JP2020111773A - 高Al含有鋼の溶製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[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≦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。
[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。
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Al2O3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。
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)
(SiO2)=[Si]+2[O] ・・・(1)
2[Al]+3[O]=(Al2O3) ・・・(2)
O2(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Al2O3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。
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)
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。
△N=(60min後の窒素濃度)−(フラックス添加前の窒素濃度)
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。
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≦Al2O3≦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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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、Al2O3:0.35kg、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。
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。
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%、Al2O3:5%、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%、Al2O3:5%、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。
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%、Al2O3:40%、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。
Claims (6)
- 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≦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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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