JP2010174320A - Ｒｈ脱ガス精錬における溶鋼中炭素濃度の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種をＲＨ真空脱ガス装置で精錬する際に、合金鉄や炭材の歩留りを操業条件に応じて正確に推定し、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を精度良く目標値に調整する。
【解決手段】 ＲＨ真空脱ガス装置を用いて、目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種を精錬する際に、脱ガス処理中に溶鋼に添加する、炭素を含有する副原料の歩留りを、過去の操業実績（Ｓ１）に基づいて銘柄毎に下記の（１）式の関数として求め（Ｓ２，Ｓ３）、求めた関数を用いて当該脱ガス精錬処理における副原料の添加量を決定し（Ｓ４，Ｓ５）、脱ガス処理後の溶鋼中炭素濃度を目標値の±５％の範囲内に制御する。
副原料歩留り＝ｆ（処理前溶鋼中炭素濃度、処理後目標炭素濃度、処理前溶鋼温度、処理前溶鋼中酸素濃度、処理後溶鋼中酸素濃度、処理中の真空槽内平均圧力、溶鋼環流量、環流用ガス流量、副原料添加量） …（１）
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて、脱ガス精錬処理後の目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種を精錬する際に、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を精度良く目標値に調整するための溶鋼中炭素濃度の制御方法に関するものである。

近年、鉄鋼製品においては、引張強度や伸びなどの材料特性の向上に対する要求が高くなり、求められる鋼材の化学成分範囲が非常に厳格になっている。なかでも鋼材の炭素濃度は、材料特性に及ぼす影響が大きいため、鉄鋼製品の炭素濃度の規格範囲を従来よりも狭い範囲として、炭素濃度のばらつきをなくする要求が高くなっている。

溶鋼中の炭素濃度を調整するにあたり、脱ガス精錬処理中に溶鋼からサンプルを採取し、サンプルの炭素濃度を分析して溶鋼の炭素濃度の変化を把握すれば、鉄鋼製品の炭素濃度をピンポイントで制御可能となるが、ＲＨ真空脱ガス装置において処理中に溶鋼からサンプルを採取し、このサンプルの炭素分析を行うことは、作業が煩雑となることや、分析結果までの待ち時間発生による処理時間の延長などの問題点があり、生産性の観点から現実的ではない。

そこで、ＲＨ真空脱ガス装置で精錬される溶鋼の炭素濃度を推定する方法として、例えば特許文献１〜３には、ＲＨ真空脱ガス装置から排出される排ガスの情報を利用して、真空脱炭処理中の溶鋼中炭素濃度を推定し且つ溶鋼中炭素濃度を所定の値に調整する方法が開示されている。

これらに開示される方法を用いることで、真空脱炭処理を行う必要のある、炭素濃度の低い鋼種に関しては、その処理中の排ガス情報から溶鋼中炭素濃度を推定することが可能となる。しかしながら、炭素濃度が比較的高い鋼種に対しては、ＲＨ真空脱ガス装置では真空脱炭処理は必要でなく、従って実施せず、合金鉄や炭材を投入して溶鋼中の炭素濃度を高める脱ガス精錬、所謂加炭処理が行われる。加炭処理の場合には、処理中の排ガス情報を利用した炭素濃度の推定ができないばかりか、合金鉄や炭材の歩留りが処理条件に応じて変動するため、脱ガス精錬処理後の溶鋼中の炭素濃度が大きくばらつき、厳格な化学成分要求にこたえることができないという課題がある。

このように、ＲＨ真空脱ガス装置による脱ガス精錬において、合金鉄や炭材の歩留りを正確に推定する技術が強く望まれているのも拘わらず、従来、合金鉄や炭材の歩留りを正確に推定することは困難であり、オペレーターの勘に任せて脱ガス精錬処理を行っているのが実状である。

特開平７−２４２９２８号公報 特開平９−２０２９１３号公報 特開平１１−２７９６２５号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＲＨ真空脱ガス装置での真空脱炭処理を必要としない、脱ガス精錬処理後の目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種をＲＨ真空脱ガス装置で精錬する際に、合金鉄や炭材の歩留りを操業条件に応じて正確に推定し、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を精度良く目標値に調整することのできる、溶鋼中炭素濃度の制御方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係るＲＨ脱ガス精錬における溶鋼中炭素濃度の制御方法は、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて、当該脱ガス精錬処理後の目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種を精錬する際に、脱ガス精錬処理中に溶鋼に添加する、炭素を含有する副原料の歩留りを、予め、過去の操業実績に基づいて銘柄毎に下記の（１）式の関数として求め、求めた関数を用いて当該脱ガス精錬処理における副原料の添加量を決定し、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を制御することを特徴とするものである。
副原料歩留り＝ｆ（ＲＨ処理前の溶鋼中炭素濃度、ＲＨ処理後の溶鋼の目標炭素濃度、ＲＨ処理前の溶鋼温度、ＲＨ処理前の溶鋼中溶存酸素濃度、ＲＨ処理後の溶鋼中溶存酸素濃度、ＲＨ処理中の真空槽内平均圧力、溶鋼環流量、環流用ガス流量、副原料添加量） …（１）
第２の発明に係るＲＨ脱ガス精錬における溶鋼中炭素濃度の制御方法は、第１の発明において、前記脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を目標値の±５％の範囲内に制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて、当該脱ガス精錬処理後の目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種を精錬する際に、当該脱ガス精錬処理中に溶鋼に添加する合金鉄や炭材などの炭素を含有する副原料の歩留りを操業条件の関数として過去の操業実績から求め、求めた関数を用いて当該脱ガス精錬処理における副原料の歩留りを決定し、この歩留りを用いて当該脱ガス精錬処理における副原料の添加量を決定するので、副原料から持ち来たされる炭素量は不足することもなく、また、過剰ともならず、その結果、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度は、目標値の±５％の範囲内に精度良く制御される。これにより、鉄鋼製品の材料特性が向上し、広く社会に貢献できる鉄鋼材料を製造することが可能となる。

本発明を実施する上で好適なＲＨ真空脱ガス装置の縦断面概略図である。 本発明を実施する際のフロー図である。 ＲＨ脱ガス処理後の炭素濃度の目標値と実績値との関係を示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。先ず、本発明に至った経緯について説明する。

前述したように、目標炭素濃度が０．０２質量％以下ないし０．０４質量％以下である炭素濃度の低い鋼種については、一般的にＲＨ真空脱ガス装置で真空脱炭処理が行われており、そのときの排ガス情報を監視することで、溶鋼の炭素濃度を或る程度推定することが可能である。しかし、炭素濃度が上記範囲よりも高い鋼種に対しては、一般的に、ＲＨ真空脱ガス装置では真空脱炭処理を行わないので、排ガス情報を利用することができない。更に、成分調整のために添加する合金鉄や炭材の歩留りが処理条件によって変動するため、溶鋼の炭素濃度が大きくばらつき、ピンポイントで調整できないのが実情であった。

そこで、本発明者らは、ＲＨ処理中に添加する副原料の歩留りを定量的に推定するための手段を見つけることを目的として、調査・検討を行った。種々の調査の結果から、ＲＨ真空脱ガス装置において添加する副原料の歩留りは、操業条件と密接な関係のあることが分かった。

この結果を踏まえ、本発明者らは、副原料の歩留りと操業条件との関係を数式化し、副原料の歩留りを操業条件によって定量化することを検討した。その結果、副原料の歩留りは、（１）ＲＨ処理前の溶鋼中炭素濃度、（２）ＲＨ処理後の溶鋼の目標炭素濃度、（３）ＲＨ処理前の溶鋼温度、（４）ＲＨ処理前の溶鋼中溶存酸素濃度、（５）ＲＨ処理後の溶鋼中溶存酸素濃度、（６）ＲＨ処理中の真空槽内平均圧力、（７）溶鋼の環流量、（８）環流用ガスの流量、及び、（９）当該副原料の添加量からなる９つの項目因子と相関があることを見出した。

つまり、副原料の歩留りは、これらの９つの項目因子からなる関数によって定量化することができ、また、定量化した関数を用いることで当該脱ガス精錬処理における副原料の添加量を正確に求めることができ、それにより、副原料から持ち来たされる炭素量は不足することもなく且つ過剰となることもなく、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を目標値の±５％の範囲内に制御することができるとの知見が得られた。

本発明は、上記検討結果に基づいてなされたものである。尚、本発明の対象鋼種は、脱ガス精錬処理後の目標炭素濃度が０．０７質量％以上の鋼種であり、当該鋼種においてはＲＨ真空脱ガス装置における真空脱炭処理が施されないことから、本発明の対象鋼種として限定している。

次に、本発明の具体的な実施方法を、図面を参照して説明する。図１は、本発明を実施する上で好適なＲＨ真空脱ガス装置の縦断面概略図、図２は、本発明を実施する際のフロー図である。

図１に示すように、本発明を実施する上で好適なＲＨ真空脱ガス装置１は、上部槽６及び下部槽７からなる真空槽５と、下部槽７の下部に設けられた上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９の２つの浸漬管とを備えており、上部槽６には、排気装置（図示せず）と接続するダクト１１と、成分調整用合金鉄や脱酸剤などの副原料を投入するための原料投入口１２と、真空槽５の内部の雰囲気圧力を測定するための圧力計１６と、が設けられ、また、上昇側浸漬管８には環流用ガス吹き込み管１０が設けられている。環流用ガス吹き込み管１０からは環流用ガスとしてＡｒガスが、上昇側浸漬管８の内部に吹き込まれる構造となっており、環流用ガス吹き込み管１０には流量計１５が設置され、この流量計１５によって環流用ガスであるＡｒガスの流量が測定されている。また、原料投入口１２は、秤量器１４が配置された秤量ホッパー１３と連結しており、原料投入口１２から投入される副原料の添加量は、秤量器１４により測定されている。

また、ＲＨ真空脱ガス装置１の付帯装置として、上下移動が可能であり、先端に取り付けられた消耗形プローブ１７を取鍋２に収容された溶鋼３に浸漬させ、溶鋼３の温度及び溶存酸素濃度を測定するための温度・酸素測定装置が配置されている。

このように構成されるＲＨ真空脱ガス装置１において、転炉や電気炉などで精錬した溶鋼３を収納する取鍋２を、真空槽５の直下に搬送し、取鍋２を昇降装置（図示せず）によって上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２に収容された溶鋼３に浸漬させる。この場合に、溶鋼３の上にはスラグ４が存在するので、スラグ４が真空槽５の内部に入らないようにするために、例えば、薄鋼板などを、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を浸漬する前にその下方に配置する。浸漬後、環流用ガス吹き込み管１０から上昇側浸漬管８の内部にＡｒガスを環流用ガスとして吹き込むとともに、真空槽５の内部をダクト１１に連結される排気装置にて排気して真空槽５の内部を減圧する。真空槽５の内部が減圧されると、取鍋２に収容された溶鋼３は、環流用ガス吹き込み管１０から吹き込まれるＡｒガスとともにガスリフト効果によって上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５の内部に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ脱ガス精錬が施される。

即ち、溶鋼３は、真空槽５の内部で減圧下に曝され、その結果、溶鋼３に含まれる不純物成分である窒素、水素は、取鍋内における大気圧下での平衡状態から減圧下での平衡状態へと強制的に移行させられ、溶鋼３に対してガス成分除去精錬が施される。また、溶鋼３は、前記環流により激しく攪拌され、この攪拌によって脱酸生成物である酸化物系非金属介在物の凝集・合体が促進され、酸化物系非金属介在物の分離除去精錬が行われる。そして、溶鋼３を所定時間還流させたならば、必要に応じて、原料投入口１２から溶鋼成分調整用の副原料を投入して溶鋼３の成分調整を実施し、成分調整用の副原料が溶鋼３に均一に溶解した以降（投入後１〜２分）、真空槽５の内部を大気圧に戻してＲＨ脱ガス精錬を終了する。

このように、ＲＨ真空脱ガス装置１において、種々の鋼種に対して種々のＲＨ脱ガス精錬処理を実施し、そのときの操業条件をプロセスコンピューターなどに記憶させる。

そして、図２に示すように、記憶させた過去の操業実績データ（Ｓ１）のなかから、（１）ＲＨ処理前の溶鋼中炭素濃度、（２）ＲＨ処理後の溶鋼の目標炭素濃度（＝規格成分値）、（３）ＲＨ処理前の溶鋼温度、（４）ＲＨ処理前の溶鋼中溶存酸素濃度、（５）ＲＨ処理後の溶鋼中溶存酸素濃度、（６）ＲＨ処理中の真空槽内平均圧力、（７）溶鋼の環流量、（８）環流用ガスの流量、及び、（９）歩留りの定量化式を求めようとする副原料の添加量からなる合計９つの項目因子を抜き出して計算機に入力するとともに、過去の操業実績データ（Ｓ１）から得られるそのときの副原料の歩留りを計算機に入力して、歩留りと前記９つの項目因子との相関関数を演算（Ｓ２）により求める。この場合、副原料の歩留りは、副原料の添加量などの操業データから算出することができるので、副原料の歩留りは計算機に入力しなくても構わない。

ここで、溶鋼の環流量は、溶鋼に銅などをトレーサーとして添加し、銅の均一混合時間を測定することによって求めることができるが、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼の環流量は、下記の（２）式から求めることもできるので、実測せずに（２）式を用いて算出しても構わない。
Ｑ＝11.4×Ｇ^1/3×D^4/3×[ln(Ｐ₁/Ｐ₂)]^1/3…（２）
但し、（２）式において、Ｑは溶鋼環流量（トン／ｍｉｎ）、Ｇは環流用ガス流量（ＮＬ／ｍｉｎ）、Ｄは浸漬管内径（ｍ）、Ｐ₁は大気圧（Ｐａ）、Ｐ₂は真空槽内圧力（Ｐａ）である。

副原料の歩留りを前記９つの項目因子によって数式化する場合、過去の操業実績データの数は、多ければ多いほど推定精度が向上するために、多いほど好ましい。処理可能な過去操業実績データ数は、使用する計算機の能力に依存することになるが、少なくとも１００チャージ以上のデータを用いて相関関係を求めることが望ましい。

このようにして副原料の銘柄毎の歩留りを数式化（Ｓ３）し、この数式化された歩留りの式に、当該チャージの脱ガス精錬処理での操業条件（Ｓ４）を入力し、当該チャージの脱ガス精錬処理における副原料の銘柄毎の歩留りを算出する（Ｓ５）。また、算出された副原料の銘柄毎の歩留りを用いて副原料の添加量を決定する（Ｓ５）。そして、決定された量の副原料を添加し、溶鋼の化学成分を調整する。

その結果、従来、副原料の歩留りのばらつきが要因で、ピンポイントに制御することのできなかった溶鋼中炭素濃度を正確に制御することが可能となり、厳格な成分規格要望にこたえることができ、広く社会に貢献できる鉄鋼材料を製造することができる。

尚、本発明において、歩留りを数式化する副原料としては、ＲＨ真空脱ガス装置で使用される炭素を含有する副原料であり、具体的には、高炭素フェロマンガン（ＦＭｎＨ）、中炭素フェロマンガン（ＦＭｎＭ）、低炭素フェロマンガン（ＦＭｎＬ）、シリコマンガン（ＳｉＭｎ）、フェロシリコン（ＦＳｉ）、電解Ｍｎ（ＭＭｎＥ）、高炭素フェロクロム（ＦＣｒＨ）、中炭素フェロクロム（ＦＣｒＭ）、低炭素フェロクロム（ＦＣｒＬ）、炭材（コークス）などである。また、副原料の銘柄毎の歩留りの数式化（Ｓ３）は、操業実績が追加される毎に更新することが望ましい。

前述した図１に示すＲＨ真空脱ガス装置における本発明の実施例を説明する。

転炉で脱炭精錬した約３００トンの溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置に搬送し、ＲＨ脱ガス精錬を実施した。本発明例においては、前述した図２に示す工程に沿って、予め求めた副原料歩留りの定量化式を用いて副原料の添加量を決定した。また、比較のために、副原料歩留りの定量化式を用いず、オペレーターの勘に任せた操業も実施した。

図３に、ＲＨ脱ガス精錬処理後の炭素濃度の目標値と実績値との関係を示す。比較例においては、目標炭素濃度に対して±１０％の範囲でばらついているのに対し、本発明例においては、ばらつきは目標炭素濃度の±５％の範囲であり、ばらつきが小さくなっていることが分かる。

このように、本発明を適用することによって鉄鋼製品の炭素濃度の狭範囲化要求にこたえることができ、広く社会に有用な鉄鋼材料を製造することが可能となる。

１ ＲＨ真空脱ガス装置
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ スラグ
５ 真空槽
６ 上部槽
７ 下部槽
８ 上昇側浸漬管
９ 下降側浸漬管
１０ 環流用ガス吹き込み管
１１ ダクト
１２ 原料投入口
１３ 秤量ホッパー
１４ 秤量器
１５ 流量計
１６ 圧力計
１７ 消耗形プローブ

Claims (2)

1. ＲＨ真空脱ガス装置を用いて、当該脱ガス精錬処理後の目標炭素濃度が０．０７質量％以上である鋼種を精錬する際に、脱ガス精錬処理中に溶鋼に添加する、炭素を含有する副原料の歩留りを、予め、過去の操業実績に基づいて銘柄毎に下記の（１）式の関数として求め、求めた関数を用いて当該脱ガス精錬処理における副原料の添加量を決定し、脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を制御することを特徴とする、ＲＨ脱ガス精錬における溶鋼中炭素濃度の制御方法。
   副原料歩留り＝ｆ（ＲＨ処理前の溶鋼中炭素濃度、ＲＨ処理後の溶鋼の目標炭素濃度、ＲＨ処理前の溶鋼温度、ＲＨ処理前の溶鋼中溶存酸素濃度、ＲＨ処理後の溶鋼中溶存酸素濃度、ＲＨ処理中の真空槽内平均圧力、溶鋼環流量、環流用ガス流量、副原料添加量） …（１）
2. 前記脱ガス精錬処理後の溶鋼中炭素濃度を目標値の±５％の範囲内に制御することを特徴とする、請求項１に記載のＲＨ脱ガス精錬における溶鋼中炭素濃度の制御方法。

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