JP5205799B2 - 含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法に関し、詳しくは、上吹転炉または少量の不活性ガスによって底吹撹拌する上底吹転炉と取鍋精錬炉とを使用し、Ｃｒ含有合金鋼屑をＣｒ源として利用して含Ｃｒ低合金鋼を溶製する方法に関するものである。

転炉を用い、溶銑を主原料として合金成分を１〜３質量％含有する、いわゆる低合金鋼を溶製する場合に、合金成分のうちでＦｅよりも酸化されにくい元素であるＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏなどは、その大部分を予め転炉内に装入した上で溶銑の酸化精錬（「脱炭精錬」という）を行い、脱炭精錬終了後の出鋼時に少量の金属Ｎｉ、金属Ｃｕ、金属Ｍｏなどを投入して目標成分に合致するように微調整している。この場合、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ源としては、安価なスクラップや酸化物を使用することが可能である。

しかし、Ｆｅよりも酸化されやすいＣｒは、予め転炉内に装入して脱炭精錬すると、酸化損失するので、一般的には、転炉内には装入せず、出鋼時に金属Ｃｒを溶鋼に添加して成分調整を行っている。

但し、Ｃｒを９質量％以上含有するステンレス鋼では、炉底から多量の酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き込むＡＯＤ炉（例えば特許文献１参照）や、炉底羽口と上吹ランスの両方から酸素ガス及び不活性ガスの供給可能な酸素上底吹転炉（例えば特許文献２参照）といった特殊な形式の転炉を使用し、精錬中の炉内のＣＯ分圧を低下させてＣの酸化反応を優先させ、Ｃｒの酸化を抑える精錬が行われており、含Ｃｒ低合金鋼の溶製においてもこれらの特殊な形式の転炉を使用すれば、金属ＣｒやＦｅ−Ｃｒ系合金鉄のみならず、安価なＣｒ源である大形のＣｒ含有合金鋼屑を予め転炉に装入した脱炭精錬が可能となる。しかしながら、このような設備は大流量の酸素ガス及び不活性ガスの底吹ガス供給設備が必要であり、且つ、上吹ランスにも酸素ガス及び不活性ガスの双方を、それぞれ流量を独立に制御して供給する設備が必要であるため、設備費が嵩み、ステンレス鋼に比べて販売価格の低い含Ｃｒ低合金鋼の製造には不向きである。

上記のようなＡＯＤ炉や酸素上底吹転炉ではなく、低設備コストの転炉、つまり、底吹羽口から吹き込む少量の不活性ガスによって溶鋼を撹拌しつつ上吹ランスからの酸素ガスで脱炭精錬する、いわゆる不活性ガス底吹撹拌式の上底吹転炉や、上吹ランスからの酸素ガスで脱炭精錬する上吹転炉を用いて、予め転炉内に大形のＣｒ含有合金鋼屑を装入して含Ｃｒ低合金鋼を溶製することも不可能ではないが、Ｃｒの酸化を防止するためには、熱力学的にＣｒの酸化反応よりもＣの酸化反応つまり脱炭反応が優先的に進行する１７００℃以上の高温下で脱炭精錬を行う必要があり（例えば特許文献３参照）、転炉の耐火物寿命を著しく低下させるという問題がある。

また、転炉から取鍋に出鋼する際にＣｒ含有合金鋼屑を溶鋼中に添加することも可能ではあるが、取鍋内でＣｒ含有合金鋼屑の溶け残りが生じないようにするためにはＣｒ含有合金鋼屑を５０ｍｍ程度以下のサイズに切断しなければならず、大形のＣｒ含有合金鋼屑を使用した場合に比べて切断のための処理コストを要し、また、温度低下が発生することから多量のＣｒ含有合金鋼屑を使用できないという問題がある。
特開昭５９−１７７３１４号公報 特開２００４−８３９９５号公報 特開２００２−２８５２２２号公報

通常使用されている、上吹転炉または不活性ガス底吹撹拌式の上底吹転炉を用いて含Ｃｒ低合金鋼を溶製する際に、ステンレス鋼鋳片のクロップ屑やステンレス鋼鋼片のクロップ屑などの大形のＣｒ含有合金鋼屑をＣｒ源として有効に活用すれば、含Ｃｒ低合金鋼の製造コストは削減されるものの、上記説明のように、大形のＣｒ含有合金鋼屑を有効に活用する手段がなく、やむなく出鋼時に金属Ｃｒを溶鋼に添加して溶製しており、製造コストの上昇をもたらしていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上吹転炉または不活性ガス底吹撹拌式の上底吹転炉を用いて含Ｃｒ低合金鋼を溶製する際に、前記転炉の耐火物の溶損を防止し、且つ取鍋でのＣｒ含有合金鋼屑の溶け残りを防止しつつ安価な大形のＣｒ含有合金鋼屑をＣｒ源として有効活用することのできる溶製方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法は、転炉及び取鍋精錬炉を経て、Ｃｒを０．５〜３．０質量％含有する含Ｃｒ低合金鋼を溶製するに際し、Ｃｒ含有合金鋼屑を予め入れ置きした取鍋内に転炉で精錬した溶鋼を出鋼するか、または、転炉から取鍋への出鋼時若しくは出鋼後の取鍋内にＣｒ含有合金鋼屑を装入し、その後、前記溶鋼を溶鋼の加熱機能及び撹拌機能を有する取鍋精錬炉で精錬することを特徴とするものである。

第２の発明に係る含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法は、第１の発明において、前記Ｃｒ含有合金鋼屑は、単重が５０ｋｇ以上で４トン以下であることを特徴とするものである。

第３の発明に係る含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法は、第１または第２の発明において、前記Ｃｒ含有合金鋼屑は、ステンレス鋼鋳片のクロップ屑またはステンレス鋼鋼片のクロップ屑であることを特徴とするものである。

第４の発明に係る含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記Ｃｒ含有合金鋼屑は、予め入れ置きされた取鍋内で予熱されることを特徴とするものである。

第５の発明に係る含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記取鍋精錬炉の有する溶鋼の加熱機能は、アーク加熱方式であることを特徴とするものである。

第６の発明に係る含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法は、第１ないし第５の発明の何れかにおいて、前記取鍋精錬炉の有する溶鋼の撹拌機能は、取鍋底部からのガス吹込みまたは取鍋内溶鋼中に浸漬したランスからのガス吹込みによることを特徴とするものである。

本発明によれば、大形のＣｒ含有合金鋼屑を予め入れ置きした取鍋内に転炉で精錬した溶鋼を出鋼するか、または、転炉から取鍋への出鋼時若しくは出鋼後の取鍋内に大形のＣｒ含有合金鋼屑を装入し、その後、この溶鋼を溶鋼の加熱機能と撹拌機能とを有する取鍋精錬炉で精錬して含Ｃｒ低合金鋼を溶製するので、転炉耐火物の溶損を発生することなく、且つ、取鍋でのＣｒ含有合金鋼屑の溶け残りを防止しつつ、安価な大形のＣｒ含有合金鋼屑をＣｒ源として有効活用することができ、その結果、含Ｃｒ低合金鋼の製造コストを従来に比べて大幅に削減することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明では、溶銑を主原料とし、転炉と取鍋精錬炉とを経て含Ｃｒ低合金鋼を溶製するに際し、大形のＣｒ含有合金鋼屑を予め入れ置きした取鍋内に転炉で脱炭精錬して得た溶鋼を出鋼するか、または、転炉から取鍋への出鋼時若しくは出鋼後の取鍋内に大形のＣｒ含有合金鋼屑を装入し、その後、この溶鋼を溶鋼の加熱機能と撹拌機能とを有する取鍋精錬炉で精錬する。ここで、使用する転炉は、本発明の目的から酸素ガスを上吹きする上吹転炉または不活性ガス底吹撹拌式の上底吹転炉とする。ＡＯＤ炉や酸素上底吹転炉では、大流量の底吹ガス供給設備が必要であり、且つ、上吹ランスにも酸素ガスと不活性ガスを供給する設備が必要であるため、設備費が嵩み、好ましくないからである。また使用する溶銑は、高炉から出銑されたものであり、含Ｃｒ低合金鋼は材料特性の観点からＳ、Ｐなどの不純物が少ないことが望ましく、従って、転炉で脱炭精錬する前に溶銑段階で予め脱硫処理や脱燐処理が施されて溶銑を使用することが好ましい。

本発明で使用するＣｒ含有合金鋼屑は、単重が５０ｋｇ以上で数トン以下、具体的には４トン程度以下のものが好ましく、特に、連続鋳造時のステンレス鋼鋳片のトップ及びボトムのクロップ屑または分塊圧延後のステンレス鋼鋼片のトップ及びボトムのクロップ屑が安価であり好ましい。単重を５０ｋｇ未満にするためには、これらのクロップ屑を再切断する必要があることからコストが嵩み、本発明方法を適用した際のコスト低減効果が減殺される。また、上記クロップ屑は発生形態がそもそも数トン規模のものである。

本発明の対象とする含Ｃｒ低合金鋼のＣｒ含有量は、０．５〜３．０質量％とする。Ｃｒ含有量が０．５質量％未満の鋼種では、Ｃｒの添加量が少ない（Ｃｒ純分にして５ｋｇ／溶鋼トン）ので、転炉出鋼時に金属Ｃｒを使用する通常の溶製方法に比較して大形のＣｒ含有合金鋼屑を使用するメリットが小さい。また、一般的に含Ｃｒ低合金鋼としてのＣｒ含有量は３．０質量％以下であり、３．０質量％を越えてＣｒを含有する鋼種は、Ｃｒ含有量が９質量％以上の耐熱鋼やステンレス鋼となり、９質量％以上のＣｒを含有する耐熱鋼やステンレス鋼は、本発明で使用する上吹転炉または不活性ガス底吹撹拌式の上底吹転炉では精錬が困難である。

溶鋼の加熱機能と撹拌機能とを有する取鍋精錬炉としては、ＬＦ（レードルファーネス）、ＡＳＥ−ＳＫＦなどが知られているが、ＡＳＥＡ−ＳＫＦ方式の取鍋精錬炉では、溶鋼の撹拌を電磁誘導撹拌で行うので、取鍋の鉄皮として、鉄皮が誘導発熱しないようにステンレス製の特殊なものにしなくてはならず、低価格の低合金鋼や普通鋼の生産を主とする製鋼工場には適さない。一方、ＬＦは通常の取鍋を用いて処理できるので有利である。

ここで、ＬＦとは、取鍋内溶鋼の浴面上にフラックスを添加して精錬能のあるスラグ層を形成し、そのスラグ中にアーク電極を装入してサブマージアークを形成し、溶鋼を電力で加熱するとともに、取鍋底部に設けたポーラスプラグやパイプ式の羽口を通じて不活性ガスを吹き込んで溶鋼を撹拌する取鍋精錬方式の総称である。その変形形態として、別途浸漬式のガス吹込みランスを溶鋼中に浸漬し、このガス吹込みランスから大流量の撹拌ガスを吹き込むＡＰと呼ばれる形態もある。このＡＰを含めてＬＦは、溶鋼を加熱するとともに、スラグ精錬によって溶鋼の脱硫や脱酸を行い、高清浄鋼を製造するのに使用されている。本発明で使用する取鍋精錬炉としては、通常の取鍋を用いて処理できるという観点から、ＡＰを含めてＬＦを使用することが好ましい。以下、「ＬＦ」はＡＰを含むものとする。

含Ｃｒ低合金鋼の場合、Ｓ含有量が０．０１質量％未満の低硫鋼や、０．００１質量％未満の極低硫鋼がかなりの量存在するので、ＬＦはこのような鋼種を製造する製鋼工場では普通に設置されている。従って、本発明を実施する目的のみのために新たにＬＦを設置する必要はなく、設置に伴いコストが嵩むといった問題は少ない。

本発明では、ステンレス鋼鋳片のクロップ屑のような大形のＣｒ含有合金鋼屑を予め取鍋に入れ置きし、そこに転炉で脱炭精錬の済んだ溶鋼を出鋼するか、または、転炉から取鍋への出鋼時若しくは出鋼後の取鍋内に大形のＣｒ含有合金鋼屑を装入する。Ｃｒ含有合金鋼屑を入れ置きした場合及び出鋼時に装入した場合には、出鋼時の溶鋼の落下流れ（出鋼流という）によって取鍋内溶鋼は激しく攪拌され、それによって大形のＣｒ含有合金鋼屑の溶解が促進されるので、出鋼後に装入する場合に比べて溶解が促進されるが、それだけでは全てのＣｒ含有合金鋼屑を溶解し尽くすことは困難である。

本発明では、溶け残りのＣｒ含有合金鋼屑を含んでいる溶鋼を、ＬＦなどの溶鋼の加熱機能と撹拌機能とを有する取鍋精錬炉にて加熱及び撹拌して精錬する。このときの加熱によって溶け残ったＣｒ含有合金鋼屑を溶解するための熱を供給するとともに、撹拌によって溶解を促進し、取鍋内溶鋼成分の均一化を図る。加熱及び撹拌の時間は特定するものではないが、通常のＬＦ操業の加熱時間及び撹拌処理の時間（５分間以上好ましくは１０分間以上）で十分である。

溶鋼の加熱方法は上記のＬＦではアーク加熱であり、その他の加熱方法としては、溶鋼にＡｌを投入した後に酸素ガスを吹付けて昇熱する、いわゆるアルミ昇熱などの方法もあるが、多量のアルミナ介在物が生成したり、鋼中の成分含有量が変動したりする恐れがあるので、好ましい方法とはいえない。

本発明においては、Ｃｒ含有合金鋼屑を溶鋼で溶解する前に予熱しておくことが好ましい。投入前にポッパー内でＣｒ含有合金鋼屑を予熱する方法もあるが、取鍋に予めＣｒ含有合金鋼屑を入れ置きし、ガスバーナーなどの取鍋予熱装置で取鍋を予熱すると同時にＣｒ含有合金鋼屑を予熱することが好ましい。

例えば、Ｃｒ含有量が１．２質量％の含Ｃｒ低合金鋼溶鋼を３００トン溶製する場合に、そのＣｒ分に相当するＣｒ源をＣｒ含有量が１６質量％のＣｒ含有合金鋼屑で供給するには２２．５トンのＣｒ含有合金鋼屑が必要である。このＣｒ含有合金鋼屑を予熱することなく室温（２５℃と仮定）で投入すると、出鋼温度が１６００℃の場合に、取鍋内での溶鋼平均温度は１４８１℃となり、取鍋精錬炉で１２０℃以上の昇温が必要となる。一方、予め取鍋内に２２．５トンのＣｒ含有合金鋼屑を装入して取鍋予熱装置で９００℃まで予熱したとすれば、出鋼温度が１６００℃の場合に、取鍋内での溶鋼平均温度は１５４８℃となり取鍋精錬炉での昇温は５２度で足り、取鍋精錬炉での処理時間を短縮することができるからである。尚、Ｃｒ含有合金鋼屑は、表面に薄く強固な酸化被膜が形成されこれが酸素の浸透を妨げるので、通常の普通鋼屑などに較べて予熱の際に内部まで酸化されにくく、従って、予熱による酸化損失は考慮しなくて良いという利点がある。

本発明では、含Ｃｒ低合金鋼を溶製する上で必要なＣｒ分のうち、転炉での脱炭精錬の際に酸化ロスする恐れの小さい、鋼中Ｃｒ含有量、具体的には１質量％未満に相当する量のＣｒ源は予め転炉に装入して溶銑の脱炭精錬を実施し、それを超える分を出鋼時に取鍋に装入するようにしてもよく、むしろそうすることが好ましい。これによって、取鍋に装入するＣｒ含有合金鋼屑の量を減らすことができ、溶鋼の温度低下量を小さくすることができる。

例えば、Ｃｒ含有量が２．２５質量％の含Ｃｒ低合金鋼溶鋼を３００トン溶製する場合に、Ｃｒ含有量が１６質量％のＣｒ含有合金鋼屑（９００℃に予熱）をＣｒ源として、このＣｒ含有合金鋼屑の全量（４２．２トン）を取鍋に装入するとした場合、出鋼温度が１６００℃の場合に、取鍋内での溶鋼平均温度は１５０２℃となるが、０．９質量％分のＣｒ含有量に相当するＣｒ含有合金鋼屑（１６．９トン）を転炉に装入して脱炭精錬し、取鍋には、１．３５質量％分のＣｒ含有量に相当するＣｒ含有合金鋼屑を入れ置きするとすればその量は２５．３トンであり、出鋼温度が１６００℃の場合に、取鍋内での溶鋼平均温度は１５４１℃となり、取鍋精錬炉での昇温は５９度で足り、取鍋精錬炉での処理時間を短縮することができる。

このように、本発明によれば、大形のＣｒ含有合金鋼屑を予め入れ置きした取鍋内に転炉で精錬した溶鋼を出鋼するか、または、転炉から取鍋への出鋼時若しくは出鋼後の取鍋内に大形のＣｒ含有合金鋼屑を装入し、その後、この溶鋼を溶鋼の加熱機能と撹拌機能とを有する取鍋精錬炉で精錬して含Ｃｒ低合金鋼を溶製するので、転炉耐火物の溶損を発生することなく、且つ、取鍋でのＣｒ含有合金鋼屑の溶け残りを防止しつつ、安価な大形のＣｒ含有合金鋼屑をＣｒ源として有効活用することが可能となる。

不活性ガス底吹撹拌機能を有する炉容３００トンの不活性ガス底吹撹拌式の上底吹転炉と、アーク加熱及びガス吹込みランスからのガス吹込みを有するＬＦ（正確にはＡＰ）とを用い、Ｃｒ含有量が１．２質量％、Ｓ含有量が０．０１質量％未満である含Ｃｒ低合金鋼、並びにＣｒ含有量が２．２５質量％、Ｓ含有量が０．０１質量％未満である含Ｃｒ低合金鋼を、溶銑を主原料として本発明を適用して溶製した。

具体的には、Ｃｒ含有量が１６質量％であるステンレス鋼連続鋳造鋳片のクロップ屑（単重０．５〜３トン）をＣｒ含有合金鋼屑として使用し、このクロップ屑を出鋼前の取鍋に入れ置きして転炉から受鋼し、その後、ＬＦにて加熱及び撹拌して脱硫処理し、かくして含Ｃｒ低合金鋼を溶製した。クロップ屑を取鍋内で９００℃に予熱した場合と予熱しない場合とを実施し、後工程のＬＦでの処理時間を比較した。また、Ｃｒ含有量が２．２５質量％の含Ｃｒ低合金鋼を溶製する際には、約０．９質量％分相当のステンレス鋼連続鋳造鋳片のクロップ屑を転炉に装入して溶銑の脱炭精錬を実施し、得られた溶鋼に更に取鍋内で入れ置きしたクロップ屑を追加供給して溶製した。

また、比較のために、転炉内に前記Ｃｒ含有合金鋼屑の全量を装入し、Ｃｒの酸化を抑制するために高温下で溶銑の脱炭精錬を行って溶製する方法（比較例１）、及び、Ｃｒ源として金属Ｃｒを用い、出鋼時に取鍋内に添加して溶製する方法（比較例２）も実施した。表１に、本発明例１〜３及び比較例１，２の操業条件及び操業結果を示す。

表１に示すように、本発明によれば、転炉での精錬温度を高めることなく、安価なＣｒ含有合金鋼屑を使用して含Ｃｒ低合金鋼を溶製可能であることが確認できた。

Claims (7)

1. 転炉及び取鍋精錬炉を経て、Ｃｒを０．５〜３．０質量％含有する含Ｃｒ低合金鋼を溶製するに際し、Ｃｒ含有合金鋼屑を予め入れ置きした取鍋内に転炉で精錬した溶鋼を出鋼するか、または、転炉から取鍋への出鋼時若しくは出鋼後の取鍋内にＣｒ含有合金鋼屑を装入し、その後、溶鋼の加熱機能及び撹拌機能を有する取鍋精錬炉で、前記溶鋼を加熱して前記Ｃｒ含有合金鋼屑の溶け残りを溶解するための熱を確保して精錬することを特徴とする、含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。
2. 前記含Ｃｒ低合金鋼のＣｒ含有量は１．２〜３．０質量％であり、このＣｒ含有量の内の１質量％未満に相当する量のＣｒ含有合金鋼屑を予め転炉に装入して転炉で脱炭精錬することを特徴とする、請求項１に記載の含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。
3. 前記Ｃｒ含有合金鋼屑は、単重が５０ｋｇ以上で４トン以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。
4. 前記Ｃｒ含有合金鋼屑は、ステンレス鋼鋳片のクロップ屑またはステンレス鋼鋼片のクロップ屑であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。
5. 前記Ｃｒ含有合金鋼屑は、予め入れ置きされた取鍋内で予熱されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。
6. 前記取鍋精錬炉の有する溶鋼の加熱機能は、アーク加熱方式であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。
7. 前記取鍋精錬炉の有する溶鋼の撹拌機能は、取鍋底部からのガス吹込みまたは取鍋内溶鋼中に浸漬したランスからのガス吹込みによることを特徴とする、請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の含Ｃｒ低合金鋼の溶製方法。