JP7323803B2 - 溶鋼の取鍋精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼の取鍋精錬方法に関する。

線材や軌条鋼などの鋼材に用いられる鋼種では、硬質なＡｌ_２Ｏ_３介在物が残存していると、製造される鋼材の破断や割れの起点となり、鋼材品質を低下させる。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３介在物をなるべく残存させないように操業が行われており、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を低減しておくことが重要となる。

介在物の組成制御は、二次精錬にて行われる。特に、取鍋の底部からガスを吹き込んで溶鋼を攪拌しながら、溶鋼表面上に存在するスラグ層中に通電電極を浸漬させて通電加熱する方法によって、介在物の組織制御が行われることが多い。これは、通電加熱によって溶融したスラグが溶鋼と反応し、ガス吹き込み攪拌により、溶鋼と介在物とを反応させて、介在物組成を制御することができるためである。

ただし、上記のような鋼種では、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を低減するために、溶鋼に溶解しているＡｌ濃度を極力低減させておくものの、その他の成分の調整用に用いられる合金中に不可避的に含まれるＡｌ分や、前チャージの取鍋に付着した地金中のＡｌ分などの混入分が存在する。特に、これらＡｌ分の混入箇所ではＡｌ濃度が局所的に高くなり、Ａｌ_２Ｏ_３が生成してしまう。Ａｌは、Ｏとの親和力が強く、一度生成したＡｌ_２Ｏ_３は、その他の成分に変化し難いのが難点である。

そこで、製造される鋼材の介在物に起因する品質低下を防止するために、従来、各種の技術が提案されている。

例えば以下の特許文献１では、高強度鋼線用鋼を取鍋精錬する際に、フラックス中のＣａＯ含有量を３０～５５％、ＳｉＯ_２含有量を３．０％以下、ＭｇＯ含有量を０．１～０．９５％として、スラグ量を１４～２１ｋｇ／ｔとする方法が開示されている。

また、以下の特許文献２では、ソーワイヤー鋼を精錬する処理において、スラグの組成を、ＣａＯ／ＳｉＯ_２＝０．５～１．２、Ａｌ_２Ｏ_３＝５～１５％、ＭｇＯ＝２～１５％とし、スラグの原単位を５～１５ｋｇ／ｔｏｎとし、溶鋼の攪拌量を４０～６０ｋＪ／ｔｏｎとするとともに、ｓｏｌ．Ａｌの濃度を２ｐｐｍとする方法が開示されている。

また、以下の特許文献３では、鋼線材の精錬処理を行うにあたり、スラグの組成を、ＣａＯ／ＳｉＯ_２＝０．５～１．５、Ａｌ_２Ｏ_３＝３～２５％、ＭｇＯ＝３～２５％とし、取鍋ガス攪拌、減圧槽内取鍋ガス攪拌、取鍋内電磁誘導攪拌、還流式脱ガスの少なくとも何れかを実施し、それぞれの攪拌動力密度と精錬時間から算出する指標を、特定の範囲内とする方法が開示されている。

特開２０１０－２４２１７８号公報 特開２０１４－ ４７３９９号公報 特開２００８－１５０６８３号公報

上記特許文献１に開示の方法は、取鍋に混入するＭｇＯ量を制限し、介在物中のＭｇＯ濃度を低減する方法であり、付随してＡｌ濃度が０．０００３０％以下という極めて低い濃度まで下がった場合に、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度が低減されるという方法である。そのため、より高いＡｌ濃度での介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度の低減は、困難である。

また、上記特許文献２に開示の方法は、Ａｌ_２Ｏ_３介在物の個数を低減させる方法であって、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度の低減は、困難である。

また、上記特許文献３には、介在物を軟質化するという記載は存在するものの、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度の低減効果については不明である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、取鍋底部からガスを吹き込み攪拌しながら通電加熱を伴う取鍋精錬を行う際に、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度をより確実に低位に制御することが可能な、溶鋼の取鍋精錬方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、取鍋底部に設けるガス吹き込み用プラグの数及び配置位置と、ガス吹き込み用プラグから吹き込まれるガスの流量と、を適切に制御することで、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度をより確実に低位に制御可能であるとの知見を得ることができた。
かかる知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］取鍋内の溶鋼表面にスラグ層を形成し、電極を前記スラグ層に浸漬させて通電する溶鋼の取鍋精錬方法であって、前記スラグ層に浸漬される前記電極は、２本又は３本であり、前記取鍋の底面には、前記取鍋内に保持された前記溶鋼を攪拌する攪拌用ガスを吹き込むガス吹き込み用プラグが２か所に配置されており、溶鋼中のＡｌ濃度が０．００５０質量％以下の溶鋼を精錬する際に、取鍋精錬時のスラグの組成が、ＣａＯ≧２０質量％、ＳｉＯ_２≧２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３≦１５質量％であり、かつ、以下の式（１）の関係を満足し、前記取鍋の上方から平面視したときに、前記溶鋼表面での前記２本もしくは３本の電極全てに外接し、かつ、直径が最小となる円を、電極外接円としたときに、前記電極外接円の半径をｒ［ｍ］、前記電極外接円の中心位置をＣ_Ｅと表記し、２つの前記ガス吹き込み用プラグの一方をＡプラグと称し、他方をＢプラグと称したときに、前記取鍋の底面の半径をＲ［ｍ］、前記取鍋の底面の中心位置をＣ_Ｏ、前記取鍋の底面における前記Ａプラグ及び前記Ｂプラグの中心位置を、それぞれＣ_Ａ、Ｃ_Ｂと表記し、Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ａ間の距離をＬ_ＯＡ［ｍ］、Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ｂ間の距離をＬ_ＯＢ［ｍ］、Ｃ_Ａ－Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ｂがなす角度をθ［度］としたときに、前記Ａプラグ及び前記Ｂプラグの配置位置は、以下の式（２）～式（４）を満足し、前記Ａプラグ及び前記Ｂプラグのそれぞれから吹き込まれるガスの流量を、それぞれＱ_Ａ、Ｑ_Ｂ［ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ］としたときに、当該Ｑ_Ａ及びＱ_Ｂの設定値が、以下の式（５）～式（７）を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。
（ＣａＯの質量％）／（ＳｉＯ_２の質量％）＝０．５～１．９ ・・・（１）
ｒ＜Ｌ_ＯＡ≦０．９×Ｒ ・・・（２）
ｒ＜Ｌ_ＯＢ≦０．９×Ｒ ・・・（３）
１２０°≦θ≦１８０° ・・・（４）
０．６≦Ｑ_Ａ≦４．５ ・・・（５）
０．６≦Ｑ_Ｂ≦４．５ ・・・（６）
０．６７≦Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａ≦１．５０ ・・・（７）
［２］前記スラグ層の厚みは、１００～２５０ｍｍである、［１］に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。

以上説明したように本発明によれば、取鍋底部からガスを吹き込み攪拌しながら通電加熱を伴う取鍋精錬を行う際に、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度をより確実に低位に制御することが可能である。

本発明の実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬設備を溶鋼高さＨ＋ｄの位置で水平方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜取鍋精錬設備について＞
まず、図１～図２Ｂを参照しながら、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法（以下、単に、「取鍋精錬方法」ともいう。）に用いられる取鍋精錬設備について説明する。なお、以下では、便宜的に、図１～図２Ｂに示した座標系を用いて説明を行うものとする。また、図１及び図２Ａでは、２つのガス吹込み用プラグのｙｚ平面への投影位置を破線で示しており、図２Ｂでは、図の視認性を高めるために、スラグ層に対応する部分への網掛けを伴う図示を省略している。

本実施形態に係る取鍋精錬方法で用いられる取鍋精錬設備は、図１に模式的に示したように、所定の容量の取鍋１０を少なくとも有している。かかる取鍋１０の大きさ（容量）については、特に限定されるものではなく、公知の各種の取鍋を用いることが可能である。

また、取鍋１０の底面には、ガス吹き込み用プラグの一例としてのポーラスプラグ２０Ａ、２０Ｂ（以下、まとめて「ポーラスプラグ２０」ということがある。）が設けられている。かかるポーラスプラグ２０は、取鍋１０の内部に保持される溶鋼中に所定の不活性ガスを吹き込んで、溶鋼１１を攪拌するためのガス吐出口として用いられる。かかるポーラスプラグ２０については、以下で詳述するようなガス流量を実現することが可能なものであれば、公知の各種のポーラスプラグを使用することが可能である。

なお、本実施形態では、例えば図１に示したように、取鍋１０の形状を模式化して示しているが、取鍋の詳細な構造についても、特に限定されるものではない。例えば、本実施形態に係る取鍋精錬方法に用いられる取鍋１０は、二次精錬が終了した後の溶鋼を外部に取り出すための溶鋼取り出し口を有していてもよいし、その他の構造物が設けられていてもよい。

かかる取鍋１０の内部には、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ等を成分として含有する溶鋼１１が保持されており、溶鋼１１の表面（ｚ軸正方向側の表面）には、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯなどを含むスラグ層１３が浮いた状態で存在している。また、スラグ層１３には、取鍋精錬工程で添加される各種のフラックス（造滓剤）が存在していてもよい。かかるスラグ層１３は、フラックス層と呼ばれることもある。

ここで、本実施形態において、図１に模式的に示したように、取鍋１０の底面の位置を便宜的にｚ軸方向の原点（ｚ＝０）の位置とする。また、溶鋼１１の高さＨは、図１に模式的に示したように、溶鋼１１及びスラグ層１３を取鍋１０の内部に出鋼して静置した後における、溶鋼１１の表面の位置とする。溶鋼１１の高さＨの具体的な値については、特に限定されるものではなく、用いる取鍋１０の容量と、注入される溶鋼１１の体積に応じて定まるものとなる。また、用いる取鍋１０の底面（ｚ＝０）の位置における取鍋１０の半径及び中心位置を、それぞれＲ［ｍ］、Ｃ_Ｏと表すこととし、ポーラスプラグ２０Ａの中心位置をＣ_Ａ、ポーラスプラグ２０Ｂの中心位置をＣ_Ｂと表すこととする。また、スラグ層１３の厚みを、ｄ［ｍｍ］と表すこととする。

また、図２Ｂに示したように、取鍋１０の底面において、ポーラスプラグ２０Ａの中心位置をＣ_Ａと表し、ポーラスプラグ２０Ｂの中心位置をＣ_Ｂと表すこととする。このときに、ポーラスプラグ２０Ａの中心位置Ｃ_Ａと、取鍋１０の中心位置Ｃ_Ｏと、ポーラスプラグ２０Ｂの中心位置Ｃ_Ｂと、を用いて規定される角度Ｃ_Ａ－Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ｂを、角度θ［度］とする。また、ポーラスプラグ２０Ａの中心位置Ｃ_Ａと、取鍋１０の中心位置Ｃ_Ｏとの間の距離をＬ_ＯＡ［ｍ］とし、ポーラスプラグ２０Ｂの中心位置Ｃ_Ｂと、取鍋１０の中心位置Ｃ_Ｏとの間の距離をＬ_ＯＢ［ｍ］とする。

取鍋１０内に保持された溶鋼１１に対して、本実施形態に係る取鍋精錬方法を適用する場合、２本又は３本の電極が、スラグ層１３の内部に浸漬される。図２Ａ及び図２Ｂでは、３本の電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ（以下、まとめて「電極３０」ということがある。）がスラグ層１３の内部に浸漬されている場合を図示しているが、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、電極の本数は、２本であってもよい。

本実施形態に係る取鍋精錬方法に用いられる電極３０は、特に限定されるものではなく、公知の各種の素材を用いた電極を用いることが可能であるが、炭素製の電極（カーボン電極）を用いることが簡便である。また、電極３０の形状や大きさについても、特に限定されるものではなく、公知の各種の電極を適宜利用することが可能である。

ただし、電極３０のスラグ層１３への浸漬深さは、溶鋼１１に接触しないような深さであることが好ましい。特に電極３０にカーボン電極を用いる場合に、電極３０が溶鋼１１に接触してしまうと、溶鋼１１が有している熱により、カーボン電極が溶解してしまう可能性がある。カーボン電極が溶解すると、溶鋼１１中に溶解した炭素が混入して、溶鋼１１の炭素含有量が変化してしまう可能性がある。また、その他の素材を用いた電極を用いる場合であっても、電極が溶鋼１１に接触してしまうと、電極の溶解が発生する可能性がある。そのため、溶鋼１１に接触しないような深さまで電極３０を浸漬させることで、溶鋼１１への不純物の混入を防止することが可能となる。

スラグ層１３中に浸漬された電極３０に対し、図２Ａに示したように電源を設置して、電極３０に所定の電力を投入することで、電極３０の先端部と溶鋼１１との間でアークプラズマが発生し、更に、溶鋼１１を介して、発生したアークプラズマ間が通電される。かかるアークプラズマ及び通電によって発生する熱により、スラグが加熱及び溶融され、溶鋼１１とスラグ層１３との間で各種の精錬反応が進行するようになる。

また、上記のような通電とともに、取鍋の底部に設けられたポーラスプラグ２０からアルゴン等の不活性ガスを、以下で詳述するような流量で吐出させることで、溶鋼１１中に流れが生じ、かかる溶鋼の流動に乗って、溶融したスラグが溶鋼表面を移動する。これにより、溶鋼表面におけるガス気泡の破泡を防止しながら未溶融状態のスラグの溶融を促進することができ、また、溶融したスラグが溶鋼１１の表面の全体を覆うようになる。

更に、電極の直下で加熱溶融されたスラグは、上記のような溶鋼１１の流動によって、溶鋼１１中に微細な粒子となって巻き込まれた後、取鍋１０の底部まで搬送され、その後、溶鋼表面まで浮上するような挙動を示すようになる。このような微細なスラグ粒子の流動により、本実施形態に係る取鍋精錬方法では、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３の濃度が低減されるが、その詳細な機構については、以下で改めて説明する。

なお、上記のように、電極３０と溶鋼１１との間に発生するアークプラズマを用いて、スラグの加熱及び溶融が実現されることから、電極３０は、電極３０の先端部で発生したアークプラズマが溶鋼１１に到達可能な深さまで、スラグ層１３中に浸漬されることが好ましい。

＜取鍋精錬方法の詳細について＞
次に、図２Ａ～図９を参照しながら、本実施形態に係る取鍋精錬方法について、詳細に説明する。

本実施形態に係る取鍋精錬方法では、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、取鍋１０内に存在するスラグ層１３に対して、２本又は３本の電極３０が浸漬される。なお、以下では、スラグ層１３に対して、３本の電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが浸漬される場合を例に挙げて、説明を行うものとする。

［取鍋精錬方法が適用される溶鋼及びスラグについて］
まず、本実施形態に係る取鍋精錬方法が適用される溶鋼及びスラグについて説明する。本実施形態に係る取鍋精錬方法が適用される溶鋼１１は、Ａｌ濃度が０．００５０質量％（５０ｐｐｍ）以下である溶鋼とする。溶鋼１１中のＡｌ濃度を０．００５０質量％以下とすることで、溶鋼中でＡｌ_２Ｏ_３が生成することを抑制することができる。一方、溶鋼１１中のＡｌ濃度が０．００５０質量％を超える場合には、取鍋１０内の溶鋼１１の全体でＡｌ_２Ｏ_３が生成されてしまい、本実施形態に係る取鍋精錬方法を適用したとしても、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を低位に制御することができない。溶鋼１１中のＡｌ濃度は、低ければ低いほどよく、その下限値は、特に規定するものではない。

なお、溶鋼１１中のＡｌ以外の成分については、特に規定するものではないが、その他に、０．１～１．５質量％程度のＣ、０．１～１．２質量％程度のＳｉ、０．１～１．５質量％程度のＭｎ、０．０３質量％以下のＰ、０．０３質量％以下のＳ等が含有され、残部がＦｅ及び不純物であることが多い。本実施形態に係る取鍋精錬方法の効果を得るためには、上記のような成分の範囲で十分である。このような成分を有する溶鋼１１の一例として、例えば、Ｓｉキルド鋼を挙げることができる。

また、本実施形態に係る取鍋精錬方法が適用される、Ａｌ濃度が０．００５０質量％以下の溶鋼に対しては、ＣａＯが２０質量％以上、及び、ＳｉＯ_２が２０質量％以上含有される、ＣａＯ及びＳｉＯ_２を主成分とするスラグとすることが行われている。取鍋精錬の際のスラグ（本実施形態では、フラックス投入後であっても、スラグと称する。）をこのような成分とすることで、取鍋精錬時の溶鋼を大気から遮断し、溶鋼の酸化を防止する、他の精錬の目的を達成する等の効果が発現するようになる。なお、本実施形態に係る取鍋精錬方法は、ＣａＯ及びＳｉＯ_２の濃度が２０質量％未満であるスラグにおいても効果を奏するものであるが、ＣａＯ及びＳｉＯ_２の濃度が２０質量％以上となる場合に、その効果が顕著なものとなる。

ここで、本実施形態に係るスラグは、ＣａＯ及びＳｉＯ_２の濃度が上記のような濃度となっていることに加えて、（ＣａＯの質量％）／（ＳｉＯ_２の質量％）で表されるスラグの塩基度が、以下の式（１）で表される条件を満足している。

（ＣａＯの質量％）／（ＳｉＯ_２の質量％）＝０．５～１．９ ・・・（１）

スラグの塩基度が上記式（１）で表される条件を満足することで、かかるスラグは、粘度が低く、かつ、液相率が高いスラグとなり、取鍋精錬方法の操業性を向上させることができる。

スラグの塩基度が０．５未満である場合には、スラグの融点が上昇する一方で、溶鋼１１の温度は大幅な変動がないために、スラグの粘度が大きくなり、溶鋼１１中に巻き込まれにくくなる。その結果、本実施形態に係る取鍋精錬方法の効果を発現させることができない。スラグの塩基度は、好ましくは０．６以上である。一方、スラグの塩基度が１．９を超える場合には、スラグの液相率が低下してスラグの滓化率が悪くなり、通電加熱を行っても溶融性が低下して、溶鋼１１中に巻き込まれにくくなる。その結果、本実施形態に係る取鍋精錬方法の効果を発現させることができない。スラグの塩基度は、好ましくは１．７以下であり、より好ましくは１．５以下である。

また、本実施形態に係るスラグは、Ａｌ_２Ｏ_３の濃度が１５質量％以下である。スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３の濃度が１５質量％を超えると、溶鋼１１中に巻き込まれたスラグの粒子と溶鋼とが反応し、局所的にＡｌ濃度を高め、Ａｌ_２Ｏ_３の生成を引き起こすためである。Ａｌ_２Ｏ_３の濃度を１５質量％以下とすることで、溶鋼流により溶鋼１１中に巻き込まれたスラグの粒子そのものがＡｌ_２Ｏ_３源となることを、防止することができる。スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３の濃度は、低ければ低いほどよく、その下限値は特に規定するものではない。スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３の濃度は、好ましくは１４質量％以下であり、より好ましくは１２質量％以下である。

なお、スラグ中には、上記の成分に加えて、０．３～３．０質量％程度のＦｅＯが含有されていることが多く、更にその他の成分が含有されていてもよい。ただし、本実施形態に係る取鍋精錬方法の効果を得るためには、上記のような成分の範囲で十分であり、詳細な濃度を規定するものではない。

［電極外接円について］
本実施形態に係る取鍋精錬方法では、例えば図２Ｂに模式的に示したように、２本又は３本の電極３０の浸漬位置に基づき規定される電極外接円３５に着目する。この電極外接円３５は、スラグ層１３の表面（ｚ＝Ｈ＋ｄの面）を取鍋１０の上方（ｚ軸方向正方向側）から平面視したときに、全ての電極３０の位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である。

本実施形態に係る取鍋精錬方法において、電極外接円３５の中心位置Ｃ_Ｅは、取鍋底部での取鍋の半径をＲ［ｍ］としたときに、底面における取鍋１０の中心位置Ｃ_Ｏ（より正確には、底面における中心位置Ｃ_Ｏを投影した位置）から０．１×Ｒまでの領域内に位置することが好ましく、通常は、この要件に基づいて電極と取鍋の位置関係が設定されている。図２Ｂでは、電極外接円３５の中心位置Ｃ_Ｅが取鍋１０の中心軸上に存在する場合を図示している。電極外接円３５の中心位置Ｃ_Ｅが上記の領域内に位置することで、取鍋１０内に存在するスラグ層１３を、伝熱の偏りが生じることを抑制しながら、より均等に加熱することが可能となる。

また、電極外接円３５内における各電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの位置については、特に限定されるものではないが、電極外接円３５の中心位置Ｃ_Ｅに対して、なるべく均等に配置されていることが好ましい。

［ポーラスプラグ２０Ａ、２０Ｂについて］
本実施形態に係る取鍋精錬方法では、以下で詳述するように、ポーラスプラグ２０Ａ，２０Ｂが特定の位置に設けられており、かつ、各ポーラスプラグ２０Ａ，２０Ｂから吹き込まれるガスの流量が特定の関係を満足するように設定される。これにより、図３に模式的に示したように、電極の直下で加熱溶融されたスラグは、取鍋底部から吹き込まれるガスによる溶鋼流動によって、溶鋼１０中に微細な粒子となって巻き込まれた後、取鍋１０の底面まで搬送され、更に、溶鋼表面まで浮上するような挙動を示すようになる。その間に、巻き込まれたスラグがＡｌ_２Ｏ_３介在物と接触することで、溶鋼１１の内部にて局所的に生成したＡｌ_２Ｏ_３介在物を、Ａｌ_２Ｏ_３介在物とＣａＯ－ＳｉＯ_２系介在物の複合介在物へと変化させる。これにより、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を低位に制限することが可能となる。

また、図４に模式的に示したように、各ポーラスプラグ２０Ａ，２０Ｂの位置及びガス流量が特定の関係を満足することで、発生する溶鋼流の大部分が電極外接円３５の内部に位置する領域で衝突するようになり、電極直下及びその近傍の、高温状態となったスラグを溶鋼１１中に巻き込むことが可能となる。その結果、Ａｌ_２Ｏ_３介在物とスラグとの反応性を所望の状態に保持することが可能となる。

これにより、鋼材中に硬質なＡｌ_２Ｏ_３介在物が単独で存在することを抑制し、軟質なＣａＯ－ＳｉＯ_２系介在物を併存させ、更には、Ａｌ_２Ｏ_３介在物をＣａＯ－ＳｉＯ_２系介在物で被覆させることが可能となる。その結果、Ａｌ_２Ｏ_３介在物が鋼材の破断や割れの起点となることを、抑制することが可能となる。

以下、上記のような効果を発現させるためのポーラスプラグ２０Ａ，２０Ｂの各種条件について、詳細に説明する。なお、以下の説明では、便宜的に、ポーラスプラグ２０Ａのことを「Ａプラグ」と称することとし、ポーラスプラグ２０Ｂのことを「Ｂプラグ」と称することとする。

本実施形態に係る取鍋精錬方法では、ポーラスプラグ２０Ａ，２０Ｂは、以下の式（２）～式（４）を満足するように配置され、各ポーラスプラグ２０Ａ，２０Ｂから吹き込まれる攪拌用ガスの流量Ｑ_Ａ，Ｑ_Ｂは、以下の式（５）～式（７）を満足する。

ｒ＜Ｌ_ＯＡ≦０．９×Ｒ ・・・（２）
ｒ＜Ｌ_ＯＢ≦０．９×Ｒ ・・・（３）
１２０°≦θ≦１８０° ・・・（４）
０．６≦Ｑ_Ａ≦４．５ ・・・（５）
０．６≦Ｑ_Ｂ≦４．５ ・・・（６）
０．６７≦Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａ≦１．５０ ・・・（７）

上記式（２）及び式（３）並びに図２Ｂからも明らかなように、Ａプラグ（ポーラスプラグ２０Ａ）及びＢプラグ（ポーラスプラグ２０Ｂ）は、電極外接円３５の外側と、取鍋１０の壁面から取鍋半径Ｒ×０．１の距離だけ離した位置までの間に配置される。また、式（４）に示したように、角度θが１２０°以上１８０°以下となることで、ＡプラグとＢプラグとは、取鍋１０を半割りにした際に、互いに異なる側に位置するようになる。これは、上記式（５）～式（７）に示したように、各ポーラスプラグから吹き込まれるガスの流量が概ね均等であるために、各ポーラスプラグから吹き込んだガスによって形成される溶鋼流の衝突する位置を電極外接円３５の内側とするためである。

Ａプラグ又はＢプラグの一方が電極外接円３５の内側に設置された場合には、図５に模式的に示したように、溶鋼流の衝突位置の大部分が、相対的に低い温度の微細化しづらいスラグが存在している電極外接円３５の外側に位置する傾向が強くなってしまう。その結果、微細スラグ粒子の巻き込みが困難となる。

一方、Ａプラグ及びＢプラグの双方が電極外接円３５の内側に設置された場合には、図６に模式的に示したように、ポーラスプラグ２０から吹き込まれたガスの気泡によりスラグが押し退けられることで形成される溶鋼露出面が過大となる。その結果、通電加熱される電極外接円３５の内側に位置するスラグの量が減少して、溶鋼１１への微細スラグ粒子の巻き込み量を確保することが困難となる。

Ａプラグ又はＢプラグの少なくとも何れか一方が、取鍋１０の壁面から０．１×Ｒ未満の位置に設置された場合には、Ｂプラグから吹き込まれるガスの気泡が浮上する際に、取鍋１０の壁面に接触し、この影響で気泡の浮上位置に乱れが生じてしまう。その結果、図７に模式的に示したように、溶鋼流の衝突位置の大部分が、相対的に低い温度の微細化しづらいスラグが存在している電極外接円３５の外側に位置するようになってしまい、微細スラグ粒子の巻き込みが困難となる。

角度θが１２０°未満となる場合には、図８に模式的に示したように、溶鋼流の衝突位置が電極外接円３５の外側となる傾向が強くなる。その結果、微細スラグ粒子の巻き込みが困難となる。

また、ガス流量Ｑ_Ａ，Ｑ_Ｂが、上記式（５）～式（７）の関係を満足することで、溶鋼流の流れの強さが適切なものとなり、かつ、溶鋼流の衝突位置の大部分が、電極外接円３５の内側に位置するようになる。その結果、通電加熱によってスラグが溶融することで生成する微細スラグ粒子が、適切な量で溶鋼流に巻き込まれるようになる。その結果、Ａｌ_２Ｏ_３介在物と微細スラグ粒子とが適切に反応して、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を低減することが可能となる。

Ａプラグ及びＢプラグから吹き込まれるガスの流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂが、０．６ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ未満である場合には、ガス流量が少なすぎて溶鋼流が発達せず、微細スラグ粒子の巻き込みが不十分となる。Ａプラグ及びＢプラグからのガス流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂは、０．９ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、１．２ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ以上であることがより好ましい。一方、ガス流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂが４．５ＮＬ／ｔ／ｍｉｎを超える場合には、スラグを巻き込む量が多くなりすぎてスラグの飛散が生じる可能性が高まる他、本発明の効果も飽和する。Ａプラグ及びＢプラグからのガス流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂは、４．０ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、３．５ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ以下であることがより好ましい。

また、Ａプラグのガス流量Ｑ_Ａに対するＢプラグのガス流量Ｑ_Ｂの比率（Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａ）が０．６７未満となる場合、又は、１．５０超となる場合には、図９に模式的に示したように、各ポーラスプラグ２０から吹き込まれたガスによって形成される溶鋼流の衝突位置が、電極外接円３５の外側となる傾向が強くなる。その結果、微細スラグ粒子の巻き込みが生じにくくなる。流量比（Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａ）の値は、０．７５以上であることが好ましい。また、流量比（Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａ）の値は、１．３３以下であることが好ましい。

［スラグ層１３の厚み］
本実施形態に係る取鍋精錬方法において、図１に模式的に示したスラグ層１３の厚みｄは、１００ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、スラグ層１３の厚みｄは、溶鋼１１及びスラグ層１３を取鍋１０の内部に出鋼して静置し、必要に応じてフラックスを添加した後、通電及び不活性ガスの吹き込み前におけるスラグ層１３の厚みとする。

スラグ層１３の厚みｄを１００ｍｍ以上とすることで、電極外接円３５の内部に位置するスラグの量がより一層充実し、微細スラグ粒子の巻き込み量をより安定化させることができる。一方、取鍋１０からスラグがあふれて精錬処理を阻害しないようにするために、スラグ層１３の厚みは、２５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法によれば、特定の組成を満足する溶鋼と、特定の組成を満足するスラグについて精錬処理を施すに際して、特定の位置に２つのポーラスプラグを配置し、かつ、特定の流量でガスを吹き込むようにする。これにより、電極直下又はその近傍の高温領域において、スラグの微細粒子を溶鋼に巻き込ませた後に取鍋底部へ当該スラグ粒子を供給して、Ａｌ_２Ｏ_３介在物と接触させることが可能となる。その結果、介在物の所定の変質効果が得られ、課題解決につなげることができる。

以上、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、詳細に説明した。

以下では、本発明例及び比較例を示しながら、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す本発明例は、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法のあくまでも一例にすぎず、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法が下記に示す例に限定されるものではない。

以下、本発明の取鍋精錬による介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度の制御方法の有効性について検証した際の検証方法と、その結果を示す。

まず、転炉で脱炭処理を行った８０～９０ｔの溶鋼を、取鍋内に出鋼し、Ｓｉキルド鋼とした。かかるＳｉキルド鋼のＡｌ濃度は、以下の表１に示した通りであり、また、Ｃ濃度は、０．６～１．１質量％の範囲内、Ｓｉ濃度は、０．２～０．９質量％の範囲内、Ｍｎ濃度は、０．４～０．８質量％の範囲内、Ｐ濃度は、０．０３質量％以下、Ｓ濃度は、０．０３質量％以下の概ね一定値であり、残部はＦｅ及び不純物であった。この時、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯなどからなる転炉スラグが、約５００ｋｇ流出した。その後、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を含む媒溶剤をスラグ厚みが８０～２５０ｍｍになるよう添加した。なお、溶鋼表面位置（ｚ＝Ｄ）における取鍋内径は、２．４ｍであった。なお、スラグ中のＣａＯ濃度は、２０～４０質量％の範囲内であり、ＳｉＯ_２濃度は、２０～４５質量％の範囲内であり、Ａｌ_２Ｏ_３濃度は、以下の表１に示した通りであった。また、ＦｅＯ濃度は、０．５～２．０質量％の範囲内であった。

その後、取鍋を、通電加熱処理を行う処理位置に移送した。処理位置への移送後、容器蓋を取り付け、電極外接円の直径が１．０６ｍとなる通電用の電極３本を、図２Ｂに模式的に示した位置関係となるように、溶鋼表面上に存在するスラグ層中に下降し、取鍋底部のポーラスプラグから不活性ガス（Ａｒ）を導入して攪拌しながら、通電による加熱処理を開始した。ここで、かかる加熱処理に際して、溶鋼単位量あたりの投入電力は、４０～１００ｋＷ／ｔの範囲で変化可能であったが、スラグの加熱条件を同一とするため７０ｋＷ／ｔとし、通電時間は、３５分間とした。また、比較例として、通電を行わなかった場合も行った。

なお、本実施例において、取鍋底部での取鍋の半径Ｒ［ｍ］は、１．２であり、溶鋼１１の表面における電極外接円３５の中心は、溶鋼１１の表面における取鍋１０の中心位置Ｃ_Ｏから０～０．１×Ｒ［ｍ］の領域内に位置している。

通電後、鉄製サンプラーを用いて溶鋼サンプル及びスラグサンプルを採取し、溶鋼サンプルから溶鋼成分と介在物組成を分析するとともに、スラグサンプルからスラグ成分を分析した。なお、介在物組成は、１サンプルから無作為に１０個の介在物を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）付属のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）にて種々組成を定量分析し、その平均組成とした。

下記表１に示す発明例及び比較例について、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を用いて評価した。評価基準は、以下の通りである。
評点Ａ：Ａｌ_２Ｏ_３濃度が２５質量％以下
Ｂ：Ａｌ_２Ｏ_３濃度が２５質量％超５０質量％以下
Ｃ：Ａｌ_２Ｏ_３濃度が５０質量％超

得られた結果を、以下の表１にまとめて示した。なお、表中の下線を引いたパラメータが本願発明の範囲から外れていることを示す。

上記表１に示したように、試験条件が本発明の範囲内であるＮｏ．１～１５の評価は、評点Ｂ以上であった。特に、スラグ厚みがそれぞれ１００ｍｍ、２５０ｍｍとなったＮｏ．１４、１５の介在物中Ａｌ_２Ｏ_３濃度評価は、評点Ａであった。

一方、試験条件が本発明の範囲から外れたＮｏ．１６～２７の介在物中Ａｌ_２Ｏ_３濃度評価は、評点Ｃであった。以下は、それぞれの条件における介在物中Ａｌ_２Ｏ_３濃度が高かった理由である。

Ｎｏ．１６は、溶鋼中Ａｌ濃度が高く、取鍋内溶鋼全域でＡｌ_２Ｏ_３が生成する条件であった。このため、Ａｌ_２Ｏ_３濃度の高い介在物が多く存在し、評点Ｃとなった。

Ｎｏ．１７は、スラグの塩基度（ＣａＯ）／（ＳｉＯ_２）が低いために粘度が高くなり、スラグの巻き込みが抑制されて、局所的に生成したＡｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．１８は、スラグの塩基度（ＣａＯ）／（ＳｉＯ_２）が高いために液相率が下がり、スラグの巻き込みが抑制され、局所的に生成したＡｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．１９は、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３濃度が高く、巻き込まれたスラグ自体がＡｌ_２Ｏ_３を溶鋼に供給した。このため、Ａｌ_２Ｏ_３濃度の高い介在物が多く存在し、評点Ｃとなった。

Ｎｏ．２０は、Ｂプラグが電極外接円内にあり、ＡプラグとＢプラグそれぞれから吹き込まれたガス気泡による溶鋼流の衝突位置が、電極外接円外となる傾向が強く、スラグの巻き込みが発生しなかった。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．２１は、Ｂプラグが取鍋壁面近傍に設置されており、Ｂプラグから吹き込まれたガス気泡が浮上する際、取鍋壁面に衝突し、浮上位置が安定せず、所定の溶鋼流動が形成されずなかった。そのため、スラグの巻き込みが発生せず、Ａｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．２２は、Ａプラグ及びＢプラグの双方が電極外接円の内側に設置されており、電極外接円内に形成される溶鋼露出面積が広くなることで、通電加熱される外接円内のスラグ量が減り、溶鋼への微細スラグ粒子の巻き込み量を確保する効果が減少した。その結果、局所的に生成したＡｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．２３は、角度θが小さく、ＡプラグとＢプラグそれぞれから吹き込まれたガス気泡による溶鋼流の衝突位置が電極外接円外となる傾向が強く、スラグの巻き込みが発生しなかった。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．２４は、Ｂプラグから吹き込まれたガス流量が小さく、溶鋼流が弱いことで、スラグの巻き込みが発生しなかった。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．２５及びＮｏ．２６は、ＡプラグとＢプラグから吹き込まれたガスの流量差が大きく、溶鋼流の衝突位置が電極外接円外となる傾向が強く、スラグの巻き込みが発生しなかった。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

Ｎｏ．２７は、通電加熱を行わなかったため、スラグの溶融が進まず、スラグの巻き込みが抑制され、局所的に生成したＡｌ_２Ｏ_３介在物の改質効果が、殆ど生じなかった。

なお、上記実験において、電極３本のうち１本が折損した場合は、上記発明例に記載しなかったが、当該折損の場合であっても本発明の要件を満足していれば、発明例の結果が得られる傾向であった。

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。

１０ 取鍋
１１ 溶鋼
１３ スラグ層
２０Ａ，２０Ｂ ポーラスプラグ
３０ 電極
３５ 電極外接円

Claims (2)

1. 取鍋内の溶鋼表面にスラグ層を形成し、電極を前記スラグ層に浸漬させて通電する溶鋼の取鍋精錬方法であって、
   前記スラグ層に浸漬される前記電極は、２本又は３本であり、
   前記取鍋の底面には、前記取鍋内に保持された前記溶鋼を攪拌する攪拌用ガスを吹き込むガス吹き込み用プラグが２か所に配置されており、
   溶鋼中のＡｌ濃度が０．００５０質量％以下の溶鋼を精錬する際に、取鍋精錬時のスラグの組成が、ＣａＯ≧２０質量％、ＳｉＯ_２≧２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３≦１５質量％であり、かつ、以下の式（１）の関係を満足し、
   
   （ＣａＯの質量％）／（ＳｉＯ_２の質量％）＝０．５～１．９ ・・・（１）
   
   前記取鍋の上方から平面視したときに、前記溶鋼表面での前記２本もしくは３本の電極全てに外接し、かつ、直径が最小となる円を、電極外接円としたときに、前記電極外接円の半径をｒ［ｍ］、前記電極外接円の中心位置をＣ_Ｅと表記し、
   ２つの前記ガス吹き込み用プラグの一方をＡプラグと称し、他方をＢプラグと称したときに、前記取鍋の底面の半径をＲ［ｍ］、前記取鍋の底面の中心位置をＣ_Ｏ、前記取鍋の底面における前記Ａプラグ及び前記Ｂプラグの中心位置を、それぞれＣ_Ａ、Ｃ_Ｂと表記し、Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ａ間の距離をＬ_ＯＡ［ｍ］、Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ｂ間の距離をＬ_ＯＢ［ｍ］、Ｃ_Ａ－Ｃ_Ｏ－Ｃ_Ｂがなす角度をθ［度］としたときに、
   前記Ａプラグ及び前記Ｂプラグの配置位置は、以下の式（２）～式（４）を満足し、
   
   ｒ＜Ｌ_ＯＡ≦０．９×Ｒ ・・・（２）
   ｒ＜Ｌ_ＯＢ≦０．９×Ｒ ・・・（３）
   １２０°≦θ≦１８０° ・・・（４）
   
   前記Ａプラグ及び前記Ｂプラグのそれぞれから吹き込まれるガスの流量を、それぞれＱ_Ａ、Ｑ_Ｂ［ＮＬ／ｔ／ｍｉｎ］としたときに、
   当該Ｑ_Ａ及びＱ_Ｂの設定値が、以下の式（５）～式（７）を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。
   
   ０．６≦Ｑ_Ａ≦４．５ ・・・（５）
   ０．６≦Ｑ_Ｂ≦４．５ ・・・（６）
   ０．６７≦Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａ≦１．５０ ・・・（７）
   
2. 前記スラグ層の厚みは、１００～２５０ｍｍである、請求項１に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。
   

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