TWI507531B - 熔融鋼液之脫硫方法 - Google Patents

Description

熔融鋼液之脫硫方法

本發明是有關於一種熔融鋼液之脫硫方法，且特別是有關於一種於電弧爐內使熔融鋼液直接脫硫之方法。

習用電弧爐煉鋼之步驟大抵如下：首先將廢鋼投入電弧爐中，將石墨電極插入電弧爐之廢鋼中，再通以電流，藉由石墨電極與廢鋼間產生的高溫電弧，使廢鋼變成熔融鋼液，繼之投以碳粉、碳酸鈣進行脫磷等初煉反應，再將初煉後之熔融鋼液倒入盛鋼桶內進行精練，精煉包含以約1620℃高溫進行脫硫、脫氧反應，以及添加矽鐵、錳鐵等添加物以微調熔融鋼液之成分，使最終產物能符合產品規格。

將初煉後之熔融鋼液轉入盛鋼桶內進行脫硫等精煉反應，係因進行脫硫反應時，考慮電弧爐之構造為一口徑廣而淺之容器，盛鋼桶為一口徑窄而深之容器，投入同體積之脫硫劑於兩容器中，脫硫劑在盛鋼桶中所形成的覆蓋層厚度較厚，可有效隔離空氣中的氧且提供良好的保溫作用，有利脫硫反應所需的低氧含量及高溫環境，而能達到較好的脫硫效果。

然而，多了將熔融鋼液由電弧爐轉換至盛鋼桶的程序，會增加整個煉鋼的時間成本，轉換的過程亦會造成能量及熔融鋼液的流失，若能突破電弧爐因其構造所產生的限制，使脫硫反應能直接於電弧爐中進行，使熔融、初煉、精煉等步驟能於電弧爐中一氣呵成，則可大幅精簡煉鋼製程，縮短煉鋼所需的時間與能源成本。

因此，本發明之一態樣是在提供一種熔融鋼液之脫硫方法，首先於電弧爐內提供一硫含量為重量百分比0.03至重量百分比0.06之熔融鋼液，再於電弧爐內加熱此熔融鋼液，使之成為一溫度介於1600℃與1700℃之加熱熔融鋼液。接著，進行脫硫步驟，先添加脫硫劑至此加熱熔融鋼液中，使脫硫劑於加熱熔融鋼液之表面形成一覆蓋層，再加入碳粉使覆蓋層增厚。之後，在不再提供電力的情況下進行脫硫反應，使加熱熔融鋼液之硫含量小於重量百分比0.03。

依據本發明一實施例，上述脫硫反應所需的時間為11分鐘至40分鐘。

依據本發明一實施例，上述脫硫劑之添加量為加熱熔融鋼液之重量百分比1.2至重量百分比2.5。

依據本發明一實施例，上述碳粉之添加量為脫硫劑之重量百分比0.5至重量百分比1.5。

依據本發明一實施例，上述脫硫劑之成份包含一次脫硫渣與氧化鈣，且二者質量比為1：1。

依據本發明一實施例，上述一次脫硫渣的成分包含氧化鈣、氧化矽、氧化鋁及氧化鐵。

依據本發明一實施例，上述一次脫硫渣的熔點為1100℃至1500℃。

依據本發明一實施例，上述加熱熔融鋼液之溫度為1620℃至1650℃。

依據本發明一實施例，上述加熱熔融鋼液的氧分壓小於20ppm。

依據本發明一實施例，可藉由於加熱熔融鋼液中加入一脫氧劑以控制其氧分壓。

依據本發明一實施例，上述所使用之脫氧劑為純鋁，且其使用量小於加熱熔融鋼液之重量百分比0.15。

本發明熔融鋼液之脫硫方法，先利用脫硫劑於加熱熔融鋼液之表面形成一覆蓋層，再藉由加入碳粉，而大幅增加覆蓋層的體積與厚度，使其在不需增加脫硫劑用量的情況下，亦能在口徑較大之電弧爐中之加熱熔融鋼液表面形成一良好的覆蓋層，滿足脫硫反應所需的低氧含量與高溫環境，而能直接在電弧爐中進行脫硫反應，不需轉換至盛鋼桶，達到精簡製程之功效。此外，因為此覆蓋層保溫效果良好，於脫硫反應期間皆不需再提供額外的電力，一方面可避免利用電弧加熱，破壞上述之覆蓋層之覆蓋效果，使氧氣溶入加熱熔融鋼液中而破壞脫硫反應之效果，另一方面可大幅縮減能源之耗費。

請參照第1圖，其為依照本發明一實施例之熔融鋼液之脫硫方法100的步驟流程圖，包含下列步驟：

步驟110為於電弧爐內提供一熔融鋼液。依照本實施方式之一實施例，此熔融鋼液之硫含量為重量百分比0.03至重量百分比0.06。在一例示中，此熔融鋼液可為一於此電弧爐中剛進行完初煉之熔融鋼液，因初煉完之熔融鋼液具有較高之溫度，有利於之後的脫硫反應，且直接使用於此電弧爐中剛進行完初煉之熔融鋼液，可使煉鋼作業之初煉、脫硫等步驟於電弧爐中一貫作業完成。

步驟120為於電弧爐內進行一加熱步驟，以形成加熱熔融鋼液。依照本實施方式之一實施例，此加熱熔融鋼液之溫度為1600℃至1700℃。依照本實施方式之另一實施例，此加熱熔融鋼液之溫度為1620℃至1650℃。形成加熱熔融鋼液之目的，係使其溫度滿足脫硫反應所需之溫度。

步驟130為於電弧爐內進行一脫硫步驟。

請參照第2圖，其為第1圖步驟130之步驟流程圖，包含下列步驟：

步驟131為添加脫硫劑於加熱熔融鋼液中，脫硫劑會於加熱熔融鋼液之表面形成一覆蓋層。在一例示中，脫硫劑之添加量為該加熱熔融鋼液之重量百分比1.2至重量百分比2.5。

在另一例示中，脫硫劑的成分包含質量比為1：1之一次脫硫渣與氧化鈣。其中，一次脫硫渣係指以氧化鈣為脫硫劑，對一加熱熔融鋼液進行一次脫硫反應所產出之脫硫渣，其成分包含氧化鈣、氧化矽、氧化鋁及氧化鐵，其熔點介於1100℃至1500℃。

上述選用一次脫硫渣與氧化鈣作為脫硫劑可改進目前大型鑄鋼廠採用碳酸鈣(CaCO₃ )作為脫硫劑之缺失。因若採用碳酸鈣作為脫硫劑，則須加熱使碳酸鈣分解成氧化鈣與二氧化碳，再藉由其所生成之氧化鈣參與脫硫反應，因此，脫硫反應開始後三十分鐘內，需不斷地利用電極於電弧爐中加熱使碳酸鈣分解，一方面浪費能源，另一方面電極所產生的電弧，在加熱的過程中會不斷破壞脫硫劑所形成之覆蓋層，而使加熱熔融鋼液曝露於空氣中，造成空氣中的氧氣進入加熱熔融鋼液，而使加熱熔融鋼液中的氧分壓居高不下，導致脫硫反應效果不彰，甚至造成回硫現象。然而，若僅採用氧化鈣作為脫硫劑，雖可省略碳酸鈣所需之加熱程序，但氧化鈣之熔點為2572℃，遠高於進行脫硫反應之溫度，其對加熱熔融鋼液僅能形成顆粒狀的覆蓋層，顆粒與顆粒間富含孔隙，覆蓋效果不佳。

因此，在此例示中本發明採用氧化鈣與一次脫硫渣作為脫硫劑，因一次脫硫渣之熔點遠低於進行脫硫反應之溫度，將其與氧化鈣同時投入上述之加熱熔融鋼液中，一次脫硫渣會迅速融化分散，並帶動固態顆粒狀之氧化鈣隨之分散於加熱熔融鋼液之表面，而於加熱熔融鋼液形成一固液共存、半流動狀之覆蓋層，其覆蓋效果遠優於上述氧化鈣所形成之顆粒狀覆蓋層。

步驟132為添加碳粉於加熱熔融鋼液中，使覆蓋層增厚。其是因碳粉會與加熱熔融鋼液及脫硫劑中的成份產生氧化還原反應而產生一氧化碳，一氧化碳會使脫硫劑所產生的覆蓋層膨脹增厚。習用之熔融鋼液需由電弧爐轉至盛鋼桶內進行脫硫反應，係考慮電弧爐之構造為一口徑廣而淺之容器，盛鋼桶為一口徑窄而深之容器，投入同體積之脫硫劑於上述兩容器中，脫硫劑在盛鋼桶中所形成的覆蓋層厚度較厚，有利脫硫反應所需的低氧含量及高溫環境，然而本發明之熔融鋼液脫硫方法係藉由加入碳粉之步驟，在不需要增加脫硫劑的情況下，使覆蓋層因碳粉所生成的一氧化碳而增厚，藉此方法，突破電弧爐因其構造所產生的限制，使加熱熔融鋼液可直接於電弧爐中進行脫硫反應，不需轉換至盛鋼桶，而達到精簡煉鋼製程的目的。在一例示中，碳粉之添加量為脫硫劑之重量百分比0.5至重量百分比1.5。

步驟133為進行脫硫反應，使加熱熔融鋼液之硫含量小於重量百分比0.03，且於脫硫反應進行期間，停止供應電力。因為覆蓋層增厚之後保溫效果良好，其可減緩加熱熔融鋼液之熱能逸散速度，使加熱熔融鋼液在脫硫反應進行期間，在不提供電力的情況下，其溫度皆可滿足脫硫反應所需之溫度，其不僅可大幅節省電力成本，亦可避免加熱過程中，電弧破壞增厚的覆蓋層之表面，而使加熱熔融鋼液之氧分壓提高。

在一例示中，脫硫反應所需的時間為11分鐘至40分鐘。

依照本發明之一實施方式，為避免加熱熔融鋼液之氧分壓過高而妨礙脫硫反應，更包含一控制加熱熔融鋼液氧分壓之手段，使其在整個脫硫步驟130中皆小於20ppm。依據本實施方式之一實施例，可藉由於加熱熔融鋼液中加入一脫氧劑以控制其氧分壓，其中此脫氧劑可為矽鐵、錳鐵、純鋁、純鎂或上述之任意組合。在一例示中，係藉由純鋁作為脫氧劑，且控制其使用量小於加熱熔融鋼液之重量百分比0.15，若添加過多純鋁，會造成加熱熔融鋼液脫硫後的最後的成分含鋁量過高，而影響其後續連鑄製程。

請參照第3圖至第5圖。第3圖至第5圖中，左邊縱軸為加熱熔融鋼液中之硫含量，以重量百分比為單位；右邊縱軸為加熱熔融鋼液之氧分壓，以ppm(parts per million，百萬分之一)為單位；橫軸為時間，以分鐘為單位；實心方塊所連接之曲線為加熱熔融鋼液中硫含量隨時間之變化曲線，空心圓形所連接之曲線為加熱熔融鋼液中氧分壓隨時間之變化曲線。第4圖與第5圖中，水平虛線代表脫硫反應之目標，即加熱熔融鋼液之硫含量小於重量百分比0.03。

請參照第3圖，其為以碳酸鈣與一次脫硫渣做為脫硫劑直接於電弧爐中進行脫硫反應之結果圖。此為一比較例，在此比較例中，將重量十噸之廢鋼經過熔融、初煉之步驟，使其形成硫含量為重量百分比0.057之熔融鋼液，將此熔融鋼液加熱使之成為1650℃之加熱熔融鋼液，投入脫硫劑後開始脫硫反應。在本實施例中採用重量比為1.76：1的碳酸鈣與一次脫硫渣做為脫硫劑，脫硫劑之添加量為加熱熔融鋼液之重量百分比2。於整個脫硫反應的過程中偵測加熱熔融鋼液之溫度，若加熱熔融鋼液之溫度小於1620℃便利用電弧加熱，使加熱熔融鋼液之溫度能滿足脫硫反應所需之1620℃高溫，並偵測加熱熔融鋼液之硫含量與氧分壓，將二者與時間的關係繪製成第3圖。

由第3圖可知，開始脫硫反應後，一開始加熱熔融鋼液之硫含量由重量百分比0.057下降至重量百分比0.045，之後開始出現回硫現象，硫含量由重量百分比0.045增加至重量百分比0.049，而整個脫硫反應過程中加熱熔融鋼液之氧分壓步步攀升，由原本之15.8ppm上升至111ppm，氧分壓過高造成脫硫反應效果不佳，且造成回硫現象。氧分壓的增加顯示出脫硫劑所形成之覆蓋層，覆蓋效果不佳，無法有效隔絕加熱熔融鋼液與空氣接觸，導致空氣中的氧不斷溶入加熱熔融鋼液中，而使加熱熔融鋼液經過四十分鐘之脫硫反應，其硫含量仍無法達到預期之小於重量百分比0.03之目標。

請參照第4圖，其為依照本發明第一實施例之熔融鋼液之脫硫方法之結果圖。在此實施例中，將重量十噸之廢鋼經過融熔、初煉之步驟，使其形成硫含量為重量百分比0.045之熔融鋼液，加熱此熔融鋼液使之成為1650℃之加熱熔融鋼液，投入脫硫劑後，再加入碳粉，開始脫硫反應，且於脫硫反應期間停止供應電力。在本實施例中採用重量比為1：1的氧化鈣與一次脫硫渣做為脫硫劑，脫硫劑之添加量為加熱熔融鋼液之重量百分比1.2至重量百分比2.5，碳粉之添加量為脫硫劑之重量百分比0.5至重量百分比1.5。於整個脫硫反應的過程中，偵測加熱熔融鋼液之溫度，且每十分鐘偵測一次加熱熔融鋼液之氧分壓，若氧分壓偏高，加入純鋁作為脫氧劑，控制氧分壓在整個脫硫反應過程中恆小於20ppm，需注意純鋁的使用量需小於加熱熔融鋼液之重量百分比0.15，避免因其使用量過高而影響加熱熔融鋼液之成分與性質。此外，偵測加熱熔融鋼液之硫含量，將脫硫反應過程中加熱熔融鋼液之硫含量、氧分壓與時間的關係繪製成第4圖。

由第4圖可知，加入脫硫劑與碳粉後，一開始加熱熔融鋼液之硫含量由重量百分比0.045迅速下降，約經過十三分鐘，加熱熔融鋼液之硫含量便達到預期小於重量百分比0.03之目標，且持續下降，並於反應開始後四十分鐘達到重量百分比0.018。此次脫硫反應，純鋁用量小於加熱熔融鋼液之重量百分比0.15便能有效控制氧分壓，且於脫硫反應期間，不再供應電力的情況下，加熱熔融鋼液之溫度皆可維持在1620℃以上。

請參照第5圖，其為依照本發明第二實施例之熔融鋼液之脫硫方法之結果圖。在此實施例中，將重量十噸之廢鋼經過熔融、初煉之步驟，使其形成硫含量為重量百分比0.051之熔融鋼液，將此熔融鋼液加熱使之成為1650℃之加熱熔融鋼液，投入脫硫劑後，再加入碳粉，開始脫硫反應，且於脫硫反應期間停止供應電力。在本實施例中採用重量比為1：1的氧化鈣與一次脫硫渣做為脫硫劑，脫硫劑之添加量為加熱熔融鋼液之重量百分比1.2至重量百分比2.5，碳粉之添加量為脫硫劑之重量百分比0.5至重量百分比1.5。於整個脫硫反應的過程中，偵測加熱熔融鋼液之溫度，且每十分鐘偵測一次加熱熔融鋼液之氧分壓，若氧分壓偏高，加入純鋁作為脫氧劑，控制加熱熔融鋼液於整個脫硫反應過程中，其氧分壓恆小於20ppm，且控制純鋁的使用量，使其小於加熱熔融鋼液之重量百分比0.15。此外，偵測加熱熔融鋼液之硫含量，並將脫硫反應過程中加熱熔融鋼液之硫含量、氧分壓與時間的關係繪製成第5圖。

由第5圖可知，加入脫硫劑與碳粉後，一開始加熱熔融鋼液之硫含量由重量百分比0.051迅速下降，約經過十一分鐘，加熱熔融鋼液之硫含量便達到預期小於重量百分比0.03之目標，且持續下降，並於反應開始後三十五分鐘達到重量百分比0.028。此次脫硫反應，純鋁用量小於加熱熔融鋼液之重量百分比0.15便能有效控制氧分壓，使其低於10ppm，且於脫硫反應期間，不再供應電力的情況下，加熱熔融鋼液之溫度皆可維持在1620℃以上。

由本發明上述實施方式可知，應用本發明的熔融鋼液之脫硫方法，其優點在於加熱熔融鋼液之氧分壓皆能在有限的純鋁用量下得到的有效控制，且在脫硫反應過程中不需再額外供電，表示由脫硫劑與碳粉於加熱熔融鋼液表面所形成的覆蓋層覆蓋效果良好。其次，習用脫硫方法之脫硫反應所需時間約四十分鐘左右，但本發明之脫硫反應僅需十數分鐘便可達到脫硫目標，具有良好的脫硫效率。

本發明藉由脫硫劑以及碳粉，在加熱熔融鋼液表面產生一增厚的覆蓋層，徹底解決以往電弧爐因口徑過大所產生之脫硫劑覆蓋不足之問題，使在電弧爐中直接脫硫成為可行，而達到精簡鍊鋼製程、縮短煉鋼所需的時間及減少能源成本等諸多目的。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．熔融鋼液之脫硫方法

110．．．於電弧爐內提供一熔融鋼液

120．．．於電弧爐內進行一加熱步驟，以形成加熱熔融鋼液

130．．．於電弧爐內進行一脫硫步驟

131．．．添加脫硫劑於加熱熔融鋼液中

132．．．添加碳粉於加熱熔融鋼液中，使覆蓋層增厚

133．．．進行脫硫反應

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖為依照本發明一實施例之熔融鋼液之脫硫方法100的步驟流程圖。

第2圖為第1圖步驟130之步驟流程圖。

第3圖為以碳酸鈣與一次脫硫渣做為脫硫劑直接於電弧爐中進行脫硫反應之結果圖。

第4圖為依照本發明第一實施例之熔融鋼液之脫硫方法之結果圖。

第5圖為依照本發明第二實施例之熔融鋼液之脫硫方法之結果圖。

130．．．於電弧爐內進行一脫硫步驟

131．．．添加脫硫劑於加熱熔融鋼液中

132．．．添加碳粉於加熱熔融鋼液中，使覆蓋層增厚

133．．．進行脫硫反應

Claims (11)

1. 一種熔融鋼液之脫硫方法，包含：於一電弧爐內提供一熔融鋼液，其中該熔融鋼液之硫含量為重量百分比0.03至重量百分比0.06；於該電弧爐內進行一加熱步驟，以形成一加熱熔融鋼液，其中該加熱熔融鋼液之溫度為1600℃至1700℃；以及於該電弧爐內進行一脫硫步驟，其包含：添加一脫硫劑於該加熱熔融鋼液中，以使該脫硫劑於該加熱熔融鋼液之一表面形成一覆蓋層；加入一碳粉於已添加該脫硫劑之該加熱熔融鋼液中，以使該覆蓋層增厚；以及進行一脫硫反應，以使該加熱熔融鋼液之硫含量小於重量百分比0.03，且於該脫硫反應進行期間，停止供應電力。
2. 如請求項1所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該脫硫反應的時間為11分鐘至40分鐘。
3. 如請求項1所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該脫硫劑之添加量為該加熱熔融鋼液之重量百分比1.2至重量百分比2.5。
4. 如請求項1所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該碳粉之添加量為該脫硫劑之重量百分比0.5至重量百分比1.5。
5. 如請求項1所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該脫硫劑包含一次脫硫渣與氧化鈣，且該一次脫硫渣與該氧化鈣之質量比為1：1。
6. 如請求項5所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該一次脫硫渣包含氧化鈣、氧化矽、氧化鋁及氧化鐵。
7. 如請求項5所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該一次脫硫渣之熔點為1100℃至1500℃。
8. 如請求項1所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中該加熱熔融鋼液的溫度為1620℃至1650℃。
9. 如請求項1所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中於該脫硫步驟，更包含使該加熱熔融鋼液的氧分壓小於20ppm。
10. 如請求項9所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中於該脫硫步驟，更包含加入一脫氧劑於該加熱熔融鋼液中。
11. 如請求項10所述之熔融鋼液之脫硫方法，其中於該脫硫步驟，所添加之該脫氧劑為一純鋁，且其使用量小於該加熱熔融鋼液之重量百分比0.15。