JP5704019B2 - 溶鋼の二次精錬方法および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼の二次精錬方法および製造方法に関し、具体的には、二次精錬中の溶鋼のＳ濃度を迅速かつ精度よく分析することにより、脱硫処理に要する時間を短縮すると共に、脱硫剤の使用量を削減することを可能とする溶鋼の二次精錬方法、および、その方法を用いた溶鋼の製造方法に関するものである。

近年、鉄鋼製品に対する高品質化への要求が高まっており、それに伴って、鋼中に含まれるＳ濃度の低減が重要な課題となってきている。鉄鋼製品に含まれるＳは、そのほとんどが鉄鉱石やコークスに由来するものであるため、高炉から出た溶銑中には、多量のＳが含まれている。そこで、高炉以降の工程において、溶銑中あるいは溶鋼中のＳを低減する脱硫処理が行われている。

上記脱硫処理は、大別すると、溶銑予備処理プロセスと二次精錬プロセスがあり、いずれのプロセスにおいても、脱硫剤には、主として石灰（ＣａＯ）を主成分とするものが用いられている。この場合の脱硫反応は、下記式に示される反応式に基づいて進行する。
ＣａＯ＋Ｓ → ＣａＳ＋Ｏ

上記反応式におけるＳの活量係数は、鋼中の炭素濃度が高いほど大きくなるので、脱硫処理は、炭素を多く含む溶銑段階で行う方が効率的である。そのため、溶銑予備処理の段階で、ある程度のレベルまで脱硫した後、転炉以降の二次精錬プロセスで、最終製品に要求されるＳレベルに応じて、再度、脱硫処理をするのが普通である。

鉄鋼製品におけるＳ濃度の値は、鋳込み直前の溶鋼から採取したサンプル（以下、「レードルサンプル」という）を分析した値が用いられるため、レードルサンプルのＳ濃度が規格値（合否判定基準）、すなわち目標濃度の上限値を外れないようにするため、鋳込み以前のＳ最終調整後に採取したサンプルのＳ濃度を分析し、事前に確認しておくことが一般的に行われている。

目標とするＳ濃度が０．００２ｍａｓｓ％以下（２５ｍａｓｓｐｐｍ未満合格）あるいは０．００３ｍａｓｓ％以下（３５ｍａｓｓｐｐｍ未満合格）レベルの低硫鋼や、それ以上のＳ濃度が許容される普通鋼では、溶銑予備処理の段階で、Ｓを目標濃度の上限値以下まで低減し、二次精錬での脱硫処理は行わないことが多い。これは、二次精錬での脱硫処理は、溶鋼加熱のための電力コストや、耐火物溶損に伴う耐火物コスト、脱硫剤等の副原料コストの上昇を招き、溶銑予備処理以上に製造コストが上昇するためである。

二次精錬で脱硫処理を行わない低硫鋼や普通鋼の場合は、一般に、転炉出鋼時に採取されたサンプル（以降、「炉裏サンプル」という）が、Ｓ濃度の事前確認用のサンプルとなり、炉裏サンプルがＳ濃度外れとなった場合には、二次精錬を追加して脱硫処理が行われる。しかし、二次精錬の追加は、前述したような、製造コストの上昇だけでなく、製造工程の撹乱を引き起こす。例えば、Ｓ濃度外れのチャージを二次精錬で脱硫処理しようとすると、連続鋳造工程までの製造工程が撹乱され、場合によっては、連続鋳造の連々鋳を妨げる原因ともなる。

また、近年、環境保護の観点から、転炉での脱炭精錬における媒溶剤（造滓剤）に、フッ素含有物質である蛍石を使用できなくなってきていることに起因して、転炉スラグの脱硫能が低下してきている。さらに、ＣＯ_２発生量の削減要請から、鋼原料として鉄スクラップを転炉で使用することの他に、溶銑としても、高炉溶銑だけでなく、シャフト炉型のスクラップ溶解炉から得られる溶銑を一部に使用するようになってきている。しかし、スクラップ溶解炉の溶銑は、Ｓ濃度が比較的高いことから、溶銑予備処理後のＳ濃度を０．００３ｍａｓｓ％以下にすることが困難となってきている。このようなことから、低硫鋼や普通鋼のＳ濃度が、目標濃度の上限値を外れる率が高くなってきており、低硫鋼や普通鋼でも、二次精錬において脱硫処理する比率が高くなってきている。

一方、目標とするＳ濃度が０．００１ｍａｓｓ％以下（１４ｍａｓｓｐｐｍ以下）の極低硫鋼の場合には、転炉出鋼後の溶鋼に対して、さらに二次精錬で、脱硫処理がなされるのが普通である。脱硫処理の方法としては、アーク加熱とスラグ精錬とが可能なＬＦ（Ｌａｄｌｅ Ｆｕｒｎａｃｅ）と称する取鍋精錬設備を用い、多量の脱硫剤を溶鋼に添加して溶鋼を加熱しつつ撹拌する方法（例えば、特許文献１〜４参照）や、ＲＨ真空脱ガス装置を用い、真空槽内の溶鋼に脱硫剤を投射やインジェクションで投入して脱硫する方法（例えば、特許文献５〜８参照）等が一般的であり、特に、ＬＦは、極低硫鋼の溶製に適している。

上記二次精錬で極低硫鋼を製造するときの脱硫処理条件、例えば、脱流剤の投入量や処理時間、脱硫に適したスラグ組成を得るための副原料（石灰、Ａｌ_２Ｏ３，ＳｉＯ_２，ＣａＦ等）の投入量などは、溶鋼量や、最終Ｓ分析値に基づいて決定される。ここで、上記最終Ｓ分析値は、二次精錬で、最初に脱硫剤を投入する場合には、炉裏サンプルのＳ分析値が、複数回目の脱硫剤投入の場合には、その前の脱硫処理後のＳ分析値が、該当する。

ところで、溶銑予備処理のみで脱硫処理を行う低硫鋼や普通鋼では、前述したように、炉裏サンプルが事前確認用のサンプルとなる。この場合、炉裏サンプルのＳ分析値が、Ｓの目標濃度の上限値を大きく下回っているときはよいが、上限値付近であるときが問題となる。というのは、いかなる分析法でも、誤差は少なからず存在するからである。そのため、レードルサンプルの分析では、誤差を少なくして真の値に近づけるため、複数回の測定を行って分析精度を担保している。しかし、炉裏サンプルの場合には、時間的な余裕がないため、複数回の測定を行うことは難しい。

また、分析誤差に起因して、例えば、炉裏サンプルのＳの分析値が、目標上限値以下（合格）であっても、レードルサンプルでのＳ分析値が目標上限値超え（不合格）となることがある。反対に、炉裏サンプルのＳ分析値が不合格でも、実際には合格している可能性がゼロとは言い切れない。そして、仮に合格であったとしたら、二次精錬で過剰に脱硫処理をしたことになり、表面には現れない製造コストの増加となる。一般に、炉裏サンプルのＳ濃度は、目標上限値近辺、すなわち、合否判定値近辺であることが多く、分析精度の善し悪しが、潜在的な問題となっている。

同様に、二次精錬でも、炉裏サンプルや二次精錬中に採取したサンプルのＳ分析値を基に、操業条件（脱硫処理条件）を決定しているが、Ｓ濃度外れの回避策として実施している脱硫剤の過剰投入や処理時間の延長などによる製造コストの上昇や生産性の低下が問題となる。上記の回避策は、低硫鋼と同様、分析値の誤差を想定したものであり、特に二次精錬では、Ｓ濃度が低くなっているため、相対的に誤差が大きく、また、最終の脱硫工程でもあることから、Ｓ濃度外れに過剰に対応せざるを得ないのが実情である。

なお、Ｓ濃度外れを回避する技術として、精錬中のスラグの塩基度を高くして脱硫能力を高める技術が多数開示されているが（例えば、特許文献６参照）、溶鋼中のＳ濃度は、実際に分析しなければ確認することはできないし、その分析の精度自体に問題があれば、Ｓ濃度外れを防止することはできない。

特開２００３−１５５５１６号公報 特開２００５−１７９７６２号公報 特開２００７−０５１３５０号公報 特開２００９−１９１２８９号公報 特開平１１−００６００９号公報 特開２００３−３４２６３１号公報 特開２００８−０６３６４７号公報 特開２００８−１６９４０７号公報

上記の問題点を解決する方法の一つとして、分析技術の改善がある。Ｓ濃度を迅速かつ正確に分析できれば、炉裏サンプルあるいは二次精錬中におけるＳ濃度の分析結果を、その後の脱硫精錬に反映することで、溶鋼中のＳ濃度を精度よく制御しＳ濃度の的中率を向上することが可能となると共に、過剰な脱硫剤の添加や、処理時間の延長を行う必要がなくなるからである。さらに、溶鋼中のＳ濃度を精度よく把握することで、二次精錬における無駄な処理時間を削減することも可能となるので、生産性を高めることも可能となる。

ここで、溶鋼中のＳ濃度を分析する方法としては、ＪＩＳ Ｇ１２５３（２００２）に規定される「スパーク放電発光分光分析法」（以降、「発光分光分析法」とも略記する）、ＪＩＳ Ｇ１２１５−４（２０１０）に規定される「高周波誘導加熱燃焼−赤外線吸収法」（以降、「赤外線吸収法」とも略記する）およびＪＩＳ Ｇ１２１５−３（２０１０）に規定された「硫化水素気化分離メチレンブルー吸光光度法」（以降、「吸光光度法」とも略記する）などが広く用いられている。

上記分析方法の中で、吸光光度法は、いわゆる湿式化学分析法であり、分析精度は高いが、測定に長時間を要する。そのため、製鋼工程におけるＳ濃度の分析には、上記方法は日常的には用いられておらず、迅速分析が可能な発光分光分析法と赤外線吸収法の２つ方法が主として用いられている。しかし、発光分光分析法は、分析面の表面粗さ等の表面性状が分析値に影響するため、分析面として直径３０ｍｍφ程度の平滑面が必要であり、研磨に時間を要するため、Ｓ濃度の分析結果が出るまで時間がかかるという問題がある。
また、発光分光分析法は、赤外線吸収法と比較して分析精度の点で劣る傾向にある。そのため、特に、低硫鋼や極低硫鋼など、Ｓ濃度を正確に分析する必要がある場合には、赤外線吸収法が用いられることが多い。しかし、赤外線吸収法であっても、例えば、ＪＩＳ Ｇ１２１５−４の表７では、Ｓ濃度が５〜１０ｍａｓｓｐｐｍレベルの極低硫鋼で±２ｍａｓｓｐｐｍ、２０〜３０ｍａｓｓｐｐｍレベルの低硫鋼で±５ｍａｓｓｐｐｍ以上の誤差を許容しているように、極低硫鋼や低硫鋼を対象とした場合には、決して十分な分析精度を有するものではない。

なお、赤外線吸収法における上記測定誤差を解消する方法としては、何回か測定を繰り返して平均値を取る方法や、吸着・濃縮カラム（トラップ）にＳＯ_２を捕集し、濃縮したＳＯ_２を微量のヘリウムガスで再放出させて分析することで、高い精度を実現する技術が開発されている。しかし、これらの技術は、試料を何回も測定したり、吸着・濃縮工程が付加されたりするため、分析に長時間を要することになり、製鋼工程でのＳ濃度の分析に適用するのは難しいという問題がある。そのため、溶鋼の二次精錬においては、Ｓ濃度外れを懸念した過剰な脱硫処理が行われていた。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次精錬中に採取した溶鋼のＳ濃度を迅速かつ精度よく分析することによって、二次精錬における脱硫処理時間を短縮すると共に、脱硫剤等の使用量を削減することができる溶鋼の二次精錬方法およびその方法を用いた溶鋼の製造方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて、二次精錬中の溶鋼のＳ濃度を迅速かつ正確に分析する方法について鋭意検討を重ねた。その結果、二次精錬中の溶鋼から採取した試料を純酸素雰囲気下で高周波誘導加熱し、燃焼・酸化させることによって、試料中に含まれるＳを短時間ですべてＳＯ_２とし、このＳＯ_２濃度を紫外蛍光法で分析することで、上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、転炉から出鋼した溶鋼を二次精錬する方法において、精錬中の溶鋼から採取した試料のＳ濃度を分析し、その分析値に基づいて、その後の脱硫処理条件を決定するに当たり、上記Ｓ濃度を、試料を純酸素雰囲気下で高周波誘導加熱により燃焼、酸化させて、溶鋼中のＳをＳＯ _２ とする高周波誘導加熱工程と、上記高周波誘導加熱工程で生成したＳＯ _２ 含有ガスを、紫外蛍光法で分析して試料中のＳ濃度を定量する分析工程を含む方法で分析することを特徴とする溶鋼の二次精錬方法である。

また、本発明の二次精錬方法における上記脱硫処理は、Ｓの目標濃度が０．００３ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする。

また、本発明の二次精錬方法における上記脱硫処理条件は、脱硫処理における脱硫剤投入量、溶鋼撹拌時間などの処理時間のいずれか１以上であることを特徴とする。

また、本発明は、上記いずれかに記載の溶鋼の脱硫方法を用いることを特徴とする溶鋼の製造方法である。

本発明によれば、二次精錬における溶鋼中のＳ濃度を迅速かつ正確に分析し、把握することができるので、溶鋼の脱硫処理を適正化し、Ｓの的中率を向上することができるだけでなく、過剰脱硫による製造コストの上昇を抑制したり、脱硫処理時間の削減による生産性の向上や、Ｓ濃度外れによる工程撹乱を防止したりすることができるので、産業上奏する効果は極めて大である。

本発明のＳ分析装置の一構成例を説明する図である。 ＬＦを用いた脱硫処理のフローを説明する図である。 ＬＦを用いた脱硫処理における処理時間とＳ濃度の推移例を示す図である。 ＲＨ真空脱ガス装置を用いた脱硫処理のフローを説明する図である。

転炉での脱炭吹錬を終了した溶鋼は、炉体を傾けて出鋼口から取鍋に注入されるが、その際、合金鉄や脱酸剤などが取鍋内の溶鋼に添加される。その後、取鍋内の溶鋼から採取した炉裏サンプルを分析し、この分析値を基に、次工程の二次精錬における操業条件が決定される。例えば、二次精錬において初期投入される脱硫剤の量は、炉裏サンプルのＳ分析値と、目標Ｓ濃度および溶鋼量から計算される。脱硫処理開始後は、途中途中でサンプルを採取して脱硫状態をモニタリングし、必要に応じて脱硫剤を追加投入し、溶鋼中のＳ濃度が所定の目標濃度に達したら、脱硫処理を完了する。このようにして、製鋼工程では、溶鋼中のＳ濃度を適宜分析し、その結果を操業条件に反映させている。

しかし、Ｓ分析の精度が悪いと、脱硫の過不足が大きくなり、その結果、Ｓ濃度外れや、無用な脱硫剤の添加による製造コスト上昇を招くことになる。表１は、Ｓ濃度の規格値が０．００３ｍａｓｓ％以下（３５ｍａｓｓｐｐｍ未満が合格）の製品向けのチャージで、炉裏サンプルまたはレードルサンプルのいずれかでＳ濃度外れとなった例を示したものであり、Ｎｏ．１のチャージは、赤外線吸収法で分析した炉裏サンプルのＳ濃度では合格していたが、吸光光度法で分析したレードルサンプルのＳ濃度が不合格となったチャージの炉裏サンプルを、再度、吸光光度法で再分析した結果、やはり、炉裏サンプル（転炉出鋼時点）のＳ濃度が外れていたことが判明した例を、反対に、Ｎｏ．２〜４は、赤外線吸収法で分析した炉裏サンプルで不合格であったため二次精錬で追加脱硫したが、吸光光度法で炉裏サンプルを再分析したところ合格しており、結果として、二次精錬で過度の脱硫処理を行っていた例である。

このような状況を鑑み、発明者らは、二次精錬中の溶鋼のＳ濃度を迅速かつ正確に把握した上で、二次精錬の操業条件（脱硫条件）を決定することが必要と考え、迅速かつ高精度な鉄鋼中のＳ分析方法の検討を行った。その結果、上記Ｓ濃度の分析方法として、紫外蛍光法を用いた方法を用いることにより、上述した問題点を解決し得ることを見出し、本発明を開発するに至ったものである。
以下、本発明における紫外蛍光法を用いたＳ濃度の分析方法について説明する。

図１は、紫外蛍光法を用いた分析装置の一構成例を示したものである。この紫外蛍光分析装置１は、純酸素供給手段２と、その純酸素供給手段２から供給される純酸素雰囲気下で、溶鋼から採取した試料５を燃焼・酸化させて、試料５中に含まれるＳをＳＯ_２にする高周波誘導加熱炉３と、試料５の燃焼により生成したＳＯ_２含有ガスから塵埃（ダスト）を除去するダストフィルタ４と、ダストを除去したＳＯ_２含有ガスを紫外蛍光法により分析して試料中のＳを定量分析する紫外蛍光分析器６とから構成されている。

上記純酸素供給手段２は、酸素濃度が９９．５ｖｏｌ％以上の純酸素供給源（図示せず）と、純酸素供給ライン２１と、純酸素供給ライン２１上に設けられた流量制御手段としての流量調整器２２とを備えている。この流量調整器２２としては、公知の流量調整器を用いることができるが、供給ガスの流量を制御する観点からは、純酸素の質量流量を調整できる質量流量調整器を用いることが好ましい。

高周波誘導加熱炉３の内部には、試料５を溶解し、燃焼させるセラミックスるつぼ３１と、セラミックスるつぼ３１を囲繞するコイル３２とが配設されており、コイル３２には、交流電源（図示せず）に接続されている。そして、この高周波誘導加熱炉３では、純酸素供給手段２から供給される純酸素雰囲気下で、コイル３２に、例えば１０〜２０ＭＨｚの交流電流を印加することにより、セラミックスるつぼ３１内の試料５を加熱して、迅速に加熱、溶解すると共に、試料５中に含まれているＳを酸素と反応させて、即ち、酸化（燃焼）させてＳＯ_２（気体）を生成させる。なお、試料５を燃焼させる際には、錫やタングステン等の助燃剤を用いることが好ましい。セラミックスるつぼ３１中に試料５と助燃剤とを投入して加熱することで、試料５を迅速に燃焼させることができるので、Ｓ濃度の分析を迅速に行うことができるからである。

ダストフィルタ４は、高周波誘導加熱炉３と紫外蛍光分析器６との間に設置されており、高周波誘導加熱炉３で発生したＳＯ_２含有ガスから、試料５や助燃剤から発生するダストを除去して、後段に配設された紫外蛍光分析器６を保護するためのものである。このダストフィルタ４としては、ＳＯ_２を吸着しない素材、例えば、シリカ繊維やポリテトラフルオロエチレンからなる、通気性の優れたものを用いるのが好ましい。

紫外蛍光分析器６は、ＳＯ_２含有ガスに、例えば波長２２０ｎｍの紫外線を照射し、励起状態となったＳＯ_２が基底状態に戻る際に放出する蛍光（波長３３０ｎｍ）を一定時間測定し、測定された蛍光強度の積算値から、予め作成しておいた検量線を用いて試料５中に含まれるＳ量を算出するものである。この紫外蛍光分析器６としては、公知の紫外蛍光分析器、具体的には、紫外線発生源と、ＳＯ_２含有ガスに紫外線を照射するための蛍光セルと、励起光を測定する光電子増倍管（ＰＭＴ：Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）とを備える紫外蛍光分析器を用いることができる。

次に、上記の紫外蛍光分析装置１を用いて、溶鋼から採取した試料５中に含まれているＳ濃度を定量分析する方法について説明する。
まず、試料５および助燃剤をセラミックスるつぼ３１に投入する。次に、純酸素供給手段２から高周波誘導加熱炉３に純酸素を連続的に供給すると共に、コイル３２に交流電流を印加して、純酸素雰囲気下で試料５を燃焼（酸化）させる。そして、試料５の燃焼により生成したＳＯ_２含有ガス中に含まれるダストを、ダストフィルタ４で除去した後、紫外蛍光分析器６でＳＯ_２含有ガス中のＳＯ_２量を測定することにより、試料５中に含まれているＳ濃度を定量する。

この紫外蛍光分析装置１によれば、試料５を、純酸素雰囲気下で高周波誘導加熱炉３を用いて迅速かつ充分に燃焼させることができる。また、この紫外蛍光分析装置１では、試料５の燃焼により生成したＳＯ_２量を紫外蛍光分析器６で測定するので、赤外線検出器で測定する従来の赤外線吸収法と比較して、測定対象ガス中に含まれる水蒸気や測定対象ガスの温度による影響を受けることがほとんどない。したがって、除湿器やＳＯ_２の吸着・濃縮カラム（トラップ）等を設ける必要がなく、簡便な装置で迅速かつ正確にＳの定量分析を行うことができる。さらに、この紫外蛍光分析装置１では、従来技術のように測定時に参照ガス（比較ガス）を使用する必要もない。

また、酸素は、励起状態となったＳＯ_２が基底状態に戻る際に放出する蛍光を吸収したり、励起状態となったＳＯ_２分子と衝突してクエンチング（消光）現象を起こしたりする。そのため、紫外蛍光法では、測定対象ガス中のＳＯ_２量が低い場合や、測定対象ガス中に酸素が多量に含まれている場合には、ＳＯ_２濃度の測定精度が低下することが知られている。しかし、本発明の紫外蛍光分析装置１では、純酸素雰囲気下で試料を燃焼させる高周波誘導加熱炉３を用いて試料５中のＳを短時間ですべて酸化することができる。そのため、測定対象ガス中のＳＯ_２濃度が高く、紫外蛍光分析器６で測定される蛍光強度が尖頭状の鋭いピークを示すようになるので、ＳＯ_２量を正確に測定することができる。

なお、前述したように、酸素はＳＯ_２の蛍光を消光する作用を有するため、紫外蛍光分析法では、同一のＳＯ_２濃度のガスを測定した場合であっても、測定対象ガス（ＳＯ_２含有ガス）中に含まれている酸素濃度に応じて、異なる強度の蛍光が検出される。また、溶鋼から採取した試料を燃焼させた場合、酸素は、試料中に含まれるＳ以外の水素や炭素などとも結合するため、ＳＯ_２ガス以外の非酸素ガスが発生する。

そこで、本発明に用いる紫外蛍光分析装置では、上記酸素による悪影響を軽減するため、高周波誘導加熱炉に供給する純酸素中の酸素濃度と試料の燃焼により生成するＳＯ_２含有ガス中の酸素濃度との差が１０ｖｏｌ％以下となるように、具体的には、試料燃焼により生成するＳＯ_２含有ガス中の酸素濃度が９０ｖｏｌ％以上となるように純酸素を供給することが好ましい。その理由は、試料を燃焼させた場合、非酸素ガスの生成によりＳＯ_２含有ガス中の酸素濃度は、高周波誘導加熱炉に供給した純酸索よりも低下するが、燃焼後のＳＯ_２含有ガス中の酸素濃度が９０ｖｏｌ％以上となるようにすれば、酸素濃度変化により測定される蛍光強度の変化が小さくなるので、ＳＯ_２量を正確に測定することができるからである。

また、純酸素は、高周波誘導加熱炉３で生成したＳＯ_２含有ガスが紫外蛍光分析器６に到達するまでの時間を短くし、分析に要する時間を短縮するため、さらに、生成したＳＯ_２が装置内に残留するのを防止するためにも、所定量以上の流量を確保することが望ましい。ただし、純酸素の流量を大きくし過ぎると、ＳＯ_２含有ガス中のＳＯ_２濃度が低下して測定精度が低下したり、ダストフィルタ４がダストで閉塞する頻度が増加したりするようになるので、分析装置の大きさに応じて、純酸素の流量を適宜調整するのが好ましい。

上述したように、紫外蛍光法では、測定する試料を純酸素雰囲気下で高周波誘導加熱により短時間で燃焼させるので、試料中に含まれるＳを、迅速かつ充分に酸化してＳＯ_２にすることができる。また、紫外蛍光法では、試料の燃焼により生成したＳＯ_２含有ガスを、バックグランドのほとんど無い紫外蛍光法で分析するので、試料中に含まれているＳを高い精度で分析することができる。

表２は、ＪＩＳ Ｇ１２１５−４（２０１０）に規定された赤外線吸収法と本発明による紫外蛍光法を用いた本発明の分析方法で、日本鉄鋼連盟の、Ｓ認証値が９．４ｍａｓｓｐｐｍおよび２０ｍａｓｓｐｐｍの鉄鋼認証標準物質をそれぞれ５回ずつ分析した結果を示したものである。なお、上記赤外線吸収法については、通常、工程的に行われている２回測定しその平均値をとる方法（通常法）と、分析精度を上げるため、試料を燃焼させて濃縮カラム（トラップ）にＳＯ_２を濃縮させてから微量のヘリウムガスで再放出させて測定する方法（濃縮法）の２つの方法で行った。

表２の結果から、本発明法のＳ濃度分析方法を用いることで、従来の赤外線吸収法（通常法）と比較して、さらに濃縮法を用いた場合と比較しても、極めて高い精度でＳ濃度を分析できること、特にその精度の違いはＳ濃度が低い極低硫鋼で顕著であることがわかる。したがって、本発明の紫外蛍光法を用いたＳ濃度分析方法を、溶鋼中のＳ濃度の分析に適用することにより、複数回の分析を行うことなく、Ｓ濃度を迅速かつ正確に分析できるので、溶鋼の脱硫処理におけるＳ濃度の合否判定を高い精度で行うことができると共に、二次精錬における脱硫条件を適性化できるので、脱硫不足を生じたり、過剰な脱硫による製造コストの上昇を招いたりすることなく、溶鋼を脱硫することができる。

なお、二次精錬中における溶鋼中のＳ濃度は、酸素吹き等、特別な操業をしない限り、通常の操業条件では復硫して上昇することはない。したがって、脱硫処理時の脱硫剤は、脱硫後の溶鋼Ｓ濃度が、規格値（合否判定基準）より１ｍａｓｓｐｐｍ程度低い値となるよう投入すればよいので、過剰な脱硫剤の投入を抑制し、製造コストを削減することができる。したがって、本発明の脱硫方法を用いて精錬することにより、Ｓ濃度が基準内でかつ安定した溶鋼を製造することができる。

また、表３は、日本鉄鋼連盟の、Ｓ認証値が２０ｍａｓｓｐｐｍの鉄鋼認証標準物質を、分析精度を高めるため、赤外線吸収法で２回測定してその平均値をとる通常法と濃縮してから１回測定する方法、および、本発明の紫外蛍光法を用いて１回で測定する方法とで、測定に要する時間を比較して示したものである。この表から、本発明の方法でＳ濃度を分析した場合には、１チャンス当りの分析時間を約１〜２分間短縮できる。

従って、紫外蛍光法を用いる本発明のＳ分析方法によれば、試料中に含まれているＳ濃度を高精度かつ迅速に定量分析することができるので、これを溶鋼から採取した試料に適用すれば、溶鋼中のＳ濃度を迅速かつ正確に定量分析することができる。
なお、溶鋼からＳ濃度分析のための試料を採取する方法については、例えば、ＪＩＳ Ｇ１２１５−３（２０１０）に記載された方法などを用いることができるが、いかなる方法でもよい。

次に、上記Ｓ分析方法を用いた本発明の二次精錬方法について説明する。
まず、転炉出鋼後の溶鋼を、特許文献１〜４に記載の取鍋精錬設備（ＬＦ）を用いた二次精錬で脱硫する場合について説明する。ここで、上記取鍋精錬設備（ＬＦ）とは、取鍋に耐火物製の蓋を被せて内部を非酸化雰囲気にできるようにし、さらに、上記蓋には、スラグ中に浸漬し、溶鋼をアーク放電加熱する電極と、溶鋼中にＣａＯやアルミナ系の脱硫剤や媒溶剤等の副原料を不活性ガスで吹込むインジェクションサンス、および、溶鋼を撹拌するために不活性ガスを吹込む別のランスあるいは底吹き羽口を配設したものである。

図２（ａ）は、上記ＬＦで脱硫精錬するときの一般的な処理フローを模式的に示したものであり、先ず、炉裏サンプルのＳ濃度等の分析結果に基づいて、所定量の脱硫剤や媒溶剤等の副原料をＬＦ内に投入した後、不活性ガスの吹込みを開始して溶鋼を撹拌し、「スラグ−メタル反応」による脱硫反応を促進させる。二次精錬開始から所定時間経過後、溶鋼からサンプルを採取し、Ｓ濃度を分析して脱硫状況を把握し、その結果に基づいて、副原料を追加投入して脱硫処理を継続する。その後、さらに所定時間経過後、再び溶鋼からサンプルを採取してＳ濃度を分析し、その結果に基づいてＳ濃度の合否判定を行い、合格の場合には処理を終了し、不合格の場合には、さらに副原料を追加投入して所定時間処理を継続した後、処理を終了し、溶鋼からサンプルを採取し、脱硫処理後のＳ濃度を確認する。

図３は、上記二次精錬のＳ濃度の分析方法として従来の赤外線吸収法を用いて、Ａ〜Ｃ３チャージの溶鋼をＳ濃度：０．００１ｍａｓｓ％以下（１４ｍａｓｓｐｐｍ以下が合格）の極低硫鋼に脱硫するときの、ＬＦ処理時間と溶鋼中のＳ濃度の推移を示したものである。いずれのチャージも、処理開始から２０分後に１回目の試料を採取し、３０分後にＳ濃度の分析結果が判明し、その結果に基づいて、脱硫剤等の副原料を追加投入し、４０分後に２回目の試料を採取し、５０分後にＳ濃度の分析結果が判明し、その結果、チャージＡは、上記Ｓ濃度が不合格であったため、副原料を再度追加投入し、６０分でＬＦ処理を終了した例、また、チャージＢ，Ｃは、上記Ｓ濃度が合格していたが、分析結果が判明する５０分まで処理を継続した例を示している。

上述したように、従来技術の赤外線吸収法を適用した場合には、サンプル採取からＳ濃度の分析結果判明（サンプル移送−前処理−分析）までの時間が約１０分という長時間を必要とする。そのため、分析精度の誤差が大きいことによる脱硫不足を回避したいときや、処理時間を短縮したいときには、図２（ａ）のように、サンプルの分析結果が判明する前に脱硫剤を過剰に追加投入することが行われていた。しかし、この場合、上記分析結果でＳ濃度が基準に合格していた場合には、過剰に追加投入した副原料や、それに伴う処理時間の延長は、無駄なアクションであったことになる。

一方、図２（ｂ）に示すように、上記二次精錬に本発明のＳ分析方法を適用した場合には、１回の分析に要する時間を短縮することができ、その分、次のアクションを早めることができる。また、図２のように２回の分析を行う場合には、処理時間をさらに短縮することができる。また、上記測定時間の短縮に加えて、本発明のＳ分析方法は、従来の赤外線吸収法と比較して分析精度が格段に優れているため、過剰な脱硫剤の投入や過剰な処理時間の延長を行う必要がないので、副原料コストの削減や過剰な処理時間の延長を防止することもできる。

表４は、転炉出鋼後の溶鋼をＬＦで二次精錬して、Ｓの目標濃度が０．００１ｍａｓｓ％以下（合否判定基準：１４ｍａｓｓｐｐｍ以下）の低炭素アルミキルド鋼を溶製する二次精錬プロセスに、上記表３に示した従来の赤外線吸収法（２回測定）を適用した場合と、表３に示した本発明の紫外蛍光法を適用した場合とで、ＬＦ処理時間および副原料の使用量を比較して示したものである。なお、上記各条件とも、それぞれ処理数は３０チャージであった。

表４からＬＦを用いた溶鋼の二次精錬におけるＳ濃度分析に、本発明の紫外蛍光法を用いた分析方法を適用することで、脱硫精錬に要する時間を短縮できるだけでなく、分析精度の向上によって、脱硫剤や媒溶剤等の副原料を大幅に削減することができることがわかる。

次に、転炉出鋼後の溶鋼を、特許文献５〜８に記載のＲＨ真空脱ガス装置を用いた二次精錬で脱硫する場合について説明する。ここで、上記ＲＨ真空脱ガス装置とは、炉裏サンプルのＳ濃度等の分析結果に基づいて、所定量の副原料（媒溶剤）が投入された取鍋内に、真空槽の下部に配設された２本の浸漬管を溶鋼内に浸漬し、１方の浸漬管からアルゴンガスを吹込んで溶鋼を上昇させ、他方の浸漬管から排出することで溶鋼を循環させつつ、真空槽内を排気して鋼中のガス成分を除去するとともに、真空槽の上方から、プリメルトのライムアルミナ系フラックス等の脱硫剤や合金鉄を投入して、脱硫処理や合金成分の調整を行うものである。

図４（ａ）は、ＲＨ真空脱ガス装置で二次精錬し、脱硫するときのＳ濃度分析に、従来の発光分光分析法を用いて行うときの一般的な処理フローを模式的に示したものである。このＲＨ真空脱ガス装置で精錬する場合も、精錬（還流）開始から所定時間経過後、溶鋼からサンプルを採取し、Ｓ濃度を分析して脱硫状況を把握し、その結果に基づいてＳ濃度の合否判定を行い、合格の場合には処理を終了し、不合格の場合には、さらに脱硫剤を追加投入して所定時間処理を継続した後、処理を終了する。また、いずれの場合も、処理終了後は、溶鋼からサンプルを採取して分析し、Ｓ濃度を確認する。

なお、発光分光分析装置は、ＲＨ真空脱ガス装置の機側に設置されていることが多いが、分析試料の調整に時間を要するため、サンプル採取から分析結果判明（前処理−分析）までの時間は約１０分である。また、分析精度の誤差が大きいことによる脱硫不足を回避したい場合や、処理時間を短縮したい場合には、ＬＦのときと同様、サンプルの分析結果が判明する以前に脱硫剤等を過剰に追加投入することが行われている。そのため、上記分析結果がＳ濃度基準に合格していた場合には、追加投入した副原料や、それに伴う処理時間の延長は無駄なアクションとなる。

そこで、上記ＲＨ真空脱ガス装置での二次精錬に、本発明のＳ分析方法を適用した場合には、１回の分析に要する時間を短縮することができるので、図４（ｂ）に示すように、その分、次のアクションを早めることができ、処理時間を短縮することができる。また、上記測定時間の短縮に加えて、本発明のＳ分析方法は、従来の発光分光分析法と比較して分析精度が格段に優れているため、過剰な脱硫剤の投入や過剰な処理時間の延長を行う必要がないので、副原料コストの削減や処理時間の短縮を図ることもできる。

表５は、転炉出鋼後の溶鋼をＲＨ真空脱ガス処理装置で二次精錬して、Ｓの目標濃度が０．００３ｍａｓｓ％以下（合否判定基準：３５ｍａｓｓｐｐｍ未満）の低炭素アルミキルド鋼を溶製する二次精錬プロセスに、上記図４（ａ）に示した従来の発光分光分析法を適用した場合と、図４（ｂ）に示した本発明の紫外蛍光法を適用した場合とで、ＲＨ処理時間および脱硫剤の使用量を比較して示したものである。なお、上記各条件とも、それぞれ処理数は６０チャージであった。

表５から、ＲＨ真空脱ガス処理装置を用いた溶鋼の二次精錬におけるＳ濃度分析に、紫外蛍光法を用いた方法を適用することで、脱硫精錬に要する時間を短縮できるだけでなく、分析精度の向上によって、脱硫剤を大幅に削減することができることがわかる。

上記説明では、転炉出鋼後の溶鋼を二次精錬する場合を例にとって説明してきたが、本発明は斯かる例に限定されるものではなく、燃焼し難い他の金属中のＳ濃度測定にも適用することができる。

１：紫外蛍光分析装置
２：純酸素供給手段
２１：純酸素供給ライン
２２：流量調整器
３：高周波誘導加熱炉
３１：セラミックスるつぼ
３２：コイル
４：ダストフィルタ
５：試料
６：紫外蛍光分析器

Claims (4)

1. 転炉から出鋼した溶鋼を二次精錬する方法において、
   精錬中の溶鋼から採取した試料のＳ濃度を分析し、その分析値に基づいて、その後の脱硫処理条件を決定するに当たり、
   上記Ｓ濃度を、試料を純酸素雰囲気下で高周波誘導加熱により燃焼、酸化させて、溶鋼中のＳをＳＯ _２ とする高周波誘導加熱工程と、
   上記高周波誘導加熱工程で生成したＳＯ _２ 含有ガスを、紫外蛍光法で分析して試料中のＳ濃度を定量する分析工程を含む方法で分析することを特徴とする溶鋼の二次精錬方法。
2. 上記脱硫処理は、Ｓの目標濃度が０．００３ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶鋼の二次精錬方法。
3. 上記脱硫処理条件は、脱硫処理における脱硫剤投入量および処理時間のいずれか１以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶鋼の二次精錬方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次精錬方法を用いることを特徴とする溶鋼の製造方法。

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