JP6822148B2

JP6822148B2 - 溶鋼の脱水素精錬方法

Info

Publication number: JP6822148B2
Application number: JP2017000084A
Authority: JP
Inventors: 峻介村上; 寛弥谷川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-01-04
Also published as: JP2018109212A

Description

本発明は、真空脱ガス装置を用いた溶鋼の脱水素精錬方法に関する。

転炉で一次精錬された溶鋼は、真空脱ガス装置により、水素や窒素などの脱ガス処理、合金成分濃度の最終調整などが行われる。その際、真空脱ガス処理時間が過剰になると、真空脱ガス槽の耐火物寿命の低下、電力・環流ガス等のユーティリティの浪費につながる。特に、水素含有量に関して厳格な厚板材の真空脱ガス処理時間は脱水素処理に律速しているため、脱水素処理を過不足なく行うことが求められる。

例えば、特許文献１には、真空脱ガス装置を用いた脱水素精錬方法が開示されている。特許文献１記載の脱水素精錬方法では、精錬期間をその進行に従って３期に区分したうえで、各期の脱水素速度定数を事前測定して定める。脱水素精錬時には、オンライン水素迅速分析計により処理前溶鋼中水素濃度を直接測定し、脱水素処理時間を３期それぞれの脱水素速度定数により精錬ヒートごとに決定する。

特開平５−７０８２１号公報

特許文献１記載の脱水素精錬方法では、脱水素精錬を３つの区間に区分し、それぞれの区間について脱水素速度定数を定めることで最終到達水素濃度を推定しているが、区間IIから区間IIIへの切り替わりタイミングは脱水素速度定数値の変化により規定している。しかし、実操業において、切り替わりタイミングを正確に把握することは困難であり、予測精度悪化の要因となる。また、脱水素速度定数も操業条件ごとに複数個事前調査する必要があることに加えて、事前調査を行った操業条件からの変化によるバラツキが考慮しきれていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、予め設定した溶鋼中水素濃度となるまでの脱水素処理時間を高精度に予測し、溶鋼の脱水素処理を過不足なく行うことが可能な溶鋼の脱水素精錬方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、真空脱ガス装置を用いた溶鋼の脱水素精錬方法において、
合金及びＡｌを溶鋼に投入して溶鋼中の自由酸素濃度を１０ｐｐｍ以下とした後、溶鋼中水素濃度を測定し、その測定結果と予め求めておいた脱水素速度定数をもとに脱水素予測モデル式を用いて、予め設定した溶鋼中水素濃度となるまでの脱水素処理時間を算出し、該脱水素処理時間のあいだ溶鋼の脱水素処理を行うことを特徴としている。

合金及びＡｌを溶鋼に投入した後に溶鋼中水素濃度を測定することで、合金等から溶鋼中に混入する水素の影響を低減することができる。また、溶鋼中の自由酸素濃度によって脱水素反応速度が変化することから、溶鋼中の自由酸素濃度を１０ｐｐｍ以下とした後に溶鋼中水素濃度を測定することで、脱水素速度定数の変動を抑制することができる。

また、本発明に係る溶鋼の脱水素精錬方法では、前記脱水素予測モデル式が（１）式であることを好適とする。
ｔ＝（−１／ｋ）×Ｌｎ（（[Ｈ]−[Ｈ]’）／（[Ｈ]_０−[Ｈ]’））（１）
ここで、
ｔ：脱水素処理時間（ｍｉｎ）、ｋ：脱水素速度定数（ｍｉｎ^−１）、[Ｈ]：予め設定した溶鋼中水素濃度（ｐｐｍ）、[Ｈ]_０：脱水素処理前の溶鋼中水素濃度（ｐｐｍ）、[Ｈ]’：真空脱ガス槽内の溶鋼界面における平衡水素濃度（ｐｐｍ）、Ｌｎ：自然対数

当該構成では、真空脱ガス槽内の溶鋼界面における平衡水素濃度を考慮する。これにより、低水素域における飽和水素濃度が脱水素処理時間の算出に反映され、従来の脱水素予測モデル式に比べて、脱水素処理時間を高い精度で予測することができる。

本発明に係る溶鋼の脱水素精錬方法では、合金及びＡｌを溶鋼に投入して溶鋼中の自由酸素濃度を１０ｐｐｍ以下とした後、溶鋼中水素濃度を測定するので、合金及び溶鋼中の自由酸素濃度による溶鋼中水素濃度への影響が低減され、脱水素処理時間を高精度に予測することができる。その結果、溶鋼の脱水素処理を過不足なく行うことができる。

合金投入量の違いが脱水素速度定数ｋに及ぼす影響を示したグラフである。溶鋼中の自由酸素濃度（Free[Ｏ]）の違いが脱水素速度定数ｋに及ぼす影響を示したグラフである。溶鋼中の自由酸素濃度（Free[Ｏ]）と脱水素速度定数ｋの関係を示したグラフである。本発明の一実施の形態に係る溶鋼の脱水素精錬方法の手順を示した工程図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

［溶鋼中水素濃度の測定タイミング］
予め設定した溶鋼中水素濃度となるまでの脱水素処理時間を溶鋼中水素濃度の測定結果より予測するモデルは今までにも存在していたが、高い精度で予測することが困難、もしくは鋼種ごとに事前に脱水素速度定数を求める必要があった。

本発明者らが、従来の脱水素精錬方法について調査したところ、従来方法では、溶鋼中水素濃度の測定タイミングが真空脱ガス処理前もしくは真空脱ガス処理前半であった。真空脱ガス処理では処理中に合金を投入したり、脱酸のためにＡｌを投入することがある。本発明者らは、溶鋼中に投入する合金等から混入する水素、及び溶鋼中の自由酸素濃度（Free[Ｏ]）の違いにより脱水素速度定数が変わり、真空脱ガス処理後の溶鋼中水素濃度に影響することを見出した。

本発明では、合金及びＡｌを溶鋼に投入して溶鋼中の自由酸素濃度が１０ｐｐｍ以下となった後に溶鋼中水素濃度を測定し、その測定結果をもとに、予め設定した溶鋼中水素濃度となるまでの脱水素処理時間を算出する。以下、本発明の根拠について説明する。

図１は、合金投入量の違いが脱水素速度定数ｋに及ぼす影響を示したグラフである。溶鋼約４００ｔｏｎに対してＲＨ真空脱ガス装置を用いて脱水素処理を行うにあたり、処理中に投入するＮｂ合金の量を変えて、真空脱ガス処理前と処理開始１５分後の溶鋼中水素濃度をそれぞれ測定した。同図において、実線で示されるヒート（チャージ）では、真空脱ガス処理開始から６分〜８分の間にＮｂ合金を１５００ｋｇ投入し、破線で示されるヒートでは、同じ時間帯にＮｂ合金を１３００ｋｇ投入した。

この試験の結果、真空脱ガス処理前の溶鋼中水素濃度がいずれも４．９ｐｐｍと同等レベルでも、処理後は２．７ｐｐｍと１．９ｐｐｍと差が生じた。図中には、実験結果を基に一般に知られている脱水素反応式（２）式を用いて算出した脱水素速度定数ｋの値を記している。
［Ｈ］＝［Ｈ］_０・ｅｘｐ（−ｋ・ｔ）（２）
ここで、［Ｈ］：処理後水素濃度（ｐｐｍ）、［Ｈ］_０：処理前水素濃度（ｐｐｍ）、
ｋ：脱水素速度定数（ｍｉｎ^―１）、ｔ：精錬時間（ｍｉｎ）
合金に含まれる水素量の違いから脱水素速度定数ｋの値に違いが生じることが同図よりわかる。このことより、真空脱ガス処理前の溶鋼中水素濃度から終点を予測すると予測精度が悪くなり望ましくないことがわかる。

図２は、溶鋼中の自由酸素濃度（Free[Ｏ]）の違いが脱水素速度定数ｋに及ぼす影響を示したグラフである。溶鋼約４００ｔｏｎに対してＲＨ真空脱ガス装置を用いて脱水素処理を行うにあたり、処理開始約１０分後に投入するＡｌの量を変え、溶鋼中の自由酸素濃度を変化させて、真空脱ガス処理前と処理開始１５分後の溶鋼中水素濃度をそれぞれ測定した。
同図において、破線で示されるヒートでは、処理前の溶鋼中水素濃度は５．０ｐｐｍ、Ａｌ投入後の溶鋼中の自由酸素濃度は３４ｐｐｍ、処理後の溶鋼中水素濃度は１．５ｐｐｍであった。一方、実線で示されるヒートでは、処理前の溶鋼中水素濃度は４．９ｐｐｍ、Ａｌ投入後の自由酸素濃度は１０ｐｐｍ、処理後の溶鋼中水素濃度は２．７ｐｐｍであった。
図中には、実験結果を基に（２）式を用いて算出した脱水素速度定数ｋの値を記しているが、真空脱ガス処理前の溶鋼中水素濃度が同等レベルでも溶鋼中のFree[Ｏ]の違いにより脱水素速度定数ｋの値に違いが生じていることが図２からわかる。

図３は、溶鋼中のFree[Ｏ]と脱水素速度定数ｋの関係を示したグラフである。溶鋼中のFree[Ｏ]の低下と共に脱水素速度定数ｋの値も低下し、溶鋼中のFree[Ｏ]が１０ｐｐｍ以下になると、脱水素速度定数ｋはほぼ一定値になることが同図よりわかる。

［本発明の一実施の形態に係る溶鋼の脱水素精錬方法］
本発明の一実施の形態に係る溶鋼の脱水素精錬方法の手順を図４に示す。
本実施の形態に係る溶鋼の脱水素精錬方法で使用される真空脱ガス装置は、真空脱ガス槽の下部に２本の浸漬管を有するＲＨ式真空脱ガス装置である。脱ガス処理時には、真空脱ガス槽内の空気をポンプ等により槽外に排出して０．５２ｋＰａ以下とし、取鍋内の溶鋼を真空脱ガス槽にリフトアップする。また、一方の浸漬管よりＡｒガス等の環流ガスを吹き込んで溶鋼を環流することで、溶鋼からの脱ガスを促進する。

真空脱ガス処理開始してから５分〜１５分の間に合金及びＡｌを溶鋼に投入する。投入する合金はＭｎ合金、Ｔｉ合金、Ｎｂ合金などである。

溶鋼中の自由酸素濃度が１０ｐｐｍ以下となった時点で、溶鋼中水素濃度を測定する。溶鋼中水素濃度の測定には、例えば、ヘレウス・エレクトロナイト株式会社製の「HYDRIS」（登録商標）などの分析装置を使用することができる。この分析装置は、溶鋼中に吹き込んだ窒素ガスを回収して分析する。溶鋼中水素濃度の増加に応じて窒素ガス中の水素濃度も増加するというSieverts の法則（（３）式参照）を用いて溶鋼中水素濃度を算出する。なお、本実施の形態における窒素ガスは純度９９．９７％以上である。
[Ｈ]＝Ｋ／ｆ×√Ｐ_Ｈ２（３）
ここで、
[Ｈ]：溶鋼中水素濃度（ｐｐｍ）、Ｋ：溶鋼中への水素ガスの溶解反応定数（−）、ｆ：水素の活量係数、Ｐ_Ｈ２：環流ガス中の水素分圧

溶鋼中水素濃度の測定結果と脱水素速度定数ｋをもとに脱水素予測モデル式を用いて、予め設定した溶鋼中水素濃度となるまでの脱水素処理時間を算出する。そして、脱水素処理時間のあいだ溶鋼の脱水素処理を行う。

ここで、脱水素予測モデル式について説明しておく。
溶鋼の脱水素処理は、（４）式で示される微分方程式で表すことができる。
−ｄ[Ｈ]／ｄｔ＝ｋ（[Ｈ]−[Ｈ]’）（４）
ここで、
ｔ：脱水素処理時間（ｍｉｎ）、[Ｈ]：脱水素処理時間ｔにおける溶鋼中水素濃度（ｐｐｍ）、ｋ：脱水素速度定数（ｍｉｎ^−１）、 [Ｈ]’：真空脱ガス槽内の溶鋼界面における平衡水素濃度（ｐｐｍ）

（４）式を積分することにより（５）式が得られる。
[Ｈ]−[Ｈ]’＝Ｃｅ^−ｋｔ（５）
ここで、Ｃ：積分定数

ｔ＝０のときの溶鋼中水素濃度[Ｈ]を[Ｈ]_０と置くと、[Ｈ]_０−[Ｈ]’＝Ｃであるから、（５）式は次のようになる。
（[Ｈ]−[Ｈ]’）／（[Ｈ]_０−[Ｈ]’）＝ｅ^−ｋｔ（６）

（６）式を変形することにより、次の脱水素予測モデル式が得られる。
ｔ＝（−１／ｋ）×Ｌｎ（（[Ｈ]−[Ｈ]’）／（[Ｈ]_０−[Ｈ]’））（７）
ただし、Ｌｎは自然対数である。

一方、従来の脱水素予測モデル式では、[Ｈ]’＝０ｐｐｍと近似することにより、次式を使用していた。
ｔ＝（−１／ｋ）×Ｌｎ（[Ｈ]／[Ｈ]_０）（８）
しかし、実操業条件下において、ｔ＝∞のとき[Ｈ]’≠０ｐｐｍであることから、[Ｈ]’を考慮した（７）式を用いることで、より高い精度で予測することができる。
なお、脱水素速度定数ｋと真空脱ガス槽内の溶鋼界面における平衡水素濃度[Ｈ]’は、過去の実操業結果より事前に求めておく必要がある。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、真空脱ガス装置をＲＨ式としたが、これに限定されるものではなく、取鍋全体を真空状態にする装置などを使用してもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
実施例五例と従来例一例について検証試験を実施した。
溶鋼量約４００ｔｏｎに対して、ＲＨ式真空脱ガス装置を用いて真空度を０．２６ｋＰａ未満として脱水素処理を行った。処理開始５分〜１２分後の間にＮｂ合金、Ｍｎ合金、Ｔｉ合金、及びＡｌを投入した。Ａｌ投入後の自由酸素濃度は７ｐｐｍ〜９ｐｐｍであった。
処理後に測定した溶鋼中水素濃度、脱水素処理時間の実績、並びに、それらを基に評価した結果を表１に示す。

表中の「基準」処理時間は、従来の実績から決定される目標水素濃度ごとの脱水素処理時間であり、処理前の水素濃度、真空脱ガス装置の到達真空度、目標水素濃度から決定した。従来例では、この「基準」処理時間で脱水素処理を行った。実施例では、合金及びＡｌ投入後の溶鋼中水素濃度を、前述した分析装置を用いて測定し、目標水素濃度とするのに必要な脱水素処理時間を求めて脱水素処理を行った。
実施例１は、（８）式で示される従来の脱水素予測モデル式を使用して脱水素処理時間を求め、実施例２〜５は、（７）式で示される本発明に係る脱水素予測モデル式を使用して脱水素処理時間を求めた。
表中の「予測」処理時間は、脱水素予測モデル式を用いて算出された脱水素処理時間と、溶鋼中水素濃度の測定を行うまでに経過した脱ガス処理時間の合計（総処理時間）を示している。

評価に当たっては、溶鋼中水素濃度が目標値に比べて大幅に下回った場合を×（不可）、脱水素処理時間の予測精度が高かったが、溶鋼中水素濃度が目標値より僅かに下回った場合を○（良）、脱水素処理時間の予測精度が高く、溶鋼中水素濃度も目標値に収まった場合を◎（優良）とした。

表１より次のことがわかる。
・実施例１は、脱水素処理時間の予測精度は高かったが、従来の脱水素予測モデル式を使用したため、溶鋼中水素濃度が目標値より僅かに下回った。
・実施例２〜５は、本発明に係る脱水素予測モデル式を使用することで、過剰な脱水素処理が防止され、目標値どおりの溶鋼中水素濃度となることが確認された。また、脱ガス処理前において溶鋼中水素濃度にバラツキがあった場合でも高い精度で脱水素処理時間を予測することができた。
・従来例は、溶鋼中水素濃度が目標値に比べて大幅に下回り、過剰な脱水素処理となった。

Claims

真空脱ガス装置を用いた溶鋼の脱水素精錬方法において、
合金及びＡｌを溶鋼に投入して溶鋼中の自由酸素濃度を１０ｐｐｍ以下とした後、溶鋼中水素濃度を測定し、その測定結果と予め求めておいた脱水素速度定数をもとに脱水素予測モデル式を用いて、予め設定した溶鋼中水素濃度となるまでの脱水素処理時間を算出し、該脱水素処理時間のあいだ溶鋼の脱水素処理を行うことを特徴とする溶鋼の脱水素精錬方法。
請求項１記載の溶鋼の脱水素精錬方法において、前記脱水素予測モデル式が（１）式であることを特徴とする溶鋼の脱水素精錬方法。
ｔ＝（−１／ｋ）×Ｌｎ（（[Ｈ]−[Ｈ]’）／（[Ｈ]_０−[Ｈ]’））（１）
ここで、
ｔ：脱水素処理時間（ｍｉｎ）、ｋ：脱水素速度定数（ｍｉｎ^−１）、[Ｈ]：予め設定した溶鋼中水素濃度（ｐｐｍ）、[Ｈ]_０：脱水素処理前の溶鋼中水素濃度（ｐｐｍ）、[Ｈ]’：真空脱ガス槽内の溶鋼界面における平衡水素濃度（ｐｐｍ）、Ｌｎ：自然対数