JPH05195041A - 電気炉溶鋼を用いた低窒素鋼の溶製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 主として０．３重量％Ｃ以下の中ないし極低
炭素電気炉鋼を対象として、減圧下における酸素ガスブ
ローイング処理の脱窒効果を改善すること。 【構成】 製品の炭素含有量よりも少なくとも０．１５
重量％以上高くなるように溶鋼の炭素含有量を例えば取
鍋精錬炉で調整し、その後に、ＲＨ脱ガス設備やＶＯＤ
脱ガス設備などでの減圧下における溶鋼の酸素ガスブロ
ーイング処理に際して、少なくとも０．１０重量％以上
の炭素を脱炭するまでの期間は、酸素ガスの時間あたり
のブローイング平均流量を、溶鋼の炭素含有量の低下に
伴い、連続的，段階的もしくは断続的に減少させる。こ
れによって、電気炉により溶製された溶鋼を二次精錬に
おいて脱窒し、転炉鋼に近い低窒素鋼を溶製することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気炉溶鋼を用いた低窒
素鋼の溶製法に係り、詳しくは、電気炉溶鋼を二次精錬
設備において転炉鋼にほぼ匹敵するレベルにまで脱窒し
て、連続鋳造や熱間圧延における割れ防止や製品の軟質
化や時効性の改善に適した低窒素溶鋼を溶製する方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、内外において省エネルギーや資源
リサイクルの観点から電気炉による製鋼法の重要性が再
認識されつつあり、いろいろな事情から粗鋼生産量に占
める電気炉の比率も増加してきている。一方、品質的に
は、電気炉鋼は、転炉鋼に比べてＣｕ，Ｓｎ，Ｃｒなど
のトランプエレメント含有量が多いこと、窒素含有量が
高いことの主として二つの理由により、鋼種拡大に制約
が課せられているのが現状である。上記のトランプエレ
メントの点は本発明の範囲外であるため割愛するが、窒
素含有量が高いと、例えばアルミナイトライド脆性に見
られるように熱間延性が劣化し、連続鋳造における鋳片
の内部割れや表面割れ、熱間圧延における表面疵の原因
となる。また、製品の品質面では、極低炭素極軟線材の
引張り強さや時効性の悪化、連続焼鈍法で製造する冷延
薄板の降伏強度の上昇や深絞り性の悪化などの欠点も挙
げられる。そこで、電気炉鋼の低窒素化を目的として、
電気炉における中空電極からのアルゴンガス吹込みやフ
ォーミングスラグ操業、偏心炉底出鋼における未脱酸出
鋼やアルゴンガスシール出鋼、低硫黄溶鋼のＲＨやＶＯ
Ｄの脱ガス設備における減圧脱ガスや酸素ガスブロー、
取鍋・タンディッシュ間やタンディッシュ・鋳型間のノ
ズルやアルゴンガスシールによる大気侵入の防止などの
対策が試験され、逐次実用化されてきている。しかしな
がら、上述した要素技術のかなりの部分が現在まで十分
に成熟しているとは言い難く、結果として、０．３重量
％Ｃ以下である中炭素鋼や極低炭素鋼の電気炉鋼の窒素
レベルは、転炉鋼とかなりの差が見られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した要素技術の一
つとして、減圧下における酸素ガスブロー法がある。こ
の方法は、元来、転炉で溶製したステンレス粗鋼や炭素
鋼の脱炭速度の向上や極低炭素鋼化を目的として開発・
実用化された方法であり、副次的に脱窒効果も認められ
ることが、０．８ないし１．０重量％Ｃなどの高炭素鋼
について明らかにされている。しかし、０．３重量％Ｃ
以下の中ないし極低炭素鋼については、脱窒効果にばら
つきが見られ、そのばらつきの原因も明らかとなってい
ない。一方、減圧下における酸化物粒子の溶鋼への吹付
けによれば、０．３ないし０．８重量％Ｃ鋼について著
しい脱窒効果のあることが発見され、実用化されてい
る。しかし、０．３重量％Ｃ以下については、脱窒効果
が明らかでない。本発明は上述の問題に鑑みなされたも
ので、主として０．３重量％Ｃ以下の中ないし極低炭素
電気炉鋼を対象として、減圧下における酸素ガスブロー
イング処理の脱窒効果を改善・安定化し、転炉鋼に近い
溶鋼の溶製法を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気炉によっ
て溶製した溶鋼を二次精錬により脱窒を行う低窒素鋼の
溶製法に適用される。その特徴とするところは、製品の
炭素含有量よりも少なくとも０．１５重量％以上高くな
るように溶鋼の炭素含有量を調整し、その後に、例えば
ＲＨ脱ガス設備での減圧下における溶鋼の酸素ガスブロ
ーイング処理に際して、少なくとも０．１０重量％以上
の炭素を脱炭するまでの期間は、酸素ガスの時間あたり
のブローイング平均流量を、溶鋼の炭素含有量の低下に
伴い減少させることである。上記した少なくとも０．１
５重量％以上高くなるように溶鋼の炭素含有量を調整す
るのは、取鍋精錬炉で行うことができる。溶鋼の炭素含
有量の低下に伴い平均流量を減少させる酸素ガスのブロ
ーイングは、図１中に実線で示すような連続的に行えば
よい。なお、その減少は、図１中の破線のように段階的
に変化させてもよいし、二点鎖線で示したように断続的
にしてもよい。

【０００５】

【作用】電気炉によって溶鋼を溶製する。その溶鋼を電
気炉に入れた状態もしくは二次精錬のために取鍋精錬炉
に移した状態で加炭し、その溶鋼の炭素含有量を製品の
炭素含有量よりも少なくとも０．１５重量％以上高くな
るように調整する。これは、低炭素鋼を得ようとする目
的とは逆に、一旦ある程度の量の加炭を行うことであ
り、脱炭に伴う激しい一酸化炭素ガスの発生による溶鋼
の脱窒を進行しやすくするための脱炭代が確保される。
その後の工程である例えばＲＨ，ＶＯＤなどの脱ガス設
備での減圧下における酸素ガスブローイング処理に際し
て、少なくとも０．１０重量％以上の炭素を脱炭するま
での期間、酸素ガスの時間あたりのブローイング平均流
量を、溶鋼の炭素含有量の低下に伴い連続的、段階的あ
るいは断続的に減少させる。これによって、脱窒反応を
阻害する界面活性元素の一つである溶鋼中の溶存酸素の
量が可及的に低く抑えられる。したがって、脱窒が促進
され、低窒素鋼を得ることができる。なお、脱窒反応を
阻害する界面活性元素として硫黄と溶存酸素とがあり、
溶存酸素は硫黄の約二倍の阻害作用を有する。このこと
から、脱窒反応を促進したい場合には、溶鋼の溶存酸素
ならびに硫黄含有量を低下させる必要がある。そのう
ち、未脱酸溶鋼の溶存酸素量は、平衡論的に溶鋼の炭素
含有量と減圧槽内の圧力によって決まり、炭素含有量が
高く槽内圧が低いほど、溶存酸素量は低くなる。上記し
たように予め溶鋼を加炭して炭素含有量を高くし、溶存
酸素量を低下させて、酸素ガスブローイングによる脱窒
初期の脱窒速度を高めることができる。

【０００６】

【発明の効果】本発明によれば、減圧下の酸素ガスブロ
ーイング処理において溶鋼の炭素含有量の低下に伴い酸
素ガスのブローイング平均流量を減少させ、溶存酸素量
を低く保つことによって脱窒速度の低下を防止したの
で、転炉鋼の窒素含有量に近い低窒素鋼を電気炉鋼で製
造することが可能となる。これにより、従来窒素含有量
が高いために電気炉では製造することが不可能であった
例えば極軟鋼線材や深絞り用冷延鋼板などの鋼種をも、
電気炉鋼で製造することができるようになる。

【０００７】

【実施例】以下に、本発明の電気炉溶鋼を用いた低窒素
鋼の溶製法を、詳細に説明する。本発明は、概略的に言
って、電気炉溶鋼を予め加炭して炭素含有量を高くして
おき、減圧下の酸素ガスブローイング処理において、溶
鋼中の溶存酸素量を低く保ち、脱窒初期における脱窒速
度を高められるようにしたことである。そして、本発明
は、次に述べる公知の他の脱窒促進技術や吸窒防止技術
などと組み合わされて適用される。脱窒促進技術として
は、電気炉内における炭材の吹込み，還元鉄や炭化鉄な
どの連続装入と酸素ガス吹込みによって生成されるカー
ボンボイルにより膨らむフォーミングスラグ中に炭素電
極を浸漬して行うサブマージドアーク操業が挙げられ
る。吸窒防止技術としては、電気炉内雰囲気圧力を正圧
に保つことによる大気侵入の防止、電気炉の電極の中心
にあけた孔からのアルゴンガスなどの吹込み、偏心炉底
出鋼方式の採用、未脱酸出鋼、出鋼流のアルゴンガスや
炭酸ガスシール、取鍋精錬炉内の雰囲気圧力を正圧に保
つことによる大気侵入の防止、ＲＨやＶＯＤなどの脱ガ
ス設備の減圧下における溶鋼処理装置槽内への大気侵入
の防止、取鍋とタンディッシュ間やタンディッシュと連
続鋳造鋳型間の注入流と大気との接触を断つための浸漬
ノズルもしくはアルゴンガスシールの採用などが挙げら
れる。これらは、いずれも既知技術であるため詳しい説
明は省略し、本発明と直接関係する部分のみを以下に説
明する。

【０００８】電気炉によって溶製した溶鋼を二次精錬に
より脱窒を行う低窒素鋼の溶製法において、本発明で
は、製品の炭素含有量よりも少なくとも０．１５重量％
以上高くなるように溶鋼の炭素含有量を調整する。これ
は、低炭素鋼を得ようとする目的とは逆に、一旦、ある
程度の量の加炭を行い、脱炭に伴う激しい一酸化炭素ガ
スの発生による溶鋼の脱窒を進行しやすくするための脱
炭代を確保するためである。その後に、溶鋼の減圧下に
おける酸素ガスブローイング処理に際して、少なくとも
０．１０重量％以上の炭素量を脱炭するまでの期間は、
酸素ガスのブローイング平均流量を溶鋼の炭素含有量の
低下に伴い減少させ、溶鋼中の溶存酸素量を低く保つこ
とにより、脱窒速度の低下を防止するようにしている。
例示すると、製品の炭素量を例えば０．２０重量％とす
れば、溶鋼を加炭することによって製品の炭素含有量よ
りも少なくとも０．１５重量％Ｃ以上高い０．３５重量
％Ｃとし、これが０．２５重量％Ｃとなるまでの脱炭の
間の送酸量を、炭素含有量の低下に伴い減少させるとい
う意味である。なお、加炭を上記の０．１５重量％より
多くしておいてもよいが、多すぎると脱炭時間が長くな
るという弊害がでるので、鋼種に応じて増加量を適宜選
択すればよい。上記した製品の炭素含有量よりも０．１
５重量％以上高くなるように溶鋼の炭素含有量を調整す
る工程は、電気炉あるいは取鍋精錬炉のいずれで行うこ
ともできる。しかし、取鍋精錬炉における操作の方が便
利で容易であることが多い。ちなみに、送酸量を段階的
に減少させるという技術が、アルゴンオキシジェンデカ
ルボニゼーションを行う常圧のＡＯＤ炉で採用されてい
る。これは、酸素とアルゴンを混ぜて酸素比率を時間の
経過につれて少なくするというものである。このＡＯＤ
炉の場合も、脱炭の進行とともに送酸量が減らされてい
るわけであるが、本発明におけるごとく、ＲＨ脱ガス設
備やＶＯＤ脱ガス設備などによる二次精錬における減圧
下での酸素ガスブローイング処理におけるものではな
く、技術的に全く異質なものである。

【０００９】ところで、脱窒反応を阻害する界面活性元
素として硫黄と溶存酸素があり、溶存酸素は硫黄の約二
倍の阻害作用を有するために、脱窒反応を促進したい場
合には、溶鋼の溶存酸素ならびに硫黄含有量を低下させ
る必要がある。そこで、予め溶鋼の硫黄含有量を０．０
１０％以下好ましくは０．００５％程度に減少させる。
その脱硫は、電気炉，取鍋精錬炉，脱炭・脱窒処理前の
ＲＨ，ＶＯＤ脱ガス設備などのいずれの工程に、どのよ
うな負荷配分でもって行ってもよいが、通常は、主とし
て取鍋精錬炉で行うほうが生産性やコストの面で好まし
いと言える。すなわち、溶鋼の硫黄含有量は、電気炉内
における塩基性スラグ存在下における酸化精錬によって
減少し、偏心炉底出鋼法によって炉内スラグの取鍋への
流出量を最少に抑えて出鋼した後、取鍋精錬炉において
ＣａＯ，ＣａＦ₂ ，金属アルミ含有剤などの脱硫剤を添
加して還元精錬すれば、さらに著しく減少させることが
できる。上記のごとく、溶鋼の硫黄含有量を０．０１０
％以下に限定した理由は、脱窒反応を阻害する硫黄の悪
影響が溶存酸素の約半分であり、脱窒反応進行中の溶鋼
の溶存酸素量はおおよそ０．００５ないし０．０３重量
％であることと、脱硫のコストパーフォーマンスを考え
あわせた結果であり、硫黄含有量はできれば０．００５
％程度であることが望ましい。

【００１０】前述したように、製品の炭素含有量よりも
０．１５％以上高くなるように溶鋼の炭素含有量を調整
するのは、脱炭に伴う脱窒を促進するためには脱炭代と
してこの程度が必要なためである。特に０．０１０％Ｃ
以下の極低炭素鋼を溶製する場合には、約０．０５％以
下の炭素含有量になると溶鋼の溶存酸素量が増加して脱
窒反応が停滞する。そのため、脱炭開始時の炭素含有量
は、最低０．１６％好ましくは０．２５ないし０．３５
％が望ましい。一方、酸素ガスの平均流量を溶鋼の炭素
含有量の低下に伴い減少させる期間を０．１０重量％Ｃ
以上の炭素を脱炭する期間と規定しているのは、上述し
た極低炭素鋼の溶製において約０．０５％以下の炭素含
有量になると、いかに酸素ガス流量を低下させても、溶
存酸素量が増加して脱窒が停滞するからである。すなわ
ち、酸素ガス流量を低下させ続けると、いたずらに脱炭
のための処理時間が長くなってしまうことから、それを
回避するため、酸素流量を落さずに吹酸した方が好まし
いということに基づいている。したがって、製品の炭素
含有量が約０．０５％以上の鋼種については、酸素ガス
ブローイング終了後に溶存酸素と炭素との反応による自
然脱炭を若干行わせるとしても、脱炭開始時から製品炭
素量に自然脱炭量である０．０１ないし０．０２重量％
Ｃを加えた炭素量となるまでの期間における酸素ガスブ
ローイングにおいて、酸素ガスの平均流量を次第に減少
させることが望ましいのである。

【００１１】脱窒反応を促進するために酸素ガスの平均
流量を溶鋼の炭素含有量の減少に伴って減少させるパタ
ーンは、図１中の実線で示すように連続的、とりわけ、
上に凸となる曲線的変化が好ましい。これは、未脱酸溶
鋼の溶存酸素量が、周知のように平衡論的には溶鋼の炭
素含有量と減圧容器内の圧力によって決まり、炭素含有
量が高く槽内圧力が低いほど溶存酸素量は低くなること
による（図２参照）。本発明において予め溶鋼を加炭し
た理由は、炭素含有量を高くすることによって溶存酸素
量を低下させ、酸素ガスブローイングによる脱窒初期に
おける脱窒速度を高めたわけである。このようなことか
らすれば、図１において破線で示した段階的、もしく
は、二点鎖線で示した送酸・休止・送酸・休止といった
繰り返しの時間的間隔を徐々に長くとっていくような断
続的とすることもできる。その場合、図では単位時間あ
たりの送酸量を同じとしているが、それを違えておいて
もよい。結果的に減少するように休止の時間の長短を選
定すればよい。もちろん、上記した段階的と断続的との
組み合わせでもよく、実質的に実線で示した送酸量の変
化に見合うように設定すればよい。

【００１２】上述したごとく、溶存酸素量は平衡論的に
は溶鋼の炭素含有量と減圧容器内の圧力によって決ま
り、炭素含有量が高く槽内圧力が低いほど溶存酸素量は
低くなるが、速度論的に考えてみると、火点への酸素ガ
ス供給速度に較べて、鋼浴バルクから火点への炭素の拡
散と火点における一酸化炭素ガスの離脱速度が小さい場
合には、鉄が酸化されて溶存酸素量が増加する。火点に
おける一酸化炭素ガスの離脱速度は、槽内圧力と火点の
炭素，硫黄，溶存酸素濃度によって決まる。その火点へ
の炭素の拡散速度は、鋼浴バルクと火点の炭素濃度差と
液側境膜層の厚さすなわち鋼浴の攪拌強さ（例えばＲＨ
脱ガス設備においては、浸漬管内径やリフト用ガス流量
などに左右される溶鋼環流量）によって決まる。鋼浴の
攪拌強さや槽内圧力が設備仕様上限値で操業されて一定
であると仮定すれば、結局、鋼浴バルクの炭素濃度が低
くなるにつれて火点への炭素の拡散速度が減少するの
で、これにバランスするように酸素ガス流量を減少しな
いと鉄が酸化し、溶存酸素量が増加して脱窒濃度が低下
してしまう。本発明において、酸素ガスの平均流量を溶
鋼の炭素含有量の低下に伴い減少させる理由は、上述し
たように溶存酸素量を低く保つことにより、脱窒速度の
低下を防止したわけである。

【００１３】ところで、純酸素転炉において脱炭に伴う
激しい一酸化炭素ガス発生によって溶鋼の脱窒が進行す
ることは周知である。これに鑑みて、本発明では、上述
したように、脱炭代を確保するために、二重手間とはな
るが製品の炭素含有量よりも０．１５重量％以上高くな
るように加炭した後に、減圧下における酸素ガスブロー
イング処理で脱炭するようにしている。本発明におい
て、酸素ガスのブローイング平均流量を溶鋼の炭素含有
量の低下に伴い減少させて溶存酸素量を低く保つように
しているが、溶鋼の炭素含有量に対応した酸素ガス流量
の絶対値は簡単に決められない。酸素ジェットが当たる
火点面積が大きいほど、槽内圧力が低いほど（それぞれ
の槽内圧力における排気能力（ｋｇ／時間）が高いほ
ど）、火点での液側境膜層厚さが薄いほど（ＲＨ脱ガス
設備においては浸漬管内径が大きくリフト用アルゴンガ
ス流量が大きいほど、ＶＯＤ脱ガス設備においては底吹
きアルゴン流量が大きく、上昇気泡が火点に近いほ
ど）、所定の炭素含有量における酸素ガス流量を大きく
しても、溶存酸素量を低くすることができる。実際に
は、それぞれの設備能力と製品の炭素含有量に応じて酸
素ガス流量とその減少パターンの最適値を経験的に求め
ざるを得ないので、以下の実例によって効果を説明す
る。

【００１４】電気炉によって溶製した溶鋼を偏心炉底出
鋼方式で出鋼し、取鍋精錬炉で加炭後脱硫したのち、Ｒ
Ｈ酸素ブロー方式で脱炭に伴う脱窒処理を行った。取鍋
内溶鋼量は約９０トンであり、ＲＨ脱ガス設備の仕様と
操業条件は、下部真空槽内張内径１，７００ｍｍ，スノ
ーケル内径４００ｍｍ、リフト用アルゴンガス流量１Ｎ
ｍ³ ／分、排気能力は０．５トール（Ｔｏｒｒ）で５０
０Ｋｇ／時間，１０トールで２，０００Ｋｇ／時間，６
０トールで３，０００Ｋｇ／時間、酸素ガスは六孔のノ
ズルより上方から最大１，５００Ｎｍ³ ／時間で吹付け
る能力がある状態で行った。本発明および比較例を、以
下に記す。表１は、一鍋のチャージ分（一ヒート）にお
ける排気開始前の成分である。

【表１】 本発明および比較例ともに、排気開始後４分間は酸素ガ
スブローイングを行わずに急速排気し、４分後に酸素ガ
スブローイングを開始した。図３に破線で示す比較例
は、酸素ブローイング開始から終了までの酸素ガス流量
を８６５Ｎｍ³ ／時間と一定としたが、本発明の酸素ガ
ス流量は、開始時に１，０００Ｎｍ³ ／時間、終了時に
６５０ｍ³ ／時間と変化させた（図３中の実線参照）。
その後は所定の脱炭を行うために、送酸量を一定に保っ
た。そして、両ヒートともに酸素ガスブローイング終了
後６分間の自然脱炭を行っている。本発明と比較例にお
ける自然脱炭後の成分は、表２に示すごとくであった。

【表２】 本発明は、比較例に較べて排気開始前の炭素含有量が僅
かに低く硫黄含有量が高かったにもかかわらず、自然脱
炭後の窒素含有量が６１ｐｐｍから２６ｐｐｍとなり、
５８ｐｐｍから３２ｐｐｍとなる比較例の場合よりも、
明らかに低くなっていることは、本発明の脱窒に及ぼす
効果を実証している。

【００１５】以上述べたことから分かるように、電気炉
から連続鋳造までの一貫工程における既存の脱窒技術お
よび吸窒防止技術と本発明によるものとを組み合せるこ
とによって、転炉鋼の窒素含有量に近い低窒素鋼を電気
炉鋼として製造することが可能となる。したがって、従
来窒素含有量が高いために電気炉では製造することが不
可能であった鋼種、例えば、極軟鋼線材や深絞り用冷延
鋼板をも電気炉鋼で製造することができる。なお、０．
３重量％Ｃ以上の中炭素鋼もしくは高炭素鋼において
は、減圧下における酸化物粒子の溶鋼への吹付けによる
脱窒が実用化されているので、本発明においては、０．
３重量％Ｃ以下の中炭素鋼ないし極低炭素鋼における低
窒素鋼を溶製の対象とすれば、著しい脱窒効果が発揮さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 時間の経過すなわち脱炭の進行につれて酸素
ガスブローイングにおける送酸量を低減させる要領の概
略を説明するグラフ。

【図２】 炭素含有量と溶存酸素との平衡を説明するグ
ラフ。

【図３】 本発明と比較例における送酸形態の相違を示
すグラフ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気炉によって溶製した溶鋼を二次精錬
   により脱窒を行う低窒素鋼の溶製法において、 製品の炭素含有量よりも少なくとも０．１５重量％以上
   高くなるように溶鋼の炭素含有量を調整し、その後に、
   該溶鋼の減圧下における酸素ガスブローイング処理に際
   して、少なくとも０．１０重量％以上の炭素を脱炭する
   までの期間は、酸素ガスのブローイング平均流量を溶鋼
   の炭素含有量の低下に伴い減少させ、溶鋼中の溶存酸素
   量を低く保つことにより、脱窒速度の低下を防止するよ
   うにしたことを特徴とする電気炉溶鋼を用いた低窒素鋼
   の溶製法。
2. 【請求項２】 前記した少なくとも０．１５重量％以上
   高くなるように溶鋼の炭素含有量を調整するのは、取鍋
   精錬炉で行われることを特徴とする請求項１に記載され
   た電気炉溶鋼を用いた低窒素鋼の溶製法。
3. 【請求項３】 前記した溶鋼の炭素含有量の低下に伴い
   平均流量を減少させる酸素ガスのブローイングは、連続
   的に行われることを特徴とする請求項１に記載された電
   気炉溶鋼を用いた低窒素鋼の溶製法。
4. 【請求項４】 前記した溶鋼の炭素含有量の低下に伴い
   平均流量を減少させる酸素ガスのブローイングは、段階
   的に行われることを特徴とする請求項１に記載された電
   気炉溶鋼を用いた低窒素鋼の溶製法。
5. 【請求項５】 前記した溶鋼の炭素含有量の低下に伴い
   平均流量を減少させる酸素ガスのブローイングは、断続
   的に行われることを特徴とする請求項１に記載された電
   気炉溶鋼を用いた低窒素鋼の溶製法。