Desoxidation von Stahl

Desoxidation von Stahl

  Der Stahlherstellungsprozess besteht aus der Raffination von heißem Metall zu Stahl, die unter oxidierender Atmosphäre durchgeführt wird. Während des Raffinationsprozesses wird Sauerstoff in Stahl gelöst. Im Folgenden sind die Hauptquellen für Sauerstoff in Stahl aufgeführt.

• Sauerstoffblasen
• Verwendung von oxidierenden Schlacken und Eisenerz während des Stahlherstellungsprozesses
• Picking von Luftsauerstoff durch den flüssigen Stahl während des Gießvorgangs
• Oxidierende Feuerfeststoffe der Auskleidung
• Verrosteter und nasser Schrott.

Die Desoxidation ist die letzte Stufe der Stahlherstellung. Während der Stahlherstellung enthält das Stahlbad zum Zeitpunkt des Abstichs 400 bis 800 ppm Sauerstoffaktivität. Die Desoxidation wird während des Abstichs durchgeführt, indem entsprechende Mengen an Ferrolegierungen oder anderen speziellen Desoxidationsmitteln in die Gießpfanne gegeben werden. Liegt am Ende des Blasvorgangs der Kohlenstoffgehalt des Stahls unter den Vorgaben, wird der flüssige Stahl in der Gießpfanne zusätzlich aufgekohlt. Allerdings wirken sich große Zugaben in der Gießpfanne negativ auf die Temperatur des flüssigen Stahls aus.

Die Löslichkeit von Sauerstoff in Stahl ist vernachlässigbar gering. Während der Erstarrung von geschmolzenem Stahl wird überschüssiger Sauerstoff durch den erstarrenden Stahl abgewiesen. Die Löslichkeit von Sauerstoff in flüssigem Stahl beträgt 0,23 % bei 1700 °C. Sie nimmt während des Abkühlvorgangs ab und fällt dann während der Erstarrung von flüssigem Stahl stark ab und erreicht 0,003 % in festem Stahl.

Der aus der festen Lösung freigesetzte überschüssige Sauerstoff oxidiert die Stahlkomponenten wie C, Fe und Legierungselemente, was zu Lunker und nichtmetallischen Einschlüssen führt, die in der Stahlgussstruktur eingeschlossen sind. Sowohl Lunker als auch Einschlüsse haben erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und beeinträchtigen die Stahlqualität.

Um ein Oxidieren von Stahlkomponenten während der Erstarrung zu verhindern, muss der Sauerstoffgehalt von flüssigem Stahl reduziert werden. Dies erfolgt durch Desoxidation von Stahl, was ein technologischer Vorgang der Stahlherstellung ist, bei dem die Konzentration (Aktivität) des in flüssigem Stahl gelösten Sauerstoffs auf ein erforderliches Niveau reduziert wird. Zusätzlich zur Herstellung von gesundem Stahl durch Eliminieren von Lunkern und Minimieren von nichtmetallischen Einschlüssen wird die Desoxidation auch zur Kontrolle der Korngröße eingesetzt, um die Zähigkeit des Stahls zu verbessern

Für die Desoxidation von Stahl wurden mehrere Strategien entwickelt. Dies kann erreicht werden, indem dem flüssigen Stahl entweder vor oder nach dem Abstich metallische Desoxidationsmittel zugesetzt werden, oder durch Vakuumbehandlung, bei der im Stahl gelöster Kohlenstoff das Desoxidationsmittel ist. Neben der Desoxidation durch metallische Desoxidationsmittel und die Desoxidation durch Vakuum wird manchmal ein weiteres Desoxidationsverfahren, nämlich die Diffusionsdesoxidation, eingesetzt.

Je nach Grad der Desoxidation gibt es vier Arten der Desoxidation, die von vollständig desoxidiert bis leicht desoxidiert reichen. Keiner der verschiedenen Typen ist besser als der andere, aber jeder ist für sich nützlich. Nach dem Grad der Desoxidation können Kohlenstoffstähle in vier Gruppen eingeteilt werden.

• Rimming-Stähle – Diese Stähle sind teilweise desoxidierte oder nicht desoxidierte Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die während der Erstarrung eine ausreichende Menge an Kohlenmonoxid entwickeln. Barren aus umrandeten Stählen zeichnen sich durch eine gute Oberflächenqualität und eine beträchtliche Menge an Lunkern aus. Umrandete Stähle werden normalerweise abgestochen, ohne dass dem Stahl im Ofen Desoxidationsmittel oder nur geringe Zugaben zum flüssigen Stahl in der Gießpfanne zugesetzt wurden, um ausreichend Sauerstoff zu haben, um die gewünschte Gasentwicklung durch Reaktion in der Kokille mit Kohlenstoff zu erreichen . Die genaue Vorgehensweise hängt davon ab, ob der Stahl einen Kohlenstoffgehalt in höheren Bereichen (C =0,12 % bis 0,15 %) oder in niedrigeren Bereichen (C =0,10 % max) aufweist. Wenn der flüssige Stahl in der Kokille zu erstarren beginnt, gibt es eine lebhafte Entwicklung von Kohlenmonoxid (CO)-Gas, was zu einer äußeren Barrenhaut aus relativ sauberem Stahl führt, der wenig Kohlenstoff und andere gelöste Stoffe enthält. Solche Barren eignen sich am besten für die Herstellung von Elektrodenstäben und Stahlblechen.
• Gekappte Stähle – Das Üben von gekappten Stählen ist eine Variation des Rimming-Stählens. Der Rimming-Vorgang kann normal beginnen, wird dann aber nach einer Minute oder mehr beendet, indem die Form mit einer gusseisernen Kappe verschlossen wird. Diese Praxis wird normalerweise bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,15 % angewendet. Die gedeckelte Barrenpraxis findet normalerweise Anwendung bei der Herstellung von Blechen, Bändern, Drähten und Stangen.
• Halbberuhigte Stähle – Diese Stähle sind unvollständig desoxidierte Stähle, die eine gewisse Menge an überschüssigem Sauerstoff enthalten, der mit Kohlenstoff reagiert und während der Erstarrung von flüssigem Stahl eine ausreichende Menge Kohlenmonoxid bildet, um die Erstarrungsschrumpfung auszugleichen. Diese Stähle haben im Allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,15 % bis 0,30 % und finden breite Anwendung in Strukturformen
• Beruhigte Stähle – Diese Stähle sind so stark desoxidiert, dass während der Erstarrung keine Bildung und Entwicklung von Kohlenmonoxid auftritt. Barren und Gussteile aus beruhigtem Stahl haben ein homogenes Gefüge und keine Gasporosität (Lunker). Zur Desoxidation wird Aluminium zusammen mit Ferrolegierungen aus Mangan und Silizium verwendet. In bestimmten Fällen werden Calciumsilicid oder andere spezielle starke Desoxidationsmittel verwendet. Um die Verrohrung zu minimieren, werden fast alle beruhigten Stähle in Hot-Top-Big-End-Up-Formen gegossen. Beim Strangguss muss flüssiger Stahl für einen fehlerfreien Guss vollständig beruhigt werden. Beruhigte Stähle werden im Allgemeinen verwendet, wenn ein homogenes Gefüge in den fertigen Stählen erforderlich ist. Legierte Stähle, Schmiedestähle und Aufkohlungsstähle gehören zu dieser Art, wenn die wesentliche Qualität die Festigkeit ist. Bei der Herstellung bestimmter Extra-Tiefziehstähle wird ein Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (C =0,12 % max.) beruhigt, normalerweise mit einer beträchtlichen Menge an Aluminium, das in die Pfanne, in die Form oder beides hinzugefügt wird. Obwohl die Desoxidation von Stahl durch Aluminium die Bildung von Kohlenmonoxid während der Erstarrung unterdrückt und somit Lunker unterdrückt, gibt es viele Stahlverarbeitungsvorgänge, bei denen das Abtöten von Stahl durch Aluminium unerwünscht ist

Es gibt hauptsächlich drei Elemente, die bei der Stahldesoxidation von Stahl verwendet werden. Dies sind Mangan (Mn), Silizium (Si) und Aluminium (Al). Mangan und Silizium werden entweder in Form von kohlenstoffreichen oder kohlenstoffarmen Ferrolegierungen oder als Silizium-Mangan (Si-Mn)-Legierung hinzugefügt. Aluminium, das zur Desoxidation zugesetzt wird, hat einen Reinheitsgrad von rund 98 %. Manchmal wird auch Calcium (Ca) zur Desoxidation verwendet.

Calcium ist das wirksamste Desoxidationsmittel und Si ist im Vergleich zu Ca nicht so wirksam. Al ist im Vergleich zu Si auch ein stark desoxidierendes Element. Obwohl Ca und Al sehr effiziente Desoxidationsmittel sind, oxidieren sie sehr schnell und außerdem ist ihre Dichte viel geringer als die von Stahl. Auch Ca hat einen Siedepunkt von 1485 °C, was bedeutet, dass Ca bei der Stahlherstellungstemperatur in der Gasphase vorliegt. Zur Desoxidation mit Ca sind geeignete Injektionsverfahren bzw. Zugabeverfahren erforderlich.

Die Desoxidation kann entweder durch ein einzelnes Element wie Si, Al, Mn usw. oder durch eine Mischung von Elementen wie Si + Mn, Ca-Si-Al usw. durchgeführt werden. Die Desoxidation durch ein einzelnes Element ist als einfache Desoxidation bekannt.

Während die Desoxidation durch eine Mischung von Elementen als komplexe Desoxidation bekannt ist. Sowohl bei einfacher als auch bei komplexer Desoxidation wird Oxid gebildet; daher wird es auch als Fällungsdesoxidation bezeichnet. Die Desoxidation wird auch durch Kohle unter Vakuum durchgeführt; was als Vakuumdesoxidation bezeichnet wird. Elemente werden in Form von Ferrolegierungen Fe-Si, Fe-Mn oder Fe-Si + Fe-Mn usw. hinzugefügt Vorteile werden im Vergleich zu einfachen berichtet.

• Der gelöste Sauerstoff ist geringer.
• Aufgrund der Bildung von flüssigem Desoxidationsprodukt kann eine Agglomeration des Produkts zu großer Größe leicht erhalten und leicht flotiert werden.

Desoxidation mit Fe-Mn

Wenn der Stahl teilweise mit Mn desoxidiert wird, nimmt auch das Eisen an den Reaktionen teil und bildet flüssiges oder festes Mn (Fe) O als Desoxidationsprodukt.

[Mn] + [O] =MnO

[Fe] + [O] =FeO

Der Gleichgewichtszustand von Stahl mit dem Desoxidationsprodukt Mn(Fe)O ist in Bild 1 dargestellt.

Abb. 1 Mangan- und Sauerstoffgehalt von Eisen im Gleichgewicht mit FeO – MnO in flüssiger oder fester Lösung

  Desoxidation mit Si und Mn

Die Desoxidation durch Si ist viel vollständiger als die durch Mn, und die gleichzeitige Desoxidation durch diese beiden Elemente ergibt aufgrund der verringerten Si-Aktivität viel weniger Restsauerstoff in Lösung. Abhängig von der Si- und Mn-Konzentration, die dem Stahl in der Gießpfanne zugesetzt wird, ist das Desoxidationsprodukt entweder geschmolzenes Mangansilikat (MnO.SiO2) oder festes Siliciumdioxid (SiO2).

[Si] + 2[O] =SiO2        (1)

[Mn] + [O] =MnO      (2)

Eine der frühen bahnbrechenden Studien zu Schlacke-Metall-Reaktionsgleichgewichten wird Korber und Oelsen für ihre Messung der Gleichgewichtsverteilung von Mn und Si zwischen flüssigem Eisen und mit SiO2 gesättigter MnO-FeO-SiO2-Schlacke zugeschrieben. Die Ergebnisse ihrer Experimente bei 1600 ± 10 °C sind in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Konzentration von Mn, Si und O in flüssigem Eisen, das mit SiO2 äquilibriert wurde. Gesättigtes Mangansilikat schmilzt bei 1600 ± 10 °C

Desoxidation mit Si, Mn und Al

Halbberuhigte Stähle mit gelöstem Restsauerstoff im Bereich von 40 bis 23 ppm werden durch Desoxidieren von Stahl in der Gießpfanne unter Zugabe einer kleinen Menge Aluminium zusammen mit Siliciummangan oder einer Kombination aus Ferrosilicium und Ferromangan hergestellt. In diesem Fall ist das Desoxidationsprodukt flüssiges Mangan-Alumo-Silikat mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie 3MnO·Al 2 O 3 ·SiO 2 . Bei geringer Zugabe von Aluminium, z.B. ca. 15 kg für 100 t Wärme zusammen mit Si/Mn fast das gesamte Aluminium wird bei dieser kombinierten Desoxidation mit Si und Mn verbraucht. Das restliche gelöste Aluminium im Stahl beträgt weniger als 10 ppm. Desoxidationsgleichgewichte mit Si und Mn im Vergleich zu Al, Si und Mn für das mit Al2O3 gesättigte Desoxidationsprodukt sind in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3 Desoxidationsgleichgewichte mit Si und Mn im Vergleich zu Al, Si und Mn für das mit Al2O3 gesättigte Desoxidationsprodukt

  Desoxidation mit Al

Aluminium ist ein sehr wirksames Desoxidationsmittel, das in den meisten Stahlherstellungsverfahren verwendet wird. Üblicherweise wird die Aluminium-Desoxidation in Gießpfannen durchgeführt. In bestimmten Fällen werden die Al-Zusätze auch während des Block- oder Stranggießens in die Kokille eingebracht. Scheinbare Gleichgewichtsbeziehungen für die Desoxidationsprodukte:reines Al2O3 und geschmolzenes Calciumaluminat mit einem CaO/Al2O3-Verhältnis von 1 sind in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4 Desoxidation mit Al im Gleichgewicht mit Al2O3 oder flüssigem Calciumaluminat mit CaO/Al2O3 =1

Wenn der Al-beruhigte Stahl mit Ca-Si behandelt wird, werden die Aluminiumoxid-Einschlüsse in geschmolzenes Calciumaluminat umgewandelt. Für das Verhältnis CaO/Al2O3 von 1 beträgt die Aktivität von Al2O3 0,064 in Bezug auf reines Al2O3 bei Temperaturen im Bereich von 1500–1700 °C.