JP2020111773A - 高Al含有鋼の溶製方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】Al含有量が高い、高Al含有鋼を溶製するに際し、鋼中窒素含有量の低い高Al含有鋼の溶製方法を提供する。【解決手段】質量%で0.05%以上のAl、0.5%以上のSiを含有する鋼を、減圧手段を用いずに溶製するにあたり、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行い、処理開始時の前記フラックスの配合は質量%で、20%≦CaO≦45%、40%≦SiO2≦70%、0≦Al2O3≦20%、0≦MgO≦20%、その他の酸化物と弗化物成分が合計10%未満であることを特徴とする高Al含有鋼の溶製方法。【選択図】なし

Description

本発明は、高Al含有鋼の溶製方法に関するものであり、特に、鋼中窒素含有量の低い高Al含有鋼の溶製方法に関するものである。
鋼品質の高品質化に伴い、鋼中の窒素(N)濃度の低減が求められている。
アーク炉や高周波誘導溶解炉を用いて鋼を溶製する場合には、原料中のスクラップに窒素を多く含有しており、これが鋼中の窒素源となる。特に、高周波誘導溶解炉によって鋼を溶製する方法においては、雰囲気の減圧手段や不活性ガスの吹込み手段を持たないため、大気中の主成分N2が溶鋼と接触してガス成分/溶鋼間の吸窒反応(いわゆる窒素ピックアップ)が起きやすい。窒素ピックアップを防止することを目的に、湯面への不活性ガス(Ar)フローや湯面上にフラックスを形成させる手法がとられる。この場合、断気効果によって大気/溶鋼間の接触機会が著しく減じるため窒素ピックアップを抑制することができる。しかしながら、減圧手段を用いないため窒素ピックアップを完全になくすことはできない。
転炉精錬によって鋼を溶製する場合、転炉内においては吹き止め段階で低窒素溶鋼が溶製されるものの、転炉から取鍋に溶鋼を出鋼するに際して大気との接触で窒素ピックアップが起こり、取鍋内溶鋼中の窒素濃度が上昇する。
特許文献1においては、転炉で精錬した溶鋼の出鋼に際して、Si脱酸を行うとともに、CaO−SiO2系フラックスを添加して取鍋に受鋼し、低Al鋼を製造する方法が開示されている。出鋼時にCaO−SiO2系フラックスを添加することにより、添加されたフラックスは、出鋼中の溶鋼表面を溶融状態で被覆し、これによって出鋼中の吸窒を防止できるとしている。
非特許文献1〜3においては、溶鋼からの効率的な脱窒素のため、ガス−スラグ−メタル各相間の窒素の移動挙動について考察している。効率的な脱窒素を実現するため、ガス相の酸素分圧を高く、またスラグ−メタル界面での酸素ポテンシャルを低く保つことが重要であり、そのため、溶鋼中の酸素ポテンシャルを低下させ、溶鋼中窒素を還元してスラグへ移行できる元素を添加することが有効であるとしている。そして、溶鋼表面にCaO−Al23系スラグを形成し、還元剤としてAlを添加して所要時間経過後の溶鋼中窒素濃度の挙動を調査したところ、添加したAlの濃度の増加に対応して窒素濃度の減少が見られている。
非特許文献4では、溶融ケイ酸塩スラグ(CaO−SiO2、CaO−MgO−SiO2、BaO−MgO−SiO2各系)の窒素溶解挙動について、気相中の窒素分圧、酸素分圧との関係として測定している。そして、CaO−SiO2系スラグを用いた場合、SiO2濃度が高くなるほど、あるいは気相中の窒素分圧が高くなるほど、スラグ中の%N3−が増大することを明らかにしている。ただし、溶鋼とスラグ間の窒素の挙動については何ら示されていない。
特開平4−110413号公報
CAMP-ISIJ Vol.13(2000)-966 H.ONO-NAKAZATO et.al. ISIJ International, Vol.40(2000), Supplement, pp.S106-S109 H.ONO-NAKAZATO et.al. ISIJ International, Vol.42(2002), No.1, pp.109-111 E.MARTINEZ et.al. Metallurgical Transactions B Vol.21B, February 1990 pp.97103
本発明は、Al含有量が高い、高Al含有鋼を溶製するに際し、鋼中窒素含有量の低い高Al含有鋼の溶製方法を提供することを目的とする。
本発明は、窒素吸収能の高いスラグ相(CaO−SiO2系フラックス)を高Al含有溶鋼と気相(≒大気)の間に介在させて、酸素ポテンシャルとして、気相/スラグ相界面≧スラグ相>スラグ相/溶鋼界面の状態として、溶鋼からスラグ相に窒素を移動させ、溶鋼を脱窒する。その際、溶鋼中の溶存Alが酸化によりAl23としてスラグへ移行するとともに、スラグ相中のSiO2が還元により溶鋼中に溶存Siとして溶鋼中に移行するため、溶鋼成分のAl量が減少しSi量が増加する。この酸化還元による成分変化を予め反応速度から考慮して、Si量とAl量を決定する。
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
[1]質量%で0.05%以上のAl、0.5%以上のSiを含有する鋼を、減圧手段を用いずに精錬炉で溶製するにあたり、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行い、処理開始時の前記フラックスの配合は質量%で、
20%≦CaO≦45%、
40%≦SiO2≦70%、
0≦Al23≦20%、
0≦MgO≦20%、
その他の酸化物と弗化物成分が合計10%未満であることを特徴とする高Al含有鋼の溶製方法。
[2]狙い組成に対してSi量が低く、Al量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することを特徴とする[1]に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
[3]溶製時のSi濃度増加とAl濃度減少を組成変化速度式から予測することを特徴とする[2]に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
[4]処理開始時のフラックス中のCaO/SiO2が質量比で、
0.4≦CaO/SiO2<0.7
であることを特徴とする[1]から[3]までのいずれか1つに記載の高Al含有鋼の溶製方法。
[5]鋼原料が溶解する前にフラックスを添加しておくことを特徴とする[1]から[4]までのいずれか1つに記載の高Al含有鋼の溶製方法。
[6]前記フラックスの添加量を、溶鋼1tonあたり1kg以上30kg以下とすることを特徴とする[1]から[5]までのいずれか1つに記載の高Al含有鋼の溶製方法。
本発明は、質量%で0.05%以上のAlおよび0.5%以上のSiを含有する高Al含有鋼を、減圧手段を用いずに溶製するにあたり、処理開始時に所定の配合成分を有するフラックスを精錬炉中に添加して処理を行うことにより、脱窒素または吸窒素防止の効果を得ることができ、鋼中窒素含有量の低い高Al含有鋼の溶製方法を提供することができる。
前述のように、非特許文献1〜3によると、溶鋼表面にCaO−Al23系スラグを形成し、還元剤としてAlを添加すると、所要時間経過後において、添加したAlの濃度に対応して溶鋼中の窒素濃度の減少が見られている。そこで、高周波誘導溶解炉によって鋼を溶製するに際し、溶鋼表面にCaO−Al23系スラグを形成し、還元剤としてAlを添加したところ、溶鋼中窒素濃度の減少を観察することができなかった。
一方、非特許文献4によると、溶融ケイ酸塩スラグと気相中窒素分との相互作用において、SiO2濃度が高くなるほど、あるいは気相中の窒素分圧が高くなるほど、スラグ中の%N3−が増大することを明らかにしている。ただし、あくまでスラグ中の窒素溶解度(ナイトライドキャパシティー)が評価されているのであって、ガス−スラグ−メタル各相間で、溶鋼から気相への窒素の移動挙動が評価されているわけではない。
そこで、大気雰囲気中において、溶鋼表面に形成するスラグを、非特許文献1〜3のCaO−Al23系から、酸素ポテンシャルの高いCaO−SiO2系に変更し、さらに溶鋼中に高い濃度でAlを含有させ、窒素の還元剤とするとともに溶鋼側の酸素ポテンシャルを低下させて、スラグ相>スラグ相/溶鋼界面の酸素ポテンシャル差を生じさせることで、溶鋼からスラグへと窒素がより効率的に移動できるのではないかと着想した。
《溶鋼中のAlとSiの濃度変化の挙動》
CaO−SiO2系フラックスは酸素ポテンシャルが高いため、溶鋼中のAlが還元剤として働き、フラックス中のSiO2が還元されて溶鋼中に溶存Siとして溶け込むと同時に、溶鋼中の溶存Alが酸化して溶融フラックス中にAl23として移行する。その結果、溶鋼のSi濃度は増加しAl濃度は低下する。
そこでまず、高周波誘導溶解炉に溶鋼と溶融スラグを形成し、溶鋼表面に形成するスラグをCaO−SiO2系とし、溶鋼中にAlを高濃度で含有させた上で所定時間保持したときに、鋼中のAlが酸化され、スラグ中のSiO2が還元される反応がどのような比率で進行するのかを実験によって確かめるため、CaO−SiO2系フラックス共存時のSi,Alの濃度変化を調査することとした。
初期濃度0.01%C−3.0%Si−0.3%Mn−0.5%Alの1tonの溶鋼について、後記表3に示すF7と同組成のフラックス15kgと共存した状態で高周波誘導加熱により1600℃で30分間保持した。溶鋼試料は、保持の前後で各々採取しSi量およびAl量を分析した。
濃度変化を表1中の△Si, △Al(質量%)で示す。
△Si=(30min後のSi濃度)−(初期Si濃度)
△Al=(30min後のAl濃度)−(初期Al濃度)
Figure 2020111773
このような溶鋼組成の変化は、溶鋼とスラグ(溶融フラックス)及び大気の間での酸化還元反応によるものであり、以下の化学式で表される。[]は溶鋼成分、()はスラグ成分を意味する。
(SiO2)=[Si]+2[O] ・・・(1)
2[Al]+3[O]=(Al23) ・・・(2)
2(gas)=2[O] ・・・(3)
式(1)はスラグ中SiO2が還元され溶存Siとして溶鋼中Siが増加する反応を示す。式(2)は溶鋼中Alが酸化されAl23としてスラグに吸収される反応を示す。また、式(3)は雰囲気から混入した酸素ガスがスラグまたは溶鋼に吸収される反応を示し、式(3)右辺のOは、式(2)左辺のOの一部として消費される。表1に示すΔSiとΔAlのバランスからは、上記式(1)による[O]の供給と式(3)による[O]の供給の合計により、式(2)の反応が進行していることがわかる。
《溶鋼中Siの増加速度とAlの減少速度》
一方、上記の実験結果からSi,Alの組成変化は、溶鋼/スラグ間の界面反応として以下の一次反応速度式で記述される。
−d[Si]/dt=(A/V)KSi([Si]−[Si]e) ・・・(4)
−d[Al]/dt=(A/V)KAl([Al]−[Al]e) ・・・(5)
ここでAは溶鋼/スラグ間の界面積(m2)、Vは溶鋼体積(m3)、KSiおよびKAlは組成変化の速度係数、[Si]eおよび[Al]eは溶鋼中の平衡濃度である。
ここで、[Si]<<[Si]e、[Al]>>[Al]eより簡便に以下の式で表す。
−d[Si]/dt≒K'Si [Si] ・・・(6)
−d[Al]/dt≒K'Al [Al] ・・・(7)
実験結果から、式(6),(7)の見かけの速度係数K'Si、K'Alを求めれば、経過時間ごとにSi,Alの組成変化を記述できる。
表1の実験結果からは、K'Si=1.0×10−3min−1およびK'Al=1.0×10−2min−1が得られた。なお、K'Si、K'Alは、溶解炉容積、溶鋼湯面の面積(溶鋼/スラグ界面積)、フラックスの組成・量等により変化するが、溶鋼量10kg〜10tonの溶解炉において溶鋼1tonあたり1kg以上30kg以下のフラックスを用いる場合、見かけの速度係数K'Si、K'Alは次の範囲にある。
K'Si:5×10−5〜5×10−3(min−1
K'Al:3×10−4〜5×10−2(min−1
《フラックス組成の影響》
以上の結果から、高周波誘導溶解炉を用い、溶鋼表面にCaO−SiO2系スラグを形成し、溶鋼中にAlを高濃度で含有させた上で所定時間保持したときに、溶鋼中Al濃度の減少とSi濃度の増加の挙動が明らかとなったので、次に、溶融フラックスを雰囲気ガス/溶鋼間の反応を遮断するシールに用い、溶鋼の吸窒素の防止効果を実験で調査した。高周波誘導溶解炉を用い、高Al含有溶鋼の表面に種々の成分組成のスラグを形成し、所定時間保持したときに、溶鋼中の窒素がどのように挙動するかの評価を行った。
高周波誘導溶解炉を用い、表2の組成を目標成分とする1tonの鋼を溶解するに際し、表3の組成からなるフラックス15kgを添加し、1600℃で1時間保持した。溶鋼の目標Al含有量は0.5%であり、前述の実験結果により、フラックスと共存して所定時間保持したときの鋼中Al減少量が把握できているので、保持中のAl減少量を考慮して、処理後のAl含有量が0.5%となるよう、処理開始時の鋼中Al含有量を定めている。1時間保持した後、溶鋼試料を採取し組成を調査した。誘導炉で加熱溶解中は炉の上方からArガスを流量10NL/minで流した。なお、表中のF14ではフラックスを用いなかった。
フラックス添加前、添加後の溶鋼試料を採取し窒素濃度を調査した。フラックス添加前の溶鋼中の窒素量は、35〜60ppmであり、各フラックス使用時の濃度変化を表3中の△N(質量ppm)で示す。
△N=(60min後の窒素濃度)−(フラックス添加前の窒素濃度)
Figure 2020111773
Figure 2020111773
フラックスを用いなかったF14では窒素量が55ppm増加した。
F4、F5、F9、F10、F11、F12、F13では、F14に比べて窒素増加が軽減されたが、脱窒には至らなかった。この内F4、F5、F9、F10は窒素増加量が14ppm以下となり、F14に比べて1/3未満の窒素吸収抑制効果が認められる。
F1、F2、F3、F6、F7、F8では窒素が低下し、溶鋼脱窒作用が確認された。
本検討においては、F14をベースとして、窒素ピックアップの低減量が40ppm以上であるF1〜F10が良好であり、いずれも窒素含有量50ppm未満にまで低窒素化することができた。
以上の実験の結果、溶鋼とスラグを共存させ、高周波誘導溶解炉で所定時間の保持を行うことにより、溶鋼の吸窒防止、さらには溶鋼の脱窒が進行すること、スラグ組成によって吸窒、脱窒の挙動が影響を受けることが判明した。そして、フラックス組成を以下の組成とすることにより、溶鋼の低窒素化が有効に得られることが確認された。ここで、フラックスとは、所定の成分を含有する酸化物を主成分とする添加剤を意味し、溶鋼表面に添加したフラックスが溶融した状態をスラグと称している。
処理開始時のフラックスの配合は質量%で
20%≦CaO≦45%、
40%≦SiO2≦70%、
0≦Al23≦20%
0≦MgO≦20%
その他の酸化物または弗化物成分の合計10%未満である。なお、前記表3において、上記フラックス組成範囲から外れる数値に下線を付している。
処理開始時のフラックスの主成分はCaO−SiO2系(CaO+SiO2:60〜100%)である。この成分系のフラックス組成であれば、溶鋼と平衡させたときの鋼中平衡酸素[%O]=40〜110ppm程度となり、Al23が最大20%入っても影響は小さい。また、Al23あるいはMgOが単独で最大20%入ってもフラックスの融点が1500℃以下であり、溶鋼上での溶融性も問題ない。
CaOが20%未満であると融点が高くなり溶鋼湯面のシール効果が損なわれる。CaOが45%を越えると窒素吸収能が低下する。そこで、フラックスのCaO配合を上記範囲とした。溶鋼脱窒作用を高めるより好ましい範囲は25%≦CaO≦40%である。
SiO2が40%未満では窒素吸収能が低下する。SiO2が70%を越えると融点が高くなり溶鋼湯面のシール効果が損なわれる。そこで、フラックスのSiO2配合を上記範囲とした。溶鋼脱窒作用を高めるより好ましい範囲は45%≦SiO2≦65%である。
Al23が20%を越えるとフラックスの塩基度を高め酸素ポテンシャルを低下させ溶鋼脱窒作用が損なわれる。そこで、フラックスのAl23配合を上記範囲とした。Al23は初期フラックス成分として添加しなくともよいが、溶解中には溶鋼中Alの一部が酸化しAl23として溶融フラックスに吸収され不可避に増加する。
MgOはフラックスの融点を低下させ溶鋼湯面のシール効果を高める。MgOが20%を越えると融点低下の効果は飽和し、固相MgOを形成する。MgOは含有しなくても良い。そこで、フラックスのMgO配合を上記範囲とした。
その他成分の酸化物または弗化物成分(BaO,Na2O,CaF2等)はフラックスの融点を低下させ溶鋼湯面のシール効果を高める。その他成分の合計が10%以上とすると、フラックスの溶鋼脱窒作用が低減する。そこで、フラックスのその他成分の酸化物または弗化物成分配合を上記範囲とした。なお、その他成分の酸化物または弗化物成分は含有しなくても良い。
前記表3に示す結果から、フラックスの塩基度の指標となるCaOとSiO2の配合比CaO/SiO2について、以下に示す範囲が好適範囲であることがわかった。
0.4≦CaO/SiO2<0.7
CaO/SiO2が0.4未満または0.7以上では溶鋼脱窒作用が低減する。
《溶鋼成分の影響》
本発明においては、高Al含有溶鋼とCaO−SiO2系スラグを形成し、溶鋼中のAlが酸化してスラグ中のSiO2が還元することにより、溶鋼の窒素低減が実現する。溶製する溶鋼については目標成分が定められ、Al含有量も品種ごとに目標含有量が定められる。ここでは、目標Al含有量によって本発明の低窒素化挙動がどのような影響を受けるのかについて評価を行った。
高周波誘導溶解炉を用い、表4の組成を狙いとして1tonの鋼を溶解し、前記表3中のF7の組成からなるフラックス15kgを添加し、1600℃で1時間保持した後、溶鋼試料を採取し組成を調査した。誘導炉で加熱溶解中は炉の上方からArガスを流量10NL/minで流した。
フラックス添加前、添加後の溶鋼試料を採取し窒素濃度を調査した。フラックス添加前の溶鋼中の窒素量は、35〜60ppmである。Si、Al濃度およびN濃度変化△Nの結果を同じ表4に示す。
Figure 2020111773
S1〜S9では窒素が低下し溶鋼脱窒作用が確認されるとともに、Si、Alいずれも狙い組成の溶製が達成された。S1は狙いAl量が0.05%と比較的低位であったが、溶製中のAl濃度低下に応じて高い初期Al含有量とすることで狙いAl量に調整できた。
S10は狙いAl量が0.03%と低く、溶製中のAl量低下が生じてしまい、脱窒作用も低減し窒素ピックアップを18ppmに抑制するに留まった。
S11は溶製中の脱窒作用が認められたものの、溶製中のSi量増加が生じたため、狙いSi量の0.3%に対し、Siが過剰となった。
Siが0.5%未満であるとフラックスと溶鋼間の反応による溶鋼中Siの増加に対応できず成分外れとなるおそれがある(特に上限は設けない)。
狙いとするAlが0.05%未満であるとフラックスの脱窒作用が著しく損なわれる。Alが0.05%未満であると溶鋼中の酸素ポテンシャルが上昇し、溶融フラックス(スラグ)/メタル界面の酸素ポテンシャル差が小さくなり、溶鋼中のAl酸化とフラックス中のSiO2還元が十分に起こらず、フラックスによる窒素吸収が進行しないためである。更に、CaO−SiO2系フラックスと共存させると溶鋼中のAl濃度が低下していくが、0.05%未満の低Al濃度領域では、Al濃度の低下代が目標Al濃度に対して相対的に大きいので、目標Al濃度に対して許容される範囲内に維持するのが難しい。
以上の結果から、本発明において、製造する溶鋼の目標とするAl含有量を0.05質量%以上、Si含有量を0.5質量%以上に限定することとした。なお、AlとSi含有量の上限は特に設けないが、Al:5質量%、Si:7質量%までであれば本発明を好適に用いて、N:50質量ppm未満の鋼を溶製できる。
Al、Si以外の鋼成分については、MnおよびCrは添加すると溶鋼の窒素吸収能を高めるため含有量が低位であることが好ましい。Mnが1.5%を越えるとフラックスの脱窒作用が著しく損なわれる。また、Crが1.0%を越えるとフラックスの脱窒作用が著しく損なわれる。Mn、Crは含有しなくても良い。
そこで、本発明の対象となる鋼の好ましい成分組成は以下の通りとなる。
Al≧0.05%
Si≧0.5%
さらに好ましくは
Mn≦1.5%
Cr≦1.0%
その他、低合金レベルの合金元素成分してもよい。また、他の成分は、たとえばC:0.001〜1.0%(極低炭〜高炭)、P:0.01〜0.20%、S:0.0005〜0.01%の範囲を選択することができる。
《処理前の溶鋼成分》
前述のように、本発明の組成を有するフラックスを精錬炉中に添加して高Al含有鋼の溶製を行うに際し、溶鋼中のAl濃度が減少し、Si濃度が増加する。そこで、事前の実験結果から、処理中における鋼中Al減少量とSi増加量を予測し、狙い組成に対してSi量が低く、Al量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することとすると好ましい。また、前述のように、実験結果から、前記式(6),(7)の見かけの速度係数K'Si、K'Alを求めれば、経過時間ごとにSi,Alの組成変化を記述できる。従って本発明でより好ましくは、溶製時のSi濃度増加とAl濃度減少を組成変化速度式から予測し、狙い組成に対してSi量が低く、Al量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することにより、狙い通りのSi濃度とAl濃度を有する溶鋼を溶製することが可能となる。
例えば、目標窒素量が50質量ppm未満の高Al含有鋼を溶製する場合、溶製に用いる鋼原料中の窒素含有量は、処理後の窒素量が50質量ppm未満となるよう、フラックスの脱窒作用を考慮して決定すればよい。フラックスによる脱窒作用が十分に得られる場合、処理前の鋼原料中の窒素含有量は、50質量ppmを越えてもよいが、好ましくは60質量ppm以下である。フラックスによる脱窒作用が十分でなく僅かな窒素ピックアップが生じる場合、あるいは、更に低窒素の鋼(40質量ppm以下の鋼)を得たい場合、処理前の鋼原料中の窒素含有量を40質量ppm以下とすることがより好ましい。
《フラックス添加時期変更実験》
溶解の初期段階から窒素吸収を抑制することを狙い、溶解以前に炉内に装入した鋼原料の周囲に予めフラックスを添加して鋼原料とフラックスを共存させ、溶解過程で一部湯面形成した後、更にフラックス添加し、溶鋼試料中の窒素量を調査した。
溶融時に前記表3のF7と同等となるよう配合したフラックス5kg(CaO:1.45kg、SiO2:2.9kg、Al23:0.35kg、MgO:0.30kg)を初装フラックスとして、炉内に装入した概略1tonの鋼原料の周囲に置いて、鋼原料とフラックス材料を共存させたまま鋼原料を高周波誘導加熱し溶解した。その際、初期段階で母材表面の一部が溶融して溶融プールが形成するが、溶鋼で加熱されて融解したフラックスが溶融プールを覆っていた。原料に用いた鋼は、予め低Nのスクラップを選定し、その窒素含有量は40ppmである。鋼材料の溶解後、F7と同等となるよう配合したフラックス5kgを追装フラックスとして添加した。その結果、溶鋼中の窒素量は原料の40ppmより更に低位の25ppmまで低減し、初期原料からの脱窒作用が確認された。
《フラックスの添加》
フラックスは、予め所定の配合比で混合したフラックス原料を1500℃で加熱して溶融し粉砕し、粉体あるいは顆粒としたものを添加剤として用いるのが望ましい。このような予備溶融を行わず、たとえば生石灰と珪砂等フラックス原料単体を直接溶鋼湯面上に添加してもよい。溶鋼の輻射熱によりフラックス原料が反応して溶融フラックスを形成するためである。
フラックスは、炉内に添加して溶鋼湯面を覆うことで、溶鋼と雰囲気ガス間を遮断し、雰囲気からの酸素および窒素の吸収を抑制するとともに、高Al含有溶鋼に含有する窒素を吸収する作用を有する。
フラックスの添加時期は、鋼原料が溶解して所定温度に達した後でもよい。しかし、溶鋼と雰囲気ガスが直接接触すると溶鋼が窒素を徐々に吸収するため、添加時期はできるだけ早い方がよい。早期に添加すれば溶鋼と雰囲気ガスの直接接触時間が短縮し、窒素吸収を抑制した上、効果的に溶鋼脱窒作用を高められる。
更に窒素吸収を抑制し脱窒作用を高めるには、溶解以前に炉内に装入した鋼原料の周囲に予めフラックスを添加して鋼原料とフラックスを共存させておき、溶解過程で一部湯面形成した後、更にフラックス添加するのがよい。溶解の初期段階から継続して溶鋼と雰囲気ガスの接触を抑制できるため、顕著な窒素低減効果が得られる。
フラックスの添加量は、溶鋼1tonあたり1kg以上30kg以下とするのが好ましい。1kg/ton未満では溶融フラックスが湯面を覆うのに不十分であり、溶鋼が雰囲気ガスから直接窒素を吸収するおそれがある。30kg/tonを越えても吸窒素抑制および脱窒作用の効果が飽和する。
《精錬炉》
以上説明したように、本発明の高Al含有鋼を溶製するに当たり、減圧手段を用いずに精錬炉で溶製し、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行う。これにより、脱窒素または吸窒素防止の効果を得ることができる。
本発明の高Al含有鋼の溶製方法を適用する精錬炉としては、高周波誘導溶解炉を好適に用いることができる。高周波誘導溶解炉は、短時間で溶解可能かつ合金成分の微調整が容易である。溶鋼湯面上に被覆する溶融スラグ層を薄くすることができるので使用するフラックスは比較的少量でよい。
アーク炉において用いることもできる。アーク炉では、脱硫後に一旦完全除滓を行った後、所定組成のフラックスを添加して溶鋼を保持することにより脱窒作用を得ることができる。この際に、CaOを主成分とするスラグを完全除滓せずに一部スラグを残し、珪石、珪砂等のSiO2成分を添加して所定組成の溶融スラグとしてもよい。
《本発明例》
鋼スクラップおよび合金鉄からなる溶解原料7tonを高周波誘導溶解炉内に装入し、更にCaO:30%、SiO2:60%、Al23:5%、MgO:5%から成るフラックスを80kg添加した。溶解原料の鋼スクラップ中に含有するN量は40ppmである。炉上にArガスを10L/minの供給速度で流し、高周波誘導加熱により溶解原料を溶解し、溶解過程で一部湯面形成した後、更にCaO:30%、SiO2:60%、Al23:5%、MgO:5%から成るフラックスを120kg添加した。その後、溶鋼総量が10tonとなるよう鋼スクラップを追装し、鋼原料の全量が溶解する際、速度式(6)および(7)による組成変化を考慮し、表5に示す目標組成に対し、Siを低めの2.7%、Alを高めの1.1%に調整した。その後、1600℃で1時間保持した後、溶鋼試料を採取し1650℃に昇温し取鍋に出鋼した。
Figure 2020111773
溶鋼試料の分析の結果、溶鋼中窒素は28ppmであり、フラックスによる脱窒作用が認められた。また、Siは表5の目標組成±0.1%以内、Alは表5の目標組成±0.05%以内が各々得られ、成分的中した。
《比較例》
鋼スクラップおよび合金鉄からなる溶解原料7tonを高周波誘導溶解炉内に装入した。溶解原料の鋼スクラップ中に含有するN量は40ppmである。炉上にArガスを10L/minの供給速度で流し、高周波誘導加熱により溶解原料を溶解し、溶解過程で一部湯面形成した後、更にCaO:40%、SiO2:10%、Al23:40%、MgO:10%から成るフラックスを120kg添加した。その後、溶鋼総量が10tonとなるよう鋼スクラップを追装し、1600℃で1時間保持し、表5の鋼組成となるよう合金元素を添加調整した後、溶鋼試料を採取し1650℃に昇温し取鍋に出鋼した。溶鋼試料の分析の結果、溶鋼中窒素は65ppmであり、25ppmの窒素ピックアップが生じた。
上記と同様の条件で、フラックスを添加せず溶製を行い、1600℃で1時間保持した後、溶鋼試料を採取し1650℃に昇温し取鍋に出鋼した。溶鋼試料の分析の結果、溶鋼中窒素は85ppmであり、45ppmの窒素ピックアップが生じた。

Claims (6)

  1. 質量%で0.05%以上のAlおよび0.5%以上のSiを含有する鋼を、減圧手段を用いずに精錬炉で溶製するにあたり、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行い、処理開始時の前記フラックスの配合は質量%で、
    20%≦CaO≦45%、
    40%≦SiO2≦70%、
    0≦Al23≦20%、
    0≦MgO≦20%、
    その他の酸化物と弗化物成分が合計10%未満であることを特徴とする高Al含有鋼の溶製方法。
  2. 狙い組成に対してSi量が低く、Al量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することを特徴とする請求項1に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
  3. 溶製時のSi濃度増加とAl濃度減少を組成変化速度式から予測することを特徴とする請求項2に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
  4. 処理開始時のフラックス中のCaO/SiO2が質量比で、
    0.4≦CaO/SiO2<0.7
    であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
  5. 鋼原料が溶解する前にフラックスを添加しておくことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
  6. 前記フラックスの添加量を、溶鋼1tonあたり1kg以上30kg以下とすることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の高Al含有鋼の溶製方法。
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