TWI778563B - 減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，在使用真空脫氣設備對於熔鋼進行脫碳精煉時，可精確推斷熔鋼中碳濃度，並且在適當的時間點判定脫碳精煉的結束。 本發明的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法為包含送氧脫碳處理、及沸騰脫碳處理之熔鋼的脫碳精煉方法，使用送氧脫碳處理的開始時及結束時之操作資料，推斷送氧脫碳處理的脫碳量，並且基於已推斷的脫碳量而求得沸騰脫碳處理的開始時之熔鋼中碳濃度的推斷值，將已求得的推斷值作為沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度，而計算沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之經時變化，基於已計算的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化而判定沸騰脫碳處理的結束時期。

Description

減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法
本發明係關於使用真空脫氣設備之減壓下的熔鋼之脫碳精煉方法。
作為將盛桶內的熔鋼在減壓下進行脫碳精煉的真空脫氣設備，已知RH真空脫氣裝置、DH真空脫氣裝置、REDA真空脫氣裝置、VAD真空精煉設備等各種型式的設備。其中，將盛桶內的熔鋼在減壓下進行的脫碳精煉也稱為「真空脫碳精煉」。伴隨鋼材的高級化及其需求的增加，需要真空脫碳精煉的鋼種及對象量有增加的傾向，因而強烈期望藉由將該處理所需的時間縮短，而提升真空脫氣設備的處理能力及降低轉爐的出鋼溫度，使鋼材製造成本減低。
在真空脫氣設備之減壓下的脫碳精煉，脫碳精煉的結束判定精確度為低時，儘管熔鋼的碳濃度成為目標濃度以下，脫碳精煉仍然持續進行，導致真空脫碳精煉延遲。因此，為了迅速進行真空脫碳精煉，關鍵在於正確把握各個時刻變化的真空脫碳精煉中的熔鋼之碳濃度。然而，在目前的作業程序中，一般而言，操作人員藉由排出氣體的分析資料等依靠感覺判斷脫碳精煉結束的時期，精確度不足。
為了改善此問題，以往，提出數項技術用於正確推斷在減壓下經脫碳精煉的盛桶內熔鋼之碳濃度。
例如，在專利文獻1，提出一種方法，分析排出氣體中的CO氣體、CO2 氣體、O2 氣體的各濃度，對於該分析值校正真空排氣系統內的漏氣量而求得CO氣體濃度及CO2 氣體濃度，從已校正的CO氣體濃度及CO2 氣體濃度，基於預先求得的校正氣體濃度及熔鋼中的碳量之間的相關，而推斷熔鋼中的碳量。
然而，在專利文獻1的方法，從排出氣體分析計或流量計的精確度之問題，熔鋼中碳濃度為50質量ppm以下的極低碳區域的碳濃度之推斷精確度不足。
在專利文獻2，提出一種方法，於基於熔鋼的真空脫碳反應模型而推斷脫碳處理中的碳濃度之方法，基於在真空排氣開始前所採取的熔鋼試料之碳分析值、真空排氣即將開始之前所測定的熔鋼之溫度T、及氧位能感測器所得到的氧位能[O]之值，而在線上讀入真空槽內的壓力Pt之變化，進而算出各個時刻的碳濃度及氧濃度。
然而，在專利文獻2的方法，有以下的問題：在不考慮朝向熔渣中的氧移動之影響，熔鋼氧化導致生成FeO時所伴隨的送氧脫碳處理時，無法正確評估氧收支(氧平衡)，故計算會產生誤差。
在專利文獻3，提出一種方法，從處理開始時推斷排出氣體的成分及從量推斷熔鋼的碳量，在熔鋼的碳量之推斷值成為從100質量ppm到30質量ppm為止的範圍之任意的時間點，藉由脫碳模型公式的計算而推斷之後的碳濃度之推移。
然而，在專利文獻3的方法，有以下問題：在排出氣體分析方面有時間延遲的現象，從利用排出氣體的成分及量所進行的推斷切換成利用脫碳模型公式所進行的推斷時的熔鋼中碳濃度不易決定。
在非專利文獻1，為了精確分析真空脫氣爐的熔鋼之脫碳反應，而記載液相內物質移動、氣相內物質移動、化學反應速度這三個基本過程、及已考慮內部脫碳、表面脫碳、氣泡脫碳這三個反應的脫碳反應模型。其中，內部脫碳係指來自具有該值以上的過飽和壓之熔鋼內部的CO氣體之產生所導致的脫碳反應，表面脫碳係指暴露在減壓下的環境氣體之自由表面的脫碳反應，氣泡脫碳係指噴吹入熔鋼中的稀有氣體氣泡(氬氣氣泡)上浮中在表面發生的脫碳反應。然而，非專利文獻1僅表示解析在減壓下的熔鋼之脫碳反應的概念，並未提出在適當時間點判定脫碳精煉的結束等之具體精煉方法。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3965008號公報 [專利文獻2]日本專利第3415997號公報 [專利文獻3]日本專利第3231555號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1]北村信也等人；鐵與鋼，vol.80 (1994)，p.213-218
[發明所欲解決之課題]
如同上述，在使用真空脫氣設備的熔鋼之真空脫碳精煉，以往，提出推斷脫碳精煉中的熔鋼中碳濃度之多個方法，但有任一者的精確度皆不足的問題。
本發明係鑒於上述事情而成者，其目的在於提供減壓下的熔鋼之脫碳精煉方法，使用真空脫氣設備將熔鋼脫碳精煉時，可精確推斷熔鋼中碳濃度，在適當的時間點可判定脫碳精煉的結束。 [用於解決課題之手段]
本發明者們為了解決上述課題，致力於實驗及探討。另外，作為使用真空脫氣設備將熔鋼進行真空脫碳精煉的方法，進行以下的3個處理方法。
(1)；從頂吹噴槍等將氧化性氣體(氧氣等)吹到真空槽內的熔鋼，使氧化性氣體中的氧及熔鋼中的碳反應而進行脫碳精煉的處理方法。該處理方法稱為「送氧脫碳處理」。
(2)；對於熔鋼不供給氧化性氣體或氧化鐵等氧源，將未脫氧的未脫氧狀態之熔鋼(沸騰狀態的熔鋼)暴露在減壓下，藉此，基於熔鋼中氧及熔鋼中碳之間的平衡關係之變化而使熔鋼中的溶存氧及熔鋼中的碳反應來進行脫碳精煉處理方法。該處理方法稱為「沸騰脫碳處理」。
(3)；真空脫碳精煉的前半為在前述送氧脫碳處理進行脫碳精煉、真空脫碳精煉的後半在前述沸騰脫碳處理進行脫碳精煉的處理方法。
本發明係藉由最常進行的處理方法也就是(3)的方法進行真空脫碳精煉作為前提，而致力於實驗及探討。結果，送氧脫碳處理中的脫碳量之推斷未精確進行，故沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度會出現不均勻。可知沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度即使出現不均勻，也無法反映在沸騰脫碳處理條件，藉此，真空脫碳精煉結束時的熔鋼中碳濃度之推斷精確度及處理結束的判定精確度不會上升。
於是，本發明者們從可更精確推斷送氧脫碳處理中的脫碳量，並且將該脫碳量反映在沸騰脫碳處理的結束判定之觀點進行探討，而完成本發明。具體而言，可知從送氧脫碳處理時的氧收支，求得送氧脫碳處理中的脫碳量，進一步，在送氧脫碳處理後的沸騰脫碳處理時，使用脫碳反應模型而計算熔鋼中碳濃度，藉此，可精確度推斷熔鋼中碳濃度。
本發明係基於上述認知而成者，要旨如以下所示。
[1] 一種減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其包含： 送氧脫碳處理，在減壓下對於熔鋼噴吹氧化性氣體而實施脫碳處理；及 沸騰脫碳處理，在前述送氧脫碳處理之後，停止將包含前述氧化性氣體的氧源朝向熔鋼供給，在減壓下實施脫碳處理而達到目標的熔鋼中碳濃度以下，特徵為： 在脫碳精煉對象的批次，使用前述送氧脫碳處理的開始時及前述送氧脫碳處理的結束時之操作資料，推斷前述送氧脫碳處理的脫碳量， 基於已推斷的前述送氧脫碳處理之脫碳量，而求得前述沸騰脫碳處理的開始時之熔鋼中碳濃度的推斷值，將已求得的前述推斷值作為沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度，計算該批次的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化， 基於前述已計算的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化而判定前述沸騰脫碳處理的結束時期。
[2] 如上述[1]的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中前述沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之經時變化的計算值成為目標的熔鋼中碳濃度以下之後，結束沸騰脫碳處理。
[3] 如上述[1]或上述[2]的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述送氧脫碳處理的脫碳量基於該批次的送氧脫碳處理中之氧的收支予以推斷。
[4] 如上述[1]至上述[3]中任一項的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中在前述送氧脫碳處理之氧的收支，至少在該批次包含供給到送氧脫碳處理中的前述氧化性氣體所包含的氧氣之供給量、前述送氧脫碳處理之前後的熔鋼中氧的變化量、及前述送氧脫碳處理之前後的熔渣中氧的變化量作為入氧量或出氧量，將前述送氧脫碳處理的脫碳量從前述入氧量與前述出氧量之間的差求得。
[5] 如上述[4]的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述送氧脫碳處理之前後的熔渣中氧的變化量，從前述送氧脫碳處理之開始前的熔渣之氧位能的測定值及熔渣厚度的測定值、以及前述送氧脫碳處理之結束後的熔渣之氧位能的測定值及熔渣厚度的測定值予以求得。
[6] 如上述[1]至上述[5]中任一項的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述送氧脫碳處理的脫碳量，使用下述的(1)式到下述的(3)式予以推斷。
[數學式1]
Figure 02_image001
其中，ΔOC 為送氧脫碳處理時有助於熔鋼脫碳的氧量(kg)；ΔOO 為送氧脫碳處理時熔鋼中的溶存氧之變化量(kg)；ΔOS 為送氧脫碳處理時熔渣中氧的變化量(kg)；OExh 為在送氧脫碳處理被供給的氧之中，以氧或二氧化碳的形式排出到排氣系統的氧量(kg)；FO2 為送氧脫碳處理的氧供給量(kg)；GCO2 為送氧脫碳處理時排出氣體中的二氧化碳量(kg)；GO2 為送氧脫碳處理時排出氣體中的氧量(kg)；ΔC為送氧脫碳處理時熔鋼的脫碳量(kg)；ζ為排出氣體流量的校正係數(‐)。
[7] 如上述[1]至上述[6]中任一項的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中在前述沸騰脫碳處理，至少將表面脫碳的反應相界面積包含在計算參數而進行熔鋼中碳濃度的經時變化之計算，將前述表面脫碳的反應相界面積使用沸騰脫碳處理中各個時刻的操作資料予以導出並且更新。
[8] 如上述[7]的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中作為將前述沸騰脫碳處理的表面脫碳之反應相界面積導出之用的各個時刻之操作資料，至少使用排出氣體中的CO濃度。
[9] 如上述[7]的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中作為將前述沸騰脫碳處理的表面脫碳之反應相界面積導出之用的各個時刻之操作資料，至少使用排出氣體中的CO濃度、排出氣體中的CO2 濃度、排出氣體中的O2 濃度及熔鋼溫度。
[10] 如上述[9]的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述沸騰脫碳處理的表面脫碳之反應相界面積，使用從下述的(4)式到下述的(10)式予以導出。
[數學式2]
Figure 02_image003
其中，AS 為表面脫碳的反應相界面積(m2 )；Π為表面反應速度因子；α為常數(3～15)；ANA 為從下部槽的剖面積減去上升側浸漬管的剖面積而得的面積(m2 )；β為液面活性係數；AA 為上升側浸漬管的剖面積(m2 )；εQ 為攪拌動力密度(W/kg)；W為熔鋼量(kg)；Q為熔鋼的環流量(kg/s)；v為來自下降側浸漬管的熔鋼之吐出流速(m/s)；G為環流用氣體的流量(NL/min)；D為上升側浸漬管的內徑(m)；P0 為大氣壓(torr)；P為真空槽內的壓力(torr)；ρm 為熔鋼的密度(kg/m3 )；γ為比例常數(1×104 ～1×105 )；PCO 為真空槽內環境氣體的CO氣體分壓；T為熔鋼溫度(K)；cco_gas 為排出氣體中的CO氣體之濃度(質量%)；cco2_gas 為排出氣體中的CO2 氣體之濃度(質量%)。 [發明效果]
若依照本發明，則使用真空脫氣設備對於熔鋼進行真空脫碳精煉時，可精確推斷熔鋼中碳濃度，又，藉此，可在適當的時間點判定脫碳是否結束，而可縮短真空脫碳精煉時間。
以下，具體說明本發明。
本發明的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法包含：送氧脫碳處理，在減壓下對於熔鋼吹送氧化性氣體而實施脫碳處理；及沸騰脫碳處理，在該送氧脫碳處理之後、停止包含前述氧化性氣體的氧源對於熔鋼的供給，在減壓下實施脫碳處理而達到目標的熔鋼中碳濃度以下。然後，在脫碳精煉對象的批次，使用送氧脫碳處理的開始時及送氧脫碳處理的結束時之操作資料，推斷送氧脫碳處理的脫碳量，基於已推斷的送氧脫碳處理之脫碳量，而求得沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度之推斷值。將已求得的前述推斷值作為沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度，計算該批次之沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之經時變化，基於已計算的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化而判定沸騰脫碳處理的結束時期。
在本發明的可在減壓下進行熔鋼的脫碳精煉方法之真空脫氣設備，具有RH真空脫氣裝置、DH真空脫氣裝置、REDA真空脫氣裝置、VAD真空精煉設備等，其中最具代表性的設備為RH真空脫氣裝置。於是，首先，說明RH真空脫氣裝置的真空脫氣精煉方法。
圖1表示RH真空脫氣裝置的一例之概略縱剖面圖。在圖1，符號1為RH真空脫氣裝置，2為盛桶，3為熔鋼，4為精煉熔渣，5為真空槽，6為上部槽，7為下部槽，8為上升側浸漬管，9為下降側浸漬管，10為環流用氣體噴吹管，11為管道，12為原料投入口，13為頂吹噴槍。符號14為測定從頂吹噴槍供給的氧化性氣體之流量的氧化性氣體流量計，15為測定從管道排出的排出氣體之流量的排出氣體流量計，16為測定從管道排出的排出氣體之成分(CO氣體、CO2 氣體、O2 氣體)濃度的氣體分析計。符號17為記憶・演算裝置，並且為記憶從氧化性氣體流量計14、排出氣體流量計15、氣體分析計16等輸入的操作資料，而且使用這些操作資料，演算從後述的(1)式到(24)式的記憶・演算裝置。又，DL 為盛桶平均內徑，DS 為上升側浸漬管及下降側浸漬管的外徑，ds 為熔渣厚度。
真空槽5為由上部槽6及下部槽7所構成，又，頂吹噴槍13為對於真空槽內的熔鋼吹送氧化性氣體或媒溶劑予以添加的裝置，設置在真空槽5的上部，並且可在真空槽5的內部上下移動。
在RH真空脫氣裝置1，將收納熔鋼3的盛桶2由升降裝置(未圖示)上升，使上升側浸漬管8及下降側浸漬管9浸漬在盛桶內的熔鋼3。然後，由使真空槽5的內部連結在管道11的排氣裝置(未圖示)予以排氣而將真空槽5的內部減壓，並且從環流用氣體噴吹管10對於上升側浸漬管8的內部吹送環流用氣體。真空槽5的內部減壓的話，盛桶內的熔鋼3會正比於大氣壓與真空槽內的壓力(真空度)之間的差上升，流入真空槽內。又，盛桶內的熔鋼3藉由從環流用氣體噴吹管10噴吹的環流用氣體造成的氣舉效果，連同環流用氣體使上升側浸漬管8上升而流入到真空槽5的內部。藉由壓力差及氣舉效果而流入到真空槽5的內部之熔鋼3經由下降側浸漬管9而返回盛桶2。從盛桶2流入真空槽5，將從真空槽5返回盛桶2的熔鋼之流動稱為「環流」，熔鋼3形成環流，對於熔鋼3施加RH真空脫氣精煉。
熔鋼3在真空槽內暴露在減壓下的環境氣體，熔鋼中的氫或氮從熔鋼3移動到真空槽內的環境氣體中，對於熔鋼3進行脱氫處理、脱氮處理。又，熔鋼3為未脫氧狀態時，藉由暴露在減壓下的環境氣體，使熔鋼中碳及熔鋼中溶存氧反應而生成CO氣體，該CO氣體移動到真空槽內的環境氣體中，進行熔鋼3的脫碳反應。該脫碳反應相當於沸騰脫碳處理。
在本發明的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，於真空脫碳精煉的前半，從頂吹噴槍13對於真空槽內的未脫氧狀態之熔鋼3吹送氧化性氣體，實施送氧脫碳處理。熔鋼中的碳與從頂吹噴槍13供給的氧化性氣體中的氧進行反應而成為CO氣體，該CO氣體移動到真空槽內的環境氣體中，進行熔鋼3的脫碳反應。作為從頂吹噴槍13吹送的氧化性氣體，使用氧氣(工業用純氧)、氧氣與不活性氣體之間的混合氣體、富氧空氣等。藉由從頂吹噴槍13吹送的氧化性氣體，熔鋼中的溶存氧濃度會上升。
之後，包含來自頂吹噴槍13的氧化性氣體之供給，停止氧化鐵等氧源對於熔鋼3的供給，遷移到減壓下的沸騰脫碳處理。在沸騰脫碳處理，繼續沸騰脫碳處理直到成為目標的熔鋼中碳濃度以下，成為目標的熔鋼中碳濃度以下之時刻之後，將金屬鋁等脫氧材添加到熔鋼3，結束沸騰脫碳處理。藉由添加金屬鋁等脫氧材而使熔鋼中的溶存氧降低，沸騰脫氧處理結束。
本發明者們在使用RH真空脫氣裝置等真空脫氣設備並且使熔鋼在減壓下精煉而除去熔鋼中的碳之熔鋼的真空脫碳精煉，探討精確求得真空脫碳精煉初期的送氧脫碳處理期之氧收支。結果，發現作為求得氧收支的操作資料，基於不只考慮熔鋼中的溶存氧或脫碳反應所使用的氧化性氣體中之氧，也考慮FeO或MnO等熔渣4所含有之氧的氧收支而計算脫碳量。已知可藉由該方法求得氧收支，而精確判斷送氧脫碳處理後的熔鋼中碳濃度。
以往，如同前述(例如參考專利文獻1)，雖然嘗試利用排出氣體中的碳收支而推斷脫碳量，但並未嘗試利用氧收支而推斷脫碳量。原因在於，在利用氧收支的脫碳量之推斷，必須連續測定熔鋼中的氧活度，但並無連續測定的適當方法，故無法連續推斷脫碳量，不適合用於脫碳結束判定。又，使用排出氣體中的碳收支之脫碳量的推斷也在熔鋼中碳濃度為50質量ppm以下的極低碳區域有精確度不足的問題，故不適合用於脫碳結束判定。
因此，在包含極低碳區域之沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之推斷，使用脫碳反應模型為有效。然而，在使用脫碳反應模型的脫碳量之推斷，包含送氧脫碳處理期而進行計算時，在每次處理中，噴吹氧在各個步驟的消耗(脫碳反應、二次燃燒、熔渣氧化、排氣)會不均勻，而有推斷精確度降低的問題產生。
然而，如同後述，若在送氧脫碳處理途中實際量測熔渣中氧量，則在送氧脫碳處理中，可精確評估包含脫碳中所消耗的氧量之噴吹氧在各個步驟的消耗。在本發明，藉由利用排出氣體中的氧濃度之推移而明確定義送氧脫碳處理的結束時刻，在該時刻，使熔渣中氧量的實測時間點、及切換到使用脫碳反應模型的碳濃度推斷之時間點一致。藉此，可消除噴吹氧在各個步驟的消耗不均勻之影響，而減低推斷誤差。
以下，說明基於已考慮熔渣4的生成所使用的氧之氧收支而求得送氧脫碳處理期的脫碳量之方法。
送氧脫碳處理時的氧收支由下述的(1)式及(2)式表示。
[數學式3]
Figure 02_image005
其中，ΔOC 為有助於送氧脫碳處理時的熔鋼之脫碳的氧量(kg)，ΔOO 為送氧脫碳處理時的熔鋼中之溶存氧的變化量(kg)，ΔOS 為送氧脫碳處理時的熔渣中氧之變化量(kg)，OExh 在送氧脫碳處理所供給的氧之內，作為氧或二氧化碳排出到排氣系統的氧量(kg)，FO2 為送氧脫碳處理的氧供給量(kg)，GCO2 為送氧脫碳處理時的排出氣體中之二氧化碳量(kg)，GO2 為送氧脫碳處理時的排出氣體中之氧量(kg)，ΔC為送氧脫碳處理時的熔鋼之脫碳量(kg)，ζ為排出氣體流量的校正係數(‐)。
校正係數(ζ)係基於過去的成果而決定使(1)式的左邊及右邊成為相等的值。例如，實施多次用於決定ζ值的實驗批次，在各實驗批次，可分別算出使(1)式的左邊及右邊成為相等的ζ值，再將已算出的各實驗批次的ζ值進行算術平均，然後決定操作中所用的ζ值。尚且，用於決定ζ值的實驗批次設成至少5個批次為佳。或者，可每次皆計算求得使最近的數個批次(5～50個批次)之終點判定的計算熔鋼碳濃度與成果熔鋼碳濃度之間的誤差成為最小的ζ。如此得到的ζ值若依照本發明者們的實驗則為0.2～2.0左右，但不限於該值，可適當決定。
其中，ΔOO 及ΔOS 定義成從送氧脫碳處理前的值到送氧脫碳處理後的值為增加時成為正。又，在(2)式，右邊的第一項表示藉由二次燃燒的CO氣體之氧化使用的氧量。原因在於，在脫碳反應中產生CO氣體，而不產生CO2 氣體，排出氣體中的CO2 氣體為由CO氣體的二次燃燒而生成。
在送氧脫碳處理中，考慮熔鋼中的溶存氧及熔渣中氧已增加時的氧之收支的話，在(1)式，入氧量為從送氧脫碳處理的頂吹噴槍供給的氧化性氣體所包含的氧氣量。又，出氧量可考慮為有助於熔鋼的脫碳之氧量ΔOC 、熔鋼中的溶存氧之變化量ΔOO 、熔渣中氧之變化量ΔOS 、作為氧或二氧化碳排出到排氣系統的氧量OExh 的和。此時，變化量ΔOO 及變化量ΔOS 成為增加量。
溶存氧的變化量ΔOO 在送氧脫碳處理前後，使用測氧探針測定得到盛桶內熔鋼的氧位能。
熔渣中氧的變化量ΔOS 求得送氧前的熔渣中之氧濃度c0_1 (質量%)、送氧前的熔渣厚度ds_1 (m)、送氧後的熔渣中之氧濃度c0_2 (質量%)及送氧後的熔渣厚度ds_2 (m)，從下述的(11)式求得。
[數學式4]
Figure 02_image007
其中，c0_1 為送氧前之熔渣中的氧濃度(質量%)，c0_2 為送氧後之熔渣中的氧濃度c0_2 (質量%)，ds_1 為送氧前的熔渣厚度(m)，ds_2 為送氧後的熔渣厚度(m)，DL 為盛桶平均內徑((上端徑＋底部徑)/2、單位；m)，Ds 為浸漬管的外徑(m)，ρs 為熔渣的密度(kg/m3 )。
熔渣中的氧濃度c0_1 及熔渣中的氧濃度c0_2 由下述的(12)式所定義。(12)式的c0_1,2 係指表示熔渣中的氧濃度c0_1 或熔渣中的氧濃度c0_2 。
[數學式5]
Figure 02_image009
其中，Xi 為在送氧脫碳處理期所生成的熔渣之成分i的熔渣中濃度(質量%)，mi,all 為熔渣的成分i之分子量，mi,O 為熔渣的成分i之分子量中的氧之原子量合計。成分i為熔渣中的金屬氧化物之中在送氧脫碳處理期生成的成分，具體而言為FeO、Fe2 O3 、MnO、Ai2 O3 、SiO2 、TiO2 等。在送氧脫碳處理期主要產生的金屬氧化物為FeO，因此，成分i必須包含FeO。關於FeO以外的氧化物，該變化量(增加量)比FeO小，故可不包含在成分i，但包含為較佳。
熔渣厚度ds_1 及熔渣厚度ds_2 係可使金屬棒浸漬在熔鋼中，藉由物理測定而求得附著在金屬棒的熔渣層之高度(厚度)，又，可使用液位感測器或渦流感測器而測定。又，針對熔渣中的氧濃度，可藉由固體電解質感測器而直接測定求得精煉熔渣的氧位能，又，可採取熔渣樣品，藉由熔渣樣品的分析而求得。使用固體電解感測器時，將成分i作為FeO及MnO，求得熔渣中FeO濃度及MnO濃度，使用(12)式而算出氧濃度c0_1 及熔渣中的氧濃度c0_2 。由分析求得的情況，分析熔渣樣品的組成，藉由分析結果，而針對各個氧化物求得Xi ，由(12)式而算出氧濃度c0_1 及熔渣中的氧濃度c0_2 。
排出到排氣系統的氧量OExh 藉由將排出氣體流量、排出氣體中CO2 氣體濃度及排出氣體中O2 氣體濃度分別藉由排出氣體流量計15及氣體分析計16而測定，藉此，從流量與濃度之乘積導出氧量。然而，藉由排出氣體流量計15而量測的排出氣體流量藉由洩漏等理由而使裝置狀態產生誤差，故乘上從最近的過去批次之排出氣體中的碳及氧之質量均衡的成果所決定的校正係數ζ。
氧供給量FO2 藉由氧化性氣體流量計14所得到的實測流量值、及氧化性氣體的氧純分之間的乘積而算出。
藉由將上述的方法而求得的ΔOO 、ΔOS 、OExh 、FO2 代入(1)式，而求得送氧脫碳處理中使用於脫碳的氧量ΔOC 。
然而，算出OExh 時，針對(2)式的GO2 ，考慮排氣系統之大氣中的氧洩漏，將不進行送氧的時刻之排出氣體中氧濃度作為基準的氧濃度，將來自送氧中的基準之氧濃度之增加份量乘上排出氣體流量而得到的值之積分值作為排出氣體中氧量，由下述的(13)式而求得。
[數學式6]
Figure 02_image011
其中，QG 為排出氣體流量(kg/sec)，co_gas 為排出氣體中的氧濃度(質量%)，co_base 為不進行送氧的時刻之排出氣體中的氧濃度(質量%)，ts 為送氧脫碳處理開始時刻，te 為送氧脫碳處理結束時刻。然而，開始真空脫氣處理，將真空槽內的壓力低於300torr(39.9kPa)的時刻定義成ts ，送氧結束後，將(co_gas /co_base )低於1.05的時刻定義成te 。
脫碳所使用的氧作為CO氣體而從熔鋼中排出，故送氧脫碳處理中的ΔC由下述的(3)式而求得。
[數學式7]
Figure 02_image013
其中，ΔC為送氧脫碳處理時的熔鋼之脫碳量(kg)。
在送氧脫碳處理中，熔鋼中的溶存氧及熔渣中的氧增加時，送氧脫碳處理時的出氧量係如(1)式所示為有助於熔鋼的脫碳之氧量ΔOC 、熔鋼中的溶存氧之變化量ΔOO 、熔渣中氧的變化量ΔOS 、作為氧或二氧化碳排出到排氣系統的氧量OExh 之和。可藉由計算以上的和作為出氧量，而精確求得熔鋼的脫碳量ΔC。能夠以簡便的方法求得熔鋼的脫碳量ΔC，在該情況，作為在送氧脫碳處理的出氧量，關鍵為設成至少送氧脫碳處理的前後之熔鋼中氧的變化量ΔOO 、及送氧脫碳處理的前後之熔渣中氧的變化量ΔOS 之和。
來自轉爐的出鋼後，若在真空脫碳精煉開始前的任意之時刻採取熔鋼樣品，分析熔鋼中碳濃度，則可從該分析值與脫碳量ΔC- 之間的差，求得送氧脫碳結束時的熔鋼中碳濃度[C]0 ’。真空脫碳精煉開始前的熔鋼樣品之採取時刻可為從出鋼後到真空脫碳精煉開始前之間的任意時刻，但較佳為真空脫碳精煉開始的3分以內採取熔鋼樣品。
可藉由將如此得到的送氧脫碳處理結束時的熔鋼中碳濃度[C]0 ’代入從下述的(14)式到(17)式的脫碳反應模型公式作為初期值，而推斷來自送氧脫碳處理結束的沸騰脫碳處理時的熔鋼中碳濃度之經時變化。其中，沸騰脫碳處理的開始時刻定義為送氧脫碳處理的結束時刻，沸騰脫碳處理的結束時刻定義為脫氧材的添加時刻。尚且，脫碳反應模型公式不限於從(14)式到(17)式所示的公式，可使用其他模型公式。
[數學式8]
Figure 02_image015
其中，[C]為盛桶內熔鋼的碳濃度(質量%)，[C]E 為真空槽內熔鋼的平衡碳濃度(質量%)，K為脫碳反應速度常數(1/s)，t為來自送氧脫碳處理結束時的經過時間(s)，[O]為盛桶內熔鋼的氧濃度(質量%)，[O]’為1個步驟前的盛桶之熔鋼中氧濃度(質量%)，PCO 為真空槽內環境氣體的CO氣體分壓(torr)，fc 為熔鋼中碳的活度係數(-)，fO 為熔鋼中氧的活度係數(-)，T為熔鋼溫度(K)。
脫碳速度常數(K)可使用從過去的類似鋼種之處理成果預先決定的值，如後述，較佳為將適當更新的表面脫碳之反應相界面積包含在計算參數而算出。藉由使用該表面脫碳的反應相界面積而算出，而可更精確推斷沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度。以下，說明該方法。
若依照非專利文獻1，則脫碳反應大致分類為內部脫碳、表面脫碳、氣泡脫碳這三者，脫碳速度常數(K)由下述的(18)式表示。
[數學式9]
Figure 02_image017
其中，K為脫碳速度常數(1/s)，akI 為內部脫碳的反應容量係數(m3 /s)、A為下部槽的剖面積(m2 )，akS 為表面脫碳的反應容量係數(m3 /s)，AS 為表面脫碳的反應相界面積(m2 )，akB 為氣泡脫碳的反應容量係數(m3 /s)，AB 為氣泡脫碳的反應相界面積(m2 )，W為熔鋼量(kg)，ρm 為熔鋼密度(kg/m3 )。
內部脫碳反應容量係數(akI )及氣泡脫碳的反應容量係數(akB )由下述的(19)式到(23)式表示。
[數學式10]
Figure 02_image019
其中，A為下部槽的剖面積(m2 )，k為CO氣體氣泡發生速度常數(=2×1/s)，T為熔鋼溫度(K)，[C]為熔鋼中碳濃度(質量%)，[O]為熔鋼中氧濃度(質量%)，P為真空槽內的壓力(torr)，PCO ＊為CO氣體氣泡界限生成壓(=15torr)，ρm 為熔鋼密度(kg/m3 )，g為重力加速度(m2 /s)，AB 為氣泡脫碳的反應相界面積(m2 )，kB 為氣泡脫碳的碳之熔鋼側物質移動係數(=0.0015m/s)，N為每單位時間的氣泡個數，dB 為環流用氣體的氣泡徑(m)，G為環流用氣體的流量(NL/min)，σ為熔鋼的表面張力(=1.68N/m)，d0 為環流用氣體噴吹管的噴嘴內徑(m)，n為環流用氣體噴吹管的噴嘴個數。尚且，環流用氣體的流量G之單位也就是NL/min係指每單位時間所供給的氣體之標準狀態的體積，「N」為表示標準狀態的記號。又，在本發明，將0℃、1atm設為標準狀態。
表面脫碳的反應容量係數(akS )由下述的(24)式表示，(24)式的右邊之表面脫碳的反應相界面積(AS )由下述的(4)式到(10)式算出。
[數學式11]
Figure 02_image021
[數學式12]
Figure 02_image023
其中，AS 為表面脫碳的反應相界面積(m2 )，kS 為表面脫碳的碳之熔鋼側物質移動係數(=0.0015m/s)，Π為表面反應速度因子，α為常數(3～15)，ANA 為從下部槽的剖面積減去上升側浸漬管之剖面積而得到的面積(m2 )，β為液面活性係數，AA 為上升側浸漬管的剖面積(m2 )，εQ 為攪拌動力密度(W/kg)，W為熔鋼量(kg)，Q為熔鋼的環流量(kg/s)，v為來自下降側浸漬管的熔鋼之吐出流速(m/s)，G為環流用氣體的流量(NL/min)，D為上升側浸漬管的內徑(m)，P0 為大氣壓(torr)，P為真空槽內的壓力(torr)，ρm 為熔鋼的密度(kg/m3 )，γ為比例常數(1×104 ～1×105 )，PCO 為真空槽內環境氣體的CO氣體分壓，T為熔鋼溫度(K)，ccs_gas 為排出氣體中的CO氣體之濃度(質量%)，cco2_gas 為排出氣體中的CO2 氣體之濃度(質量%)。
其中，針對(5)式的液面活性係數(β)，在非專利文獻1，作為擬合參數以固定值處理，但本發明者們進行各種探討的結果，發現如(9)式所示，可藉由使用CO氣體分壓(PCO )與熔鋼溫度(T)導出液面活性係數(β)，而進一步提升熔鋼中碳濃度的推斷精確度。
(9)式表示在由脫碳造成的CO氣體產生量多，相對於真空槽內的壓力(P)，CO氣體分壓(PCO )變大的區域，產生的CO氣體氣泡導致的攪拌，使得表面脫碳的反應相界面積(AS )變得更大。該液面活性係數(β)的值係使用傳送到記憶・演算裝置17並且沸騰脫碳處理中的各個時刻之操作資料，而在沸騰脫碳處理中以隨時規定的時間間隔予以更新。
藉由將如以上的方式而得到的內部脫碳之反應容量係數(akI )，表面脫碳的反應容量係數(akS )、及氣泡脫碳的反應容量係數(akB )代入到(18)式，而得到脫碳速度常數(K)。該脫碳速度常數(K)配合前述的液面活性係數(β)之值的更新而在處理中以隨時規定的間隔予以更新。
如上述，推斷沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度，基於已推斷的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化而判定沸騰脫碳處理的結束時期。具體而言，沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之經時變化的計算值也就是推斷值成為目標值以下之後，將金屬鋁等的脫氧材添加到熔鋼3，而結束沸騰脫碳處理、也就是真空脫碳精煉。
其中，作為一例，說明在使用RH真空脫氣裝置1的真空脫氣精煉方法應用本發明的範例，但也可使用DH真空脫氣裝置、REDA真空脫氣裝置、VAD真空精煉設備等其他真空脫氣設備，而實施本發明的熔鋼之脫碳精煉方法。
如以上所說明，則藉由本發明，則使用真空脫氣設備對於熔鋼進行脫碳精煉時，可精確推斷熔鋼中碳濃度，進一步，可在適當的時間點判定脫碳是否結束，而可縮短真空脫碳精煉時間。 實施例
將在轉爐對於熔鐵進行脫碳精煉而熔製的300噸之熔鋼從轉爐出鋼到盛桶，進行將盛桶內的熔鋼以RH真空脫氣裝置進行真空脫氣精煉的實驗。脫碳精煉對象的鋼種設為碳含有量的規格上限為25質量ppm的極低碳鋼種。真空脫碳精煉進行最初從頂吹噴槍將氧氣吹送到熔鋼而進行的送氧脫碳處理，之後，包含來自頂吹噴槍的氧氣，停止氧化鐵等氧源對於熔鋼的供給，而進行在減壓下實施脫碳處理的沸騰脫碳處理。
在實驗所使用的熔鋼之化學成分(在RH真空脫氣裝置的處理前)係：碳；0.01～0.06質量%、矽；0.015～0.025質量%、錳；0.1～0.3質量%、磷；0.02質量%以下、硫；0.003質量%以下，真空脫氣精煉前的熔鋼溫度為1600～1650℃。將真空槽內的到達真空度設成0.5～1.0torr (0.067～0.133kPa)，作為環流用氣體使用氬氣，氬氣的流量設為2000～2200NL/min。
然後，RH處理開始前採取的熔鋼中碳濃度之分析值、及使用從(1)式到(3)式而求得送氧脫碳處理後的熔鋼中碳濃度[C]0 ’，將求得的熔鋼中碳濃度[C]0 ’代入從(14)式到(17)式所示的脫碳模型公式，而推斷沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之演變。尚且，在此，ζ的值使用0.8。
其中，熔渣厚度ds 使用藉由棒鋼浸漬進行直接測定所得到的測定值。熔渣中氧量在本發明例1，使用利用固體電解質感測器而直接測定熔渣中的FeO濃度及MnO濃度所得到的測定值，在本發明例2及本發明例3，將熔渣採樣，將FeO、MnO、Al2 O3 、SiO2 、TiO2 之熔渣中的質量濃度藉由螢光X線分析而求得。然而，氧化物質量係假定針對各金屬元素氧化物的形態分別為一種，然後從螢光X線分析值所得之各個金屬元素的熔渣中質量之值換算而得。
又，針對沸騰脫碳處理中的脫碳推斷所使用的(14)式之脫碳速度常數(K)，在本發明例2，使用過去成果的平均值，在本發明例3，使用將從(4)式到(10)式及從(19)式到(24)式所求得的反應容量係數(akI 、akS 、akB )代入到(18)式所得到的值。然而，在從(4)式到(10)式及從(19)式到(24)式，針對作業中變動的輸入參數，使用隨時傳送到記憶・演算裝置的操作資料並且以每2秒更新。(4)式的常數α從過去的作業成果設為0.65，(9)式的比例常數γ從過去的作業成果設為4.5×105 。
將目標碳濃度設為20質量ppm，在推斷碳濃度低於目標碳濃度的時間點將金屬鋁添加到熔鋼，而結束真空脫碳精煉，以上處理在本發明例1、2、3及比較例1、2分別進行100個批次。在真空脫碳精煉結束時間點從盛桶將熔鋼樣品採樣，將從熔鋼樣品的分析值求得的真空脫氣精煉後之實際的ΔC與推斷的ΔC之間的差，針對A；由本發明例1、2、3進行的推斷、B；由排出氣體中的碳質量均衡進行的推斷(比較例1)、C；由(14)式到(17)式的脫碳推斷模型所得的推斷(比較例2)分別求得，然後分別求得ΔC推斷誤差的標準偏差σ。表1表示求得的標準偏差σ。
[表1]
   本發明例1 本發明例2 本發明例3 比較例1 比較例2
標準偏差σ (質量ppm) 2.3 1.9 1.7 4.1 3.4
對於比較例1、2，在本發明例1、2、3，標準偏差變小，而確認ΔC推斷精確度提升。又，不只考慮熔渣所含有的FeO、MnO，也考慮Al2 O3 、SiO2 、TiO2 所含有的氧的本發明例2、3相較於本發明例1，推斷精確度較佳。
進一步，比較本發明例2、3的話，得到以下結果：相較於在沸騰脫碳處理中的脫碳推斷所使用的脫碳速度常數(K)使用過去成果的平均值之本發明例2，將使用隨時傳送到記憶・演算裝置的操作資料以每2秒更新脫碳速度常數(K)的本發明例3具有更佳的推斷精確度。
1:RH真空脫氣裝置 2:盛桶 3:熔鋼 4:熔渣 5:真空槽 6:上部槽 7:下部槽 8:上升側浸漬管 9:下降側浸漬管 10:環流用氣體噴吹管 11:管道 12:原料投入口 13:頂吹噴槍 14:氧化性氣體流量計 15:排出氣體流量計 16:氣體分析計 17:記憶・演算裝置
[圖1]圖1為RH真空脫氣裝置的一例之概略縱剖面圖。
1:RH真空脫氣裝置
2:盛桶
3:熔鋼
4:熔渣
5:真空槽
6:上部槽
7:下部槽
8:上升側浸漬管
9:下降側浸漬管
10:環流用氣體噴吹管
11:管道
12:原料投入口
13:頂吹噴槍
14:氧化性氣體流量計
15:排出氣體流量計
16:氣體分析計
17:記憶‧演算裝置

Claims (11)

  1. 一種減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其包含：送氧脫碳處理，在減壓下對於熔鋼噴吹氧化性氣體而實施脫碳處理；及沸騰脫碳處理，在前述送氧脫碳處理之後，停止將包含前述氧化性氣體的氧源朝向熔鋼供給，在減壓下實施脫碳處理而達到目標的熔鋼中碳濃度以下，特徵為：在脫碳精煉對象的批次，使用前述送氧脫碳處理的開始時及前述送氧脫碳處理的結束時之操作資料，推斷前述送氧脫碳處理的脫碳量，基於已推斷的前述送氧脫碳處理之脫碳量，而求得前述沸騰脫碳處理的開始時之熔鋼中碳濃度的推斷值，將已求得的前述推斷值作為沸騰脫碳處理開始時的熔鋼中碳濃度，計算該批次的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化，基於前述已計算的沸騰脫碳處理中之熔鋼中碳濃度的經時變化而判定前述沸騰脫碳處理的結束時期。
  2. 如請求項1的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中前述沸騰脫碳處理中的熔鋼中碳濃度之經時變化的計算值成為目標的熔鋼中碳濃度以下之後，結束沸騰脫碳處理。
  3. 如請求項1的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方 法，其中將前述送氧脫碳處理的脫碳量基於該批次的送氧脫碳處理中之氧的收支予以推斷。
  4. 如請求項2的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述送氧脫碳處理的脫碳量基於該批次的送氧脫碳處理中之氧的收支予以推斷。
  5. 如請求項1至4中任一項的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中在前述送氧脫碳處理之氧的收支，至少在該批次包含供給到送氧脫碳處理中的前述氧化性氣體所包含的氧氣之供給量、前述送氧脫碳處理之前後的熔鋼中氧的變化量、及前述送氧脫碳處理之前後的熔渣中氧的變化量作為入氧量或出氧量，將前述送氧脫碳處理的脫碳量從前述入氧量與前述出氧量之間的差求得。
  6. 如請求項5的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述送氧脫碳處理之前後的熔渣中氧的變化量，從前述送氧脫碳處理之開始前的熔渣之氧位能的測定值及熔渣厚度的測定值、以及前述送氧脫碳處理之結束後的熔渣之氧位能的測定值及熔渣厚度的測定值予以求得。
  7. 如請求項1或2的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述送氧脫碳處理的脫碳量，使用下述的(1)式到 下述的(3)式予以推斷；
    Figure 110111765-A0305-02-0034-1
     其中，△OC為送氧脫碳處理時有助於熔鋼脫碳的氧量(kg)；△OO為送氧脫碳處理時熔鋼中的溶存氧之變化量(kg)；△OS為送氧脫碳處理時熔渣中氧的變化量(kg)；OExh為在送氧脫碳處理被供給的氧之中，以氧或二氧化碳的形式排出到排氣系統的氧量(kg)；FO2為送氧脫碳處理的氧供給量(kg)；GCO2為送氧脫碳處理時排出氣體中的二氧化碳量(kg)；GO2為送氧脫碳處理時排出氣體中的氧量(kg)；△C為送氧脫碳處理時熔鋼的脫碳量(kg)；ζ為排出氣體流量的校正係數(-)。
  8. 如請求項1或2的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中在前述沸騰脫碳處理，至少將表面脫碳的反應相界面積包含在計算參數而進行熔鋼中碳濃度的經時變化之計算，將前述表面脫碳的反應相界面積使用沸騰脫碳處理中各個時刻的操作資料予以導出並且更新。
  9. 如請求項8的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中作為將前述沸騰脫碳處理的表面脫碳之反應相界面積導出之用的各個時刻之操作資料，至少使用排出氣體中的 CO濃度。
  10. 如請求項8的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中作為將前述沸騰脫碳處理的表面脫碳之反應相界面積導出之用的各個時刻之操作資料，至少使用排出氣體中的CO濃度、排出氣體中的CO2濃度、排出氣體中的O2濃度及熔鋼溫度。
  11. 如請求項10的減壓下之熔鋼的脫碳精煉方法，其中將前述沸騰脫碳處理的表面脫碳之反應相界面積，使用從下述的(4)式到下述的(10)式予以導出；
    Figure 110111765-A0305-02-0035-2
     其中，AS為表面脫碳的反應相界面積(m2)；Π為表面反應速度因子；α為常數(3~15)；ANA為從下部槽的剖面積減去上升側浸漬管的剖面積而得的面積(m2)；β為液面活性係數；AA為上升側浸漬管的剖面積(m2)；εQ為攪拌動 力密度(W/kg)；W為熔鋼量(kg)；Q為熔鋼的環流量(kg/s)；v為來自下降側浸漬管的熔鋼之吐出流速(m/s)；G為環流用氣體的流量(NL/min)；D為上升側浸漬管的內徑(m)；P0為大氣壓(torr)；P為真空槽內的壓力(torr)；ρm為熔鋼的密度(kg/m3)；γ為比例常數(1×104~1×105)；PCO為真空槽內環境氣體的CO氣體分壓；T為熔鋼溫度(K)；cco_gas為排出氣體中的CO氣體之濃度(質量%)；cco2_gas為排出氣體中的CO2氣體之濃度(質量%)。
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