JP3526687B2 - 低炭素鋼の精錬方法 - Google Patents
低炭素鋼の精錬方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は低炭素溶鋼を精錬す
る方法に属する。 【０００２】 【従来の技術】鋼材の使用環境厳格化に対応するため、
鋼の高純度化の必要性は益々高まりつつあるが、その
上、精錬コストの低減も同時に望まれている。銑鉄中の
不純物元素として代表的な炭素を安価に低減する技術と
しては、純酸素上底吹き転炉法があり、この技術は、炭
素濃度０．０４％程度のいわゆる低炭素鋼の精錬におい
ても高速で脱炭処理が可能なことから広く採用されてい
る。また、転炉精錬で発生するスラグ中の酸化鉄いわゆ
るＴ−Ｆｅは残留すると後工程で酸化物系の非金属介在
物を造り、欠陥の原因となること、あるいはスラグとし
て鉄の損失が多くなることから、Ｔ−Ｆｅを低減する方
法として底吹き撹拌を付与した上底吹き転炉が広く採用
されるに至っている。しかし、鋼材品質要求の厳格化に
対応する上で特に薄板向け低炭素鋼板では従来にも増し
て介在物系欠陥の減少が要求されている。従来の上底吹
き転炉精錬での炭素濃度は０．０４％が下限と言われて
いる。これは純酸素ガスを吹き付けて精錬を行う転炉で
は炭素濃度が低下すると鉄の酸化が優先するため、Ｆ
ｅＯとしてスラグとなり鉄の酸化損失が増加すること、
スラグ中ＦｅＯ濃度が高まり転炉耐火物の溶損増加と
いう問題を生じることと、さらには転炉の後工程に不
可避的に残留するスラグ中のＦｅＯ濃度が高くなり、溶
鋼中の酸素濃度が高くなることによってこれらが後工程
で酸化剤として作用し後工程でＡｌ等の添加による脱酸
時、合金の歩留まりを低下させる問題を生じたり、非
金属介在物を多量に生成せしめ、材質上好ましくない等
の理由によるものである。この問題に対しては例えば鉄
と鋼ｖｏｌ．６６（１９８０）ｐ．８２５に見るように
Ｑ−ＢＯＰに代表される強撹拌が実現出来る底吹き転炉
で鉄の優先酸化を防止し、スラグ中のＦｅＯ濃度を高め
ること無く炭素濃度０．０３％程度の鋼を得る方法も提
案されている。しかし、この方法は酸素を炉底から供給
するための羽口、底吹き制御等設備が膨大となり、その
維持管理費用も膨大になるため一部の高級鋼を除いては
採用されていないのが現状である。更に、例えば鉄と鋼
ｖｏｌ．６９（１９８３）Ｓ２４４に見るように酸素Ａ
ｒ，Ｎ2 等の希釈ガスを混合してＦｅＯ、酸素濃度を高
めずに脱炭する方法も提案されているが、酸素分圧を低
下させるために必要なＡｒやＮ2 の量は莫大なものであ
り、高価なＡｒガスを使用すればとても低級グレードの
低炭素鋼溶製に適合する方法ではない。また安価なＮ2
ガスを使用すればガスコストは下げられるものの、鋼の
時効特性を悪化させる窒素濃度が上昇するので特に時効
性が問題となる薄板向けの低炭素鋼の精錬には使用出来
ない方法である。 【０００３】一方、主に、高級な自動車用外板等に使用
される炭素濃度を０．００３％以下に低下したいわゆる
極低炭素鋼の場合、転炉で精錬して炭素濃度を０．０４
％程度に下げた後、ＲＨ法に代表される真空脱ガス装置
を用いて脱炭処理する方法が広く採用されている。ＲＨ
真空脱ガス設備を利用した低炭素鋼の溶製に関して例え
ば鉄と鋼ｖｏｌ．６６（１９８０）Ｓ８１７には上記問
題解決のために転炉の吹き止め炭素濃度を上げてＲＨで
いわゆる軽処理脱炭を行って低炭素溶鋼を得る方法につ
いて述べられている。しかし、この方法では本来、真空
槽を１ｔｏｒｒ程度の高真空に保つための巨大な排気装
置を持つＲＨ，ＤＨ等の高真空精錬用の脱ガス装置を用
いるので多大な排気装置を用いた処理を行うことにな
り、設備使用も莫大なものとなり、電力、蒸気等のラン
ニングコストも高くなり、コスト上の問題から、低級グ
レードの鋼材には使用されないのが現状である。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な諸問題を解決し、多大な真空脱ガス設備、底吹き転炉
のような撹拌設備を不要とし、溶鋼の酸素濃度を不必要
に高めずに炭素濃度０．０２〜０．０４％の溶鋼を得る
とともに高い脱酸剤の歩留まりを得る方法を提供する。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は （１）上底吹き転炉を用いて最終目標炭素濃度より０．
０３重量％以上、０．０６重量％未満高い炭素濃度まで
脱炭する一次脱炭工程と、該溶鋼を更に１００ｔｏｒｒ
超、３００ｔｏｒｒ以下の範囲の圧力下で脱炭処理を行
い、炭素濃度０．０２〜０．０５重量％、酸素濃度０．
０２２〜０．０４重量％の低炭素溶鋼を得る二次脱炭工
程を行う低炭素溶鋼の精錬方法であって、該二次脱炭精
錬において、減圧下に晒されている溶鋼の面積Ａ（ｃｍ
2 ）を、溶鋼単位重量あたり５０ｃｍ 2 ／ｔ以上、１５
０ｃｍ 2 ／ｔ未満とし、溶鋼に吹き込むガスが上記減圧
に晒された溶鋼表面を通過するように、かつＡ、及び
（１）式で計算される撹拌エネルギーε（Ｗ）と、
（２）式で定義される所定の脱炭速度容量係数Ｋ’（ｌ
／ｍｉｎ）の関係が（３）式を満たすような条件で所定
量の有効酸素を供給しつつ脱炭処理を行うことを特徴と
する低炭素溶鋼の精錬方法である。 【０００６】 ε＝０．００６１８ ＱＴｌｎ（Ｐ／Ｐ0 ） （１） Ｋ’＝ｌｎ（［％Ｃ］i ／［％Ｃ］f ）／ｔ （２） ２．３４６×１０-4 Ａ 0.2１1 ε0.789 ／Ｗm ≧Ｋ’ （３） ε撹拌エネルギー（Ｗ）、Ｑ：ガス吹き込み量（Ｎｌ／
ｍｉｎ）、 Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）、Ｐ：ガス吹き込みガス圧力、Ｐ
0 ：真空槽内圧力 Ｗm ：溶鋼量（ｔ）、Ｋ’：脱炭反応速度容量係数目標
値（ｌ／ｍｉｎ）、 ［％Ｃ］ｉ：処理前炭素濃度（重量％）、 ［％Ｃ］ｆ：処理後目標炭素濃度（重量％） Ａ：溶鋼表面積（ｃｍ2 ）、ｔ：処理時間（ｍｉｎ） 【０００７】 【発明の実施の態様】溶鋼の脱炭反応機構として従来の
知見では溶鋼−ガス界面への炭素、酸素の物質移動が反
応速度を律速する要因として挙げられている。 【０００８】Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ （４） しかし溶鋼中炭素濃度と酸素濃度から（５）式で決まる
平衡ＣＯ分圧が高くなると溶鋼内部よりＣＯガス気泡が
生成し脱炭反応速度は増大することが知られている 【０００９】 ＰCO＝Ｋ［Ｃ］［Ｏ］ （５） ｌｏｇＫ＝１１６０／Ｔ＋２．００３ ［Ｃ］：溶鋼中炭素濃度（％）、［Ｏ］：溶鋼中酸素濃
度（％）、Ｋ：（４）式の反応の平衡定数（ａｔｍ／％
2 ）、ＰCO：溶鋼の平衡ＣＯ分圧（ａｔｍ） そこで、本発明者らは、本発明にいたる基礎実験で、溶
鋼内部から発生するＣＯ気泡による脱炭反応速度を定量
化し、実験式として（６）式を得た。 【００１０】（６）式は撹拌が弱い条件では脱炭反応速
度が溶鋼が晒されている真空度Ｐｔと溶鋼のＰCOの差の
０．７８９乗に比例することを意味している。 【００１１】 【数１】 【００１２】 ｙ：（ＰCO−Ｐt ）／ρｇ （７） ｋm ：溶鋼中の炭素、酸素の物質移動係数（ｍ／ｓ）、
π：円周率（＝３．１４１５９）、ε’：気泡の浮上に
よる撹拌エネルギー（Ｗ）、ＰCO：溶鋼の平衡ＣＯ分圧
（ｔｏｒｒ）、Ｐt ：雰囲気圧力（Ｐａ）、Ｒ：ガス定
数（Ｊ／（ｍｏｌＫ））、Ｔ：溶鋼温度（Ｋ） ρ：溶鋼密度（ｇ／ｃｍ3 ）、ｇ：重力加速度 ただし、（６）式のε’は（１）式のεとはその意味す
る所が異なる。すなわち、（１）式のεはＡｒなど吹き
込みガスの気泡が溶鋼を浮上中にＣＯガスを吸収しなか
ったと仮定した時の仮想的な値であり、（６）式のε’
はＣＯの吸収も考慮した値であり、理想気体の状態方程
式を使って（８）式のように求められるものである。 【００１３】 ε’＝ＲＴ∫ＰｄＶ （８） 溶鋼中の酸素濃度が一定である場合には（６）式を使っ
て所定の脱酸速度を得るための真空度が決まることにな
る。ただし、脱炭反応に必要な酸素は常に供給すること
が必要である。また、酸素を供給する場合、例えばラン
スを使って反応界面に酸素ガスを供給したりあるいは溶
鋼中にノズルから酸素ガスを吹き込む、あるいは酸化鉄
などの固体酸素源を加える等の方法が考えられるが例え
ば酸素ガスを使うと反応界面に到達するまでに（９）式
のようないわゆる二次燃焼反応が進行するので、供給し
たすべての酸素が（４）式の脱炭反応を生じている反応
界面に到達するとは限らない。従って、酸素量、供給速
度はその操業形態によって適宜有効酸素効率を求めなが
ら決定するのが望ましい。また、酸素数が多すぎると溶
鋼中の酸素濃度が不必要に増加し、脱酸剤の歩留まり悪
化、介在物量の増加による鋼材品質劣化などの弊害を生
むので、溶鋼中の酸素濃度を上げない程度に止めるべき
である。 【００１４】次に、溶鋼の脱炭速度の容量係数Ｋと脱炭
速度の関係は（９）式で表される。 −ｄ［％Ｃ］／ｄｔ＝Ｋ［％Ｃ］ （９） また、Ｋは溶鋼側物質移動係数ｋｍ（ｃｍ／ｓ）と反応
界面積Ａ（ｃｍ2 ）、溶鋼体積Ｖ（ｃｍ3 ）を用いて
（１０）式の様に表される。 【００１５】 Ｋ＝６０ｋｍＡ／Ｖ （１０） 更に、Ｖと溶鋼の重量Ｗm （ｔ）、溶鋼密度ρ（ｇ／ｃ
ｍ3 ）の間には（１１）式の関係があるので、溶鋼の密
度ρ＝７ｇ／ｃｍ3 とすれば、（４）、（６）、
（９）、（１０）式を用いて脱炭速度の容量係数Ｋが
（１２）式のように予想出来る。ただし、（６）式を
（１０）式に代入する際にはｙ＝０と仮定している。こ
の様に推定すれば脱炭速度が目標値を下回ることは無
い。 【００１６】 Ｖ＝Ｗm ×１０6 ／ρ （１１） Ｋ＝２．３４６×１０-4Ａ0.211 ε’ 0.789 ／Ｗm （１２）酸 素の供給は処理後の酸素濃度を不必要に高めることの
無い様、必要な脱炭素量に見合うだけの酸素量に止める
ことが肝要である。ただし、脱炭処理の前半、後半に分
けて酸素供給速度を変えることによって脱炭に要する時
間が短縮し得る。すなわち、例えば処理の前半で酸素供
給速度を高めれば溶鋼中の酸素濃度の増加速度が増加す
るので（２）式の吹き込みガス気泡と溶鋼間の反応で気
泡内に吸収されるＣＯガスの量は増加する。その結果、
気泡中のガス量が増え、気泡による撹拌エネルギーは増
加する。その結果、（６）式のε’は（１）式を用いた
εよりも大きくなる。 【００１７】 【００１８】また、酸素供給は例えば溶鋼表面にランス
等から酸素ガスを吹き付けたり、或いは浸漬ランスから
酸素ガスを吹き込んでも良いし、スケール等の固体酸化
物を溶鋼に添加しても良く、その操業形態、熱的余裕度
を勘案しながら方式を選択すれば良い。 【００１９】ここで、従来の転炉吹錬とＲＨ，ＤＨ等で
の軽処理を組み合わせた低炭素鋼の溶製方法との違いを
要約すると以下の様である。 【００２０】 本法を用いれば、従来のＲＨ，ＤＨに
比べて少ない溶鋼界面積で処理が可能となる。この事は
本発明者らが自由表面における脱炭反応の物質移動係数
が（６）式で表されるという知見に基づく。即ち、従
来、脱炭反応などの反応速度は反応界面積に比例すると
考えられていたが、（６）式に基づき最終的に得られた
（１２）式によると反応速度は界面積の僅か０．２１１
乗則でしか増加しないことを見出したことにある。従来
のＲＨの溶鋼単位重量当たりの反応界面積は常識的に２
００〜３００ｃｍ2 ／ｔ程度とされていたが、本発明で
は１５０ｃｍ2 ／ｔ未満でも撹拌力εを適正に保つこと
で脱炭処理が可能であることを見出した点にある。ただ
し、５０ｃｍ2 ／ｔ未満になると脱炭速度を得るために
は撹拌力を増大する必要が生じるが、真空槽内を通過す
るガスの流速が極めて大となり、１ｔｏｒｒ程度の高真
空精錬のようにスプラッシュ高さが高くなる。この場
合、径は小さくし得るものの、真空槽の高さが大きくな
りメカニカルポンプで排気し得る容積を越えるので大型
の排気装置が必要となり、本発明の目的を損なうので５
０ｃｍ2 ／ｔ以上が望ましい。また、１５０ｃｍ2 ／ｔ
以上になると脱炭速度は若干改善され得るものの、真空
槽の容積が増大し、やはり大型の排気装置を要する結果
となり、また、多くの耐火物を要し、更に耐火物と溶鋼
の接触面積が増加して温度低下がＲＨやＤＨ並に大きく
なるので、低炭素鋼を安価に溶製するという本発明の目
的を損なう。 【００２１】のように少ない反応界面積で処理が
可能であるから、例えば溶鋼量２９０ｔに対して従来の
ＲＨ脱ガス装置のような１．９ｍ以上といった大きな内
径を持つ真空槽は本来必要で無いことが明らかとなった
が、これにより真空槽が極めてコンパクトな設計で脱炭
処理が可能となった。 【００２２】 本法では圧力が１００ｔｏｒｒ超の低
真空で処理できるので、従来ＲＨやＤＨで必要であった
スチームエジェクター、ブースター等の巨大な真空排気
系は必要無く、メカニカルポンプ程度の設備ですむ。従
って設備費用が極めて安価であることと、従来多量に要
していた電力、蒸気などのエネルギーコストが極めて低
廉で済む。ただし、３００ｔｏｒｒ超になると撹拌力を
確保するのに必要なガス量が膨大になり、ガスコストが
増加することとスプラッシュが高く上がるようになり、
真空槽の高さを確保する必要が生じるため排気容積が増
加し、排気量の大きな真空ポンプを要し、設備費上望ま
しくない。 【００２３】の様に、１００ｔｏｒｒ超、３００
ｔｏｒｒ以下であるために従来の真空精錬設備を用いて
処理を行う方法に比べて耐火物コストも極めて低廉であ
る。即ち、高真空処理を前提としたＲＨやＤＨでは特に
高温焼成した緻密なダイレクトボンド煉瓦を使用するこ
とが一般的となっているが、本法では低廉で補修が容易
なキャスタブル耐火物でも可能である。 【００２４】 【実施例】実施例１は高炉で製造した溶銑を上底吹き転
炉で炭素濃度を０．０７１％に吹き止め、その溶鋼３を
図１に例を示す底吹き機能を有する取鍋１に出鋼した
後、Ａｒガス７を５８３Ｎｌ／ｍｉｎの割合で取鍋１に
設けた底吹き羽口８より底吹きしてスラグが排出された
溶鋼３の表面部分に内径１．４ｍのシールフード２をか
ぶせた後、シールフード２内をメカニカルポンプ４で排
気しつつ３００ｔｏｒｒの真空度に保ちながら、酸素ガ
ス５をシールフード２に設けたランス６より吹き付けな
がら脱炭処理を行った例である。この時の溶鋼量は１５
９．１ｔである。炭素濃度は処理前０．０７１％から９
分後に０．０４０％まで脱炭出来た。その後、脱酸用Ａ
ｌをフード内で添加して脱酸し、連続鋳造工程で鋳造し
た。 【００２５】実施例２は高炉で製造した溶銑を上底吹き
転炉で炭素濃度を０．０８４％に吹き止めた溶鋼３１５
０ｔを取鍋１に出鋼後、スラグを排出した後、図１に示
す装置で溶鋼を脱炭処理した場合の例である。この時の
フード内圧力は２００ｔｏｒｒ一定に保持し、底からＡ
ｒガスを６６７Ｎｌ／ｍｉｎの割合で流した。フード内
径は１６０ｃｍとした。炭素濃度は１５分の脱炭処理
後、０．０３０％まで低下した。脱炭処理後Ａｌを添加
して脱酸し、鋳造を行った。 【００２６】比較例１は、高炉で製造した溶銑を上底吹
き転炉で炭素濃度０．０４％目標の低炭素鋼を精錬した
例を示す。生成したスラグ中のＦｅＯ濃度は２３％であ
った。また溶鋼の酸素濃度は４７０ｐｐｍであった。実
施例１に比較すると脱酸用Ａｌの歩留まりは低く、約６
４％であった。 【００２７】比較例２として、高炉で製造した溶銑を上
底吹き転炉で炭素濃度０．０３％目標の低炭素鋼を精錬
した例を示す。生成した転炉スラグ中のＦｅＯ濃度は２
１．１％にも及び、鉄歩留まりは９９．５％であったが
精錬後の酸素濃度は５８０ｐｐｍと高かったため、脱酸
用Ａｌ等の合金歩留まりが低く、更に非金属介在物によ
る製品欠陥が多発した。 【００２８】比較例３は、最終炭素目標濃度０．０３％
の低炭素鋼をＲＨ脱ガス装置を用いて精錬した例であ
る。高炉で製造した溶銑を上底吹き転炉吹錬した後の炭
素濃度は０．０７４％であった。その後溶鋼を取鍋に移
し、ＲＨ脱炭を３ｍｉｎ間施したが、最終の炭素濃度は
０．０２５％であった。しかし、使用した電力、蒸気使
用量は溶鋼１ｔ当たり７．７ｋＷｈ，２．４ｋｇに達し
た。また、温度低下が大きく、昇熱を要した。 【００２９】 【表１】 【００３０】 【表２】 【００３１】 【発明の効果】本発明によれば、従来転炉精錬のみに頼
っていた低炭素溶鋼の脱炭処理を次工程の１００ｔｏｒ
ｒ超、３００ｔｏｒｒ以下の下での軽真空脱炭処理と分
割して行うことにより転炉脱炭後のスラグのＦｅＯ、
及び溶鋼中酸素濃度を低下させ、合金等の歩留まりを向
上し、清浄な鋼を得ることが出来るとともに、ＲＨ精
錬における莫大な真空排気設備を要せず、それに伴うラ
ンニングコスト、設備費用の大幅な増加を要せず炭素濃
度０．０２〜０．０４％の低炭素鋼が溶製可能になる。
また、本発明は実施例に示した設備のみならず、一般的
な精錬装置においてシールフード、酸素供給用のラン
ス、酸素供給装置、簡単な真空ポンプを設置するのみで
実施可能であり、既にある真空精錬設備に真空ポンプを
設置したり、高真空精錬装置の排気系の一部を利用して
実施することも可能である。
る方法に属する。 【０００２】 【従来の技術】鋼材の使用環境厳格化に対応するため、
鋼の高純度化の必要性は益々高まりつつあるが、その
上、精錬コストの低減も同時に望まれている。銑鉄中の
不純物元素として代表的な炭素を安価に低減する技術と
しては、純酸素上底吹き転炉法があり、この技術は、炭
素濃度０．０４％程度のいわゆる低炭素鋼の精錬におい
ても高速で脱炭処理が可能なことから広く採用されてい
る。また、転炉精錬で発生するスラグ中の酸化鉄いわゆ
るＴ−Ｆｅは残留すると後工程で酸化物系の非金属介在
物を造り、欠陥の原因となること、あるいはスラグとし
て鉄の損失が多くなることから、Ｔ−Ｆｅを低減する方
法として底吹き撹拌を付与した上底吹き転炉が広く採用
されるに至っている。しかし、鋼材品質要求の厳格化に
対応する上で特に薄板向け低炭素鋼板では従来にも増し
て介在物系欠陥の減少が要求されている。従来の上底吹
き転炉精錬での炭素濃度は０．０４％が下限と言われて
いる。これは純酸素ガスを吹き付けて精錬を行う転炉で
は炭素濃度が低下すると鉄の酸化が優先するため、Ｆ
ｅＯとしてスラグとなり鉄の酸化損失が増加すること、
スラグ中ＦｅＯ濃度が高まり転炉耐火物の溶損増加と
いう問題を生じることと、さらには転炉の後工程に不
可避的に残留するスラグ中のＦｅＯ濃度が高くなり、溶
鋼中の酸素濃度が高くなることによってこれらが後工程
で酸化剤として作用し後工程でＡｌ等の添加による脱酸
時、合金の歩留まりを低下させる問題を生じたり、非
金属介在物を多量に生成せしめ、材質上好ましくない等
の理由によるものである。この問題に対しては例えば鉄
と鋼ｖｏｌ．６６（１９８０）ｐ．８２５に見るように
Ｑ−ＢＯＰに代表される強撹拌が実現出来る底吹き転炉
で鉄の優先酸化を防止し、スラグ中のＦｅＯ濃度を高め
ること無く炭素濃度０．０３％程度の鋼を得る方法も提
案されている。しかし、この方法は酸素を炉底から供給
するための羽口、底吹き制御等設備が膨大となり、その
維持管理費用も膨大になるため一部の高級鋼を除いては
採用されていないのが現状である。更に、例えば鉄と鋼
ｖｏｌ．６９（１９８３）Ｓ２４４に見るように酸素Ａ
ｒ，Ｎ2 等の希釈ガスを混合してＦｅＯ、酸素濃度を高
めずに脱炭する方法も提案されているが、酸素分圧を低
下させるために必要なＡｒやＮ2 の量は莫大なものであ
り、高価なＡｒガスを使用すればとても低級グレードの
低炭素鋼溶製に適合する方法ではない。また安価なＮ2
ガスを使用すればガスコストは下げられるものの、鋼の
時効特性を悪化させる窒素濃度が上昇するので特に時効
性が問題となる薄板向けの低炭素鋼の精錬には使用出来
ない方法である。 【０００３】一方、主に、高級な自動車用外板等に使用
される炭素濃度を０．００３％以下に低下したいわゆる
極低炭素鋼の場合、転炉で精錬して炭素濃度を０．０４
％程度に下げた後、ＲＨ法に代表される真空脱ガス装置
を用いて脱炭処理する方法が広く採用されている。ＲＨ
真空脱ガス設備を利用した低炭素鋼の溶製に関して例え
ば鉄と鋼ｖｏｌ．６６（１９８０）Ｓ８１７には上記問
題解決のために転炉の吹き止め炭素濃度を上げてＲＨで
いわゆる軽処理脱炭を行って低炭素溶鋼を得る方法につ
いて述べられている。しかし、この方法では本来、真空
槽を１ｔｏｒｒ程度の高真空に保つための巨大な排気装
置を持つＲＨ，ＤＨ等の高真空精錬用の脱ガス装置を用
いるので多大な排気装置を用いた処理を行うことにな
り、設備使用も莫大なものとなり、電力、蒸気等のラン
ニングコストも高くなり、コスト上の問題から、低級グ
レードの鋼材には使用されないのが現状である。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な諸問題を解決し、多大な真空脱ガス設備、底吹き転炉
のような撹拌設備を不要とし、溶鋼の酸素濃度を不必要
に高めずに炭素濃度０．０２〜０．０４％の溶鋼を得る
とともに高い脱酸剤の歩留まりを得る方法を提供する。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は （１）上底吹き転炉を用いて最終目標炭素濃度より０．
０３重量％以上、０．０６重量％未満高い炭素濃度まで
脱炭する一次脱炭工程と、該溶鋼を更に１００ｔｏｒｒ
超、３００ｔｏｒｒ以下の範囲の圧力下で脱炭処理を行
い、炭素濃度０．０２〜０．０５重量％、酸素濃度０．
０２２〜０．０４重量％の低炭素溶鋼を得る二次脱炭工
程を行う低炭素溶鋼の精錬方法であって、該二次脱炭精
錬において、減圧下に晒されている溶鋼の面積Ａ（ｃｍ
2 ）を、溶鋼単位重量あたり５０ｃｍ 2 ／ｔ以上、１５
０ｃｍ 2 ／ｔ未満とし、溶鋼に吹き込むガスが上記減圧
に晒された溶鋼表面を通過するように、かつＡ、及び
（１）式で計算される撹拌エネルギーε（Ｗ）と、
（２）式で定義される所定の脱炭速度容量係数Ｋ’（ｌ
／ｍｉｎ）の関係が（３）式を満たすような条件で所定
量の有効酸素を供給しつつ脱炭処理を行うことを特徴と
する低炭素溶鋼の精錬方法である。 【０００６】 ε＝０．００６１８ ＱＴｌｎ（Ｐ／Ｐ0 ） （１） Ｋ’＝ｌｎ（［％Ｃ］i ／［％Ｃ］f ）／ｔ （２） ２．３４６×１０-4 Ａ 0.2１1 ε0.789 ／Ｗm ≧Ｋ’ （３） ε撹拌エネルギー（Ｗ）、Ｑ：ガス吹き込み量（Ｎｌ／
ｍｉｎ）、 Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）、Ｐ：ガス吹き込みガス圧力、Ｐ
0 ：真空槽内圧力 Ｗm ：溶鋼量（ｔ）、Ｋ’：脱炭反応速度容量係数目標
値（ｌ／ｍｉｎ）、 ［％Ｃ］ｉ：処理前炭素濃度（重量％）、 ［％Ｃ］ｆ：処理後目標炭素濃度（重量％） Ａ：溶鋼表面積（ｃｍ2 ）、ｔ：処理時間（ｍｉｎ） 【０００７】 【発明の実施の態様】溶鋼の脱炭反応機構として従来の
知見では溶鋼−ガス界面への炭素、酸素の物質移動が反
応速度を律速する要因として挙げられている。 【０００８】Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ （４） しかし溶鋼中炭素濃度と酸素濃度から（５）式で決まる
平衡ＣＯ分圧が高くなると溶鋼内部よりＣＯガス気泡が
生成し脱炭反応速度は増大することが知られている 【０００９】 ＰCO＝Ｋ［Ｃ］［Ｏ］ （５） ｌｏｇＫ＝１１６０／Ｔ＋２．００３ ［Ｃ］：溶鋼中炭素濃度（％）、［Ｏ］：溶鋼中酸素濃
度（％）、Ｋ：（４）式の反応の平衡定数（ａｔｍ／％
2 ）、ＰCO：溶鋼の平衡ＣＯ分圧（ａｔｍ） そこで、本発明者らは、本発明にいたる基礎実験で、溶
鋼内部から発生するＣＯ気泡による脱炭反応速度を定量
化し、実験式として（６）式を得た。 【００１０】（６）式は撹拌が弱い条件では脱炭反応速
度が溶鋼が晒されている真空度Ｐｔと溶鋼のＰCOの差の
０．７８９乗に比例することを意味している。 【００１１】 【数１】 【００１２】 ｙ：（ＰCO−Ｐt ）／ρｇ （７） ｋm ：溶鋼中の炭素、酸素の物質移動係数（ｍ／ｓ）、
π：円周率（＝３．１４１５９）、ε’：気泡の浮上に
よる撹拌エネルギー（Ｗ）、ＰCO：溶鋼の平衡ＣＯ分圧
（ｔｏｒｒ）、Ｐt ：雰囲気圧力（Ｐａ）、Ｒ：ガス定
数（Ｊ／（ｍｏｌＫ））、Ｔ：溶鋼温度（Ｋ） ρ：溶鋼密度（ｇ／ｃｍ3 ）、ｇ：重力加速度 ただし、（６）式のε’は（１）式のεとはその意味す
る所が異なる。すなわち、（１）式のεはＡｒなど吹き
込みガスの気泡が溶鋼を浮上中にＣＯガスを吸収しなか
ったと仮定した時の仮想的な値であり、（６）式のε’
はＣＯの吸収も考慮した値であり、理想気体の状態方程
式を使って（８）式のように求められるものである。 【００１３】 ε’＝ＲＴ∫ＰｄＶ （８） 溶鋼中の酸素濃度が一定である場合には（６）式を使っ
て所定の脱酸速度を得るための真空度が決まることにな
る。ただし、脱炭反応に必要な酸素は常に供給すること
が必要である。また、酸素を供給する場合、例えばラン
スを使って反応界面に酸素ガスを供給したりあるいは溶
鋼中にノズルから酸素ガスを吹き込む、あるいは酸化鉄
などの固体酸素源を加える等の方法が考えられるが例え
ば酸素ガスを使うと反応界面に到達するまでに（９）式
のようないわゆる二次燃焼反応が進行するので、供給し
たすべての酸素が（４）式の脱炭反応を生じている反応
界面に到達するとは限らない。従って、酸素量、供給速
度はその操業形態によって適宜有効酸素効率を求めなが
ら決定するのが望ましい。また、酸素数が多すぎると溶
鋼中の酸素濃度が不必要に増加し、脱酸剤の歩留まり悪
化、介在物量の増加による鋼材品質劣化などの弊害を生
むので、溶鋼中の酸素濃度を上げない程度に止めるべき
である。 【００１４】次に、溶鋼の脱炭速度の容量係数Ｋと脱炭
速度の関係は（９）式で表される。 −ｄ［％Ｃ］／ｄｔ＝Ｋ［％Ｃ］ （９） また、Ｋは溶鋼側物質移動係数ｋｍ（ｃｍ／ｓ）と反応
界面積Ａ（ｃｍ2 ）、溶鋼体積Ｖ（ｃｍ3 ）を用いて
（１０）式の様に表される。 【００１５】 Ｋ＝６０ｋｍＡ／Ｖ （１０） 更に、Ｖと溶鋼の重量Ｗm （ｔ）、溶鋼密度ρ（ｇ／ｃ
ｍ3 ）の間には（１１）式の関係があるので、溶鋼の密
度ρ＝７ｇ／ｃｍ3 とすれば、（４）、（６）、
（９）、（１０）式を用いて脱炭速度の容量係数Ｋが
（１２）式のように予想出来る。ただし、（６）式を
（１０）式に代入する際にはｙ＝０と仮定している。こ
の様に推定すれば脱炭速度が目標値を下回ることは無
い。 【００１６】 Ｖ＝Ｗm ×１０6 ／ρ （１１） Ｋ＝２．３４６×１０-4Ａ0.211 ε’ 0.789 ／Ｗm （１２）酸 素の供給は処理後の酸素濃度を不必要に高めることの
無い様、必要な脱炭素量に見合うだけの酸素量に止める
ことが肝要である。ただし、脱炭処理の前半、後半に分
けて酸素供給速度を変えることによって脱炭に要する時
間が短縮し得る。すなわち、例えば処理の前半で酸素供
給速度を高めれば溶鋼中の酸素濃度の増加速度が増加す
るので（２）式の吹き込みガス気泡と溶鋼間の反応で気
泡内に吸収されるＣＯガスの量は増加する。その結果、
気泡中のガス量が増え、気泡による撹拌エネルギーは増
加する。その結果、（６）式のε’は（１）式を用いた
εよりも大きくなる。 【００１７】 【００１８】また、酸素供給は例えば溶鋼表面にランス
等から酸素ガスを吹き付けたり、或いは浸漬ランスから
酸素ガスを吹き込んでも良いし、スケール等の固体酸化
物を溶鋼に添加しても良く、その操業形態、熱的余裕度
を勘案しながら方式を選択すれば良い。 【００１９】ここで、従来の転炉吹錬とＲＨ，ＤＨ等で
の軽処理を組み合わせた低炭素鋼の溶製方法との違いを
要約すると以下の様である。 【００２０】 本法を用いれば、従来のＲＨ，ＤＨに
比べて少ない溶鋼界面積で処理が可能となる。この事は
本発明者らが自由表面における脱炭反応の物質移動係数
が（６）式で表されるという知見に基づく。即ち、従
来、脱炭反応などの反応速度は反応界面積に比例すると
考えられていたが、（６）式に基づき最終的に得られた
（１２）式によると反応速度は界面積の僅か０．２１１
乗則でしか増加しないことを見出したことにある。従来
のＲＨの溶鋼単位重量当たりの反応界面積は常識的に２
００〜３００ｃｍ2 ／ｔ程度とされていたが、本発明で
は１５０ｃｍ2 ／ｔ未満でも撹拌力εを適正に保つこと
で脱炭処理が可能であることを見出した点にある。ただ
し、５０ｃｍ2 ／ｔ未満になると脱炭速度を得るために
は撹拌力を増大する必要が生じるが、真空槽内を通過す
るガスの流速が極めて大となり、１ｔｏｒｒ程度の高真
空精錬のようにスプラッシュ高さが高くなる。この場
合、径は小さくし得るものの、真空槽の高さが大きくな
りメカニカルポンプで排気し得る容積を越えるので大型
の排気装置が必要となり、本発明の目的を損なうので５
０ｃｍ2 ／ｔ以上が望ましい。また、１５０ｃｍ2 ／ｔ
以上になると脱炭速度は若干改善され得るものの、真空
槽の容積が増大し、やはり大型の排気装置を要する結果
となり、また、多くの耐火物を要し、更に耐火物と溶鋼
の接触面積が増加して温度低下がＲＨやＤＨ並に大きく
なるので、低炭素鋼を安価に溶製するという本発明の目
的を損なう。 【００２１】のように少ない反応界面積で処理が
可能であるから、例えば溶鋼量２９０ｔに対して従来の
ＲＨ脱ガス装置のような１．９ｍ以上といった大きな内
径を持つ真空槽は本来必要で無いことが明らかとなった
が、これにより真空槽が極めてコンパクトな設計で脱炭
処理が可能となった。 【００２２】 本法では圧力が１００ｔｏｒｒ超の低
真空で処理できるので、従来ＲＨやＤＨで必要であった
スチームエジェクター、ブースター等の巨大な真空排気
系は必要無く、メカニカルポンプ程度の設備ですむ。従
って設備費用が極めて安価であることと、従来多量に要
していた電力、蒸気などのエネルギーコストが極めて低
廉で済む。ただし、３００ｔｏｒｒ超になると撹拌力を
確保するのに必要なガス量が膨大になり、ガスコストが
増加することとスプラッシュが高く上がるようになり、
真空槽の高さを確保する必要が生じるため排気容積が増
加し、排気量の大きな真空ポンプを要し、設備費上望ま
しくない。 【００２３】の様に、１００ｔｏｒｒ超、３００
ｔｏｒｒ以下であるために従来の真空精錬設備を用いて
処理を行う方法に比べて耐火物コストも極めて低廉であ
る。即ち、高真空処理を前提としたＲＨやＤＨでは特に
高温焼成した緻密なダイレクトボンド煉瓦を使用するこ
とが一般的となっているが、本法では低廉で補修が容易
なキャスタブル耐火物でも可能である。 【００２４】 【実施例】実施例１は高炉で製造した溶銑を上底吹き転
炉で炭素濃度を０．０７１％に吹き止め、その溶鋼３を
図１に例を示す底吹き機能を有する取鍋１に出鋼した
後、Ａｒガス７を５８３Ｎｌ／ｍｉｎの割合で取鍋１に
設けた底吹き羽口８より底吹きしてスラグが排出された
溶鋼３の表面部分に内径１．４ｍのシールフード２をか
ぶせた後、シールフード２内をメカニカルポンプ４で排
気しつつ３００ｔｏｒｒの真空度に保ちながら、酸素ガ
ス５をシールフード２に設けたランス６より吹き付けな
がら脱炭処理を行った例である。この時の溶鋼量は１５
９．１ｔである。炭素濃度は処理前０．０７１％から９
分後に０．０４０％まで脱炭出来た。その後、脱酸用Ａ
ｌをフード内で添加して脱酸し、連続鋳造工程で鋳造し
た。 【００２５】実施例２は高炉で製造した溶銑を上底吹き
転炉で炭素濃度を０．０８４％に吹き止めた溶鋼３１５
０ｔを取鍋１に出鋼後、スラグを排出した後、図１に示
す装置で溶鋼を脱炭処理した場合の例である。この時の
フード内圧力は２００ｔｏｒｒ一定に保持し、底からＡ
ｒガスを６６７Ｎｌ／ｍｉｎの割合で流した。フード内
径は１６０ｃｍとした。炭素濃度は１５分の脱炭処理
後、０．０３０％まで低下した。脱炭処理後Ａｌを添加
して脱酸し、鋳造を行った。 【００２６】比較例１は、高炉で製造した溶銑を上底吹
き転炉で炭素濃度０．０４％目標の低炭素鋼を精錬した
例を示す。生成したスラグ中のＦｅＯ濃度は２３％であ
った。また溶鋼の酸素濃度は４７０ｐｐｍであった。実
施例１に比較すると脱酸用Ａｌの歩留まりは低く、約６
４％であった。 【００２７】比較例２として、高炉で製造した溶銑を上
底吹き転炉で炭素濃度０．０３％目標の低炭素鋼を精錬
した例を示す。生成した転炉スラグ中のＦｅＯ濃度は２
１．１％にも及び、鉄歩留まりは９９．５％であったが
精錬後の酸素濃度は５８０ｐｐｍと高かったため、脱酸
用Ａｌ等の合金歩留まりが低く、更に非金属介在物によ
る製品欠陥が多発した。 【００２８】比較例３は、最終炭素目標濃度０．０３％
の低炭素鋼をＲＨ脱ガス装置を用いて精錬した例であ
る。高炉で製造した溶銑を上底吹き転炉吹錬した後の炭
素濃度は０．０７４％であった。その後溶鋼を取鍋に移
し、ＲＨ脱炭を３ｍｉｎ間施したが、最終の炭素濃度は
０．０２５％であった。しかし、使用した電力、蒸気使
用量は溶鋼１ｔ当たり７．７ｋＷｈ，２．４ｋｇに達し
た。また、温度低下が大きく、昇熱を要した。 【００２９】 【表１】 【００３０】 【表２】 【００３１】 【発明の効果】本発明によれば、従来転炉精錬のみに頼
っていた低炭素溶鋼の脱炭処理を次工程の１００ｔｏｒ
ｒ超、３００ｔｏｒｒ以下の下での軽真空脱炭処理と分
割して行うことにより転炉脱炭後のスラグのＦｅＯ、
及び溶鋼中酸素濃度を低下させ、合金等の歩留まりを向
上し、清浄な鋼を得ることが出来るとともに、ＲＨ精
錬における莫大な真空排気設備を要せず、それに伴うラ
ンニングコスト、設備費用の大幅な増加を要せず炭素濃
度０．０２〜０．０４％の低炭素鋼が溶製可能になる。
また、本発明は実施例に示した設備のみならず、一般的
な精錬装置においてシールフード、酸素供給用のラン
ス、酸素供給装置、簡単な真空ポンプを設置するのみで
実施可能であり、既にある真空精錬設備に真空ポンプを
設置したり、高真空精錬装置の排気系の一部を利用して
実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を行うに好適な反応容器であ
る取鍋精錬装置の横断面図。 【図２】本発明における実施例、比較例におけるＡｌ歩
留まりを示す図。 【符号の説明】 １…取鍋 ２…シールフード ３…溶鋼 ４…真空ポンプ ５…酸素ガス ６…酸素吹き付けラン
ス ７…Ａｒガス ８…底吹き羽口
る取鍋精錬装置の横断面図。 【図２】本発明における実施例、比較例におけるＡｌ歩
留まりを示す図。 【符号の説明】 １…取鍋 ２…シールフード ３…溶鋼 ４…真空ポンプ ５…酸素ガス ６…酸素吹き付けラン
ス ７…Ａｒガス ８…底吹き羽口
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フロントページの続き
(72)発明者 國武智意
東海市東海町５−３ 新日本製鐵株式会
社名古屋製鐵所内
(56)参考文献 特開 平４−180512（ＪＰ，Ａ)
特開 昭54−96414（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−157733（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−198419（ＪＰ，Ａ)
特開 昭51−27810（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−285111（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−287216（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C21C 7/068
C21C 7/10
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 上底吹き転炉を用いて最終目標炭素濃度
より０．０３重量％以上、０．０６重量％未満高い炭素
濃度まで脱炭する一次脱炭工程と、該溶鋼を更に１００
ｔｏｒｒ超、３００ｔｏｒｒ以下の範囲の圧力下で脱炭
処理を行い、炭素濃度０．０２〜０．０５重量％、酸素
濃度０．０２２〜０．０４重量％の低炭素溶鋼を得る二
次脱炭工程を行う低炭素溶鋼の精錬方法であって、該二
次脱炭精錬において、減圧下に晒されている溶鋼の面積
Ａ（ｃｍ 2 ）を、溶鋼単位重量あたり５０ｃｍ 2 ／ｔ以
上、１５０ｃｍ 2 ／ｔ未満とし、溶鋼に吹き込むガスが
上記減圧に晒された溶鋼表面を通過するように、かつ
Ａ、及び（１）式で計算される撹拌エネルギーε（Ｗ）
と、（２）式で定義される所定の脱炭速度容量係数Ｋ’
（ｌ／ｍｉｎ）の関係が（３）式を満たすような条件で
所定量の有効酸素を供給しつつ脱炭処理を行うことを特
徴とする低炭素溶鋼の精錬方法 ε＝０．００６１８ ＱＴｌｎ（Ｐ／Ｐ 0 ） （１） Ｋ’＝ｌｎ（［％Ｃ］ i ／［％Ｃ］ f ）／ｔ （２） ２．３４６×１０ -4 Ａ 0.2１1 ε 0.789 ／Ｗ m ≧Ｋ’ （３） ε撹拌エネルギー（Ｗ）、Ｑ：ガス吹き込み量（Ｎｌ／
ｍｉｎ）、 Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）、Ｐ：ガス吹き込みガス圧力、Ｐ
0 ：真空槽内圧力 Ｗ m ：溶鋼量（ｔ）、Ｋ’：脱炭反応速度容量係数目標
値（ｌ／ｍｉｎ）、 ［％Ｃ］ｉ：処理前炭素濃度（重量％）、 ［％Ｃ］ｆ：処理後目標炭素濃度（重量％） Ａ：溶鋼表面積（ｃｍ 2 ）、ｔ：処理時間（ｍｉｎ）
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|---|---|---|---|
| JP06833996A JP3526687B2 (ja) | 1996-03-25 | 1996-03-25 | 低炭素鋼の精錬方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06833996A JP3526687B2 (ja) | 1996-03-25 | 1996-03-25 | 低炭素鋼の精錬方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH09256025A JPH09256025A (ja) | 1997-09-30 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP06833996A Expired - Fee Related JP3526687B2 (ja) | 1996-03-25 | 1996-03-25 | 低炭素鋼の精錬方法 |
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| JP (1) | JP3526687B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000073118A (ja) * | 1998-08-26 | 2000-03-07 | Nippon Steel Corp | 簡易取鍋精錬方法 |
| EP1757706B1 (en) * | 1999-06-16 | 2014-10-08 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Method for refining molten steel |
| JP4687103B2 (ja) * | 2004-12-28 | 2011-05-25 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 低炭素アルミキルド鋼の溶製方法 |
-
1996
- 1996-03-25 JP JP06833996A patent/JP3526687B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH09256025A (ja) | 1997-09-30 |
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