TWI600770B - 鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法及其裝置 - Google Patents

Description

鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法及其裝置

本發明係設有鎂添加裝置，將其放入管式爐內，當溫度達到設定溫度時，令鎂金屬形成鎂蒸氣後，再載入鋼液中。

煉鋼是一個氧化精煉過程，即向鐵液中吹入氧氣，將生鐵中過量的元素(C、Si、Mn)及雜質(S、P)去除，達到滿足鋼種性能的限度。由於吹氧煉鋼的作用，在煉鋼末期，鋼液中含氧量最大可達到0.1%，然而氧在固態鋼中的溶解度極低(例如在δ-Fe中溶解度最大為0.0082%)，這些過量的氧將在凝固的過程中以FeO或其它氧化物的形態析出，因而降低鋼的使用性能。所以，在脫碳結束之後必須將鋼液中的氧脫除。鋼中的氧包括溶解的自由氧[O]_D和夾雜物中的氧[O]_L，去氧即通過向鋼液中添加脫氧劑(如錳，矽，鈦，鋁，鎂等)，將鋼中的自由氧轉移到氧化物介在物(inclusion)中，上浮去除，達到降低鋼中的氧含量的目的。而鋼中氧含量的水準可間接反映鋼中介在物數量水準，常用鋼中的總氧T[O]表示鋼液的潔淨度。

鋼中的總氧量T[O]與產品的品質有著密切的關係，典型鋼種對氧含量的要求如下表所示： 典型鋼之全氧含量要求

因此，如何降低鋼中的氧含量，提高鋼的潔淨度，如何有效利用脫氧產物也越來越為冶金工作者所關注。

按照脫氧能力的不同，將脫氧合金分為弱脫氧劑(如Mn，Si，Ti等脫氧劑)和強脫氧劑(如Al，Mg等)。在早期鋼鐵生產中常使用矽、錳作為脫氧劑，由於與Si、Mn平衡的氧含量較高，為將鋼中的氧含量脫除到極低水準，大部分鋼鐵企業均採用Al作為終脫氧劑。有研究顯示，當鋼中溶解鋁含量為0.03%-0.05%時，鋼中平均氧含量可降低到3ppm以下。然而，鋁脫氧後殘餘在鋼中的簇狀(cluster)Al₂O₃夾雜會大大降低鋼的塑性、韌性、疲勞強度、抗腐蝕能力，特別是破壞了鋼基體的連續性，在靜荷載和動荷載的作用下造成材料失效，降低鋼材成品率和產品品質。另一方面，鋼液澆注過程中Al₂O₃夾雜極易造成水口堵塞而造成澆注中斷等生產事故。

而鎂元素具有很強的化學活性，在鋼液中Mg對非金屬元素有很強的親和力。早在1970’s，Mori等就曾指出鎂蒸氣對鋼液去氧的可能性，其利用鎂作為脫氧劑，獲得在1873 K時的[%Mg][%O]<1.0×10-6。Saxena等研究了用鎂作煉鋼精煉劑的可能性，研究發現，鋼中形成極小的、彌散分佈(uniform distribution)的尖晶石(spinel)型氧化物，這種尖晶石對鋼的疲勞性能和其它性能無損害。

(Tateyama等採用鎂包芯線(cored wire)(Mg、MgO、CaF₂)在低碳鋼氬氣保護的感應爐內進行鎂去氧、脫硫實驗。)鎂的加入量小於15%，5分鐘後可以將鋼液中的T[O]降低至9ppm，[S]降低至3ppm；靜止放 置10分鐘後鋼液中的T[O]、[S]沒有發現回升，分別保持在11ppm和3ppm的水準。因此，可以看出Mg與鋼液中的S和O有強烈的親和力，且不改變鋼液成分，是理想的去氧和脫硫劑。此外，近年來氧化物冶金技術的發展，利用Mg處理鋼液而獲得高熔點、細小、彌散的含鎂介在物細化晶粒，使得在鋼液中添加Mg的相關問題成為熱點問題。

事實上，在鋼鐵生產過程中，已經採用氣體噴吹法將鈍化鎂(passivation magnesium)顆粒噴入鐵水(hot metal)內，達到鐵水脫硫的目的。也採用類似的方法將鎂通入鐵液中生產球墨鑄鐵(nodular cast iron)。請參閱第1圖所示，Mg與Al的蒸氣壓與溫度的關係，從第2圖中可以看出在煉鋼溫度下(1600℃)Mg具有非常高的蒸氣壓(其蒸氣壓是鋁的200倍)，很顯然，由於在鋼液溫度(1600℃)遠高於鐵水溫度(1300-1400℃)，這種噴吹鈍化鎂粒的方法無法直接應用於鋼液的鎂處理製程。因此在這裡也很大程度上限制了鎂在實際煉鋼生產中的使用。因此如何以安全有效的方式將鎂加入鋼液，成為鋼液鎂處理冶金技術的核心問題之一。

目前通常採用的將鎂加入鋼水的方法有沖入法、喂線法(cored wire method)、壓入法(plunging method)等，加入的合金種類有稀土鎂合金、高鎂合金、鈍化鎂粒等。中國公開的專利介紹了一種在錠模(ingot mold)底部均勻鋪墊NiMg合金添加鎂的方法。所添加的NiMg合金中Mg含量範圍為5-50%。很顯然，該種方法向鋼液中引入了金屬Ni，既破壞了原始鋼液的化學成分，也增加了生產的成本。同時，在應用該種方法時，需將鋼中的氧位調整到一個較高的水準，也使的鋼液的全氧含量上升。

另有一種特殊結構的鎂包芯線，將該鎂芯線通過餵線設備(cored wire injection system)餵入鋼液深處。很顯然，鎂芯線在到達鋼液底部時，鎂將發生Mg(s)→Mg(l)→Mg(g)的演變過程，由於鋼液與鎂芯線之間巨大的溫度變化，使得Mg(s)→Mg(g)的過程在非常短暫的時間內即完成，由於鎂在氣化過程中，將產生非常大的壓力，極易造成鋼液劇烈翻騰而產生生產事故。還有一種利用鋁熱還原法(Aluminothermic reduction)製備的Mg蒸氣，並利用氬氣作為載體將鎂蒸氣導入鋼液。

雖然傳統已有多種將鎂加入鋼液中的方式，但顯然都仍有瑕 疵，而非理想的方式，發明入針對此缺失，特別加以研究改良，並憑藉本身的專業及多年來實驗經驗，終於在歷經多次的試驗、修正與改進後，而有本發明之誕生。

本發明係有關於一種於鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法及其裝置，該裝置即是鎂的添加裝置，包含有密閉的儲料桶，控制閥及輸送管組。藉由將鎂添加裝置放入管式爐內，再將粒徑為0.5~2mm的純鎂粒裝入儲料桶內。因為當純鎂粒粒徑小於0.5mm時，會使得鎂粒穿過輸送管組內之內嵌管而與鋼液接觸，而當粒徑大於2mm時，則會使得鎂粒無法穿過控制閥門進入輸送管。待輸送管中下部溫度升至1120℃-1200℃時，將控制閥打開，以適當的加料速度將純鎂粒加入輸送管，並在此時打開氬氣調節閥。因為當氬氣流量低於0.2L/min，會使得在鋼液底部形成的含鎂氬氣泡過大，不利於氬氣泡中的鎂質傳到鋼液，而當氬氣流量大於0.5L/min，或使得鋼液表面的鎂的蒸氣壓過低，造成鎂收得率降低。所以以0.2-0.5L/min的流量通入氬氣，即能快速又安全的將輸送管中的鎂蒸氣載入鋼液內。

而金屬鎂與鋼中的氧、硫具有極強的親和力，及具有非常高的的脫氧及脫硫效果，且其生成的MgO、MgS介在物具有細小，粒徑分佈均勻等特點。利用鎂作為煉鋼過程的初脫氧元素，或作為二次脫氧脫硫元素，不僅可以實現鋼中的總氧、硫含量達到極低的水準，也可作為以鋁、鈦等作為初脫氧後的改質劑(inclusion modifier)，將鋼中大型的氧化鋁及鈦的氧化物介在物改質為細小的鎂鋁、鎂鈦複合介在物。為氧化物冶金技術的應用奠定基礎。

然而金屬鎂的熔點及沸點分別為670℃和1100℃，在煉鋼溫度(1600℃)條件下，其蒸氣壓將達到20-25個大氣壓，如將固態金屬鎂直接加入鋼液，一方面將不可避免的造成鋼液劇烈翻騰，甚至爆炸事故，另一方面也使得鎂的收得率嚴重下降。所以運用本發明之裝置及方法，可以安全及高效的方式將鎂加入鋼液中，成為鋼液鎂處理的關鍵所在。

〔本發明〕

1‧‧‧鎂添加裝置

11‧‧‧儲料桶

12‧‧‧控制閥

13‧‧‧本體

131‧‧‧輸送管

132‧‧‧內嵌管

1321‧‧‧氣孔

133‧‧‧三通管

14‧‧‧溫度感應器

15‧‧‧耐渣侵蝕塗層

16‧‧‧坩鍋

2‧‧‧管式爐

20‧‧‧爐膛

21‧‧‧管路

211‧‧‧閥門

212‧‧‧閥門

213‧‧‧閥門

22‧‧‧氣體淨化器

23‧‧‧流量計

230‧‧‧流量計

24‧‧‧輸氣導管

3‧‧‧鋼液

4‧‧‧溫度感測器

第1圖係習知Mg與Al的蒸氣壓與溫度的關係圖。

第2圖係本發明鎂添加裝置之剖面示意圖。

第3圖係本發明鎂添加裝置放入管式爐之示意圖。

首先，請參閱第2圖所示，係本發明鎂添加裝置之剖面示意圖，該鎂添加裝置1主要係由儲料桶11、控制閥12及本體13所組成。該本體13係具有一輸送管131，中空內部設有內嵌管132，該本體13係為一輸送管131，側壁設有一三通管133，可供氬氣注入，而輸送管131內設有一內嵌管132，位於內嵌管132底部係為封閉並開設有數氣孔1321，而在內嵌管132底部設置有一溫度感應器14，位於本體13內壁則形成有一耐渣侵蝕塗層(corrosion resistant coating)15，上述各元件均是緊密連接，防止空氣進入。

其次，請仍然參閱第2圖所示本發明之鎂添加裝置1係安裝於管式爐2之爐膛20內，配合參閱第3圖所示，將鎂添加裝置1放入管式爐2內，該管式爐2內之鎂添加裝置1之上下端分別藉由管路21延伸連通，且分別於不同位置設有閥門211、212及213，位於閥門211及213之間設有一氣體淨化器22，並設有流量計23及230，最上端則由一輸氣導管24連接至閥門213，位於鎂添加裝置1內壁置入有坩鍋供置入鋼液3，至於在管式爐2外壁則設有一溫度感測器4。

而在煉鋼溫度1600℃的條件下，如何能安全地且能高收得率的將鎂加入鋼液，正是本發明之重要核心。請仍然參閱第2及第3圖所示，當本發明實際使用時，係先將閥門211、212及213打開，然後調節閥門212使流量計230流量範圍為1-2L/min的流量，並通入氬氣10分鐘，使得管式爐2內的氧分壓降至最低。接著將粒徑為0.5~2mm的純鎂粒裝入儲料桶11內，並調節閥門213使流量計23流量範圍為0.5~1.5L/min的流量通入氬氣5分鐘後，關閉閥門213。然後通電將管式爐2坩鍋16內的鋼升溫至1600℃後，持溫使坩鍋16內的鋼完全溶化，更使得鋼液3的溫度均勻化。

此時，將鎂添加裝置1置管式爐2坩鍋16上方，待溫度感 應器14偵測到溫度範圍為1120℃-1200℃之範圍內時，且恆定在該範圍內。此時打開控制閥12，以一定的加鎂粒速度，將儲料桶11中的純鎂粒加入到內嵌管132內，而能藉由溫度將純鎂粒氣化形成鎂蒸氣。此時打開閥門213，以0.2~0.5L/min流量，通入氬氣，完成在鋼液中添加鎂之過程。

因此，使用本發明在鋼液3中添加高蒸氣壓鎂的技術，顯然具有如下之優點：

(1)本發明主要係向鋼液3中添加純鎂，所以不會引入其它元素將鋼液3成分複雜化。

(2)本發明之特徵是將鎂金屬蒸氣化之後再利用氬氣為載體將其添加進鋼液3中，避免因固態鎂顆粒與液體鋼液直接接觸而發生爆炸的危險。

(3)本發明係在實施過程中，全程採用氬氣作為保護氣體，避免鎂與空氣接觸而氧化。

(4)本發明之重點是利用管式爐2之爐膛20內1120℃-1200℃的溫度範圍達到鎂的氣化過程，不需要額外加裝升溫氣化鎂的加熱裝置。

(5)本發明是在1120℃-1200℃的溫度範圍內將固態鎂氣化，在該溫度範圍內其鎂的蒸氣壓僅為4個大氣壓。

(6)本發明在內嵌管132的部分，該內嵌管132係為耐高溫不銹鋼材質；因此在鎂氣化過程中不會造成輸送管131爆裂。

(7)本發明在向鋼液3添加鎂時，係以氬氣作為載體，可很好並均勻鋼液3的成分，避免在管式爐2添加的過程中鎂成分在鋼液3總分佈不均勻的狀況。

(8)本發明在向鋼液3添加鎂時，鎂的收得率較高。

(9)本發明可通過控制儲料桶11加入內嵌管132之鎂的量，及配合加鎂時間達到準確控制鋼中鎂含量。

綜上所述，本發明能夠安全地、穩定地將鎂加入鋼液中，且不引入其他的合金元素，不僅生產成本低且鎂的收得率高，尤其鋼液中的鎂的分佈非常均勻，又申請前並未發現有相同或類似的裝置或方法申請專利在先或公開的資料，理已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。

1‧‧‧鎂添加裝置

11‧‧‧儲料桶

12‧‧‧控制閥

13‧‧‧本體

131‧‧‧輸送管

132‧‧‧內嵌管

1321‧‧‧氣孔

133‧‧‧三通管

14‧‧‧溫度感應器

15‧‧‧耐渣侵蝕塗層

Claims (6)

1. 一種鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法，主要係設一鎂添加裝置並放入管式爐內，打開閥門第一次將氬氣通入管式爐，使得管式爐內的氧分壓降至最低，同時加入純鎂粒，第二次通入氬氣，當鎂添加裝置中下部溫度升至設定溫度時，該設定溫度為1120℃-1200℃，使純鎂粒形成鎂蒸氣，藉由第三次通入氬氣將鎂蒸氣載入鋼液中。
2. 如請求項1所述之鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法，其中，該氬氣第二次通入管式爐時係以0.5~1.5L/min的流量通入氬氣。
3. 如請求項1所述之鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法，其中，該鎂蒸氣係利用第三次通入氬氣以0.2~0.5L/min的流量添加入鋼液中。
4. 如請求項1所述之鋼液添加高蒸氣壓鎂的方法，其中，該純鎂粒的粒徑為0.5~2mm。
5. 一種鋼液添加高蒸氣壓鎂的裝置，主要係由鎂添加裝置及管式爐所組成，該鎂添加裝置包含有：一儲料桶，係為密閉容器，設於最上端；一本體，係為中空管狀，與儲料桶緊密結合，形成一輸送管；一控制閥，係設於儲料桶與輸送管間，能調整儲料桶之落料；一內嵌管，係設於輸送管內，上端連接於儲料桶，底部係為封閉開設有數氣孔。
6. 如請求項5所述之鋼液添加高蒸氣壓鎂的裝置，其中，該內嵌管底部係開設有數孔徑小於純鎂粒之氣孔。