JP2012207272A - ステンレス鋼溶製時の吸窒防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出鋼の際のステンレス溶鋼の窒素の吸収を防止できるステンレス溶鋼の溶製方法を提供する。
【解決手段】Ｃｒを含有した溶銑を脱炭炉１で脱炭した後、ステンレス溶鋼を前記脱炭炉１から取鍋２へ出鋼する際、出鋼流の下端付近に向けて、ステンレス溶鋼の出鋼前から出鋼完了までの間、純酸素ガスまたは窒素を含まず、酸素を２０体積％以上含むガスを供給し、取鍋内へ供給されるガスの流量Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）が、取鍋内容積Ｔ（ｍ^３）に対してＶ＞Ｔとなるように前記ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス溶鋼を取鍋に出鋼して処理する際の吸窒を防止し、低窒素ステンレス鋼を経済的且つ安定して製造する方法に関するものである。

近年、ステンレス鋼の中でも特に高純度フェライト単相系ステンレス鋼は、耐応力腐食割れ性に優れているためその需要が高まってきているが、窒素は母材および溶接部の靭性や耐食性を低下させるため、精錬の際に可能な限り窒素を低減させておくことが好ましい。

また、上述のステンレス鋼を溶製する際には、不純物である窒素を安定化させるため、精錬工程の最終段階で溶鋼にＴｉやＮｂを添加している。
しかし、窒化物がクラスタリングすると表面欠陥の原因となりやすい。
無垢材にて使用されることが多いステンレス鋼板において、表面欠陥は製品としての価値を著しく低下させる。
また、ＴｉやＮｂは比較的高価な元素であるため製造コストを削減するという観点からも溶鋼中窒素は極力低減することが望ましい。

従来、低窒素ステンレス鋼の製造には、Vacuum Oxygen
Decarburization（ＶＯＤ）法が有利であるとされているが、溶鋼中の窒素濃度が約０．０１％以下の極低窒素ステンレス鋼を製造しようとするとＶＯＤでの精錬負荷は過大になりがちであった。
なぜなら、ＶＯＤ工程での脱窒を強化しようとすれば、減圧下でのＣＯガスボイリングを活発にする必要があり、そのためにＶＯＤ工程前の炭素量を多くしなければならないが、ＶＯＤ装置での脱炭能力はそれほど大きくないため、その分精錬時間を延長させる必要があり、ＶＯＤでの精錬負荷が増大してしまう。

ＶＯＤでの脱窒をより有効に行うにはスラグ／メタル界面の界面反応を活発にする必要があり、底吹攪拌ガスの増量や、底吹ノズルの取付個数の増加などいくつかの技術が提案されているが、これらの方法を用いても精錬時間の延長は避けられない。

このように、従来のＶＯＤ法を用いた低窒素ステンレス鋼の製造方法では、脱窒を主にＶＯＤ工程での精錬に依存するため、ＶＯＤ工程における生産性や操業安定性の低下を招くという問題点があった。

このような問題点を解決すべく、ＶＯＤ工程前での脱窒を促進しつつ、且つ窒素の吸収を防止することによってＶＯＤ工程での精錬負荷を軽減して効率的に低窒素ステンレス鋼を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この方法は、底吹羽口を有する転炉においてＣｒを含有した溶銑中の炭素濃度が４質量％以上となるように加炭してから、酸素吹錬し、この酸素吹錬にて生じるＣＯガス中に溶存窒素をＮ_２ガスとして希釈させ、さらにＡｒがスで摸拝する。
また、転炉での吹錬後は脱酸処理を行うことなく取鍋に出鋼し、その際に取鍋内に炭酸マグネシウムを供給することにより、その分解によって生じる炭酸ガスによるシール作用にて大気雰囲気下での吸窒を防止しながら、ＶＯＤ工程に移行させる。
このように、ＶＯＤ工程以前に積極的に脱窒を行い、さらに吸窒を防止することでＶＯＤでの脱窒反応が通常レベルであっても、最終的には溶鋼中の窒素量を低減できる。

また、取鍋へ出鋼する際の吸窒を防止する方法としては、Ｃｒを含有する溶銑を転炉で脱炭精錬した後、該転炉から取鍋に出鋼する際に、用いる取鍋の内容積がＶ（ｍ^３）であるとき、出鋼前から少なくとも出鋼完了までの間、取鍋内から取鍋外にＣＯ_２ガス流が０．１３×Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）以上、１．０×Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）以下の流量で間断なく流出するに十分な量のＣＯ_２ガス発生性物質を取鍋内に存在させるか供給し続ける方法（例えば、特許文献２）や転炉等の製鋼炉からの出鋼時に、出鋼流を傾斜させた取鍋の壁に沿わせて取鍋に受鍋するとともに、転炉等の製鋼炉の出鋼口に不活性ガスを供給して出鋼流に不活性ガスを混入させることにより出鋼時における溶鋼の吸窒を防止する方法（例えば、特許文献３）などが知られている。

特開平３−４６５２７号公報 特開平８−４１５２５号公報 特開昭６１−１６６９１１号公報

しかしながら、上述の特許文献１の方法では、加炭により精錬負荷が増大するので、製造コストが増加してしまうとともに、脱窒用フラックスを脱窒のためだけに用いることにより製造コストが増加してしまう。

上述の特許文献２の方法、すなわち炭酸マグネシウムを取鍋内に入置きする方法の場合、炭酸マグネシウムは、ＭｇＣＯ_３→ＭｇＯ＋ＣＯ_２にて示される分解反応が極めて早く進行するとともに、炭酸マグネシウムの分解反応温度が大気圧下で約４００℃であるため、出鋼前に取鍋に炭酸マグネシウムを入置きする場合、通常７００〜８００℃に予熱されている取鍋内では炭酸マグネシウムの分解反応が活発に進行し、約１〜２ｍｉｎ程の極めて短時間で分解反応によるＣＯ_２ガスの発生が終了してしまう。
さらに、加熱された取鍋内からは激しい上昇気流が生じるため、冷えた空気が取鍋内に大量に入り込み、結果空気中の窒素が溶鋼に吸収されてしまう。

上述の特許文献３の方法では、傾動する該転炉に合わせて取鍋も傾動させる必要があるため、操業上極めて困難であるとともに、出鋼流中に不活性ガスを混入させても炉壁に当たり飛散した溶鋼は大気に触れるため、やはり相当量の吸窒が生じる。
また、高温の溶鋼が炉壁に当たるため耐火物溶損も増大するという問題点もある。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、出鋼の際のステンレス溶鋼の窒素の吸収を防止できるステンレス溶鋼の溶製方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載されたステンレス鋼溶製時の吸窒防止方法は、Ｃｒを含有した溶銑を脱炭炉で脱炭した後、この脱炭炉から取鍋へ出鋼してステンレス溶鋼を溶製する溶製方法であって、出鋼前から出鋼完了までの間、純酸素ガス、または窒素を含まず酸素を２０体積％以上含むガスを供給し、取鍋内へ供給されるガスの流量Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）が、取鍋内容積Ｔ（ｍ^３）に対してＶ＞Ｔとなるものである。

請求項２に記載されたステンレス鋼溶製時の吸窒防止方法は、請求項１に記載されたステンレス鋼溶製時の吸窒防止方法において、純酸素ガス、または窒素を含まず酸素を２０体積％以上含むガスを脱炭炉から取鍋へ出鋼しているステンレス溶鋼の溶鋼流の下端付近に向けて供給するものである。

本発明者らは、脱炭炉から取鍋へ溶鋼を出鋼する際に生じる吸窒現象を詳細に検討した結果、吸窒のほとんどは出鋼流の落ち込み地点、通称「滝つぼ」と呼ばれる部分で発生していることがわかった。
そこで、出鋼時の吸窒を効果的に防ぐためには、この滝つぼ部分での溶鋼と空気との混合を防止すればよい。

さらに、本発明者らは試験の中で、気相中の酸素によって吸窒が抑制されることを見出した。
より具体的には、Ｎ_２−Ａｒ混合ガス雰囲気とＮ_２−Ｏ_２混合ガス雰囲気で溶鋼を取鍋に出鋼した際に、同一窒素分圧でもＮ_２−Ｏ_２混合ガス雰囲気での吸窒量がより少ないことを見出した。
これは次のように考えられる。
酸素は表面活性成分であり、溶鋼の表面に吸着し窒素のガスの吸着サイトの数を減少させる。しかし、出鋼時はその強攪拌により溶鋼中酸素と炭素が反応し、ＣＯガスとして放出されるため溶鋼中酸素濃度は低下してしまう。そこで、強攪拌される滝つぼに積極的に純酸素ガスを吹き付けることで、溶鋼中酸素濃度が高く保たれ、吸窒量は低く抑えられる。さらに純酸素ガス、またはアルゴンもしくは二酸化炭素と酸素との混合ガスを出鋼流下端に吹き付けることで、その周囲の窒素分圧が低下し、吸窒量はより一層抑制される。本発明では、鋼中に残存するフラックス等を使用しないのでより経済的に安定して低窒素鋼を溶製できる。

本発明によれば、脱炭炉からの出鋼の際のステンレス溶鋼の窒素の吸収を防止できる。

図１は、本発明の請求項１に係るステンレス溶鋼の溶製方法において、溶鋼流の半ば近傍に混合ガスを構成の模式図である。 図２は、本発明の請求項２に係るステンレス溶鋼の溶製方法における構成の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照しながら詳細に説明する。

ステンレス鋼を製造する際には、まず電気炉などにおいて原料を溶解しＳｉ等を調整してステンレス鋼溶製用のＣｒを含有した溶銑である含Ｃｒ溶銑とする。

この含Ｃｒ溶銑をＡＯＤ炉または転炉などの脱炭炉へ移して通常の酸素吹錬を行う。
この酸素吹錬により、吹錬前に含有量が２〜４質量％だったＣを０．１〜０．６質量％まで脱炭する、粗脱炭処理がなされる。
また、吹錬前後のＣ量およびＣｒ量によるが、脱炭時のＣＯガス発生に伴いＮは０．００５−０．０２質量％となり、目的に応じて必要な合金成分を添加して調整し、ステンレス溶鋼とする。

さらに、図１に示すようにステンレス溶鋼を脱炭としての転炉１から取鍋２へ出鋼して、ＶＯＤ法などで仕上脱炭、還元精錬を行う。

このように溶製されたステンレス溶鋼は、連続鋳造などにて鋳造され目的に応じて熱間圧延、冷間圧延および焼鈍などの処理が施される。

ステンレス溶鋼を転炉から取鍋へ出鋼する際には、出鋼口が下側になるように転炉を傾斜させ、出鋼口から取鍋へ出鋼される。
出鋼中のステンレス溶鋼は出鋼口から取鍋内まで自由落下する溶鋼流となる。
なお、転炉内ではステンレス溶鋼３とスラグ４とが形成されている。

ここで、出鋼前に取鍋近傍に設置されたノズル５にて純酸素ガス、またはアルゴンもしくは二酸化炭素と酸素との混合ガスなどをはじめとする窒素を含まず酸素を２０体積％以上含むガスを出鋼流の落ち込み地点へ向け供給する。酸素を２０体積％以上含むガスとしては、不活性ガスと酸素の混合ガスの他、窒素を含まなければ種々の混合ガスを用いることが可能である。

その後、転炉から取鍋に出鋼を開始し出鋼完了までの間、純酸素、またはアルゴンもしくは二酸化炭素と酸素との混合ガスを供給し続ける。
このとき、取鍋内容積をＴ（ｍ^３）とすれば、純酸素ガス、またはアルゴンもしくは二酸化炭素と酸素との混合ガスの供給量をＶ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）としてＶ＞Ｔとなるようにガスを供給することで、溶鋼中酸素濃度は高く保たれ、また滝つぼ周囲の窒素分圧が低減する。

１分あたりの酸素含有ガスの供給量Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）が取鍋の内容積以下であると、滝つぼ周囲の窒素分圧が十分に低下せず、出鋼時の吸窒を効果的に防止できない。
したがって、１分あたりのガスの供給量Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）は取鍋の内容積より多いものとした。

そして、このようなステンレス溶鋼の溶製方法によれば、出鋼前から出鋼完了までの間、純酸素ガスまたはアルゴン−酸素混合ガスを滝つぼ近傍に吹き付けることで、溶鋼中酸素濃度は高く保たれ、さらに滝つぼ周囲の窒素分圧も低下するため、出鋼の際におけるステンレス溶鋼の窒素の吸収を効果的に防止できる。

上記のようにステンレス溶鋼を溶製することにより、転炉吹錬での有利な脱窒効果を維持したまま減圧下での吹錬が実施できるので、減圧下での脱窒負荷が軽減され、経済的に低窒素ステンレス鋼を製造できる。

このようなステンレス溶鋼の溶製方法は、Ｃｒを１０質量％以上、より好ましくはＣｒを１８質量％以上含有し、炭素濃度と窒素濃度との合計が０．０４質量％以下の極低炭素・窒素ステンレス鋼を製造する場合に非常に有効であるが、極低炭素・窒素ステンレス鋼以外の製造にも有効である。

以下に示す溶鋼の本実施例および比較例にて出鋼の際のステンレス溶鋼の窒素吸収試験を行った。

まず、Ｃｒを２２質量％含有するフェライト系ステンレス鋼製造用の溶銑を電気炉にて溶製した。
溶銑は、主な成分が、Ｃ：２．０〜３．５質量％、Ｓｉ：０．１〜０．５質量％、Ｍｎ：０．１〜０．５質量％、Ｃｒ：２１．１〜２３．０質量％、残部がＦｅおよび不可避的不純物となるよう調整した。

表１に示すＣ量およびＮ量の各溶銑を転炉にて底吹羽口より少量のＡｒガスを吹き込みながら、上吹き酸素吹錬を所定の時間実施して脱炭処理を行い、温度を調整して、表１に示す条件にて内容積が２０ｍ^３または４０ｍ^３の取鍋に出鋼した。
また各ステンレス溶鋼の脱炭終了後、出鋼直前のＮ量は表１に示すとおりであり、いずれのステンレス溶鋼も転炉吹錬により脱炭とともに脱窒が進行していることがわかる。

チャージＮｏ．Ａ１〜Ａ１０のステンレス溶鋼は、純酸素ガス、またはアルゴンもしくは二酸化炭素と酸素との混合ガスを溶鋼流の下端付近すなわち滝つぼ付近に位置するようにノズルを設置してガスを供給した本実施例である。

これら本実施例では、いずれも出鋼する際にステンレス溶鋼が吸収した窒素の量である吸Ｎ量が０．００２質量％以下であり、出鋼を完了した際のステンレス溶鋼中のＮ量も概ね０．０１質量％以下と非常に低く、出鋼前のＮ量と比べてもほとんど増加していないことがわかる。

チャージＮｏ．Ｂ１〜Ｂ１０のステンレス溶鋼は、規定した条件とは異なる条件にて出鋼した比較例である。
なお、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ７およびＢ８は純酸素ガス吹きつけ用ノズルを地面と水平にして、純酸素ガスを取鍋内ではなく出鋼流へ向かって供給した。（図２参照）

Ｂ１、Ｂ２およびＢ６のステンレス溶鋼は、純酸素ガス供給量が取鍋の内容積以下の比較例であり、純酸素ガスのガスパージが不十分であったため、出鋼の際にステンレス溶鋼が空気と接触して、窒素を吸収してしまったと考えられる。

Ｂ３のステンレス溶鋼はガスの供給量は取鍋内容積以上だったため、その他の比較例と比べ、吸Ｎ量は低く抑えられているが、供給ガス中の酸素が２０体積％以下であるため本発明例ほどには吸Ｎ量は抑えられていない。

Ｂ４、Ｂ５、Ｂ７およびＢ８のステンレス溶鋼は、供給する純酸素ガス量は取鍋内容積より多かったものの、純酸素ガスが取鍋内ではなく溶鋼流へ向けて供給された比較例であり、出鋼の際の主な吸窒場所である滝つぼに空気が巻き込まれ、ステンレス溶鋼が窒素を吸収してしまったと考えられる。

Ｂ９およびＢ１０のステンレス溶鋼は、純酸素ガスを供給しない従来の方法にて出鋼した比較例であり、出鋼の際にステンレス溶鋼が窒素を吸収していた。

したがってＢ１〜Ｂ１０のステンレス溶鋼では、出鋼の際に０．００４〜０．０１質量％の窒素を吸収しており、出鋼完了後のステンレス溶鋼中の窒素量も本発明例に比べて非常に高くなっている。

出鋼の際のステンレス溶鋼の窒素の吸収を防止できるため、ステンレス溶鋼の溶製方法において有益である。

１ 脱炭炉
２ 取鍋
３ ステンレス溶鋼
４ スラグ
５ ノズル

Claims (2)

1. Ｃｒを含有した溶銑を脱炭炉で脱炭した後、この脱炭炉から取鍋へ出鋼してステンレス溶鋼を溶製する溶製方法であって、出鋼前から出鋼完了までの間、純酸素ガス、または窒素を含まず酸素を２０体積％以上含むガスを供給し、取鍋内へ供給されるガスの流量Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）が、取鍋内容積Ｔ（ｍ^３）に対してＶ＞Ｔとなることを特徴とするステンレス溶鋼の溶製方法。
2. 脱炭炉から取鍋へ出鋼しているステンレス溶鋼の溶鋼流の下端付近に向けて供給することを特徴とする請求項１記載のステンレス溶鋼の溶製方法。

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