JP5255217B2 - 溶鋼の脱炭方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系合金の溶銑を脱炭して溶鋼とし、さらに脱炭する溶鋼の脱炭方法に関する。

鉄系合金の溶製においては、高炉や電気炉でＣ濃度が高い溶銑を生成し、転炉などで脱炭精錬してＣ濃度を低減して溶鋼にしている。鉄系合金のうち、たとえばステンレス鋼は、鋼中のＣ含有量が多いと、ＣがＣｒと結合して多量のＣｒ炭化物を生成し耐食性を悪くするので、転炉で脱炭精錬したステンレス溶鋼に対してさらに真空脱炭法やアルゴン−酸素脱炭法などでＣ濃度を低減する仕上げ脱炭精錬を行っている。

図１０は、ステンレス鋼の製造工程のうち溶製工程の概略を例示する。図１０を参照し、仕上げ脱炭精錬工程を含むステンレス鋼の溶製について説明する。電気炉で原料を溶解して溶銑を生成し、転炉で粗精錬と成分調整した溶鋼を取鍋へ出鋼する。取鍋に装入した溶鋼を、たとえば真空脱炭法で仕上げ脱炭精錬する。ここでは真空脱炭法をＶＯＤと略記する。

ＶＯＤにおける溶鋼の仕上げ脱炭精錬は、取鍋を収容したＶＯＤ装置内を減圧雰囲気または真空雰囲気にし、取鍋の底に設けられるガスプラグから底ガスを吹込んで溶鋼を撹拌し、かつ上吹きランスから溶鋼中に酸素を吹込んで脱炭精錬し、予め定めるＣ濃度に達すると酸素の吹込みを停止する。酸素の吹精停止後も溶鋼中への底ガス吹込みを所定時間継続し、溶鋼中のＣとＯおよび溶鋼中のＣとスラグ中に酸化物として存在するＯとの反応による脱炭精錬を行って目標Ｃ濃度にする。その後、底ガスの吹込みを停止し、脱酸して溶鋼を鋳造工程へ送る。

この仕上げ脱炭精錬における底ガス吹込みの目的は、溶鋼を撹拌することによって、溶鋼とスラグおよび底ガスとの界面を増大させて脱炭反応を促進することにある。

ステンレス鋼のように耐食性が求められる合金では、仕上げ脱炭精錬における溶鋼のＣ濃度の目標値を、たとえば０．０３重量％以下という低い水準にすることを求められる場合がある。

このような低炭素ステンレス鋼を実現するために、仕上げ脱炭精錬において溶鋼へ吹込む底ガスの流量を増加して強撹拌し脱炭反応を促進することが行われている。しかしながら、底ガスの流量を増大することによって脱炭反応は促進されるが、取鍋の内壁を構成する耐火物およびガスプラグの損耗が著しくなるので、定期修理頻度が高くなって生産効率が低下するとともに消耗材比例費が増加するという問題がある。さらに大量の底ガスを供給するための高圧ガス設備の投資負担が増大するという問題が生じることもある。

そこで、底ガスの流量を増大することなく、Ａｌ_２Ｏ_３を形成する造滓材を添加して酸性スラグの組成を（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３）にすることによって脱炭を促進することが提案されている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２では、酸性スラグの組成を上記のようにしてスラグの流動性を高くすることによって、スラグと溶鋼との界面を増大し、強撹拌しなくても脱炭反応を促進できるとする。

また他の先行技術では、耐火物製の撹拌翼をステンレス溶鋼中に浸漬して耐火物と溶鋼との界面を増大するとともに、撹拌翼を溶鋼中で回転させて溶鋼流を形成することによって、脱炭反応を促進することが提案されている（たとえば特許文献３参照）。
特開平８−２６００３０号公報 特開平７−１７３５１５号公報 特開平６−１４５７７１号公報

特許文献１および特許文献２に開示される方法では、通常の耐火物保護の目的以外に、スラグ組成を調整してその流動性を高めるということだけに用いる造滓材を別途必要とするので、造滓材の原単位が著しく増加するという問題がある。

また特許文献３に開示されるような耐火物製の撹拌翼を用いる方法では、撹拌翼を溶鋼へ浸漬しかつ離脱するとともに溶鋼中へ浸漬した状態で回転するための大掛かりな設備改造が必要になる。さらに耐火物製の撹拌翼を使用するので耐火物比例費が増加するという問題がある。

本発明の目的は、大掛かりな設備投資を要することなく、また造滓材および耐火物の比例費増加を生じることなくＣ濃度を低減することができる溶鋼の脱炭方法を提供することである。

本件発明者らは、溶鋼の仕上げ脱炭精錬において、精錬容器の底部に間隔をあけて少なくとも２つ設けられるガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量を異なるようにすることによって、精錬容器中の溶鋼の撹拌状態が好適に変化し、効率よく脱炭できるとの知見を得て本発明の完成に至ったものである。

本発明の溶鋼の脱炭方法は、底部に底ガスを吹込むためのガスプラグが間隔をあけて少なくとも２つ設けられる精錬容器が収容される槽を減圧雰囲気または真空雰囲気として、精錬容器内の溶鋼にガスプラグから底ガスを吹込んで撹拌して脱炭精錬する溶鋼の脱炭方法であって、該２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量の比を少なくとも一時的に一方が他方の０．５０倍以下になるようにすることを特徴とする。

また本発明の溶鋼の脱炭方法では、前記２つのガスプラグから溶鋼に吹込む底ガス流量を変動させ、一方の最大値および最小値と他方の最小値および最大値とをそれぞれ対応させる。さらに前記溶鋼に吹込む底ガス流量を周期的に変動させ、底ガス流量の変動周期Ｐを、溶鋼の量Ｗに対し、Ｐ／２≦Ｗ／２５の関係式が成立するように設定する。

本発明の溶鋼の脱炭方法によれば、少なくとも２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量の比を少なくとも一時的に０．５０倍以下になるようにするだけでよい。したがって、底ガス流量を増加せずまた撹拌手段を設けることもないので設備投資を要することがなく、さらに余分に造滓材や耐火物を使用しないので原単位を増加することなく溶鋼の脱炭効率を向上することができる。

また少なくとも２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガス流量を、一方の最大値および最小値と他方の最小値および最大値とがそれぞれ対応するようにすることによって、溶鋼を充分に撹拌できるので脱炭効率を一層向上することができる。

また溶鋼に吹込む底ガス流量を周期的に変動させ、その底ガス流量の変動周期Ｐ（分）を溶鋼の量Ｗ（トン）に対し、Ｐ／２≦Ｗ／２５の関係式が成立するように設定することによって、溶鋼をその量に応じて充分に撹拌できるので脱炭効率を確実に向上することができる。

図１は、本発明の溶鋼の脱炭方法における底ガスの流量変動の一パターンを示す。図２は、本発明の溶鋼の脱炭方法に用いる取鍋１を平面から見て示す。図３は、取鍋１内の溶鋼３にガスプラグ２ａ，２ｂから底ガス４を吹込む状態を示す。

本発明の溶鋼の脱炭方法は、鉄系合金の溶鋼全般に適用することができる。ここではステンレス溶鋼の仕上げ脱炭精錬に用いる場合について例示する。転炉で粗脱炭精錬および成分調整した溶鋼３を精錬容器である取鍋１に出鋼する。取鍋１には、底部１ａに底ガス４を吹込むためのガスプラグ２ａ，２ｂが間隔をあけて２つ設けられる。溶鋼３を入れた取鍋１を図示を省略しているＶＯＤ装置の真空槽に収容し、真空槽内を減圧雰囲気または真空雰囲気にする。

図１に示す流量変動パターンに従い、取鍋１内の溶鋼３にガスプラグ２ａ，２ｂから底ガス４を吹込んで撹拌するとともに、上吹きランスから溶鋼３に酸素を吹込んで脱炭精錬する。溶鋼が予め定めるＣ濃度になると酸素吹精を停止し、その後は底ガス４の吹込みによる撹拌のみで成品の目標Ｃ濃度まで脱炭精錬する。底ガス４として用いるガスの種類は、不活性ガス、たとえばＡｒガスなどが好ましい。

２つのガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス４の流量を、便宜上ＸおよびＹで表す。図１に示す底ガスの流量変動のパターンでは、流量Ｘ，Ｙを矩形波に近似する形状になるように変動させ、また一方のガスプラグ２ａの底ガス流量Ｘが最大値Ｘｍａｘおよび最小値Ｘｍｉｎになる時点と、他方のガスプラグ２ｂの底ガス流量Ｙが最小値Ｙｍｉｎおよび最大値Ｙｍａｘになる時点とをそれぞれ対応させるようにし、対応する最小値と最大値との比Ｘｍｉｎ／ＹｍａｘおよびＹｍｉｎ／Ｘｍａｘが、０．５０倍以下になるようにする。したがって、図１の流量変動のパターンでは、ある程度の時間底ガス流量の最小値と最大値との比が０．５０倍以下を満たす状態が続くという特徴がある。

通常の脱炭方法で行われているように、取鍋に設けられる２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量を同一にすると、取鍋内の溶鋼にはバランスのとれた定常的な状態の流れが形成されるのに伴って澱み部分も形成されるので、脱炭反応に寄与する溶鋼とスラグおよび底ガスとの界面が大きく増加せず脱炭効率は必ずしもよくない。

それに対して本発明の脱炭方法では、２つのガスプラグ２ａ，２ｂにおいて対応する底ガス流量の最小値と最大値との比を０．５０倍以下にする。このことによって、取鍋１内の溶鋼３には一方のガスプラグ２ａ側と他方のガスプラグ２ｂ側とでアンバランスになり、かつ非定常な状態の乱れた流れが形成されるので、澱みが解消され、脱炭反応に寄与する溶鋼とスラグおよび底ガスとの界面が大きく増加し脱炭効率を向上することができる。

底ガス流量の最小値と最大値との比が０．５０倍を超える場合であっても、２つのガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス４の流量が異なる場合には脱炭効率向上の効果を得ることができるけれども、その効果の程度が小さい。したがって、脱炭効率向上の顕著な効果を得るためには底ガス４の流量比を０．５０倍以下にすることが好ましい。

さらにガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス流量Ｘ，Ｙを周期的に変動させ、底ガス流量Ｘ，Ｙの変動周期Ｐを、溶鋼の量Ｗに対し、Ｐ／２≦Ｗ／２５の関係式が成立するように設定することが好ましい。上記関係式においては、変動周期Ｐの単位を分で、溶鋼の量Ｗをトンで表す。

ガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス流量Ｘ，Ｙの変動周期Ｐを溶鋼の量Ｗに関わらず一定にすると、溶鋼の量Ｗが少なくなった場合、溶鋼の量Ｗに対して変動周期Ｐが長くなるので、底ガスの流量が変動しない１周期Ｐの半分であるＰ／２の短い時間内でも取鍋１内において定常的な流れになり易く、乱れた状態の流れを保つことが難しくなる。

そこで、溶鋼の量Ｗが少なくなるのに伴って、変動周期Ｐを短くし、ＰとＷとの関係が、Ｐ／２≦Ｗ／２５を満足するようにして、常に乱れた状態の流れを保つことができるようにすることが好ましい。このことによって、溶鋼の量に応じて確実に脱炭効率の向上を実現できる。ここでは、底ガス流量の変動周期Ｐの半分であるＰ／２を、流量が最大値から最小値またはその逆に反転することから流量反転周期と呼ぶことがある。

図４は、本発明の溶鋼の脱炭方法における底ガスの流量変動の他のパターンを示す。すなわち、２つのガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス４の流量Ｘ，Ｙを、正弦波または余弦波に近似する形状になるように周期的に変動させ、かつ一方の最大値および最小値と他方の最小値および最大値とをそれぞれ対応させるようにしてもよい。図１に示す流量変動のパターンと異なり図４に示す流量変動のパターンでは、底ガス４の流量Ｘ，Ｙが常に変動するので、最小値と最大値との比が０．５０倍以下となる状態は一時的に達成されるのみである。このような図４でも図１に示すパターンの場合と同様の脱炭効率向上の効果を奏することができる。

図５は、本発明の溶鋼の脱炭方法における底ガスの流量のさらに他のパターンを示す。図５に示す底ガス４を吹込む流量のパターンでは、一方のガスプラグ２ａおよび他方のガスプラグ２ｂからそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス４の流量ＸおよびＹを変動することなく一定の値とする。流量Ｘ，Ｙを変動させてもよいけれども、流量比Ｘ／Ｙは少なくとも一時的に０．５０倍以下になるようにする。

脱炭効率向上効果を一層確実に得るためには、前述の図１または図４に示すような流量の大小関係が交互に入れ換わる変動のパターンで２つのガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に底ガス４を吹込んで撹拌することが好ましい。しかし、図５に示すようなパターンであっても、取鍋１内の溶鋼３にアンバランスになるような状態の流れを形成することは可能である。したがって、図５に示すパターンで２つのガスプラグ２ａ，２ｂからそれぞれ溶鋼３に底ガス４を吹込むことによって、流量変動の複雑な制御をすることなく、簡単な装置および操作で脱炭効率をある程度向上できるという利点がある。

図６は、本発明の溶鋼の脱炭方法に用いる他の取鍋１１を平面から見て示す。取鍋１１には、底部１１ａに底ガス４を吹込むためのガスプラグ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが間隔をあけて３つ設けられる。３つのガスプラグを総称する場合には参照符号１２で表す。

取鍋１１に３つのガスプラグ１２が設けられる場合、３つのガスプラグ１２からそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス４の流量を次のように設定する。３つのガスプラグ１２のうち、２つのガスプラグ１２からなる組み合わせ、すなわち、ガスプラグ１２ａと１２ｂ、ガスプラグ１２ｂと１２ｃまたはガスプラグ１２ｃと１２ａのいずれか１組において、それぞれ溶鋼３に吹込む底ガスの流量が前述の図１、図４または図５に示すパターンを満足するように設定する。前記２つのガスプラグ１２を除く残余のガスプラグ１２の流量は、前記２つのガスプラグから吹込む底ガス流量における最大流量以下の値で自由に設定することができる。

３つのガスプラグ１２のうち少なくとも２つのガスプラグ１２からそれぞれ溶鋼３に吹込む底ガス４の流量が、前述の図１、図４または図５に示すパターンおよび底ガス流量比が０．５０倍以下を満足することによって、２つのガスプラグ２ａ，２ｂが設けられる取鍋１において溶鋼３に底ガス４を吹込んで撹拌する場合と同等の脱炭効率向上効果を得ることができる。

取鍋に４つ以上のガスプラグが設けられる場合、すべてのガスプラグのうち間隔をあけて設けられる少なくとも２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量を、ガスプラグが２つの場合と同様の関係を満たすように設定することによって、同等の脱炭効率向上効果を奏することができる。前記２つのガスプラグを除く残余のガスプラグについては、取鍋にガスプラグが３つ設けられる場合と同様、その流量を特に制限しない。

（実施例）
以下本発明の実施例について説明する。本実施例では、約１７重量％Ｃｒを含有するステンレス溶鋼をＶＯＤで仕上げ脱炭精錬した。電気炉で溶解し、転炉で粗精錬および成分調整したステンレス溶鋼の化学成分範囲を表１に示す。１チャージのステンレス溶鋼の量は５０〜９０トンの範囲で適宜設定した。

ステンレス溶鋼を、底部にガスプラグが２つ設けられた取鍋へ出鋼し、該取鍋をＶＯＤ装置の真空槽に収容し、真空槽内を減圧雰囲気とした。この状態で、取鍋に設けられた２つのガスプラグから溶鋼内に底ガスとしてＡｒガスを吹込んで撹拌するとともに、ＶＯＤ装置の上吹きランスから溶鋼に酸素ガスを吹込んで脱炭精錬した。このとき上吹きランスから吹込む酸素ガスの量を、９００ＮＬ／ｍｉｎとした。

２つのガスプラグから底ガスを前述の図１に示す流量変動パターンに従ってそれぞれ溶鋼に吹込んだ。すなわち、２つのガスプラグから溶鋼に吹込む底ガス流量を、周期的に変動させ、一方の最大値Ｘｍａｘおよび最小値Ｘｍｉｎと他方の最小値Ｙｍｉｎおよび最大値Ｙｍａｘとをそれぞれ対応させるようにした。また対応する最小値と最大値との底ガス流量比Ｘｍｉｎ／ＹｍａｘおよびＹｍｉｎ／Ｘｍａｘが、チャージごとに０．１０倍〜１．０倍の範囲で予め定める値になるようにした。なお、底ガス流量比１．０倍は、２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量を両方とも５００ＮＬ／ｍｉｎ一定にした場合である。

この酸素吹精による脱炭精錬時においては、底ガスの流量が最大値から最小値を経て再び最大値に戻る１周期Ｐを２分間とした。すなわち、いずれのチャージにおいても各ガスプラグから溶鋼に吹込む底ガス流量の最大値と最小値とが１分間で反転するようにした。

各チャージともＣ濃度が０．２重量％で底ガスによる撹拌と酸素吹精とを開始し、溶鋼のＣ濃度が０．０１重量％になったとき酸素吹精を停止した。この酸素吹精時におけるＣ濃度の推移とＣ濃度が０．０１重量％になるまでの所要時間とを測定した結果を図７に示す。なお図７中では、底ガス流量比を百分率で示す。また図７の測定値から、底ガス流量比と、Ｃ濃度を０．１重量％および０．０５重量％までそれぞれ脱炭するのに要した時間との関係を求めた結果を図８に示す。

図８では、Ｃ濃度を０．１重量％まで脱炭する所要時間をライン２１で示し、０．０５重量％まで脱炭する所要時間をライン２２で示す。図８のライン２１，２２で示すように、底ガス流量比を０．５０倍以下にすることによって、脱炭所要時間が顕著に短縮され、脱炭効率が向上することが判る。

酸素吹精を停止した後も、２つのガスプラグからそれぞれステンレス溶鋼に底ガスの吹込みを１０分間行い、底ガスの撹拌のみによるさらなる脱炭精錬を行った。ただし、このとき２つのガスプラグでそれぞれ対応する最小値と最大値との底ガス流量比Ｘｍｉｎ／ＹｍａｘおよびＹｍｉｎ／Ｘｍａｘが、いずれのチャージにおいても０．５０倍になるようにした。具体的には、２つのガスプラグにおいて変動する底ガス流量の最大値を５００ＮＬ／ｍｉｎとし、最小値を２５０ＮＬ／ｍｉｎとした。

このとき、底ガスの流量を変動させる周期Ｐを２分から１０分までの範囲、すなわち流量反転周期Ｐ／２を１分から５分までの範囲で変化させた。なお、１つのチャージにおいては周期Ｐを変えることなく一定とした。

チャージごとに溶鋼の量Ｗと周期Ｐとを変化させて底ガス撹拌のみによる脱炭精錬した結果を図９に示す。脱炭効率を次のように評価した。１０分間の脱炭精錬でＣ濃度が０．００５重量％以下まで低下した場合を脱炭効率良好レベル○と評価し、０．００５重量％を超える値で止まった場合を脱炭効率通常レベル×と評価した。

図９中に破線で示すライン２３が、溶鋼の量Ｗと流量反転周期Ｐ／２とにおけるＰ／２＝Ｗ／２５の関係を示す。流量反転周期Ｐ／２をライン２３以下の短い時間に設定するとき、すなわちＰ／２≦Ｗ／２５の関係式を満足するように周期Ｐを定めた場合に、溶鋼の量Ｗに応じて確実に脱炭効率良好レベルを達成できることが判る。

以上で説明しているように、本実施の形態では、溶鋼の脱炭方法をステンレス溶鋼の脱炭効率向上に利用している。しかしながら、これに限定されることなく、ステンレス溶鋼以外の鉄系合金の溶鋼の脱炭に対しても有効に利用することができる。

本発明の溶鋼の脱炭方法における底ガスの流量変動の一パターンを示す。 本発明の溶鋼の脱炭方法に用いる取鍋１を平面から見て示す。 取鍋１内の溶鋼３にガスプラグ２ａ，２ｂから底ガス４を吹込む状態を示す。 本発明の溶鋼の脱炭方法における底ガスの流量変動の他のパターンを示す。 本発明の溶鋼の脱炭方法における底ガスの流量変動のさらに他のパターンを示す。 本発明の溶鋼の脱炭方法に用いる他の取鍋１１を平面から見て示す。 Ｃ濃度の推移と脱炭所要時間とを測定した結果を示す。 底ガス流量比と所定Ｃ濃度まで脱炭するのに要した時間との関係を示す。 底ガス撹拌のみによる脱炭精錬をした結果を示す。 ステンレス鋼の製造工程のうち溶製工程の概略を例示する。

符号の説明

１，１１ 取鍋
２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ ガスプラグ
３ 溶鋼
４ 底ガス
２１，２２，２３ ライン

Claims (1)

1. 底部に底ガスを吹込むためのガスプラグが間隔をあけて少なくとも２つ設けられる精錬容器が収容される槽を減圧雰囲気または真空雰囲気として、精錬容器内の溶鋼にガスプラグから底ガスを吹込んで攪拌し、かつ上吹きランスから溶鋼中に酸素を吹込んで脱炭精錬し、上吹きランスからの酸素の吹込み停止後も溶鋼にガスプラグから底ガスを吹込んで撹拌して脱炭精錬する溶鋼の脱炭方法であって、
   上吹きランスからの酸素の吹込み停止後、溶鋼にガスプラグから底ガスを吹込んで撹拌して脱炭精練する際、溶鋼に吹込む底ガス流量を周期的に変動させ、底ガス流量の変動周期Ｐ（分）を、溶鋼の量Ｗ（トン）に対し、Ｐ／２≦Ｗ／２５の関係式が成立するように設定し、
   ２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量を、一方の最大値および最小値と他方の最小値および最大値とがそれぞれ対応するようにして、
   該２つのガスプラグからそれぞれ溶鋼に吹込む底ガスの流量の比を少なくとも一時的に一方が他方の０．５０倍以下になるようにすることを特徴とする溶鋼の脱炭方法。

Images