TWI449792B - 降低復磷量之煉鋼方法 - Google Patents

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降低復磷量之煉鋼方法
本發明是有關於一種煉鋼方法，且特別是有關於一種利用轉爐渣降低復磷量之煉鋼方法。
煉鋼製程主要係藉由高溫氧化反應去除鋼鐵原料中之雜質，並藉此調整鋼液中組成元素之比例，以製備各種鋼材成品。轉爐吹煉製程係煉鋼製程中去除雜質之關鍵步驟，藉由導入氧氣、惰性氣體與造渣劑，使鋼液中之雜質形成轉爐渣。雜質於轉爐渣中之活性亦影響雜質之穩定性，雜質活性越高，越容易由轉爐渣中回復至鋼液中。
一般而言，磷在鋼中被視為有害元素，容易引起鋼的低溫脆性和回火脆性。高品質鋼對鋼中磷含量的要求越來越嚴格，特別是對於低溫用鋼、海洋用鋼、抗氫裂用鋼(如天然氣、石油輸送管線及石油精煉設備等)都要求鋼品磷濃度低於特定條件。由於磷無法在煉鋼製程中之二次精煉製程去除，所以對於製備低磷鋼材成品(磷含量小於或等於100ppm)，轉爐吹煉製程係去除鋼液中之磷的主要步驟。藉由降低磷在轉爐渣中之活性，減少磷回復至鋼液中之濃度。
習知技術中，常藉由調整前處理製程之脫矽脫磷步驟，與轉爐吹煉製程之吹煉條件和造渣劑之組成，控制磷由轉爐渣中回復至鋼液之濃度。但鋼鐵原料之來源常參差不齊，造成煉鋼條件須依照鋼鐵原料之組成變化而隨之變更，才可製得低磷鋼材，使得製造成本增加。
此外，習知技術並未有效降低磷在轉爐渣中之活性，僅係提高轉爐渣之固磷能力或藉由擋渣製程減少流入鋼液中之轉爐渣，使得磷仍然容易由轉爐渣中回復至鋼液中，增加鋼液中之磷濃度。
因此，本發明之一態樣是在提供一種降低復磷量之煉鋼方法，其係使轉爐渣包含三矽酸鈣(Calcium Trisilicate；CaO‧3SiO2 )，藉由三矽酸鈣吸附鋼液中之磷，降低轉爐渣之磷的活性，藉此降低復磷量，進而製備低磷鋼材成品。
根據本發明之上述態樣，提出一種降低復磷量之煉鋼方法，在一實施例中，此煉鋼方法係包含前處理製程、頂底同吹轉爐煉鋼製程與擋渣製程。上述之前處理製程係用以提供第一鋼液，此第一鋼液之矽濃度係0.001重量百分比(wt%)至0.015wt%，第一磷濃度係0.01wt%至0.045wt%，且此第一鋼液之溫度係1150℃至1300℃。
上述之頂底同吹轉爐煉鋼製程係將第一鋼液倒入一轉爐，以形成第二鋼液，其中此第二鋼液具有一第二磷濃度。頂底同吹轉爐煉鋼製程之轉爐吹煉終止溫度係1550℃至1680℃。此頂底同吹轉爐煉鋼製程更包含造渣步驟，其係將一造渣劑導入轉爐中，且於轉爐之頂部導入氧氣，於轉爐之底部導入惰性氣體，使第二鋼液中之不純物形成轉爐渣。氧氣之流量係500Nm3 /min至800Nm3 /min，且惰性氣體之流量係0.03Nm3 /min至0.5Nm3 /min。
上述之造渣劑包含氧化鈣、矽鐵化合物與氟化鈣。氧化鈣之用量係30公斤/噸鋼液至55公斤/噸鋼液，矽鐵化合物之用量係2公斤/噸鋼液至10公斤/噸鋼液，且氟化鈣之用量係0.1公斤/噸鋼液至3公斤/噸鋼液。
上述之擋渣製程係用以去除第二鋼液中厚度大於40公釐之轉爐渣，並形成第三鋼液，且此第三鋼液具有第三磷濃度。其中第一磷濃度係大於第三磷濃度，而第三磷濃度係大於第二磷濃度，且轉爐渣中之三矽酸鈣吸附第二鋼液中之磷，使得第三磷濃度與第二磷濃度之差值係5ppm至10ppm。
依據本發明一實施例，在擋渣製程後更可選擇性進行一凝固製程，其中此凝固製程係將第三鋼液倒入鋼錠模中，以形成一鋼錠。
依據本發明另一實施例，在擋渣製程後更可選擇性進行一澆鑄製程，其中此澆鑄製程係將第三鋼液倒入澆鑄機中，以形成一鋼胚。
依據本發明又一實施例，上述之前處理製程更包含導入脫矽脫磷劑與氧氣於鋼液中，以形成上述之第一鋼液。上述之氧氣之流量係500Nm3 /min至800Nm3 /min。上述之脫矽脫磷劑中包含氧化鈣、氧化鐵與氟化鈣，其中氧化鈣之含量係38wt%至55wt%，氧化鐵之含量係43wt%至60wt%，且氟化鈣之含量係1wt%至5wt%。
依據本發明再一實施例，上述之轉爐渣包含氧化鈣、二氧化矽、全鐵(Total Iron；T-Fe)與五氧化二磷，其中氧化鈣之含量係33wt%至52wt%，二氧化矽之含量係10wt%至20wt%，T-Fe之含量係20wt%至37wt%，且五氧化二磷之含量係大於0 wt%且小於或等於4wt%。
應用本發明之降低復磷量的煉鋼方法，其係利用前處理製程、頂底同吹轉爐煉鋼製程與擋渣製程，並導入一造渣劑形成轉爐渣，藉由轉爐渣之三矽酸鈣吸附鋼液中之磷並降低轉爐渣之磷的活性，藉此避免轉爐渣之磷回復到鋼液以降低第三鋼液中的復磷量。
以下詳細討論本發明之製造和使用。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。惟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。
本發明提供一種降低復磷量之煉鋼方法。在一實施例中，本發明之方法包含前處理製程、頂底同吹轉爐煉鋼製程以及擋渣製程，以形成低復磷量的鋼液。本發明此處所稱之「復磷量」，係指在擋渣製程後鋼液中之磷濃度與頂底同吹轉爐煉鋼製程終止時鋼液中之磷濃度的差值。在習知轉爐煉鋼製程中，當轉爐渣中磷之活性提高，磷容易由轉爐渣回復至鋼液中，造成鋼液中之磷濃度提高，使得復磷量上升。因此，本發明降低復磷量之煉鋼方法係藉由控制轉爐渣之組成，吸附鋼液中之磷，降低轉爐渣中磷的活性，藉此降低復磷量。
在進行前處理製程時，其係將鋼鐵原料熔融，並導入脫矽脫磷劑與氧氣於此鋼液中，以形成第一鋼液。在一實施例中，第一鋼液之矽濃度係0.001wt%至0.015wt%，第一磷濃度(以下簡稱[P1 ])係0.01wt%至0.045wt%，且此第一鋼液之溫度係1150℃至1300℃。在一例子中，脫矽脫磷劑包含氧化鈣、氧化鐵與氟化鈣且氧氣之流量係500Nm3 /min至800Nm3 /min。
在一例子中，氧化鈣之含量係38wt%至55wt%。當氧化鈣之含量大於55wt%時，易造成鋼液之流動性變差，抑制前處理製程去除磷之能力，使得頂底同吹轉爐煉鋼製程之轉爐渣無法包含有效含量的三矽酸鈣(Calcium Trisilicate；CaO‧3SiO2 )，以致無法有效吸附磷並降低磷之活性。當氧化鈣之含量小於38wt%時，亦無法使[P1 ]降至0.01wt%至0.045wt%，影響後續製程去除磷之能力。
在一例子中，氧化鐵之含量係43wt%至60wt%。當氧化鐵之含量大於60wt%時，影響轉爐渣中三矽酸鈣之形成。當氧化鐵之含量小於43wt%時，亦無法有效使[P1 ]降至0.01wt%至0.045wt%。
在一例子中，氟化鈣之含量係1wt%至5wt%。當氟化鈣之含量大於5wt%時，進行前處理製程時所釋放出之氣體氟對於環境具有不良影響。而當氟化鈣之含量小於1wt%時，無法有效降低[P1 ]。
在前處理製程之後，進行頂底同吹轉爐煉鋼製程，其係將第一鋼液倒入轉爐，並導入氧氣、惰性氣體與造渣劑，以形成第二鋼液，其中第二鋼液具有第二磷濃度(即頂底同吹轉爐煉鋼製程終止時鋼液中之磷濃度；以下簡稱[P2 ])。在一實施例中，頂底同吹轉爐煉鋼製程之吹煉終止溫度係1550℃至1680℃。在此實施例中，當轉爐煉鋼製程之吹煉終止溫度大於1680℃時，磷在轉爐渣中之穩定性降低，使得磷容易回復至鋼液中。
上述之頂底同吹轉爐煉鋼製程更包含造渣步驟，其係將造渣劑導入轉爐，並於轉爐之頂部導入氧氣、同時於轉爐之底部導入惰性氣體之情形下，使第二鋼液中之不純物(例如包含矽與磷)形成轉爐渣。在一實施例中，造渣步驟的氧氣之流量係500Nm3 /min至800Nm3 /min，而惰性氣體之流量係0.03Nm3 /min至0.5Nm3 /min。
上述之造渣劑包含氧化鈣、矽鐵化合物與氟化鈣。在一實施例中，氧化鈣之用量係30公斤/噸鋼液至55公斤/噸鋼液，矽鐵化合物之用量係2公斤/噸鋼液至10公斤/噸鋼液，且氟化鈣之用量係0.1公斤/噸鋼液至3公斤/噸鋼液。當造渣劑之氧化鈣的用量大於55公斤/噸鋼液時，會增加後續形成之轉爐渣的鹽基度，導致轉爐渣之流動性變差；當氧化鈣之用量小於30公斤/噸鋼液時，會減少後續形成之轉爐渣的鹽基度，導致第二鋼液中之不純物無法有效形成轉爐渣。其次，當矽鐵化合物之用量大於10公斤/噸鋼液時，會增加後續形成之轉爐渣的鹽基度，導致第二鋼液中不純物無法有效形成轉爐渣；當矽鐵化合物之用量小於2公斤/噸鋼液時，會減少後續形成之轉爐渣的鹽基度，導置轉爐渣之流動性變差。再者，當氟化鈣之用量大於3公斤/噸鋼液時，會增加造渣製程所釋放出之氣體氟，對於環境造成不良影響；當氟化鈣小於0.1公斤/噸鋼液時，導致第二鋼液之不純物無法有效形成轉爐渣。
在一實施例中，上述導入之造渣劑會影響轉爐渣之鹽基度，其中此處所稱之「轉爐渣之鹽基度」係指轉爐渣中氧化鈣與二氧化矽之重量比例(CaO/SiO2 )。在一實施例中，轉爐渣之鹽基度係3至4.5，使轉爐渣具有較佳的流動性，並使第二鋼液中之不純物形成轉爐渣。
在一例子中，轉爐渣中包含氧化鈣、二氧化矽、全鐵(Total Iron；T-Fe)與五氧化二磷，氧化鈣之含量係33wt%至52wt%，二氧化矽之含量係10wt%至20wt%，T-Fe之含量係20wt%至37wt%，且五氧化二磷之含量係大於0wt%且小於或等於4wt%。
上述之擋渣製程係用以去除第二鋼液中厚度大於40公釐之轉爐渣，以形成具有第三磷濃度(即擋渣製程後鋼液中之磷濃度；以下簡稱[P3])之第三鋼液。藉由擋渣製程可減少流入第三鋼液中之轉爐渣，並降低轉爐渣中不穩定之磷回復至第三鋼液之情形。在一實施例中，[P1 ]係大於[P3 ]，且[P3 ]係大於[P2 ]。
值得一提的是，本發明之降低復磷量之煉鋼方法係藉由前處理製程之脫矽脫磷前處理，降低鋼液中之矽濃度與磷濃度，再接續進行頂底同吹轉爐煉鋼製程，使鋼液中之不純物形成包含三矽酸鈣之轉爐渣。相較於習知技術係利用轉爐渣所含之二矽酸鈣吸附並降低磷的活性，其復磷量高達30ppm至40ppm，本發明之轉爐渣所含之三矽酸鈣更能有效吸附鋼液中的磷，降低轉爐渣中磷之活性，提高磷在轉爐渣中之穩定性，進而減少後續煉鋼製程之復磷量，其中本發明之方法所得鋼液的復磷量可降低至5ppm至10ppm。
另外，相較於習知轉爐渣所含之二矽酸鈣，本發明之轉爐渣所含之三矽酸鈣除了可使所得之鋼液具有更低的復磷量，同時三矽酸鈣與二矽酸鈣更具有截然不同的結晶型態。請參閱第1圖，其係顯示本發明一實施例之轉爐渣中三矽酸鈣之電子顯微鏡圖，其中第1圖之三矽酸鈣為棒狀結晶。請參閱第2圖，其係顯示習知轉爐渣中二矽酸鈣之電子顯微鏡圖，其中二矽酸鈣為圓狀結晶。
比較第1圖與第2圖可知，本發明之方法所得之轉爐渣所含之三矽酸鈣，與習知轉爐渣所含之二矽酸鈣相比，二者具有截然不同之結晶型態。換言之，在本發明之造渣步驟中，必須利用本發明特定組成的造渣劑於特定製程條件下，始能獲得具有三矽酸鈣之轉爐渣，使所得之鋼液具有更低的復磷量。
在一例子中，在擋渣製程後更可選擇性進行一凝固製程。此凝固製程係將第三鋼液倒入鋼錠模(Ingot Module)中，待其凝固後，形成一鋼錠(Ingot)。之後，進行加工製程(例如：軋鋼或鍛造等步驟)以製成低磷鋼材成品。
在另一例子中，在擋渣製程後更可選擇性進行一澆鑄製程，此澆鑄製程係將第三鋼液倒入一連續鑄造機中，澆鑄成鋼胚(Slab)，以製成低磷鋼材。
由本發明上述實施例可知，本發明之降低復磷量之煉鋼方法，其優點係利用造渣劑使鋼液中之不純物形成包含三矽酸鈣之轉爐渣，藉由三矽酸鈣吸附第二鋼液中之磷並降低轉爐渣中磷的活性，藉此避免轉爐渣之磷回復到鋼液，以降低鋼液的復磷量。
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。
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圖係顯示本發明一實施例之轉爐渣中三矽酸鈣之電子顯微鏡圖。
第2圖係顯示習知之轉爐渣中二矽酸鈣之電子顯微鏡圖。

Claims (6)

  1. 一種降低復磷量之煉鋼方法，包含：進行一前處理製程，其中該前處理製程係用以提供一第一鋼液，其中該第一鋼液之矽濃度係0.001重量百分比(wt%)至0.015wt%，該第一鋼液之第一磷濃度係0.01wt%至0.045wt%，且該第一鋼液之溫度係1150℃至1300℃；進行一頂底同吹轉爐煉鋼製程，該頂底同吹轉爐煉鋼製程係將該第一鋼液倒入一轉爐，以形成一第二鋼液，其中該第二鋼液具有一第二磷濃度，該頂底同吹轉爐煉鋼製程之轉爐吹煉終止溫度係1550℃至1680℃，且該頂底同吹轉爐煉鋼製程更包含：一造渣步驟，該造渣步驟係投入一造渣劑於該轉爐中，該轉爐之一頂部導入氧氣且於該轉爐之一底部導入一惰性氣體，使該第二鋼液中之一不純物形成一轉爐渣，該氧氣之流量係500Nm3 /min至800Nm3 /min，且該惰性氣體之流量係0.03Nm3 /min至0.5Nm3 /min，其中該造渣劑包含：30公斤/噸鋼液至55公斤/噸鋼液之氧化鈣；2公斤/噸鋼液至10公斤/噸鋼液之矽鐵化合物；以及0.1公斤/噸鋼液至3公斤/噸鋼液之氟化鈣；以及進行一擋渣製程，以去除該第二鋼液中厚度大於40 公釐之該轉爐渣並形成一第三鋼液，其中該第三鋼液具有一第三磷濃度，且其中該第一磷濃度係大於該第三磷濃度，該第三磷濃度係大於該第二磷濃度，且該轉爐渣之三矽酸鈣(Calcium Trisilicate；CaO．3SiO2 )吸附該轉爐渣中之磷，使該第三磷濃度與該第二磷濃度之差值係5ppm至10ppm。
  2. 如請求項1所述之降低復磷量之煉鋼方法，更包含在該擋渣製程後進行一凝固製程，其中該凝固製程係將該第三鋼液倒入一鋼錠模(Ingot Module)中，以形成一鋼錠。
  3. 如請求項1所述之降低復磷量之煉鋼方法，更包含在該擋渣製程後進行一澆鑄製程，其中該澆鑄製程係將該第三鋼液倒入一連續鑄造機，以形成一鋼胚。
  4. 如請求項1所述之降低復磷量之煉鋼方法，其中該前處理製程更包含導入一脫矽脫磷劑與氧氣於一鋼液中，以形成該第一鋼液，該氧氣之流量係500Nm3 /min至800Nm3 /min，且該脫矽脫磷劑包含：38wt%至55wt%之氧化鈣；43wt%至60wt%之氧化鐵；以及1wt%至5wt%之氟化鈣。
  5. 如請求項1所述之降低復磷量之煉鋼方法，其中該不純物包含矽與磷。
  6. 如請求項1所述之降低復磷量之煉鋼方法，其中該轉爐渣包含：33wt%至52wt%之氧化鈣；10wt%至20wt%之二氧化矽；20wt%至37wt%之全鐵(Total Iron；T-Fe)；以及大於0wt%且小於或等於4wt%之五氧化二磷。
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