JP5867707B2 - 取鍋内溶鋼への合金元素の添加方法と合金原料の格納容器 - Google Patents

Description

本発明は、取鍋内の溶鋼中に合金元素を高い歩留まりかつ高い精度で添加することができる合金元素添加方法と、その方法に用いる合金原料の格納容器に関するものである。

転炉等で溶製された溶鋼の成分調整は、通常、出鋼時に若干の成分、温度調整や脱酸処理、スラグ改質処理を行った後、真空脱ガス設備等によって脱炭、脱酸、脱硫、脱燐、脱水素等の清浄化処理をした後、各種合金元素を添加する二次精錬で行われることが多い。しかし、この二次精錬は、大掛かりな処理設備と長い処理時間を必要とするため、製造コストが上昇するという問題がある。

そこで、簡単な設備で短時間かつ安価に合金元素を添加する方法として、溶鋼を収納した取鍋において溶鋼中に合金元素を添加する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、溶鋼の上方に設置されたホッパーから合金原料を切り出して投入する方法が、特許文献２には、合金原料を内部に含ませたワイヤを、案内パイプ等を介して溶鋼内に送給する方法が開示されている。

しかし、これらの方法では、投入した合金原料や、送給されたワイヤが、取鍋内の溶鋼に達する前に、溶鋼上のスラグを通過する必要があり、その間にスラグと合金原料、例えば、が反応したりあるいはスラグに補足されたりするため、歩留りが低下して原料コストが上昇したり、添加精度が悪化して成分外れが発生したりするという問題を抱えていた。

上記のような問題点を解決する技術としては、溶融金属容器の蓋に尖塔付中空筒状スラグ割り治具を取り付け、スラグ割りに必要な応力は溶融金属容器蓋の自重を利用し、スラグ割り治具の中空部に成分調整剤等を収納し、溶融金属に上記治具が浸漬後は、溶融金属により浸漬部を溶解させるこれにより添加材を効率よく溶融金属中に添加する方法が、特許文献３に開示されている。

特開平０７−２７８６４２号公報 特開平０７−１２６７３５号公報 特開昭５８−１１７８４０号公報

しかしながら、特許文献３の技術は、溶融金属容器蓋に尖塔付中空筒状スラグ割り治具を取り付けており、蓋を使用しない場合には適用することができない他、大量の合金原料を短時間に溶鋼中に添加することができないという問題がある。

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、取鍋内の溶鋼中に合金元素を高い歩留まりかつ高い精度で添加することができる合金元素添加方法と、その方法に用いる合格納容器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検討を重ねた結果、以下の構成からなる本発明を開発するに至った。
すなわち、本発明は、取鍋内に収納した上部にスラグ層を有する溶鋼中に合金元素を添加する方法において、合金原料を収納した鉄製の格納容器の底部を、スラグ層を貫通して溶鋼中に浸漬し、ガス抜き孔が設けられた上記格納容器の上面を上記スラグ層に浸漬させずに、格納容器の底部を選択的に溶解、開口させて溶鋼中に合金原料を添加することを特徴とする取鍋内溶鋼への合金元素の添加方法を提案する。

本発明の合金元素の添加方法は、上記格納容器底面の溶鋼中への浸漬深さを、スラグと溶鋼界面から５００ｍｍ以上とすることを特徴とする。

また、本発明の合金元素の添加方法は、添加する合金元素が、Ｔｉ，Ｌａ，Ｚｒ，ＮｂおよびＢのうちの１種以上であることを特徴とする。

また、本発明は、上記のいずれかに記載の取鍋内溶鋼への合金元素添加方法に用いる合金原料を格納する鉄製の格納容器であって、板厚が３〜４．５ｍｍの鋼板からなる底面と、板厚が６．０ｍｍ以上の鋼板からなる側面を有し、上記格納容器の上面に上記格納容器を吊り下げるための取付治具と、ガス抜き孔とが設けてあることを特徴とする合金原料の格納容器である。

本発明における上記格納容器は、１６００℃の溶鋼に浸漬させた場合に、３０秒以内に溶解して開口する底面を有することを特徴とする。

本発明によれば、鉄製の格納容器内に、２００〜８００ｋｇの合金原料を収納し、これを取鍋内の溶鋼中に浸漬させて容器底部を選択的に溶解・開口させることで、大量の合金原料を３分以内の短時間で、高い歩留りかつ高い精度で溶鋼中に添加することが可能となるので、合金原料の削減や、溶鋼の成分外れの防止に大きな効果を奏することができる。

従来法（ホッパー添加法）と本発明の合金元素添加方法を比較して説明する模式図である。 本発明法の合金元素添加方法の原理を説明する図である。 本発明の格納容器の一例を示す図である。 本発明法と従来法（ホッパー添加法）におけるＴｉの添加歩留りおよびバラつきを比較して示したグラフである。 本発明法の格納容器側面の鋼板板厚がＬａの添加歩留りおよびバラつきに及ぼす影響を示すグラフである。

以下、本発明の取鍋内溶鋼への合金元素添加方法について具体的に説明する。
まず、本発明の合金元素添加方法は、取鍋内に収納した、上部にスラグ層を有する溶鋼中に合金元素を添加する方法であり、添加する合金元素としては、Ｔｉ，Ｌａ，Ｚｒ，ＮｂおよびＢ等、酸化され易い元素が挙げられる。

従来、取鍋内の溶鋼への合金元素添加方法としては、例えば、図１（ａ）に示したように取鍋５の上方に配設されたホッパー６から、合金原料を投入する方法が採用されていた。しかし、この方法では、投入された合金原料が溶鋼に到達するには、溶鋼上のスラグ層を通り抜ける必要がある。しかし、添加する合金元素は、一般に酸化され易い性質を有するため、スラグ通過中にスラグ中のＦｅＯと反応して酸化消耗してしまったり、スラグ中に捕捉されて溶鋼まで到達しなかったりする。そのため、従来の添加方法では、合金歩留りが低く、添加精度も悪いという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題点を解消するため、図１（ｂ）に示したように、合金原料を収納した鉄製の格納容器を、スラグ層を貫通して溶鋼中に浸漬し、格納容器の底部を選択的に溶解、開口させて溶鋼中に合金原料を添加する方法を提案する。
図２は、本発明の合金元素の添加方法の原理を説明する図であり、１は鉄製の格納容器、２は格納容器１内に収納された合金原料、３は取鍋内の溶鋼、４はその上のスラグ層である。本発明の方法では、合金原料２を収納した格納容器１の下側部分を、取鍋の上方からスラグ層を突き抜いて１６００〜１６５０℃の温度の溶鋼中に浸漬させて、格納容器の底面を溶解し、開口させることで、溶鋼を容器内に侵入させ、合金原料を溶解させる。

この際、重要なことは、格納容器の底面が溶解、開口した後、合金原料が溶鋼中に完全に溶解されるまでの間、合金原料がスラグと直接接することを防止することである。そのためには、格納容器の底面が溶鋼によって溶解、開口しても、その開口部からスラグが侵入してこないこと、および、容器の側面は、溶鋼によって一部が溶解しても開口に至らないこと、すなわち、格納容器の底面と側面とでは、溶鋼によって開口に至るまでの溶解時間に差をもたせることが必要とされる。

上記観点から、合金原料の格納容器は、底面を、スラグと溶鋼の界面から少なくとも５００ｍｍの深さまで浸漬させることが望ましい。５００ｍｍ未満では、取鍋の炉底から撹拌用ガスを吹き込んでいる場合、溶鋼の湯面変動により容器内部にスラグが侵入してくるおそれがあるからである。好ましい浸漬深さは、５５０ｍｍ以上である。

同様に、上記観点から、格納容器の底面は、溶鋼中に浸漬開始から、溶解し、開口に至るまでの時間が１０秒以上３０秒以下の耐久時間を有する鋼板であることが好ましい。底面の耐久時間が１０秒未満では、格納容器を溶鋼中に所定の深さまで浸漬させる前に溶解して開口してしまうおそれがあり、一方、３０秒を超えると、開口までの時間が長時間となり、合金の溶解時間が長くなるからである。格納容器の底部を選択的に溶解、開口させるには、格納容器の側面は、底面以上の耐久時間を有する鋼板であることが好ましい。
なお、格納容器の素材は、溶鋼に対してある程度の溶解時間を確保する必要があること、入手の容易性から、鉄（鋼板）製であることが望ましい。

そこで、発明者らは、各種板厚の鋼板を用意し、１６００〜１６５０℃の溶鋼による溶解時間を調査した。その結果、本発明に用いる合金原料の格納容器は、上記耐久時間を確保するためには、格納容器の底面を構成する鋼板板厚は３〜４．５ｍｍとし、側面を構成する鋼板板厚は６．０ｍｍ以上とすることが好ましいことがわかった。
底面の鋼板板厚が３ｍｍ未満では、格納容器を溶鋼中に所定の深さまで浸漬させる前に溶解し、開口してしまうおそれがあり、一方、４．５ｍｍを超えると、開口までの時間が長時間となり、容器の側面が溶解し、開口してしまうおそれがあるからである。

なお、上記格納容器は、底面が溶鋼に対して選択的に溶解し、開口するものであれば、特に形状については問わない。また、格納容器は、側面が万が一でも開口してスラグが侵入しても、合金原料と反応しないようにするため、格納容器を溶鋼中の目標深さまで浸漬したときに、容器内に収納した合金原料が全て溶鋼面レベル以下となる大きさとすることが好ましい。なお、格納容器の上面には、底面が開口し溶鋼が内部に侵入する際、内部の空気を逃がすための通気孔を設けておくことが好ましい。

また、上記鉄製格納容器を取鍋内の溶鋼中に浸漬させる方法は、特に制限はないが、例えば、図１（ｂ）に示したように、合金原料を鉄製の格納容器内に収納した後に、その容器をホイストクレーンや天井クレーン等で吊り上げてから、取鍋中に降下させて、合金原料を収納した格納容器の自重でスラグ層を貫通させて溶鋼中に浸漬させる方法が考えられる。また、格納容器を溶鋼中の一定の深さに浸漬、保持するための専用装置を設けてもよい。

図３は、本発明の格納容器の一例を示したものである。この格納容器は、幅：１０００ｍｍ×奥行き：１０００ｍｍ×高さ：８００ｍｍの大きさで、底面は板厚：４．５ｍｍ、側面は板厚：９ｍｍの鋼板で構成され、上面には格納容器をクレーン等で吊り下げるための取付治具と、ガス抜きのためのガス抜き孔を設けてある。この容器を用いることで、約６００ｋｇまでの合金原料を溶鋼中に投入することが可能である。

また、本発明を適用するのが好ましい合金元素としては、Ｔｉ，Ｌａ，Ｚｒ，ＮｂおよびＢ等の単体あるいはそれらを含む合金を挙げることができるが、これらの元素はいずれも酸化され易いため、本発明を適用するに際しては、溶鋼中の酸素［Ｏ］による合金原料の酸化消耗を抑制するため、合金原料を添加する前に溶鋼をキルド処理しておくことが好ましい。

なお、上記鉄製格納容器への合金原料の収納は、ばらの状態で収納してもよいし、取り扱いが容易なように袋詰めにしたり、あるいは、合金原料ごとに薄鋼板等で包装したりしてから行ってもよい。

また、本発明の合金元素添加方法を適用するに当り、冶金精錬、Ａｌ昇熱、成分調整、温度調整等を目的として、取鍋底部に設置したポーラスプラグ（通気性耐火物）を通して取鍋内の溶鋼中にＡｒガスやＮ_２ガス等の不活性ガスを吹き込んで取鍋内の溶鋼を撹拌している場合には、格納容器を溶鋼中に浸漬した後は、上記ガスの流量は１００〜２００ｌ／ｍｉｎ（ｎｔｐ）の範囲とするのが好ましい。１００ｌ／ｍｉｎ（ｎｔｐ）未満では撹拌効果が小さく、処理時間の延長を招く。一方、２００ｌ／ｍｉｎ（ｎｔｐ）を超えると、撹拌効果が大きくなり過ぎてスラグの巻き込みを引き起こすおそれがあるからである。

転炉出鋼後、キルド処理を施した、Ｃ≦１５０ｍａｓｓｐｐｍ、Ｃｒ：１７．０〜１８．０ｍａｓｓ％を含有する溶鋼：１６０トンを収納した取鍋内に、図３に示した鉄製の格納容器（側面板厚：９ｍｍ、底面板厚：４．５ｍｍ）を用いて、Ｔｉ単体金属顆粒をＴｉ原料とし、合金成分としてＴｉを０．２５〜０．３５ｍａｓｓ％添加する実験を行い、Ｔｉ原料の歩留り（％）とその標準偏差σを求めた。鉄製の格納容器は、その底面をスラグと溶鋼の界面から５５０〜６００ｍｍとなるまで浸漬し、浸漬開始から２分後に引き上げた。格納容器の底面およびＴｉ単体金属顆粒は溶解し、格納容器の側面も一部が溶解していた。
なお、Ｔｉを添加する際の溶鋼温度は１６２５±２５℃の範囲に制御し、取鍋炉底からのＡｒガスの吹込流量は２００ｌ／ｍｉｎ（ｎｔｐ）とした。
また、比較として、図１（ａ）に示したホッパー添加法についても、同様の条件で実験を行った。
上記実験の結果を図４に示した。図４から、本発明の格納容器を用いてＴｉを添加することによって、Ｔｉ歩留りが８０．２％から８７．８％へと７．６％も改善され、かつ、Ｔｉ歩留りの標準偏差も８．５％から５．９％へと低下していることがわかる。

実施例１と同様、転炉出鋼後、キルド処理を施した、Ｃ≦８０ｍａｓｓｐｐｍ、Ｃｒ：２０．０〜２１．０ｍａｓｓ％を含有する溶鋼：１６０トンを収納した取鍋内に、図３に示した鉄製の格納容器を用いて、Ｌａ単体金属顆粒をＬａ原料とし、合金成分としてＬａを０．０６０〜０．１００ｍａｓｓ％添加する実験を行った。ただし、この実験では、格納容器側面の板厚を、実施例１と同じ９ｍｍと、底板と同じ４．５ｍｍとした２種類の格納容器を用いて、Ｌａの歩留り（％）とその標準偏差σを比較した。鉄製の格納容器は、その底面をスラグと溶鋼の界面から５５０〜６００ｍｍとなるまで浸漬し、浸漬開始から２分後に引き上げた。格納容器の底面およびＬａ単体金属顆粒は全て溶解し、格納容器の側面も一部が溶解していた。
なお、Ｌａを添加する際の溶鋼温度は１６３０±２０℃の範囲に制御し、取鍋炉底からのＡｒガスの吹込流量は２００ｌ／ｍｉｎ（ｎｔｐ）とした。
上記実験の結果を図５に示した。図５から、格納容器側面の板厚を４．５ｍｍから９．０ｍｍとすることでＬａの歩留りは平均５３．４％から５７．８％に上昇し、標準偏差も８．８％から２．５％へと大幅に改善されていること、したがって、本発明の格納容器を用いる場合には、側面の板厚を４．５ｍｍ超えにしてやる必要があることがわかる。

上記実施例では、Ｃｒ含有鋼へのＴｉ，Ｌａの添加例について説明したが、本発明の技術は、上記鋼種や添加元素に限定されるものではなく、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼へのＴｉ添加や、Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％の高炭素鋼へのＴｉ，Ｂ，Ｎｂ等の添加にも適用することができる。

１：合金原料を収納する鉄製の格納容器
２：合金原料
３：溶鋼
４：スラグ層
５：取鍋
６：ホッパー

Claims (5)

1. 取鍋内に収納した上部にスラグ層を有する溶鋼中に合金元素を添加する方法において、
   合金原料を収納した鉄製の格納容器の底部を、スラグ層を貫通して溶鋼中に浸漬し、ガス抜き孔が設けられた上記格納容器の上面を上記スラグ層に浸漬させずに、格納容器の底部を選択的に溶解、開口させて溶鋼中に合金原料を添加することを特徴とする取鍋内溶鋼への合金元素の添加方法。
2. 前記格納容器底面の溶鋼中への浸漬深さを、スラグと溶鋼界面から５００ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の取鍋内溶鋼への合金元素の添加方法。
3. 添加する合金元素が、Ｔｉ，Ｌａ，Ｚｒ，ＮｂおよびＢのうちの１種以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の取鍋内溶鋼への合金元素の添加方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の取鍋内溶鋼への合金元素添加方法に用いる合金原料を格納する鉄製の格納容器であって、板厚が３〜４．５ｍｍの鋼板からなる底面と、板厚が６．０ｍｍ以上の鋼板からなる側面を有し、前記格納容器の上面に前記格納容器を吊り下げるための取付治具と、ガス抜き孔とが設けてあることを特徴とする合金原料の格納容器。
5. 前記格納容器は、１６００℃の溶鋼に浸漬させた場合に、３０秒以内に溶解して開口する底面を有することを特徴とする請求項４に記載の合金原料の格納容器。

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