorpe6jieHHe — H3r0T0BJieHHe CTajiH 6ojree Haae>KHoe; — TeKynecTb CTajiH npeBocxoaHaa; — nepepa6oTKa CTajiH bo bpem« npoKaTKH yjiynuieHa. Xopomne npoH3BoacTBeHHbie pe3yjibTaTbi flOKa3biBaK)T, mto 6biji Bbi6op THna ycTpoflcTBa co cTopoHbi MeTajuiyprHHe-CKoro 3aBOna EceHHue Bnojme npaBHJibHbifl.