CN119654425A

CN119654425A - 钢水的脱氮方法

Info

Publication number: CN119654425A
Application number: CN202380057923.8A
Authority: CN
Inventors: 根岸秀光; 小山拓弥; 沟端圭介
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2023-07-12
Publication date: 2025-03-18
Also published as: JP7420322B1; KR20250027805A; JPWO2024038715A1

Abstract

提出能够廉价且稳定地将熔解炉、精炼炉内的钢水中氮浓度降低到低氮浓度区域的技术。钢水的脱氮方法，向填充到熔解炉或精炼炉中的钢水中供给含氧气体和被输送气体输送的碳源，其中，以下述条件同时吹喷含氧气体和碳源，所述条件为：在俯视平面图内，相对于将所述碳源的吹入管喷出孔的前端(点X)、所述碳源的吹入方向中心轴延长线与炉内壁的交点(点Y)、及送氧喷枪喷出孔的前端(点Z)连结而成的三角形ΔXYZ，将距离点X为边XY的长度的2/3的边XY上的位置设为点W，将角∠XZW设为角度θ₁(°)，在俯视平面图内从穿过送氧喷枪喷出孔前端(点Z)的边ZX向Y侧打开的含氧气体的吹入方向θ₂(°)为正值且在θ₁以下的范围。

Description

钢水的脱氮方法

技术领域

本发明涉及在熔解炉或精炼炉中处理废料、还原铁及生铁等铁源原料而制造钢的工序中，向钢水中供给含氧气体及碳源而从钢水脱氮的方法。

背景技术

氮对于金属材料来说是有害成分，在以往的炼钢工艺中，主要使铁水中的氮[N]吸附在铁水的脱碳处理时产生的一氧化碳(CO)的气泡表面而除去。因此，关于碳浓度低的钢水，由于一氧化碳的产生量有限，因此用同样的方法不能将氮除去至低浓度。在此，铁水是指以铁成分为主，即含有超过50％的熔融金属，除了铁水、钢水以外，还包括熔解了冷铁源的熔融金属、将它们混合而成的熔融金属。

另一方面，以地球环境保护为目的，要求减少CO₂排放量。因此，需要将炼钢工艺从以往的使用高炉、转炉的方法转换为熔解废料、还原铁的方法。在这种情况下，得到的铁水的碳浓度变低，由于上述理由有可能不能熔炼低氮钢。

因此，提出了几个在电炉内的钢水中使碳[C]与含氧气体反应，活用该反应中产生的一氧化碳气泡来有效地进行钢水的脱氮的方法。例如，在专利文献1中公开了进行向钢水中吹入碳的碳吹入速度及氧的供给速度条件，以及向钢水中吹入碳时的载气中的氮浓度限制(≤3vol.％)。而且，通过并行进行脱氮促进和吸氮抑制，能够将精炼结束时的钢水中氮浓度[N]降低到25质量ppm以下。

另外，在专利文献2中公开了使用含烃气体作为吹入到钢水中的碳源的载气。而且，与将空气作为载气时相比，能够得到促进加碳和使钢水中的氮浓度[N]低于约20质量ppm的效果。

另外，在专利文献3中公开了将碳及氧同时且分离地注入到炉内的同一区域。而且，与仅注入氧的情况相比，钢水的脱氮促进了5质量ppm左右。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11－012634号公报

专利文献2：日本特开平03－028312号公报

专利文献3：日本特表2002－533566号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述以往技术中存在以下问题。向电炉内的钢水中吹入碳源时的载气通常使用空气或氮气。与此相对，在专利文献1、专利文献2记载的方法中，载气使用氩气或含烃气体。需要用于导入这些与通常不同的气体的配管，气体储藏罐以及巨额的设备投资。

另外，专利文献3中记载的方法是在注入氧的区域附近注入碳。该注入了碳的区域局部地得到比没有注入碳的区域的碳浓度(即钢液的平均碳浓度)高的碳浓度。因此，对于在该区域促进一氧化碳气体的产生具有其意义。但是，没有记载该局部区域的定义，也就是说没有关于允许碳注入部位和氧注入部位的距离的差距到何种程度的记载，仅示出了稍微“约20cm”的实施例。碳源的吹入管大多为炉壁埋入式。在该情况下，为了能够向氧注入部位附近注入碳，需要另外设置碳源用的喷枪、喷枪位置调整装置以及其他设备改造，并不现实。

本发明是鉴于上述情况而做成的，其目的在于提供一种不需要大规模的投资就能够稳定地将熔解炉、精炼炉内的钢水中氮浓度降低到低氮浓度区域的技术。

用于解决课题的手段

有利地解决上述课题的本发明的钢水的脱氮方法，向填充到熔解炉或精炼炉中的钢水中供给含氧气体和被输送气体输送的碳源，其中，以下述条件同时吹喷含氧气体和碳源，所述条件为：在俯视平面图内，相对于将所述碳源的吹入管喷出孔的前端(点X)、所述碳源的吹入方向中心轴延长线与炉内壁的交点(点Y)、及送氧喷枪喷出孔的前端(点Z)连结而成的三角形ΔXYZ，将距离点X为边XY的长度的2/3的边XY上的位置设为点W，将角∠XZW设为角度θ₁(°)，在俯视平面图内从穿过送氧喷枪喷出孔前端(点Z)的边ZX向Y侧打开的含氧气体的吹入方向θ₂(°)为正值且在θ₁以下的范围。

需要说明的是，本发明的钢水的脱氮方法中，下述等方案可以是更优选的解决手段。

(a)在具有多个所述碳源的吹入管的情况下，在与至少1个碳源的吹入管的关系上满足上述条件。

(b)确保从所述碳源的吹入管和所述送氧喷枪分别同时供给碳源和含氧气体的时间t₁(min)为从冷铁源的熔解开始到炉内钢水的出钢开始的所需时间t₂(min)的至少30％以上。

(c)所述点W位于所述边XY的中点。

(d)所述熔解炉为电炉。

发明的效果

根据本发明的钢水的脱氮方法，不需要大规模的投资就能够稳定地将熔解炉、精炼炉内的钢水中氮浓度降低到低氮浓度区域。

附图说明

图1是表示用于实施本发明的装置的一例的示意图，(a)表示纵剖视图，(b)表示俯视平面图。

图2是表示调查同时吹喷氧气和碳时的方向对脱氮产生的影响的实验的概要的示意图，(a)表示从排渣侧的送氧喷枪吹入含氧气体的情况，(b)表示从出钢侧的送氧喷枪吹入含氧气体的情况。

图3是表示同时吹喷含氧气体和碳源时，适于脱氮的含氧气体的吹入方向的示意图。

图4是表示本发明的含氧气体和碳源的同时供给时间率R(％)对钢水中氮浓度的影响的曲线图。

具体实施方式

以下，具体说明本发明的实施方式。需要说明的是，各附图是示意性的，有时与现实不同。另外，以下的实施方式例示出用于将本发明的技术构思具体化的装置、方法，并不是用于将构成限定于下述构成。即，本发明的技术构思能够在权利要求书所记载的技术范围内施加各种变更。

图1表示优选适于实施本发明的装置结构的一例。在图1的例子中，作为熔解炉的精炼容器使用电弧型电炉。使用推进机3将从倒卸车或吊车铲斗等投入到电弧型电炉的炉体1中的废料2推入。然后，从石墨电极4产生电弧而使作为冷铁源的废料2熔解，得到钢水5。同时，从炉上料斗设备6向钢水5上添加助熔剂7，得到熔渣8。以促进废料2的熔解为目的，从氧配管系统9通过排渣侧送氧喷枪10向废料投入侧的钢水5吹喷含氧气体11。与此同时，以通过钢水5中的碳浓度增加或熔渣8的成形来隔断钢水5与大气为目的，从载气配管系统12通过碳源吹入管13将碳源及载气14吹喷到钢水5上。在图1的例子中，碳源吹入管13水平地埋入炉壁19中。随着废料的熔解的进行，也从出钢侧送氧喷枪15向钢水5上吹喷含氧气体11。经过规定的时间后，停止含氧气体11、碳源和载气14的供给。与此同时，停止来自石墨电极4的电弧通电，将熔渣8的一部分从排渣口16排出到炉外。然后，从出钢口17向炉外出钢钢水5。

作为熔解炉、精炼炉，除了电弧式电炉之外，还可以例示感应熔解炉、浇包精炼炉。冷铁源除了废料之外，还可以使用还原铁，优选是使用可再生能源制造的铁源。需要说明的是，还原铁以通常能够获得的物质为对象。含氧气体11可以使用纯氧气或将氧气稀释了的气体。为了促进脱氮，稀释气体优选不含氮，可以例示氩气、二氧化碳气体等。碳源的载气可以使用空气等。

对于这样的处理，发明人使用与图1类似的电弧型电炉，将含氧气体11和碳源以及载气14分别同时且分离地吹喷。关于此时的吹喷朝向、吹喷条件对脱氮产生的影响，实施了详细的调查。

在调查中，根据图2的(a)及(b)所记载的情况，将作为载气的空气与作为碳源的粉末碳一起固定吹入方向地吹喷到钢水5上。与此同时，如图2的(a)所示，改变排渣侧送氧喷枪10的喷出孔的朝向，以O1～O3中的任一朝向向钢水吹喷作为含氧气体的氧气。另外，如图2的(b)所示，改变出钢侧送氧喷枪15的喷出孔的朝向，以O4～O6中的任一朝向向钢水吹喷氧气。

将排渣侧及出钢侧的碳源吹入管13a、13b的喷出孔的前端分别设为点X及点x。将从各个碳源吹入管吹喷的空气及粉末碳14的、俯视平面图内的中心轴延长线与炉壁19的交点分别设为点Y及点y。将排渣侧及出钢侧的氧气喷出孔前端分别设为点Z及点z。另外，将距离点X为边XY的长度的2/3的边XY上的位置设为点W，将距离点x为边xy的长度的2/3的边xy上的位置设为点w。首先，如图2的(a)所示，在从排渣侧送氧喷枪10吹入含氧气体的情况下，将以排渣侧的氧气喷出孔前端(点Z)为顶点的三角形分别设为ΔXYZ、ΔXWZ、ΔxyZ及ΔxwZ。此时，氧气的吹入方向O1是俯视平面图中的氧气喷流的中心轴延长线位于ΔXWZ及ΔxwZ之外的氧气的吹喷方法。氧气的吹入方向O2、O3是俯视平面图中的氧气喷流的中心轴延长线ΔXWZ中、氧气的吹入方向O2也位于ΔxwZ中的氧气的吹喷方法。

另外，如图2的(b)所示，在从出钢侧送气喷枪15吹入含氧气体的情况下，将以出钢侧的氧气喷出孔前端(点z)为顶点的三角形分别设为Δxyz、Δxwz、ΔXYz以及ΔXWz。此时，氧气的吹入方向O4是俯视平面图中的氧气喷流的中心轴延长线位于Δxwz和ΔXWz的任意一个之外的氧气的吹喷方法。氧气的吹入方向O5、O6是俯视平面图中的氧气喷流的中心轴延长线位于Δxwz中、氧气的吹入方向O5也位于ΔXWz中的氧气的吹喷方法。

将废料装入炉内，将开始从石墨电极4通电的时刻作为熔解开始(处理开始)，立即从排渣侧及出钢侧的碳源吹入管13a、13b以空气为载体吹入粉末碳。与此同时，如表1所示，从排渣侧送氧喷枪10向O1～O3的方向吹喷氧气15～45分钟后，停止送氧。立即从出钢侧送氧喷枪15以O4至O6的朝向吹喷氧气15分钟～45分钟。在停止从石墨电极4通电后采取炉内钢水5的样品，取出炉内钢水5。为了调查碳浓度和氮浓度，对样品进行分析。

需要说明的是，投入炉内的废料2全部为含氮浓度为22质量ppm左右的新切屑。投入炉内的碳源使用从碳源吹入管13吹喷的粉状碳和从炉上料斗设备6添加的块状碳。然后，将处理结束时刻的钢水中碳浓度[C]调整为大致0.05质量％。将结果与条件一起记载于表1。

[表1]

如表1所示，在水准1至水准12的全部中，出钢前样品的碳浓度[C]大致为0.05质量％。另一方面，氮浓度[N]从12质量ppm至136质量ppm大幅波动。在氧吹入方向包含O1或O4中的任一者或两者的水准下，该方向的氧吹入时间越短，氮浓度越低。可知在O1和O4均不含的水准下，可以稳定地将氮浓度[N]降低至20质量ppm以下。

由该结果可知，不一定需要如专利文献3那样将氧和碳注入到同一区域。如图3所示，将碳源吹入管喷出孔前端设为点X，将俯视平面图中的碳源吹入方向中心轴延长线与炉内壁的交点设为点Y，将距离点X为边XY的长度的2/3的边XY上的位置设为点W，将送氧喷枪喷出孔前端设为点Z，将三角形ΔXWZ的角∠XWZ设为角度θ₁(°)时，可知，如果在俯视平面图中从穿过送氧喷枪喷出孔前端(点Z)的边ZX向Y侧打开的含氧气体的吹入方向θ₂(°)为正值且为θ₁以下，则通过碳和氧的同时吹喷能够得到高的脱氮效果。这是因为，若表示氧气的吹喷方向的角度θ₂为0或负值，则氧气喷流的大部分朝向炉壁，有可能损伤炉壁19。另外，在具有多个碳源吹入管的情况下，优选是与至少一处碳源吹入管之间满足上述条件。需要说明的是，由于也吹入氧气的碳源的线速度在远离喷出口时衰减，因此更优选将点W设定为从距离点X为边XY的长度的2/3的位置向点X侧移动，具体而言，点W为边XY的中点。

角度θ₁(°)可以根据设备图纸求出，也可以使用边XY、YZ及XZ各自的长度L_XY(m)、L_YZ(m)及L_XZ(m)，根据三角形的余弦定理以下述的数学式1～3等为参考进行计算。

[数学式1]

[数学式2]

[数学式3]

接着，用有效的碳及氧的同时供给时间整理表1中记载的实验结果。将从废料熔解开始到炉内钢水的出钢开始为止的所需时间设为t₂(min)。将在与至少一处的碳源吹入管之间从送氧喷枪的氧吹入方向满足上述条件地实施从含氧气体供给孔和碳源供给孔同时供给碳和氧的时间设为t₁(min)。将有效的碳及氧的同时供给时间率以R＝t₁/t₂×100(％)进行整理时，如图4所示可知，同时供给时间率R越长，在出钢前样品中分析出的氮浓度[N]越低。

通常，低氮钢是指产品氮浓度为40ppm以下的钢。因此，将钢水中氮浓度[N]为40质量ppm以下设定为低氮浓度区域。首先，在与至少1处的碳源的吹入管的关系上，需要满足来自送氧喷枪的氧吹入方向从边XZ向Y侧打开的角度θ₂(°)为正值且为θ₁以下的范围的条件。进而，为了形成低氮浓度区域，优选确保相对于操作时间而言的满足上述条件的有效的碳及氧的同时供给时间率R为30％以上。另外，极低氮钢是指产品氮浓度为25ppm以下的钢。因此，将钢水中氮浓度[N]为25ppm以下作为极低氮浓度区域。于是，为了成为极低氮浓度区域，更优选确保相对于操作时间而言的满足上述条件的有效的碳及氧的同时供给时间率R为45％以上。

本发明是基于这样的调查而提出的，不需要大规模的投资，能够稳定地将熔解炉、精炼炉内的钢水中氮浓度降低到低氮浓度区域。

[实施例]

在残留有碳浓度为0.03～0.06质量％的约60～70t的钢水5的交流电弧型电炉内，用推进机3装入新切屑作为每1次10～15t的废料2(氮含量约22质量ppm)。同时，使用来自石墨电极4的电弧熔解废料2。向得到的钢水5中添加1.8t的焦炭，从排渣侧碳源吹入管13a以10～20kg/min的速度，从出钢侧碳源吹入管13b以20～30kg/min的速度将粉末碳与空气载体一起吹入炉内，对钢水5进行加碳。从排渣侧送氧喷枪10以60～70Nm³/min向钢水吹喷氧气，在来自排渣侧送氧喷枪10的送氧停止后，立即从出钢侧送氧喷枪15以40～50Nm³/min向钢水吹喷氧气，进行脱碳处理。从通电开始的废料熔解开始到炉内钢水的出钢开始为止的所需时间t₂(min)为50分钟～60分钟，从电炉出钢的钢水中的碳浓度[C]为0.03～0.06质量％。在排渣侧送氧喷枪10与排渣侧碳源吹入管13a及出钢侧碳源吹入管13b的关系上，θ₁分别为95°及105°。在出钢侧送氧喷枪15与排渣侧碳源吹入管13a及出钢侧碳源吹入管13b的关系上，θ₁分别为40°及85°。任意地调整氧吹入方向θ₂和有效的碳和氧的同时供给时间率R来确认脱氮行为。得到的钢水的温度为1590～1600℃，熔解量每一次处理为210～220t，熔渣体积为100～150kg/t－钢水。操作条件和结果一并示于表2。

[表2]

排渣侧或出钢侧氧吹入方向θ₂与任一个碳源供给孔的关系满足正值且θ₁以下的条件的试验No.1～5是发明例。排渣侧及出钢侧氧吹入方向θ₂在与排渣侧及出钢侧碳源供给的关系上均为0或负值或大于θ₁的试验No.6为比较例。发明例与比较例相比，出钢时氮浓度[N]为1/2以下。

在确保有效的碳和氧的同时供给时间率R为30％以上的试验No.3中，与比较例相比，出钢时氮浓度[N]为约1/4的低氮浓度区域(≤40质量ppm)。在确保有效的碳和氧的同时供给时间率R为45％以上的试验No.4和No.5中，出钢时氮浓度[N]元素达到极低氮浓度区域(≤25质量ppm)。

说明书中使用的单位如下换算。

作为质量的单位，1t＝1000kg。

气体体积的体积单位的[N]表示标准状态，即0℃、101325Pa下的状态。

[产业上的可利用性]

根据本发明的钢水的脱氮方法，不需要大规模的投资，就能够稳定地将熔解炉、精炼炉内的钢水中氮浓度降低到低氮浓度区域，因此在产业上有用。

附图标记的说明

1炉体

2废料

3推进机

4石墨电极

5钢水

6炉上料斗设备

7助熔剂

8熔渣

9氧配管系统

10排渣侧送氧喷枪

11含氧气体(氧)

12碳源及载气配管系统

13碳源吹入管

13a(排渣侧)碳源吹入管

13b(出钢侧)碳源吹入管

14碳源和载气(粉末碳和空气)

15出钢侧送氧喷枪

16排渣口

17出钢口

18废气

19炉壁

X、x碳源吹入管喷出孔的前端

Y、y俯视平面图中的碳源吹入方向中心轴与炉内壁的交点

Z、z送氧喷枪氧喷出孔的前端

O1～O6、On俯视平面图中的氧吹入方向(中心轴)

Claims

1.钢水的脱氮方法，向填充到熔解炉或精炼炉中的钢水中供给含氧气体和被输送气体输送的碳源，其中，

以下述条件同时吹喷含氧气体和碳源，所述条件为：在俯视平面图内，相对于将所述碳源的吹入管喷出孔的前端(点X)、所述碳源的吹入方向中心轴延长线与炉内壁的交点(点Y)、及送氧喷枪喷出孔的前端(点Z)连结而成的三角形ΔXYZ，将距离点X为边XY的长度的2/3的边XY上的位置设为点W，将角∠XZW设为角度θ₁(°)，在俯视平面图内从穿过送氧喷枪喷出孔前端(点Z)的边ZX向Y侧打开的含氧气体的吹入方向θ₂(°)为正值且在θ₁以下的范围。

2.如权利要求1所述的钢水的脱氮方法，其中，在具有多个所述碳源的吹入管的情况下，在与至少1个碳源的吹入管的关系上满足所述条件。

3.如权利要求1所述的钢水的脱氮方法，其中，确保从所述碳源的吹入管和所述送氧喷枪分别同时供给碳源和含氧气体的时间t₁(min)为从冷铁源的熔解开始到炉内钢水的出钢开始的所需时间t₂(min)的至少30％以上。

4.如权利要求2所述的钢水的脱氮方法，其中，确保从所述碳源的吹入管和所述送氧喷枪分别同时供给碳源和含氧气体的时间t₁(min)为从冷铁源的熔解开始到炉内钢水的出钢开始的所需时间t₂(min)的至少30％以上。

5.如权利要求1～4中任一项所述的钢水的脱氮方法，其中，所述点W位于所述边XY的中点。

6.如权利要求1～4中任一项所述的钢水的脱氮方法，其中，所述熔解炉为电炉。

7.如权利要求5所述的钢水的脱氮方法，其中，所述熔解炉为电炉。