JP2007131876A - 高窒素鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼中への窒素添加に長時間を要したり、添加物質が高価であるという問題を解決した、高窒素鋼の製造方法を提供する。
【解決手段】溶鋼の精錬過程において、溶鋼中に高温の窒素ガスあるいは高温の窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き込む。
【選択図】図２

Description

本発明は、高窒素鋼の製造方法に関し、特に溶鋼の精錬過程において安価な窒素ガスを使用して溶鋼に窒素を添加する方法に関する。

従来の高窒素鋼の製造方法として、特許文献１には、無酸化雰囲気下にある取鍋精錬炉内の溶鋼に、浸漬ランスから窒素ガスを吹込む方法が開示されている。
また、特許文献２、３および４には、溶鋼の真空脱ガス精錬設備を用いて、真空脱ガス工程後に真空槽内の真空度を目標窒素濃度と平衡する圧力で一定時間保持し、溶鋼内吹込みガスの一部または全部を窒素ガスにして溶鋼中に窒素を添加する方法が開示されている。

さらに、溶鋼中に窒素含有物質を添加する方法も提案されており、例えば特許文献５には、溶鋼に尿素もしくは尿素含有物質を添加する方法、そして特許文献６には、真空脱ガス槽内において溶鋼に窒素含有合金を添加する方法が、それぞれ開示されている。
特開昭61−91317号公報 特公昭55-34848号公報 特開昭56−25919号公報 特開平1−28319号公報 特許第1078218号公報 特許第2896302号公報

しかし、上記の窒素ガスによる窒素の添加方法は、窒素の活量を低下する元素であるCrを高濃度で含有する溶鋼の場合には、ある程度適用可能であったが、普通鋼の場合には窒素濃度の増加速度が遅く、必要な濃度まで窒素を添加するには長時間を要する。このため、取鍋や真空脱ガス槽の耐火物の溶損を来たしたり、あるいは今日のように製造された溶鋼を複数チャージにわたって連続して鋳造する、いわゆる連続鋳造を行う場合には、この連続鋳造に要求される溶鋼の供給タイミングに間に合わないという、重大な問題を有していた。

一方、上記した文献において提案されている窒素含有物質を添加する方法は、いずれも使用される窒素含有物質が高価であって、処理コストの増加という問題をもたらすものであった。

そこで、本発明は、従来技術における問題、すなわち窒素の添加に長時間を要したり、添加物質が高価であるという問題を解決し、低コストかつ短時間での窒素の添加処理を実現する高窒素鋼の製造方法について提案することを目的とする。

発明者らは、溶鋼中に尿素含有物質や窒素含有合金などの高価な窒素源を添加して窒素を加える方法ではコストの増大が避けられないことに鑑み、窒素源として低コストの窒素ガスを使用することを試みた。ここで、窒素ガスを用いて溶鋼に窒素を添加する方法の残る問題は、窒素の含有速度が遅くて処理時間を要することであるが、この問題は、窒素ガスを高温にして吹き込むことにより解消し得ることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）溶鋼の精錬過程において、該溶鋼中に100℃以上の窒素ガスを吹込み、溶鋼中に窒素を添加することを特徴とする高窒素鋼の製造方法。

（２）溶鋼の精錬過程において、該溶鋼中に100℃以上1000℃以下の窒素ガス及び／又は窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹込み、溶鋼中に窒素を添加することを特徴とする高窒素鋼の製造方法。

（３）前記高窒素鋼は、0.005質量％以上の窒素を含有する上記（１）または（２）に記載の高窒素鋼の製造方法。

本発明によれば、溶鋼に窒素ガスを吹込んで窒素の添加を行うに当り、吹込む窒素ガスの温度を調整することによって窒素の含有速度を大幅に増大するため、高窒素鋼の製造を安価かつ迅速に行うことができる。

以下に、本発明の方法について詳しく説明する。
すなわち、本発明方法は、溶鋼の精錬過程において、該溶鋼中に100℃以上1000℃以下の温度に調整した、窒素ガスまたは、窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹込むことを特徴とする。

ここに、溶鋼の精錬過程とは、転炉やAODによる典型的な精錬過程は勿論、各種の二次精錬過程、例えば大気圧下でのガス攪拌、電磁攪拌およびRH法やVOD法などの真空脱ガス処理などを意味する。

また、窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスとは、窒素ガスとアルゴンガスなどの不活性ガスとの混合であり、その混合比率は、窒素濃度が高いほど好ましい。その他のガス成分は不可避的な混入に抑えることが好ましく、具体的には１０％までは混合されても良い。

溶鋼中に高温の窒素ガスまたは混合ガスを吹込む場合は、羽口、ノズル、プラグまたは浸漬ランスなどを用いて、直接溶鋼中に窒素ガスまたは混合ガスを吹込めばよい。その際、吹き込みガスの温度を高温にすることにより、ガスの膨張量は低下して生成気泡が小さくなる結果、溶鋼における吸窒速度が上昇する。

さて、室温で吹き込まれた窒素ガスまたは混合ガスは、室温の状態からの気体状態方程式
ＰＶ＝ｎＲＴ
ただし、Ｐ：圧力
Ｖ：体積
Ｔ：温度
に従って、溶鋼の温度になるまで体積が膨張するため、気泡径は大きくなり脱ガスする反応速度が低下する。そこで、溶鋼に窒素ガスまたは混合ガスを吹き込む前に窒素ガスまたは混合ガスの温度を高くすると、溶鋼中での膨張が常温（20℃程度）で吹き込まれる場合に比し抑えられるため、気泡径を小さくすることができる。窒素ガスまたは混合ガスの気泡径が小さくなれば、吸窒反応のサイトである気液界面の反応界面積が同じ窒素ガス流量でも大きくなり、吸窒速度は大きく向上する。

以上の知見に基づいて、さらに数多くの実験を行って窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み条件を究明したところ、窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み温度：100℃以上1000℃以下の条件を見出すに到った。
すなわち、窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み温度が1000℃を超えると、窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み配管が長時間高温に晒されて劣化する結果、配管の補修や交換等のメンテナンス頻度が高くなる。さらに、ガスを高温にすると加熱部の保温性の強化が必要となり、その保温の強化に要するコストが大きくなる等の問題がある。窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み温度は、好ましくは600℃までとすれば、メンテンナンス費用等を考慮したとき特に有利である。なお、600℃を超える領域の吹き込みは、セラミック配管等用いることで可能となる。

一方、窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み温度が100℃未満の場合は、前述の式からわかるように、室温のガスの膨張する割合と比較して膨張量が大きくは変わらないことから、ガス気泡径が微細になる効果は小さい。従って、窒素ガスまたは混合ガスの吹き込み温度は100℃以上、好ましくは200℃以上、より好ましくは300℃以上とする。

ここで、窒素ガスまたは窒素ガスと不活性ガスの混合ガスの吹き込み流量は、加窒速度を確保するために、窒素流量として0.001Nm³（標準状態）／min・t以上が望ましい。

ここに、本発明における高窒素鋼とは、窒素を0.005質量％以上含有する鋼を言い、特に低炭素鋼（炭素濃度0.01〜0.1質量％の鋼）あるいは極低炭素鋼（炭素濃度0.01質量％以下の鋼）の普通鋼について、本発明による改善効果が著しい。

以下に、本発明を適用した操業例（発明例）を従来の方法（比較例）と比較して説明する。
図１は、RH真空脱ガス装置であり、このRH真空脱ガス装置を用いて窒素を添加する場合を例として説明する。
このRH真空脱ガス装置は、真空処理槽１の下部に設けた、２本以上の浸漬管、例えば上昇管２および下降管３を、溶鋼を装入する容器である取鍋４内の溶鋼に浸漬して成り、この真空処理槽１内を減圧することにより、上昇管２から溶鋼５を吸い上げる際に、不活性ガス吹込口６より不活性ガスを吹込み、そのガスの浮上力を利用して溶鋼５を真空処理槽１内に導き、次いで下降管３より溶鋼を取鍋４内に下降させて取鍋４内と真空処理槽１内との間で溶鋼を環流する過程において、溶鋼の脱ガス処理を行うものである。なお、図中７は不活性ガス供給配管および８は窒素ガスまたは混合ガスを加熱する加熱装置を示している。この加熱装置８は、電気加熱式や燃焼加熱式などいずれの形式でも構わない。

発明例および比較例ともに、目標溶鋼成分はＣ：0.002質量％以下およびＮ：0.018質量％以上の高窒素極低炭素鋼である。まず、300ｔの溶銑を底吹き転炉にてＣ濃度0.03質量％まで脱炭精錬し、取鍋に未脱酸で出鋼した。この溶鋼を、図１に示したRH真空脱ガス装置に移送し、脱炭処理および脱酸処理を行った。脱炭処理前の溶鋼中Ｎ濃度は0.0185質量％であった。脱炭処理は、真空槽内の溶鋼浴面上から上吹きランスによって15分間酸素ガスを吹付けることによって行い、溶鋼中Ｃ濃度が0.0015質量％になるまで脱炭した。その後、溶鋼中にAlを添加して脱酸処理を行った。脱酸処理は真空槽内の圧力がほぼ35Torrの下で25分間行った。

上記の脱炭処理並びに脱酸処理を通じて、上昇管から環流ガスとして300℃の窒素ガスを3000Nl／minの流量で吹込んだ。ここで、RH脱ガス処理中の溶鋼中Ｎ濃度の推移を、図２に○印で示す。溶鋼中Ｎ濃度は脱炭処理中に0.0200質量％まで上昇した後、脱酸処理中に徐々に低下したが、処理終了時に0.0193質量％と低下代は僅かであった。

比較のために、従来例に従って窒化マンガン合金と常温の窒素ガス吹込みを併用した実験を行った。転炉での精錬条件は上述した発明例と同様である。転炉から取鍋に出鋼する際に溶鋼中に窒化マンガン合金（窒素含有量５質量％）を４kg／溶鋼ton添加し、この溶鋼をRH真空脱ガス装置に移送して脱炭処理および脱酸処理を行った。脱炭処理前の溶鋼中Ｎ濃度は0.0214質量％であった。脱炭処理は真空槽内の溶鋼浴面上から上吹きランスによって15分間酸素ガスを吹付けることによって行い、溶鋼中Ｃ濃度0.0015質量％まで脱炭した。その後、溶鋼中にAlを添加して脱酸処理を行った。脱酸処理は真空槽内の圧力がほぼ35Torrの下で25分間行った。

上記の脱炭処理と脱酸処理を通じて上昇管から環流ガスとして常温の窒素ガスを3000Nl／minの流量で吹込んだ。RH処理中の溶鋼中Ｎ濃度の推移を図２に□印で示す。溶鋼中Ｎ濃度は脱炭処理中に0.0193質量％まで低下し、さらに脱酸処理中にも低下を続け、処理終了時に0.0178質量％となった。

以上述べた操業例から明らかなように、本発明例では比較例のような高価な窒化マンガン合金を使用することなく、比較例と同等以上の成分の鋼を製造することが可能となった。

RH環流真空脱ガス装置を示す断面図である。 溶鋼中Ｎ濃度の推移を示すグラフである。

符号の説明

１ 真空脱ガス槽
２ 上昇管
３ 下降管
４ 溶鋼容器
５ 溶鋼
６ 窒素ガス供給口
７ 窒素ガス供給配管
８ 加熱装置

Claims (3)

1. 溶鋼の精錬過程において、該溶鋼中に100℃以上の窒素ガスを吹込み、溶鋼中に窒素を添加することを特徴とする高窒素鋼の製造方法。
2. 溶鋼の精錬過程において、該溶鋼中に100℃以上1000℃以下の窒素ガス及び／又は窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹込み、溶鋼中に窒素を添加することを特徴とする高窒素鋼の製造方法。
3. 前記高窒素鋼は、0.005質量％以上の窒素を含有する請求項1または２に記載の高窒素鋼の製造方法。

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