JP7318821B2 - 溶鋼の脱酸精錬方法、鋼材の製造方法およびその鋼材 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の技術では、脱酸完了までに真空度が従来と比べ悪化するため(真空度5000Pa以上で12分以上保持)、真空精錬の処理時間が長くなる。また、脱酸時のAl添加において、Alの酸化反応により局所的な高温部が発生し、低真空であってもAlの蒸気圧が雰囲気圧を上回ってAlが蒸発しAl蒸発損失を十分には低減できない問題がある。
[1]真空精錬装置を用いた溶鋼の脱酸精錬方法であって、Al含有物質を真空槽内の溶鋼に添加し、Al脱酸中の前記溶鋼の温度変化ΔT1及びΔT2が、式(1)を満足する溶鋼の脱酸精錬方法である。
ΔT1+ΔT2<0・・・(1)
ここで、ΔT1、ΔT2は、それぞれ
ΔT1=(WRe_Al×QAl-O)/(Csteel×WRe_STEEL)・・・(2)
ΔT2=-(VAl/0.01XAl×t1×QAl_Alloy-C)/(Csteel×WRe_STEEL)・・・(3)
で定義される温度変化(℃)、
t1は、Al含有物質の添加開始時に真空槽内に存在する溶鋼がAl含有物質の添加開始から循環して入れ替わるまでの時間(s)、
WRe_Alは、時間t1の間に脱酸反応に使用される金属Alとしての質量(kg)、
QAl-Oは、Alの酸化反応熱(kJ/kg-Al)、
Csteelは、溶鋼比熱(kJ/kg/℃)、
WRe_STEELは、時間t1の間に脱酸反応に使用される溶鋼量(kg)、
VAlは、金属Alとしての添加速度(kg/s)、
XAlは、Al含有物質のAl含有量(質量%)、
QAl_Alloy-Cは、Al含有物質の顕熱及び潜熱(kJ/kg)
である。
[2]前記[1]に記載の溶鋼の脱酸精錬方法は、前記Al含有物質のAl含有量が30~80質量%であることが好ましい。
[3]前記[1]又は[2]に記載の溶鋼の脱酸精錬方法を脱酸工程として有し、
該脱酸工程後の鋼中Al濃度幅が0.02質量%以下である鋼材の製造方法である。
[4]前記[1]又は[2]に記載の溶鋼の脱酸精錬方法を脱酸工程として有し、
該脱酸工程後の鋼中Al濃度幅が0.02質量%以下である鋼材である。
[5」前記[4]に記載の鋼材は、前記Al濃度幅がAl成分規格幅であることが好ましい。
このように発明者らは、真空精錬装置における脱酸処理において、添加Al含有物質の顕熱及び酸化反応熱による温度変化と溶鋼への添加Alの歩留まりを調査し、添加Al含有物質による反応サイトの温度変化が添加Alの歩留まりに及ぼす効果を詳細に検討した。その結果、添加Al含有物質の顕熱および酸化反応熱による反応サイトの温度が添加Alの歩留まりに影響し、反応サイトの温度を制御することによりAl歩留まりが向上することを見出した。
図1において、符号1はRH式真空脱ガス装置、2は取鍋、3は溶鋼、4はスラグ、5は真空槽、6は上部槽、7は下部槽、8は上昇側浸漬管(上昇管)、9は下降側浸漬管(下降管)、10は環流用ガス吹き込み管、11はダクト、12は原料投入口、13は上吹きランスである。真空槽5は、上部槽6と下部槽7とから構成され、また、上吹きランス13は、真空槽内の溶鋼に酸素ガスや媒溶剤を吹き付けて添加する装置であり、真空槽5の上部に設置され、真空槽5の内部で上下移動が可能となっている。
添加Alの酸化反応熱による温度変化量ΔT1及び添加Al含有物質の顕熱(潜熱含む)による温度変化量ΔT2をそれぞれ式(2)、式(3)と定義し、式(1)を満たすように式(4)から式(7)の各エネルギーで温度変化量ΔT1及びΔT2を制御する。
ΔT1+ΔT2<0・・・(1)
ここで、式(1)において、ΔT1、ΔT2は式(2)、式(3)で定義される。
ΔT1=(WRe_Al×QAl-O)/(Csteel×WRe_STEEL)・・・(2)
ΔT2=-(VAl/0.01XAl×t1×QAl_Alloy-C)/(Csteel×WRe_STEEL)・・・(3)
WRe_Al=MIN[WRe_STEEL×aO/fO×1.0×10-6×54/48,VAl×t1]・・・(4)
MIN[A,B]はA、Bの小さい方の値を意味する。
WRe_STEEL=QCir×t1 ・・・(5)
t1=WV/QCir ・・・(6)
QCir=K×G1/3×D4/3×{ln(P0/P1)}1/3・・・(7)
t1は、Al含有物質の添加開始時に真空槽内に存在する溶鋼がAl含有物質の添加開始から循環して入れ替わるまでの時間(s)、
WRe_Alは、時間t1の間に脱酸反応に使用される金属Alとしての質量(kg)、
QAl-Oは、Alの酸化反応熱(kJ/kg-Al)、
Csteelは、溶鋼比熱0.188(kJ/kg/℃)、
WRe_STEELは、時間t1の間に脱酸反応に使用される溶鋼量(kg)、
VAlは、金属Alとしての添加速度(kg/s)、
XAlは、Al含有物質のAl含有量(質量%)、
QAl_Alloy-Cは、Al含有物質の顕熱及び潜熱(kJ/kg)、
WVは、真空槽内溶鋼量(kg)、
QCirは、環流量(kg/s)、
Kは、定数(190)、
Gは、環流ガス流量(Nl/min)、
Dは、浸漬管内径(m)、
P0は、大気圧力(101325Pa)、
P1は、真空度(Pa)、
a0は、溶鋼の酸素活量(ppm)、
f0は、溶鋼中酸素の活量係数
である。
真空槽内溶鋼量WVを、下記の式(8)、式(9)に示す。図2に各長さを定義する。
WV=π/4・DV 2×hV×ρLg・・・(8)
hV=(P0-P1)/(ρLg)+l-L・・・(9)
ここで、DVは、真空槽内径(m)、
hVは、真空槽内溶鋼高さ(m)、
ρLgは、溶鋼密度(kg/m3)、
lは、浸漬管の溶鋼への浸漬深さ(m)、
Lは、浸漬管下端から真空槽敷までの高さ(m)
である。
l=lL-lFB-lLV・・・(10)
ここで、lLは、取鍋底から取鍋上端までの距離(m)、
lFBは、取鍋上端から取鍋溶鋼面までの距離(m)、
lLVは、浸漬管下端から取鍋底までの距離(m)
である。
溶鋼のAl脱酸におけるAl損失要因の一つは、脱酸反応熱によって局所的に高温となった溶鋼でAlが蒸発することである。添加するAl含有物質のAl含有量を小さくし、添加Al量当たりの顕熱を増加させることで顕熱による温度低下量ΔT2を多くして、より効率的にAlの蒸発を抑制することができる。したがって、添加Al含有物質のAl含有量は80質量%以下とすることが好ましい。
一方で、添加Al含有物質のAl含有量が低すぎると、Al含有物質の総添加量が増え、処理時間が長くなるほか、処理中の溶鋼温度が真空槽内で凝固温度以下まで下がるおそれがある。そのため、添加Al含有物質のAl含有量は30質量%以上が望ましい。
使用するAl含有物質の種類としては、他の溶鋼成分の調整を阻害しないようにフェロアルミ合金FeAlを使用することが好ましい。なお、目標成分に合わせて鉄以外の成分を含むAl合金を使用してもよい。
本発明の脱酸精錬方法によりAl歩留まりが向上し、本脱酸精錬方法を含む鉄鋼製造プロセスから製造される鋼材のAl成分量のばらつきを低減することができる。
すなわち、本発明の脱酸精錬方法による脱酸工程後の鋼中Alの濃度幅は、0.02質量%以下とすることができる。
ここで、鋼中Al濃度幅とは、目標の鋼中Al濃度範囲が同じ鋼種の処理における、各チャージ(1回の出鋼量)の脱酸精錬後の鋼中Alの成分量(質量%)について、特定チャージ数(規格、特性など)におけるばらつき幅をいう。たとえば、鋼中Al濃度幅をAl成分規格幅と設定してもよい。
ただし、ばらつき幅とは、上記特定チャージ数における鋼中Alの成分量実績について、その標準偏差を6倍した値である。
鋼中Alの濃度幅が、0.02質量%以下となれば、製品規格の化学成分量の狭幅化や目標化学成分量の外れ防止を期待できる。
本発明の脱酸精錬方法により、Al歩留まりが85%以上となれば鋼中Al濃度幅を0.02質量%以下とすることができる。なぜなら、脱酸後の鋼中Al濃度のばらつきは主にAl歩留まりのばらつきによるものであり、Al歩留まりを100%に近づけることで、Al歩留まりのばらつきが低減されるためである。また、Al歩留まりが向上することにより、目標のAl濃度に対する必要なAl添加量が少なくなることも、Al濃度ばらつきが低減する要因である。
Al含有物質は、99%Al含有の金属Alおよび20%、40%、70%、80%、90%Alを含むFeAl合金を使用した。
主にAl添加速度VAlを10~25kg/sの範囲で変化させて、ΔT1及びΔT2の種々の値によるAl歩留まりを評価した。
実験は各条件30チャージずつ実施し、Al歩留まり、Al含有物質添加時間については30チャージの平均値を用いて評価した。
鋼中Al濃度幅は、各条件(No.1~10)の、脱酸処理後の鋼中Al濃度の標準偏差から算出した。
式(2)~(10)の各数値については、次の値を設定した。
t1:4.2(s)、
WRe_Al:4~7(kg)、
QAl-O:27045(kJ/kg-Al)、
CSTEEL:溶鋼比熱0.188(kJ/kg/℃)、
WRe_STEEL:11757(kg)、
VAl:10~25(kg/s)、
XAl:20~99(%)、
QAl_Alloy-C:1381~2163(kJ/kg)
とした。
ただし、添加するAl含有物質の含有成分i(Alを含む)の質量分率、顕熱をそれぞれXi、Qi_C(kJ/kg-i)とすると、
であり、実施例ではQAlC=2163(kJ/kg-Al)、QFe_C=1186(kJ/kg-Fe)として計算した。
WV:11760(kg)、
QCir:2903(kg/s)、
K=190、
G:2500(Nl/min)、
D:0.7(m)、
P0:1.01325x105(Pa)、
P1:267(Pa)、
a0:350~500(ppm)、
f0:1、
lL:4.0(m)、
lFB:1.2(m)、
lLV:2.1(m)
である。
eAl={(a0/f0×1.0×10-6×54/48+[%Al]/100)×W}×100/(WAl×XAl/100)・・・(11)
ここで、eAlは、Al歩留まり(%)、
[%Al]は、脱酸後の溶鋼中Al濃度(質量%)、
Wは、処理溶鋼量で300(ton)、
WAlは、金属AlまたはAl合金添加量(kg)、
XAlは、Al含有物質中のAl含有量(質量%)
である。
但し、[%Al]は、RH式真空精錬処理終了後にメタルサンプルを採取しその分析値から求めた。
添加Al含有物質のAl含有量が80質量%以下の発明例No.5~8では、Al歩留まりが85%以上となり、さらに良好な結果が得られた。
そこで、処理時間も考量したAl歩留まりを下記のように3段階に区分し、表1最右列に評価として示した。
◎:Al歩留まりが85%以上、かつ、Al添加時間が1分未満
○:Al歩留まりが70%以上85%未満、かつ、Al添加時間が1分未満、または、Al歩留まりが85%以上、かつ、Al添加時間が1分以上
△:Al歩留まりが70%未満
一方で、Al歩留まりが70%未満である比較例No.9~10における最終Al成分の濃度ばらつきは0.035質量%幅以下と、発明例よりも濃度ばらつきが大きい結果であった。
2 取鍋
3 溶鋼
4 スラグ
5 真空槽
6 上部槽
7 下部槽
8 上昇側浸漬管
9 下降側浸漬管
10 環流用ガス吹き込み管
11 ダクト
12 原料投入口
13 上吹きランス
DV 真空槽内径
D 浸漬管内径
L 浸漬管下端から真空槽敷までの高さ
l 浸漬管の溶鋼への浸漬深さ
lL 取鍋底から取鍋上端までの距離
lLV 浸漬管下端から取鍋底までの距離
lFB 取鍋上端から取鍋溶鋼面までの距離
hV 真空槽内溶鋼高さ
hL 取鍋底から取鍋溶鋼面までの距離
Claims (3)
- 真空精錬装置を用いた溶鋼の脱酸精錬方法であって、Al含有物質を真空槽内の溶鋼に添加し、Al脱酸中の前記溶鋼の温度変化ΔT1及びΔT2が、式(1)を満足する溶鋼の脱酸精錬方法。
ΔT1+ΔT2<0・・・(1)
ここで、ΔT1、ΔT2は、それぞれ
ΔT1=(WRe_Al×QAl-O)/(Csteel×WRe_STEEL)・・・(2)
ΔT2=-(VAl/0.01XAl×t1×QAl_Alloy-C)/(Csteel×WRe_STEEL)・・・(3)
で定義される温度変化(℃)、
t1は、Al含有物質の添加開始時に真空槽内に存在する溶鋼がAl含有物質の添加開始から循環して入れ替わるまでの時間(s)、
WRe_Alは、時間t1の間に脱酸反応に使用される金属Alとしての質量(kg)、
QAl-Oは、Alの酸化反応熱(kJ/kg-Al)、
Csteelは、溶鋼比熱(kJ/kg/℃)、
WRe_STEELは、時間t1の間に脱酸反応に使用される溶鋼量(kg)、
VAlは、金属Alとしての添加速度(kg/s)、
XAlは、Al含有物質のAl含有量(質量%)、
QAl_Alloy-Cは、Al含有物質の顕熱及び潜熱(kJ/kg)
である。 - 前記Al含有物質はAl含有量が30~80質量%である請求項1に記載の溶鋼の脱酸精錬方法。
- 請求項1又は2に記載の溶鋼の脱酸精錬方法を脱酸工程として有し、該脱酸工程後の鋼中Al濃度幅が0.02質量%以下である鋼材の製造方法。
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