JPH04228515A - 極低炭素鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製鋼炉、主として転炉
で溶製された未脱酸もしくは弱脱酸溶鋼を真空脱ガス処
理槽に装入し、ＲＨ法を用いて　１０ｐｐｍ未満の極低
炭素鋼を迅速にかつ装置の操業性を損なうことなく得る
ことができる、真空脱ガス処理による極低炭素鋼の製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷延鋼板の焼鈍プロセスの連続化、能率
向上の観点から、連続焼鈍設備の採用が近年盛んである
。これに適合する素材として炭素含有量　１０ｐｐｍな
いし数　ｐｐｍの極低炭素鋼が要求されるようになって
きた。従来から極低炭素鋼は、転炉において、Ｃ：０．
０２〜０．０５重量％（以下％と略す）まで脱炭した溶
鋼を、ＲＨ法などの真空脱ガス装置を用いて、減圧下に
脱炭する手法により溶製されてきた。減圧下の脱炭プロ
セスに関する検討も相当程度行われてきており、その主
要な理論は、『鉄と鋼　ｖｏｌ．　６９（１９８３）Ａ
３７』に示されるように、脱炭速度は次の数１で示され
る。

【０００３】 　　　　　　ｄ〔Ｃ〕／ｄｔ＝〔Ｃ〕０　ｅｘｐ　（−
Ｋｃｔ）　　　　　　…（数１）　　また、その速度定
数Ｋｃ　は、次の数２で示される。 　　　　　　Ｋｃ　＝｛Ｑ′／Ｖ｝｛ａｋ／（Ｑ′＋ａ
ｋ）｝　　…（数２）ここに、 〔Ｃ〕０　：処理開始時間の〔Ｃ〕濃度Ｋｃ　　　：見
かけの速度定数（　ｍｉｎ−１）ａｋ　　：真空槽内の
物質移動容量係数（ｍ３／ｍｉｎ）Ｑ′　　：溶鋼の循
環流量（ｍ３／ｍｉｎ）Ｖ　　　　：溶鋼量（ｍ３） 従って脱炭効率を向上させようとする場合には、Ｑ′、
ａｋを増大せしめる対策をとるべきことが公知となって
いる。

【０００４】溶鋼の還流量Ｑ′を増大せしめるためには
、還流管径を拡大する方法、還流用に吹込むＡｒガス量
を増す方法が採用されるが、前者には耐火れんが施工上
の問題から、還流管寿命が短いという問題点、後者には
極低炭素域で必要とされる高真空度を損なうという問題
があり、さらには吹込むＡｒガス量を増加させると、気
泡と共に発生するスプラッシュが多く槽内の地金の付着
が多くなり、自ずと操業上の制約から吹込めるガス量に
制限がある。

【０００５】また、脱炭速度が低下する低炭素域では還
流量の増加がそれほど効果的ではないことも既に明らか
となっている。その結果、真空脱ガス装置による脱炭で
は、〔Ｃ〕＜５０ｐｐｍ　の極低炭素領域において、次
第に脱炭速度が低下するため、〔Ｃ〕＜１０ｐｐｍ　と
いった極低炭素鋼を工業的に大量に溶製することは困難
であった。例えばＲＨ真空脱ガス装置を用いて転炉で溶
製された未脱酸溶鋼を〔Ｃ〕＜１０ｐｐｍ　まで脱炭す
る場合には、還流速度を増大するなどの対策をとったと
しても３０〜４０分以上といった長時間の脱炭処理を必
要としていた。

【０００６】一方、物質移動容量係数ａｋを増大させる
ためには、Ｃ≦５０ｐｐｍ　の極低炭素域ではＣの反応
サイトへの物質移動過程が反応を律速することになるの
で、反応界面積ａ（ｍ２）を増大させることが必須とな
る。反応サイトとしては、溶鋼内ガス気泡／溶鋼界面、
真空槽内鋼浴表面、ガス気泡が鋼浴を離脱する際に随伴
するスプラッシュの各々が想定されるが、その各々の寄
与は必ずしも明確ではなく、還流用Ａｒガス量を増すこ
とが、上記三点に有効であろうとの観点から、５０００
Ｎｌ／ｍｉｎ　にも及ぶ大量のＡｒガス吹込みを行う技
術が採用されている現状に留まる。

【０００７】ところで、このように大量のＡｒガスを吹
込むと、大量に発生するスプラッシュの真空槽内面への
付着に対処する手段がなく、操業性を損なうなどの問題
があり、炭素含有量が　１０ｐｐｍ以下の迅速脱炭技術
との観点からは、技術的にまだ不十分な状況にある。ま
た非酸化性ガスであるＡｒガスを上吹きランスから吹き
つける試み、または真空槽内へＡｒガスを吹込む試みが
神戸製鋼技報３６（１９８６）、　ｐ．　４０に示され
ているが、還流用Ａｒガスを増加させる方法に比べて効
果が小さいことが示されている。

【０００８】さらに、極低炭素濃度域での脱炭反応の促
進方法としては、真空脱炭処理中に溶鋼中に多量の水素
を添加して脱ガス容器内で気泡を活発に発生させること
により気液界面積を増し脱炭反応を促進する方法が、特
開昭５７−１９４２０６号公報に開示されている。しか
しながら、この方法では水素ガスを溶鋼鍋底部に設置し
た多孔質耐火物プラグ等を通して真空脱炭処理を継続し
ながら溶鋼中に吹込んでおり、脱炭を効果的に促進する
には　２３５トン規模のＲＨの場合で　０．２〜１ｋｇ
／分もの大量の水素ガスを吹込む必要があった。しかも
本公報で示される実施例での処理終了時のＣ濃度は　１
８ｐｐｍであり、〔Ｃ〕＜１０ｐｐｍ　の極低炭素鋼を
溶製する方法としては不充分な状況にある。

【０００９】また、このような大量の水素ガスを溶鋼鍋
内に吹込むと、水素ガスは溶鋼中に完全には溶解せず水
素ガスが浴面まで浮上するため、溶鋼の飛散等による操
業阻害の問題が大きく、さらに、多孔質耐火物プラグや
浸漬管耐火物の耐用性の点からも工業的使用に耐えるも
のではなかった。また、上記公報には、ＲＨガス装置の
上昇管の下部にＨ２ガス吹込羽口を設けて、上昇管内に
Ｈ２ガスを吹込む方法も示されている。しかしこの方法
では、脱炭上必要なＨ２ガス量の他に、常に羽口詰まり
防止のためにＡｒガスなどを流しておく必要があり、還
流用ガス吹込み羽口からのＡｒガス吹込と合いまって、
上昇管内に吹込む総ガス量が大きくなる。そのため、こ
うしたＨ２ガス吹き込み羽口より吹き込めるＨ２ガス量
は制限されることになる。しかも上昇管内の吹き込みガ
ス量の増加に従い上昇管、特に浸漬管の耐火物損耗速度
が著しく増大する問題があり、工業的使用に耐えるもの
ではなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ＲＨ
脱ガス装置では、脱炭速度を増大するために還流速度を
増大する方法をとったとしても、〔Ｃ〕＜１０ｐｐｍ　
まで脱炭するにはなお３０〜４０分以上といった長時間
の脱炭処理を必要とし、大幅な溶製コストの増大と生産
性の低下を招いていた。

【００１１】また、真空脱炭処理中に溶鋼中に水素を添
加する方法も開示されているが、この方法は溶鋼鍋底部
に設置した多孔質耐火物プラグやインジェクションラン
スを用いて大量の水素ガスを溶鋼鍋内の溶鋼中に吹込む
ものであり、ガス攪拌に伴う溶鋼の飛散による設備損傷
の問題やガス吹込羽口や浸漬管耐火物等の耐用性の観点
から工業的規模で実施することが困難であるという問題
があった。

【００１２】また、ＲＨ脱ガス装置の上昇管の下部にＨ
２ガス吹込用の羽口を設けて大量のＨ２ガスを吹込む方
法においても同様に、浸漬管耐火物等の損耗の問題から
事実上工業的規模で実施することが困難であった。さら
に上昇管内に吹き込むガス量の制約から吹き込み可能な
Ｈ２量に制約があり、事実上脱炭促進に必要な水素を溶
解させることは困難であった。

【００１３】本発明は〔Ｃ〕＜　１０ｐｐｍまでの極低
炭素域での脱炭を迅速に行うと共に、従来安定大量生産
が困難であった〔Ｃ〕＜１０ｐｐｍ　の超極低炭素鋼を
安定的に溶製可能な技術を提供することを目的とするも
のである。しかも、その際に本発明は従来の方法に見ら
れるような地金付きによる操業性の悪化や、羽口や耐火
物の耐用性などの問題を生じることなく、工業的規模に
おいて上記課題を達成できる方法を提供することを目的
とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、還流管と真空
槽を備える真空脱ガス装置を用い溶鋼を真空脱炭処理す
るに際し、溶鋼中の炭素濃度が　５０ｐｐｍ以下の領域
で真空槽炉壁側面に配設した横吹き羽口から、あるいは
さらにそれに加えて還流管用不活性ガス導入管から溶鋼
中へ不活性ガスと共に水素含有物質を吹込むことを特徴
とする極低炭素鋼の製造方法である。

【００１５】

【作　　用】本発明者らは、特に脱炭反応が停滞する〔
Ｃ〕＜５０ｐｐｍ　での脱炭反応の改善を試み、以下の
知見を得た。すなわち、〔Ｃ〕＜５０ｐｐｍ　での脱炭
反応の低下に関してはＣＯガス発生量の減少による溶鋼
の攪拌力が不足することや、脱炭反応が化学反応律速（
脱炭反応が気液界面反応で律速される）となることなど
が理由とされているが、その理由は明確にはなっていな
い。しかしながら、いずれにせよ気液反応界面積の増大
が脱炭反応の向上には有効である。

【００１６】ところが単純に還流管から吹込む吹込みガ
ス量を増加させるだけでは、ガス気泡の溶鋼離脱時の気
泡径が単調に大きくなってしまい、また気泡に随伴する
溶鋼の液滴も大径のものが大半を占めることとなること
を本発明者らは見い出した。またスプラッシュ量も大と
なり、真空層の地金付着が大となる。液滴が大径であれ
ば、極低炭素領域では反応律速過程が溶鋼中のＣ拡散律
速であり脱炭反応に十分に寄与することができない。

【００１７】溶鋼中に溶解しないＡｒガスでは上記の問
題点があることから、溶鋼中に一旦溶解する水素ガスが
溶鋼離脱時の気泡径を小さくする観点から有効であると
考えて、さらに実験を進めた。当初、特開昭５７−１９
４２０６号または特開昭６３−１４３２１６号に示され
る浸漬管羽口の一部より水素ガスを吹込む実験を　２５
０トン規模のＲＨ脱ガス装置で行った。

【００１８】しかし、図２に示すように浸漬管の一部か
ら水素ガスを吹込むと、溶鋼中への水素ガスの溶解効率
は水素ガスの吹込み量の増加に従って低下する。すなわ
ち、水素ガスの吹込み量を増加させても溶鋼への水素ガ
ス溶解量は増加せず、期待通りの脱炭促進効果が得られ
ないことになる。さらに、発明者らは脱炭によるＣＯボ
イリングの減少を補うという見地からは、水素ガスの溶
鋼への溶解量としては真空槽内のＨ濃度を２．５ｐｐｍ
以上、望ましくは３〜３．５ｐｐｍ程度以上まで増加さ
せることが望ましいことも見出している。

【００１９】これは真空脱炭反応の主たる界面積が溶鋼
内で発生するＣＯ気泡であり、その結果〔Ｃ〕が低下す
るにつれてＣＯ気泡の発生量が低下し、脱炭反応速度が
低下するのに対してＣＯ気泡と同等量の水素気泡を溶鋼
中より発生させる必要があるためである。しかし、特開
昭５７−１９４２０６号に提示されている浸漬管からの
水素ガス吹込みのみでは、Ｈは２〜２．５ｐｐｍ程度ま
でしか増加させることはできなかった。

【００２０】また、一方水素の溶解量を増すために浸漬
管から大量の水素ガス吹き込みを行うと浸漬管の耐火物
が溶損するという問題を有する。また、未溶解の水素に
よりスプラッシュが真空槽内で発生するという問題も生
じる。そこで本発明者らは、水素ガス吹込みの手段につ
いて改善、工夫を重ねたところ、ガス吹込みに用いる羽
口位置に改善の余地があることがわかった。

【００２１】すなわち、本発明者らは水素ガスの溶解効
率を高めることを目的として、図１に示すＲＨ式真空脱
ガス装置にて羽口と水素ガス溶解効率の関係を調査した
ところ、図２に示すように真空槽炉壁側面に取りつけた
横吹き羽口６から水素ガスを吹込むことが有効であるこ
とを見い出した。浸漬管４から水素ガスを吹込んだ際に
は、水素ガスが溶解せずに吹きぬけてしまう割合が高い
ものと推察されるのに対し、横吹き羽口６を用いた際に
は、ガスジェットが横方向に吹込まれるために溶鋼中の
滞留時間が長くなること、およびさらにその結果により
吹込まれたガスが真空槽内溶鋼中で細かな気泡に分散さ
れ気液界面積の増加が可能であるため、水素ガスの溶解
効率が図２に示すように浸漬管からの吹込みに比べて大
幅に向上するものと考えられる。

【００２２】横吹き羽口の吹込み方法と水素ガスの溶解
効率の関係を調査したところ、図３に示すように望まし
くは水素ガスを吹込む横吹き羽口の本数を４本以上にす
ることが好適であることも見い出した。脱炭の促進を図
るうえでは、溶鋼中の水素は極力高めることが望ましい
ため、こうした横吹き羽口から水素ガスを吹込むだけで
なく同時に還流管用不活性ガス導入管からも水素ガスを
吹込む方法が有効である。

【００２３】また、さらに本発明者らはこうしたガス吹
込みの脱炭に与える影響は鋼浴中炭素濃度と相関がある
ことも見い出した。すなわち従来試みられていた〔Ｃ〕
＞５０ｐｐｍ　といった領域では上記の不活性ガスや水
素ガスの吹込みは脱炭促進には有効ではなく、むしろ還
流方向に逆らう方向のガスを吹込むことは還流量を阻害
する意味で脱炭反応に良くないことが明らかとなった。

【００２４】また、炭素濃度が高い領域（ＣＯガス多発
時）ではこうした大流量のガスを吹込むとスプラッシュ
量も多く、真空槽内への地金付着も大きい。また、脱炭
速度向上の観点からＨ２ボイリングを図るとしても、炭
素濃度が高い領域ではもともとＣＯ発生量が多く、反応
界面積は充分多いのでそれほど有効ではない。ただし、
水素吹込み後、溶鋼中の水素が定常となるには数分を要
するので、こうした観点から水素ガスを吹込む領域とし
ては溶鋼中の炭素濃度が　５０ｐｐｍ以下で吹込みを行
い、望ましくは　２５ｐｐｍ以下で水素濃度が定常とな
るようにするのが望ましい。

【００２５】既に述べたように、比較的〔Ｃ〕の高い領
域においては、ＣＯ気泡のボイリングが活発に起きてい
るため、溶鋼中に水素を溶解しても脱炭促進効果は小さ
いと考えられている。しかし、〔Ｃ〕＝２０ｐｐｍ　と
いった極低炭域になってから水素ガスの添加を開始して
もすぐには水素濃度が十分に上昇しないため連続して適
当な脱炭促進効果が得られない。

【００２６】本発明者らの知見では〔Ｃ〕≧４０ｐｐｍ
　の時点で開始すれば極低炭域の脱炭促進の観点からは
問題がないことを確認した。すなわち、例えば　２５０
トン規模のＲＨにおいて初期〔Ｃ〕が４００ｐｐｍの溶
鋼を脱炭する際に初期は還流用上昇間からＡｒガスを２
　Ｎｍ３／ｍｉｎ　のみ吹込み、途中から真空槽炉壁に
取り付けた４本の横吹き羽口から水素ガス２．５Ｎｍ３
／ｍｉｎ　吹込んだ際の水素ガス吹込み開始時の〔Ｃ〕
値と脱炭処理２０分時の到達〔Ｃ〕値の関係を図４に示
す。これから水素ガスの吹込みは〔Ｃ〕≧４０ｐｐｍ　
の時点で開始しないと脱炭促進効果が小さくなるが、〔
Ｃ〕＞１００ｐｐｍではむしろ脱炭が停滞する傾向が見
られた。また、〔Ｃ〕＞１００ｐｐｍでの水素吹込みで
はスプラッシュによる槽内地金付きも大きかった。

【００２７】このことから水素ガスの吹込み開始時点は
、４０＜〔Ｃ〕＜１００ｐｐｍの範囲が望ましく、さら
に望ましくは〔Ｃ〕＝４０〜５０ｐｐｍ　である。また
、炭素濃度が高い時期のガス吹込みは脱炭促進に有効で
はないので、極力ガス量を低下させ、溶鋼中の炭素濃度
が　５０ｐｐｍの領域のみにガス量（Ａｒ＋Ｈ２）を増
加させることが望ましい。

【００２８】水素ガスは溶鋼中の水素濃度を維持する観
点から吹込み量を決めればよいが、本法では横吹き羽口
からの水素添加の溶解効率が高いので、浸漬管からの水
素ガスの吹込みも含めて、０．０１〜０．０２　Ｎｍ３
／ｍｉｎ　／ｔ程度のガスを吹込めば、Ｈ＝３〜５．０
ｐｐｍ程度を維持できるので、極低炭素濃度域の脱炭に
有利である。水素濃度が高い程脱水素速度も大きくなる
ため、Ｈ＞５ｐｐｍ　とするには大量の水素ガスを吹込
む必要があるが、一方水素ガスをそれほど大量に吹込む
と、浸漬管などの溶損やスプラッシュ量の増加を招くた
め望ましくない。そのため、水素濃度は３〜５．０ｐｐ
ｍ程度とするのがよい。その観点からは横吹き羽口は溶
鋼の浸入を防ぐために羽口径を細くすることが望ましく
、例えば　２００〜２８０　ｔ規模のＲＨ法で本技術を
導入する際は、３〜４ｍｍφ程度の羽口を使用すること
が望ましい。

【００２９】なお、水素含有ガスとしては、水素ガスは
勿論のこと水蒸気、あるいはアンモニアなど溶鋼に添加
することによってその溶鋼からＨ２ガスを発生し、しか
も溶鋼に悪影響を及ぼさないか、またはその程度が小さ
いものを選べばよい。

【００３０】

【実施例】２５０ｔのＲＨ真空脱ガス処理槽を使用した
場合の実施例を示す。図１に示すような周知のＲＨ法に
おいて、真空槽３の下端の還流管４を、取鍋１内の　２
５０ｔの溶鋼２の上部に浸漬し、還流用不活性ガス導入
管５よりＡｒガスを吹込み、リフトポンプ効果により溶
鋼を真空槽内に還流させた。

【００３１】そして真空槽炉壁側面に３ｍｍφの横吹き
羽口６を４本取り付けた。〔Ｃ〕＝４００ｐｐｍ、〔Ｏ
〕＝４５０ｐｐｍの溶鋼をこのＲＨ処理法でリムド脱炭
を行った。高炭素域では還流用不活性ガス導入管からの
ガスを３　Ｎｍ３／ｍｉｎ　として操業を行った。通常
の脱炭処理を行い、排ガス中のＣＯおよび　ＣＯ２の発
生速度より脱炭量を推定して〔Ｃ〕＝５０ｐｐｍ　相当
となったとき、真空槽炉壁側面に配設した羽口６より水
素ガスを３　Ｎｍ３／ｍｉｎ　（０．０１２Ｎｍ３／ｍ
ｉｎ　／ｔ）とＡｒガスを０．５Ｎｍ３／ｍｉｎ　吹込
んだ実施例１と、還流管の還流用不活性ガス導入管５よ
り水素ガスを２　Ｎｍ３／ｍｉｎ　とＡｒガスを１．０
Ｎｍ３／ｍｉｎ　、更に羽口６から水素ガス３　Ｎｍ３
／ｍｉｎ　（合計Ｈ２　０．０２０Ｎｍ３　／ｍｉｎ　
／ｔ）とＡｒガスを０．３Ｎｍ３／ｍｉｎ　吹込んだ実
施例２と、羽口６から水素４Ｎｍ３／ｍｉｎ　、Ａｒ０
．５Ｎｍ３／ｍｉｎ　と導入管５から水素２　Ｎｍ３／
ｍｉｎ　（Ｈ２合計で０．０２４Ｎｍ３／ｍｉｎ　／ｔ
）、Ａｒ１　Ｎｍ３／ｍｉｎ　吹込んだ実施例３を実施
した。

【００３２】比較例１では還流用不活性ガス導入管５の
みより脱炭初期よりＡｒのみを３　Ｎｍ３／ｍｉｎ　吹
込み、処理後５分〔Ｃ〕が約１６０ｐｐｍの時点でＨ２
４　Ｎｍ３／ｍｉｎ　、Ａｒ０．５Ｎｍ３／ｍｉｎ　に
吹込みを変更し、脱炭処理終了まで継続した。比較例２
では脱炭処理開始から２０分間Ａｒのみを３　Ｎｍ３／
ｍｉｎ　吹込んだ。結果を表１に示す。

【００３３】実施例１〜３は比較例と比較して極低炭素
濃度域まで迅速に脱炭が可能であることがわかる。また
比較例１の場合浸漬管の耐火物損耗が大きかった。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【発明の効果】本発明方法によると、極低炭素域での脱
炭を迅速に行うとができ、かつ炭素含有量が　１０ｐｐ
ｍ以下の極低炭素鋼を安定して得ることができる。また
、極低炭素領域でガスを吹込むので真空槽内でのスプラ
ッシュ発生を少なくすることができ、従って真空槽内へ
の付着を防止することができる。

【００３６】また耐火物の異常損耗等の操業阻害要因が
なく、既存設備を小改造するだけで実施が可能なので、
広く工業的に使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する設備の一態様を示す断面図で
ある。

【図２】水素ガス吹込み量と溶解効率との関係を示す特
性図である。

【図３】横吹き羽口本数と溶解効率との関係を示す特性
図である。

【図４】水素ガス吹込み開始時の〔Ｃ〕値と到達〔Ｃ〕
値の関係を示す図である。

【符号の説明】

１　　溶鋼取鍋 ２　　溶鋼 ３　　真空槽 ４　　還流管 ５　　還流用不活性ガス導入管 ６　　横吹き羽口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　還流管と真空槽を備える真空脱ガス装
   置を用い溶鋼を真空脱炭処理するに際し、溶鋼中の炭素
   濃度が　５０ｐｐｍ以下の領域で真空槽炉壁側面に配設
   した横吹き羽口から溶鋼中へ不活性ガスと共に水素含有
   物質を吹込むことを特徴とする極低炭素鋼の製造方法。
2. 【請求項２】　　還流管と真空槽を備える真空脱ガス装
   置を用い溶鋼を真空脱炭処理するに際し、溶鋼中の炭素
   濃度が　５０ｐｐｍ以下の領域で真空槽炉壁側面に配設
   した横吹き羽口、および還流管用不活性ガス導入管から
   溶鋼中へ不活性ガスと共に水素含有物質を吹込むことを
   特徴とする極低炭素鋼の製造方法。