JP4686917B2

JP4686917B2 - 真空脱ガス設備における溶鋼の溶製方法

Info

Publication number: JP4686917B2
Application number: JP2001209113A
Authority: JP
Inventors: 英寿松野; 剛村井; 良輝菊地; 栄司櫻井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2003027128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼を真空脱ガス設備を用いて溶製する方法に関し、詳しくは溶鋼中の炭素濃度を精度良く調整することのできる溶製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄鋼材料の用途の多様化に伴い、より苛酷な環境下での使用が多くなり、材料特性の高性能化が求められている。高性能化の中には高特性化と共に材質の安定化も大きな因子であり、そのため、従来に比べて鉄鋼材料中成分の上下間の範囲を小さくすることが要求されており、その中の１つとして炭素濃度が挙げられる。
【０００３】
炭素濃度の下限値が０．０３mass％以上の範囲である鋼を溶製する場合には、転炉精錬のみでも溶製可能であるが、炭素濃度の上限値が０．０３mass％未満の範囲である鋼を溶製する場合においては、転炉精錬のみでは転炉内スラグへの鉄ロスが多くなり、コストの面から不利となるため、転炉精錬により０．０３〜０．０４mass％程度まで脱炭した上で、更に、ＲＨ真空脱ガス装置等の真空脱ガス設備において雰囲気のＣＯガス分圧を下げた脱炭処理、即ち真空脱炭処理を併用して溶製している。
【０００４】
真空脱ガス設備において炭素濃度が０．０３mass％未満の鋼を効率良く溶製するには、真空脱炭処理中の溶鋼中炭素濃度を精度良く把握する必要がある。溶鋼から分析用試料を採取して炭素濃度を定量的に把握することは可能であるが、多数の試料を採取する必要があり且つ処理中に炭素濃度が時間と共に減少してしまい効率的でなく、そのため、溶鋼中炭素濃度を推定しながら脱炭処理することが広く行われている。例えば、特開平８−４１５２８号公報には、真空脱ガス設備の処理開始からの排ガス中の成分と排ガス量とから溶鋼中の炭素濃度を推定しながら精錬する溶製方法が開示されており、又、特開平８−４１５２９号公報には、溶鋼中の酸素濃度を固体電解質によりオンラインで測定し、Ｃ−Ｏ平衡式に基づき溶鋼中の炭素濃度を推定しながら精錬する溶製方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、これら公報に開示された方法では、炭素濃度の上限値が０．００３mass％未満の範囲である極低炭素域の溶鋼を溶製する場合には精度良く炭素濃度を調整することが可能であるものの、炭素濃度の下限値が０．００３mass％以上の範囲である溶鋼を溶製する場合には、真空脱炭処理後の炭素濃度のバラツキが大きく、炭素濃度の再調整が必要となる、若しくは成分外れとなる等の不具合が生じることが現状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、炭素濃度の成分範囲が０．００３mass％以上で０．０３mass％未満の範囲である鋼を真空脱ガス設備により溶製する際に、炭素濃度を精度良く目標値に調整することができる溶製方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。以下に検討結果を説明する。
【０００８】
真空脱ガス設備としてＲＨ真空脱ガス装置を用いた溶鋼の脱炭反応に関しては多数の研究がなされ、その脱炭速度は溶鋼中炭素濃度が０．００３mass％以上の範囲においては下記の（１）式に示す一次反応式で整理されることが分かっている。但し、（１）式における［Ｃ］は溶鋼中炭素濃度、Ｋｃは脱炭速度定数である。
【０００９】
【数１】

【００１０】
脱炭速度定数の値はＲＨ真空脱ガス装置の設備条件及び操業条件により異なるが、一般的には０．３／ｍｉｎ程度と言われており、本発明者等の調査結果でも平均値で０．３２／ｍｉｎとなることを確認している。
【００１１】
このように、炭素濃度が０．００３mass％以上の範囲では脱炭反応は一次反応であるため、溶鋼中炭素濃度が高いほど単位時間当たりの溶鋼中炭素濃度の減少量が大きくなり、例えば溶鋼中炭素濃度が０．００７mass％の時点では０．００２２mass％／ｍｉｎの速度で溶鋼中炭素濃度が減少する。従って、炭素濃度の成分範囲が例えば０．００６〜０．００８mass％の溶鋼を溶製する場合に０．００７mass％を目標として脱炭反応を終了しようとすると、脱炭処理時間に最大でも０．４５ｍｉｎ（＝０．００１mass％÷０．００２２mass％／ｍｉｎ）の余裕しか許容されない。しかも脱炭速度は同一操業においてもバラツキがあるので、実操業において炭素濃度を安定して精度良く制御することは極めて困難である。
【００１２】
そこで、一旦溶鋼中炭素濃度を０．００３mass％未満の極低炭素域まで脱炭した後に炭素含有物質を溶鋼に添加し、目標とする炭素濃度に調整する方法を検討した。溶鋼中炭素濃度が０．００３mass％未満の範囲では、脱炭速度が一次反応式から解離し始め、脱炭速度が急激に低下してくる。脱炭速度が一次反応式から解離する原因は、真空槽内に付着した地金等の影響によるものと推定されている。従って、この領域での溶鋼中炭素濃度の制御においては、操業条件の変動や脱炭速度自体のバラツキを吸収可能であり、炭素濃度を精度良く目標値に調整することができる。
【００１３】
又、加炭剤となる炭素含有物質は真空槽内の溶鋼へ投入添加されるため、排気ガスによる飛散ロスや真空槽内耐火物への付着等による歩留まりロスが生じ、更に、溶鋼への溶解性が悪い場合には取鍋内湯面上のスラグへの浮上等による歩留まりロスが生じ、精度良く加炭するためには、飛散ロス及び耐火物への付着ロスを少なくして確実に真空槽内溶鋼湯面へ加炭剤を到達させること、並びに、加炭剤を溶鋼中で迅速に溶解させることが重要であることが分かった。
【００１４】
この観点から判断した場合、黒鉛やコークス等の炭材は安価と言う利点はあるものの、密度が小さく、飛散ロスが生じ、又、溶鋼への溶解性も悪く、歩留まりが安定せず、好ましくない。フェロマンガンやフェロクロムの鉄合金及び銑鉄は密度が大きい上に溶鋼への溶解性が良く、溶鋼中炭素濃度を安定して調整することができる。これら鉄合金の場合には、溶鋼中のマンガン濃度及びクロム濃度が上昇するが、添加量の調整により成分範囲内に抑えることができる。フェロマンガン、フェロクロム及び銑鉄において溶鋼中炭素濃度の制御性には優位差は見られなかった。
【００１５】
炭素濃度の成分範囲が０．００３mass％以上で０．０３mass％未満の範囲内にある鋼種としては、炭素を０．００４〜０．０１０mass％、マンガンを０．１０〜１．２０mass％、燐を０．０１〜０．０５mass％、アルミニウムを０．０１〜０．１mass％、ニオブを０．０１〜０．２０mass％含有する高強度冷延鋼板が存在し、本発明者等は当該鋼種の溶製に本発明を適用することにより安定して炭素濃度を調整することが可能となることを確認した。
【００１６】
本発明は、上記検討結果に基づきなされたもので、本発明による真空脱ガス設備における溶鋼の溶製方法は、炭素：０．００４〜０．０１０mass％、マンガン：０．１０〜１．２０mass％、燐：０．０１〜０．０５mass％、アルミニウム：０．０１〜０．１mass％、ニオブ：０．０１〜０．２０mass％を含有する高強度冷延鋼板の素材である炭素鋼を真空脱ガス設備を用いて溶製する際に、真空脱ガス設備の真空度を利用して溶鋼中の炭素濃度を０．００３mass％未満まで脱炭した後、溶鋼に、フェロマンガン、フェロクロム、銑鉄のうちの１種又は２種以上からなる炭素含有物質を添加して溶鋼を加炭し、溶鋼の炭素濃度を成分範囲内に調整することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面である。
【００１８】
図１に示すように、ＲＨ真空脱ガス装置１は、上部槽６及び下部槽７からなる真空槽５と、下部槽７の下部に設けられた上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９とを備え、上部槽６には、排気装置（図示せず）と接続し、真空槽５内を排気する際のガス排出流路となるダクト１１と、真空槽５内に合金鉄やフラックス等の原料を投入するための原料投入口１２とが設けられ、又、上昇側浸漬管８にはＡｒ吹き込み管１０が設けられている。Ａｒ吹き込み管１０からは環流用Ａｒが上昇側浸漬管８内に吹き込まれる構造となっている。
【００１９】
このような構成のＲＨ真空脱ガス装置１において、本発明による溶鋼の溶製方法を実施するに際しては、先ず、転炉や電気炉等で酸化精錬した溶鋼３を取鍋２に出鋼し、溶鋼３を収納する取鍋２を真空槽５の直下に搬送する。溶鋼３はその炭素濃度が０．０３〜０．０４mass％程度となるように転炉及び電気炉で酸化精錬する。又、真空下での脱炭反応を生じさせるために、溶鋼３にアルミニウムや珪素等の脱酸剤を添加せず、溶鋼３中に溶解酸素が存在する状態、即ち未脱酸状態のままとする。取鍋２内には転炉や電気炉等における精錬で発生したスラグ４が一部混入し、溶鋼３の湯面を覆っている。尚、スラグ４による溶鋼３の酸化を防止し、清浄性の優れた鋼を溶製するために、出鋼後、取鍋２内のスラグ４中に金属Ａｌ、Ａｌ灰等の脱酸剤又はＣａＯ系のフラックスを添加し、スラグ４中のＦｅＯ、ＭｎＯ等の低級酸化物を予め還元しておくことが好ましい。
【００２０】
次いで、昇降装置（図示せず）にて取鍋２を上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２内の溶鋼３に浸漬させる。そして、Ａｒ吹き込み管１０から上昇側浸漬管８内にＡｒを吹き込むと共に、真空槽５内を排気装置にて排気して真空槽５内を減圧する。真空槽５内が減圧されると、取鍋２内の溶鋼３は、Ａｒ吹き込み管１０から吹き込まれるＡｒと共に上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５内に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。
【００２１】
溶鋼３は未脱酸状態であるので、真空槽５内では溶鋼３中の炭素と酸素との反応が生じ、溶鋼３中の炭素はＣＯガスとなって排ガスと共に真空槽５から排出され、溶鋼３は脱炭される。この場合、脱炭反応を促進させるために、気体酸素や鉄鉱石等の固体酸素源を真空槽５内の溶鋼３に吹き付ける若しくは吹き込んでも良い。溶鋼３の炭素濃度が０．００３mass％未満となるまで、このようにして脱炭反応を継続する。
【００２２】
溶鋼３の炭素濃度が０．００３mass％未満となったなら、原料投入口１２から溶鋼３にアルミニウム等の脱酸剤を添加して溶鋼３を脱酸し、次いで、原料投入口１２から溶鋼３に加炭剤としての炭素含有物資を添加して溶鋼３の炭素濃度を目標値に調整する。炭素含有物質としては、前述したように、フェロマンガン、フェロクロム、銑鉄のうちの１種又は２種以上を用いることが好ましい。
【００２３】
この場合、脱炭処理終了時点即ちアルミニウム等の脱酸剤の投入時点は、溶鋼３中の炭素濃度が０．００３mass％未満の任意の値となった時点で良く、脱炭処理開始から或る一定時間が経過した時点とすることができる。これは、例えば脱炭処理前の溶鋼３中の炭素濃度、真空槽５の真空度、環流用Ａｒの吹き込み流量等を因子として予め脱炭速度式を求め、この脱炭速度式に基づき定めることができる。更に、このようにして定めた脱炭処理終了時点以前に溶鋼３から分析用試料を採取し、溶鋼３中の炭素濃度を化学分析により確認しても良い。フェロマンガン、フェロクロム、銑鉄等の炭素含有物質の添加量は、同様に前述した脱炭速度式により定まる炭素濃度を基準としても良く、更に、溶鋼３中の炭素濃度分析値を基準としても良い。
【００２４】
更に、必要に応じて珪素、マンガン、ニオブ、チタン等の成分調整剤を原料投入口１２から溶鋼３に投入して溶鋼３の成分を調整した後、真空槽５を大気圧に戻してＲＨ真空脱ガス精錬を終了する。
【００２５】
このようにして炭素濃度の成分範囲の下限値が０．００３mass％以上の範囲で且つ上限値が０．０３mass％未満の範囲である溶鋼３をＲＨ真空脱ガス装置１により溶製することにより、炭素濃度を精度良く目標値に調整することができ、従来比較的炭素濃度にバラツキのあった当該炭素濃度範囲の鉄鋼材料の材質安定化が達成される。
【００２６】
尚、上記説明ではＲＨ真空脱ガス装置１について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、ＤＨ真空脱ガス装置やＶＡＤ装置等の真空脱ガス設備に適用することができる。
【００２７】
【実施例】
図１に示すＲＨ真空脱ガス装置を用い、炭素を０．００４〜０．０１０mass％、マンガンを０．１０〜１．２０mass％、燐を０．０１〜０．０５mass％、アルミニウムを０．０１〜０．１mass％、ニオブを０．０１〜０．２０mass％含有し、残部が鉄及び不可避成分からなる高強度冷延鋼板用の溶鋼を本発明方法により溶製した。
【００２８】
用いた溶鋼は、高炉から出銑された溶銑を脱硫処理した後に転炉で酸化精錬した未脱酸状態のもので、容量は２５０トンである。脱ガス精錬前の溶鋼成分は、炭素濃度が０．０３０〜０．０３５mass％、珪素濃度が０．０５mass％以下、マンガン濃度が０．３mass％以下、燐濃度が０．０２mass％以下、硫黄濃度が０．０１５mass％以下であった。
【００２９】
ＲＨ真空脱ガス装置では、環流用Ａｒ流量を３０００Ｎｌ／ｍｉｎ、真空槽内到達真空度を１３３Ｐａ（１torr）以下の操業条件で真空脱炭処理を行い、溶鋼炭素濃度が０．００１５mass％になったと推定される時点まで脱炭処理を実施した。溶鋼炭素濃度は予め求めた脱炭速度式に基づき推定した。そして、その時点でアルミニウムを添加して溶鋼を脱酸し、次いで、加炭剤としてフェロマンガン（炭素濃度：６．９mass％、マンガン濃度：７５mass％）を添加して溶鋼中炭素濃度を調整した。ニオブ濃度を調整するため、フェロマンガンと同時にフェロニオブも添加した。
【００３０】
ＲＨ真空脱ガス精錬では炭素濃度の目標値を０．００６〜０．００８mass％とし、その中央値の０．００７mass％となるようにフェロマンガンの添加量を調整した。フェロマンガンの添加により溶鋼中マンガン濃度が上昇するが、上昇量はおよそ０．０６mass％であり、マンガン成分範囲の許容量に比べて少なくマンガン濃度に配慮する必要はなかった。尚、確認のため、アルミニウムを添加して溶鋼を脱酸した直後に溶鋼から試料を採取して溶鋼の炭素濃度を分析した。
【００３１】
一方、比較のために上記条件の真空脱炭処理中に溶鋼炭素濃度が０．００７mass％になったと推定した時点で、溶鋼にアルミニウムを添加して脱炭反応を終了させ、炭素濃度を調整する方法も実施した。この場合、溶鋼中の炭素濃度は、従来方法である、脱炭処理開始前の溶鋼中炭素濃度と脱炭処理開始からの排ガス中の成分及び排ガス量とに基づき推定した。アルミニウムの添加後、ニオブ濃度を調整するためフェロニオブを添加した。
【００３２】
図２に、ＲＨ真空脱ガス精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を、本発明方法により炭素濃度を調整した場合（本発明例）と従来方法により炭素濃度を調整した場合（比較例）とで比較して示す。図２に示すように、比較例では高強度冷延鋼板の成分範囲内にはあるものの、０．００５〜０．０１mass％の広い範囲に分布しており、目標範囲とした０．００６〜０．００８mass％の範囲内で調整できた例は５割以下であった。これに対し、本発明例では目標値とした０．００７mass％近傍に集中しており、目標範囲である０．００６〜０．００８mass％の範囲内に全て調整されていた。
【００３３】
このように本発明方法を用いることにより、炭素濃度の成分下限値が０．００３mass％以上の範囲である炭素鋼の炭素濃度を精度良く調整可能であることが分かった。尚、本発明方法では０．００３mass％以下まで一旦脱炭するために処理時間が延長するが、処理時間の延長は極低炭素鋼の溶製に比較して３分間程度であり、ＲＨ真空脱ガス精錬の全体時間は２０分前後で完了可能であり、次工程の連続鋳造とのマッチングに影響を与える程のことではないことも確認できた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明よれば、炭素濃度の成分範囲が０．００３mass％以上で０．０３mass％未満の範囲である炭素鋼の炭素濃度を精度良く目標値に調整することができ、材料特性の安定した鉄鋼材料を容易に製造することが可能となり、工業上有益な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面である。
【図２】ＲＨ真空脱ガス精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を本発明例と比較例とで比較して示す図である。
【符号の説明】
１ＲＨ真空脱ガス装置
２取鍋
３溶鋼
４スラグ
５真空槽
６上部槽
７下部槽
８上昇側浸漬管
９下降側浸漬管
１０Ａｒ吹き込み管
１１ダクト
１２原料投入口

Claims

炭素：０．００４〜０．０１０mass％、マンガン：０．１０〜１．２０mass％、燐：０．０１〜０．０５mass％、アルミニウム：０．０１〜０．１mass％、ニオブ：０．０１〜０．２０mass％を含有する高強度冷延鋼板の素材である炭素鋼を真空脱ガス設備を用いて溶製する際に、真空脱ガス設備の真空度を利用して溶鋼中の炭素濃度を０．００３mass％未満まで脱炭した後、溶鋼に、フェロマンガン、フェロクロム、銑鉄のうちの１種又は２種以上からなる炭素含有物質を添加して溶鋼を加炭し、溶鋼の炭素濃度を成分範囲内に調整することを特徴とする、真空脱ガス設備における溶鋼の溶製方法。