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Verlauf der Kalksättigung im System FeO-Fe 2 O 3 -CaO-SiO 2 -P 2 O 5 -MgO-MnO beim Gleichgewicht mit einer Eisenschmelze
Steel Research International
Abstract
Durch Auswertung zahlreicher, in Laborversuchen bei 1580–1650°C erschmolzener kalkgesättigter Schlacken mit gleichzeitigen Gehalten an FeO, Fe 2 O 3 , SiO 2 , P 2 O 5 , MgO und MnO ist die aus metallurgischen Gründen angestrebte Kalksättigung komplexer Schlacken der Stahlerzeugung für 1600°C neu festgelegt worden. Ausgehend von der Beschreibung der Schlackenzusammensetzungen in den Grundsystemen CaO′–FeO′ n –SiO′ 2 und CaO′–FeO′ n –P 2 O 5 wird dabei die Beeinflussung der Kalksättigung durch MgO und MnO sowie qualitativ durch dreiwertige Eisenanteile angegeben.
Die untersuchten Schlacken lassen in beiden Grundsystemen einen stetigen, von hohen FeO′ n ‐Gehalten bis hinunter zu Massengehalten von 8% gültigen Verlauf der Kalksättigung ohne einsetzende Dicalciumsilikat‐ bzw. Tetracalciumphosphatausscheidung erkennen. Durch die bewertende Umrechnung der P 2 O 5 ‐, MgO‐ und MnO‐Gehalte wird eine nahezu alle Komponenten erfassende Darstellung komplexer kalkgesättigter Schlacken in einem einfachen Quasidreistoffsystem CaO * –FeO * ‐SiO * 2 erreicht und die resultierende, dicht belegte Kalksättigungslinie mathematisch beschrieben. Der Einfluß von Al 2 O 3 ‐Gehalten auf die Kalksättigung wird abgeschätzt sowie das maximale Lösungsvermögen der kalkgesättigten Schlacke für MgO durch die Berechnung der Schnittlinie zwischen der Kalk‐ und der Magnesiowüstitsättigungsfläche festgelegt.
Ein Ansatz zur Erfassung des Temperatureinflusses auf die Kalksättigung erlaubt schließlich eine vollständige mathematische Beschreibung der Kalksättigungsgehalte im System CaO * –FeO * n –SiO 2 sowohl in Abhängigkeit von der Schlackenzusammensetzung als auch von der Temperatur. Damit können die Kalkgehalte komplexer Betriebsschlacken unterschiedlicher Temperatur mit den erreichbaren Gleichgewichtssättigungswerten verglichen und die Sättigungszustände der Schlacken nach Berechnung eines Sättigungsgrades S CaO beurteilt werden.
... The cyclic process model considers the saturation concentrations of complex steelmaking slags by CaO [1] and MgO [2,3,4]. Lime and dolomite dissolution is suspended when the corresponding saturation concentration is reached and continues when the slag composition allows further dissolution of slag-forming additions. ...
... Oxygen is blown for 13 minutes followed by 3 minutes of post-stirring. The solid lines show the slag composition of the liquid slag phase where CaO [1] and MgO [2] saturation concentrations have been considered. The dashed lines illustrate the slag composition of the total slag, i.e., liquid plus solid slag phase. ...
State of the art production of high-quality steel requires standardized and reproducible processes. Advanced solutions in automation help to organize and control the production and allow the selection of the optimized strategy in regard of costs or time. Many decisions depend on conditions and rules and can therefore be taken by the automation system autonomously to liberate the operator from standard activity. Siemens VAI has in the last years developed and improved its models for steelmaking and has developed additional equipment to acquire as much as possible information from the process in order to improve the overall performance. With this help the empirical and statistical portions of the models could be minimized as far as possible and approach the extent that is unavoidable. Zero harm and cost efficient production have been the driving force for Siemens VAI to bring new automation packages to the market, including energy optimization for electrostatic precipitator and wireless solutions. The advantages are described and operational results show what performance can be reached.
... According to FactSage calculations, the addition of MnO raises the amount of solid fraction in all the investigated slags, as shown in Figure 1c. From the literature [41], it is known that MnO with its contents below 20 mass% does not affect the dissolution and saturation of CaO. ...
The viscosities of the industrial basic oxygen furnace (BOF) slag with varying compositions of MgO, Al2O3, TiO2, and MnO were continuously measured at a temperature range between 1400 and 1700 °C using the rotating bob method. Three characteristic temperatures for the melting behavior of the BOF slag were investigated using a high-temperature microscope. The solid fraction of the slag was calculated by FactSage 7.2 using the FTOxid database. General observations from the experimental data show that the increase in MgO tends to increase viscosity. However, Al2O3, TiO2, and MnO decrease viscosity up to a certain level, and beyond that, they also increase the viscosity. The measured values of the viscosity of BOF slags were compared and discussed with known data from the literature. Finally, the activation energy of BOF slags with different compositions of MgO, Al2O3, TiO2, and MnO was calculated in the temperature range of industrial operations.
... If basicity reaches the saturation index equals one, and the target %DeP efficiency was still not achieved, the addition of an external source of silicon is made necessary to compensate further addition of CaO to keep the saturation in its maximum value. The blowing end temperature is also considered in the slag forming model to adjust the saturation index proposed by Schürmann, et al, 1985 (12) . ...
ntensive process and technology improvements related to the BOF converter — the key process to increase steel plant productivity and stability — have been performed at Ternium Brazil. This paper details the road map for process developments and investments in equipment technology, as well as the results achieved. The main topics of this development are the process control and optimization systems, slag forming model, oxygen blowing pattern, end-of-blow point control and slag carryover control. The outcomes of this development are improvements in the reblow rate, end-of-blow oxidation, direct tapping, slag carryover, slopping ratio, metallic yield and lining life.
The phosphorus partition between the unkilled liquid crude steel and the high basicity (CaO/SiO2 = 4.2), basic oxygen furnace (BOF) slags with varying compositions of Al2O3, TiO2, and MnO is studied at temperatures 1600 and 1650 °C. The tests are conducted in both “slag‐to‐metal” and “metal‐to‐slag” directions and for durations of 30 and 60 min. The measured results are compared with the values reported in literature and found to be in good agreement with some of them. It is found in the investigation of high‐basicity BOF slags, that Al2O3, MnO, and TiO2 lower the phosphorus partition. The phosphorus partition increases with increasing optical basicity. The phosphorus partition shows a maximum when the FeO content is in range of 25–30 mass%. The MgO content slightly increases the phosphorus partition.
Um niedrigste Phosphorgehalte im Stahl während des Frischprozesses einstellen zu können, ist die genaue Kenntnis der Einflüsse auf das Gleichgewicht zwischen Metall und Schlacke erforderlich. Daher wurde in Laborversuchen die gemeinsame Mangan-und Phosphoroxidation aus Eisenschmelzen durch im Kalktiegel gesättigte, komplexe Frischschlacken bei 1600 und 1700°C untersucht. Die Mangangehalte des Metallbades wurden zwischen 0 und 0,36 % variiert. Zunächst werden die Eisen- und die Manganreaktionen durchleuchtet. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt eine ausgeprägte Neigung zur Entmischung entlang der Kalksättigung. Die Phosphorgehalte des Metallbades sind bei niedrigen Phosphorgehalten der Schlacke eine lineare Funktion der (PO³⁻4)-Gehalte. Neben dem Einfluß der Eisengehalte der Schlacke und der Temperatur spielt die Wirkung des Bad-Mangans für die Werte der Phosphorverteilung zwischen Schlacke und Metall eine wichtige Rolle. Die Kennzahlen der Reaktionen werden als Funktion der Temperatur, der Eisengehalte der Schlacke und der Mangangehalte angegeben.
Aus der Darstellung der Schlackenzusammensetzungen im Quasidreistoffsystem ist die Lage der Schlacken zur Kalksättigungslinie deutlich zu erkennen. Die Sublanzenschlacken lassen den Schlackenweg während der letzten Blasminuten erkennen, durch Bodenspülung und Nachspülen wird eine geringe Annäherung an die Kalksättigungslinie erreicht. Aus der Lage der Schlacken im Quasidreistoffsystem läßt sich der Einfluß der Temperatur auf den Verlauf der Kalksättigung entlang unterschiedlicher T-X-Schnitte bestimmen. The position of the slags on the lime saturation line is clearly recognizable from the representation of the slag compositions in the quasi ternary system . The sublance slags can be recognized through the slag path during the last minutes of blowing, bottom flushing and after-flushing achieve a low approximation to the lime saturation line. The position of the slags in the quasi ternary system allows the determination of the influence of the temperature on the progress of the lime saturation along different T-X sections.
A dynamic model for computer simulation and control of steelmaking has been developed. It is essentially based on multicomponent mixed transport control theory with the incorporation of energy balance calculations. The model is applicable to both steelmaking in electric furnaces as well as in oxygen steelmaking converters. The adjustable parameters of the model for simulation of oxygen steelmaking are gas evolution rate (Gco). oxygen flux factor (Fo) and emulsification factor (EM). These simulation parameters, when combined with on-line measurement of off-gas composition and temperature, enable complete dynamic control of the process. The model developed is applied, as an example, to an industrially produced heat in a top blown oxygen steelmaking converter and the results of simulation are discussed.
Abstract
Es wurde ein dynamisches Modell für die Simulierung und Überwachung der Stahlherstellung entwickelt. Es stützt sich hauptsächlich auf eine Theorie der Steuerung von Mehrkomponenten-Transportvorgängen unter Einbeziehung der Berechnung von Energiebilanzen. Es ist anwendbar auf Stahlherstellungsverfahren sowohl im Elektrolichtbogenofen als auch im Sauerstoffblaskonverter. Die einstellbaren Parameter des Modells für die Simulation der Sauerstoffstahlherstellung sind Gasentwicklungsrate (GCo), Sauerstoffrate (Fo) und Emulgierungsfaktor (EM). Diese Simulationsparameter ermöglichen, in Kombination mit online Messungen der Abgaszusammensetzung und Temperatur, die vollständige dynamische Kontrolle des Prozesses. Das entwickelte Modell wird zum Beispiel auf Schmelzen von Aufblaskonvertern im industriellen Maßstab angewendet.
Die Oxidationsgrade der Eisenoxide in MgO‐gesättigten Stahlwerksschlacken beim Gleichgewicht mit flüssigem Eisen wurden durch Auswertung zahlreicher im Schrifttum mitgeteilter Versuchsergebnisse bestimmt und ihre Abhängigkeit von der Schlak‐kenzusammensetzung dargestellt.
Desgleichen wurde das Entschwefelungsvermögen MgO‐gesättigter Stahlwerksschlacken anhand der Gleichgewichtsverteilungswerte beschrieben. Es wird festgestellt, daß optimale Ergebnisse nur bei gleichzeitiger Kalksättigung zu erzielen sind.
Ein Zusammenhang zwischen der Schwefelverteilung und dem dreiwertigen Eisengehalt der Schlacke konnte aufgezeigt und durch Bildung von auf dem dreiwertigen Eisenoxid basierenden Oxisulfiden gedeutet werden.
The production of carbon and stainless steel is nowadays driven by using cheapest materials in order to be cost
competitive under varying production conditions. In carbon steel production steelmakers are increasingly turning to higher phosphorous containing iron ores due to escalating raw material costs and declining ore reserves. Hence BOF converter shops are being forced to operate at higher than traditional phosphorous loadings which impacts turndown performance especially for lower phosphorous grades. In stainless steel production the traditional scrapbased EAF - AOD route is substituted by alternative process routes. These process changes have to be reflected by the Steel Expert process model package for carbon and stainless converters. The Steel Expert process model package comprises dynamic process guidance, a prediction model for simulation of the complete production process and a number of setpoint models for the different production steps. The extended functionality for BOF converters comprises enhanced MgO and lime saturation model; a calculation of solid and liquid slag weight and analysis based on the results from the saturation model; automatic blow-stop functionality for BOF converters equipped with sublance measurement in analogy to the existing auto-blow stop functionality for BOF converters with dynamic off gas measurement device. For AOD converter the functionality has been upgraded by introduction of a desiliconization phase for premelts coming with high Si-content, heating with FeSi and intermediate deslagging functionality. In addition a completely new human machine interface (HMI) for the Level 2 automation system has been developed and successfully installed within the last projects.
Operational results from various commissioned Steel Expert BOF applications are demonstrating the excellent quality modern process simulation is already able to provide. One contribution to this success comes from the system itself, by guiding the operation to standardization and reproducibility. The other big influence comes from the quality of input data. Various equipment, recently developed and improved, assures the best possible accuracy and elimination of disturbing influences and sources for errors. All measures together lead to a significant reduction of consumptions and time reaching a stable steel quality at end of BOF treatment, hence reduced production costs. A cost optimized charge mix calculation assisted by the Steel Expert FCC calculation results in a considerable reduction of raw material cost per heat. The operator will profit from comfortable process guidance, easy overview and increased safety of the steelmaking process.
Entwurf des Schlackensystems FeOn–CaO–P2O5–MgO für 1600 °C aus vorliegenden Schrifttumsangaben. Beschreibung des eigenen Untersuchungsverfahrens zur genaueren Bestimmung des Vierstoffsystems. Versuchsergebnisse zur Bestimmung der Sättigungsflächen des Trikalziumphosphates, des Tetrakalziumphosphates und des Kalkes. Gleichgewichtsphosphorgehalte im Eisenbad unter den Schlacken des untersuchten Vierstoffsystems. Folgerungen für die technische Stahlherstellung. Structure of slag system FeOn–CaO–P2O5–MgO at 1600 °C according to data in the literature. Description of further tests to determine the nature of the quaternary system more accurately. Results used to determine saturation surfaces of tricalcium-phosphate, tetracalcium-phosphate and lime. Equilibrium phosphorus content in the metal bath under a slag of the quaternary type. Conclusions for steel production. Esquisse du Systéme de scorie FeOn–GaO–P2O5–MgO à 1600 °C d'après les données de la littérature. Description du procédé de recherche des auteurs pour la détermination plus précise du système quaternaire. Résultats d'essais pour obtenir les surfaces de saturation du phosphate tricalcique, du phosphate tétracalcique et de la chaux. Teneur en phosphore à l'équilibre d'un bain de fer sous scorie du Système quaternaire examiné. Conclusions pour la technique de l'élaboration de l'acier.
Tiegelversuche im Tammannofen bei 1600 °C zur Ermittlung der Schlackengleichgewichte. Zusammensetzung und Aufbau der Versuchsschlacken bei Sättigung an Dikalziumsilikat, Trikalziumsilikat und Kalkmischkristallen. Zusammensetzung der Kalkmischkristalle. Darstellung des Systems CaO–FeO–MnO–SiO2 bei 1600 °C. Sauerstoffgehalt des flüssigen Eisens. Verteilung des Mangans und des Schwefels zwischen Schlacke und Eisen. Schlußfolgerungen zum Einfluß von Manganoxyd im System CaO–FeO–SiO2. Crucible experiments carried out in the Tammann furnace at 1600 °C in order to determine the slag equilibria. Composition and constitution of the experimental slags being saturated with dicalcium silicate, tricalcium silicate and lime mixed crystals. Composition of the mixed crystals. Display of the system CaO–FeO–MnO–SiO2 at 1600 °C. Oxygen content of the molten iron. Reparatition of manganese and sulphur between slag and iron. Conclusions concerning the effect of manganese oxide in the system CaO–FeO–SiO2. Essais en creuset dans un four Tammann à 1600 °C pour déterminer les équilibres des laitiers. Composition et structure des laitiers expérimentaux saturés en silicate dicalcique, en silicate tricalcique et en solution solide de chaux. Composition des solutions solides de chaux. Représentation du système CaO–FeO–MnO–SiO2 à 1600 °C. Teneur en oxygène du fer liquide. Répartition du manganèse et du soufre entre le laitier et le fer. Conclusions sur l'influence de MnO dans le système CaO–FeO–SiO2.
Ebene Darstellung von Mehrkomponentensystemen durch mehrfache Parallelprojektion. Auswertung des Schrifttums. Entwicklung der Phasengleichgewichte für technisch interessierende Sättigungsräume in den beteiligten Fünfstoffsystemen bis zum Sechsstoffsystem. Ergänzende eigene Versuche und exemplarische Darstellung des Raumes entmischter silicophosphatgesättigter Schmelzen. Darstellung von Gleichgewichten für konstante Gehalte an MgO, MnOn und SiO2, entsprechend den Schlackenzusammensetzungen des LD-AC-Verfahrens. Plane representation of multicomponent systems by a multiple parallel projection. Evaluation of pertinent literature. Development of the phase equilibria for technically interesting saturation spaces in the concerned fivecomponent systems up to the sixcomponent system. Additional own experiments and exemplary representation of the space of segregated silicophosphate-saturated melts. Representation of equilibria for constant fractions of MgO, MnOn and SiO2 corresponding to the slag compositions of the LD-AC process. Représentation plane de systèmes à plusieurs constituants par une projection parallèle multiple. Dépouillement de la littérature. Extension au cas d'un système à six constituants des équilibres de phases pour des domaines de saturation techniquement intéressants dans les systèmes à cinq constituants ayant fait l'objet de communications. Etudes complémentaires des auteurs et représentation à titre d'exemple du domaine de bains de démixtion saturés en silicophosphate. Représentation des équilibres pour des teneurs constantes en MgO, MnOn et SiO2 correspondant aux compositions des scories du procédé LD-AC.
Clausthal, Techn. Univ., Fak. f. Bergbau, Hüttenwesen u. Maschinenwesen, Diss. 1971.
Entwurf des Schlackenzustandsschaubildes CaO–FeOn–SiO2–MgO. Überprüfung dieses Modells durch Versuche. Darstellung der Sättigungsflächen. Mikroskopische Untersuchungen der Schlacken. Verteilung des Schwefels zwischen Schlacke und Eisenbad. Einfluß geringer Magnesiumoxydgehalte auf die Schwefelverteilung. Design of the constitutional diagram CaO–FeOn–SiO2–MgO. Check of this model by experiments. Representation of the saturated faces. Microscopical examinations of the slags. Repartition of the sulphur between slag and iron bath. Effect of small magnesium oxide contents on the repartition of sulphur. Proposition d'un diagramme d'équilibre CaO–FeOn–SiO2–MgO. Vérification du modèle par des essais. Représentation des surfaces de saturation. Examen microscopique des laitiers. Répartition du soufre entre le laitier et le fer liquide. Influence de faibles quantités de MgO sur la répartition du soufre.
Untersuchungen über Gleichgewichte zwischen synthetischen, phosphorarmen Stahlwerkschlacken und kohlenstofffreiem
- U Nölle
Über das Auflösungsverhalten von MgO in der Schlacke beim LD-Verfahren
- D Nolle
Untersuchung der Metall-Schlackenreaktionen beim Frischen phosphorreichen Roheisens im OBM-Konverter
- M Sittard
Frischverlauf in Schlacke und Metall beim LD-Verfahren mit verschiedenen Anteilen im Konverter verbleibender Schlacke der vorherigen Schmelze
- Th Müller
Die Kinetik der Entphosphorung beim Sauerstoffaufblasverfahren für phosphorreiches Roheisen
- W Resch
Metall-Schlackenreaktionen beim Frischen von phosphorreichem Roheisen im OBM-Konverter und die Anwendung der Ergebnisse in einem statischen Prozeßmodell
- W Klemp
Entphosphorung und Entschwefelung im LD-Konverter ohne und mit Bodenspülen bei unterschiedlichen Siliciumgehalten im Stahleisen
- L Sinnwell
Mitteilung aus dem Institut für Eisenhüttenkunde und Gießereiwesen der Tech
- E. Schürmann
- W. A. Rasim
Hrsg. vom Verein Deutscher Eisenhüttenleute
- Schlackenatlas
Nr. 5, S. 169/72. – Dieselben: Mitteilung aus dem Institut für Eisenhüttenkunde und Gießereiwesen der Tech. Univ. Clausthal. 1984. Nr. 116.
- E. Schürmann
- I. Kolm
Nr. 15, S. 1027/35. – Vgl. Bardenheuer, F.: Gleichgewichte zwischen Siemens-Martin-Schlacken und Eisenschmelzen, o.O.1961. (Dr.-Ing.-Diss. Bergakad. Clausthal.)
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- F. Bardenheuer
- E. Schürmann
Nr. 23, S. 1398/408.
- W. A. Fischer
- H. v. Ende