TW201336999A - 以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的目的為藉由在以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的脫碳製程期間，將發熱劑加入除氣腔室來適當增加除氣腔室中熔化鋼料的溫度，氧氣亦同時導入除氣腔室，使真空除氣製程時間可有利地縮短，且不會使脫碳失敗及/或熔化鋼料的純度降低。具體言之，本發明提供以真空除氣系統製造超低碳鋼的方法包括：藉由將熔化鋼料的脫碳所需的氧量加入真空除氣腔室中，以執行熔化鋼料的脫碳製程，其特徵在於，脫碳製程更包括：加入用以燃燒欲加入來加熱熔化鋼料的發熱劑的氧量；在額外加入氧氣的期間或之後加入發熱劑以加熱熔化鋼料；以及繼續熔化鋼料的脫碳。

Description

使用真空除氣系統以碇技術製造低碳鋼的方法
本發明是有關於一種以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法。更特別地，本發明是有關於一種以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，其中藉由在真空除氣處理中之脫碳(decarburiation)製程期間加熱熔化鋼料，以成功地縮短真空除氣製程時間(processing time)。
最近幾年來，為了符合在鋼板的深度引伸(deep drawing)或其他類似技術中較佳成形性(formability)的要求，鋼中具有低碳濃度[C]之超低碳鋼的產量已快速增加。藉由從轉化爐收集熔化鋼料(還未脫氧)及對熔化鋼料進行真空處理，以達到以鑄錠技術來製造如上文所描述的此類超低碳鋼，所述真空處理為藉由真空除氣使熔化鋼料進行脫碳反應。關於這方面，就品質控管而言，有必要在完成真空除氣時，確保熔化鋼料具有足夠高的純度及足夠高的溫度。
如上文所描述，在完成除氣處理時，熔化鋼料需要有足夠高的溫度。然而，就良好的操作維護而言，亦有對轉化爐之耐熱(refractory)材料有好的保護的要求。因此，有利的是，在除氣處理期間以一些方法來加熱熔化鋼料，使得在從轉化爐收集熔化鋼料時，熔化鋼料的溫度保持相當低，因而安全地避免對轉化爐之耐熱材料造成任何傷 害。關於這方面，藉由延長除氣製程時間來加熱熔化鋼料並不是適合的選擇，此歸因於上述之延長製程時間會使得生產性降低。
用以在真空除氣製程期間加熱熔化鋼料之習知方法的實例包括：一種在真空除氣腔室中經由氧氣導管(introduction tube)(浸沒在熔化鋼料中)將氧氣導入熔化鋼料中，並將發熱劑(heat-generating agent)加入熔化鋼料中來加熱熔化鋼料的方法(例如，JP-A 53-081416及JP-A 53-081417)；以及一種將脫碳製程期間之氧氣供應降低至0.3 Nm3/t或小於0.3 Nm3/t，並藉由在熔化鋼料的脫氧處理期間，燃燒鋁來增加熔化鋼料的溫度，以補償在完成脫碳製程時所產生相對低的熔化鋼料溫度的方法(JP-A 03-193815)。
然而，在經由氧氣導管(浸沒在熔化鋼料中)將氧氣導入熔化鋼料中的情況下，熔化鋼料之游離氧(free oxygen)的化學勢(potential)增加而使熔渣(slag)的氧化學勢增加，因此在除氣處理之後的澆鑄製程期間，熔渣導致熔化鋼料再氧化，而不利地，使熔化鋼料的純度降低。另外，添加發熱試劑至熔化鋼料中及同時導入氧氣至熔化鋼料中可暫時耗盡脫碳所需要的游離氧，並可能引起脫碳失敗(decarburization failure)、延長脫碳的製程時間以及諸如此類的現象。
另外，在將氧導入熔化鋼料或除氣腔室中，以在對熔化鋼料進行脫碳反應之後的脫氧處理期間燃燒鋁的情況 下，需要有一段持續的鋼脫氧製程時間，以便移除夾雜物(例如因加入發熱劑而產生的Al2O3)來維持熔化鋼料足夠高的純度，從而卻產生因加上燃燒Al所需要的時間(為了加熱熔化鋼料)而延長了總製程時間的問題，因而使生產性降低。
或者，在真空除氣製程期間用於加熱熔化鋼料之習知方法的實例包括以由頂吹氧氣(top-blown oxygen)二次燃燒CO氣體來加熱熔化鋼料，其中CO氣體是由脫碳反應而產生。然而，在此情況下，存在以下問題：當熔化鋼料中的[C]濃度降低且CO產生減少時，在脫碳製程之後期階段，熔化鋼料並未被足夠且有效地加熱。
本發明旨在有利地解決上述問題，且本發明的目的為藉由在脫碳製程期間，加入發熱劑及導入氧氣至真空除氣腔室中，以適當地加熱真空除氣腔室中的熔化鋼料，使得真空除氣製程時間成功地且有利地縮短，且不會導致脫碳失敗及熔化鋼料純度的降低。
具體言之，本發明主要的特徵如下。
(1)一種以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，包括藉由將熔化鋼料的脫碳所需的氧量加入真空除氣腔室中，以執行熔化鋼料的脫碳製程，其中使用從真空除氣腔室之頂部插入真空除氣腔室中的頂吹氧噴管 (top-blown oxygen lance)來使所述氧量加入真空除氣腔室中，其特徵在於，脫碳製程更包括：加入用以燃燒欲加入來加熱熔化鋼料的發熱劑的氧量；在所述額外加入氧氣的期間或之後，加入發熱劑以加熱熔化鋼料；以及繼續熔化鋼料的脫碳。
(2)如(1)所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，更包括執行熔化鋼料的脫碳製程，直到溶於熔化鋼料中的氧含量降低至50 ppm或小於50 ppm為止。
(3)如(1)或(2)所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，更包括在熔化鋼料中之碳濃度[C]降低至300 ppm或小於300 ppm時，加入發熱劑。
(4)如(1)至(3)中的任一項所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，其中發熱劑包含金屬Al及/或固體Si，且在熔化鋼料的脫碳期間，以每一噸熔化鋼料有至少0.1 kg的金屬Al及/或固體Si被轉變的量，將發熱劑加入熔化鋼料。
(5)如(4)所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，其中發熱劑包含金屬Al及/或固體Si，使得金屬Al及/或固體Si的總含量為至少30質量%。
依照本發明，當以使用真空除氣系統的鑄錠技術來製造超低碳鋼時，藉由在熔化鋼料的脫碳期間，適當地提高熔化鋼料的溫度，使得真空除氣製程時間可大大地縮短， 且不會導致脫碳失敗及熔化鋼料的純度降低。
另外，依照本發明，當從轉化器收集熔化鋼料時，熔化鋼料的溫度可以是相當低的，此歸因於熔化鋼料的溫度可之後的脫碳反應期間提高至一適當的程度。
以下，將參照圖式詳細地描述本發明。
真空除氣處理中的脫碳反應通常由反應的第一階段及第二階段組成，其中在第一階段期間，熔化鋼料的循環速率(意即，熔化鋼料中的氧氣供應)是決定反應速率的主要因子；而在第二階段期間，熔化鋼料中的碳供應或[C]濃度是決定反應速率的主要因子。在下列的情況下，可燃燒Al(或其他類似物)而理想地加熱熔化鋼料：在脫碳反應的第一階段將足夠高的氧含量溶於熔化鋼料中或是在脫碳反應的第一階段充分地供應氧氣而使脫碳順利進行；接著，在熔化鋼料的脫碳實質上完成時，將例如鋁的發熱劑加入熔化鋼料中。
然而，在脫碳反應的第一階段，使熔化鋼料中的氧化學勢增加(如上文所描述)，意謂著熔渣中的氧化學勢也可能會增加，而由於熔化鋼料會被熔渣再氧化，故上述現象將導致熔化鋼料純度的降低。為了解決上述問題，如果在脫碳的第一階段讓加入發熱劑至熔化鋼料中與供應氧氣至熔化鋼料中同時進行，其中加入發熱劑的量相當於(equivalent to)供應至熔化鋼料的氧氣，儘管可抑制熔化鋼料中的氧化學勢增加，但熔化鋼料中的氧可被發熱劑局 部地耗盡，因而在脫碳之第一階段(在此階段期間，熔化鋼料中的氧氣供應是決定反應速率的主要因子)可能會導致脫碳失敗。
關於這方面，假設在脫碳的中間階段或後期階段(在此階段期間，脫碳反應並不是完全取決於溶於熔化鋼料中的氧含量，且相對低的氧含量不會顯著地影響脫碳反應)加入發熱劑，可避免如上文所描述的熔化鋼料中氧局部耗盡及所引起的脫碳失敗。
鑒於上述的解析，本發明的發明者積極地研究加入發熱劑(用於加熱熔化鋼料)的時間點，且發現到，在脫碳期間加入發熱劑的情況下，藉由在脫碳期間之適當的階段下進行加熱，有可能使熔化鋼料有效地加熱，因此使整體的製程時間縮短，且不會引起氧局部耗盡及脫碳失敗。
具體言之，本發明的發明者揭露，在脫碳期期間將發熱劑及燃燒發熱劑所需要之額外的氧量加入的情況下，藉由在鋼中的碳濃度[C]已降低至300質量ppm(mass ppm)或小於質量ppm的脫碳階段加入發熱劑及額外的氧量，有可能使熔化鋼料有效地加熱，因此使整體的製程時間縮短，且不會引起氧局部耗盡及脫碳失敗。
就加入發熱劑的時間點(以當加入發熱劑時，熔化鋼料中的碳濃度[C]示之)與脫碳速率常數Kc之間的關係而言，圖1顯示在脫碳製程期間，加入發熱劑對脫碳能力的影響的研究結果。
從圖1可理解，如果在熔化鋼料中的碳濃度[C]已降低 至300質量ppm或小於300質量ppm的脫碳階段加入發熱劑，則加入發熱劑不會使脫碳速率常數Kc降低(意即，脫碳能力沒有衰減)。關於這方面，在加入發熱劑時所偵測到熔化鋼料中之碳濃度[C]為低於目標碳濃度[C]的1.3倍的情況下，將發熱劑加入可能會延長製程時間。因此，較佳的是，在熔化鋼料中的碳濃度[C]等於或高於目標碳濃度[C]的1.3倍的脫碳階段加入發熱劑。
在本發明中，「在完成脫碳製程時」表示自真空除氣處理(例如，雙管循環真空除氣製程(Ruhrstahl-Heraeus process，RH))開始以來，溶於熔化鋼料中之氧濃度第一次降低至50質量ppm或小於50質量ppm的時間點。
本發明的真空除氣製程可依時間順序劃分成作為第一階段的脫碳製程以及作為第二階段的脫氧製程。
圖2A及圖2B分別顯示加入發熱劑的時間點對真空除氣製程時間的影響的比較研究結果。
圖2A表示一種方法，此方法在完成脫碳反應後加入脫氧劑(例如，鋁)，接著在一段特定熱補償期間加入發熱劑及吹入氧氣(即，習知方法)。
圖2B表示一種方法，依照本發明此方法在脫碳製程期間加入發熱劑及用於燃燒發熱劑的額外氧氣(即，本發明的方法)。
如圖2A中所示，習知方法包括在完成脫碳後加入脫氧劑(例如，鋁)，接著在一段特定期間內加入發熱劑及吹入氧氣，以增加熔化鋼料的溫度來達到熱補償，因而此方 法必然地具有相對長的脫氧製程時間，從而具有相對長的真空除氣製程時間。具體言之，如圖2A中所示，在於完成脫碳反應後加入發熱劑的習知方法中，由於存在必需等到加熱熔化鋼料而產生的氧化鋁(Al2O3)浮起以及必需以分離程序將上述的氧化鋁移除的(2)「加熱熔化鋼料後所需要的保持時間(retention time)」，故(1)「脫氧製程時間」(在沒有加入發熱劑時，將會與(3)「脫氧製程所需要的保持時間」相同)實際上長於(3)「脫氧製程所需要的保持時間」。因此，也就是說，在習知方法中(4)「RH製程時間」或真空除氣製程時間是延長的。
相反地，在圖2B中所示，依照本發明的方法在脫碳製程期間，加入用以加熱熔化鋼料的發熱劑及用於燃燒發熱劑的額外氧氣，從而使(1)「脫氧製程時間」安全地避免因(2)「加熱熔化鋼料後所需要的保持時間」而延長，並使(1)「脫氧製程時間」與(3)「脫氧製程所需要的保持時間」相符合。因此，與習知方法相比較，可使本發明之方法的(4)「RH製程時間」大大地縮短。
在本發明中，有利且較佳的是，發熱劑包含金屬Al及/或固體Si，且是以每一噸熔化鋼料有至少0.1 kg的金屬Al及/或固體Si被轉變的量，將發熱劑加入熔化鋼料。另外，有利且適當的是，發熱劑包含金屬Al及/或固體Si，使得金屬Al及/或固體Si的總含量至少為30質量%，且較佳至少為70質量%。
實例
以下，將以實例更詳細地描述本發明。
本發明用作目標的鋼類型為具有目標[C]濃度為小於等於25質量ppm的超低碳鋼。
將在轉化爐中吹製而具有碳濃度[C]為300質量ppm至400質量ppm以及氧濃度[O]為500質量ppm至700質量ppm的熔化鋼料(320 t)收集在盛鋼桶4中，如圖3中所示，且在盛鋼桶(ladle)4中的熔化鋼料2經歷RH真空除氣製程。具體言之，使在盛鋼桶4中的熔化鋼料2經由浸管12吸入除氣腔室14中，以進行除氣處理，並藉由從再循環氣體進氣口8吹入浸管的再循環氣體10來吹動熔化鋼料。元件符號6表示漂浮在盛鋼桶4之熔化鋼料2上的熔渣。
在本發明中，於除氣處理的脫碳製程中，經由頂吹氧噴管(lance)16使氧氣由頂部吹入，所述頂吹氧噴管16由除氣腔室14的頂部插入除氣腔室14中，而懸置在除氣腔室14中。具體言之，除了導入熔化鋼料2之脫碳所需要的氧量之外，還將用以燃燒欲加入之發熱劑所需要的額外氧量導入除氣腔室14中。另外，藉由額外滑槽(chute)20，將作為發熱劑的鋁粒子加入除氣腔室14中的熔化鋼料2，使得作為發熱劑的鋁的量相當於用以燃燒發熱劑之額外的氧量。也就是說，藉由燃燒加入熔化鋼料的Al來加熱熔化鋼料，而同時使熔化鋼料也繼續進行脫碳。因此，整體的除氣製程時間可縮短，且不會引起脫碳失敗及/或熔化鋼料的純度降低。
在此實例中，於熔化鋼料中之碳濃度[C]為在50質量ppm至200質量ppm範圍中的階段加入鋁粒子作為發熱劑(每一噸熔化鋼料加入0.2 kg的鋁粒子)。
圖4顯示依照習知方法進行20次的真空除氣處理所得到20次製程時間的平均值(即，圖2A之(4)「RH製程時間」的平均)，以及依照本發明之方法進行20次的真空除氣處理所得到20次製程時間的平均值(即，圖2B之(4)「RH製程時間」的平均)的比較。
如圖4中所示，依照本發明之方法的製程時間成功地縮短成依照習知方法的製程時間的0.85倍。(在圖4中，依照習知方法的製程時間以「1」來表示)。
產業適用性
依照本發明，在以使用真空除氣系統的鑄錠技術來製造超低碳鋼中之脫碳反應期間，藉由有效地增加熔化鋼料的溫度，可使製程時間大大地縮短，且不會引起脫碳失敗及/或熔化鋼料的純度降低。另外，因為在後期階段可有效地加熱熔化鋼料，故在從轉化爐收集熔化鋼料時，熔化鋼料的溫度可設定為相當低的。
2‧‧‧熔化鋼料
4‧‧‧盛鋼桶
6‧‧‧熔渣
8‧‧‧再循環氣體進氣口
10‧‧‧再循環氣體
12‧‧‧蝕刻終止層
14‧‧‧除氣腔室
16‧‧‧頂吹氧噴管
18‧‧‧
20‧‧‧滑槽
圖1為顯示加入發熱劑的時間點(以當加入發熱劑時，熔化鋼料中的碳濃度[C]示之)與脫碳速率常數Kc之間的關係圖。
圖2A為顯示在習知方法中加入發熱劑的時間點對真空除氣製程時間的影響的研究結果圖表。
圖2B為顯示在本發明的方法中加入發熱劑的時間點對真空除氣製程時間的影響的研究結果圖表。
圖3為顯示依照本發明以RH除氣系統所進行之脫碳製程狀態的示意剖面圖。
圖4為顯示習知方法中的RH製程時間與本發明之方法中的RH製程時間的比較圖。

Claims (5)

  1. 一種以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，包括：藉由將熔化鋼料的脫碳所需的氧量加入真空除氣腔室中，以執行所述熔化鋼料的脫碳製程，其中使用從所述真空除氣腔室之頂部插入所述真空除氣腔室中的頂吹氧噴管來使所述氧量加入所述真空除氣腔室中，其特徵在於，所述脫碳製程更包括：加入用以燃燒發熱劑的氧量，所述發熱劑欲被加入以加熱所述熔化鋼料；在所述額外加入氧氣的期間或之後，加入所述發熱劑以加熱所述熔化鋼料；以及繼續所述熔化鋼料的所述脫碳。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，更包括執行所述熔化鋼料的所述脫碳製程，直到溶於所述熔化鋼料中的氧含量降低至50 ppm或小於50 ppm為止。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，更包括在所述熔化鋼料中之碳濃度[C]降低至300 ppm或小於300 ppm時，加入所述發熱劑。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中的任一項所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，其中所述發熱劑包含金屬Al及/或固體Si，且在所述熔化鋼料的所述脫碳期間，以每一噸所述熔化鋼料有至少0.1 kg 的所述金屬Al及/或所述固體Si被轉變的量，將所述發熱劑加入所述熔化鋼料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之以使用真空除氣系統的鑄錠技術製造超低碳鋼的方法，其中所述發熱劑包含所述金屬Al及/或所述固體Si，使得所述金屬Al及/或所述固體Si的總含量為至少30質量%。
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