JP4079097B2

JP4079097B2 - 高清浄鋼の溶製方法

Info

Publication number: JP4079097B2
Application number: JP2004042893A
Authority: JP
Inventors: 睦多田; 幹夫河野; 健朝比奈
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005232536A

Description

本発明は、高清浄鋼の溶製方法に関し、とくに高純度鋼や珪素鋼、その他冷延鋼板に要求される高純度レベルまで、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）およびリン（Ｐ）等の不純物元素を有利に低減する溶製方法を提案するものである。

近年、鋼の高純度化に対する要求の高まりに伴い、溶鋼中のＮ、ＳおよびＰなどの不純物元素をより低レベルまで低減させる様々な方法が検討されている。とくに、鋼へのＰ、Ｓ、Ｎなどの不純物元素の混入は、鋼の靭性の低下や加工性を低下させる原因ともなることから、鋼中炭素と共にその低減が求められている。

例えば、従来、真空脱ガス装置の浸漬管耐火物の外周を水素または水素と不活性ガスを主成分とするガスでシールすることによって、空気中の窒素の吸収を防止すると共に、該耐火物を介して水素を積極的に溶鋼中に混入させて脱炭を促進することにより、極低Ｃ、極低Ｎ鋼を溶製する方法が提案されている（特許文献１）。

また、真空脱ガス槽と組み合わせた取鍋内の溶鋼を減圧精錬する際、未脱酸溶鋼への不活性ガスと脱硫剤の吹き込みを特定条件下で行なうことによって、極低Ｃ、低Ｎ、極低Ｓ鋼を製造する方法もある（特許文献２）。

さらに、転炉鋼の[Ｃ]を0.1mass%以上の高いレベルに設定し、溶鋼表面に吸着する[Ｏ]を低減させると共に、脱炭反応によって生成するＣＯガス気泡を溶鋼の攪拌に積極的に利用することにより、脱Ｎ反応を促進させ、真空脱ガス処理で極低Ｎ鋼を製造する方法も提案されている（特許文献３）。

特開平6−306444号公報特開平3−281721号公報特開平7−166230号公報

また、最近では、極低Ｎ鋼の溶製方法として、転炉や電気炉等の一次精錬炉から取鍋へ出鋼する際、溶鋼中酸素を未脱酸とすることにより、吸窒を防止し、さらにＶＯＤやRH脱ガス装置等の二次精錬装置を用いて真空脱窒を行なう方法が広く用いられている。

しかしながら、前記特許文献１〜３に記載の従来技術では、現在求められている高純度鋼としてのレベルにまでＮ，ＳおよびＰを低減させることができず、また、前記一次精錬炉とRH脱ガス装置とを組み合わせる方法でも、ある程度低Ｎ化を実現することはできるものの、高純度鋼として要求されるレベルの極低Ｓ、極低Ｎおよび極低Ｐ化を併せて達成することはできないという問題点があった。

その理由は、脱Ｓは、次式
〔Ｓ〕＋（CaＯ）→（CaＳ）＋〔Ｏ〕
の反応によって起こるため、この反応を促進させるためには、溶鋼脱酸を行って鋼中酸素ポテンシャルを低下させると共に、塩基度の高いスラグとすることが求められるが、従来の極低Ｎ鋼の溶製方法においては、低Ｎ化を優先して溶鋼を未脱酸とするため、脱Sが進まず、たとえ脱Ｓのためのフラックスインジェクションを行ったとしても、鋼中Ｓ量はせいぜい〔Ｓ〕：20〜30 ppm程度にまでしか低減させることができない。

また、溶鋼中のＰについては、次式
２〔Ｐ〕＋５（FeＯ）＝（Ｐ_２Ｏ_５）＋５〔Fe〕
の酸化反応により脱Ｐされるため、一次精錬炉で脱炭を行う際に、スラグ中のFeＯを高めることにより、脱Ｐを促進させる方法が採用されている。しかしながら、〔Ｐ〕≦50ppmの極低リン鋼の溶製となると、転炉から流出したスラグ中に含まれるＰ₂Ｏ₅から溶鋼中に復Ｐする可能性がある。また、上掲式の反応からも判るように、脱Ｐ反応は酸化反応であるのに対し、脱Ｓ反応は還元反応であるため、脱Ｐと脱Ｓを同時並行的に起こさせることは、基本的にできないという問題がある。

また、転炉での脱Ｐ処理を優先させる場合、〔Ｃ〕を0.02 mass％程度まで吹き下げる必要があり、前記従来技術（特許文献１）に示されているように、転炉内溶鋼の［Ｃ］を0.1 mass%以上もの高いレベルに設定することができず、その後にＲＨ脱ガス処理を行っても、〔Ｎ〕を30 ppm以下まで低減することはできないという問題点があった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、溶鋼中のＮ、ＳおよびＰ量をそれぞれ、〔Ｎ〕≦20 ppm、〔Ｓ〕≦９ppm、〔Ｐ〕≦45 ppm程度とした高清浄鋼の有利な溶製方法を提案することを目的とする。

すなわち、本発明は、予備処理済みの溶銑を一次精錬炉にて脱Ｃおよび脱Ｐ精錬して未脱酸溶鋼を溶製し、その溶鋼を取鍋精錬炉に移し、ＣａＯ含有フラックス添加、加炭をしてから脱Ｓ処理を行うと共に、Ａｌの添加を行い、その後、ＶＯＤに移して送酸することによってＡｌ昇熱を生じさせ、このＡｌ昇熱によって脱炭量が０．０５〜０．２０ｍａｓｓ％までの脱Ｃを行うと共に、この脱Ｃ反応による脱ガス作用によって脱Ｎを行なうことにより、溶鋼中のＮ、ＳおよびＰ量をそれぞれ、〔Ｎ〕≦２０ｐｐｍ、〔Ｓ〕≦９ｐｐｍ、〔Ｐ〕≦４５ｐｐｍにまで低減させることを特徴とする高清浄鋼の溶製方法である。

なお、本発明においては、前記ＶＯＤにおけるＡｌ昇熱時に生成するＡｌ_２Ｏ_３に応じてＣａＯ含有フラックスを添加し、塩基度を調整すること、および一次精錬炉からの未脱酸溶鋼の出鋼時に、スラグ除去を行なうことが望ましい。

かくして、本発明によれば、〔Ｎ〕≦20 ppm、〔Ｓ〕≦９ppm、［Ｐ］≦45 ppmを満足する極低Ｎ、極低Ｓおよび極低Ｐの高清浄鋼を安定して得ることができる。

発明者らは、本発明の開発に先立ち、転炉、取鍋精錬炉（ＬＦ）およびＶＯＤを種々に組み合わせて、表１に示す製造プロセスで鋼を溶製し、その際のＮ，ＳおよびＰの低減レベルについて調査した。得られた結果を表１に併記する。

表１に示したとおり、製造プロセスａでは、ＶＯＤ後に〔Ｎ〕を30 ppm以下まで低減することができるものの、その後に行うＬＦでの脱Ｓ処理の際に、大気中からの吸Ｎが起こり、連続鋳造（ＣＣ）における〔Ｎ〕は30〜40 ppm程度にまで増加してしまう。
また、製造プロセスｂでは、ＬＦでの脱Ｓ処理時に吸Ｎが生じるが、その後のＶＯＤ処理により、[Ｎ]を20 ppm以下にまで低減することができる。しかしながら、[Ｐ]については、一次精錬炉にて生成したスラグが残存すると、スラグ中のP₂Ｏ₅から復Ｐが生じるため、[Ｐ]≦35 ppm程度になる。
さらに、製造プロセスｃでは、〔Ｎ〕を20 ppm以下に低減できるものの、ＬＦを省略するため、脱Ｓができず、〔Ｓ〕≦９ppmを達成することはできない（20〜25 ppm）のである。

表１に示した結果からわかるように、製造プロセスａではＬＦ処理の際に吸Ｎが生じ、十分な脱Ｎができないこと、製造プロセスｃでは脱Ｓができない。そこで、発明者らは、製造プロセスｂをベースにして、さらに調査を行った。すなわち、発明者らは、ＬＦにおける脱Ｓ処理とＶＯＤの組み合わせにより、復Ｐを防止しつつ脱Ｓと、とくに脱Ｎを如何に効果的に行なうかについて検討を行った。

まず、ＶＯＤによる脱Ｎレベルについて検討した。「鉄冶金熱力学 P.133」（大谷ら）によれば、真空下における溶鋼中の平衡Ｎ［％Ｎ］は、次式（１）
log〔％Ｎ〕＝−〔（188/Ｔ）＋1.246〕＋〔（logＰＮ₂）／２〕・・・（１）
ここで、Ｔ：溶鋼温度（℃）
ＰＮ₂：窒素分圧（atm）
で表すことができ、ＰＮ₂がそれぞれ66Ｐａ、133Ｐａの時、〔％Ｎ〕はそれぞれ12 ppm、16 ppmとなる。したがって、理論的には、ＶＯＤで到達可能なＮレベルは、12 ppm〜16 ppmであることから、さらに低減できる可能性が示唆された。

なお、前記特許文献３には、溶鋼中に多量のフリーな[Ｏ]や[Ｓ]が含まれていると、ＳやＯが溶鋼表面に吸着し、脱Ｎ反応を抑制することから、溶鋼中の[Ｃ]を高いレベルに設定してフリーな[Ｏ]を低減し、脱Ｎ反応が促進させることが記載されている。

そこで、発明者らは、上記プロセスｂに従いＶＯＤスタート時における〔Ｃ〕を高いレベルに設定し、その状態で、ＶＯＤに送酸して脱炭を行い、その際の脱Ｎ挙動についての調査を行なった。なお、ＶＯＤスタート時の[Ｃ]は、黒鉛またはコークスを添加して、0.12 mass%および0.14 mass%の２通りに調整した。得られた結果を表２に示す。

表２に示したとおり、ＶＯＤにてΔＣ：0.111〜0.138 mass％程度の脱Ｃを行うことによって、ΔＮ：26〜55 ppm程度の脱Ｎ効果が得られることが判明した。

なお、[Ｃ]調整のために添加した黒鉛またはコークスなどの加炭材には、一般にＳが含まれているため、ＶＯＤ処理時に加炭すると[Ｓ]の値が上がってしまう。

そこで、本発明では、ＬＦにて脱Ｓ処理を行う前までに加炭することにより、ＬＦにおける加炭材からのＳ分も脱Ｓ処理することにした。また、Ｐについては、転炉から流出したスラグ中に含まれるＰ₂Ｏ₅からの復Ｐが、溶鋼中のＰ濃度増加の原因であることから、ＬＦ処理に先立ち、未脱酸溶鋼の出鋼時にスラグを除去することにより、復Ｐを抑制することが好ましい。

ところで、ＬＦにおいて脱Ｓを行う際、脱酸剤としてAlを添加するが、Alは、ＬＦ後のＶＯＤ処理における送酸によって酸化され、Al₂Ｏ₃となり、その際の発熱反応によって溶鋼温度が上昇する。
発明者らは、ＶＯＤ処理での脱Ｎ挙動を調査したところ、表３に示すように、Al昇熱によっても脱Ｎが進行することを知見した。

以上のような知見から、本発明方法によれば、ＬＦにおける脱Ｓ処理とＶＯＤの組み合わせにより、復Ｐを防止しつつ脱Ｓと脱Ｎを効果的に行うことができ、その結果、溶鋼中のＮ、ＳおよびＰ量はそれぞれ、〔Ｎ〕≦20 ppm、〔Ｓ〕≦９ppm、〔Ｐ〕≦45 ppmを満足する高清浄鋼を有利に溶製することができることがわかった。

（実施例１）
図１に示す本発明に従う好適プロセスにより、高純度鋼の溶製を行った。すなわち、予備処理済みの溶銑を、転炉に装入し、転炉で脱Ｃおよび脱Ｐを行ったのち、未脱酸状態で出鋼して吸Ｎを防止する。ついで、スラグを除去したのち、ＬＦにてCaＯ含有フラックスの添加、加炭およびAl脱酸を行う。ついで、ＬＦでフラックスインジェクションによる脱Ｓ処理後、送酸機能を有するＶＯＤにおいて、溶鋼に対して送酸し、Al昇熱による脱Ｃを行うと同時に、脱Ｎも併せて行った。

上記の製造プロセスによって溶製した溶鋼の成分組成の変化について調べた結果を表４に示す。

表４に示したとおり、本発明に従って溶製することにより、〔Ｎ〕≦20 ppm、〔Ｓ〕≦9 ppm、〔Ｐ〕≦45 ppmの高清浄鋼が得られることがわかる。
また、ＶＯＤにて生成するAl₂Ｏ₃とバランスするようにCaＯ含有フラックスを添加して、塩基度を調整した場合、溶鋼の清浄度がさらに向上することも確認された。

本発明は、高純度鋼材、珪素鋼材等の高級鋼材、製造に限らず、純鉄代替部材として高合金鋼製造用材料の製造用技術として利用される。

本発明に従う好適製造プロセスを示す図である。

Claims

予備処理済みの溶銑を一次精錬炉にて脱Ｃおよび脱Ｐ精錬して未脱酸溶鋼を溶製し、その溶鋼を取鍋精錬炉に移し、ＣａＯ含有フラックス添加、加炭をしてから脱Ｓ処理を行うと共に、Ａｌの添加を行い、その後、ＶＯＤに移して送酸することによってＡｌ昇熱を生じさせ、このＡｌ昇熱によって脱Ｃを行うと共に、この脱Ｃ反応による脱ガス作用によって脱Ｎを行なうことを特徴とする高清浄鋼の溶製方法。
ＶＯＤにおけるＡｌ昇熱時に生成するＡｌ_２Ｏ_３に応じて、ＣａＯ含有フラックスを添加し、塩基度を調整することを特徴とする請求項１に記載の高清浄鋼の溶製方法。
一次精錬炉からの未脱酸溶鋼の出鋼時に、スラグ除去を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の高清浄鋼の溶製方法。