JP2746630B2 - 真空脱ガス処理による極低炭素鋼の溶製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、製鋼炉で溶製された未脱酸もしくは弱脱酸
溶鋼をRH法、DH法、VOD法等を用いて真空脱ガス処理槽
に装入し、極低炭素鋼を迅速にかつ、該装置の操業性を
損なうことなく得ることができる、真空脱ガス処理によ
る極低炭素鋼の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

冷延鋼板の焼鈍プロセスの連続化、能率向上の観点か
ら、連続焼鈍設備の採用が近年盛んであるが、これに適
合する素材として炭素含有量10ppm、ないし数ppmの極低
炭素鋼が要求されるようになってきた。

従来から低炭素鋼は、転炉において、C:0.02〜0.05重
量％（以下％と略す）迄脱炭した溶鋼を、RH法などの真
空脱ガス装置を用いて、減圧下に脱炭する手法により溶
製されてきた。減圧下の脱炭プロセスに関する検討も相
当程度行われてきており、その主要な理論は、『鉄と鋼
vol.69（1983）A37』に示されるように、脱炭速度は次
の（１）式で示される。

ｄ［Ｃ］/dt＝［Ｃ］₀exp（−Kct） …（１） また、その速度定数Kcは、次の（２）式で示される。

Kc＝｛Ｑ′/V｝｛ak/（Ｑ′＋ak）｝ ……（２） ここに、 ［Ｃ］_０：処理開始時間の［Ｃ］濃度 Kc:居かけの速度定数（min^-1） ak:真空槽内の物質移動容量係数（m³/s） Ｑ′：溶鋼の循環流量（m³/s） V:溶鋼量（m³） 従って脱炭効率を向上させようとする場合には、
Ｑ′、akを増大せしめる対策をとるべきことが公知とな
っている。

溶鋼の環流量Ｑ′を増大せしめるためには、環流管径
を拡大する方法、環流用に吹込むArガス量を増す方法が
採用されるが、前者には耐火れんが施工上の問題から、
環流管寿命が短いという問題点、後者の場合吹込むArガ
ス量を増加させると気泡と共に発生するスプラッシュが
多く槽内の地金の付着が多くなり、自ずと操業上の制約
から吹込めるガス量に制限がある。また脱炭速度が低下
する低炭域では環流量の増加がそれほど効果的でないこ
とも既に明らかになっている。

一方、物質移動容量係数akを増大せしめるためには、
Ｃ≦50ppmの極低炭素域ではＣの反応サイトへの物質移
動過程が反応を律速することになるので、反応界面積ａ
（m²）を増大せしめることが必須となる。反応サイトと
しては、溶鋼内ガス気泡／溶鋼界面、真空槽内鋼浴表
面、ガス気泡が鋼浴を離脱する際に随伴するスプラッシ
ュの各々が想定されるが、その各々の寄与は必ずしも明
確ではなく、環流用Arガス量を増すことが、上記三点に
有効であろうとの観点から、5000Nl/minにも及ぶ大量の
Arガス吹込みを行う技術が採用されている現状に留ま
る。

ところで、このように大量のArガスを吹込むと、大量
に発生するスプラッシュの真空槽内面への付着に対処す
る手段がなく、操業性を損うなどの問題があり、炭素含
有量が10ppm以下の迅速脱炭技術との観点からは、技術
的にまだ不十分な状況にある。

さらに極低炭素鋼を溶製するには、酸素や二酸化炭素
などのガスまたは酸化鉄などの粉末を添加して溶鋼中の
溶存酵素を富化し、脱炭反応を促進する試みがなされて
いる（特開昭49−34414号、特開昭51−151211号、特開
昭51−151212号公報など）。しかし、Ｃ＜50ppmでの極
低炭素域では先に述べたようにＣの反応サイトへの物質
移動過程が反応を律速している点でこれらの方法は有効
ではなく、さらに脱炭後の脱酸反応により大量の脱酸生
成物が発生し非金属介在物の増加を生じ、良加工性の鋼
板製造に対して好ましくない。

また脱炭反応を進行させる方法として溶鋼を真空脱炭
処理する際に水素ガスを浸漬管から吹込み溶鋼中の水素
濃度を高めた後に脱水素することにより脱炭反応を促進
する方法が特開昭57−194206号公報に開示されている。
しかしながらこの方法では還元性の水素ガスが耐火物中
の酸化物を還元し、耐火物が溶損されるという問題点が
ある。また水素はガスコストが高いので経済性の点でも
難がある。

また非酸化性ガスであるArを上吹ランスから吹付ける
試みも神戸製剛技報36（1986）p.40に示されているが環
流用Arガスの増加に比べてArガス吹付は効果が小さいこ
とが示されている。

またステンレス鋼ではVOD法において特開昭55−12522
0に、上吹ランスにより酸素と不活性ガスの混合ガスを
吹付ける試みがあるが、これはステンレス鋼では脱ガス
で脱炭を開始する時期が［％Ｃ］＝0.08〜0.10と極めて
高く、その結果、脱炭に消費される酸素が溶鋼中の酸素
中で到底足らないために脱炭に消費される酸素を供給す
る手段として考えられたものである。

一方普通鋼では、ステンレス鋼に比べて容易に脱炭が
進むので、通常転炉が出鋼される溶鋼の［％Ｃ］は0.02
〜0.03であり、一方［％Ｃ］は0.04〜0.08と高く、かつ
RHでは鍋のスラグからの酸素供給もあるため、こうした
酸素の供給は特に必要とされていない。従って前述した
ように普通鋼では酵素と不活性ガスの混合ガスを吹込む
試みはみられず、事実極低炭素域ではこうした酸素吹精
は有効ではなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前述のような現状に鑑み、10ppm以下迄の
極低炭素域での脱炭を迅速に行い、かつ真空槽内へのス
プラッシュ地金付着を防止し得る有効かつ簡便な方法を
提供するためになされたものである。即ち、極低炭素域
での脱炭を迅速ならしめるために、反応界面積ａ（m²）
を増大せしめる手法を提供し、さらにａ増大の一手法で
あるスプラッシュ増加という条件下でもその真空槽内面
への地金付着を防止し得る簡便な方法を提供するもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の技術手段は、製鋼炉で溶製された未脱酸また
は弱脱酸溶鋼をRH法、DH法、またはVOD法等を用いて真
空脱炭処理するに際し、真空脱ガス処理槽内において溶
鋼の浴面上部から上吹きランスを用いて酸素ガスまたは
酸素含有ガスを吹付け、溶鋼の脱炭反応を進行させると
ともに、脱ガス処理中に発生するCOガスを燃焼させ、や
がて脱炭が進行し脱炭が停滞する時期には炭素濃度の低
下と共に、上吹きランスから非酸化性ガスを酸素と共
に、酸素に対する非酸化性ガスの吹付けの割合を変化さ
せながら吹付けることにある。

その際に炭素濃度が100ppm以上では酸化性ガスのみを
吹付けること、炭素濃度が100ppm未満30ppm以上では脱
炭の進行と共に酸素に対する非酸化性稀釈ガスの比率を
増加しながら吹付けること、さらに炭素濃度が30ppm以
下になった時期には非酸化性ガスのみを吹付けることが
望ましい。

〔作用〕

本発明者らは、特に脱炭反応が停滞する領域である、
［Ｃ］＜50ppm領域における脱炭反応の改善を試み、以
下の知見を得た。

［Ｃ］＜50ppmでの脱炭反応の低下に関しては、COガ
ス発生量の減少によって溶鋼の撹拌力が不足することや
脱炭反応が化学反応律速（脱炭反応が気液界面反応で律
速される）となることなどが理由とされているが、理由
は明確にはなっていない。何れにせよ気液反応界面積の
増大が脱炭反応の向上には有効である。

ところが単純に吹込みガス量を増加させるだけではガ
ス気泡の溶鋼離脱時の気泡径は単調に大きくなってしま
い、また気泡に随伴する溶鋼の液滴も大径のものが大半
を占めることを本発明者らは見出した。またスプラッシ
ュ量も大となり、真空槽の地金付着が大となる。液滴が
大径であれば極低炭素領域では反応律速過程が溶鋼中の
Ｃ拡散律速であり、脱炭反応に充分に寄与できない。

ところが本発明者らは、普通鋼では有効でないとされ
ていた上吹きランスからの酸素ガス吹付けや不活性ガス
の吹付け法を極低炭素鋼溶製に有効に働かすには、溶鋼
の炭素濃度に応じてガスの種類を変化させることが効果
的であることを見出した。

まず本発明者らは小型の溶解炉により脱炭反応の基礎
実験を次のように行った。

［Ｃ］＝300ppm、［Ｏ］＝400ppmの溶鋼を真空槽内に
保持した。その際には純O₂を上吹きした場合、Arのみを
上吹きした場合、O₂＋Arの混合ガスを上吹きした場合お
よび一定に保持のみした場合（ガスを吹付けない場合）
を比較した。

その結果を第２図に示す。第２図から明らかなように
ガスを吹付けない場合（図中◇）に比べ、ガスを吹付け
ると脱炭速度は向上する。しかしながら鋼浴中炭素濃度
によってガスの種類の影響が現われる。すなわち［Ｃ］
≧100ppmでは純O₂吹付けが最も脱炭速度が大きいが、や
がて［Ｃ］＜100ppmになると純O₂吹付け時の脱炭が急激
に低下する。これは高炭域では純O₂吹付けにより反応界
面での酸素の物質移動速度を向上させることが脱炭速度
向上に効果があるのに対して、［Ｃ］＜100ppmの低炭域
では炭素濃度に比べて酸素濃度が数倍余剰に存在し、む
しろ低炭域では表面活性元素である酸素が界面の反応サ
イトに吸着されるために脱炭反応を阻害するためである
ことを本発明者らは見出した。

その結果［Ｃ］＜100ppmでは純O₂上吹きに比べてO₂＋
Ar（ガス希釈比は1/1とした）上吹き（図中△印）とAr
上吹き（図中▽）の方が脱炭速度が向上する。この際、
［Ｃ］≧30ppmではAr＋O₂上吹きがAr上吹きに比べて脱
炭速度がさらに向上するのに対して、［Ｃ］＜30ppmの
低炭域ではAr＋O₂上吹きはArに比べて急激に脱炭が低下
する。

これはAr＋O₂上吹きでは低炭域になるにつれて溶鋼中
の酸素濃度が上昇し、脱炭阻害が生じるためと思われ
る。

以上の結果により本発明者らは上吹きガスとして純
O₂、ArとO₂の混合ガスまたはArのみといった酸化性ガス
と非酸化性ガスの組合わせを溶鋼中炭素濃度に合わせて
最適の組成で吹込む方法を創作したのである。

そこで本発明の趣旨に従い実験を行った。その結果を
第２図中に示す（★）。第２図より明らかなように本発
明によれば最も早く脱炭が進行することを確認した。

特公昭49−12810号公報に真空槽内に酸素ガスを吹付
ける方法が提示されているが、これは単に鋼浴中にO₂を
供給することを目的とするものであり、鋼浴中Oが過剰
に存在し、脱炭がＣ拡散律速である極低炭素領域ではO₂
を供給しても無意味であるし、O₂は溶鋼に速やかに吸収
されるため気液界面の反応面積増加には無効であり、さ
らにむしろ低炭素域では脱炭反応の阻害になることを本
発明者らは見出したのである。

また気液界面の反応界面積の増加を狙って上吹きラン
スからArを吹付ける方法も神戸製鋼技報36（1986）、p4
0に既に提示されているが、Arを単に吹付ける方法より
も本発明法はさらに脱炭反応は大きくなることを確認し
た。

すなわち従来の上吹きランスよりのO₂吹付けやAr吹付
け法では得られなかった極低炭素鋼を本発明では迅速に
溶製することができる。

極低炭素域では大量にスプラッシュを発生させる方法
は、脱炭速度の向上に有効ではあるが、地金付きによる
操業トラブルが付随する。それに対して本発明法では高
炭域で純O₂上吹きを採用し、脱炭中に発生するCOを槽内
でCO₂まで燃焼させることにより地金を溶解除去するこ
とができる。

また本発明法では転炉において出鋼時の吹止め［Ｃ］
を高くし、従来法に比べて［Ｏ］を低くした状態で出鋼
可能となる。

〔実施例〕

230t規模のRH真空脱ガス装置を用いて本発明方法を実
施した。

第１図に本発明を実施する設備を示す。真空槽３の下
端の環流管４を取鍋１内の230tの溶鋼２の上部に浸漬
し、環流用Arガス導入管５よりArガスを吹込み、リフト
ポンプ効果により溶鋼を真空槽内に環流させる方法は周
知のRH法である。

この発明ではまず高炭域では真空脱ガス処理槽内にお
ける浴面上部より酸素ガスを吹付けて溶鋼の脱炭反応を
進行させると共に脱ガス処理中に発生するCOガスを燃焼
させる。これにより溶鋼の脱炭反応を進行させると共に
真空槽内の地金の付着を防止する。

さらにこの酸素上吹きにより溶鋼温度の上昇と溶存酸
素の上昇が可能となるので、転炉での脱炭を省略し、
［Ｃ］を従来の200〜300ppmより高くし400〜500ppmで出
鋼する。その結果［Ｏ］は500〜600ppmから200〜300ppm
と低下させることが可能となり、それに伴ない、スラグ
の酸化鉄濃度（T.Fe）を低くすることができるので溶鋼
温度の低下と共に転炉の炉体れんがの寿命を長くするこ
とができる。

さて本発明において真空槽３の上部より、上吹きラン
ス６から酸素を吹込み脱炭昇温を行う。この上吹きラン
ス６には酸素ガス配管７の他にArガス配管８を連結しガ
スを吹込む。

溶鋼温度1615℃、［Ｃ］＝500ppm、［Ｏ］＝300ppmの
溶鋼に、まず上吹きランス６から酸素を15Nm³/minを吹
込み脱炭を行った。排ガス中のCO、CO₂の発生速度から
脱炭量を推定し、［Ｃ］＝100ppm相当になったとき、上
吹きランスのガスをO₂:10Nm³/min、Ar:5Nm³/min（O₂/Ar
＝2/1）に、さらに［Ｃ］＝70ppm相当となった時点で
O₂:5Nm²/min、Ar:10Nm³/min（O₂/Ar＝1/2）に切替えて
操業を行った。さらに［Ｃ］＜50ppmの低炭域になるに
つれてArのみの吹付けを行った。

比較例として同一の溶鋼の条件で純O₂のみを15Nm³／
分吹込んだ場合（比較例１）、純Arのみを15Nm³／分吹
き込んだ場合（比較例２）およびガス吹付けを行わない
場合（比較例３）の操業も行った。結果を第３図に示
す。なお、何れの場合も浸漬管４より吹込むArのガス量
は2500l/min一定とした。上吹きランス６は槽内におけ
る溶鋼の静止浴面より上方1.7mとした。

第３図より明らかなように純O₂上吹き法や吹付けを行
わない方法（従来法）に比べて本発明法は脱炭速度が大
きく10分の処理時間で［Ｃ］＜10ppmの極低炭素鋼を溶
製することができる。またAr上吹き法と比べても同一時
間で低炭素濃度まで脱炭することができる。

さらにAr上吹き法では高炭域での脱炭期において槽内
にスプラッシュによる大量の地金付着が認められたのに
対して高炭域でO₂上吹きを用いるので地金付着が認めら
れなかった。

これは本発明の脱炭反応前半に、発生するCOガスの一
部をCO₂に燃焼するために、O₂ガスを該ランスより吹付
けることによる真空槽内耐火物昇熱効果が地金付着防止
に有効なためである。

また溶鋼の15分処理後の温度降下は本発明法で22℃、
純O₂上吹き法で19℃に対し、Ar上吹き法では52℃、従来
法では45℃であった。

また本発明において、上吹きランスを静止浴面より1.
6mより下方にした場合では溶鋼の温度降下が30〜35℃と
大きくなった。これは上吹きランスによる派生COの燃焼
量が減少したためと考えられる。そのため溶鋼温度の低
下防止、地金付着防止の観点より上吹きランスの位置は
1.6mより上方にすることが望ましい。

本方法は、鋼浴面下から鋼浴撹拌用にArガスを導入す
る真空精錬法、すなわちDH法、VOD法にも同様に適用で
きる。

〔発明の効果〕

本発明方法によると、極低炭素域での脱炭を迅速に行
うことができ、かつ炭素含有量が10ppm以下の極低炭素
鋼を安定して得ることができ、また大量に発生するスプ
ラッシュの真空槽内への付着を防止することができる。

また、本発明では上吹きランスから高炭域でO₂を供給
し、かつさらに低炭域でも酸素とアルゴンの混合ガスを
供給するため、転炉で酸素濃度を高くする必要がない。
その結果、転炉において低温出鋼が可能となり、炉体寿
命の延長を図ることができ、さらにスラグの過酸化を防
止できるので凝固過程までの酸素濃度の上昇に伴うアル
ミナ（Al₂O₃）介在物の増加を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する設備の一態様を示す断面図、
第２図は小型溶解炉における脱炭実験における［％Ｃ］
の推移を示すグラフ、第３図は230tRH真空処理における
脱炭実験の［％Ｃ］の推移を示すグラフである。 １……溶鋼取鍋 ２……溶鋼 ３……真空槽 ４……環流管 ５……環流用Arガス導入管 ６……上吹きランス ７……上吹き酸素ガス配管 ８……上吹きArガス配管

フロントページの続き (72)発明者 藤井 徹也 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株 式会社技術研究本部内 (72)発明者 亀山 恭一 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株 式会社千葉製鉄所内 (72)発明者 西川 廣 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株 式会社千葉製鉄所内 (56)参考文献 特開 平１−246314（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−17808（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】製鋼炉で溶製された未脱酸もしくは弱脱酸
   溶鋼を真空脱ガス処理槽に装入し、真空脱ガス処理槽の
   浴面上部より酸素または酸素含有ガスを供給する方法に
   おいて、脱炭の進行と共に、酸素に対する非酸化性希釈
   ガスの比率を増加させながら供給することを特徴とする
   真空脱ガス処理による極低炭素鋼の溶製方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、溶鋼中炭素
   濃度が100ppm以上では酸素のみを供給し、30ppm以上100
   ppm未満の範囲では脱炭の進行と共に酸素に対する非酸
   化性希釈ガスの比率を増加させながら供給することを特
   徴とする真空脱ガス処理による極低炭素鋼の溶製方法。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の方法において、溶
   鋼中炭素濃度が30ppm以下になった時期より非酸化性ガ
   スのみを吹きつけることを特徴とする真空脱ガス処理に
   よる極低炭素鋼の溶製方法。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の方法にお
   いて、ガスの供給位置が浴面から1.6m以上上方であるこ
   とを特徴とする真空脱ガス処理による極低炭素鋼の溶製
   方法。