JP4667841B2 - クロム含有鋼の溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、クロム含有鋼の溶製方法に関する。

クロムを含有する鋼、たとえばステンレス鋼に含まれる窒素（Ｎ）は、鋼を硬化させ、また耐食性を悪くするなどの好ましくない影響を及ぼすので、ステンレス鋼の溶製段階において低減化が図られている。

たとえば１つの先行技術では、脱炭処理前の溶鋼に加炭し、その後に実行される脱炭処理時に生じる一酸化炭素（ＣＯ）ガスの量を増すことによって、脱窒する方法が提案される（特許文献１参照）。脱窒は、脱炭反応（２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ）において生じるＣＯガスの気泡へＮ_２が取込まれることによって進行するので、特許文献１の技術では、脱炭処理前に溶鋼へ加炭して脱炭反応を促進することによって、脱窒の促進を図るものである。

また特許文献１では、加炭された溶鋼に酸化カルシウム（ＣａＯ）、螢石（ＣａＦ２）などの高塩基度のフラックスを装入し、アルゴン（Ａｒ）ガスで強撹拌することによって、脱窒を促進する方法も開示される。

しかしながら、特許文献１に開示されるように脱炭処理前の溶鋼に加炭して炭素（Ｃ）濃度を高くすると、脱窒を促進できるけれども、Ｃ自体を低減するための脱炭処理に長時間を要し、生産効率が低下するという問題がある。また脱窒のためにのみ高価な高塩基度フラックスを用いるとコスト上昇を招くという問題がある。

またもう一つの先行技術では、減圧雰囲気下において溶鋼中の酸素（Ｏ）濃度を低減することによって脱窒速度が向上することを開示する（非特許文献１参照）。この知見に基づいて、ステンレス鋼の溶製などでは、たとえばArgon-Oxygen-Decarburization（略称ＡＯＤ）炉において減圧雰囲気下でシリコン（Ｓｉ）合金等によって溶鋼を脱酸還元して酸素濃度を低減するとともに脱窒を行って出鋼する方法がとられている。

しかしながら、脱炭炉であるＡＯＤ炉内で溶鋼の脱酸還元を行うと、炉壁を構成する炉内耐火物の損耗が激しく、耐火物費用を増大させるとともに、未脱酸で出鋼する場合に比べて脱酸後の出鋼では、出鋼時における溶鋼の酸素濃度が低いので、出鋼中に大気から吸窒して窒素濃度が大きくなるという問題がある。

特公平３−４６５２７号公報 原島、溝口、梶岡、坂倉、「低窒素濃度溶鉄の減圧下における脱窒速度」、鉄と鋼、社団法人日本鉄鋼協会、１９８７、第７３年、第１１号、ｐ１５５９−１５６６

本発明の目的は、高価なフラックスを用いることなく、また脱炭炉の炉内耐火物の損耗を抑制し、効率的に窒素を低減することができるクロム含有鋼の溶製方法を提供することである。

本発明は、クロムを含有する溶鋼を脱炭炉で脱炭処理する脱炭工程と、
脱炭炉で脱炭されたクロムを含有する溶鋼を脱酸することなく容器に出鋼する出鋼工程と、
容器内に出鋼されるクロムを含有する溶鋼に脱酸剤を添加して容器内で脱酸および／または容器内に脱酸剤を予め装入しておき該脱酸剤の上に出鋼されるクロムを含有する溶鋼を容器内で脱酸する第１の脱酸工程と、
容器内で脱酸されたクロムを含有する溶鋼を、雰囲気の減圧が可能な減圧手段を備える脱炭精錬炉で脱炭精錬処理する脱炭精錬工程と、
脱炭精錬処理後のクロムを含有する溶鋼に脱酸剤を添加して脱酸する第２の脱酸工程とを順次実施することを特徴とするクロム含有鋼の溶製方法である。

また本発明は、第１の脱酸工程において用いられる脱酸剤が、アルミニウムであり、
該アルミニウムの使用量が、クロムを含有する溶鋼１トンあたり０．３〜３．０ｋｇであることを特徴とする。

また本発明は、第１の脱酸工程において用いられる脱酸剤が、シリコンであり、
該シリコンの使用量が、クロムを含有する溶鋼１トンあたり０．３〜２．５ｋｇであることを特徴とする。
また本発明は、溶鋼に含有されるクロム量が１０重量％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、脱炭炉では脱炭のみを行い、脱酸を行わないので、脱炭炉の炉内耐火物の損耗を抑制することができ、未脱酸の状態で容器に出鋼し、出鋼された容器において脱酸するので、溶鋼が大気から吸窒することを抑制できる。また、脱酸工程および脱炭精錬炉で脱炭精錬する工程において、溶鋼に加炭することがないので、脱炭処理に要する時間を短縮でき、窒素含有量の低いクロム含有鋼、たとえばクロム量が１０重量％以上のステンレス鋼を効率的に溶製することができる。

また本発明によれば、容器においてクロム含有鋼を脱酸する脱酸剤には、好適量のＡｌまたはＳｉが用いられるので、コストアップを惹起することなく脱酸および脱窒を促進することができる。

本発明のクロム含有鋼の溶製方法は、クロムを含有する溶鋼を脱炭炉で脱炭処理する脱炭工程と、脱炭炉で脱炭されたクロムを含有する溶鋼を脱酸することなく容器に出鋼する出鋼工程と、容器内に収容されるクロムを含有する溶鋼に脱酸剤を添加して容器内で脱酸および／または容器内に脱酸剤を予め装入しておき該脱酸剤の上に出鋼されるクロムを含有する溶鋼を容器内で脱酸する第１の脱酸工程と、容器内で脱酸されたクロムを含有する溶鋼を、雰囲気の減圧が可能な減圧手段を備える脱炭精錬炉で脱炭精錬処理する脱炭精錬工程と、脱炭精錬処理後のクロムを含有する溶鋼に脱酸剤を添加して脱酸する第２の脱酸工程とを順次実施することを特徴とする。

本発明のクロム含有鋼の溶製方法は、クロムを１０重量％以上含有するステンレス鋼の溶鋼に対して好ましく適用される。鋼中にクロムが含まれているとき、窒素はクロムと結合し易く、ステンレス鋼が耐食性を発現するための主要元素であるクロムが窒素と結合すると、耐食性低下の原因になるので、特に溶鋼がステンレス鋼であるとき、本発明の溶製方法による脱窒の効果を顕著に奏することができる。

溶鋼のクロム含有量が１０重量％未満では、ステンレス鋼としての耐食性が充分ではなく、クロムと窒素との結合に関する窒素低減効果も発現されにくい。溶鋼のクロム含有量の上限は、特に限定されないけれども、３５重量％以下であることが好ましい。３５重量％を超えるクロムを含有する溶鋼に本発明の方法を適用することは可能であるけれども、クロムの酸化消耗が激しくなるので、上限を好ましくは３５重量％とした。

脱炭工程では、たとえば電気炉で溶製されたクロム含有鋼の溶鋼（以後、単に溶鋼と略称することがある）を、転炉またはＡＯＤ炉などの脱炭炉において公知の方法で脱炭する。このとき脱炭炉において溶鋼を脱酸処理しないことが本発明の一つの特徴である。次の出鋼工程において、脱炭された溶鋼が、脱酸処理されることなく、たとえば取鍋などの容器に出鋼される。

第１の脱酸工程では、クロムを含有する溶鋼は、取鍋内において脱酸処理される。溶鋼の脱酸は、取鍋内に予め脱酸剤を装入しておき、その脱酸剤の上に溶鋼を出鋼することによって行われても良く、また取鍋内に出鋼されて収容される溶鋼に脱酸剤を添加することによって行われても良く、さらに上記の両方が併用されても良い。

第１の脱酸工程における脱酸剤としては、アルミニウム（Ａｌ）またはＳｉが好適に用いられ、Ａｌの場合、その使用量が溶鋼１トンあたり０．３〜３．０ｋｇ（以後、溶鋼１トンあたりの使用量をｋｇ／トンで表し、原単位と呼ぶ）であることが好ましく、Ｓｉの場合、その原単位が０．３〜２．５ｋｇ／トンであることが好ましい。

以下第１の脱酸工程における脱酸剤の原単位の範囲限定理由について説明する。ＡｌまたはＳｉの原単位が、０．３ｋｇ／トン未満では、脱酸効果が充分に発現されず、溶鋼の酸素濃度を充分に低減することができない。Ａｌの原単位が３．０ｋｇ／トンを超えると、またはＳｉの原単位が２．５ｋｇ／トンを超えると、余剰のＡｌまたはＳｉが生じるので、これらを低減するために、すなわち脱Ａｌ、脱Ｓｉのために酸素が必要になり、ＡｌまたはＳｉ濃度が減少するまで脱炭反応が起こり難くなる。その結果、酸素濃度が低い状態で脱炭せずに酸素を溶鋼に供給する時間が長くなり、雰囲気からの窒素吸収によって窒素濃度が高くなる。したがって、脱酸剤としてのＡｌまたはＳｉの原単位を上記の範囲とした。

脱炭精錬工程では、取鍋内で脱酸された溶鋼を、雰囲気の減圧が可能な減圧手段を備える脱炭精錬炉、たとえばVacuum-Oxygen-Decarburization（略称ＶＯＤ）炉、循環脱ガス（略称ＲＨ）炉などで脱炭精錬処理する。この脱炭精錬工程においては、前工程である第１に脱酸工程において取鍋内で脱酸されて酸素濃度が低下した溶鋼を減圧雰囲気下において脱炭精錬するので、脱炭反応が促進され、該脱炭反応の進行とともに脱窒が進行し、溶鋼の窒素濃度低減が実現される。

第２の脱酸工程では、脱炭精錬処理後の溶鋼に脱酸剤を添加して脱酸する。この第２の脱酸工程に用いられる脱酸剤としては、Ａｌ単独、Ｓｉ単独、ＡｌとＳｉとの複合のいずれが用いられても良い。

このように本発明のクロム含有鋼の溶製方法では、脱炭炉で溶鋼の脱酸を行わないので脱炭炉の炉内耐火物の損耗を抑制することができ、また取鍋内で脱酸して低酸素濃度とした溶鋼を減圧雰囲気にできる脱炭精錬炉で脱炭するので、溶鋼に加炭しなくても脱炭反応が促進され、効率的に溶鋼の脱窒をおこなうことが可能である。

以下本発明の実施例について説明する。本実施例では、成品のクロム（Ｃｒ）含有量が約１２重量％のステンレス鋼を溶製する場合について例示する。なお、本実施例において組成比を表す％は、特に断らない限り重量％である。

（溶鋼）
主成分が表１に示す範囲に含まれる複数チャージの溶鋼を電気炉にてそれぞれ溶製した。各溶鋼の１チャージの重量は約７５トンであった。

（脱炭および出鋼工程）
転炉において、溶鋼のＣ濃度が、０．０５〜０．３０％になるまで粗脱炭を行うとともに、Ｃｒ濃度が１０〜１２％になるように成分の粗調整を行い、粗調整後の溶鋼を脱酸することなく取鍋へ出鋼した。

（第１の脱酸工程）
取鍋内に脱酸剤であるＦｅＳｉ合金（７５％Ｓｉ）を１００ｋｇ（＝原単位１．０ｋｇ／トン）を予め装入しておき、該ＦｅＳｉ合金に上記の成分粗調整後の溶鋼が出鋼されるようにして脱酸を行った。

なお、実施例において使用した脱酸剤の基本的な量は、上記のＳｉ原単位が１．０ｋｇ／トンであるけれども、Ｓｉ原単位が脱窒に及ぼす影響を調べるために、Ｓｉの原単位を０〜４．０ｋｇ／トンの範囲で変化させて各溶鋼の脱酸を行った。また同じく脱酸剤であるＡｌについても、Ａｌ原単位が脱窒に及ぼす影響を調べるために、Ａｌの原単位を０〜４．０ｋｇ／トンの範囲で変化させて各溶鋼の脱酸を行った。

（脱炭精錬工程および第２の脱酸工程）
脱酸後の溶鋼をＶＯＤ炉において、Ｃ濃度が０．０２０％以下になるまで脱炭精錬した。このときの溶鋼温度は、１５５０〜１７５０℃であり、ＶＯＤ炉の脱炭精錬雰囲気は、約０．１ｋＰａであった。この脱炭精錬工程において、溶鋼から分析試料を採取し、脱炭精錬開始前の溶鋼のＣ濃度［％Ｃ］を分析した。さらに脱炭精錬処理後の溶鋼に脱酸剤として、Ａｌを添加し、脱酸した。この第２の脱酸工程における脱酸剤の原単位は、おおよそ４ｋｇ／トンであった。脱炭精錬および第２の脱酸処理（便宜上これらの処理をまとめてＶＯＤ処理と呼ぶ）終了後の溶鋼の窒素濃度［％Ｎ］を分析した。

（分析結果）
図１は、ＶＯＤ処理前の溶鋼のＣ濃度とＶＯＤ処理後の溶鋼のＮ濃度との関係を示す図である。図１中では、脱酸剤であるＳｉを装入しない場合と、原単位で０．２ｋｇ／トン，０．３ｋｇ／トンおよび１．０ｋｇ／トンのそれぞれを装入した場合とについて、ＶＯＤ処理前の溶鋼のＣ濃度とＶＯＤ処理後の溶鋼の窒素濃度とを分析した結果を示す。

溶鋼のＶＯＤ処理前のＣ濃度が、同一水準であるとき、Ｓｉ脱酸を行う方が、またＳｉ原単位を多くする方が、ＶＯＤ処理後の窒素濃度を低くすることができる。また同一水準のＶＯＤ処理後の窒素濃度を得ることができるＶＯＤ処理前のＣ濃度は、Ｓｉ脱酸を行う方が、またＳｉ原単位を多くする方が、低くても良いことが判る。

図２は、ＶＯＤ処理後の溶鋼のＮ濃度に及ぼす第１の脱酸工程におけるＡｌ、Ｓｉ原単位の影響を示す図である。図２に示すように、Ａｌを脱酸剤として使用する場合、原単位が０．３〜３．０ｋｇ／トンの範囲で、ＶＯＤ処理後の溶鋼のＮ濃度０．００８％以下が達成され、Ｓｉを脱酸剤として使用する場合、原単位が０．３〜２．５ｋｇ／トンの範囲で、ＶＯＤ処理後の溶鋼のＮ濃度０．００８％以下が達成された。

ＶＯＤ処理前の溶鋼のＣ濃度とＶＯＤ処理後の溶鋼の窒素濃度と関係を示す図である。 ＶＯＤ処理後の溶鋼のＮ濃度に及ぼす第１の脱酸工程におけるＡｌ、Ｓｉ原単位の影響を示す図である。

Claims (4)

1. クロムを含有する溶鋼を脱炭炉で脱炭処理する脱炭工程と、
   脱炭炉で脱炭されたクロムを含有する溶鋼を脱酸することなく容器に出鋼する出鋼工程と、
   容器内に出鋼されるクロムを含有する溶鋼に脱酸剤を添加して容器内で脱酸および／または容器内に脱酸剤を予め装入しておき該脱酸剤の上に出鋼されるクロムを含有する溶鋼を容器内で脱酸する第１の脱酸工程と、
   容器内で脱酸されたクロムを含有する溶鋼を、雰囲気の減圧が可能な減圧手段を備える脱炭精錬炉で脱炭精錬処理する脱炭精錬工程と、
   脱炭精錬処理後のクロムを含有する溶鋼に脱酸剤を添加して脱酸する第２の脱酸工程とを順次実施することを特徴とするクロム含有鋼の溶製方法。
2. 第１の脱酸工程において用いられる脱酸剤が、アルミニウムであり、
   該アルミニウムの使用量が、クロムを含有する溶鋼１トンあたり０．３〜３．０ｋｇであることを特徴とする請求項１記載のクロム含有鋼の溶製方法。
3. 第１の脱酸工程において用いられる脱酸剤が、シリコンであり、
   該シリコンの使用量が、クロムを含有する溶鋼１トンあたり０．３〜２．５ｋｇであることを特徴とする請求項１記載のクロム含有鋼の溶製方法。
4. 溶鋼に含有されるクロム量が、
   １０重量％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のクロム含有鋼の溶製方法。

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