CN102171370A - 利用传统炼钢设备低成本地制造低碳、低硫以及低氮钢 - Google Patents

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Abstract

制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其包括如下步骤：在炼钢炉中准备温度达到出钢温度的炉熔融钢组合物，该出钢温度是VTD中进行脱硫所需的温度，打开出钢氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物至盛钢桶，提供给盛钢桶以造渣化合物从而形成炉渣来覆盖盛钢桶中的熔融钢组合物，将盛钢桶中的熔融钢组合物运输至VTD，在VTD中通过抽真空至低于650毫巴来对熔融钢组合物进行脱碳，脱碳之后，向熔融钢组合物中添加一种或多种脱氧剂并对熔融钢组合物进行脱氧，脱氧之后，添加一种或多种熔剂化合物以对熔融钢组合物进行脱硫，以及铸造熔融钢组合物从而形成具有低于0.035％重量低碳的钢。

Description

利用传统炼钢设备低成本地制造低碳、低硫以及低氮钢
背景及发明内容
某些型钢组合物需要相对低含量的碳(低于0.035％)、氮(低于50ppm)、以及硫(低于30ppm)。在过去，制备这些低碳和低硫钢的方法需要利用在炼钢炉和脱气炉(degasser)中的过程的组合。现有方法涉及在炼钢炉(例如电弧炉(EAF))中降低钢组合物的碳水平，在出钢过程(tapping process)中制备合金添加剂(alloy addition)以进行钢的脱硫和合金化，以及然后将钢运送给脱气炉，例如真空罐脱气炉(vacuum tank degasser)(VTD)。这样的处理路线简单且相当直接。
在过去，为了获得符合上述工业等级的钢组合物，具有非常低的碳水平(例如小于0.025％)的钢在炼钢炉中出钢。在出钢之前，炉子中与这些低碳含量相关的溶解氧水平在1200ppm～1400ppm数量级。当脱气炉与炉子具有一段距离时，钢需要在约1700℃出钢以来补偿运输到脱气炉过程中的温度损失。在出钢过程中，钢被铝和硅铁(FeSi)脱氧。还加入了石灰和铝浮渣从而产生液体的、脱氧的、脱硫的炉渣。利用这些添加剂，于运送到脱气炉的过程中，在盛钢桶(ladle)中发生脱硫反应。在脱气炉中进一步添加铝、石灰、铝酸钙和白云石石灰，从而确保在脱气循环中除去所需的硫。尽管使用铝作为主要的脱氧剂，但这些钢组合物在工业上被认为是硅脱氧钢。
现有方法具有缺点，包括对炼钢炉的耐火材料的损蚀高。在炼钢炉出钢之前所需的升高的出钢温度以及高氧含量对于炉内的生产能力会产生负面影响。高温和高氧条件使得在高温下炉渣中的FeO量多，引起过分的炉壁耐火材料损蚀。尽管利用喷浆对炉耐火材料进行修补，这仍会导致炉子的停产时间增加。炉渣中高的FeO含量还会导致炼钢效率更低，这是因为在炉渣中损失更多的铁单元。
现有方法还需要在整个炼钢炉的后续处理中使用低碳合金和添加剂，从而保持低碳水平低于0.035％重量。需要低碳合金成分(例如低碳FeMn)来提供所需的成分，从而不会损害钢中的最终碳含量。近来，低碳铁合金(carbon ferro-alloy)的价格明显增加，从而导致该方法无法经济地生产这样的低碳钢。另外，在炼钢炉中降低钢组合物中的碳量需要额外的脱碳时间，这也会负面影响炼钢炉内的生产能力。由于更高氧含量，因此需要更多的硅和铝来对钢组合物进行脱氧，从而导致成本进一步增加。仍然需要降低低碳、低氮和低硫钢的生产成本。
本申请人发现了制造低碳钢的备选方法，该方法避免使用低碳铁合金并且生产的钢具有低于0.035％重量的低碳，该方法减少了对耐火材料的损蚀，并且增加了炼钢效率。
本文公开了制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，该方法包括如下步骤：
(a)在炼钢炉中准备温度达到出钢温度的炉熔融钢组合物(a heat of molten steel composition)，该出钢温度是真空罐脱气炉中进行脱硫所需的温度，
(b)打开出钢氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物至盛钢桶，
(c)提供盛钢桶以造渣化合物(slag forming compound)从而形成炉渣来覆盖盛钢桶中的熔融钢组合物，
(d)运输盛钢桶中的熔融钢组合物至真空罐脱气炉，
(e)在真空罐脱气炉中通过抽真空至低于650毫巴来对熔融钢组合物进行脱碳，
(f)脱碳之后，向熔融钢组合物中添加一种或多种脱氧剂并对熔融钢组合物进行脱氧，
(g)脱氧之后，添加一种或多种熔剂化合物(flux compound)以对熔融钢组合物进行脱硫，以及
(i)铸造熔融钢组合物从而形成具有低于0.035％重量低碳的钢。
在铸造之前，可以通过向熔融钢组合物中添加游离氧来对经脱碳和脱氧的熔融钢组合物进行再氧化，使得水平为20～70ppm以及总氧含量至少为70ppm，并且然后在双辊连铸机(twin roll caster)中铸造熔融钢组合物从而形成具有低于0.035％重量低碳的钢带。
在出钢步骤中，钢组合物中的硫量可以为0.02％重量～0.06％重量。在出钢步骤中，钢组合物中的碳量可以为0.02％重量～0.05％重量，以及钢组合物中的氮量可以低于0.005％重量。另外，准备炉熔融钢组合物的步骤可以在电弧炉中进行。
可以在1600℃～1650℃的温度，或在1650℃～1700℃的温度，或在1700℃～1750℃的温度打开出钢步骤。
可以在1～650毫巴，或350～550毫巴，或等于或小于530毫巴的真空水平下进行脱碳步骤。
在脱碳步骤之前，制备具有低碳低于0.035％重量的钢的方法还可以包括如下步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的熔融钢组合物，
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型(process model)，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳量与钢组合物达到需要的碳量的脱碳时间；以及
(iv)基于检测到钢组合物中的氧和碳的量，利用过程模型来确定脱碳时间。
备选或另外地，在脱碳步骤之前，制备具有低于0.035％重量低碳的钢的方法可以进一步包括如下步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的钢组合物
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳的量与对钢组合物进行脱氧所需的脱氧添加剂的量，以及
(iv)基于检测到钢组合物中的氧和碳的量，利用过程模型来确定钢组合物中脱氧添加剂的量。
加入一种或多种熔剂化合物的步骤可以涉及加入选自石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰、以及硅锰铁的一种或多种化合物。
进一步，备选或另外地，在脱碳步骤之前，制备具有低于0.035％重量低碳的钢的方法可以进一步包括如下步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的钢组合物
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳量与对钢组合物进行脱硫所需的熔剂成分的量以及基于熔剂成分的价格能够选择一种或多种熔剂成分；以及
(iv)基于检测到钢组合物中的氧和碳的量，利用过程模型来确定熔剂成分的选择和它们的量。
附图说明
图1是用于生产低碳、低氮和低硫钢的方法的概略流程图；
图2是示出利用现有方法的进入真空罐脱气炉的一炉钢(heats)的硫含量的图；
图3是示出比较了利用现有方法与本发明公开方法的一个但并不是仅有的一个实施方式时的电弧炉出钢过程中的氧分布的图；
图4是示出比较了利用现有方法与本发明公开方法时的电弧炉炉渣中的FeO分布的图；
图5是示出比较了利用现有方法与本发明公开方法的实施方式时的电弧炉出钢过程中的钢温度分布的图；
图6是利用现有方法与本发明公开方法的实施方式时的、将电弧炉出钢过程之前的氧量与出钢之后的碳量进行比较的图；
图7是示出比较了利用现有方法与本发明公开方法的实施方式时的进入真空罐脱气炉的一炉钢的硫含量的图；
图8是示出比较了利用现有方法与本发明公开方法的实施方式时的在脱气循环之后的钢中的碳分布的图；以及
图9是示出比较了利用现有方法与本发明公开方法的实施方式时的在脱气循环之后的钢中的硫分布的图。
发明详述
图1示意性地描述了用于生产低碳、低氮和低硫钢种(steel grade)的方法。在准备用于铸造的钢的过程中，通常来说，钢经过从电弧炉(EAF)到真空罐脱气炉(VTD)到钢包冶金炉(ladle metallurgical fumace)(LMF)到浇注机(未示出)的过程。利用本发明公开的方法生产的钢种具有低于约0.035％重量的低碳。该钢种还通常具有低于约0.005％重量的低氮和低于约0.003％重量或低于约0.0015％重量的低硫。
钢熔炼工厂通常具有一个或多个电弧炉，例如安装有110兆伏-安(MVA)变压器的120吨(公吨)EAF。这样的电弧炉可以具有约30～400吨的容量，但是通常用于连续铸造的处理量为60～120吨。每个炉子均可以含有气体喷射喷枪，例如来自Praxair的商标为Co-JetTM的三喷枪气体喷射系统，通过其可以将氧气和天然气的组合吹入到炉子中，以及还具有碳喷射管。该系统可以用于在整个加热钢的过程中以不同的比例喷射碳和氧从而制造泡沫状EAF炉渣。在Pretorius，E.B.和R.C.Carlisle的论文Foamy Slag Fundamentals and Their Practical Application to Electric Furnace Steelmaking，ISS-AIME，EF Conference Proceedings，1998，pp.275-291中描述了泡沫状炉渣的制备。在该EAF上还可以安装顶部供给熔剂系统，通过该系统可以供给石灰、白云石和碳来控制炉渣的碱度和粘度，从而在熔炼中更好地形成炉渣。本发明方法可以使用其它炼钢炉，例如碱性氧气转炉。
在于此描述的本发明方法的实施方式中，当钢组合物的氧含量和温度进入到期望的参数范围之内时，打开EAF一炉钢中的熔融钢的出钢过程。由于EAF可以与VTD相隔一段距离，因此选择钢组合物的出钢温度从而使得由EAF输送到VTD过程中的温度降低可以为VTD中的脱碳、以及氮和硫的减量提供所需的温度。通过偏心炉底出钢孔(EBT)系统可以从炉子开始出钢钢组合物到盛钢桶中，通常设计该系统使得在出钢过程中从EAF带入到盛钢桶中的炉渣最小化。例如，在120吨容量的EAF中，从炉子出钢到盛钢桶约105吨的钢。
根据需要盛钢桶通常安装有两个多孔塞，该多孔塞可以用来向钢组合物中引入氩。该多孔塞挂钩(hook-up)可以利用通过相应的盛钢桶耳轴自动连接。该出钢工作站也可以安装有测量系统，其可以在出钢后直接测量和记录钢的温度，以及可以测量和记录额外的信息，例如钢组合物中的氧水平。一旦出钢过程完成，马上可以从EAF中取出炉渣样品用来检测EAF炉渣中的FeO量。
在本发明方法的实施方式中，与过去的方法不同，脱碳没有在EAF中完成。代替地，在本发明方法的实施方式中，EAF出钢氧低于相应较高的出钢碳水平。该经改进的方法包括于炼钢炉的打开出钢步骤，以及于VTD的后续的脱碳步骤。打开出钢(open tapping)(或出钢打开(tapping open))意味着在无有意添加脱氧剂的条件下进行出钢。在本发明方法的实施方式中，降低钢的出钢氧含量至约600～1120ppm，以及更期望地，降低至约600～900ppm。
当VTD与炼钢炉有一段距离时，出钢温度可以为约1700℃～1750℃，该温度允许温度在从炉子运输到VTD过程中降低。备选地，当运输到VTD的时间变短时，出钢温度可以为约1600℃～1650℃，或备选地可以为约1650℃～1700℃。在本发明的出钢步骤中，关闭氩塞从而可以不对钢组合物进行搅拌。一旦完成了从炉子到盛钢桶的出钢，就可以取出钢样品，并且将造渣化合物，例如石灰加入到盛钢桶中以覆盖钢，从而减少运输到VTD过程中的热损失和氧化。在盛钢桶运输到VTD之前优选可以在其上放置炉盖。
本发明的出钢步骤与现有方法相比，现有方法在出钢过程中向钢组合物中添加了石灰、铝酸钙、铝、炉渣脱氧剂和硅铁，并且在整个出钢过程中对盛钢桶中的钢组合物进行搅拌，从而使添加剂与钢组合物混合。在本方法的实施方式中，优选在出钢过程中不对钢组合物进行搅拌。另外，除了在盛钢桶中加入石灰以覆盖钢之外，在本发明的出钢步骤中可以不加入熔剂。
过去的方法要求从EAF出钢的钢组合物的碳水平非常低，例如低于0.025％碳，出钢之后，当在盛钢桶中进行了部分脱硫之后，于VTD随后完成脱硫并且除去氢和氮。在现有方法中，平均出钢温度为1708℃。此外，在出钢之前EAF中的平均溶解氧含量(出钢氧)为1398ppm，其导致盛钢桶中的平均碳含量为0.022％。在现有方法中，炉渣中的平均FeO含量为38.6％。在现有的出钢过程中，向盛钢桶中加入了FeSi、铝和石灰。
另外，在过去的方法中，将铝浮渣加入到盛钢桶中以减少可还原的氧化物、带入的EAP炉渣的FeO和MnO的浓度。传统的带入的EAF炉渣通常低于500kg。
相对而言，在本发明方法的实施方式中，在不加入脱氧添加剂的情况下，在炉子中打开出钢钢组合物。如下文所述，出钢打开步骤降低了在VTD之前的盛钢桶中的脱硫能力。现有方法涉及向盛钢桶中加入脱氧剂并且搅拌金属和炉渣从而在VTD之前提供一些程度的脱硫。在现有方法中，在VTD步骤之前，盛钢桶中的钢组合物的硫含量通常从约0.035％重量降低到0.016％重量。
在本发明方法的实施方式中，在出钢步骤之后，将在盛钢桶中的钢组合物运输到VTD中以进一步处理从而减少氢和氮的含量，并进行钢组合物的脱硫。可以通过运载工具或高架起重机来运输盛钢桶。在运输到VTD上方后，可以通过高架起重机移动盛钢桶并放置到VTD罐中。一旦可以建立了VTD多孔塞的连接，就将塞子打开并通过多孔塞将氩引入到盛钢桶中的钢组合物中，使用的氩气的流量通常低于1m3/min。氩的流动引起初始搅拌从而破碎和液化炉渣，并使整个盛钢桶中的钢温度更为均匀。当炉渣开始液化时，关闭多孔塞，并记录温度和氧量的测量值。于VTD中记录的这些测量值，以及在出钢之前和/或之后于炉内记录的测量值可以用来确定向钢组合物中添加的合金和熔剂，并用来确定VTD中的脱碳步骤的时间长短。
在本发明方法的实施方式中，脱碳步骤在VTD中进行，并随后在VTD中进行脱氧步骤、炉渣形成步骤、脱硫步骤、以及氮除去步骤。由于存在脱碳，在VTD工作站中的总时间比现有方法长约10分钟。但是，在VTD中增加的处理时间不会明显影响钢组合物制备的总时间。
脱碳过程可以在关闭氩搅拌之后开始，以及记录于VTD的钢组合物中的温度和氧的量。将炉盖放置在盛钢桶上，并开始进行罐的抽气。随着盛钢桶上抽成真空，气体将从盛钢桶中的钢组合物中除去，该气体包括一氧化碳(CO)、氢气以及氮气。由于钢组合物上方的CO蒸汽压下降，另外的碳和氧反应会形成CO，并从钢组合物中抽出。本申请人发现碳和氧的反应提供了充分的搅拌作用，并且可以不需要氩的搅拌。在脱碳过程中使用的真空水平低于650毫巴。在脱碳过程中，真空水平可以为约1毫巴～650毫巴，以及可以为350～550毫巴或低于530毫巴。
脱碳之后在VTD中，在本发明方法的实施方式中，向钢组合物中加入铝用来进行脱氧。优选将石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰、硅锰铁(FeSiMn)一起加入，并且还可以加入其它熔剂来形成脱硫炉渣。通过压力均匀的加料斗，于该方法需要的时刻向钢组合物中加入添加剂。在真空下添加的铝是反应性的。在加入铝之前，可以将真空水平调节到约530～1000毫巴。
可以利用过程模型来确定脱碳时间，以及钢组合物的脱氧和炉渣形成所需的添加剂。可以使用过程模型来控制VTD中的炉渣的化学作用，这是因为VTD中的脱碳和脱氧步骤会影响炉渣的化学作用。
可以将在出钢之后记录的钢组合物的测量值、以及VTD中的炉渣组成和钢组合物的测量值提供给过程模型(process model)，或添加模型(Addition Model)。添加模型是一种算法其可以用来分析测量值、或输入的数据，并且比较输入的数据和所期望值或预定值。根据输入的数据和所期望或预定值之间的差异，添加模型算法可以确定将要向钢组合物中添加哪几种合金和熔剂，以及它们的量以能够促进除去氮和硫到所期望的水平。
添加模型可以利用光学碱度的概念依据硫化物的容量来产生更好的炉渣组合物。在Sosinsky，D.J.和Sommerville，I.D.的论文The Composition and Temperature Dependence of the Sulfide Capacity of Metallurgical Slags，Met.Trans.B，vol.17B，1986，pp.331-337中对光学碱度概念进行了描述。另外，添加模型利用了合金和熔剂添加剂的低成本组合来制备所期望的组成。添加模型可以用于提供具有所期望的钢-炉渣混合性质的流体的、碱性炉渣以及经脱氧的钢组合物。
在本发明方法的实施方式中，添加模型可以利用算法来确定脱碳时间，该算法是在VTD中在初始搅拌之后，基于经验数据关联脱碳时间和钢组合物中氧和碳量的算法。添加模型可以利用，在VTD中在初始搅拌之后的钢组合物中的氧量来确定在脱碳之后添加的铝的量。基于铝的量和氧的量，该添加模型的投影(projection)确定需要的熔剂添加剂以来形成脱硫炉渣。
添加模型算法可以向控制器提供已确定的量，该控制器可以自动地向钢组合物中添加确定量的经选定的合金和熔剂。例如，VTD可以具有四个设置用来向钢组合物提供合金和熔剂的料箱(bin)。根据所需要的钢组合物和炉渣组合物，四个料箱可以含有石灰、铝、铝酸钙、以及白云石石灰或硅锰铁(FeSiMn)中的一种。控制器能够独自地使每个料箱活动从而向相应地已确定量的钢组合物中提供已测定量的经选定的合金或熔剂添加剂。在对所需要的合金和熔剂添加剂进行称重之后，于该方法需要的时刻，通过压力均匀的加料斗将它们添加到盛钢桶中的钢组合物中。
在本发明方法的实施方式中，由于从加料斗加料所需的添加剂，罐盖放置在其操作位置中。关闭多孔塞并开始罐的抽气。在VTD中的总循环时间可以为约35分钟。
在脱碳和脱氧之后，可以达到1～2.5毫巴的真空水平以除去氮。
备选或另外地，在脱硫之后，可以达到1～2.5毫巴的真空水平以除去氮。泵抽吸下降至1～2.5毫巴的时间通常少于7分钟，这部分地取决于罐的热过程。完成脱硫和氮的去除的时间约为20分钟。
在现有方法中，设计添加模型主要用于产生能够仅除去硫和氮的条件。在现有方法中，钢组合物已经被部分脱氧，在一些一炉钢中被脱氧至约6.6ppm，并具有约1645℃的较高的进入盛钢桶的温度。由于一些脱硫过程发生在出钢之后，以及在运输到VTD的过程中，因此在进入到VTD的钢组合物中的硫含量分布是无规律的。图2示出了在现有方法中进入到真空罐脱气炉中的硫的分布。进入到VTD的平均的碳、氮和硫的浓度列于表1中。
表1：现有方法中进入到VTD的平均的碳、氮和硫浓度
  成分   浓度，重量％
  碳   0.022
  氮   0.0072
  硫   0.016
如表1所示，在现有方法中，钢组合物的碳浓度在所期望的范围之内，例如小于0.035％碳，其直接来自电弧炉。如上所述，这需要对在VTD中添加到钢组合物的不会扰乱钢组合物中的低碳量的合金和熔剂进行选择。
表2：现有方法的平均VTD进入炉渣的组成(重量％)
  CaO   SiO2  Al2O3   MgO   FeO+MnO
  57.8   5.6   28.4   7.7   0.5
在本发明方法的实施方式中，在VTD中在进入的钢组合物中对钢组合物其中的氧和温度进行测量，并且在VTD循环之后再一次进行了测量。在脱气循环之后也取样炉渣和钢样品以用于化学分析。脱气之后的钢组合物的目标碳和硫含量可以分别为约0.015％和约0.0010％。进入到VTD的钢组合物的平均碳、氮和硫浓度如表3所示。
表3：本发明方法中进入到VTD的平均碳、氮和硫浓度
  成分   浓度，重量％
  碳   0.035
  氮   0.0069
  硫   0.036
在本发明方法的实施方式中，一旦脱气循环完成就关闭多孔塞，将VTD放回到大气压力下并将炉盖打开。此时，取样钢组合物和炉渣组合物，并对钢组合物的温度和氧进行测定。然后根据需要通过高架起重机，将盛钢桶中的钢组合物运输到钢包冶金炉(LMF)中以进一步进行合金和加热处理从而达到要求的铸造温度。
该技术也可以用于制备无晶隙钢。无晶隙钢具有的碳水平可以低于0.01％，以及可以低于0.005％。
为了确定本发明方法实施方式的效率，比较下述两种数据：利用现有方法从500炉钢中记录的先前的数据，以及利用本发明公开方法的实施方式从500炉钢的两个月实验生产设备中获得的数据。该数据包括在出钢步骤中测量的钢组合物中的氧、碳和硫的量，在出钢步骤中的钢组合物的温度，以及在EAF炉渣组合物中的FeO的量。图3示出了对现有方法和本发明公开方法之间的钢组合物的氧含量的比较。如图3所示，与现有方法相比，本发明公开方法的实施方式提供了更低的氧含量。平均出钢氧从现有方法的1398ppm降低到本发明方法的962ppm。
图4示出了较低的出钢氧含量对于炉子炉渣组合物的FeO含量的影响。炉渣组合物的FeO含量从利用现有方法的38.6％降低到利用本发明公开方法的27.7％。
图5示出了出钢温度(现有方法和本发明方法)。如图5所示，平均出钢温度略有升高，从1708℃升高到1724℃。在VTD中的另外的脱碳步骤需要略高的出钢温度从而提供同样的VTD出口温度。
图6示出了较低的出钢氧水平对于钢组合物碳含量的影响，利用直接出钢之后从盛钢桶取样的样品来测定。如图6所示，与钢组合物的降低的出钢氧含量相关的碳含量从0.022％增加到0.035％。其遵循下述反应：
[C]+[O]＝(CO)气体(1)
其中[C]、[O]和(CO)气体分别表示溶解碳、溶解氧和一氧化碳气体。根据反应(1)所示，在恒定的CO分压下，钢组合物较低的溶解氧含量会导致较高的溶解碳含量。
图7中比较了现有方法与本发明方法实施方式中的进入VTD时的钢组合物的硫含量。图7显示进入VTD时钢组合物的硫水平增加平均从0.016％～0.036％。由于在出钢之后，没有硫迁移到炉渣中因此硫的分布变得更为规则。本发明方法提供了出钢打开步骤，不进行钢组合物的脱氧直到出钢之后，以及在VTD中进行钢组合物的脱碳。在这样的条件下，在出钢过程中通常不可能发生脱硫，这是因为硫的去除是由下述反应驱动的：
[S]+(O2-)＝(S2-)+[O](2)
其中[S]和[O]分别表示钢组合物中的溶解硫和氧含量，而(O2-)和(S2-)表示炉渣中的氧和硫离子。钢组合物中的低溶解氧含量和炉渣组合物中高的氧离子浓度将会驱动反应(2)向右从而对钢组合物进行脱硫。钢组合物的脱氧导致较低的溶解氧含量从而辅助脱硫。但是，由本发明方法制备的钢组合物在出钢过程中不发生脱氧，所以不会开始脱硫。另外，高炉渣碱度使得炉渣组合物中的氧离子浓度高，这也不会出现在本发明方法的实施方式中，这是因为本发明方法没有将熔剂添加剂混合到钢组合物中。因此，利用本发明方法的实施方式时，进入VTD的钢组合物的硫水平现在高于利用以前的方法制备的钢组合物两倍多。表4总结了利用现有方法和本发明方法制备的钢组合物中的平均出钢碳、硫、氧和温度值。
表4：选择的出钢参数平均值的总结
Figure BDA0000053146090000111
进入本发明方法实施方式的真空罐脱气炉中的炉渣组合物和钢组合物与现有方法由较大不同。本发明VTD过程生产低碳、低硫钢产品。开发出本发明的添加模型用来计算使进入的钢组合物脱碳至0.015％碳所需的时间。脱碳时间以出钢碳的函数形式变化；但脱碳时间可以为约2～5分钟。此外，添加模型用于计算使钢组合物脱氧至所需的量的铝和硅锰铁的量，例如在除去碳之后，该所需的量低于3ppm氧。该模型还计算将要与得到的已脱氧钢和炉渣组合物混合用于脱硫的石灰和铝酸钙的量。添加模型利用在VTD中测量到的氧水平。
表5总结了最终VTD炉渣(过去和新的方法)的平均化学组成。
表5：平均最终VTD炉渣组成
  CaO   SiO2   Al2O3   MgO   FeO+MnO
  现有方法   60.5   6.0   25.2   7.7   0.6
  本发明方法   60.4   7.1   23.5   8.3   0.7
表5显示出通过本发明方法实施方式和现有方法得到两种最终炉渣组合物非常相似。这表明通过本发明方法制造的钢组合物中的本发明的钢硫水平应当与那些通过过去方法路径得到的产品一致，硫分布(LS)定义为：
LS＝(重量％S)炉渣/[重量％S]钢(3)
可以计算过去方法和本发明方法的硫分布。现有方法的LS为2100，而本发明方法的实施方式的LS为1975。这对于硫分布而言是非常高的，说明最终炉渣组合物在除去和保持钢组合物中的低硫水平方面的效力。如Sosinsky，D.J.和Sommerville，I.D.所著的The Composition and Temperature Dependence of the Sulfide Capacity of Metallurgical Slags，Met.Trans.B，vol.17B，1986，pp.331-337中所述，当炉渣-金属系统的氧位(oxygen potential)已知时，可以计算平衡硫分布，或可以通过脱氧平衡来计算平衡硫分布。方程(3)表示以炉渣的温度和光学碱度来表示的平衡硫分布系数。
log LS＝(21920-54640Λ)/T+43.6Λ-23.9-log[a0](4)
其中Λ为炉渣组合物的光学碱度，T为以绝对温度表示的温度，以及a0是钢组合物中的氧活度(activity of oxygen)。在表6中对计算出的平衡硫分布系数与测量值进行了比较。
表6：测定的和计算出的平衡硫分布
  测定的LS   计算出的平衡LS
  现有方法   2100   2476
  本发明方法   1975   2569
表6表明现有方法和本发明方法的实施方式的硫分布非常相似，并且它们均接近计算的平衡。接近计算出的平衡的能力表明在安装有两多孔塞的真空罐脱气炉中的令人满意的炉渣/钢组合物的混合。
图8和9分别示出了在现有方法和本发明方法的实施方式中，脱气循环之后的碳和硫分布。从图8中可以明显看出碳分布发生了变化，并且平均碳从0.0245％(现有方法)下降到0.0195％(本发明方法)。在本发明公开方法中，碳量略高于利用添加模型计算出的碳量。本发明添加模型计算制备0.015％碳所需的脱碳时间。如图9所示，最终的硫分布无明显变化。
该结果表明利用本发明公开的方法可以常规地生产低碳和低硫钢组合物。通过在VTD中脱碳，本发明方法能够制备高质量低残余的钢种，并且明显降低了炉耐火材料和合金的成本。每吨可以节省成本约20美金。利用本方法，该实验生产装置可以延续约8个月。
尽管在附图和上述说明书中详细说明和描述了本发明，但其应当被认为是说明性而非对本发明性质的限制，应当理解仅示出和描述了优选的实施方式，并且本发明意在保护在本发明精神范围内的所有变化和修改。

Claims (30)

1.制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其包括如下步骤：
(a)在炼钢炉中，准备温度达到出钢温度的炉熔融钢组合物，该出钢温度是真空罐脱气炉中进行脱硫所需的温度，
(b)打开出钢氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物至盛钢桶，
(c)提供给盛钢桶以造渣化合物从而形成炉渣来覆盖盛钢桶中的熔融钢组合物，
(d)运输盛钢桶中的熔融钢组合物至真空罐脱气炉，
(e)在真空罐脱气炉中通过抽真空至低于650毫巴来对熔融钢组合物进行脱碳，
(f)脱碳之后，向熔融钢组合物中添加一种或多种脱氧剂并对熔融钢组合物进行脱氧，
(g)脱氧之后，添加一种或多种熔剂化合物以对熔融钢组合物进行脱硫，以及
(i)铸造熔融钢组合物从而形成具有低于0.035％重量低碳的钢。
2.权利要求1所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在出钢步骤中钢组合物中的碳量为0.02％～0.05％重量。
3.权利要求1或2所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，准备炉熔融钢组合物的步骤在电弧炉中进行。
4.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，脱碳步骤处于1～650毫巴的真空水平。
5.权利要求4所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，脱碳步骤处于350～550毫巴的真空水平。
6.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，加入一种或多种脱氧剂的步骤包括于530～1000毫巴的真空水平加入需要量的铝。
7.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括如下步骤：在脱硫之后，抽真空至1～2.5毫巴以除去氮。
8.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，加入一种或多种熔剂化合物的步骤包括加入选自石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰和硅锰铁的一种或多种化合物。
9.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在出钢步骤中，钢组合物中的硫量为0.02％～0.06％重量。
10.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括在脱碳步骤之前的下述步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的熔融钢组合物，
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳量与钢组合物达到需要的碳量所需的脱碳时间；以及
(iv)基于检测到钢组合物中的氧和碳的量，利用过程模型来确定脱碳时间。
11.权利要求1～9中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括在脱碳步骤之前的下述步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的钢组合物
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳的量与对钢组合物进行脱氧所需的脱氧添加剂的量，以及
(iv)基于检测到的氧和碳的量，利用过程模型来确定钢组合物中脱氧添加剂的量。
12.权利要求1～9中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括在脱碳步骤之前的下述步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的钢组合物
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度；
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳量与对钢组合物进行脱硫所需的熔剂成分的量以及基于熔剂成分的价格能够选择一种或多种熔剂成分；以及
(iv)基于检测到的氧和碳的量，利用过程模型来确定熔剂成分的选择和它们的量。
13.上述权利要求中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在1600℃～1650℃的温度打开出钢步骤。
14.权利要求1～12中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在1650℃～1700℃的温度打开出钢步骤。
15.权利要求1～12中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在1700℃～1750℃的温度打开出钢步骤。
16.制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其包括如下步骤：
(a)在炼钢炉中准备温度达到出钢温度的炉熔融钢组合物，该出钢温度是真空罐脱气炉中进行脱硫所需的温度，
(b)打开出钢氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物至盛钢桶，
(c)提供给盛钢桶以造渣化合物从而形成炉渣来覆盖盛钢桶中的熔融钢组合物，
(d)运输盛钢桶中的熔融钢组合物至真空罐脱气炉，
(e)在真空罐脱气炉中通过抽真空至低于650毫巴来对熔融钢组合物进行脱碳，
(f)脱碳之后，向熔融钢组合物中添加一种或多种脱氧剂并对熔融钢组合物进行脱氧，
(g)脱氧之后，添加一种或多种熔剂化合物以对熔融钢组合物进行脱硫，
(i)向熔融钢组合物中添加游离氧直到水平为20～70ppm以及总氧含量至少为70ppm，以及
(j))然后在双辊连铸机中铸造熔融钢组合物从而形成具有低于0.035％重量的低碳的钢带。
17.权利要求16所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在出钢步骤中钢组合物中的碳量为0.02％～0.05％重量。
18.权利要求16或17所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，准备炉熔融钢组合物的步骤在电弧炉中进行。
19.权利要求16～18中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，脱碳步骤处于1～650毫巴的真空水平。
20.权利要求16～19中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，脱碳步骤处于350～550毫巴的真空水平。
21.权利要求16～20中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，加入一种或多种脱氧剂的步骤包括于530～1000毫巴的真空水平加入需要量的铝。
22.权利要求16～21中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括如下步骤：在脱硫之后，抽真空至1～2.5毫巴以除去氮。
23.权利要求16～22中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，加入一种或多种熔剂化合物的步骤包括加入选自石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰和硅锰铁的一种或多种化合物。
24.权利要求16～23中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在出钢步骤中，钢组合物中的硫量为0.02％～0.06％重量。
25.权利要求16～24中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括在脱碳步骤之前的下述步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的熔融钢组合物，
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳量与钢组合物达到需要的碳量所需的脱碳时间；以及
(iv)基于检测到钢组合物中的氧和碳的量，利用过程模型来确定脱碳时间。
26.权利要求16～24中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括在脱碳步骤之前的下述步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的钢组合物
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度，
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳的量与对钢组合物进行脱氧所需的脱氧添加剂的量，以及
(iv)基于检测到的氧和碳的量，利用过程模型来确定钢组合物中脱氧添加剂的量。
27.权利要求16～24中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其还包括在脱碳步骤之前的下述步骤：
(i)搅拌于真空罐脱气炉的盛钢桶中的钢组合物
(ii)测量并记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、以及钢组合物的温度；
(iii)提供过程模型，该过程模型关联钢组合物中的氧和碳量与对钢组合物进行脱硫所需的熔剂成分的量以及基于熔剂成分的价格能够选择一种或多种熔剂成分；以及
(iv)基于检测到的氧和碳的量，利用过程模型来确定熔剂成分的选择和它们的量。
28.权利要求16～27中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在1600℃～1650℃的温度打开出钢步骤。
29.权利要求16～27中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在1650℃～1700℃的温度打开出钢步骤。
30.权利要求16～27中任一项所述的制造具有低于0.035％重量低碳的钢的方法，其中，在1700℃～1750℃的温度打开出钢步骤。
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