TWI808760B

TWI808760B - 電爐煉鋼的方法

Info

Publication number: TWI808760B
Application number: TW111118215A
Authority: TW
Inventors: 黃宥綸; 趙志豪; 林暉然; 黃永達
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-07-11
Also published as: TW202346605A

Abstract

本發明有關於一種電爐煉鋼的方法，其包含佈料步驟、造渣步驟及脫磷步驟。於佈料步驟中，依序提供初始用量之廢鋼、添加劑、剩餘用量之廢鋼及鐵水，且控制初始用量及添加劑之用量，以提早生成鹼性爐渣，從而提升電爐煉鋼之脫磷效果。

Description

電爐煉鋼的方法

本發明係有關於一種電爐煉鋼的方法，且特別是有關於一種添加劑佈料於廢鋼間之電爐煉鋼的方法。

電爐煉鋼包含脫磷及脫硫，以獲得低磷及低硫含量的鋼液，從而利於後續生產高品質的鋼材。電爐煉鋼所使用之主原料包含廢鋼及鐵水。鐵水可提供煉鋼的熱能及鐵的來源，但是相較於其他主原料而言(如磷含量為約0.02重量百分比之廢鋼)，鐵水的磷含量較高(磷含量為0.12至0.15重量百分比)，所以增加脫磷的難度。因此，脫磷必需使用含有氧化鈣的添加劑(如石灰及白雲石)，以使氧化鈣與主原料的氧化物及鐵水所氧化的氧化物(如二氧化矽、氧化鐵及氧化鋁)進行渣化反應，再藉由生成之爐渣進行脫磷。

習知電爐煉鋼的方法係先投入廢鋼至電爐中，從流道兌入鐵水，然後從料倉投入石灰，並吹氧至電爐中，再加熱電爐，以開始後續的造渣及脫磷。於此佈料的情況下，鐵水會經由廢鋼堆積後所形成之空隙流到電爐的底部，於是廢鋼位在上方的石灰與下方的鐵水之間，而阻礙二者接觸。所以必須等到至少一部分的廢鋼熔化後，石灰始可接觸到鐵水，此時石灰所含之氧化鈣才能與由熔化後廢鋼與鐵水所形成之鋼液產生鹼性爐渣。換句話說，爐渣開始形成的時間點是在煉鋼的中晚期，故縮短藉由鹼性爐渣進行脫磷的時間。

再者，於前述之可產生鹼性爐渣的時間點，電爐的溫度已過高(例如：高於1500℃)，而使放熱的脫磷反應更難以進行，故降低脫磷效果。於是，需要投入更多之添加劑，以補償降低的脫磷效果。然而除了增加添加劑的成本之外，額外增加的添加劑亦會導致產生過多的爐渣，此過多的爐渣夾雜許多冶煉後的鋼液，且此鋼液於耙除爐渣的製程中會隨著爐渣被移除，故降低冶煉後鋼液的產量。

有鑑於此，亟需發展一種新的電爐煉鋼的方法，以改善習知的電爐煉鋼的方法之上述缺點。

有鑑於上述之問題，本發明之一態樣是在提供一種電爐煉鋼的方法。此方法係藉由特定的佈料順序、控制廢鋼的初始用量及添加劑的用量，以提早生成鹼性爐渣，從而提升電爐煉鋼之脫磷效果。

根據本發明之一態樣，提出一種電爐煉鋼的方法。此方法包含通入氧氣與天然氣至電爐內，以進行佈料步驟；以及於佈料步驟後，在廢鋼、添加劑及鐵水接觸之區域，進行造渣步驟及脫磷步驟，以獲得爐渣及鋼液。佈料步驟包含依序提供初始用量之廢鋼、添加劑、剩餘用量之廢鋼及鐵水至電爐內，其中該初始用量(x1)滿足下式(I)，且添加劑之用量(c1)滿足下式(II)：於式(I)中，x2代表廢鋼之密度，x3代表廢鋼之堆積密度，y1代表鐵水之用量，y2代表鐵水之密度；於式(II)中，x4代表廢鋼之剩餘用量，x5代表廢鋼之矽含量，y3代表鐵水之矽含量。

依據本發明之一實施例，添加劑包含氧化鈣。

依據本發明之另一實施例，基於添加劑之重量為100重量百分比，氧化鈣之含量為大於87重量百分比。

依據本發明之又一實施例，方法排除使用鋼渣及/或渣鐵。

依據本發明之又一實施例，於佈料步驟後，鐵水之液面與添加劑實質接觸。

依據本發明之又一實施例，於脫磷步驟之期間，爐渣之鹽基度為1.0至3.0。

依據本發明之又一實施例，爐渣的磷含量與鋼液的磷含量之比值為大於100。

依據本發明之又一實施例，鋼液的終點磷含量為小於0.020重量百分比。

應用本發明之電爐煉鋼的方法，其中佈料步驟係依序提供初始用量之廢鋼、添加劑、剩餘用量之廢鋼及鐵水，並且控制廢鋼之初始用量及添加劑之用量，以提早生成鹼性爐渣，從而提升電爐煉鋼之脫磷效果。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

本發明之電爐煉鋼方法係藉由特定順序之佈料步驟及特定的廢鋼初始用量，以提早生成鹼性爐渣，從而提升電爐煉鋼之脫磷效果。前述之特定順序係依序加入初始用量之廢鋼、添加劑、剩餘用量之廢鋼及鐵水於電爐內，且特定的廢鋼初始用量必須滿足後述之式(I)，如此一來，加入的鐵水之液面可與位於廢鋼間之添加劑實質接觸。於電爐開始加熱後，生成之爐渣可立即接觸添加劑，以使其所含之氧化鈣於冶煉初期便化學擴散至爐渣內，故提早形成利於脫磷之鹼性爐渣。因此，脫磷反應可於有利的低溫度(如1300℃至1500℃)下進行，從而增長有效脫磷的時間，且提升電爐煉鋼之脫磷效果。此外，由於添加劑埋於廢鋼之間，所以廢鋼從電爐所吸收之熱能能夠立即傳給添加劑，以快速熔化添加劑，從而提高其熔化率，故可降低添加劑的用量，以及對應地減少爐渣的生成量。此外，本發明之電爐煉鋼方法亦藉由特定用量之添加劑助於鹼性爐渣之生成，以控制爐渣的鹽基度處於利於脫磷之範圍(鹽基度為1.0至3.0)，從而更提升電爐煉鋼之脫磷效果。

本發明所稱之廢鋼係指工廠廢鋼(例如：鋼鐵廢料)、一般家庭廢鋼(例如：廢棄傢具的鋼鐵零件)或其他廢棄鋼鐵，其中基於廢鋼的重量為100%，廢鋼的含鐵率可為80%至95%。在一些實施例中，廢鋼之密度可為，但不限於7公噸/m ³至8公噸/m ³，且廢鋼之磷含量可為，但不限於0.01重量百分比至0.05重量百分比。

本發明所稱之鐵水係指熔化成液態的鐵，且其溫度可為1250℃至1500℃。在一些實施例中，鐵水之密度可為，但不限於6.8公噸/m ³至7.5公噸/m ³，且鐵水之磷含量可為，但不限於0.120重量百分比至0.150重量百分比。

本發明所稱之爐渣的鹽基度係指爐渣中之氧化鈣的重量除以爐渣中之二氧化矽的重量之比值。當爐渣的鹽基度為大於1.0時，此爐渣稱作鹼性爐渣。鹼性爐渣有利於脫磷，但是過高的氧化鈣會增加爐渣的熔點，而降低爐渣之流動性，故反而減少鋼液與爐渣之接觸的機率，進而降低脫磷效果。因此，鹽基度為1.0至3.0之爐渣具有較佳之脫磷效果。

請參閱圖1，電爐煉鋼方法100係先通入氧氣與天然氣至電爐內，以進行佈料步驟，如操作110所示。於佈料步驟中，依序提供初始用量之廢鋼、添加劑、剩餘用量之廢鋼，以及鐵水至電爐內。前述之佈料順序可使添加劑埋於廢鋼中，以使廢鋼從電爐所吸收之熱可立即傳給添加劑，從而提高其熔化率。愈多熔化的添加劑可利於爐渣鹼性化，而成為鹼性爐渣，所以提升脫磷效果。

反之，倘若佈料順序不為前述之順序時，在添加劑先添加之情況下，由於添加劑之用量相較於其他原料(廢鋼及鐵水)明顯較少，所以添加劑會被壓在廢鋼下面，且鐵水的液面將遠高於添加劑所處之位置。此時廢鋼、添加劑及鐵水接觸之區域係在於鐵水液面下，並非液面處(或接近液面處)，所以氧氣不足，而導致廢鋼及鐵水不易發生氧化反應，故使得鹼性爐渣難以生成。

在添加劑後添加之情況(即廢鋼採用一階段添加方式，且於添加廢鋼後，再添加添加劑)下，此即習知電爐煉鋼的方法。如先前技術之部分所言，廢鋼會位在上方的添加劑與下方的鐵水之間，而阻礙二者接觸，故必須等到至少一部分的廢鋼熔化後，才能進行造渣。

為了達成鐵水之液面實質落在添加劑所處的位置，廢鋼之初始用量必須控制，以滿足下式(I)：於式(I)中，x1代表廢鋼之初始用量，x2代表廢鋼之密度，x3代表廢鋼之堆積密度，y1代表鐵水之用量，y2代表鐵水之密度。

倘若廢鋼之初始用量不滿足上式(I)，鐵水之液面不能實質落在添加劑所處的位置，所以不利於鹼性爐渣生成，而降低脫磷效果。此外，在一些實施例中，廢鋼之堆積密度可為但不限於，0.2公噸/m ³至0.8公噸/m ³，且較佳為0.5公噸/m ³。

此外，為了能夠控制爐渣的鹽基度處於利於脫磷之範圍(鹽基度為1.0至3.0)下，添加劑之用量必須滿足下式(II)：於式(II)中，c1代表添加劑之用量，x4代表廢鋼之剩餘用量，x5代表廢鋼之矽含量，y3代表鐵水之矽含量。

倘若添加劑之用量不滿足上式(II)，爐渣的鹽基度會小於1.0或大於3.0，而不利於脫磷。此外，在一些實施例中，廢鋼之矽含量可為但不限於0.10重量百分比至0.50重量百分比，且鐵水之矽含量可為但不限於0.10重量百分比至0.20重量百分比。

在一些實施例中，添加劑可包含但不限於，石灰、氧化鎂、水泥、大理石、蛇紋石、白雲石、長石、雲母及/或滑石。此外，添加劑可包含氧化鈣，且可選擇性包含氧化鎂。

在一些具體例中，基於添加劑之重量為100重量百分比，氧化鈣之含量可為大於87重量百分比，且較佳可為大於90重量百分比，以在降低添加劑之用量時，仍可維持脫磷效果，從而減少爐渣的生成量。

在一些實施例中，本發明之電爐煉鋼的方法100可排除使用鋼渣及/或渣鐵。由於鋼渣及渣鐵均為煉鋼後的殘渣，所以矽含量變動很大，而不易藉由前述之式(II)來控制爐渣的鹽基度，故電爐煉鋼的方法100可排除使用鋼渣及/或渣鐵。

於佈料步驟之期間，電爐煉鋼的方法100係通入氧氣及天然氣至電爐內，以使廢鋼中之間隙填充氧氣及天然氣，從而於後續造渣步驟中利於氧化廢鋼及鐵水，從而助於爐渣生成。在一些實施例中，氧氣與天然氣的體積比值可為1.5至2.5。

請參閱圖1，於操作110之後，電爐煉鋼方法100在廢鋼、添加劑及鐵水接觸之區域，進行造渣步驟及脫磷步驟，以獲得爐渣及鋼液，如操作130所示。此造渣步驟係廢鋼及/或鐵水經氧化後之氧化物與添加劑之氧化鈣及/或氧化鎂進行化學擴散的反應，以生成於電爐之高溫下不熔化之氧化物，此不熔化之氧化物即爐渣。爐渣之組成份可包含鹼性氧化物、酸性氧化物及兩性氧化物，其中如氧化鈣之鹼性氧化物可提高爐渣的鹽基度，而如二氧化矽之酸性氧化物可降低爐渣的鹽基度。

在一些實施例中，於造渣步驟之期間，增加氧氣及天然氣的體積比值至大於2.5且小於或等於10，以利於氧化廢鋼及鐵水，從而助於爐渣生成。

除了鹼性爐渣之外，於本發明之電爐煉鋼方法100中，由於電爐的溫度會隨著冶煉時間而逐漸增加。然而脫磷反應屬於放熱反應，所以當電爐的溫度過高時，將降低脫磷的效果。有效脫磷的溫度為1300℃至1500℃。因此，提早形成鹼性爐渣亦可使脫磷反應於較低溫度下進行，故可更提升脫磷效果。

據此，在一些實施例中，爐渣的磷含量與鋼液的磷含量之比值(亦稱作磷分配比)可大於100，且較佳可為大於140。此外，在一些具體例中，鋼液於出鋼後，量測鋼液的終點磷含量，其可小於0.020重量百分比，故本發明之電爐煉鋼方法100可達成優異的脫磷效果。

以下利用實施例以說明本發明之應用，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。

鋼液之製備

實施例1

實施例1之鋼液的製備係先依序加入6.73噸的廢鋼、5.2噸的石灰及40至50噸的廢鋼至電爐內(簡稱為「二階段添加方式」)，其中石灰的純度(即氧化鈣含量)為大於90重量百分比，廢鋼之密度為7.8公噸/m ³，廢鋼之堆積密度為0.5公噸/m ³，鐵水之密度為7.14公噸/m ³，且廢鋼及鐵水之矽含量分別為0.10重量百分比至0.20重量百分比。通入體積比值為2.0之氧氣與甲烷至電爐內，並以2至5噸/分鐘的速度加入90噸且溫度為1250℃至1400℃的鐵水至電爐內。接著，調高氧氣與甲烷的體積比值至3至10並加熱電爐。隨著時間紀錄爐渣的鹽基度變化。在冶煉結束後獲得實施例1之鋼液及爐渣。然後，以後述之評價方式對其進行評價。

比較例1

比較例1之鋼液的製備係以與實施例1相似的方法進行。不同的是，比較例1改變廢鋼的添加方式並增長冶煉時間，即使用一階段添加方式，其中先加入全部的廢鋼，再加入石灰至電爐內。前述實施例1及比較例1之具體條件及評價結果如下表1及圖2至圖4所示。

評價方式

1.爐渣的鹽基度之試驗

爐渣的鹽基度之試驗係隨著冶煉的時間紀錄爐渣的鹽基度變化，其中於測試的時間點，從電爐中取出爐渣，以元素分析儀檢測爐渣之氧化鈣及二氧化矽的含量，再求得鹽基度(即氧化鈣的含量除以二氧化矽的含量之比值)，且檢測條件為具有通常知識者所慣用之條件。

2.石灰熔化率之試驗

石灰熔化率之試驗係於出鋼前，將未熔化之石灰耙出，並測量未熔化之石灰的重量，再以添加的石灰之重量為基準，計算出未熔化之石灰重量所佔之比率，且由未熔化之石灰的比率算出熔化之石灰的比率，此即石灰熔化率。

3.磷分配比之試驗磷分配比之試驗係於出鋼前，使用光譜分析儀(Optical Emission Spectrometer，OES)偵測爐渣的磷含量及製得之鋼液的磷含量，且以二者之比值表示磷分配比。當比值愈大時，愈多的磷從鋼液移至爐渣中，故脫磷效果愈佳。反之則相反。

4.終點磷含量之試驗

終點磷含量之試驗係於出鋼前，使用光譜分析儀(Optical Emission Spectrometer，OES)偵測製得之鋼液的磷含量，且以其表示鋼液的終點磷含量。當終點磷含量低於0.020重量百分比時，鋼液符合終點含磷量規格的要求。

表1

	實施例	比較例
1	1
煉鋼的方法	佈料方式	二階段添加方式	一階段添加方式
廢鋼的使用量(公噸)	第一階段為6.73 第二階段為40~50	46.73~56.73
石灰的使用量(公噸)	5.2	6.7
鐵水(公噸)	90	90
冶煉時間(分鐘)	80	80
評價方式	石灰熔化率(重量百分比)	95.3	66.9
磷分配比	149.4	90.3
終點磷含量(重量百分比)	0.0117	0.0133

請參閱表1及圖2，實施例1使用二階段添加方式。於冶煉初期(25分鐘)、冶煉中期(冶煉溫度為1530℃，50分鐘之時點)、冶煉後期(冶煉溫度為1600℃，60分鐘之時點)及出鋼之前(75分鐘之時點)，爐渣的鹽基度分別為1.3、1.9、2.5及2.8。

於佈料後，鐵水之液面落在石灰所處的位置，所以石灰接觸到鐵水，且石灰埋於廢鋼之間，以使石灰的氧化鈣於冶煉初期化學擴散至爐渣內，提早形成利於脫磷之鹼性爐渣，故提升脫磷效果，且增長有效脫磷的時間(約50分鐘)。因此，實施例1可縮短冶煉的時間。

然而，請參閱表1及圖3，比較例1使用一階段添加方式，於冶煉初期(25分鐘之時點)、冶煉中期(冶煉溫度為1600℃，35分鐘之時點)、冶煉後期(冶煉溫度為1530℃，60分鐘之時點)及出鋼之前(80分鐘之時點)，爐渣的鹽基度分別為0.7、0.8、2.9及3.5，所以有效脫磷的時間為25分鐘，故需要增長冶煉時間，以獲得符合終點含磷量規格之鋼液。

根據表1，相較於比較例1，實施例1使用更少的石灰，故二階段添加方式可降低石灰的用量，且由於使用較少的石灰，所以可減少爐渣的生成量。

請參閱表1及圖4，相較於比較例1，實施例1使用二階段添加方式，以使石灰埋於廢鋼之間，所以廢鋼從電爐所吸收之熱能能夠立即傳給石灰，以提高其熔化率從而使鋼液所含之磷化學擴散至鹼性爐渣中，故提升脫磷效果。

再者，根據表1之磷分配比的試驗結果，實施例1可藉由早期生成之鹼性爐渣及高的石灰熔化率來提升脫磷效果，從而降低所製得之鋼液的終點含磷量，且提高磷分配比。

綜上所述，本發明之電爐煉鋼的方法係利用特定順序之佈料步驟、特定的廢鋼初始用量及添加劑用量，以提早生成鹼性爐渣，從而提升電爐煉鋼之脫磷效果，其中特定順序係依序加入初始用量之廢鋼、添加劑、剩餘用量之廢鋼及鐵水於電爐內，且廢鋼的初始用量及添加劑用量必須分別滿足式(I)及(II)，故加入的鐵水之液面可與位於廢鋼間之添加劑實質接觸，以達成前述脫磷效果。

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，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，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:方法 110,130:操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：圖1係繪示根據本發明之一實施例的電爐煉鋼方法的流程圖。圖2係繪示根據本發明之實施例1的爐渣鹽基度隨著冶煉階段之變化圖。圖3係繪示根據本發明之比較例1的爐渣鹽基度隨著冶煉階段之變化圖。圖4係繪示根據本發明之實施例1及比較例1的石灰熔化率的結果圖。

100:方法

110,130:操作

Claims

一種電爐煉鋼的方法，包含：通入氧氣與天然氣至一電爐內，以進行一佈料步驟，其中該佈料步驟包含：依序提供一初始用量之一廢鋼、一添加劑、一剩餘用量之該廢鋼及鐵水至該電爐內，其中該初始用量(x1)滿足下式(I)，且該添加劑之一用量(c1)滿足下式(II)：
於該式(I)中，x2代表該廢鋼之一密度，x3代表該廢鋼之一堆積密度，y1代表該鐵水之一用量，y2代表該鐵水之一密度；
於該式(II)中，x4代表該廢鋼之該剩餘用量，x5代表該廢鋼之一矽含量，y3代表該鐵水之一矽含量；以及於該佈料步驟後，在該廢鋼、該添加劑及該鐵水接觸之一區域，進行一造渣步驟及一脫磷步驟，以獲得一爐渣及一鋼液。
如請求項1所述之電爐煉鋼的方法，其中該添加劑包含氧化鈣。
如請求項2所述之電爐煉鋼的方法，其中基於該添加劑之一重量為100重量百分比，該氧化鈣之一含量為大於87重量百分比。
如請求項1所述之電爐煉鋼的方法，其中該方法排除使用鋼渣及/或渣鐵。
如請求項1所述之電爐煉鋼的方法，其中於該佈料步驟後，該鐵水之一液面與該添加劑實質接觸。
如請求項1所述之電爐煉鋼的方法，其中於該脫磷步驟之期間，該爐渣之一鹽基度為1.0至3.0。
如請求項1所述之電爐煉鋼的方法，其中該爐渣的一磷含量與該鋼液的一磷含量之一比值為大於100。
如請求項1所述之電爐煉鋼的方法，其中該鋼液的一終點磷含量為小於0.020重量百分比。