JP2013107100A - 高清浄度鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入中に吹き込まれるガスの気泡により介在物を効率よく捕捉することで、溶鋼中の介在物を効果的に除去し、清浄度の高い鋼を製造する。
【解決手段】底部の出鋼口３に溶鋼の流量調整手段４を介して注入管５が接続された取鍋１を用い、この取鍋１内の溶鋼を、下部をタンディッシュ２内の溶鋼に浸漬させた注入管５を通じてタンディッシュ２に出鋼するに際し、取鍋の出鋼口３から流量調整手段４までの間に配したポーラスプラグ６を通じて、溶鋼中に不活性ガスを吹き込むとともに、注入管５の上端寄りの位置から、注入管５内を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込む。吹き込まれたガスの微細化、溶鋼中での気泡の滞留時間の確保、及び注入管内での負圧による気泡の膨張の抑制により、吹き込みガスの気泡により介在物を効率よく捕捉できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、取鍋からタンディッシュへの溶鋼出鋼時に流出する介在物の浮上分離を促進することで高清浄度鋼を製造する方法に関する。

鉄鋼材料の高機能化及び高品質化への要求の高まりから、鋼中の不純物元素を極限まで低減することが望まれており、溶鋼段階での鋼の高純度化及び高清浄度化のための技術が必要とされている。特に、鋼中の不純物元素の１つである酸素は、鋼中に介在物（酸化物）として存在した場合、鋼板における欠陥の原因となるため、極力除去する必要がある。

現在、一般的な鋼の場合、転炉出鋼後、二次精錬等の処理が施された取鍋内の溶鋼をタンディッシュに注入し、タンディッシュから連続鋳造鋳型へ鋳込んで鋳片を製造している。これらの工程において、介在物低減のための種々の対策が取られてきた。その一つとして、不活性ガスを溶鋼中に吹き込み、介在物を不活性ガス気泡に捕捉させ、気泡とともに溶鋼中から浮上分離させる方法がある。このようなガス気泡による介在物捕捉を効果的に行うためには、なるべく多くの溶鋼をガス気泡と接触させることが有効である。
特許文献１，２には、取鍋内からタンディッシュに溶鋼を出鋼する際に、全ての溶鋼が通過する取鍋底部の出鋼口に接続された注入管から不活性ガスを吹き込み、不活性ガスの気泡を溶鋼と効率よく接触させ、気泡に捕捉された介在物をタンディッシュ湯面に浮上分離させる方法が開示されている。

特許文献１では、取鍋湯面とタンディッシュ湯面の距離を２ｍ以上とし、取鍋の出鋼口近傍から溶鋼トン当り０．０１〜１．０Ｎｍ^３の不活性ガスを吹き込むことで、溶鋼の落下エネルギーにより不活性ガス気泡の径が５ｍｍ以下に微細化され、介在物を効率良く除去できるとしている。
また、特許文献２では、取鍋の出鋼口に接続した注入管のタンディッシュ内溶鋼に浸漬した部位から注入管内に溶鋼トン当り０．５〜５０ＮＬの不活性ガスを吹き込むことで、不活性ガスの気泡径を２．０ｍｍ以下に微細化し、介在物を効率良く除去できるとしている。

特公昭６１−５７８８７号公報 特開２０００−２０２６０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、取鍋出鋼口に設置されているスライディングゲート等の流量調整手段の部位は、流量調整のために流路が狭められており、流量調整手段から下方の注入管内部は負圧になる。そのため、取鍋の出鋼口近傍から吹き込まれた不活性ガスは、吹き込み位置では溶鋼中に混入するが、上述の負圧の領域に入ると気泡が膨張し、また、一部は溶鋼から離脱してしまい、気泡による介在物捕捉の効果が不十分になってしまう。

また、特許文献２に記載の方法では、不活性ガスを吹き込むのがタンディッシュ内溶鋼に浸漬した正圧の部位であるために、特許文献１のように吹き込んだ微細気泡が膨張したり、溶鋼から離脱してしまうことはなくなるが、気泡と溶鋼の接触時間が短いために、気泡による介在物捕捉の効果が不十分になってしまう。また、注入管下部までのガス吹き込み用配管の設置、それに伴う注入管強度の確保等のためにコストアップにもなる。

したがって本発明の目的は、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入中に吹き込まれる不活性ガスの気泡により介在物を効率よく捕捉することで、溶鋼中の介在物を効果的に除去し、清浄度の高い鋼を製造することができる方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らは以下のような検討を行った。
気泡により溶鋼中の介在物を効率良く除去するには、気泡と介在物が衝突する頻度を高めることが重要である。そのためには、気泡の微細化、溶鋼中での気泡の滞留時間の増大が有効であると考えられる。
溶鋼中の気泡の微細化には、ガス吹き込み口の小径化と、溶鋼流により気泡に作用する剪断力が有効であることが知られている。取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入するための注入管内は、取鍋やタンディッシュに較べて流路断面積が小さいため、溶鋼流速が非常に速くなり、気泡に作用する大きな剪断力が期待できると考えられる。また、ガスをポーラスプラグから吹き込むことで、気泡をより微細化することができる。

また、溶鋼中に吹き込まれた気泡は、タンディッシュ内で溶鋼中を浮上し、系外へ抜けるため、溶鋼中での気泡の滞留時間を増大させるには、なるべくタンディッシュから遠い位置でガスを吹き込むことが有効である。この吹き込み位置を特定するため、取鍋〜注入管の範囲で吹き込み位置を変えてアルゴンガスを溶鋼中に吹き込んだところ、取鍋内側の出鋼口周囲からガスを吹き込むと取鍋湯面でガスの噴出が認められた。これは、取鍋内側（底部）からのガス吹込みでは、出鋼口へ向かう溶鋼流速が小さいために、気泡の浮力が勝って出鋼口へ流れ込まずに上方へ浮上するためであり、さらに、吹き込みガスの気泡に作用する剪断力も小さいために気泡径が微細化しないことが、気泡の上方への浮上を助長していると考えられる。これに対して、取鍋出鋼口よりタンディッシュ側でガス吹き込んだ場合には、取鍋湯面にガスの噴出は認められなかった。以上の点から、ガス吹き込み位置は、取鍋の出鋼口内〜出鋼口直下の位置が適当であることが判った。

しかし、上記方法で実験を行ったところ、タンディッシュ湯面がガス気泡の噴出により大きく乱れる現象が生じることが判った。これは、気泡径が大きいことが原因であると考えられ、このような現象が生じると、介在物捕捉の効率が低減するおそれがある。気泡の膨張の原因として、流量調整手段（スライディングゲート）下方の注入管内が負圧になっていることが考えられるため、この点を確認するために、流量調整手段下方の注入管内にステンレス製パイプを挿入し、パイプに接続した圧力計で溶鋼出鋼時の注入管内部の圧力を測定したところ、最大で３×１０^４Ｐａまで圧力が低下していた。
そこで、負圧になっている部分にガスを吹き込み、負圧を解消することで、気泡の膨張を抑制できると考えた。上述の圧力測定用のパイプからアルゴンガスを吹き込みながら、出鋼口内に設置したポーラスプラグからアルゴンガスを吹き込んだところ、タンディッシュ湯面の乱れは小さく抑えられた。すなわち、注入管の上端寄りの位置でガスを吹き込むことにより、気泡の膨張が抑制され、タンディッシュ湯面の乱れが抑えられることが判った。

本発明は、以上のような着想と知見に基づきなれたもので、以下を要旨とするものである。
［1］底部の出鋼口に溶鋼の流量調整手段を介して注入管が接続された取鍋を用い、該取鍋内の溶鋼を、下部をタンディッシュ内の溶鋼に浸漬させた注入管を通じてタンディッシュに出鋼するに際し、取鍋の出鋼口から流量調整手段までの間（但し、出鋼口の内側位置を含む）に配したポーラスプラグを通じて、溶鋼中に不活性ガスを吹き込むとともに、注入管の上端寄りの位置から、注入管内を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする高清浄度鋼の製造方法。
［2］上記［1］の製造方法において、ガス吹込み位置での注入管内圧力が７．０×１０^４Ｐａ以上、大気圧以下となるように、注入管の上端寄りの位置から、注入管内を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする高清浄度鋼の製造方法。

［3］上記［1］又は［2］の製造方法において、ポーラスプラグを通じて、溶鋼トン当たり０．２〜５．０ＮＬの不活性ガスを吹き込むことを特徴とする高製浄度鋼の製造方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの製造方法において、下記（1）式を満たす時にポーラスプラグを通じて不活性ガスを吹き込むことを特徴とする高製浄度鋼の製造方法。
Ｑm≧４×１０^３・Ｄ^２ …（1）
但し Ｑm：取鍋からタンディッシュへの溶鋼出鋼流量（ｋｇ／ｓ）
Ｄ：ポーラスプラグ配置部における溶鋼流路の内径（ｍ）

本発明によれば、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入中に吹き込んだ不活性ガスの気泡により介在物の捕捉を効率良く行うことができ、このため溶鋼中の介在物除去が促進され、清浄度の高い鋼を製造することができる。

本発明の一実施形態を、取鍋とタンディッシュを縦断面した状態で示す説明図 本発明法の試験において、注入管の上端寄りの位置で注入管内に不活性ガスを吹き込んだ場合の注入管内圧力と介在物除去率との関係を示すグラフ 本発明法の試験において、取鍋の出鋼口内側に配されたポーラスプラグを通じて不活性ガスを吹き込んだ場合の吹込みガス流量と介在物除去率との関係を示すグラフ

図１は、本発明の一実施形態を取鍋とタンディッシュを縦断面した状態で示す説明図である。
図において、１は取鍋、２はタンディッシュである。取鍋１の底部には出鋼口３が設けられ、この出鋼口３にスライディングゲート４（溶鋼の流量調整手段）を介して注入管５が接続される。転炉から出鋼された溶鋼１０が入れられた取鍋１は、二次精錬等の処理工程を経た後、タンディッシュ２への溶鋼注入位置に搬送される。ここで出鋼口３に注入管５（注入ノズル）が接続され、この注入管５の下部をタンディッシュ２内の溶鋼１０に浸漬させた状態で、注入管５を通じて取鍋１内の溶鋼１０をタンディッシュ２に注入（出鋼）する。その際の注入量は、出鋼口３と注入管５間に介在したスライディングゲート４によって制御される。なお、図において、１１は取鍋１内の溶鋼１０上に浮遊するスラグである。

本発明では、取鍋１の出鋼口３からスライディングゲート４（流量調整手段）までの間（但し、出鋼口３の内側位置を含む）、すなわち、その範囲内の溶鋼流路の少なくとも一部に配したポーラスプラグ６を通じて、当該溶鋼流路を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込むとともに、注入管５の上端寄りの位置から、注入管５内を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込むものである。
本実施形態では、出鋼口３の内側に環状のポーラスプラグ６が配置され、これに接続されたガス供給管７を通じて不活性ガスの吹き込みを可能としている。このポーラスプラグ６は、取鍋１の出鋼口３（出鋼口３の内側位置を含む）からスライディングゲート４までの溶鋼流路の少なくとも一部において不活性ガスを吹き込むことが可能であれば、任意の位置に任意の形態で設けることができる。したがって、例えば、出鋼口３の羽口そのものをポーラスプラグ６で構成してもよいし、ポーラスプラグ６を出鋼口３の直下に設けてもよい。

また、注入管５の上端寄りの位置にガス注入孔８が設けられ、これに接続されたガス供給管９を通じて注入管５内への不活性ガスの吹き込みを可能としている。ここで、ガス注入孔８による不活性ガスの吹き込み位置は、注入管５の上部１／４の領域とすることが好ましい。さらに、ガス注入孔８による不活性ガスの吹き込み位置は、タンディッシュ内の溶鋼湯面から１ｍ以上上方であることが好ましい。これは本発明での注入管内圧力が最も低い場合に注入管内に溶鋼が充填される計算高さであり、ガス注入孔８がこの高さ未満の位置にあると、溶鋼に浸漬して孔が閉塞してしまう可能性がある。
ポーラスプラグ６及びガス注入孔８から吹き込む不活性ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの１種以上を用いることができる。

ガス注入孔８からの不活性ガスの吹き込みでは、ガス吹込み位置での注入管内圧力が７．０×１０^４Ｐａ以上、大気圧以下となるようにすることが好ましい。
上端寄りの位置にガス吹き込み用と圧力測定用の２本のパイプを挿入した注入管を作成し、この注入管を取鍋に取り付け、圧力測定用のパイプには圧力計を接続し、注入管内へのガス吹き込みと注入管内の圧力測定を同時に行いつつ、本発明法に従い、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を行った。その際に、取鍋とタンディッシュで溶鋼のサンプリングを行い、その溶鋼サンプルの断面の介在物個数を測定した。図２に、注入管内圧力と介在物除去率（＝（取鍋サンプル中の介在物個数−タンディッシュサンプル中の介在物個数）／取鍋サンプル中の介在物個数）との関係を示す。これによると、ガス吹込み位置での注入管内圧力が７．０×１０^４Ｐａ未満となると介在物除去率が急激に低下している。これは、圧力が低いことで気泡が膨張し、膨張した気泡どうしが合体してさらに大きな気泡となるためであると考えられる。なお、ガス吹込み位置での注入管内圧力が７．２×１０^４Ｐａ以上の場合に、介在物除去率が特に高くなる。また、圧力を大気圧より高くすると、注入管内の溶鋼湯面が下がって注入管下端以下となり、負圧解消用のガスが噴出して湯面が大きく乱れることになるため、圧力は大気圧以下とすることが好ましい。したがって、ガス吹込み位置での注入管内圧力が７．０×１０^４Ｐａ以上、より好ましくは７．２×１０^４Ｐａ以上、大気圧以下となるように、ガス注入孔８から不活性ガスを吹き込むことが好ましい。

注入管５の上端寄りの位置から不活性ガスを吹き込んで注入管５内の圧力を調整する方法としては、例えば、注入管５にパイプ（図示しない）を挿入し、このパイプに圧力計を接続して、実際の出鋼中の内部圧力を測定しながら所定の圧力となるように不活性ガスを吹き込んでもよいし、予め出鋼流量毎に注入管内の圧力を測定しておくとともに、所定の圧力への調整に必要なガス流量を求めておき、出鋼流量に応じてそのガス流量を吹き込むようにしてもよい。

ポーラスプラグ６を通じた不活性ガス（介在物捕捉用ガス）の吹き込み量は、溶鋼トン当たり０．２〜５．０ＮＬが好ましい。この介在物捕捉用ガスの吹き込み量が少なすぎると介在物の捕捉量が十分でなくなり、一方、多すぎると上述したような気泡どうしの合体の懸念が生じる。
本発明法の試験において、注入管５からの出鋼流量を８ton／min、１１ton／minの２水準とし、ポーラスプラグ６を通じた不活性ガス（介在物捕捉用ガス）の吹き込み量を変化させ、図２の試験と同様に介在物の個数変化（介在物除去率）を調査した。その結果を図３に示すが、ガス吹き込み量が少なすぎても、多すぎても介在物除去率は小さくなる。この介在物除去率が確保できるガス吹き込み量を出鋼流量で整理すると、溶鋼トン当たり０．２〜５．０ＮＬの範囲となった。すなわち、ポーラスプラグ６を通じた不活性ガス（介在物捕捉用ガス）の吹き込み量を溶鋼トンあたり０．２〜５．０ＮＬとすることで、気泡どうしの衝突が最小限に抑えられ、介在物の捕捉を特に効率的にできる。

また、下記（1）式を満たす時にポーラスプラグ６を通じて不活性ガスを吹き込むことが好ましい。すなわち、この場合には、下記（1）式を満たす時にのみ、ポーラスプラグ６を通じた不活性ガスの吹き込みと、注入管５の上端寄り位置からの不活性ガスの吹き込みを行うようにするものである。
Ｑm≧４×１０^３・Ｄ^２ …（1）
但し Ｑm：取鍋からタンディッシュへの溶鋼出鋼流量（ｋｇ／ｓ）
Ｄ：ポーラスプラグ配置部における溶鋼流路の内径（ｍ）

本発明法の試験において、出鋼流量を少なくした際に、取鍋湯面にガスの噴出が確認された。これは、出鋼時の流速が小さくなり、気泡の浮力が勝って出鋼口３へ流れ込まずに上方へ浮上するためであり、さらに、吹き込みガスに作用する剪断力も小さいために気泡径が小さくならないことが、気泡の上方への浮上を助長しているものと考えられる。吹き込みガスが取鍋内を上昇して溶鋼湯面まで浮上すると、溶鋼とスラグの界面が撹拌されることにより、溶鋼上に浮遊しているスラグ中のＦｅＯのような低級酸化物と溶鋼中のＡｌ，Ｓｉ等と反応して酸化物が生成し（Ａｌ，Ｓｉが酸化される）、溶鋼汚染の要因となる。出鋼時の流速は出鋼口３の断面積に比例すると考えられるため、本発明法の試験において、出鋼口径０．１２ｍ、０．１５ｍでポーラスプラグ６からガスを吹き込み、出鋼流量を変化させて取鍋湯面での気泡の噴出の有無を調べた。その結果を表１に示す。

表１に示すように、出鋼口径０．１２ｍでは出鋼流量３．５ton／min以下で、出鋼口径０．１５ｍでは出鋼流量５．５ton／min以下で、それぞれ取鍋湯面に気泡の噴出が確認された。この結果は下記（1a）式で整理されたことから、上述したような酸化物生成による溶鋼汚染を抑制するには、出鋼流量Ｑmが（1a）式以上の場合にのみ、ポーラスプラグ６から介在物捕捉用ガスを吹き込むことが好ましいことが判った。
Ｑm＝４×１０^３・Ｄ^２ …（1a）
但し Ｑm：取鍋からタンディッシュへの溶鋼出鋼流量（ｋｇ／ｓ）
Ｄ：ポーラスプラグ配置部における溶鋼流路の内径（ｍ）

溶鋼中に吹き込まれたガスがタンディッシュ２内で浮上して溶鋼の裸湯面が大気と接触すると、ＡｌやＳｉ等の鋼中元素が酸化されて介在物が生成する懸念があるため、タンディッシュ２内の溶鋼湯面をフラックスや保温材で被覆するとともに、それらを押しのけて裸湯面が露出しない程度にガス吹き込み量を抑えることが好ましい。或いは、タンディッシュ２内をシールし、大気を遮断できればさらに好適である。
以上述べた方法により、取鍋１からタンディッシュ２への溶鋼注入中に吹き込んだガスの気泡により介在物の捕捉を効率良く行うことができる。

転炉で約２５０トンの溶鋼を酸素吹錬した後、取鍋に出鋼し、ＲＨ真空脱ガス装置に搬送して必要に応じた精錬を施した。その後、２ストランド連続鋳造機へ溶鋼を供給するタンディッシュ上へ取鍋を搬送し、取鍋出鋼口に注入管（注入ノズル）を接続した。しかる後、スライディングゲートを開けて、タンディッシュへの溶鋼の注入を開始した。溶鋼注入量は１０ｔ／minに制御し、溶鋼はタンディッシュを通して連続鋳造機のストランドへ供給され、連続鋳造を行った。その際、取鍋出鋼口羽口に配した内径１２０mmのポーラスプラグからアルゴンガスを吹き込んだ。また、注入管からもアルゴンガスを吹き込んで注入管内部の圧力を調整した。注入管内部の圧力は、注入管にパイプを挿入し、その先に圧力計を接続して連続的に測定した。

また、比較例として、ポーラスプラグよりガスを吹き込まなかった場合（比較例１）、注入管内の圧力を調整しなかった場合（比較例２）での鋳造も実施した。
本発明例及び比較例において、鋳造後のスラブの全幅について超音波探傷により介在物個数の測定を行った。比較例１のスラブ中の介在物個数を“１”とした時の各スラブ中の介在物個数の比を、ポーラスプラグからのアルゴンガス吹き込み量、注入管内部の測定圧力（取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入中の圧力の測定値の平均値）とともに表２に示す。
表２によれば、比較例に対して発明例ではスラブ中の介在物個数が大幅に低減している。また、発明例２〜５では、ポーラスプラグからのガス吹き込み量を好ましい範囲としているため、介在物個数がより低減している。

１ 取鍋
２ タンディッシュ
３ 出鋼口
４ スライディングゲート
５ 注入管
６ ポーラスプラグ
７ ガス供給管
８ ガス注入孔
９ ガス供給管
１０ 溶鋼
１１ スラグ

Claims (4)

1. 底部の出鋼口に溶鋼の流量調整手段を介して注入管が接続された取鍋を用い、該取鍋内の溶鋼を、下部をタンディッシュ内の溶鋼に浸漬させた注入管を通じてタンディッシュに出鋼するに際し、
   取鍋の出鋼口から流量調整手段までの間（但し、出鋼口の内側位置を含む）に配したポーラスプラグを通じて、溶鋼中に不活性ガスを吹き込むとともに、注入管の上端寄りの位置から、注入管内を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする高清浄度鋼の製造方法。
2. ガス吹込み位置での注入管内圧力が７．０×１０^４Ｐａ以上、大気圧以下となるように、注入管の上端寄りの位置から、注入管内を流れる溶鋼中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする請求項１に記載の高清浄度鋼の製造方法。
3. ポーラスプラグを通じて、溶鋼トン当たり０．２〜５．０ＮＬの不活性ガスを吹き込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高製浄度鋼の製造方法。
4. 下記（1）式を満たす時にポーラスプラグを通じて不活性ガスを吹き込むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高製浄度鋼の製造方法。
   Ｑm≧４×１０^３・Ｄ^２ …（1）
   但し Ｑm：取鍋からタンディッシュへの溶鋼出鋼流量（ｋｇ／ｓ）
   Ｄ：ポーラスプラグ配置部における溶鋼流路の内径（ｍ）

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