JP2022189514A - 溶鋼の脱窒方法および鋼の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、特許文献1や2に記載の技術は、脱窒のためにAlNの生成を利用しており、生成したAlNの一部が溶鋼中に残存し、後工程の鋳造時に割れの起点になってしまうという課題がある。
(1)スラグ量を少なくとも溶鋼1トンあたり15kg確保すること
(2)スラグ量、底吹きガス量、上吹きガス組成やその流量、ランス高さおよび雰囲気圧力などを適当な範囲に制御すること
を挙げているが、条件(1)は溶鋼を充填する容器のサイズによってスラグ量が増大すること、条件(2)は具体的な制御手段、制御範囲の記載がなく、ガスと溶鋼の遮断を確認する方法が明らかでないことから、適合条件が明確でない。特許文献3に記載の適合例と同一範囲で試験を行っても、実際は酸化性ガスによりスラグ-メタル界面のみかけの酸素分圧が増加することによるスラグ-メタル間での窒素移動抑制によって、脱窒速度が遅くなり、操業上実用的でないことを発明者らは確認している。
[Al]+[N]+3/2(O2-)=(N3-)+1/2(Al2O3)・・・(1)
2(N3-)+2/3O2=N2+3(O2-) ・・・・・・・・・・・・・(2)
(a)前記脱窒処理では、溶鋼ないしスラグの表面を1.0×105Pa以下の雰囲気にすること、
(b)前記脱窒処理では、前記スラグ中のMgO濃度(MgO)を5.0mass%以下にすること、
(c)前記脱窒処理では、前記のスラグ中のMgO濃度(MgO)が5.0mass%を超えて1.0mass%増加するごとに、処理中の溶鋼温度Tfを5℃以上増加させること、
(d)前記Al添加ステップにおいて、脱窒処理時の攪拌動力密度ε(W/t)に基づき溶鋼中のAl濃度[Al](mass%)を下記の式(A)で計算される値[Al]e以上にすること、
などが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
[Al]e=-0.072×ln(ε)+0.5822 ・・・・(A)
次に、本発明の好適な実施形態について、経緯を交え詳細に説明する。
第1の実施形態は、ガス上吹き設備を有さない設備において、安定して低窒素濃度まで脱窒する方法を検討する際に見出された。図1の構成要件を満たす小型高周波真空誘導溶解炉にて15kgの溶鋼3に対し15kg/t以上の、MgO濃度が0~17mass%含まれるCaOおよびAl2O3含有スラグ4を溶鋼面が肉眼で確認できない程度の量で形成した。そして、炉内の雰囲気圧を調整した上で、攪拌動力密度で200W/t~2000W/tの攪拌を溶鋼に付与しながら溶鋼の脱窒処理を行った。まず、炉雰囲気の真空度(雰囲気圧)P(Pa)を変化させた脱窒試験において、図2に示すように処理後の窒素濃度のバラツキ上限値Max[N]f(massppm)は攪拌動力密度ε(W/t)に応じて変化した。このとき、溶鋼中の初期窒素濃度[N]iは、50massppm、Al濃度[Al]は、0.7mass%、スラグ組成はCaOとAl2O3の質量比C/Aで1.2、スラグ中のMgO濃度(MgO)は、5mass%、溶鋼温度Tfは、1600℃、処理時間tは30分であった。低攪拌動力密度(ε~500W/t)では雰囲気圧P:1.0×105Paまで到達窒素濃度のバラツキ上限値Max[N]fが安定する。なお、図1の設備構成の場合、密閉空間内の温度上昇や底吹きガスの影響で雰囲気圧Pは外気より数%圧力上昇することになる。一方、高攪拌動力密度(ε>500W/t)では、雰囲気圧P:0.7×105Pa超で到達窒素濃度のバラツキ上限値Max[N]fが増加し始め、攪拌動力密度εが高いほど、処理後の到達窒素濃度のバラツキ上限値Max[N]fが大きくなることが分かった。従って、本実施形態においては、望ましい雰囲気圧Pを1.0×105Pa以下と定め、さらに好ましくは0.7×105Pa以下とした。これは、底吹きガスによる鋼浴の攪拌により溶鋼表面が盛り上がって一部露出し、そこから溶鋼への吸窒が発生していると考えられる。
第2の実施形態は、CaOおよびAl2O3含有スラグ中のMgO濃度(MgO)の影響について調査した際に見出されたものである。攪拌動力密度εを500W/t一定とし、炉雰囲気圧Pを0.7×105Paとし、初期窒素濃度[N]i、Al濃度[Al]、スラグ組成のC/A、溶鋼温度Tfおよび処理時間は上記とおなじとして、スラグ中のMgO濃度(MgO)を0~17mass%に変更して脱窒試験を行った。その結果、図4に示すように、スラグ中MgO濃度(MgO)が5mass%以下の水準は低窒素濃度域(窒素濃度[N]fが35massppm以下)に到達したが、それより多い濃度では到達窒素濃度[N]fが下がらず高止まりした。第2の実施形態、つまり、上記第1の実施形態に加え、さらにスラグ中のMgO濃度(MgO)を5mass%以下に制限する溶鋼の脱窒方法は、上記のような調査の結果から得られたものである。なお、溶鋼温度Tfは、脱窒処理後の溶鋼温度を用い、後工程である鋳造工程や搬送時間にもよるが、1600℃以上で脱窒処理を終了するようにすることが好ましい。また、スラグ中のMgO濃度(MgO)の下限は特に限定しないが、0mass%であってもよい。
第3の実施形態は、溶鋼を充填する容器の耐火物保護の観点からMgO濃度を上げざるを得ない場合の脱窒速度の低下に対し、改善策を検討している際に見出された。前記小型高周波真空誘導溶解炉を用いて、CaOおよびAl2O3含有スラグ中のMgO濃度(MgO)を0mass%から飽和濃度の範囲で変化させた際、溶鋼中窒素[N]fを25massppmまで低下させるために必要な、溶鋼温度Tfを調査した。その結果、図5に示すようにスラグ中のMgO濃度(MgO)が1.0mass%増加するにしたがって、溶鋼温度Tfを約5℃増加させる必要があった。調査の前提となる炉雰囲気圧Pを4×103Pa、Al濃度[Al]を0.7mass%とし、初期窒素濃度[N]iを50massppm、スラグ組成のC/Aを1.2、攪拌動力密度εを60W/tおよび処理時間を30分とした。この調査により、MgO濃度が増加することによる脱窒反応の低下を補償できる溶鋼温度の増加量が定量的に判明した。第3の実施形態、つまり、第1の実施形態に加えて、スラグ中のMgO濃度(MgO)が5.0mass%を超えて1.0mass%増加するごとに、溶鋼の温度を5℃以上増加させる、溶鋼の脱窒方法は、上記のような調査結果から得られたものである。
特許文献3ではスラグ-メタル間の窒素分配比を高めるために必要な溶鋼中Al濃度[Al]が0.3mass%から2mass%という濃度を要求されるため、普通鋼を溶製するにあたってはコスト高となってしまう。第4の実施形態は、この問題を解決するために、溶鋼中Al濃度[Al]を更に低い濃度に抑えて脱窒ができないか検討を行った際に見出されたものである。前記小型高周波真空誘導溶解炉にて、溶鋼中窒素を25massppmまで低下させるために最低限必要なAl濃度[Al]eを調査した所、図6に示すように、攪拌動力密度ε(W/t)に応じて必要なAl濃度[Al]e(mass%)が変化することが分かった。ここで、スラグ中のMgO濃度(MgO)を0mass%、溶鋼温度Tfを1600℃とし、初期窒素濃度[N]iおよびスラグ組成のC/Aは上記と同様である。調査の前提となる炉雰囲気圧Pを0.7×105Paとし、攪拌動力密度εを200~2000W/tの範囲で処理中一定になるように制御し、処理時間は30分とした。第3の実施形態、つまり、第1~第3の実施形態のうちのいずれか一つに加えて、Al添加ステップにおいて、脱窒処理時の攪拌動力密度ε(W/t)に基づき溶鋼中のAl濃度[Al](mass%)を下記の式(A)で計算される値[Al]e以上にする、溶鋼の脱窒方法は、上記のような調査結果から得られたものである。
[Al]e=-0.072×ln(ε)+0.5822 ・・・・(A)
表1に試験条件および結果を示す。十分な攪拌動力密度εである処理No.1~4では、処理後N濃度[N]fが35massppm以下となり良好な結果であった。一方、攪拌動力密度εが低い処理No.5は同じ処理時間で十分な脱窒が行われなかった。
2 耐火物
3 溶鋼
4 CaOおよびAl2O3含有スラグ
5 底吹きノズル
6 ガス配管
7 鋼浴攪拌用不活性ガス
8 排気系統
9 合金添加系統
10 真空容器
Claims (6)
- 溶鋼に金属Al含有物質を添加して脱酸しAl含有溶鋼とするAl添加ステップと、前記溶鋼にCaO含有物質を添加するCaO添加ステップと、を組み合わせて形成されたCaOおよびAl2O3を含有するスラグと前記Al含有溶鋼とを接触させて溶鋼中の窒素を除去する脱窒処理であって、
前記溶鋼を60W/t以上の攪拌動力密度εで攪拌することを特徴とする、溶鋼の脱窒方法。 - 前記脱窒処理では、溶鋼ないしスラグの表面を1.0×105Pa以下の雰囲気にすることを特徴とする、請求項1に記載の溶鋼の脱窒方法。
- 前記脱窒処理では、前記スラグ中のMgO濃度(MgO)を5.0mass%以下にすることを特徴とする、請求項1または2に記載の溶鋼の脱窒方法。
- 前記脱窒処理では、前記のスラグ中のMgO濃度(MgO)が5.0mass%を超えて1.0mass%増加するごとに、処理中の溶鋼温度Tfを5℃以上増加させることを特徴とする、請求項1または2に記載の溶鋼の脱窒方法。
- 前記Al添加ステップにおいて、脱窒処理時の攪拌動力密度ε(W/t)に基づき溶鋼中のAl濃度[Al](mass%)を下記の式(A)で計算される値[Al]e以上にすることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の溶鋼の脱窒方法。
[Al]e=-0.072×ln(ε)+0.5822 ・・・・(A) - 請求項1~5のいずれか1項に記載の溶鋼の脱窒方法で溶製した溶鋼に対し、任意に成分調整したのち、鋳造することを特徴とする、鋼の製造方法。
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