JPH05295419A - 溶鋼の脱炭方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 真空脱ガス装置における極低炭素鋼の製造に
おいて、脱炭時間を短く、また到達炭素濃度を安定に低
下させる脱炭方法を提供する。 【構成】 溶鋼を真空脱ガス装置を用いて真空脱炭処理
して極低炭素鋼を製造するにあたり、真空脱炭処理中の
真空槽内のとりわけ炭素濃度０．０１％以下の溶鋼表面
に、酸素濃度を制御しながら、上方から水素を含有した
不活性ガスを吹き付けることで、脱炭させる。本方法に
より、脱炭処理時間を延長することなく、従来よりも炭
素濃度の低い極低炭素鋼の安定な製造が可能となり、ま
た真空槽内に付着する地金も少ないため、地金除去の作
用も容易となり、脱炭処理効率も向上する。 【効果】 メンテナンスが容易で、確実かつ安価に極低
炭素鋼が溶製できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空脱ガス処理により
極低炭素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、自動車用鋼板等、プレス加工が施
される薄板用鋼板において、その加工性を高めるため
に、鋼板中の炭素濃度を極力低下させた極低炭素鋼が用
いられる。

【０００３】従来、この極低炭素鋼を溶製するために
は、転炉等の一次精錬装置で炭素濃度を０．０４％程度
まで脱炭させた溶鋼を未脱酸の状態で取鍋等の容器に受
鋼した後に、二次精錬装置である排気装置を有する真空
脱ガス装置において、溶鋼の一部分を真空雰囲気中に配
置して気体側の圧力を低下させることで、気体と溶鋼の
界面のＣＯガス分圧を低下させる条件下において、次式
に示す溶鋼中の炭素と酸素を反応させる方法にて脱炭し
た後、目標の溶鋼成分となるように合金を添加する溶製
方法が広く行われている。

【０００４】 ［Ｃ］＋［Ｏ］→ＣＯ（ｇａｓ） （１） このような脱炭の目的に用いられる真空脱ガス装置とし
ては、従来から環流式真空脱ガス装置（以下ＲＨ脱ガス
装置と記す）やＤＨ脱ガス装置、ＶＯＤ炉、取鍋脱ガス
装置等が知られている。

【０００５】ここで上述のような真空脱ガス装置を用い
た溶鋼の真空脱炭処理においては、溶鋼中の炭素濃度が
５０ｐｐｍ程度となると、真空槽内の鋼浴内部からの核
発生によるＣＯガスの生成が行われにくくなるため、脱
炭反応は真空槽内の溶鋼表面もしくは溶鋼中に吹き込ま
れるＡｒ等不活性ガスの気泡表面でのみ可能となること
から、全体の脱炭の反応界面積が減少し、さらに鋼浴内
部からの生成ＣＯガスによる溶鋼の撹拌効果もほとんど
生じなくなってしまう。これらの理由により、従来方法
では炭素濃度が５０ｐｐｍ程度以下となると脱炭速度が
急激に低下し、その結果炭素濃度２０ｐｐｍ以下まで脱
炭を行うには、脱炭処理に長時間を要し、安定な製造は
一般には難しい。

【０００６】そこで、脱炭時間をより短縮する、あるい
は脱炭処理後の到達炭素濃度を低下させるため、これら
真空脱ガス装置において脱炭速度を増加させる方法とし
て、 反応の界面積を増加させるため大量のガスを溶鋼中に
吹き込む方法（特開昭５２−５６４１号）、 環流用または鍋底部からのガスに水素含有物質を混合
する方法（特開昭５７−１９４２０６号）、 真空脱ガス処理槽内における溶鋼の浴面上部の上吹き
ランスから脱炭反応が停滞する時期に、水蒸気または水
を含有するガスを吹き込む方法（特開平２−１８２８２
３号）等が開発されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記真空脱ガス装置を
用いた極低炭素鋼溶製方法は、炭素濃度を低下せしめる
ために平衡論的に非常に有効な方法であり現在広く普及
しているが、先にも述べたように炭素濃度を２０ｐｐｍ
以下まで脱炭を行うには、脱炭処理に長時間を要するた
め、耐火物等の溶損が激しくなったり、あるいは脱炭処
理中の溶鋼の温度降下が大きくなることから、その温度
降下を見込んで転炉等の一次精錬装置での出鋼温度を高
くしなければならず、精錬費用が増加する問題が生じ、
また真空脱ガス装置の脱ガス処理効率が低下する等の問
題も生じる。

【０００８】上述の脱炭速度を増加させる種々の方法に
ついても、脱炭処理後半に高真空下にさらされた状態
でガスを溶鋼中に吹き込むと、ガスが溶鋼表面から離脱
する際に急激に膨張し、溶鋼が周辺の密閉容器内に飛び
散るため、容器内に地金と称する凝固した鋼が付着し、
溶鋼の歩留りを低下させるばかりか、この付着地金の除
去に多大な労力を要する等、作業性を損なう問題があ
る。

【０００９】さらに、溶鋼中に吹き込むガスに水素含
有物質を混合した場合には、還元性の水素ガスが耐火物
中の酸化物を還元し、取鍋底部のポーラスプラグれんが
が異常溶損したり、補助吹き込みランスの耐用性にかけ
る等、ガス吹き込みの安定性に問題があることも川崎製
鉄技報、ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．２（１９８３）ｐ−６０
にて報告されている。

【００１０】また、脱炭反応が停滞する時期に水蒸気
や水を含有するガスを吹き込んだ場合には、吹き付けら
れた溶鋼表面でＨ₂ Ｏが分解した際に発生する酸素が溶
鋼に吸収され、溶鋼中の酸素濃度が増加してしまい、脱
炭処理後のアルミニウム等の脱酸剤を添加した際に生成
する脱酸生成物（酸化物）が後の工程で非金属介在物と
して鋳片内に残存すると、製品の品質上有害な欠陥の原
因につながるばかりか、後述する溶鋼中への酸素の吸収
過程そのものが脱炭速度を遅くしてしまう阻害作用を有
するという問題がある。

【００１１】上記のような問題点を鑑み、本発明はこれ
ら問題点を解決し、真空脱ガス装置を用いて溶鋼を真空
脱炭処理するにあたり、炭素濃度２０ｐｐｍ程度以下ま
で安定に、かつ高速で脱炭することが可能な極低炭素鋼
の製造方法を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）真空脱
ガス装置を用いて、溶鋼を真空脱炭処理して極低炭素鋼
を製造するにあたり、真空脱炭処理中の真空槽内の溶鋼
表面に、上方から水素を含有した不活性ガスを吹き付け
ることを特徴とする、極低炭素鋼の製造方法。

【００１３】また本発明は、（２）上記溶鋼中の炭素濃
度が０．０１％以下の領域で、真空脱炭処理中の真空槽
内の溶鋼表面に、上方から水素を含有した不活性ガスを
吹き付けることを特徴とする前記（１）項記載の溶鋼の
脱炭方法。

【００１４】また本発明は、（３）上記真空脱炭処理中
の溶鋼中の酸素濃度が４００ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ
以下の領域で真空槽内の溶鋼表面に、上方から水素を含
有した不活性ガスを吹き付けることを特徴とする前記
（１）項または（２）項記載の溶鋼の脱炭方法。

【００１５】また本発明は、（４）上記真空脱ガス装置
として、環流式真空脱ガス装置を用いることを特徴とす
る前記（１）項乃至（３）項記載の溶鋼の脱炭方法、で
ある。

【００１６】

【発明の作用】本発明者等は、真空脱ガス装置を用いた
溶鋼の脱炭処理時のとくに炭素濃度５０ｐｐｍ以下の領
域での脱炭速度を増大する方法について研究開発を進
め、脱炭処理中の溶鋼中の酸素の役割について注目し
た。即ち、前述の（１）式のように、溶鋼中の炭素を、
同じく溶鋼中の酸素を酸化源として反応させるにあた
り、次に示す（２）式によれば溶鋼中の酸素濃度を高め
るほど、同じ真空度（同じ気体側のＣＯ分圧）条件下で
あっても、平衡する炭素濃度を低く、ひいては脱炭速度
を大きくすることが可能である。

【００１７】［Ｃ］＝Ｐ_CO／（Ｋ・［Ｏ］） ［Ｃ］：溶鋼中の炭素濃度 ［Ｏ］：溶鋼中の酸素濃度 Ｐ_CO：気体側の一酸化炭素の分圧 Ｋ：反応の平衡定数 ところが、実際の真空脱ガス装置を用いた脱炭処理中に
溶鋼中の酸素濃度を高めても、脱炭速度は大きく変化し
ないのが実情である。この理由として、脱炭反応の酸化
源でもある溶鋼中の酸素は、表面活性な性質を有する元
素として知られており、炭素が酸素と反応してＣＯガス
となる、脱炭の反応場所である溶鋼と気体の界面に、溶
鋼中の平均濃度よりも過剰に存在してしまう結果、脱炭
に必要な元素にもかかわらず逆に脱炭反応を遅くしてし
まう阻害作用を有することが、例えば材料とプロセス、
ｖｏｌ．３（１９９０），ｐ−１４４に提示され、明ら
かにされつつある。

【００１８】そこで発明者らは、平衡論的な見地から
は、溶鋼中の酸素濃度を高位に保ち到達しうる炭素濃度
を低くしておき、一方で脱炭反応の速度論的な見地から
は、溶鋼と気体の界面に過剰に存在して脱炭反応そのも
のを阻害する酸素についてはその悪影響を抑制するため
に最適な濃度に維持できないかと考え、脱炭反応が起こ
る溶鋼と気体の界面に過剰に存在する酸素のみを還元、
除去する目的から、真空脱炭中の真空槽内の上部から、
水素を含むアルゴンガスを溶鋼の表面に吹き付けた結
果、図１に示すように脱炭反応の速度を大きくできるこ
とを見いだし、本発明に至ったのである。

【００１９】前述した特開平２−１８２８２３号公報に
は、真空槽内に水蒸気および、または水を含有するガス
を吹き付ける方法が提示されているが、これは吹き付け
られた溶鋼表面でＨ₂ Ｏが分解し、一旦溶鋼中に溶解し
た水素がＨ₂ として発生するために小径の液滴が大量に
発生すること、またＨ₂ の発生により気液界面の撹拌が
大きくなり、さらに発生するＨ₂ により気液界面でのＣ
Ｏガス分圧を低下させガス側の境膜厚みを小さくさせて
脱炭を促進することを目的とするものである。しかしこ
の場合に、Ｈ₂ Ｏが分解する際に、Ｈ₂ と同時に発生す
る酸素が、溶鋼表面を介して溶鋼中に吸収される過程
で、酸素は溶鋼と気体の界面に依然として過剰に存在し
てしまい、上述した脱炭反応を遅くしてしまうという酸
素の阻害作用の点からその効果が少ないことを見いだし
た。

【００２０】一方、本発明方法によれば、水素を含有す
る不活性ガスを吹き付けた脱炭中においても、溶鋼中の
水素濃度はほとんど変化しないことから、この脱炭の促
進効果は、例えば脱炭反応と同時に脱水素反応が起こっ
たため生じたＨ₂ によって脱炭反応の界面積が増加した
ことによるものではないことを示している。

【００２１】本発明において、溶鋼の表面にガスを吹き
付ける方法としては、真空槽内上部に配置したランスか
らのからの吹き付けが一般的であるが、例えば浸漬体の
側壁に設けたガス吹きだし用の羽口から溶鋼の表面上に
向かって吹き付けても、あるいはこれらの方法を併用し
て用いても構わない。いずれの場合でも、上部からの吹
き付けガスが、真空槽内の溶鋼表面の極力広い範囲に作
用することが望ましい。

【００２２】水素を含有する不活性ガスとしては、アル
ゴンガスが一般的であるが、ヘリウムガス等も使用が可
能であるし、鋼の材質上問題がなければ窒素ガスの使用
も可能であり、これらのガスを混合しても構わない。ま
た、吹き付けるガス中の水素の濃度としては、吹き付け
ガス量にもよるが、２％程度の濃度でもその効果は十分
にある。

【００２３】次に、上記水素を含有した不活性ガスを吹
き付ける時期としては、脱炭処理を開始する時点から吹
き付けてもその効果を享受できるが、炭素濃度が０．０
１％以下の領域で行うことがより有効である。

【００２４】その理由として、一般に脱炭反応は炭素濃
度に対して一次反応の形式で進行するため、その反応速
度は溶鋼中の炭素濃度に比例すると言われており、した
がって脱炭初期の炭素濃度が高い場合には、真空槽内鋼
浴内部からのＣＯ気泡生成も生じるために、そもそも大
きな脱炭速度が確保できる。この場合、溶鋼とガスの反
応界面で、酸素は随時、炭素の酸化に消費されるため、
脱炭速度への影響も少ない。

【００２５】一方で、炭素濃度が０．０１％以下に低下
すると、脱炭速度が低下することによって溶鋼と気体の
界面での脱炭による酸素の消費も遅くなるために、界面
に過剰に集積する酸素の影響が顕著となる。この状態で
は、上部から吹き付けるガス中に含まれた水素が、脱炭
により有効にその効果を発揮するわけである。

【００２６】以上の方法において、脱炭反応を進行させ
るためには、先に（１）式にも示したように、炭素を酸
化させる酸素が必要である。このため、脱炭を開始する
前の溶鋼の酸素濃度としては、通常の転炉吹錬で炭素濃
度０．０４〜０．０２％で吹き止め、未脱酸で出鋼した
状態の４００ｐｐｍ程度以上が望ましい。

【００２７】ここで溶鋼中の酸素濃度は脱炭の進行に伴
って減少するため、その濃度を随時測定しながら、濃度
が減少した時点で酸素を供給して、その濃度を４００〜
１０００ｐｐｍの範囲に制御することが有効である。こ
こで、脱炭処理中の酸素濃度についてはその値を高くし
たほうが平衡論的に有利であることを先に述べたが、脱
炭処理の終了後、必要な合金等を添加するためにアルミ
ニウム等の脱酸剤を添加した際に発生する酸化物が、後
の工程で非金属介在物として鋳片（鋼塊）中に残存する
と製品の品質上有害な欠陥の原因につながることから１
０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

【００２８】この溶鋼中の酸素濃度を調整する方法とし
ては、純酸素ガス、空気、二酸化炭素ガス、水蒸気等の
単独ガスやこれらの酸化性ガスと一酸化炭素ガスの混合
ガス、ないしはこれら酸化性ガスと不活性ガスの混合ガ
スを、真空槽壁に設置したガス吹き込み用の羽口や耐火
物製の補助浸漬ランス等を介して溶鋼の内部に吹込みな
がら供給する方法や、同じく耐火物製の補助浸漬ランス
を介して酸化鉄や酸化マンガン等の固体状酸化源の単体
または混合物、あるいはこれらの成分を含む鉱石等を、
不活性ガス等を用いて供給する方法等が考えられる。こ
うして、酸化源を溶鋼の内部に供給する場合、酸素濃度
をほぼ一定に制御できるように、少しずつ連続的に供給
してもよいし、また耐火物製の浸漬ランスの寿命を長く
するために、短時間にある程度の酸素量を一括的に供給
しても構わない。ただし、吹き込み方法としてはこれら
のガスによって、真空槽内で発生するスプラッシュが激
しくならない状態が望ましい。

【００２９】以上述べた方法を用いることにより、溶鋼
中の平均酸素濃度としては、その濃度に平衡する炭素濃
度の値が低位とできるような濃度に維持しつつ、かつ脱
炭が進行する溶鋼と気体の界面の酸素濃度を最適に制御
することにより、脱炭速度を常に高位に維持し、短時間
で炭素濃度２０ｐｐｍ程度以下まで安定に脱炭を行うこ
とができる。

【００３０】以下、本発明例および比較例を図２ならび
に表１を用いて説明する。

【００３１】

【実施例】公称２５０ｔｏｎの上底吹き転炉において脱
炭を行った、溶鋼中炭素０．０２〜４％、シリコン０．
０５％以下、マンガン０．２％以下、アルミ０．０１％
以下の溶鋼１を、取鍋２に未脱酸状態で出鋼した。出鋼
後の取鍋内溶鋼の酸素濃度は４００〜６００ｐｐｍで、
その温度は１６２０〜５０℃であった。

【００３２】その後、図２に示すＲＨ真空脱ガス装置を
用いて真空脱炭処理を行った。ＲＨ真空脱ガス装置の環
流管３の内径は７００ｍｍ、真空槽４の内径は１６００
ｍｍであり、また環流管３から吹き込む環流用Ａｒガス
５の流量は２０００〜２５００ｌ／分であった。図中２
は取鍋を示す。真空脱炭処理を開始して１０分経過した
時点から、真空槽内の溶鋼１表面から１．２ｍの高さに
配置した上吹きランス６を介し、水素ガス１０％含むＡ
ｒガス７を、５００〜１０００Ｎｍ³ ／ｈｒの流量で溶
鋼の表面に吹きつけて、脱炭処理をさらに１５分間行っ
た。

【００３３】このガス吹き付けを付与した間の真空槽内
の真空度は３ｔｏｒｒ以下であった。

【００３４】この間に溶鋼中の酸素濃度を測定し、その
濃度が４００ｐｐｍよりも低くなった場合には、真空槽
内壁に設置したガス吹き込み用の羽口８から、純酸素ガ
スとＡｒガスの混合ガス９を適宜吹込み、酸素濃度を４
００〜１０００ｐｐｍの範囲に制御させた。

【００３５】比較例 前記実施例とほぼ同様の条件にて、真空槽４の内部の溶
鋼の表面には、ガス吹き付けを行わずに２５分間の脱炭
処理を行った。

【００３６】以上の実施例および比較例によって処理さ
れた、溶鋼の各１０チャージにおける到達炭素の平均濃
度ならびにその標準偏差を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１から、本発明の実施例では、処理終了
後の炭素濃度が比較例よりも低く、かつ炭素濃度のばら
つきも少なく、水素を含む不活性ガス吹き付けが脱炭に
有効であることがわかる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、真空脱
炭処理における極低炭素領域での脱炭速度を増大させ
て、炭素濃度を２０ｐｐｍ以下まで、短時間で低下させ
ることができ、従来方法に比較して溶鋼の温度降下も少
なく、したがって極低炭素鋼を低コストで製造すること
ができ、さらには脱炭処理中の地金付着も少ないことか
ら、地金除去等のメンテナンスも非常に容易であり、脱
炭処理の効率も向上できる。

【００４０】このように、本発明によれば工業的規模に
おいて、容易かつ確実、安価に極低炭素鋼が溶製できる
等の優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の効果を示すグラフ。

【図２】本発明の実施態様を示す説明図。

【符号の説明】

１…溶鋼、 ２…取鍋、３…環流管、
４…真空槽、５…環流用ガス、 ６…上
吹きランス、７…吹き付けガス、 ８…真空槽壁ガ
ス吹き込み羽口、９…酸化性ガス。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空脱ガス装置を用いて溶鋼を真空脱炭
   処理して極低炭素鋼を製造するにあたり、真空脱炭処理
   中の真空槽内の溶鋼表面に、上方から水素を含有した不
   活性ガスを吹き付けることを特徴とする溶鋼の脱炭方
   法。
2. 【請求項２】 溶鋼中の炭素濃度が０．０１％以下の領
   域で、真空脱炭処理中の真空槽内の溶鋼表面に、上方か
   ら水素を含有した不活性ガスを吹き付けることを特徴と
   する請求項１記載の溶鋼の脱炭方法。
3. 【請求項３】 真空脱炭処理中の酸素濃度が４００ｐｐ
   ｍ以上１０００ｐｐｍ以下の領域で真空槽内の溶鋼表面
   に、上方から水素を含有した不活性ガスを吹き付けるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の溶鋼の脱炭方
   法。
4. 【請求項４】 真空脱ガス装置として、環流式真空脱ガ
   ス装置を用いることを特徴とする請求項１または２、ま
   たは３記載の溶鋼の脱炭方法。