Kaj prinaša nova tehnologija streljanja dodajnih materialov v jeklarsko prakso Advance Technology in Steelmaking — Injection of Additions B. Koroušič*, A. Šteblaj** UDK: 669.18:669.891:669.046.521 ASM/SLA: D9r, D11r, EGf41, EGr Opisana je nova metoda dodajanja različnih materialov v tekoče jeklo s streljanjem polne aH polnjene žice. Tehnika streljanja direktno v talino ima vrsto prednosti v primerjavi s klasičnimi načini, celo v primerjavi s tehniko vpihovanja materialov v talino. Predstavljena je metoda streljanja — žice v cilju izvajanja kontrolirane desoksida-cije taline v ponvi in zagotavljanja ciljane vsebnosti aluminija, kar je danes osnovni pogoj za uspešno izvajanje ponovčne metalurgije. Modem method of adding different materials by wire injection into molten steel is described. The method has numerous advantages over classic method of addition as well as over the pneumatic injection of povvdered materials. The wire injection method for controlled deoxida-tion in ladle and attainment of prescribed final A/ content of steel vvhich is the main condition for successfull sec-ondary metallurgy operations is described. UVOD Sodobna metoda streljanja ali injektiranja polne ali polnjene žice oziroma profila je našla široko področje aplikacij: od tehnike dezoksidacije, legiranja, razžve-planja in nažveplanja do specialnih tehnik mikrolegira-nja s B, Ti, Zr in dr. Njene osnovne prednosti v primerjavi s klasičnimi metodami so: — visoka prilagodljivost različnim industrijskim napravam z neodvisnim spreminjanjem premera žice in hitrosti dodajanja, — zelo zanesljiv način dodatka in visok izkoristek elementov, — širok spekter dodajnih elementov in spojin, — enostavna in relativno poceni naprava za dodajanje, — idealna enota za avtomatizacijo procesov. Čeprav smo na Metalurškem inštitutu v Ljubljani pričeli akcijo uvajanja te sodobne metode v naše jeklarne že leta 1980, večjega uspeha nismo imeli, predvsem zaradi togosti in ustaljenih navad, katere je zelo težko spremeniti. Prvi prototip polindustrijske naprave, ki je bila izdelana v Železarni Ravne v letu 1983, je dal vzpodbudne rezultate na področju streljanja Al-žice v talino11. Zaradi težav z avtomatiko v industrijskih pogojih so ustavili nadaljevanje začetih poizkusov. Čeprav je bilo še nekaj akcij, da se začeto raziskovalno delo nadaljuje, večjih uspehov ni bilo. INTRODUCTION The modern wire or cored wire additions method has been widely applied for deoxidation, alloying, desulphuri-zation or sulphur alloying, special microalloying vvith B, Ti, Zr, etc. Main advantages of the method as compared to classic met hod s are: — high adaptability to different industrial devices vvith independent changes of wire diameter and feeding rate, — high reliability and recovery of addition, — wide spectra of added materials and compounds, — simple and comparatively cheap device, — ideal unit for process control and automation. Although the vvork on introduction of the method into our steelvvorks started on Metallurgical Institute in 1980 there vvas no significant success mainly because of the well-known inertia of conservative-minded steelmak-ers. First prototype made on semiindustrial scale in Steelvvorks Ravne in 1983 shovved encouraging results in the field of Al-wire addition.". The tests vvere stoped due to difficulties met during development of an auto-mated industrial device. There vvere some initiatives to continue vvith the vvork hovvever, no significant success has been achieved. Only at the end of 1986 first industrial tests on cal-cium wire additions started in Ironvvorks Jesenice. At last the wire addition method has arouse enough inter-est in our steelvvorks so the tests vvith commercial devices have finally started. * sž — Blaženko Koroušič, dr. mag., dipl. inž. met., Metalurški inštitut, Lepi pot 11, 61000 Ljubljana Anton Šteblaj, dipl, inž. met., SŽ — Železarna Jesenice, 64270 Jesenice ' • Originalno publicirano: ZZB 22 (19881 4 Rokopis prejet: avgust 1988 1. DEVELOPMENT OF INJECTION TECHNIOUES FOR ADDITIONS INTO MOL TEN STEEL Modern steelmaking techno/ogy is based on com-bined use of a number of processes vvhich make s it pos-sible to reach optimum results and a high production Šele konec 1986. leta je prišlo v železarni Jesenice do prvih industrijskih poskusov streljanja Ca-žice v talino. Kot kaže, je metoda streljanja žice dokončno postala zanimiva tudi za naše jeklarne, ker trenutno potekajo poizkusi v vseh slovenskih železarnah s komercialno izdelanimi napravami. 1. RAZVOJ TEHNOLOGIJE STRELJANJA DODAJNIH MATERIALOV V TEKOČE JEKLO Sodobna jeklarska tehnologija sloni na kombinaciji več postopkov, kar omogoča optimalno delo in visoko fleksibilnost proizvodnje. Klasični postopki izdelave jekla v enem talilniškem agregatu so v razvitih državah večinoma že zgodovina. Novi kombinirani postopki, kot je tehnološka linija: EOP + VAD + CC ali IC* oziroma EOP 4- AOD 4- CC ali IC so narekovali tudi delno zamenjavo konvencionalnih načinov dodajanja materialov, kot so: manjši dodatki le-gur, dodatki dezoksidantov, posebni dodatki FeB, FeP, FeS itd, ki se pri standardni praksi dodajajo v talino ali curek ob prebodu. Zaradi vse večjih zahtev po večji točnosti zadevanja kemične analize in ožjih toleranc v predpisnih mejah, zlasti kar se tiče posebnih elementov, kot so: Ca, Ti, B, S, Al, N itd., so postale klasične metode dodatkov nezanesljive in neekonomične. Prišlo je do razvoja novih metod dodatka omenjenih materialov v talino, katere lahko razvrstimo v dve veliki skupini: — vpihovanje drobnozrnatih materialov v talino, — streljanje polnjene žice ali profilov direktno v talino (SPŽ — metoda)**. Obe skupini postopkov sta našli hitro uporabo v jeklarski tehnologiji in tudi vsaka od omenjenih metod ima svoje pozitivne in negativne lastnosti. Za SPŽ — metodo kaže, da ima nekaj več prednosti in zato pridobiva številne zagovornike predvsem zaradi enostavnejše in cenejše aparaturne tehnike in nekaterih drugih ugodnosti, o katerih bo govor v naslednjih poglavjih. 2. OSNOVNE ZNAČILNOSTI METODE DIREKTNEGA STRELJAJA ŽICE V TEKOČE JEKLO Naprave za direktno streljanje žice v tekoče jeklo se-stojijo v glavnem iz dveh delov: — gonilni mehanizem z več valjčnicami in enosmernim ali izmeničnim regulacijskim motorjem ter elektronsko regulacijo, — odvijalna naprava, ki ima več variant — boben ali prosto odvijanje žice. Na sliki 1 vidimo tipično izvedbo postavitve naprave v bližini livne jame, s katero se izvaja obdelava taline s SPŽ-napravo. Sodobne naprave za streljanje žice imajo poleg standardne opreme, tj. elektronske nastavitve hitrosti poda- * EOP = električna obločna peč, VAD = vakuumsko-obločno razogljičenje z možnostjo do- grevanja taline, AOD = argonsko kisikovo razogljičenje, CC = kontilitje jekla, IC = litje jekla v ingote. ** S(P)Ž = streljanje (polnjene) žice ali profilov v talino (predlog) flexibility. Classic steelmaking in single metallurgical furnace in deveioped countries mainly belong to the histo-ry. New combined process such as the technological lines EAF-1- VAD+ CC or IC* EAF+AOD+ CC or IC required also a partial change in the addition method in lovv alloying, deoxidation, special additions of FeB, FeP, FeS, etc. vvhich vvere usually carried out at tap-ping. Due to ever increasing demands for higher reliabiiity of achieving prescribed specifications and continuously closing tolerances especially for Ca, Ti, B, S, Al and N the standard method of additions into the stream or ladle became unsuccessfull and unreliable. Newly deveioped addition methods can be divided into the two groups: — pneumatic injection of povvdered material into the melt — direct feeding of vvire or cored vvire into the melt (SPŽ)''. Both the groups have soon find vvide application in steelmaking. Each of the methods mentioned has its ovvn advantages and shortcomings. SPŽ method seems to appear more convincing mainly because of a simple and cheap operation technique and certain other advantages yet to be mentioned. 2. M AIN CHARACTERISTICS OF WIRE INJECTION METHOD Devices for direct vvire injection into molten steel are mainly composed of the two parts: — driving mechanism vvith a number of rollers and DC or AC electromotor vvith eiectronic control and — despooling device of drum type. A typical installation used for SPŽ injection is seen on fig. 1 Modern units for vvire injection beside eiectronic control of feeding rate (0—400 m/min) make it possibie to preset the required length of vvire, to control the vvire end and internat temperature of device. Device operation is very simple and well adapted to the work conditions in smelting shop. The spool brake is flipped off (modern devices are equiped vvith remote controis) and unvvind sufficient length of vvire to reach driving mechanism. The roller adjustment in the begin-ning is set in dependence on vvire diameter and the depth of melt in ladle. During the operation it automati-cally changes to fit eventuai minor changes in vvire or profile diameter. Ali necessary preparation take only few minutes vvhich is very helpful for convincing vvorkers to accept the new technique as a routine method. Recently advanced devices vvith two or thee strand mechanism (ODERMATH STAHLVVERSTECHNIK Gmbh) vvhich enable simultaneous injection of two different materials (e. g. Al vvire and Ca-Si vvire). Special devices can be made on byuers request to suit the user require-ments, of course. ' EAF — Electric Are Furnace VAD — Vacuum Are Decarburisation (vvith additional heating) AOD — Argon Oxygen Decarburisation CC — Continuous Casting IC — Ingot Casting '' SPŽ — Shooting of vvire or cored vvire into melt (proposi-tion). janja žice (0—400 m/min) tudi možnost nastavitve želje-ne dolžine, kontrole konca žice po končani obdelavi, nadzor notranje temperature v napravi itd. Posluževanje naprave je zelo enostavno in prilagojeno pogojem dela v topilnici: Na odvijalnem bobnu sprostimo zavoro (novejše izvedbe npr. nudijo možnost delovanja zavore s komandnega pulta) in s koluta odvijemo zadostno količino žice, da premostimo razdaljo med odvijalnim bobnom in pogonskim delom naprave. Nastavitev valjev je pogojena s premerom žice in globino taline v ponovci, ki se potem avtomatsko prilagaja eventualnim manjšim spremembam profila žice. Pripravo naprave za streljanje žice izvedemo v nekaj minutah, kar je zelo pomembno za pripravljenost ljudi, da uporabljajo tovrstne naprave kot rutinske metode V zadnjem času se razvijajo tudi naprave z dvo- in večžilnim krmilnim mehanizmom (ODERMATH STAHL-VVERKSTECHNIK Gmbh), ki omogočajo istočasno dodajanje dveh različnih materialov (npr. Al-žice in CaSi-žice). Možne so seveda tudi posebne izvedbe, ki se prilagajajo zahtevam kupcev. 3. SPLOŠNO O MATERIALIH ZA STRELJANJE V TEKOČE JEKLO Prvotna ideja o streljanju dodajnih materialov v tekoče jeklo se je porodila iz naravnih omejitev, da imajo številni materiali, katere želimo dodati v talino, neprimerne fizikalne lastnosti za pogoje jeklarskih temperatur: — gostota materiala je ponavadi znatno nižja od jekla, — velika reaktivnost s kisikom in žveplom v talini in žlindri, — visok parni tlak in zato dokaj slab izkoristek dodanega elementa, — cena tovrstnih materialov je zelo visoka in vezana na uvoz, — skladiščenje in manipuliranje ni enostavno in zahteva posebno skrb. Kasneje je na razvoj vplivala tudi potreba po avtomatizaciji procesov in izboljšanju delovnih pogojev v jeklar-nah. Vse skupaj pa je vplivalo na večjo zanesljivost zadevanja ciljanih načrtovanih želenih vrednosti, kot je končna vsebnost Al, uspešnost mikrolegiranja z B, S, Ti, V, uspešnost modifikacije nekovinskih vključkov in dr. 4. DODAJANJE AI-ŽICE V TEKOČE JEKLO (dezoksidacija + legiranje) Osnovni cilj uporabe metode streljanja ali injektiranja aluminijeve žice je transport Al na čim večjo globino v tekoče jeklo, in sicer preden se začne njegova reakcija s kisikom v talini. S tem smo dosegli ključni pogoj, da tekoči Al reagira s kisikom v talini, pri čemer ferostatični tlak in mešanje taline s argonom skrbita, da reakcija poteka v celoti do meje topnosti. Za doseg teh idealnih pogojev moramo zagotoviti nekaj pogojev: — hitrost podajanja žice mora biti prilagojena debelini žice in globini taline v jeklarski ponovci, — ob dodatku Al v talino moramo zagotoviti zadostno mešanje taline s plinskimi mediji, ker na ta način povečujemo homogenost taline in omogočimo lažjo porazdelitev dodanega aluminija. Raziskave hitrega dodajanja Al-žice v tekoče jeklo so pokazale, da se Al-žica, npr. 012 mm, prvih 50—100 ns prevleče z jeklenim plaščem, nato se v naslednjem ča- Slika 1 Postavitev naprave za streljanje žice v bližini livne jame Fig. 1 Typicai instaiiment of wire injection unit in the vicinity of casting pit 3. M A TERIALS FOR INJECTION INTO MOL TEN STEEL The nevv injection methods have been deveioped due to the fact that physical properties of numerous ma-terials used for addition are not suitable for the classic addition method: — density is usually considerably lower than that of steel, — high affinity to oxygen and sulphur in steel and slag — high partial vapor pressure vvhich means low yield of added element, — materials are imported and prices are usuaiiy quit high and — storing and manipuiation is not simple and re-quire special care. Later on the trend for process automation and im-provement of vvorking conditions have also contributed to the overall drive for change. The general resuits obtained are mainiy a higher reli-ability of achieving prescribed specifications such as fina! Al content, successfui microalloying vvith B, S, Ti, V and modification of non-metallic inciusions, etc. 4. INJECTION OFA/ W/RE (Deoxidation+ alloying) The main aim of Al vvire injection is to transport Al to the higher possible depth of melt as quickly as possible to prevent it from reacting vvith oxygen in melt. This is of decisive influence to obtain the reaction of molten Al vvith oxygen dissoived in steel vvhich supported by fer-rostatic pressure and argon mixing proceeds compietely i. e. to the solubility limit. This ideal result can be obtained by satisfying the follovving conditions: STRELJANJE AL-ZICE INJECTION OF AL - WIRE 650 600 550 500 A ^50 A' L 400 K 350 300 250 200 150 100 1 00% __90% 420g/T I \ t STRELJANJE AL-ZICE INJECTION OF AL-VVIRE Porazdelitev Al Distribution Al 0 50 100 150 w200 250 300 350 400 Cas, s Time, s Sljka 2 Izvajanje dezoksidacije v 190-tonski ponovci s streljanjem Al-žice v količini okoli 420 g/t Fig. 2 Deoxidation of a 190 ton heat by 420 g/t At-wir injection sovnem obdobju 100—800 ns Al topi, pri čemer je debelina jeklenega plašča še vedno debela okrog 2 mm. Šele nato se začne taljenje jeklenega plašča in burna reakcija Al z kisikom3'. Na sliki 2 vidimo profil naraščanja Al v talini pri streljanju 420 g Al/t v 190—tonsko ponovco. Ob uporabi kisikove sonde za točno ugotovitev vsebnosti kisika v talini pred pričetkom streljanja Al lahko dosežemo točnost zadevanja Al: 0.05 ± 0.009 % Alk, kar je odvisno tudi od vsebnosti oksidov, zlasti (FeO--l-MnO) v žlindri, in vsebnosti kisika v talini pred streljanjem aluminija. Tipična porazdelitev Al pri izdelavi večjega števila šarž s metodo streljanja Al-žice kaže slika 3. 5. ZAKLJUČKI V članku smo predstavili sodobno metodo, tako imenovano »streljanje« ali »injektiranje« polne ali polnjene žice v tekoče jeklo (SPŽ — metoda). Opisana metoda se uporablja v sodobnih jeklarnah več kot 10 let in je danes nenadomestljiva tehnika za izvajanje kontrolirane dezoksidacije in modifikacije oksidnih nekovinskih vključkov v ponovci pred litjem ali celo v medponovci pri kontolitju jekla. V zadnjih letih se uspešno uporablja tudi za mikro-legiranje jekel, kot so dodatki Ti, B, V, C, N in dr. Naprave za avtomatsko dodajanje polne ali polnjene žice so danes komercialne izvedbe in ločimo dva tipa: >400 A 360-400 1 310-350 P 260 - 300 P 210-250 M 160 - 200 <150 15 20 25 30 Porazdelitev Frequency Slika 3 Porazdelitev aluminijev talini pri uporabi streljanja žice v talino Fig. 3 At distribution obtained by Ai wire injection method — appropriate feeding rate must be used depend-ing on wire diameter and the depth of me/t, — sufficient argon flovv for efficient mixing must be applied during vvire injection in order to ensure the ho-mogenity and easier distribution of added aiuminium. Investigation of aiuminium vvire injection at high feeding rate revelaed that Al vvire of 12 mm diameter is covered vvith soiidified steel during first 50—100 ns. Aiuminium melts during the next 100—800 ns period, how-ever the thickness of soiidified steel layer is about 2 mm31 Only aftervvards steel layer starts to melt and vigo-rous reaction of Al and oxygen dissolved in steel takes plače. Increase in Al content of 190 ton steel melt during 420 g/t Al vvire injection can be seen in fig. 2 By the use of an oxygen probe for the measurement of active oxygen in steel immediately befor the injection it is possible to attain the accuracy of final Al content: 0.05± 0.009 % Aik vvhich depends also on the content of oxides especially (FeO+ MnO) in slag and the oxygen content of steel before the injection. Typical Al distribution obtained by Al vvire injection in a high number of heats can be seen in fig. 3 5. C ON C L US/ONS Modern (SPŽ-method) method of Al-wire or cored vvire injection into molten steel is described. The method has been used in steelvvorks for more than 10 years. To day it is the standard method for controlled deoxidation and modification of non-metailic inciusions in carried out in ladle before casting or even in tundish before continuous casting. Recently it has been successfully used for microailoying of steel vvith Ti. B, V, C, N etc also. Commercial injection devices for add it ion of com-mon or cored wire can be divided into the two groups: a) Devices vvith dri ven dr um vvhich serves as a spool for vvire and b) devices vvith free unvvinding of vvire from the spool interior. a) naprave s pogonom odvijalnega bobna, na katerem je navita žica in b) naprave s prostim odvijanjem žice iz notranjosti koluta. Dosedanje praktične izkušnje z metodo SPŽ so pokazale, da pri kombinaciji s kisikovo sondo, ki določi vsebnost aktivnega kisika, pred dodatkom žice dosežemo učinkovito in reproduktivno dezoksidacijo taline. Točnost zadevanja Al je izredno visoka in znaša standardna napaka na nivoju Al = 0.05 ±0.009 %. SPŽ — metoda je pokazala izredne rezultate tudi pri modifikaciji nekovinskih vključkov s streljanjem žice, polnjene s Ca-zlitinami, zlasti če predhodno uspešno izvedena dezok-sidacija taline in vsebnost žvepla v talini ne presega 100 PPM. Operational experience obtained with the injection method has shovvn that combined vvith the use of oxy-gen probe vvhich determines the active oxygen content of steel before the Al vvire injection the efficient and re-producible deoxidation of steel can be achieved. The accuracy of attaining prescribed final Al content is very high. The standard error at the level of Al= 0.05± 0.009 %. SPŽ method has shovvn extraordi-nary results in modification of nonmetallic inclusions also by the injection of Ca alloy cored-vvire especially in cases vvhere previous deoxidation and desulfuration de-pressed the sulfur content under 100ppm level. LITERATURA/REFERENCES 1. B. Koroušič, A. Rozman, J. Rodič, M. Živic, M. Švajger, V. Rac: Določevanje algoritma za kontrolo vsebnosti Al s kisikovo sondo — II. del, Uporaba stroja za streljanje Al-žice, Poročila Metalurškega inštituta v Ljubljani Ml 83-011, November 1983. 2. Tanaka, S.: Deoxidation practice in continuous casting (alu-minium-vvire feeder system). Ironmaking and Steelmaking, 1977, 6, 350-354 (DK-4649-5) 3. Guthrie, R. I. L., L. Gourtsoyannis, M. Henein: An experimen-tal and mathematical evaluation of shooting methods projec-ting buoyant alloy additions into liquid steel baths, Canad. Met. Quart., 15, 1976, 2, 145-153 (Dk-980227-5) 4. Ebneth, G., A. Diener, W. Pluschkell: Model computations on the injection of an aluminium vvire into a steel melt, Arch. Ei-sen-huttenwes., 49, 1978, 12, 563—568 (DK-984001-5) 5. Hater, M., W. Pluschkell, B. Redenz, H. VVisnevvski: Einstel-lung des Aluminiumgehaltes von Stranggusschmelzen durch Einspulen von Aluminiumdraht, Stahl u. Eisen 98, 1978, 16, 821-824 (DK-981060-5) 6. Schuh, R., G. Spiegel: Formate und Analysen von Desoxida-tions- aluminium, Radex-Rundschau, 1977, 2, 139—147 (DK-4361-5) 7. Kaskentola, P.: Experience en coulee continue de brames calmees a l'aluminium, Revue de Metallurgie — CIT, 1982, 8—9, 741 -748 (DK-984002-5) 8. Morivvaki, S et al: Automatic control of Chiba No. 3 Continuous Casting Plant, Kavvasaki Steel Technical Report, 1982, 5, 47-54 9. Zimmermann, K.-A., R. Bruder, W.-K. Kleffmann, E. Schulz: Das Elektro-Stahlvverk mit Knuppelstranggiessanlage der Thyssen AG in Oberhausen, Stahl u. Eisen, 101, 1981, 11, 23-30 (DK-981407-28)