CN105586465A - 利用传统炼钢设备低成本制备低碳、低硫和低氮钢 - Google Patents

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Abstract

一种制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其包括如下步骤：在炼钢炉中准备一炉次温度达到出钢温度的熔融钢组合物，该出钢温度是VTD中进行脱硫所需的温度，将氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物打开出钢至钢包，提供给钢包以造渣化合物从而形成炉渣以覆盖钢包中的熔融钢组合物，运输熔融钢至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，输送所述熔融钢到LMF中，并对熔融钢组合物脱氧，脱氧后，返回到VTD以对熔融钢组合物脱硫和脱气，并且铸造所述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制备低碳、低硫和低氮钢
本申请是申请日为2011年06月15日、优先权日为2010年06月18日、申请号为201180039945.9、发明名称为“利用传统炼钢设备低成本制备低碳、低硫和低氮钢”的发明专利申请的分案申请。
背景及简介
本发明涉及利用传统炼钢设备制备低碳、低硫和低氮钢。
某些商业钢组合物要求相对较低含量的碳(小于0.035％)，氮(小于50ppm)，和硫(小于30ppm)。过去，使用炼钢炉和脱气装置的工艺组合来制造这些低碳和低硫钢。该在先方法涉及在炼钢炉(例如电弧炉(EAF))中降低钢组合物的碳水平，在出钢过程(tappingprocess)中制备添加合金以进行钢的脱硫和合金化，然后输送所述钢到脱气装置，例如真空罐脱气装置(vacuumtankdegasser)(VTD)。这样的处理路线简单且相当直接。
过去，为了达到商业等级的钢组合物的要求，炼钢设备的出钢具有非常低的碳量，例如小于0.025％。出钢前，与这些低的碳量相应的炉中溶解的氧含量依次为1200ppm到1400ppm。脱气装置与炉子有一段距离，因而在约1700℃出钢，以补偿在运输到脱气装置的过程中的温度损失。在出钢过程中，该钢用铝和硅铁(FeSi)脱氧。也加入石灰和铝炉渣以产生流动的、脱氧的、脱硫的炉渣。通过这些添加，在输运到脱气装置过程，在钢包中发生脱硫反应。在所述脱气装置进一步添加铝、石灰、铝酸钙以及白云石石灰以确保期望量的硫在脱气过程中除去。虽然使用铝作为主要的脱氧剂，商业上将这些钢组合物称为硅镇静钢(silicon-killedsteel)。
现有方法是有缺陷的，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，这仍会增加炉子的停机次数。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。
现有方法还需要在从炼钢炉到整个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(carbonferro-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。
在澳大利亚或其他地方，上述描述并非普通常规知识。
我们已经发现制造具有低于0.035重量％低碳的钢的替代方法，其减少对低碳铁合金的需要，降低耐火材料的损蚀，并增加炼钢效率。
本发明提供了一种制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，该方法包括以下步骤：
(a)在炼钢炉中，准备温度达到出钢温度的一炉次熔融钢组合物(aheatofmoltensteelcomposition)，该出钢温度是真空罐脱气装置中进行脱碳所需的温度，
(b)将氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物打开出钢至钢包，
(c)向钢包提供造渣化合物从而形成钢包中的熔融钢组合物的炉渣覆盖物，
(d)运输在所述钢包中的熔融钢组合物至真空罐脱气装置，
(e)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，
(f)脱碳后，运输在钢包中的熔融钢组合物至钢包冶金炉(ladlemetallurgicalfurnace)，
(g)在运输在钢包中的熔融钢组合物至钢包冶金炉的步骤之前或之后，向熔融钢组合物中加入一种或多种脱氧剂，
(h)在运输在钢包中的熔融钢组合物至钢包冶金炉的步骤之前或之后，添加一种或多种熔剂化合物(fluxcompound)以使熔融钢组合物脱硫，
(i)在钢包冶金炉中使熔融钢组合物脱氧，
(j)脱氧后，将在钢包中的熔融钢组合物输送至真空罐脱气装置，
(k)在VTD中，使熔融钢组合物脱硫，以及
(j)铸造熔融钢组合物以形成具有低于0.035重量％低碳的钢。
在运输在钢包中的熔融钢组合物至钢包冶金炉的步骤之前或之后，该方法可以包括向熔融钢组合物中加入一种或多种铁合金化合物。在钢包冶金炉内的熔融钢组合物脱氧的步骤后，该方法可包括再加热在钢包中的熔融钢组合物。备选地或附加地，该方法可以包括在脱硫后，抽真空至约0.5～2.5毫巴以脱氮。
铸造前，该脱碳和脱氧的熔融钢组合物可以运送到LMF来进行氧添加、进一步合金化、和熔融钢再加热中的至少一个。可以通过向熔融钢组合物中添加游离氧(freeoxygen)到20至70ppm和总氧含量至少为70ppm的水平来对脱碳和脱氧的熔融钢组合物进行再氧化，然后在双辊铸轧机中浇铸熔融钢组合物，以形成具有低于0.035重量％低碳的钢带。
出钢步骤过程中钢组合物中的硫量可以为约0.02重量％～0.09重量％。出钢步骤过程中钢组合物中的碳量可以为约0.02重量％～0.05重量％，钢组合物中的氮量可以是小于约0.008重量％。此外，可以在电弧炉中进行该准备一炉次熔融钢组合物的步骤。
打开出钢步骤也可以在约1600℃～1650℃的温度、或在约1650℃～1700℃的温度、或在约1700℃～1750℃的温度进行。
脱碳步骤可以在1～650毫巴、或350～550毫巴、或530毫巴以下的真空度下。
在脱碳步骤之前，制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法可能还包括以下步骤：
(i)在真空罐脱气装置处测量和记录钢组合物中的碳量、钢组合物的氧含量、和钢组合物温度，
(ii)提供关联钢组合物中氧量和碳量与达到钢组合物中所期望的碳量所需的脱碳时间的过程模型；以及
(iii)基于测量的钢组合物中氧量和碳量，通过过程模型确定脱碳时间。
替代地或附加的，在脱碳步骤之前，制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法可能还包括以下步骤：
(i)在真空罐脱气装置处测量和记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、和钢组合物温度，
(ii)提供关联钢组合物中氧量和碳量与对钢组合物进行脱氧所需的脱氧剂的添加量(amountsofdeoxidizingaddition)的过程模型；以及
(iii)基于测量的钢组合物中的氧量和碳量，通过过程模型确定钢组合物的脱氧剂的添加量。
添加一种或多种熔剂化合物的步骤可包括添加一种或多种选自石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰(dolomiticlime)、硅灰石、氟石、硅砂、硅铁、硅锰铁(ferrosilicomanganese)、和预熔融的合成熔剂(prefusedsyntheticflux)的化合物。
另外，替代地或附加的，在脱碳步骤之前，制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法可能还包括以下步骤：
(i)在真空罐脱气装置处测量和记录钢组合物中的碳量、钢组合物的氧含量、和钢组合物温度；
(ii)提供关联钢组合物中的氧量和碳量与用于对钢组合物进行脱硫的熔剂元素(fluxelement)量的过程模型，并能够基于熔剂元素的价格选择一种或多种熔剂元素；以及
(iii)基于测量的钢组合物中的氧量和碳量，通过过程模型确定熔剂元素的选择及其量。
附图说明
图1是用于生产低碳、低氮和低硫钢的工艺的示意性流程图，
图2是使用现有工艺时进入真空罐脱气装置的各炉次的硫含量曲线图，
图3A是示出比较了使用现有工艺以及使用根据Geldenhuis等人的美国专利申请公开2010/0024596中描述的发明的方法的实施方式(下称“美国公开2010/0024596的方法”)在电弧炉出钢处理时钢中的氧分布曲线图，
图3B是示出比较了使用现有工艺以及使用根据本发明的方法的实施方式(以下称为“本方法”)在电弧炉出钢处理时钢中的氧分布曲线图，
图4A是示出比较了使用现有工艺以及使用美国公开2010/0024596的方法的电弧炉炉渣中的FeO分布曲线图，
图4B是示出比较了使用现有工艺以及使用本方法的电弧炉炉渣中的FeO分布曲线图，
图5A是示出比较了使用现有工艺以及使用美国公开2010/0024596的方法在电弧炉出钢处理期间的钢温度分布曲线图，
图5B是示出比较了使用现有工艺以及使用本方法在电弧炉出钢处理期间的钢温度分布曲线图，
图6A是示出比较了使用现有工艺和美国公开2010/0024596的方法时电弧炉出钢处理前氧量与出钢后钢中的碳量的曲线图，
图6B是示出比较了本方法的电弧炉出钢处理前的氧量与进入真空罐脱气装置的钢中的碳量和比较了本方法的进入真空罐脱气装置的钢中的氧量与进入真空罐脱气装置的碳量的曲线图，
图7A是示出比较了使用现有工艺以及使用美国公开2010/0024596的方法的进入真空罐脱气装置的炉次的硫含量曲线图，
图7B是示出比较了使用现有工艺以及使用本发明的方法的进入真空罐脱气装置的炉次的硫含量曲线图，
图8A是示出比较了使用现有工艺以及使用美国公开2010/0024596的方法的脱气循环后钢中的碳分布曲线图
图8B是示出比较了使用现有工艺以及使用本发明的方法的脱气循环后钢中的碳分布曲线图，
图9A是示出比较了使用现有工艺以及使用美国公开2010/0024596的方法的脱气循环后钢中的硫分布曲线图，以及
图9B是示出使用本发明的方法，脱气循环后钢中的硫分布曲线图。
发明详述
本发明以下的说明中仅是通过示例的方式，因为这里所描述的本发明方法的实施方式(被称为“本方法”)被详述并与上述第3段到第5段中描述的工艺和Geldenhuis等人在美国专利申请公开2010/0024596中记载的方法(“美国公开2010/0024596的方法”)进行了比较。
美国公开2010/0024596的方法不应被理解为澳大利亚或其他地方的公知常识的一部分。
根据美国公开2010/0024596的方法的制造低碳、氮和硫的钢种的工艺示意性地示示于图1中。在制备铸造用钢的过程中，钢可能从电弧炉(EAF)到真空罐脱气装置(VTD)至钢包冶金炉(LMF)到浇注机(caster)(图中未示出)。
在本方法中，钢可能从电弧炉(EAF)到真空罐脱气装置(VTD)至钢包冶金炉(LMF)，然后返回到VTD和LMF，然后继续到浇注机(未示出)。
美国公开2010/0024596的方法和本方法(有时在本文中称为“这两种方法”)所生产的钢种具有小于约0.035重量％的低碳。所述钢种也通常具有小于约0.005重量％的低氮和小于约0.003重量％、或小于约0.0015重量％的低硫。
钢熔炼工厂通常具有一个或多个电弧炉，如安装有110兆伏安(MVA)变压器的120吨(公吨)EAF。这种电弧炉可能具有约30吨～400吨的容量，但通常用于连续铸造的容量为60～120吨。每个炉子均可包括气体喷射喷枪，如来自Praxair的Co-JetTM牌三喷枪气体喷射系统，通过它可以向炉内吹入氧气和天然气的组合，以及炉可包括碳喷射管。这些可以用于在整个钢加热历程中以不同的比例喷射碳和氧以产生泡沫化的EAF炉渣。Pretorius,E.B.和R.C.Carlisle,FoamySlagFundamentalsandTheirPracticalApplicationtoElectricFurnaceSteelmaking,ISS-AIME,EFConferenceProceedings,1998,pp.275-291.中已经描述了泡沫炉渣的制备。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、白云石和碳以在熔化过程中为了得到更好的炉渣泡沫而控制炉渣的碱度和粘度。这两种方法都可以用于其他的炼钢炉，如碱性氧气炉。
当刚组分的氧含量和温度处于期望的参数范围内时，使EAF炉中的熔融钢出钢。由于EAF可从VTD移除，选择EAF处的钢组合物的出钢温度使得在从EAF向VTD运输过程中温度下降，从而在VTD处提供所需的温度以用于脱碳和氮和硫的减少。可通过偏心炉底出钢孔(EBT)系统从炉子出钢钢组合物至钢包中，通常设计该系统使得在出钢期间从EAF进入钢包的带入炉渣最小化。例如，在120吨容量的EAF中，约105吨的钢从炉子出钢进入到钢包中。
钢包通常配备有两个多孔塞，其能够如根据需要向钢组合物中引入氩气。该多孔塞挂钩(hook-up)可以利用通过相应的钢包耳轴自动连接。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。
在美国公开2010/0024596的方法和本方法中，与过去的方法不同，脱碳没有在EAF中完成。
相反，在两种方法中EAF出钢氧含量降低，相应地出钢碳水平较高。这种改进的方法包括炼钢炉的打开出钢步骤和在VTD中的随后的脱碳步骤。打开出钢(opentapping)(或出钢打开(tappingopen))意味着在无有意添加脱氧剂的条件下进行出钢。在本方法中，降低钢的出钢氧含量至约600～1120ppm，并且更理想的是降低至约600～900ppm。备选地，钢的出钢氧含量可以为约400～900ppm。
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钢包的出钢，就可以取出钢样品，并且将造渣化合物，例如石灰加入到钢包中以覆盖钢，从而减少运输到VTD过程中的热损失和氧化。在钢包运输到VTD之前优选可以在其上放置炉盖。
本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钢包中的钢组合物进行搅拌，从而使添加剂与钢组合物混合。在本方法中，优选在出钢过程中不对钢组合物进行搅拌。另外，除了在钢包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，当在钢包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，其导致钢包中的平均碳含量为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，向钢包中加入了FeSi、铝和石灰。另外，将铝浮渣加入到钢包中以减少来自带入的EAP炉渣的可还原的氧化物、FeO和MnO的浓度。传统的带入的EAF炉渣通常低于500kg。
相比之下，在这两种制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法中，在不加入脱氧添加剂的情况下，在炉子处打开出钢钢组合物。如下文所述，出钢打开步骤降低了在VTD之前的钢包中的脱硫能力。现有方法涉及向钢包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，钢包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％。
在美国公开2010/0024596的方法中，出钢步骤之后，将在钢包中的钢组合物运送到VTD中以进行进一步处理，以减少氢和氮的含量并且对钢组合物进行脱硫。钢包可以由运载工具或高架起重机运送。到达VTD后，钢包可以通过高架起重机移动并放置在VTD罐中。一旦在VTD中完成多孔塞连接，可以打开塞并通过该多孔塞将氩气引入到在钢包中的钢组合物中，氩气的流速通常小于1m3/min。氩气的流动会产生初始的搅拌，进而破碎并液化炉渣，并使整个钢包中钢的温度更为均匀。当炉渣液化后，关闭多孔塞，并记录温度和氧量，以及任选地碳量的测量值。备选地在搅拌之前，可进行温度、氧量和碳量的测量。这些出钢之前和/或之后记录的炉子的测量值和VTD处的测量值可用于确定添加到钢组合物中的合金和熔剂，和用于确定VTD脱碳步骤的时间长短。
在美国公开2010/0024596的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法中，在VTD中的脱碳步骤后接着进行VTD中的脱氧步骤、造渣步骤(slagbuildingstep)、脱硫步骤和除氮步骤。在VTD工作站的总时间可为约10分钟，由于脱碳，其比在现有工艺的时间长。然而，在VTD处增加的处理时间可能基本上不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，以及在VTD处记录钢组合物中的温度和氧的量。将炉盖放置在钢包上，并开始对罐抽真空。随着钢包上抽成真空，气体从钢包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。已经发现碳和氧的反应提供了充分的搅拌作用，而使得氩搅拌不必要。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。
在VTD中脱碳后，向钢组合物中加入铝用来进行脱氧。优选添加石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰、硅锰铁(FeSiMn)以及其它熔剂的组合来形成脱硫炉渣。通过压力均匀的加料斗，于该过程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(processmodel)来预先确定脱碳时间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，或添加模型(AdditionModel)。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(opticalbasicity)的概念，以根据硫容量来产生更好的炉渣组合物。所述光学碱度的概念已经描述在Sosinsky,D.J.andSommerville,I.D.,TheCompositionandTemperatureDependenceoftheSulfideCapacityofMetallurgicalSlags,Met.Trans.B,vol.17B,1986,pp.331-337。此外，所述添加模型使用低成本的合金和熔剂添加物的组合来产生所需的组成。添加模型能够提供流体、碱性炉渣和具有期望钢-炉渣混合性质的脱氧钢组合物。
在美国公开2010/0024596的方法中，添加模型可以利用基于经验数据的算法来确定脱碳时间，该经验数据关联脱碳时间和VTD处初始搅拌后钢组合物中氧量和碳量。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，该添加模型设计所需的熔剂以形成脱硫渣。
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)。控制器能够独自地激活每个料箱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，于该过程需要的时刻，通过压力均匀的加料斗将它们添加到钢包中的钢组合物中。
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。关闭多孔塞并开始对罐进行抽真空。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历程。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。在现有工业中，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℃的较高的进入钢包的温度。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示出了在现有工艺中进入到真空罐脱气装置中的硫的分布。进入到VTD的平均的碳、氮和硫的浓度列于表1中。
表1:现有工艺中，进入到VTD的平均的碳、氮和硫的浓度
元素 浓度，重量％
碳 0.022
氮 0.0072
硫 0.016
如表1所示，在现有工艺中，直接来自电弧炉的钢组合物的碳浓度在所期望的范围之内，例如小于0.035％碳。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：现有工艺的平均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
使用美国公开2010/0024596的方法，在VTD处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循环后再次测量。脱气循环后对炉渣和钢样品进行取样以进行化学分析。脱气后钢组合物的目标碳和硫含量可以分别为约0.015％和约0.0010％。第一本方法(thefirstpresentmethod)中进入到VTD的钢组合物的平均碳、氮和硫的浓度示于表3中。
表3：美国公开2010/0024596的方法的进入到VTD的平均碳、氮和硫浓度
脱气循环(degassingcycle)一旦完成则关闭多孔塞，VTD回到大气压力下，并打开盖子。此时对钢组合物和炉渣组合物进行采样，并测量钢组合物的温度和氧。然后通过高架起重机将钢包中的钢组合物输送至钢包冶金炉(LMF)以进一步合金化并加热到所需的铸造所需温度。
美国公开2010/0024596的方法也可用于制备无间隙原子钢(interstitial-freesteel)。无间隙原子钢的碳量低于0.01％，并可能低于0.005％。
在本方法中，即本文所描述的本发明方法的实施方式中，用石灰、二氧化硅、氟石渣系，在打开出钢步骤后，在输送在钢包中所述钢组合物到VTD进行脱碳。钢包可以由运载工具或高架起重机运输。到达VTD后，钢包可以通过高架起重机移动并放置在VTD罐中。一旦在VTD中建立多孔塞连接，打开塞并通过该多孔塞将氩气引入到钢包中的钢组合物中，使用的氩气的流速通常小于1m3/min。氩气的流动会产生初始的搅拌，进而破碎并液化炉渣，并使整个钢包中钢的温度更为均匀。当炉渣液化后，关闭多孔塞，并记录温度、氧量以及碳量的测量值。备选地，可在搅拌之前进行温度、氧量和碳量的测量。这些出钢之前和/或之后记录的炉子的测量值和VTD处的测量值可用于确定添加到钢组合物中的合金和熔剂，和用于确定VTD处脱碳步骤的时间长短。
在本发明的制造具有通常低于0.035重量％低碳的钢的方法中，脱碳步骤在VTD处进行，之后，钢组合物从VTD中移除并在LMF中处理。例如，在VTD工作站的脱碳总时间是约10-12分钟。
VTD中的脱碳步骤可在氩搅拌关闭后开始，并记录VTD处钢组合物的温度和氧量的测量值。将盖子置于钢包上，并开始对罐抽真空。随着钢包抽真空，气体从钢包中的钢组合物中逸出，其可包括一氧化碳(CO)、氢气和氮气。由于钢组合物上方的CO蒸气压降低，另外的碳和氧反应会形成CO，并从钢组合物中抽出。我们已经发现，碳和氧的反应提供了足够的搅拌作用且不再需要氩搅拌。脱碳过程中使用的真空水平小于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。脱碳后的钢组合物的目标碳含量可在约0.005％～0.010％。
在VTD中脱碳后，VTD恢复到大气压力。从VTD移除钢包，并运送到LMF以进行组分脱氧、添加合金元素和/或化合物、造渣和再加热钢中的至少一种。在钢包中将熔融钢组合物运送至钢包冶金炉步骤之前或之后，可向钢组合物中添加硅铁(FeSi)和硅锰铁(FeSiMn)用于脱氧。可以设想，在一些替代例中，可向钢组合物中添加铝用来脱氧。此外，在钢包中将熔融钢组合物运送至钢包冶金炉步骤之前或之后，可以添加下述物质的所需的组合以形成脱硫渣，所述物质为石灰、氧化镁、铝酸钙、白云石石灰、氟石、硅灰石、硅砂、硅铁、硅锰铁、预熔融的合成熔剂和其他熔剂。替代地或另外地，可以提供商业的炉渣调节剂如来自AnkerIndustries的Deox70型煤(briquettes)，或其他商业制剂。所述钢可以在LMF中再加热到约1620℃～1680℃，或根据需要的其他的温度。LMF步骤后钢组合物的目标活性氧含量可在20ppm～40ppm。
VTD中的脱碳时间和在LMF中所需的用于钢组合物脱氧和造渣的期望添加物使用上面所述的添加模型预先确定。该添加模型将输入数据与期望值对比，并确定待添加到钢组合物中的合金和熔剂及它们的添加量，以促使将氮和硫去除到所需的水平。
如上所讨论的，该添加模型可以使用的光学碱度的概念，以根据硫容量产生更好的渣组合物，并且可用于确定产生期望组分的合金和熔剂添加物的低成本的组合。
在本方法中，该加模型可以利用基于经验数据的算法来确定脱碳时间，该经验数据关联脱碳时间和VTD处初始搅拌后钢组合物中氧量和碳量。该添加模型可能使用VTD处初始搅拌后钢组合物中的氧量来确定脱碳后铝的添加量。基于铝量和氧量，该添加模型设计所需的熔剂添加物以形成脱硫渣。
如上所讨论的，该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，LMF可以具有定位用于向钢组合物提供合金和熔剂的料箱。依据期望的钢组合物和渣组合物，料箱可含有MgO、二氧化硅、硅灰石、氟石或其它熔剂，以及可能含有硅铁和硅锰铁合金添加剂。控制器能够独立地激活各料箱，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。称量所需合金和熔剂添加物后，于该过程需要的时刻，将它们添加到钢组合物中。
在炉渣在LMF中脱氧，以及钢组合物处于所希望的温度后，输送钢包至VTD以脱硫和脱气。在VTD中，可以通过抽真空到压力小于10毫巴来实现脱硫和脱气。例如，可使真空度达到0.5～2.5毫巴来脱氮。备选地或另外地，脱硫后，可使真空度达到0.5～2.5毫巴来脱氮。泵抽吸下降至0.5～2.5毫巴的时间通常少于7分钟，这部分地取决于罐的热历程。完成脱硫和氮的去除的时间可在约20分钟～35分钟。可通过一个或两个塞来提供氩搅拌，并且可以使用至少750scf的总氩。
使用本方法，在第三步骤VTD的进入钢组合物中，测量钢组合物中的氧和温度后，并在第三步骤VTD循环后再次测量。脱气循环后对炉渣和钢样品进行取样以进行化学分析。脱气后，钢组合物的目标硫和氮的含量可以分别是约10ppm和小于约45ppm。表4中示出了进入第三步骤VTD的钢组合物的平均的锰、硅、碳和硫浓度。
表4a：本方法进入到第三步骤VTD的平均的锰、硅、碳和硫浓度
元素 浓度，重量％
锰 0.70％
硅 0.24％
碳 0.025％
硫 0.014％
表4b中：本方法进入第三步骤VTD的锰、硅、碳和硫浓度的典型范围
元素 浓度，重量％
锰 0.30-0.80％
硅 0.10-0.30％
碳 <0.035％
硫 <0.025％
VTD脱气循环一旦完成就关闭多孔塞，VTD回复到大气压力，并打开盖子。此时对钢组合物和炉渣组合物进行采样，并测量钢组合物的温度和氧。钢包中的钢组合物，然后，返回到LMF以进行氧添加、进一步合金化、以及再加热到所需的铸造所需温度中的至少一个。在LMF中，钢可再加热到1650℃～1700℃。在LMF处，可添加氧和炉渣调节剂以调节得到所需的钢组合物。在铸造前，可以通过向熔融钢组合物中添加游离氧以达到20～70ppm的活性氧水平以及使总氧含量至少为70ppm来对已脱碳和脱氧的熔融钢组合物进行脱氧。
为了确定美国公开2010/0024596的方法和本方法的有效性，将利用现有工艺制备的500炉次记录的现有数据与两个月生产期的使用美国公开2010/0024596的方法和本公开方法制备的超过500炉次的记录数据进行比较。所述数据包括出钢步骤钢组合物中氧、碳和硫的测量值，出钢步骤的钢组合物的温度，和EAF渣组分中FeO含量的测量值。现有工艺和美国公开2010/0024596的方法以及本公开的方法的钢组合物的出钢氧含量的比较示于图3A和图3B。如图3A和3B所示，美国公开2010/0024596的方法和本公开的方法提供了相比现有工艺的较低的氧含量。平均出钢氧相比现有工艺的1398ppm降低到美国公开2010/0024596的方法的962ppm和本方法的694ppm。
较低的出钢氧含量对炉渣组合物的平均FeO含量的影响示于图4A和4B。炉渣组合物的FeO含量从使用现有工艺的38.6％降低到使用美国公开2010/0024596的方法的27.7％，以及使用本方法的25.9％。
出钢温度(现有工艺和第一本方法)示于图5A。如图5所示，平均出钢温度略有升高，从1708℃升高到1724℃。VTD处的额外的脱碳步骤需要稍高的出钢温度，以提供相同的VTD出口温度。然而，在本方法中，如图5B所示，平均出钢温度略有上升，到约1690℃。在本方法中，熔融钢可以在LMF中再加热，允许较低的出钢温度。
图6A示出了美国公开2010/0024596方法中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钢包取样的样品来测量。如图6A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。
本发明方法的碳氧关系示于图6B。图6B示出两种关系：出钢时钢包中的氧水平与搅拌前的初始VTD碳水平比较。此外，初始VTD氧水平与初始的VTD碳水平比较。可以设想的是，如果出钢后测量的话，初始VTD碳测量会较低，因为在将钢包从EAF到VTD转运期间导致一些自然脱碳。此外，图6B示出了出钢后测得的氧水平稍微高于初始VTD氧水平的测量值，部分因为在将钢包从EAF到VTD转运期间进行的脱碳和FeO形成。
图7A和7B分别示出了现有工艺中进入VTD时钢组合物中的硫含量相比美国公开2010/0024596的方法和本发明的方法。图7A和7B表明进入VTD时钢组合物中的硫水平，相对于美国公开2010/0024596的方法平均从0.016％增加到0.036％，对于本发明的方法平均增加到0.057％。由于出钢后没有硫浸入炉渣，硫分布变得更加均匀。美国公开2010/0024596的方法和本方法提供出钢打开步骤，出钢后不对钢组合物进行脱氧，并且在VTD对钢组合物脱碳。在这些条件下，在出钢时脱硫通常是不可能的，因为硫去除是通过下面的反应驱动：
[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(1)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，这也不会出现在本方法中，这是因为本方法没有将熔剂添加物混合到钢组合物中。因此，利用本方法时，进入VTD的钢组合物的硫水平现在比利用过去工艺(oldprocess)制备的钢组合物高出两倍多。表5总结了利用现有工艺、美国公开2010/0024596的方法和本方法制备的钢组合物中的平均出钢碳、硫、氧和温度值。
表5：选择的出钢参数平均值的总结
三个工艺/方法中进入到真空罐脱气装置的炉渣组合物和钢组合物有很大的不同。美国公开2010/0024596的方法和本方法产生低碳、低硫的钢产品。开发本发明的添加模型来计算将进入钢组合物降低到0.015％碳所需的脱碳时间。脱碳时间是随出钢碳变化的函数，但脱碳时间可能是约2分钟～5分钟。此外，添加模型计算除去碳后，钢组合物脱氧到期望氧含量(例如期望小于3ppm的氧含量)所需的铝、或硅铁和硅锰铁的量。该模型还计算石灰和铝酸钙的量，其与得到的脱氧钢和炉渣组合物结合来脱硫。该添加模型使用VTD处测量的进入氧水平。
最终VTD炉渣(过去的和新的方法)的平均化学组成总结在表6中。
表6：最终VTD炉渣的平均组成
表6显示，来自美国公开2010/0024596的方法和现有方法的最终炉渣组分是非常相似的。这表明，由美国公开2010/0024596的方法制备的钢组合物中钢硫水平应该与那些利用过去的工艺路线得到的是一致的。本方法具有不同的组分，因为它是利用了修改的石灰-氟石系统，而不是修改后的铝酸钙系统。可以计算得出过去工艺、美国公开2010/0024596的方法和本方法的硫分布(LS)，硫分布(LS)定义为：
Ls＝(重量％S)炉渣/[重量％S]钢(3)
现有工艺的Ls是2100，而对于美国公开2010/0024596的方法，它是1975，并对于本方法，它是1360，如下面的表7中所示。这些表明硫分布的相当高的值，表明最终炉渣组合物的去除并保持钢组合物中低硫水平的有效性。如Sosinsky,D.J.和Sommerville,I.D.,TheCompositionandTemperatureDependenceoftheSulfideCapacityofMetallurgicalSlags,Met.Trans.B,vol.17B,1986,pp.331-337，平衡硫的分布可以在炉渣-金属体系的氧势(oxygenpotential)是已知的情况下计算出或可以从脱氧平衡计算出。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。
logLS＝(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(activityofoxygen)。在表7中对计算出的平衡硫分布系数与测量值进行了比较。
表7：测量的和计算的平衡硫分布(EquilibriumSulfurDistribution)
表7显示过去工艺、美国公开2010/0024596的方法以及本方法的硫分布十分相似，且它们都如计算的一样接近平衡。接近计算出的平衡值的能力表明所述期望的炉渣/钢组合物在一种装备有双多空塞的真空槽除气装置中混合。
图8和图9分别示出了在现有工艺、美国公开2010/0024596的方法以及本方法中，脱气循环之后的碳和硫分布。从图8A中可以明显看出碳分布发生了变化，并且平均碳从0.0245％(现有工艺)下降到0.0195％(美国公开2010/0024596的方法)。美国公开2010/0024596的方法中的碳量稍微高于由添加模型计算出的碳量。本发明的添加模型计算制备0.015％碳所需的脱碳时间。如图8B所示，本方法中，平均碳量略有增加，达到0.030％。如图9A和图9B所示，最终的硫的分布没有显著改变，虽然本方法的平均硫可能略高于美国公开2010/0024596的方法。
该结果表明利用美国公开2010/0024596的方法和本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，美国公开2010/0024596的方法和本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(thismethod)，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 (18)

1.制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，包括以下步骤：
(a)在炼钢炉中，准备温度达到出钢温度的一炉次熔融钢组合物，该出钢温度是真空罐脱气装置中进行脱碳所需的温度，
(b)将氧水平为600～1120ppm的熔融钢组合物打开出钢至钢包，
(c)向钢包提供造渣化合物从而形成炉渣以覆盖钢包中的熔融钢组合物，
(d)运输在所述钢包中的所述熔融钢组合物至真空罐脱气装置，
(e)在所述真空罐脱气装置中通过抽真空至低于650毫巴来对所述熔融钢组合物进行脱碳，
(f)脱碳后，运输在钢包中的所述熔融钢组合物至钢包冶金炉，
(g)在所述运输在所述钢包中的所述熔融钢组合物至钢包冶金炉的步骤之前或之后，向熔融钢组合物中加入一种或多种脱氧剂，
(h)在所述运输在所述钢包中的所述熔融钢组合物至钢包冶金炉的步骤之前或之后，添加一种或多种熔剂化合物以使所述熔融钢组合物脱硫，
(i)在所述钢包冶金炉中使所述熔融钢组合物脱氧，
(j)脱氧后，将在所述钢包中的所述熔融钢组合物输送至所述真空罐脱气装置，
(k)在所述真空罐脱气装置中，使所述熔融钢组合物脱硫，以及
(l)铸造所述熔融钢组合物以形成具有低于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，在所述运输在所述钢包中的所述熔融钢组合物至钢包冶金炉的步骤之前或之后，向所述熔融钢组合物中添加一种或多种铁合金化合物。
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，在所述使所述熔融钢组合物脱氧的步骤之后，再加热在所述钢包中的所述熔融钢组合物。
4.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其中出钢步骤期间，钢组合物中的碳量为约0.02重量％～0.05重量％。
5.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其中在电弧炉中进行制备一炉次熔融钢组合物的步骤。
6.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其中，所述脱碳步骤处于1～650毫巴的真空水平。
7.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其中，所述脱碳步骤处于350～550毫巴的真空水平。
8.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，还包括以下步骤：
脱硫后，抽真空至0.5～2.5毫巴以除氮。
9.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其中所述添加一种或多种熔剂化合物的步骤包括加入一种或多种选自石灰、铝、铝酸钙、白云石石灰、硅灰石、氟石、硅砂、硅铁、硅锰铁、和预熔融的合成熔剂的化合物。
10.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，其中出钢步骤期间，钢组合物中的硫量为0.02重量％～0.09重量％。
11.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，在脱碳之前还包括以下步骤：
(i)在所述真空罐脱气装置处测量和记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、和钢组合物温度，
(ii)提供关联钢组合物中的氧量和碳量与达到钢组合物中所期望的碳量所需的脱碳时间的过程模型；以及
(iii)基于测量的钢组合物中的氧量和碳量，通过所述过程模型确定脱碳时间。
12.权利要求1-10中任一项所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，在脱碳之前还包括以下步骤：
(i)在所述真空罐脱气装置处测量和记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、和钢组合物温度，
(ii)提供关联钢组合物中的氧量和碳量与对钢组合物进行脱氧所需的脱氧剂的添加量的过程模型；以及
(iii)基于测量的氧量和碳量，通过所述过程模型确定钢包冶金炉中的钢组合物的脱氧剂的添加量。
13.权利要求1-10中任一项所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，在脱碳之前还包括以下步骤：
(i)在所述真空罐脱气装置处测量和记录钢组合物中的碳量、钢组合物中的氧量、和钢组合物温度；
(ii)提供关联钢组合物中的氧量和碳量与对钢组合物进行脱硫所需的熔剂元素的量的过程模型，并能够基于所述熔剂元素的价格选择一种或多种熔剂元素；以及
(iii)基于测量的氧量和碳量，通过所述过程模型确定熔剂元素的选择及其在所述钢包冶金炉中的添加量。
14.前述任一项权利要求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℃的温度下进行打开出钢步骤。
15.前述任一项权利要求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℃的温度下进行打开出钢步骤。
16.前述任一项权利要求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℃的温度下进行打开出钢步骤。
17.权利要求8所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，在除氮之后还包括以下步骤：
(i)输送在所述钢包中的所述熔融钢组合物至所述钢包冶金炉，以及
(ii)添加游离氧至所述熔融钢组合物中，使其活性氧水平达到20～70ppm和总氧含量至少为70ppm。
18.前述任一项权利要求所述的制造具有低于0.035重量％低碳的钢的方法，在铸造之前还包括以下步骤：
(i)输送在所述钢包中的所述熔融钢组合物至所述钢包冶金炉，以及
(ii)添加游离氧至所述熔融钢组合物中，使其活性氧水平达到20～70ppm和总氧含量至少为70ppm。
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