JP2020066788A - 溶鋼の取鍋精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制すること。【解決手段】２本又は３本の電極がスラグ層に浸漬され、２本のガス吹込み用プラグが取鍋の底部に配置され、溶鋼表面における取鍋内径をＤｓとし、２本又は３本の電極に外接し、かつ、直径が最小となる電極外接円の直径をＤとしたときに、比ＤＳ／Ｄが所定の範囲の値であり、第１ガス吹込み用プラグの中心Ａは、電極外接円上又は内側に位置し、第２ガス吹込み用プラグの中心Ｂは、電極外接円の外側に位置し、取鍋の底面に投影された電極外接円の中心を点Ｏとしたときに、直線ＯＡと直線ＯＢのなす角θは９０度以上１８０度以下であり、取鍋の底面の半径をＲとしたとき、中心Ｂと取鍋の内壁面との距離は０．１Ｒ以上であり、第１ガス吹込み用プラグのガスの流量ＰＡ及び第２ガス吹込み用プラグのガスの流量ＰＢは、所定の条件を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。【選択図】図４

Description

本発明は、溶鋼の取鍋精錬方法に関する。

鉄鋼材料の製造時、転炉で脱炭した溶鋼は、用途に応じて二次精錬される。かかる二次精錬では、製造する製品の規格に応じて、合金添加、昇温、還元、不純物元素の除去が行われる。

上記のような二次精錬の方法の一つに、溶鋼表面上に存在するスラグ層中に通電電極を浸漬させて通電加熱しながら、取鍋底部に設けられたポーラスプラグを通じて溶鋼内に不活性ガスを吹き込んで溶鋼を攪拌する方法がある。このような通電加熱を伴う二次精錬方法では、不活性ガスによる攪拌により、溶鋼とスラグとの間で精錬反応が生じる。

かかる通電加熱を伴う二次精錬方法では、例えば以下の特許文献１に開示されているように、通電加熱によって取鍋の内壁面に設けられた耐火物を溶損しないように注意を払いながら、通電のための電極が配置されている。

ここで、通電加熱を伴う二次精錬方法において、雰囲気中の窒素ガスが溶鋼と接触すると、溶鋼において窒素の吸収反応（以下、「吸窒反応」という。）が生じ、溶鋼中の窒素濃度が上昇してしまう。そのため、従来、吸窒反応を防止するための技術が各種提案されている。

例えば以下の特許文献２には、電極の下部に開口するガス通流道を形成し、かかるガス通流道を介して不活性ガスを吐出することで、溶鋼面上部を不活性ガス雰囲気とする技術が開示されている。

また、以下の特許文献３には、二酸化炭素を取鍋蓋内に供給して、溶鋼と接する気相を二酸化炭素ガス雰囲気とし、溶鋼面上部のガス雰囲気を低窒素濃度とする技術が開示されている。

また、以下の特許文献４には、造滓剤を添加するとともに溶鋼を攪拌して、溶鋼熱により少なくとも造滓剤の一部を溶融させ、次いで電極を溶融造滓剤中に挿入してアーク加熱を行う低窒素化技術が開示されている。

特開２０１０−１７７５６号公報 特開昭６１−２７６６８４号公報 特開平３−１０４８１４号公報 特開平１−２０８４１３号公報

しかしながら、上記特許文献２及び特許文献３に開示されている技術は、溶鋼面上部の雰囲気を低窒素化する技術であり、雰囲気を低窒素化するまでに吸窒が進行する場合がある。また、上記特許文献４に開示されている技術では、造滓剤を溶融させるために要する通電時間が長くなる場合があり、却って吸窒反応が進行してしまう場合がある。

このように、上記特許文献２〜特許文献４に開示されている技術は、より確実な吸窒反応の抑制という観点では、未だ改良の余地がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制することが可能な、溶鋼の取鍋精錬方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行ったところ、吸窒反応は、（ａ）攪拌ガスの気泡が溶鋼表面で破泡する結果生じる溶鋼露出面、（ｂ）未溶融のスラグ塊同士の隙間に存在する溶鋼露出面、（ｃ）溶融スラグの偏在により局所的に被覆されていない溶鋼露出面、という３種類の溶鋼露出面にて進行することを見出した。かかる知見に基づき、溶鋼表面を全体にわたって溶融スラグにより被覆し、かつ、攪拌ガスの気泡が溶鋼表面で破泡しないようにすれば、吸窒反応の発生をより確実に抑制可能であるとの着想を得るに至った。本発明者らは、かかる着想に基づき更なる検討を行った結果、本発明を完成するに至った。
かかる検討結果に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］ 取鍋内の溶鋼の表面にスラグ層を形成し、電極を前記スラグ層に浸漬して通電し、前記取鍋の底部に配置されたガス吹込み用プラグから前記溶鋼にガスを吹き込む溶鋼の取鍋精錬方法において、
前記スラグ層に浸漬される前記電極の数量は、２本又は３本であり、
２本の前記ガス吹込み用プラグが前記取鍋の底部に配置され、
溶鋼表面における取鍋内径をＤｓ［ｍ］とし、前記溶鋼の表面を前記取鍋の上方から見たときに、前記溶鋼表面での前記２本もしくは３本の電極の位置、又は、前記２本もしくは３本の電極の前記溶鋼表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である電極外接円の直径をＤ［ｍ］としたときに、前記電極外接円の直径Ｄに対する前記取鍋内径Ｄ_ｓの比Ｄ_Ｓ／Ｄが下記式（１）を満足し、
前記取鍋の内側底面を前記取鍋の上方から見たときに、
２本の前記ガス吹込み用プラグのうちの第１ガス吹込み用プラグの中心は、前記電極外接円上又は前記電極外接円の内側に位置し、
２本の前記ガス吹込み用プラグのうちの第２ガス吹込み用プラグの中心は、前記電極外接円の外側に位置し、
前記取鍋の内側底面に投影された前記電極外接円の中心を点Ｏとし、前記第１ガス吹込み用プラグの前記取鍋の内側底面における中心を点Ａとし、前記第２ガス吹込み用プラグの前記取鍋の内側底面における中心を点Ｂとしたときに、点Ｏ及び点Ａを通る直線ＯＡと、点Ｏ及び点Ｂを通る直線ＯＢのなす角θは、９０度以上１８０度以下であり、
前記取鍋の内側底面の半径をＲとしたとき、前記第２ガス吹込み用プラグの中心と、前記取鍋の内側底面における内壁面との距離は、０．１Ｒ以上であり、
前記第１ガス吹込み用プラグから前記溶鋼に吹き込まれるガスの流量Ｐ_Ａは、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であり、
前記第２ガス吹込み用プラグから前記溶鋼に吹き込まれるガスの流量Ｐ_Ｂは、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であり、
流量Ｐ_Ｂに対する流量Ｐ_Ａの比Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂは、下記式（２）又は下記式（３）を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。
１．８≦Ｄｓ／Ｄ≦３．５ 式（１）
Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ≦０．６０ 式（２）
１．６７≦Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ 式（３）
［２］ 前記スラグ層の厚みは、１００ｍｍ以上である、［１］に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。

以上説明したように本発明によれば、通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬設備の溶鋼高さＨにおける水平断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図中の各構成要素の比率、寸法は、実際の各構成要素の比率、寸法を表すものではない。

（溶鋼の取鍋精錬方法について）
以下に、本発明の実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、図１〜図１２を参照しながら詳細に説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。図３は、本実施形態に係る取鍋精錬設備の溶鋼高さＨにおける水平断面を模式的に示した断面図である。図４〜図１２は、本実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。

＜取鍋精錬設備について＞
まず、図１及び図２を参照しながら、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法（以下、単に、「取鍋精錬方法」ともいう。）に用いられる取鍋精錬設備について説明する。なお、以下では、便宜的に、図１及び図２に示した座標系を用いて説明を行うものとする。

本実施形態に係る取鍋精錬方法で用いられる取鍋精錬設備１は、図１に模式的に示したように、所定の容量の取鍋１０を少なくとも有している。かかる取鍋１０の大きさ（容量）については、特に限定されるものではなく、公知の各種の取鍋を用いることが可能である。

また、取鍋１０の底部には、ガス吹込み用プラグの一例としてのポーラスプラグ２０が２本設けられている。かかるポーラスプラグ２０は、取鍋１０の内部に保持される溶鋼３０中に所定の不活性ガスを吹き込んで、溶鋼３０を攪拌するためのガス吐出口として用いられる。かかるポーラスプラグ２０については、以下で詳述するようなガス流量を実現することが可能なものであれば、公知の各種のポーラスプラグを使用することが可能である。

なお、本実施形態では、例えば図１に示したように、取鍋１０の形状を模式化して示しているが、取鍋の詳細な構造についても、特に限定されるものではない。例えば、本実施形態に係る取鍋精錬方法に用いられる取鍋は、二次精錬が終了した後の溶鋼を外部に取り出すための溶鋼取出し口を有していてもよいし、その他の構造物が設けられていてもよい。

取鍋１０の内部には、溶鋼３０が保持されており、溶鋼３０の表面（ｚ軸正方向側の表面）には、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯ等を含むスラグ層４０が浮いた状態で存在している。また、スラグ層４０には、取鍋精錬工程で添加される各種のフラックス（造滓剤）が存在していてもよい。かかるスラグ層４０は、フラックス層と呼ばれることもある。

ここで、本実施形態において、図１に模式的に示したように、取鍋１０の底面Ｅの位置を便宜的にｚ軸方向の原点（ｚ＝０）の位置とする。また、溶鋼３０の高さＨは、図１に模式的に示したように、溶鋼３０及びスラグ層４０を取鍋１０の内部に出鋼して静置した後における、溶鋼３０の表面の位置とする。

また、用いる取鍋１０の底面Ｅ（ｚ＝０）の位置における取鍋１０の半径を、Ｒ［ｍ］と表すこととし、溶鋼表面（ｚ＝Ｈ）における取鍋１０の内径を、Ｄｓ［ｍ］と表すこととし、スラグ層４０の厚みを、ｄ［ｍｍ］と表すこととする。

取鍋１０内に保持された溶鋼３０に対して、本実施形態に係る取鍋精錬方法を適用する場合、２本又は３本の電極５０が、スラグ層４０の内部に浸漬される。本実施形態では、３本の電極５０がスラグ層４０の内部に浸漬されている場合を説明するが、電極５０の本数は、２本であってもよい。

本実施形態に係る取鍋精錬方法に用いられる電極は、特に限定されるものではなく、公知の各種の素材を用いた電極を用いることが可能であるが、炭素製の電極（カーボン電極）を用いることが簡便である。また、電極の形状や大きさについても、特に限定されるものではなく、公知の各種の電極を適宜利用することが可能である。

ただし、電極５０のスラグ層４０への浸漬深さは、溶鋼３０に接触しないような深さであることが好ましい。特に電極５０にカーボン電極を用いる場合に、電極５０が溶鋼３０に接触してしまうと、溶鋼３０が有している熱により、カーボン電極が溶解してしまう可能性がある。カーボン電極が溶解すると、溶鋼３０中に溶解した炭素が混入して、溶鋼３０の炭素含有量が変化してしまう可能性がある。また、その他の素材を用いた電極を用いる場合であっても、電極が溶鋼３０に接触してしまうと、電極の溶解が発生する可能性がある。そのため、溶鋼３０に接触しないような深さまで電極を浸漬させることで、溶鋼３０への不純物の混入を防止することが可能となる。

スラグ層４０中に浸漬された電極５０に所定の電力を投入することで、電極５０の先端部と溶鋼３０との間でアークプラズマが発生し、更に、溶鋼３０を介して、発生したアークプラズマ間が通電される。かかるアークプラズマ及び通電によって発生する熱により、スラグが加熱及び溶融され、溶鋼３０とスラグ層４０との間で各種の精錬反応が進行するようになる。

また、上記のような通電とともに、取鍋の底部に設けられたポーラスプラグ２０からアルゴン等の不活性ガスを、以下で詳述するような流量で吐出させることで、図２に示したような、溶鋼３０中に不活性ガスの気泡６０が生じる。気泡６０が上昇する気泡上昇領域６１は、ポーラスプラグ２０からの不活性ガスの流量によって変化する。この気泡６０によって、溶鋼３０中に流れが生じ、例えば、図２の矢印で示したような溶鋼の流動に乗って、溶融したスラグが溶鋼表面を移動する。これにより、溶鋼表面におけるガス気泡の破泡を防止しながら未溶融状態のスラグの溶融を促進することができ、また、溶融したスラグが溶鋼３０の表面の全体を覆うようになる。その結果、取鍋１０内の雰囲気中に存在する窒素ガスと、溶鋼３０と、の接触を遮断することができる。その結果、溶鋼３０における吸窒反応の反応速度を、より確実に低減することができる。

なお、上記のように、電極５０と溶鋼３０との間に発生するアークプラズマを用いて、スラグの加熱及び溶融が実現されることから、電極５０は、電極５０の先端部で発生したアークプラズマが溶鋼３０に到達可能な深さまで、スラグ層４０中に浸漬されることが好ましい。

＜取鍋精錬方法の詳細について＞
次に、図３〜図１２を参照しながら、本実施形態に係る取鍋精錬方法について、詳細に説明する。

本実施形態に係る取鍋精錬方法では、図２及び図３に示したように、取鍋１０内に存在するスラグ層４０に対して、２本又は３本の電極５０が浸漬される。なお、以下では、スラグ層４０に対して、３本の電極５０が浸漬される場合を例に挙げて、説明を行うものとする。

［取鍋内径と電極外接円の直径との比率］
本実施形態に係る取鍋精錬方法では、例えば図３に模式的に示したように、２本又は３本の電極５０の浸漬位置に基づき規定される電極外接円Ｃに着目する。この電極外接円Ｃは、溶鋼３０の表面（ｚ＝Ｈの面）を取鍋１０の上方（ｚ軸方向正方向側）から見たときに、溶鋼３０の表面での２本もしくは３本の電極５０の位置、又は、かかる２本もしくは３本の電極５０の溶鋼３０の表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である。

本実施形態に係る取鍋精錬方法において、溶鋼３０の表面における電極外接円Ｃの中心Ｏは、取鍋の底面Ｅの半径をＲ［ｍ］としたときに、溶鋼３０の表面における取鍋１０の中心位置から０．１×Ｒまでの領域内に位置することが好ましい。通常、電極は、電極と取鍋との位置関係がこの要件を満足するように配置されている。電極外接円Ｃの中心が上記の領域内に位置することで、取鍋１０内に存在するスラグ層４０を、伝熱の偏りが生じることを抑制しながら、より均等に加熱することが可能となる。

また、電極外接円Ｃにおける２本又は３本の電極５０のそれぞれの位置については、特に限定されるものではないが、電極外接円Ｃの中心に対して、なるべく均等に配置されていることが好ましい。

ここで、取鍋中のスラグは、取鍋の内壁面に近づくほど温度が低下して未溶融のスラグが残存しやすくなる。そのため、本発明者らは、先だって言及したような知見に基づき、効率良くスラグを加熱及び溶融させるためには、通電加熱によりスラグの溶融を促進させるとともに、電極からの輻射熱により取鍋壁面を加熱することで、溶鋼表面を全面にわたって加熱することが重要であるとの知見を得るに至った。電極によりスラグが加熱される領域である電極加熱領域にて効率良くスラグを加熱溶融させつつ、電極からの輻射熱を取鍋壁面に伝達させるためには、取鍋の内径と、電極の浸漬位置と、の関係を適切に設定することが重要である。そこで、本発明者らは、電極外接円Ｃの最小直径Ｄと、溶鋼３０の表面（ｚ＝Ｈの位置）における取鍋１０の内径Ｄｓと、が満たすべき関係について、通常用いられる取鍋の内径の範囲内にある様々な内径Ｄｓ（Ｄｓ：２．５〜４．７ｍ）を有する取鍋１０に着目し、溶鋼単位量あたりの電極５０への投入電力及び通電時間を、一般的な取鍋精錬工程を考慮して、それぞれ、０．５〜２．０ｋＷ／ｔ、３〜６０分とした上で、鋭意検討を行った。その結果、取鍋内径Ｄｓに対する電極外接円の直径Ｄの比（Ｄｓ／Ｄ）が、以下の式（１０１）を満足する場合に、電極によりスラグが加熱される領域である電極加熱領域にて効率良くスラグを加熱溶融させつつ、電極からの輻射熱を取鍋壁面に伝達させることが可能となるとの知見を得るに至った。

１．８ ≦ Ｄｓ／Ｄ ≦３．５ ・・・式（１０１）

スラグ層４０に浸漬された電極５０に電力が投入されると、電極外接円Ｃの内側の領域のスラグ及び溶鋼が加熱される。比率（Ｄｓ／Ｄ）が、上記式（１０１）を満足することで、スラグ及び溶鋼が加熱される領域（加熱領域）の大きさが、取鍋１０の内径Ｄｓに対して適切な大きさとなり、スラグが効率良く加熱溶融される。加えて、２本又は３本の電極５０からの輻射熱が、取鍋１０の内壁まで確実に伝播して、取鍋１０の内壁近傍の領域のスラグを加熱して、未溶融のスラグ（スラグ塊）の残存を抑制することが可能となる。その結果、溶鋼とスラグとの間で精錬反応がより一層生じやすくなり、各種精錬反応速度を向上させることが可能となる。

また、後述するポーラスプラグ２０からの不活性ガスの吐出により、例えば図４の矢印で模式的に示したような溶鋼流が生じ、溶融したスラグが、かかる溶鋼流に乗って溶鋼３０の表面を流動する。上記のような比率（Ｄｓ／Ｄ）の適正化に伴うスラグの溶融促進効果と、溶融スラグの流動と、が相乗的に機能し、溶鋼３０の表面は、スラグ層４０によって被覆されるようになる。

ここで、比率（Ｄｓ／Ｄ）が、１．８未満となる場合には、図５に模式的に示したように、溶鋼表面（ｚ＝Ｈの位置）における取鍋１０の内径Ｄｓに対して、電極外接円Ｃ１の直径Ｄが相対的に大きくなりすぎる。その結果、加熱領域の範囲が広くなり、電極５０間でのスラグの加熱に関して温度偏差が顕著となって、図５に模式的に示したように、電極と電極との間の領域のスラグが比較的低温の低温スラグ４２Ａとなり、低温スラグ４２Ａにおいて、未溶融のスラグ（スラグ塊）が発生してしまう。

また、比率（Ｄｓ／Ｄ）が、３．５を超える場合には、図６に模式的に示したように、溶鋼表面（ｚ＝Ｈの位置）における取鍋１０の内径Ｄｓに対して、電極外接円Ｃ２の直径Ｄが相対的に小さくなりすぎる。その結果、加熱領域の範囲が狭くなり、通電加熱により加熱されるスラグの量が減少し、スラグ全体を適切に加熱することができない。また、電極５０と取鍋１０の内壁面との間の距離が大きくなるため、電極５０からの輻射熱が取鍋１０の内壁面まで伝播しにくくなり、取鍋１０の内壁面近傍の温度が低下して、低温スラグ４２Ｂとなり、低温スラグ４２Ｂにおいて、未溶融のスラグ（スラグ塊）が発生してしまう。

なお、スラグが低温となった部分、及び、未溶融のスラグが残存した部分は、溶融状態のスラグと比較して黒色が強いため、目視により、かかる部分が存在しているか否かを、容易に判断することができる。

加熱領域における効率の良いスラグの加熱、及び、取鍋内壁面近傍の領域における未溶融スラグの発生の抑制を、より確実に実現するために、上記比率（Ｄｓ／Ｄ）は、２．０以上であることが好ましく、２．１以上であることがより好ましい。また、電極加熱領域における効率の良いスラグの加熱、及び、取鍋内壁面近傍の領域における未溶融スラグの発生の抑制を、より確実に実現するために、上記比率（Ｄｓ／Ｄ）は、３．２以下であることが好ましく、３．０以下であることがより好ましい。

ここで、溶鋼３０の表面における取鍋１０の内径は、溶鋼３０及びスラグ層４０を取鍋１０の内部に出鋼して静置した後において、取鍋１０の内径を実際に計測することで、特定することができる。また、電極外接円Ｃの直径及び中心は、電極５０の幾何学的な配置状態から特定することが可能である。

［ポーラスプラグ２０の中心の位置］
本実施形態に係る取鍋精錬方法においては、取鍋１０の底部には２本のポーラスプラグ２０が設けられる。本実施形態に係る取鍋精錬方法においては、図７に模式的に示したように、取鍋１０の底面Ｅを取鍋１０の上方から見たときに、取鍋１０の底面Ｅにおける２本のポーラスプラグ２０のうちの第１ポーラスプラグ２０Ａの中心Ａが、電極外接円Ｃ上、又は、電極外接円Ｃの内側に位置することを前提とする。また、本実施形態に係る取鍋精錬方法においては、取鍋１０の底面Ｅにおける２本のポーラスプラグ２０のうちの第２ポーラスプラグ２０Ｂの中心Ｂは、電極外接円Ｃの外側に位置することを前提とする。例えば、電極外接円Ｃの半径（Ｄ／２）に対する、鉛直方向から取鍋１０の底面Ｅに投影された電極外接円の中心Ｏと中心Ａとの距離ＯＡ（ｒ_Ａ）の比をｒ_Ａ／（Ｄ／２）とする。このとき、ｒ_Ａ／（Ｄ／２）が１以下である場合、第１ポーラスプラグの中心Ａは、電極外接円上又は電極外接円の内側に位置していることを意味する。同様に、例えば、電極外接円Ｃの半径（Ｄ／２）に対する、中心Ｏと中心Ｂとの距離ＯＢ（ｒ_Ｂ）の比をｒ_Ｂ／（Ｄ／２）とする。このとき、ｒ_Ｂ／（Ｄ／２）が１超である場合、第２ポーラスプラグ２０Ｂの中心Ｂは、電極外接円Ｃの外側に位置していることを意味する。

上記した第１ポーラスプラグ２０Ａ、及び第２ポーラスプラグ２０Ｂを上記の位置に配置する場合、取鍋１０の底面Ｅを取鍋１０の上方から見たときに、中心Ｏ及び中心Ａを通る直線ＯＡと、中心Ｏ及び中心Ｂを通る直線ＯＢと、のなす角θが、９０度以上１８０度以下となるように、第１ポーラスプラグ２０Ａ及び第２ポーラスプラグ２０Ｂは位置する必要がある。言い換えると、第１ポーラスプラグ２０Ａ及び第２ポーラスプラグ２０Ｂは、取鍋１０の底面Ｅを、中心Ｏをとおり、直線ＯＡに垂直な直線で分割した際に、中心Ａと中心Ｂとが異なる側に存在するように配置される。角θが、９０度以上１８０度以下となるように、第１ポーラスプラグ２０Ａ及び第２ポーラスプラグ２０Ｂが位置することで、スラグの搬送が溶鋼表面の全体におよび、溶鋼表面がスラグによってより一層迅速に被覆される。

直線ＯＡと直線ＯＢのなす角θが９０度未満である場合、溶融スラグの搬送方向に偏りが生じ、図９に模式的に示したように、溶鋼３０が溶融スラグで覆われずに露出した溶鋼露出面が生じる。その結果、この溶鋼露出面にて溶鋼３０と雰囲気中の窒素とが接触してしまう。

また、取鍋１０の底面Ｅの半径をＲとしたとき、第２ポーラスプラグ２０Ｂの中心Ｂと、取鍋１０の底面における内側面との距離Ｄｂは、０．１Ｒ以上となるように、第２ポーラスプラグ２０Ｂは位置する必要がある。距離Ｄｂが０．１Ｒ未満である場合、第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの気泡の浮上挙動が取鍋１０の内壁によって乱れるため、溶鋼３０の流れが乱れる。その結果、図８に模式的に示したように、低温スラグ４２Ｃにおける未溶融のスラグが溶鋼３０の表面を移動する。この未溶融のスラグの移動の際に、例えば、未溶融のスラグの塊にひびが入る等して隙間が生じ、当該隙間に生じる溶鋼露出面にて、溶鋼３０と雰囲気中の窒素とが接触してしまう。

なお、例えば、転炉からの出鋼流を直接受ける湯あたりブロック等の構造物が取鍋の底部に設けられる場合、ポーラスプラグは、当該構造物を避けるように設けられることが好ましい。例えば、取鍋１０の底部の中央近傍には、転炉からの出鋼流を受けるための湯あたりブロックが配置されることがある。そのため、第２ポーラスプラグ２０Ｂを、その中心Ｂが電極外接円Ｃの中心Ｏからの距離がＤ／２×１．０超、Ｄ／２×１．１未満の領域に位置するように配置すると、第２ポーラスプラグ２０Ｂは、湯あたりブロックの位置と重なる場合がある。よって、例えば、第２ポーラスプラグ２０Ｂは、その中心Ｂと、中心Ｏとの距離がＤ／２×１．１以上の位置に配置されることが好ましい。

ここで、図１に示したように、溶鋼３０の表面における第１のポーラスプラグ２０Ａの中心軸Ｃａの位置及び第２のポーラスプラグ２０Ｂの中心軸Ｃｂの位置を定める場合は、取鍋１０の底面におけるポーラスプラグ２０の設置位置及び設置角度と、溶鋼３０の高さＨと、から、幾何学的に特定することが可能である。

［攪拌用ガスの流量］
本実施形態に係る取鍋精錬方法において、ポーラスプラグ２０から吐出される、攪拌用ガスの一例としての不活性ガスの流量Ｐを、溶鋼１トンあたりの毎分のノルマルリットル［ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ］を単位として表記する。この際、第１ポーラスプラグ２０Ａから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ａ、及び第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ｂは、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下である必要がある。また、第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ｂに対する、第１ポーラスプラグ２０Ａから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ａの比である流量比Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂは、以下の式（１０２）又は式（１０３）を満たす必要がある。

Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ≦０．６０・・・式（１０２）
１．６７≦Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ・・・式（１０３）

流量Ｐ_Ａ及び流量Ｐ_Ｂが上記の範囲内となることで、溶鋼３０の表面（ｚ＝Ｈの位置）において、ガス気泡の破泡を生じさせずに、電極外接円Ｃの内側のスラグと電極外接円Ｃの外側のスラグの置換が促進され、電極外接円Ｃの内側で加熱されたスラグが溶鋼表面全体に行き渡り、電極外接円Ｃの外側に存在する比較的低温のスラグが電極外接円Ｃの内部に搬送される。これにより、適切な溶鋼３０の流れを取鍋１０の全体にわたって生じさせることが可能となる。その結果、溶鋼３０の表面の全体を、通電加熱により生じた溶融スラグで被覆することが可能となり、溶鋼３０と雰囲気中の窒素ガスとの接触をより確実に抑制することが可能となる。これにより、溶鋼３０における吸窒反応の発生を、より確実に抑制することができる。

第１ポーラスプラグ２０Ａから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ａ、又は第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ｂが、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ未満である場合には、図１０に模式的に示したように、溶鋼３０内へと吐出される不活性ガスの流量が少なすぎて、溶融スラグを搬送する流動を形成することができず、溶鋼３０の表面に未溶融のスラグが残存する。その結果、溶鋼３０と雰囲気中の窒素ガスとが接触しうる部分が残存して、溶鋼３０の吸窒反応が進行してしまう。流量Ｐ_Ａ及び流量Ｐ_Ｂは、１．０ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上であることが好ましく、１．４ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上であることがより好ましい。

一方、第１ポーラスプラグ２０Ａから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ａ、又は第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ｂが、４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔを超える場合には、図１１に模式的に示したように、気泡上昇領域６１が拡大し、不活性ガスの気泡が溶鋼３０の表面で破泡して、溶鋼３０が雰囲気に露出する．その結果、雰囲気中の窒素ガスが溶鋼３０に巻き込まれてしまう。これにより、溶鋼３０における吸窒反応の発生を抑制することができない。流量Ｐ_Ａ及び流量Ｐ_Ｂは、３．０ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であることが好ましく、２．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であることがより好ましい。

また、流量比Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂが０．６０超１．６７未満である場合、第１ポーラスプラグ２０Ａから吐出される不活性ガスの気泡上昇領域６１Ｇ及び第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの気泡上昇領域６１Ｈが同程度となる。そのため、気泡上昇領域６１Ｇで生じる溶鋼流と、気泡上昇領域６１Ｈで生じる溶鋼流とが拮抗する。そのため、溶鋼３０の表面のスラグの搬送が滞り、電極外接円Ｃの内側の領域に存在するスラグと、電極外接円Ｃの外側の領域に存在するスラグとが互いに置換され難くなる。これにより、図１２に模式的に示したように、電極外接円Ｃの内部で加熱されたスラグは溶鋼３０の表面全体には行き渡りにくくなり、スラグ層４０には、加熱溶融した高温スラグ４１Ｄと、低温スラグ４２Ｄとが存在することになる。その結果、低温スラグ４２において未溶融のスラグ塊が生じ、かかるスラグ塊にひび等が入ることで生じた隙間に溶鋼露出面が生じ、溶鋼３０と雰囲気中の窒素とが接触してしまう。よって、Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂは、０．６０以下、又は１．６７以上である。流量比Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂは、好ましくは、０．５０以下、又は２．００以上であり、より好ましくは、０．４０以下、又は２．５０以上である。

なお、溶鋼３０の高さ（図１における高さＨ）と、溶鋼３０の表面における不活性ガスの気泡６０の大きさ（面積）及び破泡時の衝撃力の大きさとの間には、所定の関係が成立する。すなわち、溶鋼３０の高さＨが高くなるほど、溶鋼３０の表面における不活性ガスの気泡６０の大きさは大きくなるが、破泡時の衝撃力は相対的に小さくなり、溶鋼３０の高さＨが低くなるほど、溶鋼３０の表面における不活性ガスの気泡６０の大きさは小さくなるが、破泡時の衝撃力は相対的に大きくなる。しかしながら、第１ポーラスプラグ２０Ａから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ａ、又は第２ポーラスプラグ２０Ｂから吐出される不活性ガスの流量Ｐ_Ｂを０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下の範囲内とすることで、一般的な操業における溶鋼３０の高さＨにおいて、溶鋼３０が雰囲気と接触するほどの破泡を生じさせることなく、適切な溶鋼３０の流れを生じさせることができる。

ここで、不活性ガスの流量は、ポーラスプラグ２０に対して不活性ガスを供給する配管に設置されたバルブ等といった各種の弁体の開閉等を制御することで、所望の値に制御することが可能である。

また、不活性ガスの吹き込み時間（溶鋼３０の攪拌時間と捉えることもできる。）は、特に限定するものではないが、例えば、２分以上６０分以下とすることが好ましい。不活性ガスの吹き込み時間を上記の範囲内とすることで、溶鋼３０の表面全体を、溶融スラグによってより確実に被覆することが可能となる。

［スラグ層４０の厚み］
本実施形態に係る取鍋精錬方法において、図１に模式的に示したスラグ層４０の厚みｄは、１００ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、スラグ層４０の厚みｄは、溶鋼３０及びスラグ層４０を取鍋１０の内部に出鋼して静置した後、必要に応じてフラックスを添加した後、通電及び不活性ガスの吹き込み前におけるスラグ層４０の厚みとする。

スラグ層４０の厚みｄを１００ｍｍ以上とすることで、溶鋼３０の雰囲気への露出をより確実に抑制することができ、溶鋼３０における吸窒反応をより確実に防止することができる。スラグ層４０の厚みｄの上限値については、特に規定するものではない。ただし、スラグフォーミングの抑制等といった操業の容易さの確保という観点から、スラグ層４０の厚みｄは、２５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法によれば、電極の近傍で加熱されて溶融したスラグは、再凝固が抑制されるとともに、底吹き攪拌による溶鋼表面流動によって、溶鋼表面の全面を被覆し、溶鋼と蓋内に混入した大気中の窒素ガスとの反応を遮断する。これにより、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法では、吸窒反応の速度を低減することができ、通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制することが可能となる。

以上、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、詳細に説明した。

以下では、本発明例及び比較例を示しながら、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す本発明例は、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法のあくまでも一例にすぎず、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法が下記に示す例に限定されるものではない。

まず、転炉で脱炭処理を行った８０〜９０ｔの溶鋼を、取鍋内に出鋼した。このとき、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯなどからなる転炉スラグが、約５００ｋｇ流出した。出鋼中に、脱酸元素であるＡｌ等の合金と、ＣａＯを主体とする造滓剤（フラックス）とを、スラグ厚みｄが５０〜２５０ｍｍになるように添加した。なお、溶鋼表面の位置における取鍋内径（Ｄ_Ｓ）は、２．８ｍであった。

続いて、取鍋を通電加熱処理を行う処理位置に移送した。通電加熱開始時における溶鋼中のＡｌ濃度は、０．０３〜０．１０質量％であり、Ｓ濃度は、０．００２０〜０．００５０質量％であり、Ｎ濃度は、０．００２０〜０．００２４質量％であった。

取鍋を通電加熱処理を行う処理位置へと移送した後、取鍋に容器蓋を取り付け、直径が３２０ｍｍである通電用の電極３本を、溶鋼表面上のスラグ層中に下降させた。３本の電極、第１ポーラスプラグ及び第２ポーラスプラグは、表１に示した条件で配置した。表１には、電極外接円の半径（Ｄ／２）に対する、取鍋の底面に投影された電極外接円の中心Ｏと、取鍋の底面における第１ポーラスプラグの中心Ａとの距離ＯＡ（ｒ_Ａ）の比ｒ_Ａ／（Ｄ／２）を示した。ｒ_Ａ／（Ｄ／２）が１以下である場合、第１ポーラスプラグの水平断面における中心は、電極外接円上又は電極外接円の内側に位置していることを意味する。また、表１に、取鍋の内側底面の半径Ｒに対する、中心Ｏと、取鍋の底面における第２ポーラスプラグの中心Ｂとの距離（ｒ_Ｂ）の比ｒ_Ｂ／Ｒ、及び、電極外接円の半径（Ｄ／２）に対する、距離ＯＢ（ｒ_Ｂ）の比ｒ_Ｂ／（Ｄ／２）を示した。ｒ_Ｂ／Ｒが、０．９以下である場合、第２ポーラスプラグの中心Ｂと、前記取鍋の内側底面における内側面との距離は、０．１Ｒ以上であることを意味する。また、ｒ_Ｂ／（Ｄ／２）が１超である場合、第２ポーラスプラグの水平断面における中心は、電極外接円の外側に位置していることを意味する。

また、表１に示した条件で、取鍋底部の第１ポーラスプラグ及び第２ポーラスプラグから不活性ガス（Ａｒ）を導入して攪拌しながら、通電による加熱処理を開始した。ここで、溶鋼の高さ（浴深）Ｈは、約２．０ｍであった。ここで、かかる加熱処理に際して、溶鋼単位量あたりの投入電力は、１．０〜１．１ｋＷ／ｔとし、通電時間及びガス攪拌時間は、５分間とした。また、比較として、別途、通電を行わなかった場合についても実施した。なお、取鍋底部での取鍋の半径をＲ［ｍ］が１．２とし、溶鋼３０の表面における電極外接円Ｃの中心は、溶鋼３０の表面における取鍋１０の中心位置から０〜０．１×Ｒ［ｍ］の領域内に配置した。

通電前後でサンプル採取を行い、通電攪拌後のＮ濃度を評価した。かかる評価では、以下に示す試験Ｎｏ．１８の通電前後での窒素濃度（質量％）の増分（吸窒量）を１．０とし、その他の条件を指数化した。指数の評価基準は、以下の通りである。
Ａ：指数０．７２未満
Ｂ：指数０．７２以上０．９４未満（評価がＡのものよりＮ濃度は高いが実用可能）
Ｃ：指数０．９４以上

得られた結果を、以下の表１に示した。なお、表中の下線を引いたパラメータは、本発明の範囲から外れていることを示している。

表１に示したように、試験条件が本発明の範囲内である試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の吸窒量評価は、「Ｂ」であった。特に、スラグ層の厚みｄが１００ｍｍ以上である試験Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１６の吸窒量評価は「Ａ」であり、試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の場合よりも吸窒量は低くなった。また、Ｄ_Ｓ／Ｄが好ましい範囲内にある、試験Ｎｏ．１１及び試験Ｎｏ．１２について、スラグ厚みは５０ｍｍであったが、吸窒量評価は「Ａ」であった。

一方、試験条件が本発明の範囲から外れた試験Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２７の吸窒量評価は、「Ｃ」であった。以下は、試験Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２７のそれぞれの条件において、吸窒量が高かった理由である。

試験Ｎｏ．１７の比較例は、Ｄ_Ｓ／Ｄが小さく、通電加熱される領域が大きいため、図５に模式的に示したように、電極間でのスラグ加熱に温度偏差が顕著となり、スラグに未溶融部が発生して、スラグ塊が残存した。

試験Ｎｏ．１８の比較例は、Ｄ_Ｓ／Ｄが大きく、通電加熱される領域が小さいため、通電加熱される領域に存在するスラグの割合が減少し、加熱されるスラグ量が減少してしまい、図６に模式的に示したように、取鍋壁面近傍まで溶融スラグが行き渡らなかった。

試験Ｎｏ．１９の比較例は、第２ポーラスプラグが取鍋壁面近傍に配置されたため、不活性ガスの気泡が溶鋼内を浮上する際、気泡が取鍋壁面と接触して、気泡の浮上挙動が不安定になったために、溶鋼の流れも不安定になった結果、図８に模式的に示したように、取鍋壁面にて冷却された未溶融スラグを搬送してしまった。

試験Ｎｏ．２０の比較例は、電極外接円Ｃの中心Ｏ及び中心Ａを通る直線ＯＡと、中心Ｏ及び中心Ｂを通る直線ＯＢと、のなす角θが小さくなるように第１ポーラスプラグ及び第２ポーラスプラグが設置された例である。第１ポーラスプラグと第２ポーラスプラグとが取鍋の同じ側（言い換えると、第１ポーラスプラグ及び第２ポーラスプラグは、取鍋の底面を、中心Ｏをとおり、直線ＯＡに垂直な直線で分割した際に、中心Ａと中心Ｂとが同じ側に存在するように）設置されたため、溶融スラグの搬送方向に偏りが生じ、５分の処理時間では、図９に模式的に示したように、溶融スラグに被覆されない領域が残存した。

試験Ｎｏ．２１の比較例及び試験Ｎｏ．２３の比較例は、第１ポーラスプラグからの不活性ガスの流量又は第２ポーラスプラグからの不活性ガスの流量が過度に小さかったため、溶融スラグを搬送する流動を形成できず、溶鋼面上に存在するスラグ全体を溶融できなかった。

試験Ｎｏ．２２の比較例及び試験Ｎｏ．２４の比較例は、第１ポーラスプラグからの不活性ガスの流量又は第２ポーラスプラグからの不活性ガスの流量が過度に大きかったため、図１１に模式的に示したように、攪拌ガス気泡が溶鋼表面で破泡して窒素が溶鋼に巻き込まれ、吸窒反応が抑制できなかった。

試験Ｎｏ．２５の比較例は、第１ポーラスプラグからの不活性ガスの流量及び第２ポーラスプラグからの不活性ガスの流量が同程度であったため、双方からのガス吹込みによる溶鋼流が拮抗し、溶鋼表面のスラグの搬送が滞る傾向が見られ、電極外接円の内部と外部のスラグの置換が推進されず、加熱された外接円内部のスラグが溶鋼表面全体に行きわたらなかった。

試験Ｎｏ．２６の比較例及び試験Ｎｏ．２７の比較例は、通電加熱しなかったことで、スラグの溶融が進まず、スラグ塊が残存した。

なお、上記実施例は、取鍋内径Ｄｓが２．８ｍとなる取鍋を用いて検討した結果である。この知見に基づけば、取鍋内径Ｄｓが２．５〜３．０ｍとなる取鍋を用いる場合であっても、本実施例と同様の傾向が得られるものと考えられる。

また、取鍋内径Ｄｓが４．７ｍ（取鍋内径の拡大に伴い、溶鋼量は３５０トンに増加させて検討した。）においても、本実施例と同様の傾向が得られた。そのため、本発明は、少なくとも、取鍋内径Ｄｓが２．５〜４．７ｍの範囲では効果が得られるものと考えられる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 取鍋精錬装置
１０ 取鍋
２０、２０Ａ、２０Ｂ ポーラスプラグ
３０ 溶鋼
４０ スラグ層
５０ 電極
４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ 高温スラグ
４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ 低温スラグ
６０ 気泡
６１、６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｄ、６１Ｅ、６１Ｆ 気泡上昇領域
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ 電極外接円

Claims (2)

1. 取鍋内の溶鋼の表面にスラグ層を形成し、電極を前記スラグ層に浸漬して通電し、前記取鍋の底部に配置されたガス吹込み用プラグから前記溶鋼にガスを吹き込む溶鋼の取鍋精錬方法において、
   前記スラグ層に浸漬される前記電極の数量は、２本又は３本であり、
   ２本の前記ガス吹込み用プラグが前記取鍋の底部に配置され、
   溶鋼表面における取鍋内径をＤｓ［ｍ］とし、前記溶鋼の表面を前記取鍋の上方から見たときに、前記溶鋼表面での前記２本もしくは３本の電極の位置、又は、前記２本もしくは３本の電極の前記溶鋼表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である電極外接円の直径をＤ［ｍ］としたときに、前記電極外接円の直径Ｄに対する前記取鍋内径Ｄ_ｓの比Ｄ_Ｓ／Ｄが下記式（１）を満足し、
   前記取鍋の内側底面を前記取鍋の上方から見たときに、
   ２本の前記ガス吹込み用プラグのうちの第１ガス吹込み用プラグの中心は、前記電極外接円上又は前記電極外接円の内側に位置し、
   ２本の前記ガス吹込み用プラグのうちの第２ガス吹込み用プラグの中心は、前記電極外接円の外側に位置し、
   前記取鍋の内側底面に投影された前記電極外接円の中心を点Ｏとし、前記第１ガス吹込み用プラグの前記取鍋の内側底面における中心を点Ａとし、前記第２ガス吹込み用プラグの前記取鍋の内側底面における中心を点Ｂとしたときに、点Ｏ及び点Ａを通る直線ＯＡと、点Ｏ及び点Ｂを通る直線ＯＢのなす角θは、９０度以上１８０度以下であり、
   前記取鍋の内側底面の半径をＲとしたとき、前記第２ガス吹込み用プラグの中心と、前記取鍋の内側底面における内壁面との距離は、０．１Ｒ以上であり、
   前記第１ガス吹込み用プラグから前記溶鋼に吹き込まれるガスの流量Ｐ_Ａは、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であり、
   前記第２ガス吹込み用プラグから前記溶鋼に吹き込まれるガスの流量Ｐ_Ｂは、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であり、
   流量Ｐ_Ｂに対する流量Ｐ_Ａの比Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂは、下記式（２）又は下記式（３）を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。
   １．８≦Ｄｓ／Ｄ≦３．５ 式（１）
   Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ≦０．６０ 式（２）
   １．６７≦Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｂ 式（３）
2. 前記スラグ層の厚みは、１００ｍｍ以上である、請求項１に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。

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