TWI630276B - 高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法 - Google Patents

高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其包含下列步驟：提供一底吹管，用以流通一氣體至一高溫冶煉爐中；以一預設速度提高該氣體的流量，使一固凝物逐漸形成於該底吹管之一出口處；持續測量該氣體的壓力，以獲得一壓力曲線；以及當測量得知該壓力曲線連續出現多個特徵峰時，繼續增加該氣體的流量，直到該些特徵峰不再出現後，維持增加到最後之該氣體的流量。

Description

高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法
本發明係關於一種高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，特別是關於一種可即時監測高溫冶煉中固凝物形成狀態的控制方法。
高溫鋼鐵冶煉製程中常利用氣體底吹來提升冶煉效率，但製程中底吹氣體所伴隨的氣泡回擊現象會嚴重的侵蝕底吹管口之氣體出口及其周圍之耐火材料，導致製程中斷及冶煉成本提高。由於常溫的底吹氣體在吹入高溫鐵水的過程中會不斷吸熱，因此在適當的製程條件下有機會在底吹管之氣體出口附近形成一鐵相固凝物，藉由此固凝物可避免氣泡直接回擊爐底，此為減緩爐底侵蝕的方法之一。
在底吹管之氣體出口處之固凝物的形成與吹入氣體的冷卻能力和單位時間的吹氣量有關，不同的氣體底吹製程能決定固凝物形成與否及影響固凝物生成之形態及尺寸，因此氣體底吹製程的控制極為重要，控制不當則可能造成元件阻塞，因而影響元件的通暢性，甚至被迫中斷製程。然而，冶煉過程通常無法真實的觀察到固凝物，甚至無法得知固凝物是否生成。
在Xu等人的研究(C.Xu,Y.Sahai,and R.I.L.Guthrie, “Formation of Thermal Accertion in Submerged Gas Injection Processes”,Ironmaking and Steelmaking,vol.11,no.2,p101-107,1984)中，其利用0.3m×0.3m×0.3m水模進行底吹固凝物型態，以3-6mm底吹單管進行底吹實驗，底吹時間為20分鐘，底吹出不同型態固凝物，為了避免固凝物融化，利用石蠟將固凝物型態保留住，以進行分析。
在Guthrie等人的研究(R.I.L.Guthrie,H.C.Lee and Y.Sahai,”On the Formation of Thermal in Steelmaking Vessels”,Proceedings of the Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting Edited by J.K.Brimacombe,P.J.Mackey,G.J.Kor,C.Bickert and M.G.Ranade.The Minerals,Metals and Materials Society,p445-462,1992)中，其同樣以0.3m×0.3m×0.3m的正方體水模進行實驗，底吹管的形式為單管與雙套管，底吹進行20分鐘後，利用石蠟將底吹管之管口處的固凝物包住，並將內部的水倒出，並進行拍照分析。在噴吹的時候，固凝物會慢慢的在管口處形成，然後將管口全部包住，漸漸形成尖錐形固凝物附著在管口，此時氣體被迫由中心孔吹出，最後中心孔逐漸縮小，氣體也被壓縮，氣體開始在固凝物內形成紋路，氣體從紋路路徑吹出，其行為類似分配器。
雖然上述研究都針對固凝物的型態進行了研究，但並沒有提出一個較有效的方法來解決高溫冶煉爐底部受侵蝕的問題。
故，有必要提供一種高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種高溫冶煉中固凝物狀態的 控制方法，利用觀察底吹氣體的壓力及溫度變化，可推測出固凝物不同的狀態，對應採取不同的氣體流量，以提高高溫冶煉爐中固凝物的穩定性，延緩爐底遭受侵蝕的速度，延長設備使用壽命。
為達上述之目的，本發明的一實施例提供一種高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其包含下列步驟：提供一底吹管，用以流通一氣體至一高溫冶煉爐中，該氣體的溫度在室溫以下；以一預設速度提高該氣體的流量，使一固凝物逐漸形成於該底吹管之一出口處；持續測量該氣體的壓力，以獲得一壓力曲線；以及當測量得知該壓力曲線連續出現多個特徵峰時，繼續增加該氣體的流量，直到該些特徵峰不再出現後，維持增加到最後之該氣體的流量，其中該些特徵峰的形成是由於該固凝物阻塞該底吹管之出口而使該氣體的壓力升高，直至該固凝物破裂後使該氣體的壓力降低，並重複多次該氣體的壓力升高及壓力降低所造成的。
在本發明之一實施例中，該高溫冶煉爐內部的溫度小於或等於1500℃。
在本發明之一實施例中，該氣體的溫度係-177℃。
在本發明之一實施例中，該預設速度為每30秒增加該氣體的流量10Nm3/hr(立方公尺/小時)。
在本發明之一實施例中，在持續測量該氣體的壓力之同時，另包含持續測量該底吹管之出口處的溫度，以獲得一溫度曲線。
在本發明之一實施例中，該些特徵峰所各自對應的底吹管之出口的溫度均高於該氣體的溫度。
1‧‧‧底吹管
2‧‧‧固凝物
a、b、c、d‧‧‧特徵峰
a’、b’、c’、d’‧‧‧對應特徵峰的溫度
第1圖：本發明一實施例之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法中該固凝物的變化示意圖。
第2圖：顯示在水中模擬底吹氣體冷凝使水結冰的壓力及溫度變化曲線圖。
第3圖：顯示在水中模擬底吹氣體冷凝使水結冰的壓力及溫度變化曲線圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的單數形式“一”、“一個”和“所述”包括複數引用，除非上下文另有明確規定。例如，術語“一化合物”或“至少一種化合物”可以包括多個化合物，包括其混合物；本發明文中提及的「%」若無特定說明皆指「重量百分比(wt%)」；數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)；各成份的「重量百分比」之比例關係亦可置換為「重量份」的比例關係。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
本發明的一實施例提供一種高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其主要包含下列步驟：(S01)提供一底吹管，用以流通一氣體至一高溫冶煉爐中；(S02)以一預設速度提高該氣體的流量，使一固凝物逐漸形成於該底吹管之一出口處；(S03)持續測量該氣體的壓力，以獲得一壓力曲線；以及(S04)當測量得知該壓力曲線連續出現多個特徵峰時，繼續 增加該氣體的流量，直到該些特徵峰不再出現之後，維持增加到最後之該氣體的流量。本發明將於下文利用第1至3圖逐一詳細說明第一實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。
本發明一實施例之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法首先是：(S01)提供一底吹管，用以流通一氣體至一高溫冶煉爐中。在本步驟中，該高溫冶煉爐、底吹管及氣體可以是如傳統煉鋼所使用的裝置或材料，並不特別限制。該高溫冶煉爐內部的溫度小於或等於1500℃，可例如是1300至1500℃。該氣體的溫度較佳為室溫以下，可例如是-170至-180℃，特別是-177℃，然不限於此。
本發明一實施例之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法接著是：(S02)以一預設速度提高該氣體的流量，使一固凝物逐漸形成於該底吹管之一出口處。在本步驟中，該預設速度可例如是每30秒就增加一次該氣體的流量約10Nm3/hr(立方公尺/小時)，然不限於此，可依照實際狀況調整。由於煉鋼條件通常都在1000℃以上，因此該氣體注入後，可將高溫冶煉爐中的鐵水液冷凝固化於該底吹管之出口附近，所以通常該固凝物會沉積於該底吹管的出口處。
本發明一實施例之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法接著是：(S03)持續測量該氣體的壓力，以獲得一壓力曲線。在本步驟中，該壓力曲線可利用氣體的壓力為縱軸，以時間為橫軸作圖，可持續監測該氣體的壓力變化趨勢。由於在不同的氣體流量時，該固凝物的形狀及狀態都不相同。當該氣體注入初期，由於氣體流量尚低，該固凝物呈扁平狀，該氣體可以從該固凝物的間隙中被分散成小氣泡而吹出，該氣體吹出受阻壓 力與溫度皆逐漸緩慢上升，此時該氣體所提供的攪拌功能較差。
接著，請參考第1圖所示，當流量漸漸增加，該固凝物2會受到該氣體推擠而逐漸變高，但該固凝物2的頂端脆弱處會產生間歇性的斷裂並被該氣體吹掉，然後再重新長出，此時在對應時間測量到的該氣體壓力會有明顯的特徵峰(peak)產生，主要是因為氣體會受到該固凝物阻塞，需要累積一段時間才能突破，每當突破後氣體瞬間衝出，會使氣體的溫度及壓力都瞬間降低。
本發明一實施例之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法接著是：(S04)當測量得知該壓力曲線連續出現多個特徵峰時，繼續增加該氣體的流量，直到該些特徵峰不再出現之後，維持增加到最後之該氣體的流量。在本步驟中，當該壓力曲線連續出現多個特徵峰時，代表著該固凝物開始阻塞及重新生成的循環，因此需要增加該氣體的流量，直到該固凝物不會阻塞該該底吹管，而該些特徵峰也不再出現。亦即，該些特徵峰的形成是因為該固凝物阻塞該底吹管之出口而使該氣體的壓力升高，直至該固凝物破裂後再使該氣體的壓力降低，並重複多次該氣體的壓力升高及壓力降低所造成的。因此，雖然無法直接觀察該固凝物的型態，但可以藉著監測該氣體的壓力變化，推測出該固凝物的形成狀態，進而在適當的時機增加氣體流量，並維持該增加到最後之氣體的流量，以移除堵塞於該底吹管的該固凝物。
再者，在本發明一實施例中，除上述步驟(S01)至(S04)，可在(S03)持續測量該氣體的壓力之同時，另外包含一步驟：持續測量該底吹管之出口處的溫度，以獲得一溫度曲線。在本步驟中，可觀察該 溫度曲線的變化，對應該些特徵峰所出現的時間點，來進一步確定該固凝物的形成狀態。該些特徵峰所各自對應測量到的底吹管的溫度一般而言都高於該氣體的溫度，這是因為特徵峰為氣體的壓力最高時，此時該氣體無法流動而累積在底吹管中，使得溫度無法藉由氣體的有效循環而降低。
為使本發明的高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法更明確及驗證其可行性，進行了水中模擬結冰狀態的試驗。請參考第2圖，其係於水中模擬底吹氣體冷凝使水結冰的壓力及溫度變化曲線圖。雖然水中結冰狀態並非實際鐵水固凝物狀態，但其形成原理相近，可做為實際於高溫冶煉爐操作的參考。操作條件為氣體溫度-177℃；氣體流量從10Nm3/hr開始，每30秒提升10Nm3/hr；水為常溫。從第2圖的壓力曲線可見，測量初期溫度及壓力均在一較小範圍內變動，可解釋初期結冰的平穩生長狀態，直到1800秒至2700秒開始出現特徵峰a、b、c、d，此時該些特徵峰所各自對應之溫度a’、b’、c’、d’也呈現高於吹入氣體的溫度，顯示了冰塊開始重複破裂及生長的循環。
接著，將該氣體的流量繼續提升後，氣體的壓力及溫度變化曲線如第3圖，可發現其壓力及溫度曲線都回復到較平穩的變動狀態，顯示了冰塊已經被氣體衝破，使氣體能通過底吹管維持正常循環進而降低溫度。
如上所述，本發明之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法確實可以提供一個較為簡便的固凝物狀態的控制方法，解決高溫冶煉爐的作業條件所導致無法即時觀測固凝物狀態的問題。由於可及時解決固凝物不穩定性，延長了煉鋼作業中高溫冶煉爐受到底吹氣體循環而受侵蝕的問 題，延長設備壽命，降低製造成本。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。

Claims (6)

  1. 一種高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其包含下列步驟：提供一底吹管，用以流通一氣體至一高溫冶煉爐中，該氣體的溫度在室溫以下；以一預設速度提高該氣體的流量，使一固凝物逐漸形成於該底吹管之一出口處；持續測量該氣體的壓力，以獲得一壓力曲線；以及當測量得知該壓力曲線連續出現多個特徵峰時，繼續增加該氣體的流量，直到該些特徵峰不再出現後，維持增加到最後之該氣體的流量；其中該些特徵峰的形成是由於該固凝物阻塞該底吹管之出口而使該氣體的壓力升高，直至該固凝物破裂後再使該氣體的壓力降低，並重複多次該氣體的壓力升高及壓力降低所造成的。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其中該高溫冶煉爐的溫度小於或等於1500℃。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其中該氣體的溫度係-177℃。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其中該預設速度為每30秒增加該氣體的流量10立方公尺/小時。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其中在持續測量該氣體的壓力之同時，另包含：持續測量該底吹管之出口處的溫度，以獲得一溫度曲線。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之高溫冶煉中固凝物狀態的控制方法，其中該些特徵峰所各自對應的底吹管之出口的溫度均高於該氣體的溫度。
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