CN117693598A - 钢液的脱氧精炼方法、钢材的制造方法及其钢材 - Google Patents
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Abstract
本发明提供真空精炼成本不增加而添加Al的得率提高的技术。另外,提供Al成分量的偏差少的钢材的制造方法。使用真空精炼装置的钢液的脱氧精炼方法,将含Al物质添加到真空槽内的钢液中,实施Al脱氧中的所述钢液的温度变化ΔT1及ΔT2满足式(1)的钢液的脱氧精炼。优选添加含Al物质的Al含量为30~80质量%。具有上述钢液的脱氧精炼方法作为脱氧工序,能够制造该脱氧工序后的钢中Al浓度范围为0.02质量%以下的钢材。ΔT1+ΔT2<0···(1)ΔT1表示由Al的氧化反应热引起的温度上升量,ΔT2表示由添加含Al物质的显热引起的温度降低量。
Description
技术领域
本发明涉及在使用真空精炼装置的钢液的脱氧处理中添加Al的得率得到提高的钢液的脱氧精炼方法。
背景技术
在钢铁制造工序的炼钢过程中,广泛地进行下述处理:在转炉中进行铁水的脱碳吹炼(称为“一次精炼”)。然后,将熔炼后的钢液排出到浇包中,使浇包内的钢液向真空精炼装置、例如RH真空脱气装置的真空槽环流,在减压下对钢液进行精炼(“二次精炼”)。
当在二次精炼中使用RH、DH等真空精炼装置对未脱氧或半脱氧的钢液进行真空精炼处理时,通常,通过在处理中将金属Al等添加到存在于真空气氛的真空槽内的钢液中来进行钢液的脱氧精炼。
真空精炼装置以覆盖浇包的上侧的方式设置,浇包内的钢液向真空精炼装置的真空槽上升,进行真空精炼处理。在该真空槽的上部侧面或顶盖设有原料投入口,从此处将金属Al、合金Al等含Al物质投入真空槽,使用Al进行钢液的脱氧精炼。
但是,在该钢液的脱氧精炼中,对于投入到真空槽中的含Al物质而言,在钢液中的Al的得率差。因此,成为添加含Al物质的量增加、处理时间变长、原料成本增加等真空精炼成本增加的要因。另外,还存在由于Al的钢液中的得率降低而得率不稳定、经过钢铁制造工序的钢材的Al成分量出现偏差的情况。
因而,为了解决上述问题,提出了提高添加Al的得率的技术。
例如,专利文献1中提出了一种通过在直到添加Al进行扩散/合金化的为止的期间以40Torr(5000Pa)以上的低真空度将含Al物质浸渍添加到钢液中来抑制Al的蒸发损失、提高得率的技术。从减压开始到经过12分钟为止,将真空度设为40Torr(5000Pa)以上,进行金属Al向钢液中的扩散、合金化,由此抑制Al的蒸发挥发。在该发明中,说明了相比于Al添加后将真空度一下子设为低于40Torr(5000Pa)的高真空的以往模式而Al的得率变高。脱氧处理时间为15~20分钟。
另外,非专利文献1中提出了一种利用压缩气体向钢液发射Al弹,通过增大Al弹的钢液浸入深度来提高Al得率的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平3-211216号公报
非专利文献
非专利文献1:住友金属技报Vol.25,p30
发明内容
发明要解决的课题
上述现有技术存在下述问题。
在专利文献1所述的技术中,由于在至脱氧完成为止真空度与以往相比变差(于真空度5000Pa以上保持12分钟以上),因此真空精炼的处理时间变长。另外,在脱氧时的Al添加中,由于Al的氧化反应而产生局部的高温部,即使是低真空,Al的蒸气压也超过气氛压力,存在Al蒸发、无法充分减少Al蒸发损失的问题。
另外,在非专利文献1中记载的技术中,存在需要新建设气体弹发射装置、设备费用增大的问题。
本发明是鉴于上述情况做出的,目的在于提供真空精炼的处理时间短、添加Al的得率提高的钢液的脱氧精炼方法。另外,目的在于提供真空精炼中的添加Al的得率提高、Al成分量的偏差少的钢材的制造方法。
用于解决课题的手段
本申请发明人为了解决上述课题而深入地进行了实验及研究。其结果发现,通过在由添加含Al物质的显热引起的温度降低量高于由Al的氧化反应热引起的温度上升量的条件下进行含Al物质的添加,从而Al得率提高。
基于上述见解,本发明如下构成。
[1]钢液的脱氧精炼方法,其是使用真空精炼装置的钢液的脱氧精炼方法,其中,将含Al物质添加到真空槽内的钢液中,Al脱氧中的所述钢液的温度变化ΔT1及ΔT2满足式(1),
ΔT1+ΔT2<0···(1)
其中,ΔT1、ΔT2分别为以
ΔT1=(WRe_Al×QAl-O)/(Csteel×WRe_STEEL)···(2)
ΔT2=-(VAl/0.01XAl×t1×QAl_Alloy-C)/(Csteel×WRe_STEEL)···(3)
定义的温度变化(℃),
t1为从含Al物质的添加开始到当含Al物质的添加开始时存在于真空槽内的钢液进行循环并替换为止的时间(s),
WRe_Al为在时间t1的期间在脱氧反应中使用的作为金属Al的质量(kg),
QAl-O为Al的氧化反应热(kJ/kg-Al),
Csteel为钢液比热(kJ/kg/℃),
WRe_STEEL为在时间t1的期间在脱氧反应中使用的钢液量(kg),
VAl为作为金属Al的添加速度(kg/s),
XAl为含Al物质的Al含量(质量%),
QAl_Alloy-C为含Al物质的显热及潜热(kJ/kg)。
[2]优选的是,在前述[1]所述的钢液的脱氧精炼方法中,所述含Al物质的Al含量为30~80质量%。
[3]钢材的制造方法,其具有前述[1]或[2]所述的钢液的脱氧精炼方法作为脱氧工序,
该脱氧工序后的钢中Al浓度范围为0.02质量%以下。
[4]钢材,其是通过前述[1]或[2]所述的钢液的脱氧精炼方法作为脱氧工序而制得的,
该脱氧工序后的钢中Al浓度范围为0.02质量%以下。
[5]优选的是,前述[4]所述的钢材的所述Al浓度范围为Al成分标准范围。
发明效果
根据本发明,在钢铁制造工艺的真空精炼工序中,基于添加Al的脱氧处理时间短、添加Al的得率提高,能够实现高生产率/低制造成本,进而还能够提供钢材Al成分量的偏差非常少的产品等,工业效果及资源节省的效果非常大。
附图说明
[图1]是示出RH真空脱气装置的一例的概略纵剖视图。
[图2]是示出本发明的概念的上述RH真空脱气装置的放大剖视图。
[图3]是示出Al添加前后的钢液的热量变化对Al蒸发率的影响的图。
[图4]是示出由Al添加条件的差异引起的Al脱氧时的钢液温度行为的图表。
具体实施方式
本申请发明人为了评价脱氧时的Al蒸发损失量而使用小型真空熔解炉在多种条件下实施钢液的脱氧试验。其结果发现,如图3所示,Al蒸发率与Al添加前后的钢液的热量变化相关,特别是在热量变化变为负的区域中,Al蒸发损失量大幅减少。其中,热量变化是(1)脱氧时的Al的氧化热与(2)单位时间内添加的含Al物质的显热的和。此外,如图4所示,将RH真空脱气装置中的Al的蒸发温度与多种Al合金添加条件下的真空槽内钢液温度推移进行比较。其结果发现,通过增大含Al物质的添加速度、使用FeAl作为含Al物质,从而由添加物质的显热引起的温度降低量变大,真空槽内钢液温度超过Al蒸发温度的时间缩短。
像这样,本申请发明人在真空精炼装置中的脱氧处理中研究了由添加含Al物质的显热及氧化反应热引起的温度变化和向钢液的添加Al的得率,详细研究了基于添加含Al物质的反应部位的温度变化对添加Al的得率造成的效果。其结果发现,由添加含Al物质的显热及氧化反应热引起的反应部位的温度会影响添加Al的得率,通过控制反应部位的温度,从而Al得率提高。
本发明中,以使由钢液中添加的含Al物质的显热引起的温度降低量大于由添加的Al的氧化反应热引起的温度上升量的方式控制Al脱氧反应部位的温度。并且,本发明的技术构思为,与以往的脱氧处理方法相比,处理时间大幅缩短、添加Al的得率提高。
以下,详细说明本发明的钢液的脱氧精炼方法。
能够进行本发明的钢液的脱氧精炼方法的真空精炼装置有RH真空脱气装置、DH真空脱气装置、REDA真空脱气装置等,其中最具代表性的是RH真空脱气装置。
因而,首先说明RH真空脱气装置中的真空精炼方法。
在图1中,附图标记1为RH式真空脱气装置、2为浇包、3为钢液、4为熔渣、5为真空槽、6为上部槽、7为下部槽、8为上升侧浸渍管(上升管)、9为下降侧浸渍管(下降管)、10为环流用气体吹入管、11为管道、12为原料投入口、13为顶吹喷枪。真空槽5由上部槽6和下部槽7构成,另外,顶吹喷枪13是向真空槽内的钢液吹送并添加氧气、助熔剂的装置,设置于真空槽5的上部,能够在真空槽5的内部上下移动。
在RH式真空脱气装置1中,利用升降装置(未图示)使收容有钢液3的浇包2上升,使上升侧浸渍管8及下降侧浸渍管9浸渍在浇包2内的钢液3中。并且,使用与管道11连结的排气装置(未图示)对真空槽5的内部进行排气,使真空槽5的内部减压,并从环流用气体吹入管10向上升侧浸渍管8的内部吹入环流用气体。当真空槽5的内部被减压时,浇包2内的钢液3与大气压和真空槽5内的压力(真空度)的差成比例地上升,流入真空槽5内。同时,由于从环流用气体吹入管10吹入的环流用气体的气体提升效果,钢液3与环流用气体一起在上升侧浸渍管8中上升并流入真空槽5的内部。然后,形成经由下降侧浸渍管9返回浇包2的流动、即所谓的环流,实施RH式真空精炼。钢液3在真空槽5内暴露在减压下的气氛中,钢液3中的气体成分向真空槽5内的气氛移动,进行钢液3的脱气反应。在RH式真空精炼中,在进行未脱氧钢液或半脱氧钢液的脱氧处理的情况下,作为脱氧剂,从原料投入口12向真空槽5内的钢液3添加与氧反应并生成氧化物的合金。脱氧材料根据其脱氧能力的强弱通常使用金属Al或含Al合金。
在本发明中,在钢液的脱氧时,为了抑制Al的蒸发损失,使得由添加含Al物质的显热引起的温度降低量大于由所添加的Al的氧化反应热引起的温度上升量。即,以使如式(1)所示前者的温度变化量ΔT1与后者的温度变化量ΔT2之和变为负的方式确定操作条件,进行脱氧处理。
ΔT1+ΔT2<0
将由添加Al的氧化反应热引起的温度变化量ΔT1及由添加含Al物质的显热(包含潜热)引起的温度变化量ΔT2分别定义为式(2)、式(3),并以式(4)至式(7)的各能量来控制温度变化量ΔT1及ΔT2,以满足式(1)。
ΔT1+ΔT2<0· · · (1)
其中,在式(1)中,ΔT1、ΔT2由式(2)、式(3)定义。
ΔT1=(WRe_Al×QAl-O)/(Csteel×WRe_STEEL) · · · (2)
ΔT2=-(VAl/0.01XAl×t1×QAl_Alloy-C)/(Csteel×WRe_STEEL)···(3)
WRe_Al=MIN[WRe_STEEL×a0/f0×1.0×10-6×54/48,VAl×t1]···(4)
MIN[A,B]是指A、B中较小的值。
WRe_STEEL=QCir×t1 · · · (5)
t1=WV/QCir · · · (6)
QCir=K×G1/3×D4/3×{ln(P0/P1)}1/3· · · (7)
t1为从含Al物质的添加开始到当含Al物质的添加开始时存在于真空槽内的钢液进行循环并替换为止的时间(s),
WRe_Al为在时间t1的期间在脱氧反应中使用的作为金属Al的质量(kg),
QAl-O为Al的氧化反应热(kJ/kg-Al),
Csteel为钢液比热0.188(kJ/kg/℃),
WRe_STEEL为在时间t1的期间在脱氧反应中使用的钢液量(kg),
VAl为作为金属Al的添加速度(kg/s),
XAl为含Al物质的Al含量(质量%),
QAl_Alloy-C为含Al物质的显热及潜热(kJ/kg),
WV为真空槽内钢液量(kg),
QCir为环流量(kg/s),
K为常数(190),
G为环流气体流量(Nl/min),
D为浸渍管内径(m),
P0为大气压力(101325Pa),
P1为真空度(Pa),
a0为钢液的氧活度(ppm),
f0为钢液中氧的活度系数。
钢液的氧活度在脱氧处理之前使用测氧探针进行测定。Al添加速度根据添加中的合金料斗称量值的时间变化计算,或者使用槽内监视摄像头判断添加开始及添加结束的定时,求出Al添加所需的时间,将总添加量除以添加时间而求出。
将真空槽内钢液量WV示于下述的式(8)、式(9)。在图2中定义各长度。
WV=π/4·DV 2×hV×ρLg···(8)
hV=(P0-P1)/(ρLg)+l-L···(9)
其中,DV为真空槽内径(m),
hV真空槽内钢液高度(m),
ρLg为钢液密度(kg/m3),
l为浸渍管向钢液的浸渍深度(m),
L为从浸渍管下端到真空槽垫的高度(m)。
浸渍管向钢液的浸渍深度l示于下述的式(10)。
l=lL-lFB-lLV· · · (10)
其中,lL为从浇包底到浇包上端的距离(m),
lFB为从浇包上端到浇包钢液面的距离(m),
lLV为从浸渍管下端到浇包底的距离(m)。
但是,对于lFB而言,使用钢液液位计测定钢液面高度,或使金属棒浸渍于浇包内钢液以测定熔解部分的长度。根据从控制系统得到的浇包与真空槽的相对距离求出lLV。
用于满足式(1)的操作因子是真空度、环流气体流量、Al添加速度。即,主要以真空度、环流气体流量、Al添加速度来控制Al脱氧反应部位的温度变化量ΔT1及ΔT2。关于真空度、环流气体流量,为了使ΔT2的绝对值增加而需要降低真空度或减少环流气体流量。另外,此时,由于精炼效率恶化、处理时间变长,因此希望调节Al添加速度。Al添加速度通过增减合金料斗的开度来调节。
但是,以料斗的开度加快Al添加速度存在极限,因此能够通过使用含Al量为80%以下的含Al物质并增加每单位添加Al量的显热来进一步提高效率。
另外,若为像DH真空脱气装置、REDA真空脱气装置这样使钢液在真空槽/浇包之间循环的方式的真空精炼装置,则能够应用本技术。但是,求出钢液的环流量QCir的式(7)是RH真空脱气装置特有的算式,因此当在DH真空脱气装置、REDA真空脱气装置中应用本技术的情况下,需要预先测定Cu等添加合金的均匀混合时间,求出各操作条件的钢液的环流量。
添加含Al物质的Al含量:30~80质量%
钢液的Al脱氧中的Al损失要因之一是Al由于脱氧反应热而在局部变为高温的钢液中蒸发。通过减小所添加的含Al物质的Al含量、使每单位添加Al量的显热增加,从而能够增加由显热引起的温度降低量ΔT2,更高效地抑制Al的蒸发。因此,优选添加含Al物质的Al含量为80质量%以下。
另一方面,若添加含Al物质的Al含量过低,则除了含Al物质的总添加量增加、处理时间变长以外,处理中的钢液温度可能在真空槽内下降至凝固温度以下。因此,优选添加含Al物质的Al含量为30质量%以上。
作为所使用的含Al物质的种类,优选以不妨碍其他钢液成分的调节的方式使用铝铁合金FeAl。需要说明的是,也可以根据目标成分使用包含铁以外的成分的Al合金。
钢中Al浓度范围为0.02质量%以下
通过本发明的脱氧精炼方法,从而Al得率提高,能够减小从包含本脱氧精炼方法的钢铁制造工艺制造的钢材的Al成分量的偏差。
即,基于本发明的脱氧精炼方法的脱氧工序后的钢中Al的浓度范围能够设为0.02质量%以下。
其中,关于目标的钢中Al浓度范围相同的钢种的处理中的、各加料(一次的出钢量)的脱氧精炼后的钢中Al的成分量(质量%),钢中Al浓度范围是指特定加料数(标准、特性等)中的偏差幅度。例如,也可以将钢中Al浓度范围设定为Al成分标准范围。
但是,关于上述特定加料数中的钢中Al的成分量实际值,偏差幅度是指其标准偏差的6倍值。
若钢中Al的浓度范围为0.02质量%以下,则能够期待产品标准的化学成分量的窄幅化、防止目标化学成分量的偏离。
根据本发明的脱氧精炼方法,若Al得率变为85%以上,则能够将钢中Al浓度范围设为0.02质量%以下。这是由于,脱氧后的钢中Al浓度的偏差主要取决于Al得率的偏差,通过使Al得率接近100%,从而Al得率的偏差降低。另外,通过提高Al得率,从而相对于目标Al浓度而言的必要Al添加量变少,这也是Al浓度偏差降低的要因。
实施例
通过转炉对铁水进行脱碳精炼,将熔炼得到的300吨的钢液从转炉排出到浇包中,通过RH真空装置对浇包内的钢液进行真空精炼。对象钢种设为[C]标准上限为25ppm的极低碳钢种。真空精炼前的钢液的化学成分为C;0.04~0.06质量%、Si;0.15~0.25质量%、Mn;0.1~0.5质量%、P;0.02质量%以下、S;0.003质量%以下,脱氧前的钢液温度为1580~1630℃、脱氧前的钢液中的氧活度a0为300~600ppm。真空度为267Pa,环流气体流量为2500Nl/min。
含Al物质使用含99%的Al的金属Al及包含20%、40%、70%、80%、90%Al的FeAl合金。
通过主要使Al添加速度VAl在10~25kg/s的范围内变化,从而基于ΔT1及ΔT2的各种值来评价Al得率。
实验在各条件下各实施30次加料,对于Al得率、含Al物质添加时间使用30次加料的平均值进行评价。
钢中Al浓度范围根据各条件(No.1~10)下的脱氧处理后的钢中Al浓度的标准偏差计算。
式(2)~式(10)的各数值设定下述值。
t1:4.2(s),
WRe_Al:4~7(kg),
QAl-O:27045(kJ/kg-Al),
CSTEEL:钢液比热0.188(kJ/kg/℃),
WRe_STEEL:11757(kg),
VAl:10~25(kg/s),
XAl:20~99(%),
QAl_Alloy-C:1381~2163(kJ/kg)。
其中,若将所添加的含Al物质的含有成分i(包含Al)的质量分率、显热分别设为Xi、Qi_C(kJ/kg-i),则为
在实施例中,以QAlC=2163(kJ/kg-Al)、QFe_C=1186(kJ/kg-Fe)进行计算。
WV:11760(kg),
QCir:2903(kg/s),
K=190,
G:2500(Nl/min),
D:0.7(m),
P0:1.01325x105(Pa),
P1:267(Pa),
a0:350~500(ppm),
f0:1,
lL:4.0(m),
lFB:1.2(m),
lLV:2.1(m)。
Al得率以式(11)评价。式(11)中的分子表示脱氧所消耗的Al质量与脱氧后溶解于钢液中的Al质量的总和,分母表示所添加的Al成分的总质量。
eAl={(a0/f0×1.0×10-6×54/48+[%Al]/100)×W}×100/(WAl×XAl/100)···(11)
其中,eAl为Al得率(%),
[%Al]为脱氧后的钢液中Al浓度(质量%),
W以处理钢液量计为300(ton(吨)),
WAl为金属Al或Al合金添加量(kg),
XAl为含Al物质中的Al含量(质量%)。
其中,[%Al]在RH式真空精炼处理结束后采取金属样品,根据其分析值求出。
将实验结果示于表1。Al得率是指脱氧所消耗的Al量和与钢中Al浓度的增加对应的Al量的总和相对于所添加的含Al物质中的Al量而言的百分率。在添加Al的温度降低量ΔT2的绝对值超过所添加的Al的温度上升量ΔT1的绝对值的条件下,在发明例No.1~8中,得到Al得率成为70%以上的良好结果。另外,在全部水准下,Al的添加在267Pa以下的高真空中进行,未进行再次抽真空的处理时间延长。
在添加含Al物质的Al含量为80质量%以下的发明例No.5~8中,Al得率成为85%以上,得到了进一步良好的结果。
但是,即使发明例No.5的Al含量低于30质量%,也获得了高Al得率,另一方面,由于必要的添加Al量增加,从而添加时间延长至1分钟以上,抽真空的处理时间延长。
因而,将还考虑了处理时间的Al得率按照下述方式划分为3个阶段,作为评价,示出在表1最右列。
◎:Al得率为85%以上、且Al添加时间短于1分钟
○:Al得率为70%以上且低于85%、且Al添加时间短于1分钟,或者Al得率为85%以上、且Al添加时间为1分钟以上
△:Al得率低于70%
Al得率为85%以上的发明例No.5~8中,在铸造工序中对样品进行采集、分析得到的最终Al成分的浓度偏差为0.02质量%范围以下。
另一方面,Al得率低于70%的比较例No.9~10中的最终Al成分的浓度偏差是0.035质量%范围以下,是浓度偏差大于发明例的结果。
[表1]
产业上的可利用性
本发明的钢铁制造工艺的炼钢工序中的基于Al添加的脱氧精炼方法能够应用于要求低制造成本及窄范围Al成分量的钢材的制造。
附图标记说明
1 RH真空脱气装置
2 浇包
3 钢液
4 熔渣
5 真空槽
6 上部槽
7 下部槽
8 上升侧浸渍管
9 下降侧浸渍管
10 环流用气体吹入管
11 管道
12 原料投入口
13 顶吹喷枪
DV 真空槽内径
D 浸渍管内径
L 从浸渍管下端到真空槽垫的高度
l 浸渍管向钢液的浸渍深度
lL 从浇包底到浇包上端的距离
lLV 从浸渍管下端到浇包底的距离
lFB 从浇包上端到浇包钢液面的距离
hV 真空槽内钢液高度
hL 从浇包底到浇包钢液面的距离
Claims (5)
1.钢液的脱氧精炼方法,其是使用真空精炼装置的钢液的脱氧精炼方法,其中,将含Al物质添加到真空槽内的钢液中,Al脱氧中的所述钢液的温度变化ΔT1及ΔT2满足式(1),
ΔT1+ΔT2<0· · · (1)
其中,ΔT1、ΔT2分别为以
ΔT1=(WRe_Al×QAl-O)/(Csteel×WRe_STEEL) · · · (2)
ΔT2=-(VAl/0.01XAl×t1×QAl_Alloy-C)/(Csteel×WRe_STEEL)···(3)
定义的温度变化(℃),
t1为从含Al物质的添加开始到当含Al物质的添加开始时存在于真空槽内的钢液进行循环并替换为止的时间(s),
WRe_Al为在时间t1的期间在脱氧反应中使用的作为金属Al的质量(kg),
QAl-O为Al的氧化反应热(kJ/kg-Al),
Csteel为钢液比热(kJ/kg/℃),
WRe_STEEL为在时间t1的期间在脱氧反应中使用的钢液量(kg),
VAl为作为金属Al的添加速度(kg/s),
XAl为含Al物质的Al含量(质量%),
QAl_Alloy-C为含Al物质的显热及潜热(kJ/kg)。
2.根据权利要求1所述的钢液的脱氧精炼方法,其中,所述含Al物质的Al含量为30~80质量%。
3.钢材的制造方法,其具有权利要求1或2所述的钢液的脱氧精炼方法作为脱氧工序,
该脱氧工序后的钢中Al浓度范围为0.02质量%以下。
4.钢材,其是通过权利要求1或2所述的钢液的脱氧精炼方法作为脱氧工序而制得的,
该脱氧工序后的钢中Al浓度范围为0.02质量%以下。
5.根据权利要求4所述的钢材,其中,所述Al浓度范围为Al成分标准范围。
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