专利名称：低碳钢的制造方法
技术领域：
本发明主要涉及炼钢生产，其中氧气从熔融钢水表面之上被提供给熔融钢水，并且更具体而言，本发明涉及采用这种工序用于进行低碳钢的制造。
背景技术：
碱性氧气顶吹转炉(BOF)炼钢工艺是一种众所周知的用于制造绝大部分世界上的高品质低碳钢的炼钢方法。BOF工艺使用来自高炉的熔融铁水作为主要的铁源。由于高炉炼铁工艺的特性，该熔融的高炉铁水中含有饱和的溶解碳。在BOF工艺中，该熔融铁水连同钢屑废料一起进入敞顶式转炉。水冷氧枪被插入穿过顶部开口并且氧气由氧枪以多条射流的形式吹向熔融金属。该氧气使熔融铁水中的碳燃烧，使钢屑废料熔化并且形成钢水池。
由氧气对碳的燃烧速度决定了BOF工艺的产率。当部分精炼的钢水中含有超过约0.30重量百分含量的溶解碳时，在氧气可通过氧枪被输送到钢水池时迅速发生碳的氧化。然而，当存在低于约0.30重量百分含量的碳时，碳的氧化速度则取决于从钢水池主体向氧气射流冲击钢水池的区域进行的溶解碳的输送。
常规BOF工艺存在的一个问题在于钢水池主体中的搅拌和混合相对较差。结果是，当存在低于约0.30重量百分含量的碳时，从钢水池主体向反应区进行的碳的输送较慢并且脱碳效率低。随着碳含量的降低，增量的氧气与金属进行反应，而不是与碳进行反应。金属氧化造成有价值元素例如铁和锰的渣损失。由于氧气的消耗量超过炼钢生产要求，且完成对钢水池的精炼所需的时间也增长了，因此这种金属氧化的代价还是较高的。另外，其它金属合金材料的氧化可降低钢的品质并且增多所要求的成本较高的再合金的量。过度的金属氧化还将提高熔体的温度和炉渣中的氧化物含量，以上二者均对精炼容器的耐火炉衬不利。所有这些问题都使得效率降低并且使得BOF工艺的成本增加。
因此，本发明的目的在于提供一种用于制造低碳钢的改进的顶吹炼钢工艺，例如改进的BOF工艺。
发明内容
在阅读完本公开内容之后对于本领域的技术人员而言明显的以上和其它目的可通过本发明达到，其中的一个方面在于一种用于制造低碳钢的方法，包括以下顺序精炼阶段(A)由氧枪向碳的浓度高于0.30重量百分含量的熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在气体罩层中的至少一条气流中；此后(B)由氧枪向熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；并且此后(C)由氧枪向熔融钢水提供氧气和惰性气体，所述氧气和惰性气体存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；所述各精炼阶段用于制造低碳钢。
本发明的另一个方面在于一种用于制造低碳钢的方法，包括以下顺序精炼阶段(A)由氧枪向碳的浓度高于0.30重量百分含量的熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在气体罩层中的至少一条气流中；此后(B)由氧枪向熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；并且此后(C)由氧枪向熔融钢水提供惰性气体，所述惰性气体存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；所述各精炼阶段用于制造低碳钢。
在此所使用的术语“低碳钢”指的是碳的浓度低于约0.10重量百分含量的钢。
在此所使用的术语“惰性气体”指的是氩气、氮气、一氧化碳、二氧化碳和氦气中的一种或多种。
在此所使用的术语“气体罩层”指的是环绕且沿着一条或多条气流的不燃烧的气膜。
在此所使用的术语“火焰罩层”指的是环绕且沿着一条或多条气流的燃烧的气膜。
在此所使用的术语“集速射流”指的是一种在其流动方向上直径几乎没有或者没有增大的超音速气流。
在此所使用的术语“常规射流”指的是一种在其流动方向上直径增大的超音速气流。
图1是适用于本发明的实践的一种特别优选的氧枪的正视图；图2是适用于本发明的实践的该特别优选的氧枪的剖视图；图3是处于运转状态下的本发明的方法的总图；和图4是通过本发明的实践所得到的结果与通过两种已公知的实践所得到的结果的比较曲线图。
具体实施例方式
本发明涉及一种包括采用规定顺序的三个不同的阶段的方法，由此通过从熔融钢水表面上方向熔融钢水提供氧气而生产出低碳钢。氧气与转炉内的熔融钢水中的碳进行反应从而产生冒泡溢出熔融钢水的二氧化碳和一氧化碳，由此降低了碳的浓度并且制造出低碳钢。
下面结合附图对本发明进行更详细地描述。在附图中，使用相同的附图标记表示共用的元件。
典型地约75％的装入BOF转炉，例如如图3所示的转炉11中的铁是来自高炉的熔融金属，且剩余的25％的装入转炉中的铁是钢屑废料。在开始进行本发明的三个阶段的精炼工艺之前，炉料15中的碳的浓度高于0.30重量百分含量，并且所述碳的浓度典型地在4.0-4.5重量百分含量的范围内。
本发明精炼方法中的第一阶段包括约30％-约70％的精炼期，即在所述第一阶段提供本发明的精炼方法过程中提供给熔融钢水的总氧的约30％-约70％。在所述精炼期开始时加入助熔剂如石灰和白云石，从而使炉渣12获得所需的化学组成并且中和在第一阶段中形成的二氧化硅。
在本发明精炼方法的第一阶段中，由氧枪喷头或氧枪面向熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于至少一条气流中。气体罩层包封住氧气流。所述气体罩层优选从氧枪喷头延伸至熔融钢水表面。所述气体罩层中包含氧气和惰性气体。所述气体罩层中的惰性气体优选为氮气。
图1和图2中示出了用于实践本发明精炼方法的三个阶段中的每一个阶段的优选设备。当使用如图1和图2中所示出的设备时，由四个喷嘴2通过氧枪3的氧枪面6上的四个喷嘴口4提供氧气。凹槽21中的孔口环20在氧枪喷头处环绕所述喷嘴，且由这些孔口提供形成气体罩层的氧气和惰性气体。优选由第一组孔口例如22提供氧气且由第二组孔口例如23提供惰性气体，所述第一组孔口与第二组孔口交替排列。
环绕氧气流的所述气体罩层导致所述气体流形成常规射流。所述常规超音速射流快速衰减到亚音速，这时所述射流以约10度的半角散播，由此导致产生穿透性更弱的射流并且与环境气氛和熔池形成大面积的表面接触。这种氧气流更不可能被在精炼期开始时存在的将会对氧枪或转炉内衬造成伤害的未熔化的钢屑废料所反射。
常规射流是紊流的并且夹带大量的环境气氛，在所述环境气氛中含有较高百分含量的一氧化碳。该一氧化碳被氧气射流后燃成二氧化碳，且释放出的生成热量使得能够熔化的钢屑废料的量增加从而降低了成本并且增大了产率。常规射流的环形气体罩层中所含有的附加氧气也与一氧化碳发生反应，并且进一步增多了进行后燃的量。在吹炼的初始部分过程中，熔池混合不太重要，这是因为碳含量和脱碳效率较高且氧化造成的铁损失的速度和量较低。因此，在该初始期过程中由常规超音速射流提供的水平降低的熔池混合不会显著地减少收得率。
在30％-约70％的用于进行熔融钢水脱碳的氧气已被提供给熔融钢水并且熔融钢水中的碳含量已降至约0.3重量百分含量并且大致在1.0-0.2重量百分含量的范围内之后，本发明精炼方法的第一阶段结束并且第二阶段开始。在本发明精炼方法的第二阶段中，由氧枪喷头或氧枪面向熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于至少一条气流中。火焰罩层包封住氧气流或多条氧气流。所述火焰罩层优选从氧枪喷头延伸至熔融钢水表面。
根据本发明的实践，可以使用任何适合的燃料以形成火焰罩层。所述燃料优选为含氢燃料。在这些燃料中，人们可以选择甲烷、天然气、丙烷、丁烷、石油气、焦炉煤气、气化或汽化的燃油和氢气及其混合物。也可以使用含氢燃料与一氧化碳或惰性气体的混合物。
当使用如图1和图2中所示出的设备时，优选由在第一阶段中提供惰性气体的孔口提供用于形成火焰罩层的燃料，并且优选由在第一阶段中设置用于形成气体罩层的相同的孔口提供用于形成火焰罩层的氧气。通过与第一阶段中所使用的喷嘴相同的喷嘴在第二阶段中提供精炼氧气。
在本发明精炼方法的第二阶段中环绕氧气流或多条氧气流的所述火焰罩层导致所述氧气流或多条氧气流形成集束氧气射流。所述集束射流或多条集束射流优选从氧枪喷头延伸至熔融钢水表面。
由于炉渣中的氧和FeO与碳快速反应，所以碱性氧气顶吹转炉常常会受到来自炉内的金属和炉渣的喷射，从而导致以较高速度生成夹带金属和炉渣并将其带出熔炼容器的一氧化碳。由此导致收得率损失；凝固金属和炉渣在炉口和高炉料钟上积聚结渣，这需要进行定期清除；相关联的产量损失；废气系统没有捕获到的烟雾排放以及对BOF烟雾捕获罩可能存在的损伤。常常所希望的是能够在BOF中尽可能多地熔化大块废料如渣壳、元阳模、铸锭废钢等。然而，缺乏对熔池的搅拌和相关联的较差的传热性能可能会产生延迟熔化或者甚至是未熔化的废料，所述废料不利于对化学组成进行控制并且不利于炉子的整体运行。由常规射流转变为集束射流增强了熔池的搅拌和传热并且允许使用更大块的废料，而不会产生与延迟熔化或者不完全熔化相关联的问题。
在精炼送风进入BOF中时，除碳的限速步骤由吹氧速度(通过氧枪的总的O2流速)变为碳在熔池内的传质。因为穿透性更深的射流使得熔池混合得到增强，所以由常规射流转变为集束射流增强了在熔池内碳的传质速度。这样就使得除碳效率更高和形成的FeO更少，从而使Fe的收得率更高。基于熔融金属中的硅含量、以上每种因素对于常规射流和集束射流运行模式的相对重要性以及对炉子的运行和成本的总体优化得出在吹炼中由第一阶段转变为第二阶段的特定点。
在本发明精炼方法的第二阶段之后，熔融钢水中的碳的浓度一般小于0.3重量百分含量并且典型地在0.3-0.02重量百分含量的范围内。这时开始本发明精炼方法的第三阶段。
在本发明精炼方法的第三阶段中，由氧枪喷头或氧枪面向熔融钢水提供惰性气体或者包含至少10摩尔百分含量的氧气和惰性气体的氧气和惰性气体，所述惰性气体或者氧气和惰性气体存在于至少一条气流中。火焰罩层包封住一条气流或多条气流。所述火焰罩层优选从氧枪喷头延伸至熔融钢水表面。当使用如图1和图2中所示出的设备时，以与在本发明精炼方法的第二阶段中的形成方式相似的方式形成火焰罩层。在本发明精炼方法的第三阶段中提供的惰性气体或者氧气和惰性气体通过喷嘴2提供。优选在本发明精炼方法的第三阶段中使用的惰性气体是氩气。
在本发明精炼方法的第三阶段中环绕惰性气体或者氧气和惰性气体气流或多条气流的所述火焰罩层导致所述惰性气体或者氧气和惰性气体气流或多条气流形成集束射流。所述集束射流或多条集束射流优选从氧枪喷头延伸至熔融钢水表面。在第三阶段结束时，熔融钢水中的碳的浓度小于0.10重量百分含量。
在图3中，元件16一般化地表示一条中心气流或多条中心气流，即在第一和第二阶段中的氧气和在第三阶段中的惰性气体或者氧气和惰性气体，以及在本发明精炼方法的实践中所使用的罩层，即在第一阶段中的气体罩层和在第二和第三阶段中的火焰罩层。
根据本发明实践的第三阶段与第一和第二阶段的结合使用用于减少熔融金属中由于在金属熔池中缺乏适当的混合所形成的化学组成和温度不均匀的区域，而不会造成过度的金属熔池氧化和炉渣氧化。由从顶部吹到低碳加热体上的惰性气体或者氧气和惰性气体的集束射流所产生的经过改进的混合的有益效果包括增强了钢的脱碳；减少了炉渣中的FeO含量，由此得到更好的铁的收得率并减弱了由炉渣引起的耐火侵蚀；金属中的溶解氧减少，从而导致在钢水包中铝的消耗量更低；金属中的锰含量更高，从而导致锰铁的消耗量更低；脱硫脱磷作用增强以及吸氢作用减弱。
图4示出了作为三种实践的溶解碳的最终含量函数的溶解在精炼钢中的氧含量的比较图。曲线A示出了具有常规氧气射流(40000Nm3/hr)和通过转炉底部上的风口吹入的氩气(800Nm3/hr)的常规底部搅拌BOF工艺的情况。曲线B示出了具有集束氧气射流和通过转炉底部上的风口吹入的氩气的底部搅拌BOF工艺的情况。曲线C示出了本发明的情况，在本发明的实例中使用了顶吹集束氩气射流，而不是通过转炉底部上的风口吹入氩气。溶解氧的含量反应了已经发生氧化或进入炉渣中的金属物质的量。溶解氧的含量还反应了必须使用用以除去溶解氧且使钢适于进行铸造的脱氧剂例如铝的量。由图4中的研究结果可以看到特别是在碳含量非常低的情况下，本发明的实践得到了优于已公知实践可能得到的结果。
尽管已经结合一些优选实施例对本发明作出了描述，但是本领域的技术人员应会意识到存在落入所附权利要求的精神和范围内的多种其它的实施方式。
权利要求
1.一种用于制造低碳钢的方法，包括以下顺序精炼阶段(A)由氧枪向碳的浓度高于0.30重量百分含量的熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在气体罩层中的至少一条气流中；此后(B)由氧枪向熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；并且此后(C)由氧枪向熔融钢水提供氧气和惰性气体，所述氧气和惰性气体存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；所述各精炼阶段用于制造低碳钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体罩层中包含氧气和氮气。
3.根据权利要求1所述的方法，其中由所述氧枪通过环绕多个喷嘴的单环孔口提供所述气体罩层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在阶段(A)和阶段(B)中均在多条气流中提供氧气。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在阶段(C)中在多条气流中提供氧气和惰性气体。
6.一种用于制造低碳钢的方法，包括以下顺序精炼阶段(A)由氧枪向碳的浓度高于0.30重量百分含量的熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在气体罩层中的至少一条气流中；此后(B)由氧枪向熔融钢水提供氧气，所述氧气存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；并且此后(C)由氧枪向熔融钢水提供惰性气体，所述惰性气体存在于被包封在火焰罩层中的至少一条气流中；所述各精炼阶段用于制造低碳钢。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述气体罩层中包含氧气和氮气。
8.根据权利要求6所述的方法，其中由所述氧枪通过环绕多个喷嘴的单环孔口提供所述气体罩层。
9.根据权利要求6所述的方法，其中在阶段(A)和阶段(B)中均在多条气流中提供氧气。
10.根据权利要求6所述的方法，其中在阶段(C)中所使用的惰性气体是氩气。
全文摘要
一种用于制造低碳钢的方法，其中在三个阶段的精炼工序中对熔融钢水进行脱碳。所述各阶段的精炼工序包括提供包封在气体罩层中的用于进行脱碳的氧气的第一阶段；提供包封在火焰罩层中的用于进行脱碳的氧气的第二阶段；和提供包封在火焰罩层中的惰性气体或者氧气和惰性气体的第三阶段。
文档编号C21C5/32GK1910295SQ200580003105
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月19日 优先权日2004年1月23日
发明者M·F·赖利, W·J·马霍尼 申请人:普莱克斯技术有限公司