JP7265136B2

JP7265136B2 - 極低窒素鋼の溶製方法

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Publication number: JP7265136B2
Application number: JP2019084225A
Authority: JP
Inventors: 惇史久志本; 直樹古河; 達也小山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2023-04-26
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: JP2020180341A

Description

本発明は、真空脱ガス装置を用いて脱窒処理を行う極低窒素鋼の溶製方法に関する。

近年、Ｓ濃度の低い厚板材などでは、低硫黄化のみならず低窒素化のニーズも多くなっている。そこで、溶鋼の脱窒処理について様々な処理方法が提案されている。

特許文献１には、Ｃａ合金とＣａＯ系フラックスとを真空精錬中にランスから上吹きし、脱酸と脱硫とを促進させて脱窒反応を促進させる技術が開示されている。また、特許文献２には、上吹きするフラックスとして、脱酸力の強い金属とアルカリ（土類）金属酸化物との適切な配合比を規定した脱硫脱窒剤に関する技術が開示されている。さらに特許文献３には、上吹きフラックスのＲＥＭおよびＣａＯの配合比を規定した脱硫剤に関する技術が開示されている。

特開平１１－９２８１９号公報特開昭６１－２８１８０７号公報特許第５２６７５１３号公報

しかしながら、特許文献１～３に記載の方法は、いずれもフラックスを真空下で上吹き供給することを前提としており、粉体の歩留まりが低く、かつ脱窒効果が安定しないという課題がある。

本発明は前述の問題点を鑑み、効率良くかつ安定して脱窒を促進できる極低窒素鋼の溶製方法を提供することを目的とする。

極低窒素鋼を溶製するためには、ＲＨ等の真空脱ガス装置による脱窒処理を実施する必要がある。一般的に真空脱ガス装置での脱窒反応は気液界面の化学反応律速であり、例えば反応速度式は以下の（６）式及び（７）式で表される。
ｄ［Ｎ］／ｄｔ＝－Ａｋ／Ｖ・（［Ｎ］²－［Ｎ］_e ²）・・・（６）
ｋ＝１５／（１＋１６１ａ_O＋６３．４ａ_S）² ・・・（７）
ここで、ｋ：脱窒反応速度定数、Ａ：真空槽断面積（ｍ²）、Ｖ：溶鋼体積（ｍ³）、［Ｎ］：溶鋼中Ｎ濃度（質量％）、［Ｎ］_e：平衡溶鋼中Ｎ濃度（質量％）、ａ_O：溶鋼の酸素活量、ａ_S：溶鋼の硫黄活量である。

（７）式からわかるとおり、脱窒反応速度定数ｋは、溶鋼の酸素活量ａ_Oが低いほど大きくなり、溶鋼の強脱酸が脱窒促進に有効であることが分かる。一方で、真空下でのフラックスの上吹きという供給手法では、真空引きによって蒸発しやすく、さらに溶鋼への粉体の着地効率が低く効率が悪いという課題がある。

本発明者らは、Ｃａ添加による脱窒促進を狙い、常圧下で取鍋でのスラグ精錬下での事前添加を行うことを検討した。ところが、スラグ精錬の初期にＣａを添加すると、スラグ精錬中の溶鋼が強脱酸され、攪拌ガスが溶鋼／スラグ間界面に形成する裸湯部分において吸窒が顕著に生じてしまう。そこで、本発明者らはスラグ精錬末期にＣａを添加する方が吸窒量を抑えることができることに着目した。また、真空脱ガス装置での脱窒処理において真空槽内の溶鋼の攪拌が強すぎると、Ｃａの蒸発を促進してしまうため、攪拌動力密度は精錬反応を悪化させない範囲で小さい値にすることが望ましく、適正な範囲があることも見出した。

本発明は、以下の通りである。
（１）
取鍋に出鋼した転炉吹錬後の溶鋼に対して、取鍋精錬装置にてガス攪拌を伴うスラグ精錬を施し、質量％でＡｌ濃度：０．０２％以上、Ｓ濃度：０．００２０％以下の成分を含む溶鋼とした後、真空脱ガス装置において脱窒処理を実施する極低窒素鋼の溶製方法であって、以下の（１）式に示す時期にＣａ純分で０．２０～０．４０ｋｇ／ｔｏｎのＣａ合金を添加し、次いで前記真空脱ガス装置において、減圧精錬装置内の圧力を８．０ｋＰａ未満とした後に脱窒処理を実施することを特徴とする、極低窒素鋼の溶製方法。
ｔ_L.Ca／ｔ_L.Total＞０．８５・・・（１）
ここで、ｔ_L.Ca：前記取鍋精錬装置にてガス吹込みを開始した時点から、Ｃａ合金の添加を開始するまでの時間（ｍｉｎ）、ｔ_L.Total：前記スラグ精錬の全時間（ｍｉｎ）である。
（２）
前記真空脱ガス装置として環流型真空脱ガス装置を用い、以下の（２）～（５）式に示す条件で脱窒処理を実施することを特徴とする、上記（１）に記載の極低窒素鋼の溶製方法。
５．００＜ε＜１０．００・・・（２）
ε＝３７１ＧＴ｛ｌｎ（１＋ρｇ（Ｈ＋ｈ）／Ｐ）＋０．０６（１－Ｔ_g／Ｔ）｝／Ｗ・・・（３）
Ｗ＝ρ・Ａ・ｈ・・・（４）
ｈ＝（Ｐ₀－Ｐ）／ρｇ＋Ｈ_d－Ｈ・・・（５）
ここで、ε：真空槽内での攪拌動力密度（Ｗ／ｋｇ）、Ｇ：環流ガス流量（Ｎｍ³／ｓ）、ρ：溶鋼密度（＝７０００ｋｇ／ｍ³）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ²）、Ｈ：浸漬管下端～真空槽槽底間距離（ｍ）、ｈ：真空槽内の溶鋼の浴深（ｍ）、Ｐ：真空槽内圧力（Ｐａ）、Ｔ_g：吹込みガス温度（Ｋ）、Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）、Ｗ：真空槽内の溶鋼質量（ｋｇ）、Ａ：真空槽断面積（ｍ²）、Ｐ₀：大気圧（Ｐａ）、Ｈ_d：浸漬管の浸漬深さ（ｍ）である。

本発明によれば、効率良くかつ安定して脱窒を促進できる極低窒素鋼の溶製方法を提供することができる。

真空脱ガス前のＣａ濃度と、ＲＨ型真空脱ガス装置での脱窒増加量および取鍋での吸窒増加量との関係を示す図である。取鍋での吸窒を差し引いた総括の脱窒増加量を示す図である。Ｃａ原単位と添加後のＣａ濃度との関係を示す図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。

本発明では、取鍋に出鋼した転炉吹錬後の溶鋼を、取鍋精錬装置にてガス攪拌を伴うスラグ精錬を施し、質量％でＡｌ濃度：０．０２％以上、Ｓ濃度：０．００２０％以下の成分を含む溶鋼とした後、真空脱ガス装置において脱窒処理を実施する極低窒素鋼の溶製方法であって、以下の（１）式に示す時期にＣａ純分で０．２０～０．４０ｋｇ／ｔｏｎのＣａ合金を添加し、次いで前記真空脱ガス装置において、減圧精錬装置内の圧力を８．０ｋＰａ未満とした後に脱窒処理を実施することを特徴とする。
ｔ_L.Ca／ｔ_L.Total＞０．８５・・・（１）
ここで、ｔ_L.Ca：前記取鍋精錬装置にてガス吹込みを開始した時点から、Ｃａ合金の添加を開始するまでの時間（ｍｉｎ）、ｔ_L.Total：前記スラグ精錬の全時間（ｍｉｎ）である。

また、本発明において、好ましくは、前記真空脱ガス装置として環流型真空脱ガス装置を用い、以下の（２）～（５）式に示す条件で脱窒処理を実施する。
５．００＜ε＜１０．００・・・（２）
ε＝３７１ＧＴ｛ｌｎ（１＋ρｇ（Ｈ＋ｈ）／Ｐ）＋０．０６（１－Ｔ_g／Ｔ）｝／Ｗ・・・（３）
Ｗ＝ρ・Ａ・ｈ・・・（４）
ｈ＝（Ｐ₀－Ｐ）／ρｇ＋Ｈ_d－Ｈ・・・（５）
ここで、ε：真空槽内での攪拌動力密度（Ｗ／ｋｇ）、Ｇ：環流ガス流量（Ｎｍ³／ｓ）、ρ：溶鋼密度（＝７０００ｋｇ／ｍ³）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ²）、Ｈ：浸漬管下端～真空槽槽底間距離（ｍ）、ｈ：真空槽内の溶鋼の浴深（ｍ）、Ｐ：真空槽内圧力（Ｐａ）、Ｔ_g：吹込みガス温度（Ｋ）、Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）、Ｗ：真空槽内の溶鋼質量（ｋｇ）、Ａ：真空槽断面積（ｍ²）、Ｐ₀：大気圧（Ｐａ）、Ｈ_d：浸漬管の浸漬深さ（ｍ）である。

ここで、脱窒処理を実施する真空脱ガス装置の種類については特に限定しないが、例えば環流型（ＲＨ型）真空脱ガス装置を用いることができる。また、減圧精錬装置は、真空脱ガス装置に具備された真空槽であっても、真空脱ガス装置に具備されていない別の減圧精錬装置であってもよい。ＲＨ型真空脱ガス装置を用いる場合には、減圧精錬装置は真空槽とする。以下、ＲＨ真空脱ガス装置において脱窒処理を実施する例として説明する。

また、Ｃａ合金は、例えばＣａＳｉなどが挙げられるが、その他のＣａ合金であってもよい。また、Ｃａ合金を溶鋼に添加する方法として、キャリアガスとともに吹込む方法、塊状のＣａ合金を上方から添加する方法、ワイヤーとして添加する方法などがあるが、溶鋼の内部まで浸透できるワイヤー添加が最も好ましい。

［溶鋼成分を質量％でＡｌ濃度：０．０２％以上、Ｓ濃度：０．００２０％以下］
低窒素化のニーズはＳ濃度の低い厚板材で多く、該当鋼種の一般的な成分範囲を対象とする。Ａｌ濃度が０．０２％未満であったり、Ｓ濃度が０．００２％を超えていたりする鋼種は、溶鋼のＯ濃度及び／又はＳ濃度が高いことから、転炉から取鍋に出鋼する際の出鋼流における吸窒が生じにくいため、Ｎ濃度が高くなりにくい鋼種である。このような鋼種はＮ濃度がもともと低位であるため脱窒する必要がなく、発明対象から外した。溶鋼成分をこの範囲とするために、スラグ精錬で脱酸、脱硫を行う。なお、Ｓ濃度に関しては、それよりも前工程で脱硫を行い、これらの成分範囲に調整してもよい。また、Ａｌ濃度の上限値は、各鋼材の必要Ａｌ含有量に基づき決定される。

［ｔ_L.Ca／ｔ_L.Total＞０．８５・・・（１）］
Ｃａ合金を添加するのが早すぎると、その分だけ溶鋼中に添加されたＣａが脱窒処理前までに多く蒸発してしまう。さらにスラグ精錬中の溶鋼の酸素活量ａ_Oが下がり、溶鋼の吸窒量が増加してしまうため、スラグ精錬時間の８５％超が経過してからＣａ合金の添加を開始する。なお、スラグ精錬後にＣａ合金を添加してもよい。スラグ精錬を終えた後にＣａを添加した場合はｔ_L.Ca／ｔ_L.Totalが１．０を超えることになる。但し、後工程において真空脱ガス装置で真空引きする前にＣａの添加を終了する必要がある。また、スラグ精錬は、取鍋に出鋼した溶鋼に対してガスの吹込み及びスラグの攪拌を開始してから、ガスの吹込みを停止し攪拌を終了するまでの間とする。

［Ｃａ合金をＣａ純分で０．２０～０．４０ｋｇ／ｔｏｎを添加］
本発明者らは、Ｃａをどの程度添加すれば脱窒効果が最も得られるかを検証するための実験を行った。図１は、真空脱ガス前のＣａ濃度と、ＲＨ型真空脱ガス装置での脱窒増加量（白い丸印）および取鍋での吸窒増加量（黒い丸印）との関係を示す図である。ここでの増加量とは、Ｃａを添加しない条件に対する吸窒量あるいは脱窒量の増加量を示す。図１に示すように、Ｃａ濃度の増加により脱窒量は単調に増加するもののＣａ濃度が７０ｐｐｍ前後で脱窒効果が飽和し、一方で取鍋での吸窒量はＣａ濃度が７０ｐｐｍを超えても大きく増加してしまうことがわかる。

図２は、取鍋での吸窒を差し引いた総括の脱窒増加量を示す図である。図２に示すように、Ｃａ濃度が７０～９０ｐｐｍで脱窒増加量は極大となることがわかる。また、図３に示すように、溶鋼中Ｃａ濃度を７０～９０ｐｐｍとするためには、Ｃａ合金をＣａ純分で０．２０～０．４０ｋｇ／ｔｏｎ添加する必要があることもわかる。

［減圧精錬装置内の圧力を８．０ｋＰａ（＝６０Ｔｏｒｒ）未満］
真空脱ガス装置での脱窒反応は界面化学反応律速であり、圧力の影響は小さい。しかしながら、圧力が高すぎると雰囲気での窒素分圧が高くなり、脱窒速度が低下してしまう。さらに、ＲＨ型真空脱ガス装置を用いる場合には、溶鋼の環流速度が著しく低下してしまい、真空槽内への窒素の供給が停滞してしまう。このため、減圧精錬装置内の圧力は８．０ｋＰａ未満とする。

［５．００＜ε＜１０．００・・・（２）］
ＲＨ型真空脱ガス装置を用いて脱窒処理を行う場合に、真空槽内での溶鋼の撹拌が強すぎると真空槽内でのＣａの蒸発が顕著に生じてしまい、Ｃａの強脱酸による脱窒促進効果が大きく低下してしまう。よって、真空槽内の攪拌動力密度εを１０．０未満とすることが好ましい。ただし、攪拌動力密度εが小さくなりすぎると、溶鋼の環流速度が著しく低くなり、上述した理由により脱窒反応が悪化してしまうため、真空槽内の攪拌動力密度εを５．０超とすることが好ましい。なお、攪拌動力密度εの値は、環流ガス流量を変更させる以外にも浴深を変更することで制御できる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

転炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対し、ＬＦやＫＩＰ等の取鍋精錬装置にてガス攪拌を伴うスラグ精錬を実施した。次いで、スラグ精錬を終えた溶鋼に対し、ＲＨ型真空脱ガス装置にて脱窒処理を施した。実施例、比較例ともにスラグ精錬に用いる攪拌ガスおよび脱窒処理に用いる環流ガスはＡｒとし、溶鋼量は３００ｔｏｎ規模、溶鋼温度は１５８０～１６５０℃とした。また、表１及び表２に示すように、脱窒処理前の溶鋼のＡｌ濃度、Ｓ濃度、ｔ_L.Total、ｔ_L.Ca、Ｃａ原単位、Ｃａ添加方法、真空槽内圧力（Ｐ／１０００）、環流ガス流量Ｇ、浸漬管の浸漬深さＨ_d、真空槽内溶鋼の浴深ｈ、真空槽内溶鋼質量Ｗおよび真空槽内での攪拌動力密度εを変更した。その他の操業条件は以下の通りとした。なお、（３）式は、吹込みガス温度Ｔ_gは３００Ｋ、溶鋼温度Ｔは１８７３Ｋで計算した。

［脱窒処理前の溶鋼組成］
Ｃ濃度：０．０５～０．２０質量％
Ｓｉ濃度：０．０５～０．３０質量％
Ｍｎ濃度：０．５０～１．５０質量％
［スラグ組成］
ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃：１．５～３．０
ＣａＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃：７０～９０質量％
ＳｉＯ₂：１０質量％未満
ＭｇＯ：１０質量％未満
［その他］
Ｃａ合金：ＣａＳｉ
浸漬管底部～真空槽槽底間距離Ｈ：１．４ｍ
真空槽断面積Ａ：４．０ｍ²

ＲＨ型真空脱ガス装置での脱窒処理後に溶鋼サンプルを採取し、溶鋼中Ｎ濃度を分析した。このときの溶鋼中Ｎ濃度が３０ｐｐｍ未満であった場合に発明の効果が得られたと判断し、２５ｐｐｍ未満であった場合に発明の効果が特に顕著に得られたと判断した。

Ｃｈ．１～８は、いずれも発明の効果が得られた例である。特に、Ｃｈ．１～６の例のように、攪拌動力密度εを５．０超１０．０未満の範囲にして脱窒処理を行った場合には、溶鋼中Ｎ濃度が２５ｐｐｍ未満となり、効果が顕著であった。

一方、Ｃｈ．９は溶鋼中Ａｌ濃度が低すぎたため、溶鋼の酸素活量ａ_Oが高く、脱窒量が低かった。また、Ｃｈ．１０は溶鋼中Ｓ濃度が高すぎたため、溶鋼の硫黄活量ａ_Sが高く、脱窒量が低かった。
Ｃｈ．１１はＣａ合金を添加するのが早すぎたため、その分Ｃａが攪拌によって蒸発してしまい、脱窒量が低かった。Ｃｈ．１２は添加したＣａ原単位が不足していたため、脱窒量が低かった。また、Ｃｈ．１３は真空槽内の圧力が高かったため、窒素分圧が高くなって脱窒速度が低下し、脱窒量が低かった。

Claims

取鍋に出鋼した転炉吹錬後の溶鋼に対して、取鍋精錬装置にてガス攪拌を伴うスラグ精錬を施し、質量％でＡｌ濃度：０．０２％以上、Ｓ濃度：０．００２０％以下の成分を含む溶鋼とした後、真空脱ガス装置において脱窒処理を実施する極低窒素鋼の溶製方法であって、以下の（１）式に示す時期にＣａ純分で０．２０～０．４０ｋｇ／ｔｏｎのＣａ合金を添加し、次いで前記真空脱ガス装置において、減圧精錬装置内の圧力を８．０ｋＰａ未満とした後に脱窒処理を実施することを特徴とする、極低窒素鋼の溶製方法。
ｔ_L.Ca／ｔ_L.Total＞０．８５・・・（１）
ここで、ｔ_L.Ca：前記取鍋精錬装置にてガス吹込みを開始した時点から、Ｃａ合金の添加を開始するまでの時間（ｍｉｎ）、ｔ_L.Total：前記スラグ精錬の全時間（ｍｉｎ）である。
前記真空脱ガス装置として環流型真空脱ガス装置を用い、以下の（２）～（５）式に示す条件で脱窒処理を実施することを特徴とする、請求項１に記載の極低窒素鋼の溶製方法。
５．００＜ε＜１０．００・・・（２）
ε＝３７１ＧＴ｛ｌｎ（１＋ρｇ（Ｈ＋ｈ）／Ｐ）＋０．０６（１－Ｔ_g／Ｔ）｝／Ｗ・・・（３）
Ｗ＝ρ・Ａ・ｈ・・・（４）
ｈ＝（Ｐ₀－Ｐ）／ρｇ＋Ｈ_d－Ｈ・・・（５）
ここで、ε：真空槽内での攪拌動力密度（Ｗ／ｋｇ）、Ｇ：環流ガス流量（Ｎｍ³／ｓ）、ρ：溶鋼密度（＝７０００ｋｇ／ｍ³）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ²）、Ｈ：浸漬管下端～真空槽槽底間距離（ｍ）、ｈ：真空槽内の溶鋼の浴深（ｍ）、Ｐ：真空槽内圧力（Ｐａ）、Ｔ_g：吹込みガス温度（Ｋ）、Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）、Ｗ：真空槽内の溶鋼質量（ｋｇ）、Ａ：真空槽断面積（ｍ²）、Ｐ₀：大気圧（Ｐａ）、Ｈ_d：浸漬管の浸漬深さ（ｍ）である。