JP5653296B2 - 脱酸処理における取鍋への金属アルミ添加方法 - Google Patents

Description

本発明は、脱酸処理における取鍋への金属アルミ添加方法に関する。

従来より、転炉では、溶銑に多量の酸素を吹き込むことによって炭素を低減する脱炭処理が一般的に行われており、脱炭処理後の溶鋼内の酸素濃度は高い状態にある。溶鋼内の酸素は、親和性金属と結び付いて介在物になり易いため、転炉での精錬後に溶鋼の脱酸をする脱酸処理（キル処理）が行われている。溶鋼の脱酸処理として、特許文献１〜３に示すものがある。

特許文献１は、製鋼炉で精錬された未脱酸溶鋼を該製鋼炉から取鍋に出鋼しアルミニウムまたはアルミニウム合金を添加して脱酸する溶鋼の脱酸方法において、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金を、全出鋼溶鋼量の１／２以上を出鋼したのち前記取鍋内の出鋼流落下位置に添加する溶鋼の脱酸方法を開示する。
特許文献２は、転炉精錬された溶鋼を脱酸するに当り、溶鋼を転炉から取鍋へ出鋼する際にＡｌ地金分原単位として１．５ｋｇ／ｔ以下のＡｌ灰を取鍋内の出鋼流落下位置に一致させて添加したのち、引き続いて金属Ａｌを添加する溶鋼の脱酸方法を開示する。

特許文献３は、転炉から溶鋼を取鍋に出鋼する方法において、転炉から溶鋼を取鍋に出鋼する出鋼時間の後半にアルミニウムの脱酸剤を取鍋の溶鋼中に添加する転炉出鋼方法を開示する。
以上述べた特許文献１〜３の他にも特許文献４及び特許文献５に示す脱酸処理技術がある。

特開平１１−１７２３２１号公報 特開平０６−０１００２６号公報 特開平０１−１２３０１８号公報 特開昭５６−００５９１６号公報 特開昭５０−０９７５１１号公報

ところで、精錬後に溶鋼が装入される取鍋に関しては、その内底部にポーラスプラグが設置してある。
このポーラスプラグは、脱酸処理後に行われる二次精錬などで不活性ガスを吹き込むために用いられるものであるが、上述したように脱酸のためにアルミニウムを添加すると添加したアルミニウムが溶融してポーラスプラグに浸透し、ポーラスプラグから吹き込む不活性ガスの流量が低下する可能性が否めない。

しかしながら、特許文献１〜特許文献３の技術は、転炉から溶鋼を出鋼する際にアルミニウムなどの脱酸材を添加することによって溶鋼の脱酸を行うものであり、これらの技術は、添加するアルミニウムの歩留のみに着目してアルミニウムの添加タイミング等を規定したものであって、アルミニウムを添加した場合に、取鍋の内底部に設置されたポーラスプラグの影響を考慮したものではない。

そのため、上述した特許文献１〜３の技術では、脱酸処理時のアルミニウムの添加によってポーラスプラグが詰まる虞があった。その他の特許文献４及び５でもポーラスプラグの詰まりなどを考慮したものではなく、ポーラスプラグが詰まる虞があった。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、ポーラスプラグの詰まりを防止しつつ金属アルミを効率よく使用して脱酸を行う脱酸処理における取鍋への金属アルミ添加方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明の脱酸処理における取鍋への金属アルミ添加方法は、転炉にて精錬した溶鋼を、複数の気孔を有するポーラスプラグが設置された取鍋に出鋼し、出鋼した溶鋼に対して脱酸するに際し、前記ポーラスプラグの気孔の平均気孔半径を８０μｍ〜１００μｍとしておくと共に、式（１）を満たす間に脱酸のための金属アルミニウムを取鍋内へ添加することを特徴とする。

前記式（１）を満たし、さらに、式（２）を満たす間に脱酸のための金属アルミニウムを取鍋内へ添加することが好ましい。

本発明によれば、ポーラスプラグの詰まりを防止しつつ金属アルミを効率よく使用して確実に脱酸を行うことができる。

脱酸処理の手順を示した図である。 ポーラスプラグの全体図である。 ポーラスプラグの気孔の分布図である。 取鍋の敷部に施工した耐火物の表面温度の変化図である。 ポーラスプラグによる不活性ガスの流量とＡｒガスの圧力値との関係にスラグ 割れの状況を関連付けした図である。 転炉における吹き止め炭素と吹き止め酸素との関係を示した図である。 溶鋼中のフリー酸素と、Ｖ／αとの関係図である。 取鍋の敷部の平面図である。 Ａｒガスを溶鋼に吹き込んだ際でのスラグの割れの状況を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
高炉から出銑した溶銑は、脱珪処理、脱硫処理、脱りん処理等が行われた後、一次精錬処理を行う転炉に搬送され、転炉にて炭素を低減する脱炭処理が行われるのが一般的である。転炉における脱炭処理では、溶銑に多量の酸素を吹き込むことによって炭素を低減するため、脱炭処理後の溶鋼内の酸素濃度は高い状態にある。溶鋼内の酸素は、親和性金属と結び付いて介在物になり易いため、転炉での精錬後に溶鋼の脱酸をする脱酸処理が行われている。

本発明における溶鋼の脱酸処理は、脱炭処理が終了した溶鋼を、ポーラスプラグが設置された取鍋内に出鋼する際に金属アルミニウムを添加することによって行う（アルミキル処理）こととしている。
図１に示すように、具体的には、まず、ポーラスプラグ１が設置された取鍋２を転炉３に移動させた後、取鍋２を転炉３下で待機させる。そして、転炉３にて脱炭処理が終了後、転炉３を傾動させて転炉３内の溶鋼４を取鍋２に出鋼する。溶鋼４を取鍋２に出鋼中に後述するタイミングで金属アルミニウム５を溶鋼４に添加し、溶鋼４の脱酸を行う。溶鋼４の脱酸に用いる金属アルミニウム５は、Ａｌ元素が９０質量％以上を含む塊材である。

さて、ポーラスプラグ１を設置した取鍋２に溶鋼４を出鋼しておくと、転炉３から出鋼後の下流工程において、ポーラスプラグ１から不活性ガスを溶鋼４内に吹き込むことができる。しかしながら、上述したように、転炉３の出鋼時に行われる脱酸処理の際に金属アルミニウム５によってポーラスプラグ１が詰まってしまい、ポーラグプラグから不活性ガスの吹き込みが困難になる虞がある。

本発明では、ポーラスプラグ１の詰まりを防止しつつ適切な脱酸処理を行うことができるように、金属アルミニウム５の添加するタイミングなどを規定することとしている。
以下、脱酸処理について詳しく説明する。
まず、取鍋２に設置したポーラスプラグ１について説明する。
図２に示すように、ポーラスプラグ１は、鋼板により次第に径が大きくなる筒状に形成されたケース１０と、このケース１０の内壁の略全面に設けられた被膜層（例えば、キャスタブル）１１と、この被膜層１１の一方側（上側）であって当該被膜層１１の内側に設けられた円柱状の第１コア（上コア）１２と、被膜層１１の他方側（下側）であって当該被膜層１１の内側に設けられた円柱状の第２コア（下コア）１３と、第２コア１３に連結されたガス通気路（例えば、中空状の鉄棒）１４とを備えている。

上コア１２及び下コア１３は、耐火物から構成されていて、その材質はハイアルミナ質である。耐火物から構成された上コア１２及び下コア１３には、その内部に不活性ガスを通気させる複数の気孔（孔）が形成されている。ポーラスプラグ１（第１コア、第２コア）に形成した気孔の平均気孔半径は、８０μｍ〜１００μｍであり、最小の気孔半径は５０μｍ、最大の気孔半径は４００μｍである。例えば、気孔の分布は図３に示すようになっている。したがって、通気路へ不活性ガスを通気させると下コア１３の内部及び上コア１２の内部に不活性ガスを通過させることができ、これにより、不活性ガスを溶鋼４内に吹き込むことができる。なお、ポーラスプラグ１は当業者常法通りのものであればどのようなものであってもよく、第１コアと第２コアとを一体化したものであってもよい。

このようなポーラスプラグ１が設置された取鍋２に溶鋼４を出鋼する際に金属アルミニウム５を添加して溶鋼４の脱酸処理を行うにあたって、金属アルミニウム５を添加するタイミングは、取鍋２に出鋼する全ての全出鋼量をαとし、取鍋２に既に出鋼された溶鋼量（現時点での出鋼量であり、現出鋼量と呼ぶこともある）をＶとしたとき、式（１）を満たす間に添加することとしている。

式（１）は、転炉３から溶鋼４の出鋼を開始してから、現出鋼量Ｖが全出鋼量αの４５％に達するまでに金属アルミニウム５の添加を行うこととしている。つまり、Ｖ／α＝４５％になるまでに脱酸処理における金属アルミニウム５の添加を終了させることとしている。なお、本発明では、式（１）に示すように、金属アルミニウム５を添加するにあたって出鋼開始時に予め溶鋼４を取鍋２内に入れ置きしておく、つまりＶ／α＝０を除くこととしている。

金属アルミニウム５を取鍋２内に予め入れ置きしておくと（Ｖ／α＝０）、金属アルミニウム５を添加した時点で溶融して、金属アルミニウム５がポーラスプラグ１内に浸透してしまい、ポーラスプラグ１が詰まってしまう可能性がある。
取鍋２の敷部に施工した耐火物（キャスタブル）の表面温度を経過をまとめると、取鍋２は繰り返し使用されるため、温度変化は図４に示すようになる。図４に示すように、取鍋２の敷部に施工した耐火物の温度の最小値は９００℃である。そのため、上述したように、脱酸処理の際に融点が約６６０℃である金属アルミニウム５を入れ置きしておくと、取鍋２内に添加した時点で金属アルミニウム５が溶融してしまう。

また、溶融金属（溶融した金属アルミニウム５）の耐火物中の気孔（気孔）への浸入について、毛細管現象により導き出される式（２）から考えてみる。

式（２）から溶融金属の浸透限界気孔径（浸透しない最大気孔径）を求めると、金属アルミニウム５の場合は、約５０μｍであって、ポーラスプラグ１の平均気孔半径１００μｍよりも小さいため、金属アルミニウム５が溶融してしまうとポーラスプラグ１の気孔内に浸透してしまうことになる。したがって、脱酸処理を行うにあたっては、金属アルミニウム５は敷部に入れ置きしないことが必要である。

さて、金属アルミニウム５は入れ置きしない（Ｖ／α＝０を除く）ことが必要であるが、金属アルミニウム５の添加のタイミングが遅すぎる、すなわち、Ｖ／α＜０．４５を超えてしまうと、溶鋼４と金属アルミニウム５とが混ざりにくくなる。その結果、金属アルミニウム５を添加してもアルミナがスラグ中に生成（４Ａｌ+３Ｏ₂→２Ａｌ₂Ｏ₃）されず、金属アルミニウム５の脱酸効率が低下してしまう。言い換えれば、金属アルミニウム５の添加が遅く溶鋼４の湯面が上昇した状況下では、出鋼する溶鋼４の位置エネルギーが小さい故、溶鋼４が勢いよく取鍋２内に滝下しない。つまり、取鍋内の溶鋼と金属アルミニウムの攪拌エネルギーが小さくなり、その結果、溶鋼４と金属アルミニウム５との混合・拡散が促進せず脱酸効率が低下する。

したがって、転炉３から溶鋼４を出鋼する際に脱酸処理を行うにあたっては、式（１）を満たす間に、金属アルミニウム５を取鍋２内へ添加することが必要である。
上述したように、転炉３から溶鋼４の出鋼を開始してから現出鋼量Ｖが全出鋼量αの４５％に達するまでに金属アルミニウム５を添加するのが良いが、さらに、金属アルミニウム５を添加するにあたっては、溶鋼４中のフリー酸素を考慮することが好ましい。

そこで、発明者らは、溶鋼４中のフリー酸素も考慮してさらに最適な金属アルミニウム５の添加のタイミングを検討した。
転炉３において吹き止め炭素と吹き止め酸素との関係は、図６に示すなることが知られている。図６は、「製鉄研究，３１５（１９８４），pp７１，村上昌三，大河平和男，吉井正孝，有馬慶治，村上義男，新日本製鐵株式会社」に開示されている。

ここで、転炉３において脱炭挙動は、［Ｃ］＋［Ｏ］＝［ＣＯ］の関係が成り立つと考える。これらを熱力学的に解析した場合、活量係数ａｃ、ａｏ、ａｃｏ、平衡定数をＫとすると、式（ａ）となる。なお、ａｃは炭素の活量係数を示し、ａｏは酸素の活量を示し、ａｃｏはＣＯガスの活量を示している。

平衡時のＣＯ分圧は、ａｃｏ＝１となり、転炉３の酸素吹き止めの炭素と吹き止め時の溶鋼４中のフリー酸素との関係は式（ｂ）となる。

転炉３における吹き止め温度は溶鋼４中のフリー酸素が多い場合に高くなり、フリー酸素の活量係数をまとめると、式（ｃ）〜式（ｅ）となる。

式（ｅ）に示すように、溶鋼４中のフリー酸素（活量）は示されることから、溶鋼４中のフリー酸素を横軸にとり、Ｖ／αを縦軸にとった上で、Ａｌの歩留が良好であった例をプロットすると、図７に示すようになる。ここで、アルミニウムが溶鋼４中に留まることを考えたとき、アルミニウムが溶鋼４中に留まっている状態は、溶鋼４中のフリー酸素と反応して生成するアルミナが無いということである。それ故に、溶鋼４の脱酸では、溶鋼４中にアルミニウムが留まらない（溶鋼４中のフリー酸素を効率よく消化する）ようにすることが重要であり、アルミニウムの歩留は零に近いことが好ましい。

図７の横軸において左側にいくほどフリー酸素量が多く、右側にいくほどフリー酸素量は小さくなる。図７を用いて、Ａｌの歩留が向上した例について回帰曲線を求めると、式（ｆ）になり、式（ｆ）に示す曲線よりも早く金属アルミニウム５を添加することによってよりＡｌの歩留を向上させることができる。

以上、まとめると、式（１）を満たし、さらに、式（２）を満たす間に脱酸のための金属アルミニウム５を取鍋２内へ添加することが好ましい。

表１〜３は、溶鋼４の脱酸処理を行うにあたって本発明の脱酸処理における取鍋２への金属アルミ添加方法で行った実施例と、本発明とは異なる方法で行った比較例とを示したものである。

実施例及び比較例において転炉３から出鋼する際に溶鋼４を受ける取鍋２の形状は、図８に示すような楕円形状や真円形状のものとした。取鍋２の敷部の耐火物表面温度は、溶鋼４の受鋼前（出鋼を受ける直前）の温度である。転炉３の吹き止めＣ値（質量％）は、転炉３の吹錬終了後の炭素値［Ｃ］を測定して、この値から溶鋼４中のフリー酸素を求めた。転炉３の吹き止めＣ値は０．０１％よりも大きく０．０６％よりも小さい値（０．０１％＜転炉３の吹き止めＣ＜０．０６％）とした。取鍋２精錬時のガス供給圧力は、不活性ガスをポーラスプラグ１に通気させるための元圧力であり、最大８．８ｋｇ／ｃｍ²の圧力が供給できる設備を用いた。ポーラスプラグ１へ通気させる不活性ガスの通気量は、５００Ｎｌ／ｍｉｎ以上であるか否かを判定の基準とした。

取鍋２精錬時においては、図９に示すように、ポーラスプラグ１から不活性ガスを供給して図９のＡに示すように、不活性ガスにより溶鋼４上のスラグを移動させてスラグを分離させ（割れ）、そのスラグを割った部分に、例えば、ＣＡＳなどの取鍋精錬装置の浸漬管を挿入する必要がある。
ここで、図５に示すように、ポーラスプラグ１による不活性ガス（例えば、Ａｒガス）の流量及びＡｒガスの圧力値に対するスラグ割れの状況（実操業）を見たとき、Ａｒガスの流量（通気量）が５００Ｎｌ／ｍｉｎ以上であれば、Ａｒガスによりスラグに割れが発生して、割れた部分に浸漬管を挿入することができる。そのため、不活性ガスの通気できるか否かの判定を、５００Ｎｌ／ｍｉｎとしている（５００Ｎｌ／ｍｉｎが良好）。なお、その他に、不活性ガスの通気量を５００Ｎｌ／ｍｉｎ以上とする利点については、例えば、特開２００７−０９２１６４号公報、特許第４０６９１５０号公報等に記載されている。

なお、不活性ガスは、アルゴンガスとした。脱酸処理のために添加した金属アルミニウム５は、大きさ（粒の大きさ）が１０ｍｍ〜５０ｍｍのものを使用し、金属アルミニウム５の添加方法は、例えば、取鍋２の上方から添加するなど、当業者常法通りに行った。
脱酸処理では４Ａｌ+３Ｏ₂→２Ａｌ₂Ｏ₃の反応によって溶鋼４の酸素は取り除かれる。そのため、添加したＡｌが脱酸処理に効率よく使用されると、Ａｌの歩留は低くなり、Ａｌの歩留は零であることがもっともよい。なお、Ａｌの歩留（％）＝[出鋼量（kg）×溶鋼処理前（脱酸前）の取鍋内アルミニウム含有率（質量%）]÷[転炉における金属アルミニウム投入量(kg）×金属アルミニウムのアルミニウム含有率（質量%)]で求めることができる。

表１に示す実施例では、気孔の平均気孔半径を８０μｍ〜１００μｍとした上で、式（１）を満たす間に金属アルミニウム５を取鍋２内へ添加しているため、通気量を５００Ｎｌ／ｍｉｎ以上とすることができた。また、Ａｌの歩留も、後述する比較例に比べて優れたものにすることができた（表中、評価の欄、良好「○」）。
また、表２に示す実施例では、気孔の平均気孔半径を８０μｍ〜１００μｍとした上で、式（２）を満たす間に金属アルミニウム５を取鍋２内へ添加しているため、通気量を５００Ｎｌ／ｍｉｎ以上とすることができた。また、Ａｌの歩留も、後述する比較例に比べて優れたものにすることができ、さらに、表１に示す実施例よりもさらに向上させることができた（表中、評価の欄、最良「◎」）。

一方、表３に示すように、気孔の平均気孔半径が８０μｍ〜１００μｍの範囲でなかったり、式（１）を満たす間に金属アルミニウム５を取鍋２内へ添加しない場合、通気量が５００Ｎｌ／ｍｉｎ未満となったり、Ａｌの歩留が実施例に比べて１桁多いものとなった。
したがって、本発明の条件を満たすようにすることによって、脱酸処理時にポーラスプラグ１を詰まらせることもなく、Ａｌの歩留も向上させることができる。つまり、脱酸処理時において添加した金属アルミニウム５が溶融して気孔に浸透することを防止することができ、転炉３の出鋼後に行われる精錬処理（二次精錬処理）をスムーズに行うこともできる。また、上述したように、ポーラスプラグ１から吹き込んだ不活性ガスによって、スラグの割れを問題なく行うだけでなく、二次精錬処理においてポーラスプラグ１から吹き込んだ不活性ガスによって溶鋼４を攪拌することもでき、攪拌不能を防止することもできる。

なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ ポーラスプラグ
２ 取鍋
３ 転炉
４ 溶鋼
５ 金属アルミニウム
１０ ケース
１１ 被膜層
１２ 第１コア
１３ 第２コア
１４ ガス通気路

Claims (2)

1. 転炉にて精錬した溶鋼を、複数の気孔を有するポーラスプラグが設置された取鍋に出鋼し、出鋼した溶鋼に対して脱酸するに際し、
   前記ポーラスプラグの気孔の平均気孔半径を８０μｍ〜１００μｍとしておくと共に、
   式（１）を満たす間に脱酸のための金属アルミニウムを取鍋内へ添加することを特徴とする脱酸処理における取鍋への金属アルミ添加方法。
   
2. 前記式（１）を満たし、さらに、式（２）を満たす間に脱酸のための金属アルミニウムを取鍋内へ添加することを特徴とする請求項１に記載の脱酸処理における取鍋への金属アルミ添加方法。