JP5223363B2 - 合金鉄の添加方法及び鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、合金鉄の添加方法、具体的には、例えばｐｐｍオーダーの含有量の微量添加元素を含有する鋼を製造する際に用いるのに好適な合金鉄の添加方法と、この合金鉄の添加方法を用いた鋼の製造方法とに関する。

溶鋼への合金鉄の添加は、一般的に、合金鉄ホッパーから切り出しフィーダーにより秤量機に設定量の合金鉄を切り出し、秤量機で秤量してから投入シュート等を介して取鍋に収容される溶鋼に投入することによって、行われる。合金鉄の添加に関して、これまでにも様々な提案がなされている。

例えば特許文献１には、合金貯蔵槽から切り出しフィーダーにより所定量の合金鉄を切り出して減圧精錬装置の真空槽内の溶鋼へ添加する際に、合金貯蔵槽の内部の雰囲気の圧力と、合金の真空槽側の雰囲気の圧力との差圧が５０ｈＰａ以上の所定の圧力である場合に、合金の溶鋼への添加を、この合金が流通する管に設置された弁を閉じて強制的に遮断することによって、合金貯蔵槽に貯蔵された合金を真空槽内の溶鋼へ必要な時期に正確に投入する合金添加方法に係る発明が開示されている。

また、特許文献２には、ＭｇＯと金属Ｔｉ又はＴｉ合金の混合物を鉄製のワイヤーに充填して構成されるＭｇ添加剤を、ワイヤーフィーダーを用いて溶鋼へ供給することによって溶鋼にＭｇを添加する方法に係る発明が開示されている。

近年、鋼のさらなる高級化や高機能化等に伴って、極微量の含有量であっても鋼の性質や性能を大幅に改善、向上することができる、例えばＳ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｄ、Ｚｒ等の微量添加元素の含有量の管理幅の厳格化（例えば目標幅１０ｐｐｍ）や微量化（例えば２０ｐｐｍ程度）が強く求められている。
特開２００５−１７１２８１号公報 特開２００１−４９３２６号公報

しかし、上述したいずれの合金鉄の添加方法によっても、上述したような、微量添加元素の含有量の管理幅の厳格化や微量化を図ることは、非常に難しい。
特許文献１により開示された発明において用いる既設の切り出しフィーダーの秤量精度は、例えば目標幅１０ｐｐｍといった管理幅には達しないことが多い。小型かつ少量計測用の秤量機を追加して設けることにより秤量精度を向上させようとしても、添加する合金鉄の種類によって粒径サイズが異なるため、切り出しフィーダーによる合金鉄の切り出しを、１０ｇ単位や１００ｇ単位といった高い精度で制御しなければならず、その実施は困難である。また、仮にこのような高い精度で制御することができたとしても、合金鉄の切り出しに要する時間が増加し、操業上問題である。さらに、小型かつ少量計測用の秤量機を追加するために設備費の上昇も否めない。

また、特許文献２により開示された発明は、取鍋内スラグの影響を受け難く合金鉄の歩留りの向上には確かに有効ではあるものの、１０ｇ単位や１００ｇ単位といった高い精度で合金鉄の添加量を調整するには、ワイヤーの単位長さ当たりの合金鉄の含有量を極微量に設定する必要があり、目標幅１０ｐｐｍの管理やｐｐｍオーダーの添加は非常に困難である。なお、この発明にも設備費が嵩むという課題がある。

このため、微量添加元素の含有量の管理幅の厳格化（例えば目標幅１０ｐｐｍ）や微量化（例えば２０ｐｐｍ程度）に対応するために、作業者が、手動で合金鉄を秤量してから合金鉄投入孔を介して手動で所定量の合金鉄を溶鋼に投入せざるを得ないのが現状であり、作業の安全及び工数の両面で早急な改善が望まれる。

本発明は、閉じた横断面形状を有する筒状の本体部と、この本体部の一方の端部開口を閉じるとともに溶鋼に浸漬された場合に本体部よりも先に溶損又は焼損する先端部とを備え、内部に合金鉄を収容する中空体からなる合金鉄収容部材を、先端部が本体部よりも下部に位置するようにして溶鋼に浸漬し、先端部を溶損又は焼損させることによって、合金鉄を溶鋼中へ投入すること、及び、合金鉄収容部材の溶鋼への浸漬が、合金鉄収容部材を、溶鋼の測温サンプリング装置の先端に装着することにより、行うことを特徴とする合金鉄の添加方法である。

この本発明に係る合金鉄の添加方法では、本体部が紙製であることが望ましい。この場合に先端部は紙製であるとともに、この先端部の厚さが本体部の厚さよりも小さいことがさらに望ましい。さらに、これらの場合に、本体部の厚さは、浸漬される溶鋼の浮力に耐え得る厚さ以上であること、例えば３ｍｍ以上であることが望ましい。

これらの本発明に係る合金鉄の添加方法では、合金鉄収容部材の内部に、合金鉄を、投入する溶鋼１トン当たり１ｋｇ以下収容することが望ましい。
別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係る合金鉄の添加方法を用いて溶鋼へ合金鉄を投入する工程を含むことを特徴とする鋼の製造方法である。

本発明に係る合金鉄の添加方法、およびこの合金鉄の添加方法を用いた鋼の製造方法によれば、微量な合金鉄を正確かつ安全にさらには低コストで溶鋼に添加することができるので、例えばＳ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｄ、Ｚｒ等といった微量添加元素の含有量の管理幅の厳格化（例えば目標幅１０ｐｐｍ）や微量化（例えば２０ｐｐｍ程度）を図ることができる。このため、本発明によれば、微量添加元素を含有する鋼を、安全かつ低コストで製造することができるようになる。

以下、本発明に係る合金鉄の添加方法、およびこの合金鉄の添加方法を用いた鋼の製造方法を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態で使用する合金鉄収容部材１の構成を模式的に示す説明図である。

本実施の形態では、この合金鉄収容部材１を用いて溶鋼に合金鉄を添加するので、はじめに合金鉄収容部材１を説明する。
図１に示すように、合金鉄収容部材１は、円筒状の本体部２と先端部３を備える中空体４からなる。中空体４の内部には、後述する合金鉄６が収容される。

本体部２は、円形の横断面形状を有するが、これに限定されるものではなく、例えば四角形や長円といった円形以外の閉じた横断面形状を有するものであればよい。
本体部２は、浸漬される溶鋼を汚染するおそれがないこと、焼損して溶鋼中に混入した場合に直ちに浮上すること、さらには低コストであること等の観点から、本実施の形態では紙製とした。また、本体部の厚さｔ_１は、浸漬される溶鋼の浮力に耐えることができる厚さ以上であること、例えば３ｍｍ以上であることが望ましい。

先端部３は、この本体部２の一方の端部に例えば接着により装着されて、本体部２の一方の端部開口を閉じる。本実施の形態では、先端部３は、本体部２と同様の観点から紙製としたが、これに限定されるものではなく、例えば軟鋼製、アルミニウム製又は銅製としてもよい。

この合金鉄収容部材１は、溶鋼に浸漬された際に先端部３が本体部２よりも先に焼損することによって、内部に収容する合金鉄を溶鋼中へ投入するものである。先端部３が本体部２よりも先に焼損することには、少なくとも、先端部３及び本体部２それぞれの材質（本実施の形態ではいずれも紙）及び厚さや、浸漬時の溶鋼の温度等が影響する。このため、本実施の形態のように紙製の先端部３を紙製の本体部２よりも先に焼損させるためには、先端部３の厚さｔ_２を本体部２の厚さｔ_１よりも小さく設定することが望ましい。なお、本実施の形態とは異なり、先端部３を例えば軟鋼製とする場合には、先端部３の厚さｔ_２を本実施の形態の場合よりもさらに小さく設定すればよい。

なお、本実施の形態では、先端部３の内側に合金鉄６を保護するとともに、先端部３が焼損すると、内部に収容された合金鉄６とともに落下して溶鋼中に混入する耐火物５を、配置している。

本実施の形態で用いる合金鉄収容部材１は、以上のように構成される。次に、この合金鉄収容部材１を用いて合金鉄６を溶鋼に添加する方法を説明する。
図２は、合金鉄収容部材１を用いて合金鉄６を、取鍋７に収容されて精錬設備で処理されている溶鋼８（約７０トン、温度１５００〜１６５０℃、［Ｃ］：０．０３〜１．００質量％）に添加する状況を模式的に示す説明図である。

図２に示すように、はじめに合金鉄収容部材１の内部に合金鉄６を収容する。本実施の形態では、例えばＳ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｄ、Ｚｒ等といった、ｐｐｍオーダーの含有量であっても鋼の性質、性能を大幅に改善・向上することができる微量添加元素を含有する鋼を、安全かつ低コストで製造するため、合金鉄収容部材１の内部に、合金鉄６を、溶鋼８ １トンあたり１ｋｇ以下収容することが望ましい。

内部に合金鉄６を収容した合金鉄収容部材１を、その先端の大径部９ａが合金鉄収容部材１の本体部２の他方の端部開口に嵌合することによって合金鉄収容部材１と一体化される保持部材９を介して、溶鋼８に浸漬して使用される既設の自動の測温サンプリング装置１０の先端に装着する。

本実施の形態では、合金鉄収容部材１を、測温サンプリング装置１０の先端に装着するが、これに限定されるものではなく、例えば手動のホルダーの先端に装着するようにしてもよい。

この後、測温サンプリング装置１０を起動することによって、合金鉄６を内部に収容した合金鉄収容部材１を、図２に示すようにその先端部３が本体部２よりも下部に位置するようにして溶鋼８中に浸漬する。

溶鋼８へ合金鉄収容部材１を浸漬する深さｈは、図２に例示するように、合金鉄６を収容する本体部２が溶鋼８中に完全に没する深さ以上とすることが望ましい。合金鉄６と溶鋼８上に存在するスラグ（図示しない）とが直接接触することを防いで、合金成分の添加歩留りを安定させることができるからである。

また、合金鉄収容部材１を溶鋼８中に浸漬する時間は、溶鋼８内で先端部３が完全に焼損する時間であればよく、通常５〜１０秒間程度である。
このようにして、合金鉄収容部材１を溶鋼に浸漬すると、先端部３が本体部２よりも先に焼損する。先端部３が本体部２よりも先に焼損することによって本体部２の一方の端部が開口するので、この開口を介して、本体部２の内部に収容される合金鉄６が耐火物５とともに下方へ落下し、溶鋼８の中に投入される。このようにして、合金鉄６が溶鋼８へ添加される。

本実施の形態によれば、合金鉄６の添加歩留りは、作業者が、手動で合金鉄を秤量してから合金鉄投入孔を介して手動で溶鋼に投入する場合と同等かあるいはそれ以上であり、高い添加歩留りを示すようになる。

また、本実施の形態によれば、微量な合金鉄６を正確かつ安全にさらには低コストで溶鋼８に添加することができ、例えばＳ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｄ、Ｚｒ等といった微量添加元素の含有量の管理幅の厳格化（例えば目標幅１０ｐｐｍ）や微量化（例えば２０ｐｐｍ程度）を図ることができる。

このため、この添加方法を用いて溶鋼８へ合金鉄６を投入する工程を含んで鋼を製造することにより、例えばＳ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｄ、Ｚｒ等の、例えばｐｐｍオーダーの含有量の微量添加元素を含有する鋼を、安全かつ低コストで製造することができるようになる。

なお、上述した特許文献１により開示された発明は、減圧精錬装置のみにしか適用できないが、本発明は、内部に合金鉄６を収容した合金鉄収容部材１を、その先端部３が本体部２よりも下部に位置するようにして溶鋼８中に浸漬するだけで実施できるので、減圧精錬装置以外の精錬装置における合金鉄の溶鋼への添加に際しても、適用することができる。

また、特許文献１には、合金鉄貯蔵槽の周辺にリークが生じた場合には、異常ありとランプやスピーカーにより指示し、その後適切な時期に減圧精錬装置を停止させ合金貯蔵槽周辺のリークを調査し、リーク原因を取り除き、その後、運転を再開する旨、記載されていることから、特許文献１により開示された発明は、合金鉄貯蔵槽の周辺にリークが発生すると、後工程である連続鋳造工程に所定のタイミングで溶鋼を繋ぐことが出来なくなるが、本発明は、事前に投入する合金鉄６を秤量して合金鉄収容部材１の内部に収容すれば直ちに添加することができるので、必ず正確に溶鋼８内へ合金鉄６を投入することができる。

さらに、本発明を、実施例を参照しながら、より具体的に説明する。
図１に示す合金鉄収容部材１（本体部２の外径：１００ｍｍ）を用いて、図２に示すようにして、Ｔｉを９５質量％以上含有するＴｉ合金鉄６（０．０２０〜０．０４０ｋｇ／ｔ）を、取鍋７に収容されて精錬設備で処理されているＡｌ脱酸された溶鋼８（約７０トン、温度１５００〜１６５０℃、［Ｃ］：０．２０〜０．６０質量％、［Ｓｉ］：０．０５〜０．４０質量％、［Ｍｎ］：０．５０〜１．００質量％）に添加した。

本実施例では、紙製の本体部２の厚さｔ_１は、溶鋼２に浸漬する際に溶鋼の浮力に耐えられる厚さ以上として３ｍｍとした。また、浸漬深さｈは合金鉄６を収容する本体部２が完全に溶鋼８に没する深さである８００ｍｍとするとともに、浸漬時間は８秒間とした。

また、先端部３は、溶鋼８に浸漬した場合に本体部２よりも先に焼損又は溶損する材質として、紙製又は軟鋼製の２種とした。先端部３の厚さｔ_２は、溶鋼８の浮力に耐えられるとともに本体部２よりも先に焼損又は溶損することを狙って、紙製の場合には１ｍｍとし、軟鋼製の場合には２ｍｍとした。

従来例として、同種の合金鉄０．０２０〜０．０４０ｋｇ／ｔを別途オフラインで秤量して紙袋に収容し、この紙袋を通常の合金鉄フィーダーからの投入シュートを通じて取鍋７に収容された溶鋼８に手動で投入した。

さらに、比較例として、合金鉄ホッパーから切り出しフィーダーにより秤量機に設定量の合金鉄を切り出し、秤量機により秤量してから投入シュート等を介して取鍋７に収容された溶鋼８に自動で投入した。

表１に、本発明例、比較例および従来例についてのＴｉ歩留り（％）および製品Ｔｉ値（ｐｐｍ）の測定結果を、添加時の溶鋼中［Ｃ］（質量％）および溶鋼温度（℃）とともにまとめて示す。なお、表１において「製品Ｔｉ値」は全て２５ｐｐｍを目標値とした。また、表２における「Ｔｉ歩留（％）」は、（製品Ｔｉ値／成分狙い値）×１００として求めた。

表１におけるＮｏ．１〜６は比較例であり、Ｎｏ．７〜１１は従来例であり、Ｎｏ．１２〜１５は本体部２が先端部３よりも先に焼損した参考例であり、Ｎｏ．１６〜２１は本発明例である。

また、図３は、表１のＮｏ．１〜２１について製品Ｔｉ値の範囲を示すグラフであり、図４は、表１のＮｏ．１〜２１について、Ｔｉ歩留りの範囲を示すグラフである。
本発明例であるＮｏ．１６〜２１は、図３にグラフで示すように、製品Ｔｉ値のばらつきが、手動で投入する従来例（Ｎｏ．７〜１１）よりも小さくなり、目標範囲である１０ｐｐｍ以内にＴｉ値を調整することが可能になる。また、Ｎｏ．１６〜２１は、先端部３を厚さが１ｍｍの紙製として本体部２の厚さよりも先端部２の厚さを薄く構成したので、溶鋼８中において先端部３が本体部２より先に焼損し、溶鋼８の深い位置で合金鉄６を溶鋼８に投入することができたので、図４にグラフで示すように、従来例（Ｎｏ．７〜１１）と同等の安定したＴｉ歩留りを得ることもできる。

参考例であるＮｏ．１２〜１５は、先端部３を厚さが２ｍｍの軟鋼製としたので、溶鋼［Ｃ］≧０．５０％では処理温度が低く、先端部３が溶損する前に本体部２が焼損したため、合金鉄６が溶鋼界面近傍で混ざりやすくなりスラグの影響を受け、図４にグラフで示すようにＴｉ歩留りが本発明例であるＮｏ．１６〜２１よりも若干悪化した。この場合には、先端部３の厚さを、例えば１ｍｍ程度と薄く設定して先端部３が本体部２よりも先に溶損するようにすることにより、Ｔｉ歩留りを本発明例と同程度に高めることができる。

このように、溶鋼処理温度に応じて、先端部３の材質や厚さを適宜変更することによって溶鋼８中において先端部３が本体部２より先に焼損又は溶損するようにすることが、重要である。

一方、比較例であるＮｏ．１〜６は、図４にグラフで示すように製品Ｔｉ歩留りは良好であるものの、合金鉄の切り出し精度が劣るため、図３にグラフで示すように製品Ｔｉ値のばらつきが１８〜３２ｐｐｍと大きくなり、製品Ｔｉ値のばらつきを規格範囲である１０ｐｐｍ以内に抑えることができなかった。

さらに、従来であるＮｏ．７〜１１は、投入量を手動で事前に秤量した後に手動で投入するため、製品Ｔｉ値のばらつきを目標範囲である１０ｐｐｍに調整でき、かつ製品Ｔｉ歩留りも比較例と同等である。しかし、手動で秤量して手動で合金鉄を合金鉄投入孔から投入するので、作業の安全及び工数の両面で問題である。

実施の形態で使用する合金鉄収容部材の構成を模式的に示す説明図である。 合金鉄収容部材を用いて合金鉄を、取鍋に収容された溶鋼に添加する状況を模式的に示す説明図である。 表１のＮｏ．１〜２１について製品Ｔｉ値の範囲を示すグラフである。 表１のＮｏ．１〜２１についてＴｉ歩留りの範囲を示すグラフである。

符号の説明

１ 合金鉄収容部材
２ 本体部
３ 先端部
４ 中空体
５ 耐火物
６ 合金鉄
７ 取鍋
８ 溶鋼
９ 保持部材
９ａ 大径部
１０ 測温サンプリング装置

Claims (6)

1. 閉じた横断面形状を有する筒状の本体部と、該本体部の一方の端部開口を閉じるとともに溶鋼に浸漬された場合に前記本体部よりも先に溶損又は焼損する先端部とを備え、内部に合金鉄を収容する中空体からなる合金鉄収容部材を、前記先端部が前記本体部よりも下部に位置するようにして溶鋼に浸漬し、前記先端部を溶損又は焼損させることによって、前記合金鉄を前記溶鋼中へ投入すること、及び、前記合金鉄収容部材の前記溶鋼への浸漬は、該合金鉄収容部材を、溶鋼の測温サンプリング装置の先端に装着することにより、行うことを特徴とする合金鉄の添加方法。
2. 前記本体部は紙製である請求項１に記載された合金鉄の添加方法。
3. 前記先端部は紙製であるとともに、該先端部の厚さは前記本体部の厚さよりも小さい請求項２に記載された合金鉄の添加方法。
4. 前記本体部の厚さは、３ｍｍ以上である請求項２又は請求項３に記載された合金鉄の添加方法。
5. 前記合金鉄収容部材の内部に、前記合金鉄を、投入する溶鋼１トン当たり１ｋｇ以下収容する請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された合金鉄の添加方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された合金鉄の添加方法を用いて溶鋼へ合金鉄を投入する工程を含むことを特徴とする鋼の製造方法。

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