JP2018178169A

JP2018178169A - 低窒素鋼の溶製方法

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Publication number: JP2018178169A
Application number: JP2017076204A
Authority: JP
Inventors: 良哉林; Yoshiya Hayashi; 陽三岩城; Yozo Iwaki; 周大井上; Tadahiro Inoue
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: JP6691324B2

Abstract

【課題】正確な出鋼目標窒素量となるように溶製することで低窒素鋼を確実にかつ安定して製造するための方法を提案する。【解決手段】転炉による脱炭吹錬の前にまず溶銑予備処理を行なって低窒素鋼製造のための溶製を行なう方法において、溶銑予備処理の段階である転炉１次吹錬に引き続き脱炭吹錬の段階である転炉２次吹錬を行なうに当たり、該転炉２次吹錬後の鋼中窒素規格上限または出鋼目標窒素量に応じて、転炉１次吹錬段階で用いる底吹きガス種とそれの使用比率を調整する低窒素鋼の溶製方法。【選択図】図１

Description

本発明は、転炉において溶銑予備処理を行なった後に脱炭吹錬することにより低窒素鋼を製造するために行なう溶製方法に関する。

転炉で低窒素鋼を溶製する方法としては、脱炭吹錬の後期に見られる溶鋼中の［Ｎ］濃度の上昇を防ぐために、例えば、特許文献１では、転炉内容積に応じて底吹きガス流量を調整することにより、脱炭吹錬の末期における空気の巻き込み量を抑制することで低窒素鋼を得る方法を提案している。また、特許文献２では、脱炭吹錬の末期に転炉内にチタン酸化物やアルミナ含有物質などを投入することでスラグフォーミングを促進させ、このことにより溶鋼中の［Ｎ］濃度の上昇を抑制する方法を開示している。さらに、特許文献３には、吹錬の末期における大気の巻き込みを抑制するために、転炉内にプラスチック含有成形物を投入することにより、転炉内への大気の侵入を防止して低窒素鋼を製造する方法が開示されている。

特開２００１−２５４１１６号公報特開２００４−２７７８３０号公報特開２０１１−８４７５２号公報

転炉による溶銑の予備処理、とくに脱燐処理（以下、「脱Ｐ処理」という）をした後で、脱炭処理（以下、「脱Ｃ処理」という）を行なう精錬において、前者（脱Ｐ）の処理を１次吹錬とし、後者（脱Ｃ）の処理を２次吹錬と言うときに、これらの吹錬を行なうことによって低窒素鋼の溶製を行なう場合、２次脱Ｃ吹錬では、Ｃ量が少なくなるために、脱炭反応が低下して発生ＣＯガス気泡が少なくなり、窒素分子の気化が抑えられて脱窒素量が少なくなることが知られている。そのため、低窒素鋼を製造するには、前記各従来技術のように、とくに脱炭吹錬の末期における窒素濃度の上昇を抑制することが必要になる。もし、転炉での２次脱Ｃ吹錬において、溶湯中の窒素量がコントロールできなければ、鋼中［Ｎ］量の規格外れが発生する。また、転炉での１次脱Ｐ吹錬後に、溶湯中の窒素量を低減させるためには、底吹きガスとして窒素ガス以外の例えばＡｒガスなどを使用する必要があるが、Ａｒガスは高価である。従って、Ａｒガスに頼ることなく、窒素規格上限または出鋼窒素目標に応じて、転炉１次吹錬時の底吹き使用ガス種やその使用比率を決定する必要がある。

この点、前記特許文献１の方法は、転炉内容積に応じて底吹きガス流量を一律に調整する方法であり、変動する精錬の実態に即応できないし、目標窒素量に正確にコントロールできないという問題がある。この点は、スラグフォーミングを促進する特許文献２やプラスチックを投入するという特許文献３に開示の方法もまた、正確な出鋼目標窒素量への管理が難しいという課題があった。

そこで、本発明の目的は、正確な出鋼目標窒素量となるように溶製することで低窒素鋼を確実にかつ安定して製造するための溶製方法を提案することにある。

まず、発明者らは、転炉２次脱Ｃ吹錬後に確実に窒素規格上限または出鋼目標窒素成分値となるように、転炉１次脱Ｐ吹錬段階でのガス底吹きの方法を検討することで、目標窒素量以下の低窒素鋼を確実にかつ安定して溶製し製造する技術の開発を目指した。

そのために、発明者らはまず、上掲の従来技術が抱えている前述した課題の解決について鋭意検討した。その結果、次のような新規の方法を開発するに至った。即ち、本発明は、脱Ｃ処理を主とする２次吹錬後の鋼中窒素規格上限または出鋼目標窒素量に応じて、脱Ｐ処理を主とする１次吹錬時の底吹きガスの種類、及びその使用比率を決定しようとする方法である。

このような考え方の下に開発した本発明は、要するに、転炉による脱炭吹錬の前にまず溶銑予備処理を行なってから低窒素鋼製造のための溶製を行なう方法において、溶銑予備処理の段階である転炉１次吹錬に引き続き脱炭吹錬の段階である転炉２次吹錬を行なうに当たり、該転炉２次吹錬後の鋼中窒素規格上限または出鋼目標窒素量に応じて、転炉１次吹錬段階で用いる底吹きガス種とそれの使用比率を調整することを特徴とする低窒素鋼の溶製方法である。

特に、本発明については、前記転炉1次吹錬に当たって、この吹錬時に用いられる底吹きガスにつき、窒素ガス以外の非加窒性ガスの使用比率（Ｇｒ）を、下記式（１）；
（Ｇｒ）＝［３８．０−１．６（Ｔｃ）−０．０５（Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}）−（Ｔ_Ｎ）］／０
．０６５ … （１）
ただし、Ｇｒ：１次吹錬で用いる底吹きガスの窒素ガスと非加窒性ガスとの使用比率（
％）
Ｔｃ：１次吹錬後の目標炭素濃度（mass%）
Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}：２次吹錬時の予定Ｔ.ＣａＯ（kg/t）
Ｔ_Ｎ：２次吹錬後の窒素規格上限もしくは出鋼目標窒素（mass ppm）
に基づき決定することが、より有効な解決手段になり得ることが期待される。

なお、本発明において、転炉１次吹錬で用いる底吹きガス種は、窒素ガスまたは空気である加窒性ガス、またはアルゴン、ＣＯ_２およびＣＯのうちのいずれか１種以上の非加窒性ガスであることが望ましい。

前記要旨構成に係る本発明によれば、転炉２次吹錬後の窒素規格上限もしくは出鋼目標窒素に基づき、転炉１次吹錬時に用いる底吹きガス種とそれの使用比率を決定することで、転炉２次吹錬時における溶湯中の［Ｎ］濃度の上昇を確実に抑えることができるようになり、このことにより低窒素鋼を確実にかつ安定して溶製することができる。また、本発明によれば、鋼の窒素規格上限または出鋼目標窒素に応じて底吹きガス種、その使用比率を決定するため、高価な不活性ガス、例えばＡｒガスなどの過剰な使用を抑制することができ、ひいては精錬コストの低減を図ることができるという効果もある。

従来例、比較例、発明例における、炉裏［Ｎ］と底吹きガス中の非加窒性ガス使用比率との関係を示すグラフである。

まず、本発明の実施に当たって使用可能な転炉吹錬設備としては、上底吹き、底吹きのどちらでもよい。また、これらの転炉については、１次吹錬、２次吹錬のときにそれぞれ専用の転炉を割り当ててもよいし、１基の転炉で１次吹錬、２次吹錬と連続して使用してもよい。また、その転炉としては、主として脱Ｐのような溶銑予備処理である転炉１次吹錬と、主として脱Ｃ処理である転炉２次吹錬を実施するために必要な、溶銑のハンドリング設備を付帯させることが好ましい。

なお、以下に説明する実施形態は、１次吹錬および２次吹錬ともに、上吹き送酸ランスを用いて酸素上吹き法による溶製法に基づくものであり、使用に供する転炉は、単管ノズル、集合管ノズル、ポーラスノズルなどの底吹き羽口を有するものであって、使用するガス種としては、窒素や空気、アルゴン、ＣＯ_２、ＣＯなどが好適に用いられる。また、その転炉には、生石灰や鉄鉱石、合金鉄などを転炉内に投入するための設備、炉上ホッパー、あるいは地上バンカーや巻き上げ設備を付帯させることが好ましい。

さて、前記転炉を用いた鋼の溶製に先立ち、まず、高炉より出銑された溶銑は、溶銑鍋やトーピードカーに収容された状態で製鋼工場に運ばれる。その溶銑については、転炉内に装入する前に必要に応じて脱Ｓｉや脱Ｓの処理を行なった後、主として脱Ｐ処理を目的とした1次吹錬用の転炉内に装入する。そして、その１次吹錬が終了した後は、脱Ｃを行うための２次吹錬用の転炉に装入して脱炭吹錬に供される。

そこで発明者らは、まず、前記転炉１次吹錬時に使用する底吹きガスのガス種、および加窒性ガスと加窒とならないガス（非加窒性ガス）との使用比率に着目した実験を行なった。とくに、この実験では、転炉２次吹錬後（吹止め）の窒素外れを防止するために、転炉２次吹錬終了後（吹止め後）の出鋼時鋼中窒素量に与える、転炉１次吹錬時に用いる底吹きガスの影響についての調査を行なった。その結果、転炉の２次吹錬段階である脱炭吹錬では、この吹錬が進み、鋼中の［Ｃ］mass%が低くなると、脱窒量が低下して出鋼窒素量が高くなる傾向になることが判明した。

また、発明者らの上記の実験によると、脱炭目的の転炉２次吹錬のときに、その吹錬の進行と共に、スラグ中のＴ．ＣａＯ含有量（mass%）が下がると、いわゆる吹錬の末期においてスラグ量の低下に伴ってスラグフォーミング作用が小さくなり、ひいては巻き込み空気からの吸窒量が多くなって低窒素化が阻害されるおそれがあることも判った。

さらに、発明者らの研究によると、前記の知見に加え、前記１次吹錬において、窒素ガス以外のいわゆる加窒とならないガス、即ち非加窒性ガスからなる底吹きガスを用い、かつこのような底吹ガスを使用すると同時に、２次吹錬後の、吹き止め時の窒素規格上限または出鋼目標窒素量に応じて、これらの底吹きガス種の使用比率を調整すると、該２次吹錬（脱炭処理）では、鋼中への装入窒素量を目標どおりに低下させることができるようになることが分った。

即ち、発明者らは、前記各要因（底吹きガス種とその使用比率）と窒素規格上限または出鋼目標窒素量を加味した転炉操業を行ない、転炉１次・２次吹錬を通じて、特に２次吹錬時にピックアップする窒素のばらつきを踏まえた重回帰分析を行ない、下記式（１）に示す操業の指針を導き出した。

（Ｇｒ）＝［３８．０−１．６（Ｔｃ）−０．０５（Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}）−（Ｔ_Ｎ）］／０
．０６５ … （１）
ただし、Ｇｒ：１次吹錬で用いる底吹きガスの窒素ガスと非加窒性ガスとの使用比率（
％）
Ｔｃ：１次吹錬後の目標炭素濃度（mass%）
Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}：２次吹錬時の予定Ｔ.ＣａＯ（kg/t）
Ｔ_Ｎ：２次吹錬後の窒素規格上限もしくは出鋼目標窒素（mass ppm）

即ち、上記式（１）は、それぞれの項目の影響度を係数として設定し、転炉１次吹錬時の底吹きガスの好ましい使用条件を決定したものである。それは、予め、転炉２次吹錬後の出鋼条件（目標）を決めれば、その条件に応じて転炉２次吹錬段階で管理すべきＴ．ＣａＯの使用量もまた鋼種（溶製条件）ごとにおのずと決まるため、上記式（１）より、鋼種（溶製条件）ごとに、転炉1次吹錬での底吹きガス使用条件もまた決定できる。

なお、前記式（１）におけるそれぞれ（Ｔｃ、Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}）の影響係数（１.６、０.０５）及び定数（３８.０、０.０６５）は、次のような転炉精錬の下で得られた操業データを重回帰分析した結果から得られたものである。即ち、ここで使用した重回帰式は、［Ｙ＝ａ×Ｘ１＋ｂ×Ｘ２＋ｃ×Ｘ３＋…Ｎ×Ｘｎ］で表わされるものであって、各条件Ｘｎを変数とした場合に、係数Ｎを決定したものである。即ち、転炉２次吹錬後窒素の実績値をＹとし、１次吹錬処理後Ｃ、Ｔ．ＣａＯ、Ａｒガス比率をＸｎとして係数化し、非加窒性ガスの使用比率を算出した。使用したデータ数、は一次吹錬のヒート数で１００ヒートである。また、これらの数値は、各々の１次吹錬に対応する2次吹錬での終点酸素や溶銑配合率, 再吹錬送酸量を通常の操業の範囲（終点酸素実績値：３００〜１０００ppm）とし、２次精錬の（２次吹錬の溶銑配合率：１００％、再吹錬量：０ヒート）としたものである。

なお、前述した説明は、酸素上底吹き転炉を用いた操業例についてのものであるが、溶製方法や炉形状等の条件が異なっても、前記式の関係は一定であり、他の精錬炉においても適用が可能である。

この実施例は、転炉１次吹錬および転炉２次吹錬ともに酸素上吹き転炉を採用した溶製法にて実施した例である。転炉のヒートサイズは３８０トンである。吹錬時間は１５分、底吹ガス流量３Ｎｍ^３/ton/minである。

表１は、この実施例において、転炉１次吹錬段階において用いた底吹きガスの使用比率（Ｇｒ）を前記（１）式に基づき調整した結果を示すものである。また、この実施に当たっては、従来例、発明例、比較例ともに、Ｔｃ、Ｓ_{Ｔ．ＣａＯ}、Ｔ_Ｎは同一とし、式（１）で計算されるＧｒは４９％を基準とした。

なお、実験は、次の３水準；
（１）実績のＧｒが０％、即ち、転炉１次吹錬で底吹ガスとしてＮ_２ガスのみを使用した場合（従来例）、
（２）前述した式（１）を用いて計算されるＧｒ：４９％と比較して実績のＧｒが等しいか大きくなるように（Ｇｒ：４９〜５９％）、１次吹錬でのＡｒガスの使用比率を決定し、１次吹錬の途中にＮ_２ガスからＡｒに切り替えた場合（発明例）、
（３）前述した式（１）を用いて計算されるＧｒと比較して実績のＧｒが小さくかつ０％よりは大きくなるように、１次吹錬でのＡｒガスの使用比率を決定し、１次吹錬の途中にＮ_２ガスからＡｒに切り替えた場合（比較例）、
とした。
各水準の実績Ｇｒと炉裏［Ｎ］の分析値を、表２〜４に示し、それを図１にプロットした。

なお、この実施例において、比較対象としているのは、窒素規格上限が３０
mass ppmの鋼種である。その結果を示す図１によれば、従来例では、５５ヒート中６ヒートで炉裏［Ｎ］が規格上限の３０mass ppmを上回った。また、比較例でも、実績Ｇｒ：１２〜４８（％）の１３ヒート中で４ヒートの炉裏［Ｎ］が規格上限の３０mass ppmを上回った。これに対し、発明例では、２９ヒート中で炉裏［Ｎ］が規格上限の３０mass ppmを上回ったヒートはなかった。

このように、本発明方法を実施した場合には、出鋼目標窒素（窒素規格上限）である３０mass ppm以下の鋼を確実にかつ安定して溶製できていることがわかった。

本発明に係る技術は、単に低窒素鋼の溶製方法に限らず、他の鋼種を溶製しようとする場合にも応用が可能である。

Claims

転炉による脱炭吹錬の前にまず溶銑予備処理を行なってから低窒素鋼製造のための溶製を行なう方法において、溶銑予備処理の段階である転炉１次吹錬に引き続き脱炭吹錬の段階である転炉２次吹錬を行なうに当たり、該転炉２次吹錬後の鋼中窒素規格上限または出鋼目標窒素量に応じて、転炉１次吹錬段階で用いる底吹きガス種とそれの使用比率を調整することを特徴とする低窒素鋼の溶製方法。
前記転炉1次吹錬に当たっては、この吹錬時に用いられる底吹きガスにつき、窒素ガス以外の非加窒性ガスの使用比率（Ｇｒ）を、下記（１）式に基づき決定することを特徴とする、請求項１に記載の低窒素鋼の溶製方法。
記
（Ｇｒ）＝［３８．０−１．６（Ｔｃ）−０．０５（Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}）−（Ｔ_Ｎ）］／０
．０６５ … （１）
ただし、Ｇｒ：１次吹錬で用いる底吹きガスの窒素ガスと非加窒性ガスとの使用比率（
％）
Ｔｃ：１次吹錬後の目標炭素濃度（mass%）
Ｓ_{Ｔ.ＣａＯ}：２次吹錬時の予定Ｔ.ＣａＯ（kg/t）
Ｔ_Ｎ：２次吹錬後の窒素規格上限もしくは出鋼目標窒素（mass ppm）
前記転炉１次吹錬で用いる底吹きガス種は、窒素ガスまたは空気である加窒性ガス、またはアルゴン、ＣＯ_２およびＣＯのうちのいずれか１種以上の非加窒性ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の低窒素鋼の溶製方法。