JP6040957B2

JP6040957B2 - 高ｓ低ｎ合金鋼の溶製方法

Info

Publication number: JP6040957B2
Application number: JP2014093574A
Authority: JP
Inventors: 佑介渡邉; 知道寺畠; 浩樹西; 勲下田; 田中　芳幸; 芳幸田中; 大島　健二; 健二大島
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: JP2015209586A

Description

本発明は、溶鋼中のＳ濃度が高く、Ｎ濃度が低い、高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法に関する。

シームレスパイプ等に用いられる合金鋼は、鋼中のＭｎ（マンガン）やＣｒ（クロム）の目標濃度が高いため、精錬中にＭｎやＣｒを含有する合金が大量に添加される。このとき、一般的には、転炉による精錬工程の後に合金が添加されるが、合金添加に伴い溶鋼の温度が低下するため、転炉以降の精錬工程において熱補償のための昇熱処理が行われる。しかし、このような昇熱処理は、転炉やＲＨ等の精錬設備における、精錬コストの増加、耐火物の寿命低下、処理時間の延長を招き、操業の安定性・効率性を阻害する原因となる。

例えば、特許文献１には、鋼中のＣｒ濃度が高く、Ｎ濃度が低い合金鋼であるステンレス鋼の溶製方法として、Ｃｒ濃度の高い溶銑を、Ｓ（硫黄）濃度が０．０１０ｗｔ％以下、且つＣ（炭素）濃度が０．１０ｗｔ％以上となるように予備脱炭し、その後、真空脱ガス装置にて仕上脱炭する方法が開示されている。特許文献１に記載の合金鋼の溶製方法は、予備脱炭後の溶鋼成分を上記の範囲にすることで、予備脱炭に用いる不活性ガスとして安価な窒素ガスを用いた場合においても、仕上脱炭後の鋼中のＮ（窒素）濃度を２００ｐｐｍ以下にすることができる。

特開平１１−２９８１９号公報

しかし、特許文献１に記載の合金鋼の溶製方法は、脱Ｎを促進するために予備脱炭後の溶鋼を低Ｓ化する手段として、予備脱炭に使用される転炉等の炉内に還元剤としてＦｅＳｉを投入する。この際、ＦｅＳｉとスラグ中の酸素が反応することにより、スラグおよび溶鋼の温度が上昇する。このため、予備脱炭において熱源が必要ない場合には、このような温度上昇が無駄になるため、コスト増加の原因となる。また、スラグの温度が上昇し、反応により生成するＳｉＯ_２によってスラグのＣａＯ／ＳｉＯ_２（塩基度）が低下することから、スラグの飽和ＭｇＯ濃度が上昇する。スラグの飽和ＭｇＯ濃度の上昇は、転炉等の炉内に用いられるＭｇＯ系耐火物の溶損を助長するため、耐火物コストの増加を招く。これに対して、飽和ＭｇＯ濃度が上昇したスラグのＭｇＯ濃度を補うため、炉内にＭｇＯを添加することが考えられるが、溶媒コストの増加や、スラグ量増加に伴う処理コストおよび溶鋼歩留り悪化の原因となる。
また、特許文献１に記載の合金鋼の溶製方法は、溶銑中のＣｒ濃度が高いために、予備脱炭処理に用いる転炉等の精錬設備が溶銑中のＣｒで汚染され、その後に処理される他の鋼種へ悪影響を与える場合がある。

これに対し、溶鋼を低Ｓ化し、転炉等の精錬設備の汚染を防止しながらも、転炉やＲＨ等の精錬設備への昇熱によるデメリットを軽減する方法として、転炉による精錬工程の後にＬＦ（Ladle Furnace）設備を用いて脱Ｓ処理および昇熱処理を行い、その後、ＲＨ等による減圧精錬を行うことが考えられる。しかし、ＬＦによる昇熱・脱Ｓ処理は、大気圧下で行われるため、不活性ガスで撹拌された溶鋼が大気と接触することにより鋼中のＮ濃度が高くなること（Ｎピックアップ）が問題となる。
さらに、製品の鋼中の目標Ｓ濃度が高く、目標Ｎ濃度が低い、高Ｓ低Ｎ合金鋼を溶製する際には、減圧精錬中にＳを添加する必要があるが、鋼中のＳ濃度が高くなると脱Ｎ速度が低下するために、Ｎ濃度を下げることが困難となる。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、Ｓ濃度が高くＮ濃度が低い合金鋼を、ＬＦを用いて溶製する高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、転炉からＳｉ（シリコン）又はＡｌ（アルミ）キルド出鋼した溶鋼を、ＬＦにて昇熱処理し、上記溶鋼中のＳ濃度を０．００６ｍａｓｓ％以下まで脱Ｓ処理する昇熱・脱Ｓ工程と、上記昇熱・脱Ｓ工程の後、減圧精錬設備による減圧精錬期間中に、上記溶鋼を脱Ｎ処理する脱Ｎ工程と、上記脱Ｎ工程の後、上記減圧精錬設備による上記減圧精錬期間中に、上記溶鋼へＳを添加する加Ｓ工程と、を備えることを特徴とする。
このように、上記高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、上記昇熱・脱Ｓ工程において、上記溶鋼のＳ濃度が０．００６ｍａｓｓ％になるまで脱Ｓを行うことにより、その後の上記脱Ｎ工程において十分な脱Ｎ速度を得ることができる。さらに、上記高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、上記脱Ｎ工程の後に上記加Ｓ工程を備えることにより、十分な脱Ｎ速度を得ながらも鋼中のＳ濃度が高い高Ｓ低Ｎ合金鋼を溶製することができる。

また、上記の高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法において、上記脱Ｎ工程を、上記減圧精錬期間の前半に行い、上記加Ｓ工程を、上記減圧精錬期間の後半に行ってもよい。
また、上記の高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法において、上記減圧精錬設備による減圧精錬後の上記溶鋼の目標成分は、Ｓ濃度が０．０１０ｍａｓｓ％以上、Ｎ濃度が０．００４０ｍａｓｓ％以下であってもよい。

本発明に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法によれば、Ｓ濃度が高くＮ濃度が低い合金鋼を、ＬＦを用いて溶製することができる。

本発明の一実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法を示すフローチャートである。減圧処理中の溶鋼中のＳ濃度と脱Ｎ速度定数との関係を示すグラフである。

はじめに、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法について説明する。本実施形態において溶製する高Ｓ低Ｎ合金鋼は、Ｓ濃度の目標値が０．０１０ｍａｓｓ％以上と高く、Ｎ濃度の目標値が０．００４０ｍａｓｓ％以下と低く、ＭｎやＣｒ等の合金成分を含む。
まず、図１に示すように、転炉にて溶銑を脱酸精錬する（転炉精錬工程：Ｓ１０）。ステップＳ１０では、Ｓを０．０１ｍａｓｓ％以上含有する溶銑を脱酸精錬し、脱Ｃ処理することで溶鋼を溶製する。脱酸精錬後の溶鋼は、出鋼中にＡｌやＳｉ等が添加されることでキルド処理される。

次いで、ステップＳ１０でキルド処理された溶鋼を、ＬＦにて昇熱および脱Ｓ処理する（昇熱・脱Ｓ工程：Ｓ１４）。この際、ＬＦにて精錬処理を行う前に、除滓や媒溶剤の添加が行われてもよい。ステップＳ１４では、溶鋼中のＳ濃度が０．００６ｍａｓｓ％以下となるまで脱Ｓ処理が行われる。溶鋼中のＳ濃度の上限値を設けた理由については後述する。また、本実施形態の高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法では、主として、ステップＳ１０の出鋼中、あるいはステップＳ１４のＬＦでの精錬処理中に、目標成分に応じて、ＭｎやＣｒ等を含む合金が溶鋼に添加される。なお、後述する減圧精錬設備による精錬中に、微調整のためにＭｎやＣｒ等を含む合金が添加されてもよい。

さらに、ステップＳ１４で処理された溶鋼を減圧精錬装置にて減圧精錬し、溶鋼のＮ濃度を低下させる（脱Ｎ工程：Ｓ１８）。減圧精錬装置としては、真空脱ガス装置を使用し、主としてＲＨ法が用いられるが、ＤＨ法等の他の真空脱ガス装置が用いられてもよい。ステップＳ１８の処理は、溶鋼のＮ濃度が目標のＮ濃度上限以下となるまで行われる。
ここで、本発明者らは、キルド処理した溶鋼について、ＲＨによる減圧精錬中の溶鋼の脱Ｎ速度と、減圧精錬中の溶鋼のＳ濃度との間に図２に示す関係があることを確認した。脱Ｎ速度定数［ｍａｓｓ％^−１・ｍｉｎ^−１］は、時間あたりの溶鋼からの脱Ｎ量を示す。図２に示すように、脱Ｎ速度定数は、減圧精錬前の溶鋼のＳ濃度が低くなるほど向上することが確認できた。これは、溶鋼中のＳが、界面活性元素であるため、気液界面で生じる脱Ｎ反応が阻害されるからであると考えられる。また、本発明者らは、得られた脱Ｎ速度定数とＳ濃度との関係から、ＲＨ等の減圧精錬装置において十分な脱Ｎ速度を得るためには、減圧精錬前の溶鋼のＳ濃度を０．００６ｍａｓｓ％以下にすればよいことを見出した。

本実施形態における減圧精錬前の溶鋼のＳ濃度の上限値は、同様に脱Ｎ速度とＳ濃度との関係からＳ濃度の上限値（０．０１０ｍａｓｓ％）を規定した特許文献１に比べ低い値となっている。これは、減圧精錬する溶鋼の状態によるものであり、本実施形態ではキルド処理した溶鋼を減圧精錬するのに対して、特許文献１では真空脱ガス装置にて脱炭処理するためにキルド処理をしていない（鋼中フリー酸素濃度の高い）溶鋼を減圧精錬する違いがあるからである。

つまり、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法では、減圧下の溶鋼表面およびＲＨ処理においては還流ガスであるＡｒガス気泡との界面において脱Ｎ反応が生じる。これに対して、特許文献１に記載の溶製方法では、減圧下の溶鋼表面、Ａｒガス気泡との界面に加え脱炭中に生じるＣＯガス気泡の界面においても脱Ｎ反応が生じる。このため、キルド処理した溶鋼を処理する本実施形態に対して、キルド処理していない溶鋼を処理する引用文献１では反応界面積が増大し、十分な脱Ｎ速度を得るために必要な溶鋼のＳ濃度の上限値が上昇するものと考えられる。

ステップＳ１８の後、減圧精錬装置にて減圧期間中の溶鋼にＳを添加する（加Ｓ工程：Ｓ２２）。ステップＳ２２では、鋼中のＳ濃度が目標値となるように、Ｓが添加される。ステップＳ１４およびステップＳ１８は、減圧精錬装置による一連の減圧精錬中に行われる。また、ステップＳ１４の処理が減圧精錬期間の前半に行われ、ステップＳ１８の処理が減圧精錬期間の後半に行われることが好ましい。
上記のステップＳ１０〜Ｓ２２の処理を行うことで、高Ｓ低Ｎ合金鋼を溶製することができる。

以上のように、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、転炉にて溶銑を脱酸精錬し、脱酸精錬後の溶鋼をキルド処理する脱酸精錬工程（Ｓ１０）と、溶鋼をＬＦにて昇熱処理し、脱Ｓ処理する昇熱・脱Ｓ工程（Ｓ１４）と、減圧設備による減圧精錬期間中に、溶鋼を脱Ｎ処理する脱Ｎ工程（Ｓ１８）と、減圧精錬設備による減圧精錬期間中に、溶鋼へＳを添加する加Ｓ工程（Ｓ２２）とを備える。

本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、ＬＦにおいて昇熱処理および脱Ｓ処理を行う。このため、転炉やＲＨ等の精錬設備への昇熱による精錬コストの増加、耐火物の寿命低下、処理時間延長による安定操業の阻害等の原因といったデメリットを軽減することができる。また、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、低Ｓ化のために、転炉内へのＦｅＳｉ等の還元剤を添加する必要がないため、ＦｅＳｉ等を添加した場合に問題となる精錬コスト、耐火物コストの増加等を低減することができる。さらに、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、ＬＦを用いない場合の溶製方法に比べ、転炉精錬工程において用いる溶銑のＳ濃度を高くすることができる。つまり、ＬＦを用いない場合に転炉精錬工程で用いられる溶銑は、Ｓ濃度が０．００６ｍａｓｓ％以下である必要があり、さらに転炉精錬工程での復Ｓ等を考えると０．００６ｍａｓｓ％未満にする必要があるため、溶銑予備処理に掛かるコストが増加する。これに対して、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、溶銑のＳ濃度を０．０１ｍａｓｓ％以上と高くすることができるため、溶銑予備処理に掛かるコストを低減することができる。

また、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、昇熱・脱Ｓ工程において、溶鋼のＳ濃度が０．００６ｍａｓｓ％になるまで脱Ｓを行うことにより、その後の脱Ｎ工程において十分な脱Ｎ速度を得ることができる。
さらに、本実施形態に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法は、脱Ｎ工程の後に加Ｓ工程を備えることにより、十分な脱Ｎ速度を得ながらも鋼中のＳ濃度が０．０１０ｍａｓｓ％以上と高い溶鋼を溶製することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、転炉精錬工程で用いる溶銑のＳ濃度を０．０１ｍａｓｓ％以上としたが、Ｓ濃度が０．０１ｍａｓｓ％未満の溶銑が用いられてもよい。
また、上記実施形態では、高Ｓ低Ｎ合金鋼はＭｎやＣｒ等の合金成分を含むとしたが、合金成分として含まれる元素はＭｎやＣｒに限定されない。例えば、Ｍｎ、Ｃｒの他に、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｉ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ａｌ、Ｔｉ（チタン）等の合金成分のうち少なくとも１種類以上の合金成分を含む合金鋼であればよい。

次に、本発明者らが行った実施例を説明する。
本実施例では、Ｃ濃度が０．４１ｍａｓｓ％以上０．４３ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ濃度が０．２５ｍａｓｓ％以上０．３０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ濃度が０．８０ｍａｓｓ％以上０．８５ｍａｓｓ％以下、Ｐ（リン）濃度が０．０１８ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ濃度が１．１ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下、Ｓ濃度が０．０１０ｍａｓｓ％以上０．０１６ｍａｓｓ％以下、Ｎ濃度が０．００４０ｍａｓｓ％以下の成分の高Ｓ低Ｎ合金鋼を溶製した。

まず、転炉精錬工程として、ヒートサイズ２２０ｔｏｎの上吹き転炉を用いて、大気圧下での脱酸精錬を行うことで溶銑を脱Ｃ処理し、得られた溶鋼を取鍋に出鋼した。このとき、出鋼中溶鋼にＳｉおよびＡｌを添加することでキルド処理をした。
次いで、昇熱・脱Ｓ工程として、出鋼された溶鋼をＬＦにて、昇熱および脱Ｓ処理した。なお、ＬＦでの精錬処理中に、ＭｎおよびＣｒが目標成分となるように合金添加を行った。下記の表１に、実施例１〜２、および比較例１〜３における実験条件および後述する実験結果をそれぞれ示す、実施例１〜２および比較例１では、ＬＦによる脱Ｓ処理後の溶鋼のＳ濃度が０．００６ｍａｓｓ％以下となるように処理をおこなった。一方、比
較例２〜３では、ＬＦによる脱Ｓ処理後の溶鋼のＳ濃度が０．００６ｍａｓｓ％より大きくなるように処理をおこなった。

さらに、脱Ｎ工程および加Ｓ工程として、ＬＦにて精錬処理した溶鋼を、減圧精錬設備であるＲＨにて減圧精錬した。ＲＨでは減圧精錬開始直後から、脱Ｎが行われる。実施例１〜２および比較例２〜３では、脱Ｎ工程後の減圧精錬期間の後半である処理開始から１９分後にＳを添加した。一方、比較例１では、脱Ｎ工程中の減圧精錬期間の前半である処理開始から３分後にＳを添加した。なお、ＲＨの真空到達度は、５ｔｏｒｒとした。また、上記以外の精錬条件は、実施例１〜２および比較例１〜３で同様となるようにした。

表１に示すように、実施例１〜２では、脱Ｓ処理後のＳ濃度を０．００６ｍａｓｓ％以下とし、Ｓ添加を脱Ｎ工程後に行うことにより、減圧精錬後の鋼中のＮ濃度を０．００４０ｍａｓｓ％以下にすることができた。
一方、比較例１では、脱Ｓ処理後のＳ濃度を０．００６ｍａｓｓ％以下としたものの、Ｓ添加を脱Ｎ工程中に行ったことにより、減圧精錬後の鋼中のＮ濃度が０．００４０ｍａｓｓ％より高くなった。また、比較例２では、Ｓ添加を脱Ｎ工程後に行ったものの、脱Ｓ処理後のＳ濃度を０．００６ｍａｓｓ％より高くすることにより、減圧精錬後の鋼中のＮ濃度が０．００４０ｍａｓｓ％より高くなった。

以上の結果から、本発明に係る高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法により、Ｓ濃度が高くＮ濃度が低い合金鋼を、ＬＦを用いて溶製することができることが確認できた。

Claims

転炉からＳｉ又はＡｌキルド出鋼した溶鋼を、ＬＦにて昇熱処理し、前記溶鋼中のＳ濃度を０．００６ｍａｓｓ％以下まで脱Ｓ処理する昇熱・脱Ｓ工程と、
前記昇熱・脱Ｓ工程の後、減圧精錬設備による減圧精錬期間中に、前記溶鋼を脱Ｎ処理する脱Ｎ工程と、
前記脱Ｎ工程の後、前記減圧精錬設備による前記減圧精錬期間中に、前記溶鋼へＳを添加する加Ｓ工程と、
を備えることを特徴とする高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法。
前記脱Ｎ工程を、前記減圧精錬期間の前半に行い、
前記加Ｓ工程を、前記減圧精錬期間の後半に行うことを特徴とする請求項１に記載の高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法。
前記減圧精錬設備による減圧精錬後の前記溶鋼の目標成分は、Ｓ濃度が０．０１０ｍａｓｓ％以上、Ｎ濃度が０．００４０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高Ｓ低Ｎ合金鋼の溶製方法。