TWI698532B

TWI698532B - 鋼液的製造方法

Info

Publication number: TWI698532B
Application number: TW108113463A
Authority: TW
Inventors: 平田浩
Original assignee: 日商日本製鐵股份有限公司
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-07-11
Also published as: KR102359738B1; JP6923075B2; TW201943856A; CN112004947B; CN112004947A; KR20200130858A; WO2019203278A1; JPWO2019203278A1

Abstract

本發明具有以下步驟：第1步驟，對在前次加料之出鋼時留於電爐中作為起始鐵水的鋼液添加碳源，以製得含碳熔融鐵；第2步驟，對前述第1步驟中生成之含碳熔融鐵添加DRI，以進行熔解還原；第3步驟，接著添加去氧材，進行脫硫處理；第4步驟，排出由前述第3步驟之脫硫處理生成的脫硫爐渣；第5步驟，接著吹入氧以進行脫碳處理；第6步驟，排出由前述第5步驟之脫碳處理生成的脫碳爐渣；及，第7步驟，於前述第6步驟排出脫碳爐渣後，留下下次加料之起始鐵水之份量並進行出鋼。

Description

鋼液的製造方法

本發明係有關對將氧化鐵(鐵礦石等)預還原所製出的還原鐵(DRI)，以熔解爐進行還原及熔解以製造鋼液之鋼液的製造方法。

背景技術以往，新設置高爐需要花費高成本，因此在產出天然氣的國家，係以以下製程為主流：透過例如米德瑞克斯法(Midrex process)等，將丸粒等的經塊狀化之鐵礦石等的氧化鐵於豎爐進行還原，以製造金屬化率90%以上的還原鐵(DRI)，並以電爐熔解該DRI，直接製出鋼液。

此外，也開發了使用煤碳等碳材代替天然氣作為還原劑之還原鐵製程，並且已被實用化。該還原鐵製程有：將鐵礦石等的燒製丸粒與煤碳粉同時以迴轉窯加熱還原之方法(SL/RN法)，及將碳材與粉狀氧化鐵混合並使其塊狀化，於轉膛上進行加熱還原，以製出還原鐵之方法(RHF法)等。與豎爐法相比，上述方法較難製出高金屬化率之DRI，一般而言金屬化率係高至85%左右。因此，使用該DRI時，須在以電爐等熔解爐進行金屬鐵的熔解時，亦同時進行殘存之氧化鐵質的還原。

在專利文獻1中，記載了以下方法：以RHF法製造金屬化率為60%以上之DRI ，其後於電弧加熱式熔解爐製造碳含量為1.5~4.5質量%之熔融鐵，將該熔融鐵排出爐外後，以其他熔解爐進行脫硫處理、脫磷處理及脫碳處理。於該方法中，為使殘存之氧化鐵質還原，而於熔解爐添加碳材。然而，該方法中會將熔融鐵移換至其他的爐，因而導致熱損耗變大。並且，由於為確保熱源而更添加碳材，使碳含量高之熔融鐵脫碳以製出鋼液，故導致CO₂ 產生量變多。此外，在專利文獻2中，揭示了一種供給烴氣並且熔解鐵系原料的技術。然而，該方法係以使用烴氣為前提，故花費成本高。

先前技術文獻專利文獻專利文獻1：日本特開2001-515138號公報專利文獻2：日本特開2016-108575號公報

發明概要發明欲解決之課題本發明有鑑於前述問題點，係以提供一種鋼液的製造方法為目的，該鋼液的製造方法在以電爐等熔解爐來熔解及還原特別是金屬化率低之DRI時，生產性高、熱損耗少且CO₂ 產生量少。

用以解決課題之手段本發明中，為了將金屬化率低之DRI熔解還原來製造鋼液，會將鋼液的一部分留於爐內，作為下次加料之起始鐵水使用。但是，起始鐵水若為原本的鋼液，會使DRI的熔解還原遲滯，故在供給DRI前先僅將碳源供給於起始鐵水，以提高起始鐵水之C濃度。此C濃度如後述說明，宜為0.5質量%以上且在1.5質量%以下。

本發明如下。 (1)一種鋼液的製造方法，其特徵在於具有以下步驟：第1步驟，對在前次加料之出鋼時留於電爐中作為起始鐵水的鋼液添加碳源，以製得含碳熔融鐵；第2步驟，對前述第1步驟中生成之含碳熔融鐵添加DRI，進行熔解還原；第3步驟，接著添加去氧材，進行脫硫處理；第4步驟，排出由前述第3步驟之脫硫處理生成的脫硫爐渣；第5步驟，接著吹入氧以進行脫碳處理；第6步驟，排出由前述第5步驟之脫碳處理生成的脫碳爐渣；及第7步驟，於前述第6步驟排出前述脫碳爐渣後，留下下次加料之起始鐵水之份量並進行出鋼。 (2)如上述(1)之鋼液的製造方法，其中令前述電爐之爐徑為D(m)時，於前述第7步驟留下之起始鐵水量W(t)設為0.3×D² >W>1.6×D² 。 (3)如上述(1)或(2)之鋼液的製造方法，其中於前述第1步驟中，製得C濃度在0.5質量%以上且1.5質量%以下之含碳熔融鐵。

發明效果根據本發明，可提供一種鋼液的製造方法，其在以電爐等熔解爐來熔解及還原特別是金屬化率低之DRI時，生產性高、熱損耗少且CO₂ 產生量少。

發明實施形態以下，針對本發明實施形態，參照圖式進行說明。圖1係用以說明本實施形態之以電爐等熔解爐來熔解及還原特別是金屬化率低之DRI，以製造鋼液的方法之圖。如圖1所示，本實施形態之製造方法至少由第1步驟~第7步驟之7個步驟所成立。

由於說明上的方便性，首先由第7步驟開始說明。第7步驟係排出鋼液的步驟，該鋼液已透過第5步驟之脫碳處理，使C濃度降低至例如小於0.1質量%。此時並不會排出鋼液之總量，而係於爐內留下用以作為下次加料之起始鐵水之量的鋼液。

使用直流電爐作為熔解爐時，在後述之第2步驟，對上部電極與設置於爐底之下部電極之間施加電壓使電弧發生，將其熱使用於DRI之熔解還原。於施加電壓時若無起始鐵水，電會經由DRI流動，故DRI與爐底之下部電極的接觸電阻會變大，於熔解初期電弧會不穩定，而導致熔解時間變長。此外，使用還原率低且氧化鐵質多的DRI時，電不易流動，會更增加熔解時間。

另一方面，於施加電壓時若有起始鐵水，則由於與爐底之下部電極緊密接觸，故電弧穩定而可縮短熔解時間。因此，重要的係不排出總量之鋼液，而留下一部分作為起始鐵水。又，令熔解爐之爐內徑為D(m)時，起始鐵水量W(t)宜滿足下式(1)。 0.3×D² >W>1.6×D² ・・・(1)

此處，起始鐵水量W若為0.3×D² 以下，則如前所述，DRI與爐底之下部電極的接觸電阻容易變大，而可能使電弧不穩定。另外，起始鐵水量W若為1.6×D² 以上，則會造成於後述之第5步驟的脫碳處理之負荷增加。又，「0.3」及「1.6」之數值，係由電爐內之浴深(m)及熔鐵密度(t/m³ )之乘積來算出之值。

接著，說明第1步驟。在後述之第2步驟添加DRI前，於第1步驟中，在爐內添加煤碳(燃料煤)及無煙煤等碳材，以將屬起始鐵水之鋼液製成預定C濃度之熔融鐵。碳材之供給方法並無特別限定，而有以下方法：藉由從設置於爐上部之料斗自由落下來添加之方法；將上部電極設為中空電極，從中空部進行供給之方法；使用專用噴槍來對鋼液進行噴吹之方法；使用浸漬噴槍直接吹入鋼液中之方法；及，從用以攪拌熔湯而設置的底吹風口吹入鋼液中之方法等。

此處，若為起始鐵水之C濃度小於0.1質量%等之鋼液，則第2步驟中所添加之DRI在未達到鐵的熔點以上時便無法熔解。因此，在仍為起始鐵水之C濃度小於0.1質量%等之鋼液的情況下，需要大量能量以進行熔解。又，若作業溫度為鐵的熔點以上，且為使作業穩定化而將過熱溫度設為100℃，則必須維持1650℃的高溫狀態。因此，對耐火材料的負荷相當大。此外，在仍為起始鐵水之C濃度小於0.1質量%等之鋼液的情況下，殘留於DRI中的氧化鐵質不會被還原，而生成高氧化鐵濃度的爐渣，對耐火材料造成不良影響。在使用低金屬化率之DRI時特別顯著。

因此本實施形態中，係於第1步驟進行加碳，以將起始鐵水製成含C熔湯。藉此，添加之DRI的金屬鐵會因熔湯中的C而滲碳，使熔點降低而促進熔解速度，可提升生產性。並且，作業溫度也可因應起始鐵水之C濃度而降低，可減輕對耐火材料的負荷。又，DRI中的氧化鐵也會與起始鐵水中的C反應而促進還原，故所生成之爐渣中的氧化鐵濃度會落在低位。此外，伴隨第5步驟中的脫碳反應同時也會促進脫氮，故也可低氮化。如以上所述，藉由將起始鐵水製成含C熔湯，可提升生產性，並且可減輕對耐火材料的負荷。

此處，在進入第2步驟前，屬起始鐵水之熔融鐵的C濃度宜設為0.5質量%以上。這是由於C濃度小於0.5質量%時，DRI中的金屬鐵之滲碳熔解速度及氧化鐵的還原速度會降低，而導致生產性惡化之故。又，反之，熔融鐵的C濃度變得過高時，在後述之第5步驟中脫碳處理的負荷會增加，並且CO₂ 產生量會增加。因此，宜使屬起始鐵水之熔融鐵的C濃度在1.5質量%以下。

接著，說明第2步驟。於第2步驟中，將以豎爐及RHF製得之DRI供給於熔解爐，並對上部電極與設置於爐底之下部電極之間施加電壓使電弧發生，以熔解DRI中的金屬鐵，並且進行殘存於DRI之氧化鐵質的還原。DRI之供給方法可採用例如：塊狀者係藉由從設置於上部之料斗自由落下來添加至爐內，而粉狀者係將上部電極設為中空電極，從中空部吹入之方法等。於第2步驟供給之DRI為例如以下表1所示組成者。又，爐渣成分之主成分為SiO₂ 和Al₂ O₃ ，其他則包含CaO、MgO、S、P₂ O₅ 及MnO。另外，令DRI中純鐵成分之質量%為mass%M.Fe，且令DRI中FeO成分之質量%為mass%FeO時，金屬化率可以金屬化率=mass%M.Fe/(mass%M.Fe+mass%FeO×55.75/71.85)來計算。

[表1]

針對經於第1步驟調整後之熔融鐵中的C濃度，於第2步驟中更配合DRI之供給速度來投入煤碳及無煙煤等碳材。此處投入之碳材量係以以下之總和為基礎：將DRI中之鐵分進行滲碳至熔融鐵之C濃度為止所需的量、與還原DRI中之氧化鐵(FeO等)所需的量。於第2步驟投入之碳材，係與於第1步驟投入之碳材同樣可例舉燃料煤及無煙煤等。以下表2中示出燃料煤之組成示例，表3中則示出無煙煤之組成示例。表2及表3中之FC表示固定碳(Fixed Carbon)，VM表示揮發成分(Volaile Matter)。於第1步驟及第2步驟中，燃料煤和無煙煤可分別單獨使用，亦可混合使用。又，除此之外的碳材，也可使用如塑膠廢棄物及生質之類的碳源。

[表2]

[表3]

作業溫度係由熔融鐵中的C濃度來決定，該熔融鐵中的C濃度則與以下兩者的差相關：相對於經於第1步驟調整後之熔融鐵中的C濃度，在第2步驟投入之碳材量、與前述之將DRI中之鐵分進行滲碳至熔融鐵之C濃度為止所需的量和還原DRI中之氧化鐵(FeO等)所需的量之總和。圖2係Fe-C系狀態圖，示出因C濃度所致之鐵的熔點變化。為使作業穩定化，過熱溫度須在100℃以上，而欲以例如過熱溫度100℃進行作業時，若係C濃度為1.5質量%之熔融鐵則熔點為1430℃，故作業溫度即為1530℃。第2步驟中，係視碳材與DRI之供給速度來施加電壓，以保持根據熔融鐵中之C濃度決定之作業溫度。第2步驟開始前之含碳熔融鐵的C濃度如前所述，宜為0.5質量%以上且在1.5質量%以下，並且，控制於0.5質量%以上且1.5質量%以下之範圍內直到第2步驟結束時為止則更佳。

接著，說明第3步驟。雖隨著產地不同而含量不同，但鐵礦石及煤碳皆含硫。由於無法瞬間還原DRI中之氧化鐵，因此在剛結束投入DRI後，爐渣中的氧化鐵濃度高。在爐渣中的氧化鐵濃度高之狀態下，熔融鐵(以下有時記載為金屬液)與爐渣之間的硫分佈少，並且有更多硫存在於金屬液中更甚於爐渣中。由於以後述第5步驟之脫碳處理不易除去金屬液中之硫，故若省略第3步驟及後述第4步驟，則脫碳處理結束後之鋼液其硫濃度高，而不滿足低硫鋼製造的需求。此外，硫係表面活性成分，故會獨佔吸附位置。因此，金屬液中之硫濃度若高，便會難以從金屬液中除去氮，而不滿足低氮鋼製造的需求。因此，於第2步驟結束後進行脫硫處理極為重要。

第2步驟結束(DRI供給結束)後，在第3步驟中，係於爐內添加金屬Al或金屬Al含有物等去氧劑，以還原爐渣中氧化鐵質，並且除去熔融鐵中的氧。於此狀態下，爐渣與金屬液之間的硫分佈變多，硫會從金屬液移至爐渣，而金屬液中的硫濃度降低。又，以直流電爐作為熔解爐時，通常係使上部電極為負極，且使爐底之下部電極為正極，但若以上部電極為正極、爐底之下部電極為負極來施加電壓，則能夠電化學性地提高表觀硫分佈，進而可促進脫硫。

接著，說明第4步驟。若將以第3步驟之脫硫所形成之脫硫爐渣直接留下並進行脫碳處理，硫會從爐渣再次移至金屬液(復硫)，故於第4步驟係先將脫硫爐渣從排渣孔排出。

接著，說明第5步驟。於第5步驟中，係從爐上部將氧噴槍插入爐內並對熔融鐵噴吹氧，藉此進行脫磷處理及脫碳處理，使其降低至預定磷濃度及碳濃度為止。於脫碳處理中，氧與熔融鐵中之碳會反應而產生CO氣體，此時溶解於熔融鐵中的氮會被組入CO氣體，而可從熔鐵中除去氮。

接著，說明第6步驟。第6步驟係排出於第5步驟生成之脫碳爐渣之步驟。於第5步驟之脫磷處理及脫碳處理中，熔鐵中的磷會移至爐渣。若不將脫碳爐渣排出以將磷排出系統外，磷便會濃化而變得無法製造低P鋼。因此，必須盡可能排出脫碳爐渣。

如以上所述，藉由本實施形態之第1步驟~第7步驟，可抑制熱損耗並抑制CO₂ 產生量，來製出鋼液。尤其，透過在第1步驟中於起始鐵水添加碳源以製成含碳熔鐵，可提高DRI的熔解速度及還原速度，並能減少熱損耗。藉此，便可抑制為了確保熱源而添加碳材，結果也可抑制CO₂ 產生量。於以下表4及表5示出各步驟各自之金屬液組成和爐渣組成。

[表4]

[表5]

如表4所示，本實施形態於第2步驟中，更配合DRI之供給速度來投入煤碳及無煙煤等碳材，使熔鐵中的C濃度為0.1~1.5質量%之範圍。藉由抑制C濃度，也可抑制脫碳處理之CO₂ 產生量。

實施例接下來，說明本發明實施例，惟，實施例中之條件係用以確認本發明之可實施性及效果而採用的一條件例，且本發明不受該一條件例限定。只要能在不脫離本發明之宗旨下達成本發明之目的，則本發明可採用各種條件。

首先在前次加料中，從具有中空電極之爐徑6m的直流電爐將鋼液出鋼，並且將20t之鋼液留於直流電爐中作為起始鐵水。於前次加料製出之鋼液的C濃度為0.05質量%。然後，在第1步驟中從中空電極添加碳材，一邊以內建有能以熱分析來測定C濃度之C感測器的副測管探頭來測定C濃度，一邊加碳至起始鐵水的C濃度成為1.0質量%為止。

接著，在第2步驟中，同時添加金屬化率75%的DRI與碳材，進行熔解還原。此時，控制金屬液中的C濃度使其保持為1.0質量%，並控制作業溫度使其為1570℃。熔解還原時間為30分鐘，結束添加DRI時之熔湯量為300t，爐渣量則為40t。

接著，在第3步驟中添加Al灰作為去氧劑，進行脫硫，並且在脫硫後，於第4步驟中從直流電爐之排渣孔排出30t的爐渣。其後，在第5步驟中，從設置於爐上部之氧噴槍供氧，進行脫碳處理，製出C濃度為0.05質量%之鋼液。第5步驟中，伴隨脫碳同時也會促進脫氮，所製出之鋼液的N濃度為30ppm。然後，在第6步驟中，從排渣孔排出由脫碳處理生成的爐渣。其後，在第7步驟中，於爐內留下20t鋼液作為下次加料之起始鐵水，並將剩餘的280t鋼液出鋼。

另一方面，在不以單爐進行至脫碳為止，而係將熔解還原後之熔銑出銑，並於其他爐進行脫碳處理之2爐方式的情況下，會因從熔解爐出銑與將熔銑裝入脫碳爐而降低至少100℃的溫度。與此相對，本實施例中並無該熱損耗，而可謀求減低單位能量需求量(unit requirement of energy)。又，由於是從C濃度為1.0質量%之狀態進行脫碳，故與2爐方式相較之下，脫碳量少，可減低CO₂ 產生量。具體而言係如以下所述。

於本實施例中，由於係將300t之C濃度為1.0質量%的熔融鐵脫碳至0.05質量%，故會產生以下所示之CO₂ ： 300×(1-0.05)/100/12×22.4=5.3Nm³ 。另一方面，當係2爐方式時，DRI之還原時係以令C濃度為3.0質量%來實施，並且設為將該熔銑出銑並於其他爐進行脫碳處理。將C濃度設為3.0質量%之原因為：若較3.0質量%低，由於在移換時會有熱損耗，而僅以脫碳處理之C燃燒產生的發熱量並無法達到脫碳處理結束時的預定溫度。由於本實施例中係將280t之鋼液出鋼，故於2爐方式下係將280t之熔銑進行脫碳即可。因此，CO₂ 產生量為 280×(3-0.05)/100/12×22.4=16.5Nm³ 。如以上所述，可確認到在本實施例之情況下，可較2爐方式減少CO₂ 產生量。

(比較例) 首先在前次加料中，從具有中空電極之爐徑6m的直流電爐將鋼液出鋼，並且將20t之鋼液留於直流電爐中作為起始鐵水。於前次加料製出之鋼液的C濃度為0.05質量%。接著，省略第1步驟，而在第2步驟中添加金屬化率75%的DRI，進行熔解還原。此時，除了必須使作業溫度為1640℃的高溫之外，還需要花費60分鐘的熔解還原時間。其後，以與實施例相同的條件進行脫硫處理、脫碳處理等。

如以上所述，與實施例相較之下，比較例要花費加倍之熔解還原時間，故結果使生產性降低。

產業上之可利用性根據本發明，可提供一種鋼液的製造方法，其在以電爐等熔解爐來熔解及還原特別是金屬化率低之DRI時，生產性高、熱損耗少且CO₂ 產生量少，而工業上之價值高。

圖1係用以說明本發明實施形態中製造鋼液的各步驟之圖。圖2係示出C濃度與熔融鐵之熔點的關係之圖。

Claims

一種鋼液的製造方法，其特徵在於具有以下步驟：第1步驟，對在前次加料之出鋼時留於電爐中作為起始鐵水的鋼液添加碳源，以製得含碳熔融鐵；第2步驟，對前述第1步驟中生成之含碳熔融鐵添加DRI，進行熔解還原；第3步驟，接著添加去氧材，進行脫硫處理；第4步驟，排出由前述第3步驟之脫硫處理生成的脫硫爐渣；第5步驟，接著吹入氧以進行脫碳處理；第6步驟，排出由前述第5步驟之脫碳處理生成的脫碳爐渣；及第7步驟，於前述第6步驟排出前述脫碳爐渣後，留下下次加料之起始鐵水之份量並進行出鋼。
如請求項1之鋼液的製造方法，其中令前述電爐之爐徑為D(m)時，於前述第7步驟留下之起始鐵水量W(t)設為0.3×D² >W>1.6×D² 。
如請求項1或2之鋼液的製造方法，其中於前述第1步驟中，製得C濃度在0.5質量%以上且1.5質量%以下之含碳熔融鐵。