CAS-OB-proces: geavanceerde secundaire staalproductie met argon- en zuurstofbehandeling

CAS-OB-proces van secundaire staalproductie

Het CAS-OB-proces is een kraanbehandelingsproces in de secundaire metallurgie dat gebruikt wordt voor de verwarming van staal door chemische middelen. De afkorting CAS-OB staat voor 'Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling – Oxygen Blowing' (Samenstellingaanspassing door afgedichte argon-bubbeling – zuurstofblazen). Het proces werd in de jaren 1980 ontwikkeld en gepatenteerd door Nippon Steel Corporation. Tijdens het CAS-OB-proces zijn de belangrijkste functies de afstelling van de temperatuur op een optimaal niveau en de nauwkeurige toevoeging van legeringselementen. Het doel van de verwarming is om voldoende temperatuur van het vloeibare staal te garanderen wanneer het naar de continu gietmachine wordt gestuurd. Het CAS-OB-proces behoort tot de processen die bij atmosferische druk opereren.

Het CAS-OB-proces is ontworpen voor homogenisatie en controle van de samenstelling en temperatuur van staal. Het is een kraanbehandelingsproces dat ontworpen is voor verwarming en legering van vloeibare staal. Het proces wordt breed gebruikt voor staalkwaliteiten die geen vacuümontgassingsbehandeling vereisen. Recentelijk, door de bredere toepassing van vacuümontgassingsbehandeling, is het gebruik van het CAS-OB-proces afgenomen.

Het CAS-OB-proces stelt consistent hoge legeringsopbrengsten en herverarming van staal toe door de exothermische reactie tussen zuurstof en aluminium. Met deze capaciteit van goede chemische samenstellingscontrole, staalhomogeniteit, en herverarming, wordt het CAS-OB-proces een ideale bufferstation in de secundaire metallurgie van de staalproductie. Het doel van het CAS-OB-proces is om de staalsamenstelling en temperatuur te homogeniseren en te controleren. Er is gerapporteerd dat het CAS-OB-proces betere planning, verbeterde temperatuurcontrole, en hogere inclusiezuiverheid mogelijk maakt.

Principle van het CAS-OB-proces

CAS-OB is een kraanbehandelingsproces ontworpen voor verwarming en legering van vloeibare staal. Het proces stelt legeringstoevoegingen toe onder een inerte argon-omgeving. Het stelt gelijktijdige toevoeging van aluminium en zuurstofgas geblazen door een top-laans toe. Deze reageren tot alumina en genereren een aanzienlijke hoeveelheid warmte door de exothermische aard van de reactie. Het CAS-OB-proces resulteert dus in chemische verwarming van het vloeibare staal.

In chemische verwarmingsprocessen wordt het staal verwarmd door een exothermische reactie van een opgelost element door zuurstofblazen. Het gebruik van aluminium wordt als element voor chemische verwarming bevorzugd. Er is gerapporteerd dat een concentratie van 0,1% opgelost aluminium in het vloeibare staal in staat is om een temperatuurstijging van +34 °C te produceren door te reageren met zuurstofgas. Natuurlijk zijn er ook warmteverliezen veroorzaakt door straling en door de kraanwanden. Het principe van het CAS-OB-proces wordt getoond in Afbeelding 1.

Procesapparatuur

Vloeibare staalverwerking wordt uitgevoerd in kraanen, uitgerust met schuifkleppen en een poreuze prop voor argonblazen. Apparatuur voor het proces bestaat uit een snorkel (ook wel een bel genoemd) vast aan een verplaatsbare beugel. Aan de top van de snorkel is een poort vorgesehen, die dient voor de toevoer van aluminium en ferrolegeringen (indien nodig) in de snorkel en voor de afvoer van gassen naar het gasreinigingssysteem. Het ontwerp van de snorkel heeft voorziening voor het dalen van zuurstoflaans en proces- en instrumentlaans voor bemonstering, temperatuurmeting en meting van opgeloste zuurstof, alsook een laans voor het injecteren van metaalpoeder, ontzwavelingsmiddel, en calcium-silicium (CaSi) draad.

De snorkel bestaat uit twee delen. Het bovenste deel is alleen van binnen bekleed, terwijl de bodem zowel binnen als buiten bekleed is. De bekleding van de snorkel wordt normaal gedaan met hoog-alumina uitgietbare materialen versterkt met 2% roestvrije stalen naalden. Deze uitgietbare materialen worden ook gebruikt voor de bekleding van de zuurstoflaans en gedompelde laans voor argonblazen in het vloeibare staal, die gebruikt wordt wanneer argon niet aan het vloeibare staal kan worden geleverd door de bodemporeuze prop. Chroom-magnesia stenen zijn ook gebruikt voor de bekleding van de bodem van de snorkel. Er is een speciaal gevormde gedompelde laans voor additionele argon-roering.

De levensduur van de bekleding van de top van de snorkel is normaal 400 tot 600 heats, terwijl de bekledingslevensduur van de bodem van de snorkel 50 tot 150 heats is. De bekledingslevensduur van de zuurstoflaans is normaal minimaal 100 heats en die van de laans voor argonblazen is minimaal 150 heats.

Het CAS-OB-proces

Vloeibare staal uit een primair staalproductieproces (basische zuurstofoven of elektrische boogoven) wordt initieel in een kraan gegoten. De kraan bestaat uit een staalmantel met een vuurvaste steen- of uitgietbare laag aan de binnenkant. De vuurvaste laag biedt isolatie en is bestendig tegen de corrosieve omgeving van het staalbad, met een hoge temperatuur van ongeveer 1600 °C. Tijdens de behandeling reageren staalcomponenten met toegevoegde zuurstof om een slakfase te vormen. Toevoegingen in vorm van oxiden lossen ook in de slakfase op. Typische slakcomponenten zijn FeO, SiO₂, MgO, Al₂O₃, en CaO. In het CAS-OB-proces neemt de slakfase deel aan de reacties en beschermt het vloeibare staal tegen de atmosfeer en werkt als een isolerende laag.

Het CAS-OB-proces is ontworpen om een inerte atmosfeer boven het staal te creëren om de toevoeging van legeringen zonder contact met atmosferische zuurstof of een oxideslak toe te laten. Dit wordt bereikt door eerst een slakvrij gebied (bekend als een 'oog') aan het oppervlak van het vloeibare staal te creëren door de introductie van argon in het staal door een poreuze prop aan de bodem van de kraan. Argon-bubbels die het oppervlak van het staal bereiken, duwen de slaklaag bovenop de kraan opzij, wat een slakvrij gebied creëert. De hoeveelheid argonstroom die nodig is om de vereiste grootte van het oog bovenop de kraan te produceren, varieert met de toestand van de poreuze prop, de diepte van de slak bovenop de kraan, en de vloeibaarheid van de slak. Eenmaal het oog gecreëerd, kan de snorkel in het slakvrije gebied worden gelicht.

De werking van het proces wordt bereikt door het gebruik van drie items: (i) een vuurvaste snorkel bovenop de kraan, die gebruikt kan worden om een inerte atmosfeer van argon of de chemische reactie tussen zuurstof en aluminium te bevatten, (ii) toelevering van argongas, en (iii) een watergekoelde zuurstoflaans. Deze functionele items zijn het hart van het proces.

Het hoofdkenmerk van het proces is de vuurvaste snorkel waaronder legeringstoevoeging aan het bad wordt gemaakt. De snorkel biedt een beschermde omgeving voor het toevoegen van legeringsmaterialen, waar het staaloppervlak open is, maar nog beschermd tegen contact met de omringende atmosfeer. Dit zorgt er ook voor dat de hoeveelheid geabsorbeerde stikstof op een laag niveau kan worden gehouden. De argon-bubbeling biedt ook roering voor het homogeniseren van temperatuur en samenstelling van het staal.

De staalkraan wordt zo gepositioneerd dat de snorkel recht boven de poreuze roerprop zit. Dit zorgt ervoor dat het geroerde oppervlak van het staalbad beperkt blijft tot het gebied onder de snorkel. Additionele argon-roering, indien nodig, kan worden gedaan door de speciaal gevormde gedompelde laans. Herverarming van het staal wordt bereikt door het injecteren van zuurstof in combinatie met aluminiumtoevoegingen.

Bodemargonbubbeling creëert een 'open oog' in de slaklaag. De snorkel wordt op het vloeibare staal over dit open oog in de slak gelicht. In het bijzonder stelt het de gelijktijdige toevoeging van aluminium en blazen van zuurstofgas door een top-laans toe. De geproduceerde alumina moet utdrijven om schoon staal te produceren. Verdere toevoeging van ferrolegeringen in dit slakvrije gebied bereikt hogere opbrengst.

De hoofdstadia van het proces zijn verwarming, reductie van slak, en (mogelijk) legering. Het doel van het verwarmsstadium is om de temperatuur van het vloeibare staal te verhogen tot de doelwaarde voor het continu gieten. Voor de daadwerkelijke verwarming begint, wordt het vloeibare staal geroerd door bodemblazen van argon om een slakvrij open-oog-gebied aan het oppervlak van het staalbad te vormen. Gevolgd wordt de vuurvaste snorkel deels in het vloeibare staal gedompeld.

Tijdens het verwarmsstadium worden vaste aluminiumdeeltjes op het vrije staaloppervlak binnen de snorkel gevoerd. Het aluminium wordt geoxideerd onder de snorkel door zuurstof te blazen met een supersonische laans en de exothermische reactie veroorzaakt een toename in de staaltemperatuur. Aluminiumoxide (alumina) gevormd tijdens de verwarming gaat in de slakfase liggend bovenop het staaloppervlak en een hoeveelheid aluminium lost op in het staal. Door de warmte gegenereerd door de reactie van aluminium en zuurstof, kan de vloeibare staaltemperatuur met maximaal 10 °C per minuut worden verhoogd zonder overmatige apparatuurslijtage.

Door het intensieve laansblazen, naast aluminium, wordt een deel van andere metalen uit de staalfase, mangaan, silicium, en ijzer in het bijzonder, geoxideerd in de slak. Dit is ongunstig van economisch oogpunt en, daarom is het normaal nodig om slakreductie na het verwarmsstadium uit te voeren.

Naast de toename van de alumina-inhoud in de slakfase, leidt het zuurstofblazen tot een toename in de hoeveelheid FeO, SiO₂ en MnO in de slak. Om overmatige verliezen van de metaalcomponenten te voorkomen, wordt slakreductie na de verwarming uitgevoerd. Tijdens het reductiestadium wordt de snorkelstructuur getild en het staal geroerd met argonblazen van de poreuze propen aan de bodem van de kraan. Hevig argon-roeren resulteert in een circulatiebeweging van het staal in de kraan.

In het slakreductiestadium wordt de staalfase sterk geroerd door het blazen van inerte gas, normaal argon, vanaf de bodem van de kraan. De gasroering dwingt de staalfase in een circulatiebeweging. Op de grensvlak van staal en slak, zorgt de stromende staal voor loskoppeling van kleine druppels van de bovenslaklaag. De slakdruppels en staal vormen een emulsie waar een groot grensvlak tussen fasen ontstaat. Het verhoogde grensvlak versnelt de stofoverdracht tussen staal en slak, en dus voorziet gunstige omstandigheden voor de reductiereacties.

Als resultaat van de schuifspanningen die de draaiende stroom van staal uitoefent op de bovenslak, lossen kleine druppels zich van de slaklaag los, wat leidt tot een enorme toename in het grensvlak tussen slak en staal. Dit grote grensvlak biedt gunstige omstandigheden voor een hoge reductiesnelheid.

Het proces wordt normaal verdeeld in opwarmen, legering, en de reductie van slak. Het doel van het opwarmstadium is om de temperatuur van het staalbad te verhogen door chemische verwarming, wat uitgevoerd wordt door aluminiumdeeltjes in de smelt te voeden en gelijktijdig zuurstofblazen door een top-laans. In de praktijk is de snelheid van chemische verwarming beperkt om overmatige thermische spanningen in de wandstructuren door warmteoverdrachtsprocessen, met name straling en convectie, te vermijden.

De procedure van de CAS-OB-behandeling wordt gestart door het definiëren van het staalbadniveau voor het dompelen van de snorkel tot voldoende diepte. Voordat de snorkel gelicht wordt, wordt de argonstroomsnelheid verhoogd op een zodanige manier dat een slakvrij gebied, d.w.z. een open oog, wordt gevormd waarin de snorkel gedompeld wordt. Nadat de snorkel gelicht is, wordt de bodemblazen verlaagd en de deoxidatie van het staal uitgevoerd door aluminium of aluminium-silicium toevoeging. Afhankelijk van de temperatuurmeting, wordt het proces van deoxidatie gevolgd door de verwarming van het staal. In het opwarmstadium worden vaste aluminiumdeeltjes op het staaloppervlak gevoerd en zuurstof gelijktijdig door de top-laans geblazen. Een mogelijk legeringsstadium volgt na voltooiing van het opwarmstadium. Staalmonsters worden genomen voor de verwarming en na legering net voor de snorkel getild wordt.

Na de aanlevering van de kraan aan de vloeibare staal verwerkingspositie, wordt argonblazen door de poreuze prop in de bodem van de kraan gestart en de aanwezigheid van purgeren visueel gecontroleerd. Tegelijkertijd wordt de hoogte van het vrijboord gemeten en de waarde van de beweging van de bel berekend. Het moet gewaarborgd worden dat het onderste uiteinde van de bel minstens 200 mm in het vloeibare staal gedompeld is. Ook de temperatuur van het vloeibare staal en de activiteit van opgeloste zuurstof in het staal worden gemeten.

Voordat de snorkel gelicht wordt, wordt de argonstroom verhoogd zodat het oppervlak van het vloeibare staal in de purgering het 'open oog' heeft. In het gebied van 'open oog' wordt de snorkel gelicht. Nadat de snorkel in het vloeibare staal tot de gewenste diepte is gelicht, wordt de argonstroom verminderd. Het vrije oppervlak van het vloeibare staal van de slak binnenin de snorkel dient als plaats voor de toevoeging van granulair aluminium en andere additieven voor deoxidatie. Daarna wordt homogenisatie van het vloeibare staal gedurende 4 tot 5 minuten uitgevoerd. Daarna wordt de argonstroom verder verminderd voor het nemen van een monster en het meten van de temperatuur van het vloeibare staal. Het resultaat van de temperatuurmetingen wordt berekend voor chemische verwarming, de vereiste hoeveelheid aluminiummetaal en zuurstof. Afbeelding 2 toont het schematisch diagram van een CAS-OB-proces.

Bijzondere kenmerken van het CAS-OB-proces

Er zijn verschillende bijzondere kenmerken van het CAS-OB-proces. In dit proces gaat de snorkel naar het staal om een inert gebied boven het 'slakoog' (gebied zonder slak omdat de bubbelende pluim het opzij duwde) te produceren. De legeringstoevoeging en chemische herverarming door zuurstof- en aluminiuminjectie worden onder de snorkel geproduceerd. Het produceert meer alumina dan een kraanmetallurgie-oven, en deze alumina is vereist om ute te drijven om schoon staal te krijgen.

De diameter van de snorkel is cruciaal om het slakvrije gebied in de slaklaag te beveiligen. Het moet worden bepaald door de diameter van het open oog tijdens bodembubbeling te kennen. De diameter van het open oog kan geschat worden met behulp van de geometrie van de bubbelende pluim (pluimkegel) die afhangt van de gasstroomsnelheid.

In het CAS-OB-proces is de opening van de bodembubbelingsprop belangrijk om het open oog te beveiligen. Om het risico op falen van de bubbelingsprop opening te vermijden, wordt een snorkel-positieveranderingssysteem toegepast. Met deze regeling kan de positie van de snorkel worden geschakeld naar een goed bubbelingsgebied.

Totaal zuurstofgehalte van CAS-OB-proces is normaal vergelijkbaar met argon-bubbelingsproces en kraanoven, maar iets minder dan dat van Ruhrstahl-Heraeus (RH) vacuümontgassingsproces.

Tijdens het proces is de schedel bevestigd aan het bovenste deel van de snorkel, terwijl sommige oxidemateriaal bevestigd is aan het onderste deel van de snorkel. Oxidegroei in het onderste deel van de snorkel veroorzaakt botsing met de rand van de gietkraan en afbraak van de bel.

Voordelen en nadelen

Het CAS-OB-proces heeft veel voordelen, waaronder: (i) daling in taptemperatuur van ongeveer 15 °C, (ii) minder re-blowen van heats in de basische zuurstofoven, (iii) snelle en betrouwbare homogenisatie van legeringen, (iv) hoge en voorspelbare opbrengst van legeringsmaterialen, (v) laag aluminiumverbruik, (vi) meer consistente bereiking van de doeltemperatuur voor continu gieten, (vii) laag totaal zuurstofgehalte na behandeling, (viii) maakt legeren met smalle toleranties mogelijk, (ix) verminderd legeringverbruik en -kosten, (x) minder geannuleerde heats, en (xi) bufferen tussen de basische zuurstofoven en continu gietmachine resulteert in verbeterde gietomstandigheden.

Nadelen van het CAS-OB-proces omvatten: (i) slakvormers moeten worden toegevoegd voordat de kraan naar het station getransporteerd wordt, en (ii) zwavelverwijdering kan niet met het proces worden uitgevoerd. Investeringskosten voor het opzetten van een CAS-OB-station zijn hoger vergeleken met sommige andere verwarmingsprocessen zoals IR-UT (injectie raffinage-verhoging temperatuur) proces, hoewel de verwarmingssnelheden hoger zijn in het CAS-OB-proces. Bovendien plakt slak vaak aan de belstructuur wat leidt tot toename in gewicht en volume van de bel. Dit kan ongunstige effecten op de CAS-OB-exploitatie hebben.