CN117377781A - 铁液的精炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了能够稳定地制造低氮钢的铁液的精炼方法。上述铁液的精炼方法包括：将碳浓度[C]i设为0.5质量％以上且3.0质量％以下的处理前铁液容纳于容器中，在大气压下对处理前铁液吹送氧，并且吹入氢气或烃气体或它们的混合气体，进行处理前铁液的脱碳及脱氮处理。优选将实施了脱碳及脱氮处理后的处理后铁液的氮浓度[N]f设为30质量ppm以下；对实施了脱碳及脱氮处理后的处理后铁液进一步实施真空脱气处理；处理前铁液包含将冷铁源熔解而得到的铁液；处理前铁液是将通过熔解炉使冷铁源熔解而得到的初级铁液与碳浓度为2.0质量％以上的熔融生铁混合而成的；冷铁源包含还原铁；容器为转炉；等。
Description
技术领域
本发明涉及将处理前碳浓度为3.0质量％以下的铁液进行脱碳而得到钢水时减少脱碳后的铁液中的氮浓度而得到低氮钢的方法。特别是涉及适于处理前铁液的一部分或全部为将冷铁源熔解而得到的铁液的情况的方法。
背景技术
近年来，从防止全球变暖的观点考虑，在钢铁行业中也进行了削减化石燃料的消耗量，减少CO2气体的产生量的技术开发。在现有的联合钢铁厂中，用碳将铁矿石还原而制造熔融生铁。为了制造该熔融生铁，平均每1t熔融生铁需要500kg左右的碳源用于铁矿石的还原等。另一方面，在将废铁等冷铁源作为原料而制造钢水的情况下，不需要铁矿石的还原所必须的碳源，仅需要足以将冷铁源熔解的热量部分的能量。因此，能够大幅减少CO2排放量。
与用转炉对高炉生铁进行精炼而出钢的情况相比，在用电炉等熔解炉将冷铁源熔解而得到钢水的情况下，出钢时的氮浓度有时成为高值。对于用转炉对高炉生铁进行精炼的工艺而言，主要使氮吸附于由脱碳产生的一氧化碳气泡而将其去除，出钢时的氮浓度一般成为低值。具体而言，高炉生铁含有4质量％左右的碳，通过脱碳精炼产生的一氧化碳量足够多，因此，能够熔炼氮浓度20质量ppm左右的低氮钢。然而，在使用冷铁源的情况下，冷铁源熔解后的铁液中碳浓度变成低值，一氧化碳的产生量有限，因此，难以将氮去除至低浓度。如果对冷铁源熔解后的铁液实施真空脱气处理等，则能够实现一定程度的脱氮。但是，由于发生脱氮反应的区域限定于与真空槽内的真空氛围接触的钢水表面部分，因此，能够实现稳定熔炼的氮浓度的上限为40质量ppm左右。
然而，一般而言，还原铁是用天然气等进行还原而制造的，因此含有0.5质量％～2.0质量％的碳。因此，对于将该还原铁熔解而得到的铁液而言，需要脱碳精炼，此时能够进行一定程度的脱氮。另外，从增加脱氮量的观点出发，可以考虑将用电炉等使还原铁熔解而得到的铁液与高炉生铁制成组合熔液等来提高铁液中碳浓度，通过转炉进行脱碳精炼。然而，可以认为由于今后CO2产生量减少，高炉生铁的生产量会降低，冷铁源的用量会增加。这样一来，可以预想装入转炉时的碳浓度降低，难以充分地降低出钢氮浓度。
基于这样的预想，作为用于得到低氮钢的技术，公开了下述的技术。例如，在专利文献1中提出了如下方法：在对从转炉中出钢的钢水进行了增碳、Al脱氧后，在真空脱气处理中送氧，进行脱碳精炼，由此减少至钢水中的N浓度[N]≤25质量ppm。
另外，在专利文献2中提出了如下钢水的脱氮方法：在钢水的浴面上不进行增碳而投入CaO，然后添加含Al物质，将钢水中的氮以氮化物的形式去除至炉渣中，进一步进行送氧，由此，以氮气的形式去除至气相中，将氮浓度减少至20质量ppm以下。
另外，在专利文献3中提出了如下真空精炼方法：在RH真空脱气处理装置中，以从浸渍管供给的回流气体的形式供给烃气体，由此，将气泡微细化，将氮浓度减少至20质量ppm以下。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-211120号公报
专利文献2：日本特开2007-211298号公报
专利文献3：日本特开2000-45013号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在上述现有技术中仍存在如下有待解决的问题。
在专利文献1所记载的方法中，为了产生一氧化碳气泡而以追加的形式添加碳源，因此存在CO2产生量增加的问题，而且，通过利用真空脱气处理再次进行脱碳，因此存在处理时间延长、生产性降低的问题。
另外，在专利文献2所记载的方法中有必须添加至少3kg/t-钢水的金属Al的记载，成本增加显著。另外，必须在添加金属Al后再次对钢水中的Al进行氧化去除。因此，存在由处理时间增加所导致的生产性降低和炉渣排出量增加的问题。
另外，在专利文献3所记载的方法中，由于在供给烃气体后铁液中的氢浓度上升，因此，必须进行脱氢处理。因此，存在处理时间增加、生产性降低的问题。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供在冷铁源用量增加的条件下不伴随显著的生产性降低、成本上升且不会增大的炉渣产生量、CO2产生量而稳定地制造低氮钢的铁液的精炼方法。
解决问题的方法
发明人等鉴于这些的问题对通过在转炉等大气压下进行脱碳精炼的工艺来促进脱氮的方法进行了深入研究，结果完成了本发明。
有利地解决上述问题的本发明的铁液的精炼方法包括：将碳浓度[C]i设为0.5质量％以上且3.0质量％以下的处理前铁液容纳于容器中，在大气压下对该处理前铁液吹送氧，并且吹入氢气或烃气体或它们的混合气体，进行上述处理前铁液的脱碳及脱氮处理。
另外，可以认为在本发明的铁液的精炼方法中，下述(a)～(f)等可成为更优选的解决方式：
(a)将实施了上述脱碳及脱氮处理后的处理后铁液的氮浓度[N]f设为30质量ppm以下；
(b)对实施了上述脱碳及脱氮处理后的处理后铁液进一步实施真空脱气处理；
(c)上述处理前铁液包含将冷铁源熔解而得到的铁液；
(d)上述处理前铁液是将通过熔解炉使上述冷铁源熔解而得到的初级铁液与碳浓度为2.0质量％以上的熔融生铁混合而成的；
(e)上述冷铁源包含还原铁；
(f)上述容器为转炉；等。
发明的效果
根据本发明，能够在冷铁源用量增加的条件下，在不伴随显著的生产性降低、成本上升且不增大炉渣产生量、CO2产生量的情况下，稳定地制造处理后的钢水中氮浓度[N]f为30质量ppm以下的低氮钢。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式具体地进行说明。
作为第一工序，在炼钢用熔解炉中使用电能进行铁源的熔解及升温。这里，作为炼钢用熔解炉，可以使用电弧炉、感应炉这样的电炉。此时，铁源不仅是指废铁、还原铁这样的固体铁源，还可以利用通过其它工艺熔解而成的铁液。另外，为了固体铁源的熔解及铁源的升温而供给的热能不仅可以使用电能，也可以补充性地使用金属的燃烧热等。从减少CO2排放量的观点考虑，这些的能量优选为可再生能源。
作为第二工序，出铁至浇包等容器。由于在使用还原铁作为冷铁源的情况下会大量产生由还原铁中所含的脉石引起的炉渣，因此，优选根据需要进行除渣。除渣可以通过除渣机(slag dragger)等进行。在浇包的自由空间高度(从浇包上端至铁液表面的高度)不足的情况下，可以在从电炉出铁之前将炉体倾动，在将炉渣流出后进行出铁。另外，也可以在从电炉出铁之前将炉体倾动，在将炉渣流出后进行出铁，并将与铁液一起流出至浇包等容器的炉渣进一步进行除渣。
作为第三工序，通过根据需要与高炉生铁等熔融生铁制成组合熔液，从而将铁液中的碳浓度[C]i调整至0.5质量％以上且3.0质量％以下，装入反应容器，从顶吹喷枪等供给氧气，进行脱碳精炼。在处理前铁液的碳浓度[C]i小于0.5质量％的情况下，脱碳时的CO气体产生量少，因此存在脱氮变得不充分的隐患。另一方面，在碳浓度超过3.0质量％的情况下，CO2产生量减少的效果变小。需要说明的是，在制成组合熔液的情况下，作为组合熔液而使用的熔融生铁优选为碳浓度为2.0质量％以上的熔融生铁，可以是从高炉出铁后直接使用的熔融生铁，或者是在从高炉出铁后组合实施了脱硅、脱磷及脱硫中的任一种或两种以上处理而得到的熔融生铁。作为反应容器，从自由空间的高度(从反应容器上端至铁液表面的高度)的方面考虑，优选为转炉。只要是能够进行氧吹送的容器即可，可以为浇包等。另外，氧吹送不仅有从顶吹喷枪供给氧的方法，还可以从底吹风口供给氧。也可以组合使用从顶吹喷枪的氧的供给和从底吹风口的氧的供给。
接下来，开始用于脱碳的氧气供给，并且从设置于炉底的透气塞等供给由氢气或烃气体或它们的混合气体形成的含有氢原子的气体。可以认为，将含有氢原子的气体供给至铁液中时，发生气体分子的离解反应后，氢原子暂时溶解于铁液中，再次产生微细氢气气泡。可以认为，脱氮反应在这里产生的微细气泡与铁液界面之间进行。因此，在使用将冷铁源熔解而得到的铁液进行脱碳精炼时，即使一氧化碳的气泡产生量不足，也能够使脱碳精炼后的氮浓度处于低位。因此，能够同时进行脱碳及脱氮处理。发明人等反复进行了深入研究，结果发现，对于含有氢原子的气体的供给量而言，平均每吨铁液0.1～0.3Nm3/min左右的流量是适当的。这里“Nm3”是指标准状态下的气体的体积。在本说明书中，将气体的标准状态设为0℃、1atm(101325Pa)。脱碳精炼结束时停止氧气的供给，同时停止含有氢原子的气体的供给。在含有氢原子的气体停止后，为了抑制底吹塞堵塞，优选切换为氩气等非活性气体的供给。含有氢原子的气体的供给并不限定于透气塞，也可以使用喷射喷枪(浸渍喷枪)、单管、双层管进行供给。
如果进行使处理后铁液的氮浓度[N]f达到30质量ppm以下的处理，则能够制造钢片等粗钢阶段的产品氮浓度N为30质量ppm以下的低氮钢，因此是优选的。需要说明的是，如果增加氢气流量、使用平均每单位气体体积的氢含量多的烃类的气体等而调整为使氢原子的供给量增多的处理条件，进行使处理后铁液的氮浓度[N]f达到20质量ppm以下的处理，则可制成极低氮钢，是进一步优选的。
作为第四工序，优选在上述脱碳精炼结束后，进行真空脱气处理，此外在调整为给定的成分后进行铸造。通过在脱碳精炼后实施真空脱气处理，能够进行脱氢。对于本实施方式而言，与在真空脱气处理中供给了含有氢原子的气体的专利文献3所记载的技术相比，还能够抑制生产性降低。真空脱气处理可以使用RH式真空处理装置、DH式真空处理装置、将浇包设置于真空室内的设备等。
实施例
在150t规模电炉中装入作为冷铁源的废铁或还原进行熔解，出铁至浇包后，进行了炉渣的除渣。试验中使用的还原铁是通过利用天然气进行还原而制造的还原铁，对碳浓度进行了分析，结果为1.0质量％。将出铁后的浇包内铁液与高炉生铁在转炉装料包中制成组合熔液，将铁液量调整至300t。进行了该铁液的成分分析后，装入至转炉，进行了脱碳吹炼。组合熔液所使用的高炉生铁中含有的碳量为4.3质量％。对于将冷铁源熔解而得到的铁液与高炉生铁的配合比率进行各种变更，使装入转炉时的碳浓度[C]i(质量％)进行各种改变。从顶吹喷枪供给脱碳所需的氧气，基于装入转炉前的铁液中的碳及其它分析值(用下标i表示)确定了氧气的供给量。在开始氧气供给的同时，从设置于转炉炉底的透气塞进行氢气、丙烷气体或50体积％氢气-50体积％丙烷混合气体的供给。
在结束供给给定的氧量之后，停止氢气、丙烷气体或氢气与丙烷的混合气体的供给，将底吹气体切换成氩气，出钢至浇包，进行了钢水中的成分分析(用下标f表示)。然后，通过真空脱气体装置对浇包进行真空处理，调整为给定的成分后进行了铸造。
作为比较条件，在转炉中的脱碳精炼时，进行了以氩气作为底吹气体进行供给时的条件下的试验。另外，在转炉中的脱碳精炼时，仅底吹供给氩气，然后出钢至浇包后，进行了在真空脱气处理中供给氢气或烃气体作为回流气体的条件下的试验。
(试验1～3)
在转炉装料包中制成通过电炉将废铁熔解而得到的铁液与高炉生铁的组合熔液，将铁液量调整至300t。电炉出铁时的碳浓度[C]e为0.2～0.3质量％。改变了高炉生铁与电炉铁液的配合比率，结果是组合后的碳浓度[C]i为2.5～3.5质量％。将这样组合后的铁液装入转炉，进行了脱碳精炼。在供给用于脱碳的氧气的期间，从设置于转炉炉底的透气塞以40Nm3/min供给氩气。从转炉出钢后进行成分分析，进一步进行了真空脱气处理。此时的回流气体使用了氩气。在脱气处理结束后用连续铸造机进行了铸造。
其结果是，在转炉装入碳浓度[C]i超过3.0质量％的条件下，为转炉出钢氮浓度[N]f(质量ppm)、粗钢氮浓度N(质量ppm)均为低值的结果。但是，在转炉装入碳浓度[C]i低于3.0质量％的水平下，转炉出钢氮浓度[N]f、粗钢氮浓度N均为高值。
(试验4～7)
在转炉装料包中制成通过电炉将废铁熔解而得到的铁液与高炉生铁的组合熔液，将铁液量调整至300t。电炉出铁碳浓度[C]e为0.2～0.3质量％。改变了高炉生铁与电炉铁液的配合比率，结果是组合后的碳浓度[C]i为2.5～2.8质量％。将这样组合后的铁液装入转炉，进行了脱碳精炼。在供给用于脱碳的氧气的期间，从设置于转炉炉底的透气塞以40Nm3/min供给氩气。从转炉出钢后进行成分分析，进一步进行了真空脱气处理。此时的回流气体使用了氢气或丙烷气体。在脱气处理结束后用连续铸造机进行了铸造。
其结果是，虽然转炉出钢氮浓度[N]f为高值，但在真空脱气处理中脱氮反应受到促进，粗钢氮浓度N变成低值。然而，粗钢氢浓度H(质量ppm)变成高值。
(试验8～11)
在转炉装料包中制成通过电炉将废铁熔解而得到的铁液与高炉生铁的组合熔液，将铁液量调整至300t。电炉出铁碳浓度[C]e为0.2～0.3质量％。改变了高炉生铁与电炉铁液的配合比率，结果是组合后的碳浓度[C]i为2.5～2.8质量％。将这样组合后的铁液装入转炉，进行了脱碳精炼。在供给用于脱碳的氧气的期间，从设置于转炉炉底的透气塞以40Nm3/min供给氩气。从转炉出钢后进行成分分析，进一步进行了真空脱气处理。此时的回流气体使用了氢气或丙烷气体。在真空脱气处理中进行成分分析，继续进行真空处理，直至氢浓度达到给定的浓度以下。在脱气处理结束后用连续铸造机进行了铸造。
其结果是，虽然转炉出钢氮浓度[N]f为高值，但在真空脱气处理中脱氮反应受到促进了，粗钢氮浓度N变成低值。此外，粗钢氢浓度H也变成低值。然而，真空脱气处理时间大幅增加。
(试验12～26)
在转炉装料包中制成通过电炉将废铁熔解而得到的铁液与高炉生铁的组合熔液，将铁液量调整至300t。电炉出铁碳浓度[C]e为0.2～0.3质量％。改变了高炉生铁与电炉铁液的配合比率，结果是组合后的碳浓度[C]i为0.6～2.8质量％。将这样组合后的铁液装入转炉，进行了脱碳精炼。在供给用于脱碳的氧气的期间，从设置于转炉炉底的透气塞以40Nm3/min供给氢气或丙烷气体或它们的混合气体。从转炉出钢后进行成分分析，进一步进行了真空脱气处理。此时的回流气体使用了氩气。在脱气处理结束后用连续铸造机进行了铸造。
其结果是，转炉出钢氮浓度[N]f、粗钢氮浓度N均变成低值。虽然转炉出钢氢浓度[H]f变成高值，但通过进行真空脱气处理，粗钢氢浓度H变成低值。而且，也未观察到真空脱气处理时间的延长。
(试验27～41)
在转炉装料包中制成通过电炉将还原铁熔解而得到的铁液与高炉生铁的组合熔液，将铁液量调整至300t。电炉出铁碳浓度[C]e为1.0～1.1质量％。改变了高炉生铁与电炉铁液的配合比率，结果是保持熔解状态的试验No.31、36及41的碳浓度[C]i为0.9质量％，其它的组合后的碳浓度[C]i为1.4～2.9质量％。将这样保持熔解状态或组合后的铁液装入转炉，进行了脱碳精炼。在供给用于脱碳的氧气的期间，从设置于转炉炉底的透气塞以40Nm3/min供给氢气或丙烷气体或它们的混合气体。从转炉出钢后进行成分分析，进一步进行了真空脱气处理。此时的回流气体使用了氩气。在脱气处理结束后用连续铸造机进行了铸造。
其结果是，转炉出钢氮浓度[N]f、粗钢氮浓度N均成为低值。虽然转炉出钢氢浓度[H]f成为高值，但通过进行真空脱气处理，粗钢氢浓度H变成低值。也未观察到真空脱气处理时间的延长。
将以上的试验条件及结果总结示于表1-1～1-3。表中产品成分是作为粗钢成分从铸造的铸片采集并进行成分分析而得到值。
工业实用性
根据本发明的铁液的精炼方法，在冷铁源用量增加的条件下，没有显著的生产性降低、成本上升，而且不会增大炉渣产生量、CO2产生量，能够稳定地制造氮浓度为30质量ppm以下的低氮钢。由于能够在现有的联合钢铁厂中组合使用高炉生铁和冷铁源，并且兼顾CO2排放量的减少和高级钢的制造，因此在工业上有用。
Claims (7)
1.一种铁液的精炼方法，该方法包括：
将碳浓度[C]i设为0.5质量％以上且3.0质量％以下的处理前铁液容纳于容器中，在大气压下对该处理前铁液吹送氧，并且吹入氢气或烃气体或它们的混合气体，进行所述处理前铁液的脱碳及脱氮处理。
2.根据权利要求1所述的铁液的精炼方法，其中，
将实施了所述脱碳及脱氮处理后的处理后铁液的氮浓度[N]f设为30质量ppm以下。
3.根据权利要求1或2所述的铁液的精炼方法，其中，
对实施了所述脱碳及脱氮处理后的处理后铁液进一步实施真空脱气处理。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的铁液的精炼方法，其中，
所述处理前铁液包含将冷铁源熔解而得到的铁液。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的铁液的精炼方法，其中，
所述处理前铁液是将通过熔解炉使冷铁源熔解而得到的初级铁液与碳浓度为2.0质量％以上的熔融生铁混合而成的。
6.根据权利要求4或5所述的铁液的精炼方法，其中，
所述冷铁源包含还原铁。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的铁液的精炼方法，其中，
所述容器为转炉。
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