JPH08283828A - 極低炭素鋼の真空精錬方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】極低炭素鋼の真空精錬方法の提供。 【構成】１本足筒状浸漬管を未脱酸又は弱脱酸溶鋼に浸
漬し、管内を真空排気して管の内壁又は／及び投影面下
から撹拌用不活性ガスを吹込み、浸漬管上方のランスか
ら酸素ガスを管内溶鋼面に吹付けて脱炭する真空精錬方
法であって、下記 (1)〜(3) の条件を満たす極低炭素鋼
の真空精錬方法。 (1)浸漬管内径Ｄと取鍋内径Ｄo との比Ｄ／Ｄo が 0.5
〜0.8 。 (2)撹拌用不活性ガス流量が５〜20Ｎリットル／(min・t
on)。 (3)浸漬管内溶鋼表面からのランス高さが 1.5〜５m 、
かつランスからの酸素ガス吹付け線速度が100m／sec 以
上。 【効果】脱炭速度を低下させずにスラグ中FeO 濃度を低
下させることにより、極低炭素鋼の清浄性を著しく向上
させると共に、浸漬管耐火物とランスの損耗も抑制する
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、脱炭速度を向上させた
高能率の極低炭素鋼の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低炭素鋼は、例えば転炉を用いて経済
的に脱炭し得る限界まで大気圧下で脱炭し、その後真空
脱ガス装置を用いて減圧下で鋼中酸素あるいは添加酸素
源（取鍋スラグ、吹き込み酸素ガスまたは鉄酸化物など
の固体酸素）との反応により目的の炭素濃度まで脱炭
し、その後脱酸剤を添加して成分調整、介在物低減処理
を行う方法で溶製される。

【０００３】一般的に、転炉では炭素濃度0.02〜0.10重
量％まで脱炭するが、この程度まで脱炭すると炭素以外
にも大量の鉄が酸化され、転炉終点時のスラグ中の FeO
濃度が高くなる。このスラグの一部は出鋼時に溶鋼と共
に取鍋に流出してしまう。この状態で真空脱ガス装置で
さらに脱炭処理した後に、Alによる脱酸処理を行うとス
ラグ中のFeO が溶鋼中のAlと反応し、アルミナ系介在物
が生成して溶鋼中に供給され、鋼の清浄性が低下する。

【０００４】ところで、転炉終点時の溶鋼中炭素濃度が
低いほど、転炉終点時のスラグ中のFeO 濃度は高くな
る。したがって、取鍋スラグ中のFeO 濃度を低減させる
ためには転炉終点時の溶鋼中炭素濃度を高める必要があ
る。

【０００５】転炉終点時の溶鋼中炭素濃度を高めない場
合は、出鋼時に脱酸剤またはスラグ改質材を添加して、
取鍋スラグ中のFeO 濃度を低下させる必要がある。しか
し、転炉終点時の溶鋼中炭素濃度を高めれば、その後の
真空脱炭時にはＣ＋Ｏ＝ＣＯなる脱炭反応に必要な溶鋼
中酸素が不足してしまい、脱炭不良となる。

【０００６】また、出鋼時に脱酸剤またはスラグ改質材
を添加した場合も、同様に溶鋼中酸素濃度が低下して脱
炭不良となる。

【０００７】以上の問題点を解決するために、真空脱炭
時に溶鋼に酸素を供給する以下のような方法が提案され
ている。

【０００８】特開平２−277711号公報には、転炉出鋼時
または出鋼後に取鍋中にAlを添加してスラグ中のFeO 濃
度を 0.2〜2.0 重量％とし、その後、真空脱ガス装置で
真空脱炭処理をする際の処理開始時に酸素ガスを溶鋼ト
ン当たり0.14〜1.4 Ｎm³添加しつつ真空脱炭し、炭素濃
度が0.003 重量％以下となった時期にAlを添加して真空
処理を５分以上継続する極低炭素鋼の製造方法が示され
ている。この方法によれば、冷延鋼板の表面欠陥発生率
が著しく減少するとしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来方
法では以下の問題点がある。

【００１０】真空脱ガス装置で真空脱炭処理する前に溶
鋼にALを添加して脱酸処理を行ない、スラグ中FeO 濃度
を 0.2〜2.0 重量％とする方法に従うと、不可避的に溶
鋼中溶解酸素が低下し、脱炭のための酸素が常に不足す
るために酸素ガスの供給が不可欠となる。

【００１１】ところが、この方法では脱炭時の溶鋼の撹
拌条件や酸素ガスの供給条件が最適化されていないた
め、真空脱炭時の酸素ガス供給時に鋼中炭素と反応しな
い酸素が溶鋼中のMnや鉄を酸化させる。この結果、鉄歩
留まりの低下やMn合金原単位の増加によるコスト上昇を
もたらす。

【００１２】さらに、スラグ中のFeO あるいはMnO の増
加により、スラグ中FeO 濃度は真空脱炭前の上記範囲
0.2〜2.0 重量％よりも大きな値に増加してしまい、溶
鋼の清浄性への悪影響の問題も生じる。

【００１３】上記方法はＲＨ真空脱ガス装置での酸素供
給を前提とするものであり、１本足筒状浸漬管を備えた
真空精錬装置を用いる場合の酸素吹き込みおよび溶鋼の
撹拌ガス供給の最適条件については明らかではない。

【００１４】本発明の目的は、上記条件を明確にして脱
炭速度を向上させた、１本足筒状浸漬管を備えた真空精
錬装置を用いる高能率の極低炭素鋼の製造方法を提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の極低
炭素鋼の真空精錬方法にある。

【００１６】１本足筒状浸漬管を取鍋内の未脱酸または
弱脱酸の溶鋼に浸漬し、浸漬管内を真空排気して浸漬管
の内壁または／および投影面下から溶鋼の撹拌用不活性
ガスを吹き込み、浸漬管上方に設けた昇降可能なランス
から酸素ガスを浸漬管内溶鋼表面に吹き付けて真空脱炭
する真空精錬方法であって、下記 (1)〜(3)の条件を満
たすことを特徴とする極低炭素鋼の真空精錬方法。

【００１７】(1)浸漬管内径Ｄと取鍋内径Ｄo との比Ｄ
／Ｄo が 0.5〜0.8 。

【００１８】(2)撹拌用不活性ガス流量が５〜20Ｎリッ
トル／(min・ton)。

【００１９】(3)浸漬管内溶鋼表面からのランス高さが
1.5〜５m 、かつ、ランスからの酸素ガス吹き付け線速
度が100m／sec 以上。

【００２０】上記の「浸漬管の内壁」とは、浸漬管下端
から100mm 以上500mm 以下の位置を、同じく「浸漬管の
投影面下」とは、取鍋底部または下部における浸漬管の
投影面積の範囲内を指す。「取鍋内径Ｄo 」は、浸漬管
内に取鍋内溶鋼を吸い上げて定常状態で処理している際
において、取鍋内溶鋼が大気と接している部分の取鍋内
径をいう。

【００２１】

【作用】本発明方法を実現するための装置は、少なくと
も取鍋、取鍋昇降装置、１本足筒状浸漬管、浸漬管上方
位置に設けてあって酸素ガスを浸漬管内溶鋼表面に吹き
付けるための昇降可能な上吹きランス、浸漬管に接続し
て設けた真空排気孔と真空排気装置、合金鉄などの投入
装置を備えているものである。溶鋼の撹拌用不活性ガス
の吹き込み羽口は、浸漬管の内壁と浸漬管の投影面下の
取鍋底部または下部とに設けられており、内壁羽口と取
鍋羽口とのいずれか一方または両方を用いる。

【００２２】本発明方法の対象となる溶鋼は、例えば転
炉などで処理した未脱酸あるいは弱脱酸の溶鋼である。

【００２３】本発明方法では、上記の装置と溶鋼とを用
いて、１本足筒状浸漬管を取鍋内溶鋼に浸漬し、浸漬管
内を真空排気して浸漬管の内壁または／および投影面下
から不活性ガスを吹き込み、浸漬管上方に設けた昇降可
能なランスから酸素ガスを浸漬管内溶鋼表面に吹き付け
て真空脱炭を行う。浸漬管内の望ましい圧力の範囲は
0.5〜150 Torr程度である。本発明方法は、このとき下
記 (1)〜(3)の条件を同時に満たすものである。

【００２４】(1)浸漬管内径Ｄと取鍋内径Ｄo との比Ｄ
／Ｄo を 0.5〜0.8 とする。

【００２５】(2)撹拌用不活性ガス流量を５〜20Ｎリッ
トル／(min・ton)とする。

【００２６】(3)浸漬管内溶鋼表面からのランス高さを
1.5〜５m 、かつランスからの酸素ガス吹き付け線速度
を100m／sec 以上とする。

【００２７】上記(1) の限定理由を以下に述べる。

【００２８】真空下に溶鋼がさらされる浸漬管内の面積
が大きいほど、浸漬管内の反応界面積が増大し、脱炭反
応速度は増加するため、浸漬管径は大きい方がよい。一
方、浸漬管内径が小さくなると浸漬管外の溶鋼のよどみ
部が増加してしまい、処理溶鋼全体の均一性が悪化する
ため、浸漬管内径は大きい方がよい。しかし、必要以上
に浸漬管内径を大きくすると浸漬管の溶損速度が高ま
り、耐火物の補修頻度が増加または浸漬管寿命が低下す
る。

【００２９】したがって、脱炭速度向上と浸漬管寿命延
長との両者を同時に満足させる浸漬管径が存在する。そ
こで、250 トン取鍋内に収容した溶鋼を用いて、浸漬管
内径Ｄと取鍋内径Ｄo との比Ｄ／Ｄo と(A)脱炭速度、
(B)均一混合時間、(C)浸漬管補修頻度との関係を調査し
た。この結果を図１に示す。

【００３０】図１は、撹拌用不活性ガス流量を５〜20Ｎ
リットル／（min ・ton)としたときの、Ｄ／Ｄo と上記
(A)〜(C) との関係を示す図である。図１に示す「脱炭
速度指数」とは、鋼中〔Ｃ〕が200ppmから30ppm へ低下
する時間Ｔ(min) から求めた脱炭速度定数Ｋc (min^-1)
を指数化したものである。脱炭速度定数Ｋcは下記式(1)
で求めることができる。

【００３１】 Ｋc ＝ln(200／30) ／Ｔ・・・・・・・(1) このＫc が従来のＲＨ法と同じであれば、脱炭速度指数
は1.0 となる。

【００３２】「浸漬管補修頻度指数」とは、浸漬管補修
回数を全処理ヒート数で割った値を指数化したものであ
り、Ｄ／Ｄo が0.8 での場合を基準とした。

【００３３】図示するように、上記(A) 、(B) および
(C) を同時に満足させるレベル（図中の線と矢印で示す
範囲）にするためには、Ｄ／Ｄo を0.5 以上0.8 以下と
する必要がある。

【００３４】次に、前記(2) の撹拌用不活性ガス流量の
範囲を５〜20Ｎリットル／(min・ton)とする理由を説明
する。

【００３５】本発明者の知見によれば、Ｄ／Ｄo を上記
(1) の範囲とした場合においても、脱炭不良あるいは酸
素ガス供給時にスラグ中FeO 濃度が著しく上昇するヒー
トが散見された。スラグ中FeO 濃度が高くなりすぎる
と、既に述べたように溶鋼の清浄性が悪化するため、こ
れを抑制する必要がある。

【００３６】そこで、スラグ中FeO 濃度が高くなる理由
を検討した結果、酸素ガス吹き込み位置（火点）への溶
鋼の供給速度の不足が原因であった。すなわち、溶鋼の
循環が小さいと、上記火点での単位時間当たりの酸素供
給量の方が溶鋼中炭素供給量よりも大きくなり、過剰な
酸素が溶鋼中のFeを酸化させるためFeO が生成すること
がわかった。

【００３７】したがって、FeO 生成を抑制するためには
撹拌ガス流量を或る臨界値以上で吹き込む必要がある。
ただし、撹拌ガスを流しすぎると浸漬管内の溶鋼飛沫が
増加し、浸漬管内の地金付きが増加する。この現象が発
生した場合、付着地金の溶解を頻繁に行う必要があり、
装置の操業率が低下する。このため、撹拌ガス流量を或
る臨界値以下にする必要がある。

【００３８】このような理由から、攪拌用不活性ガス流
量と浸漬管内の地金付きおよびスラグ中FeO の増加量と
の関係を調査した。結果を図２に示す。

【００３９】図２は、攪拌用不活性ガス流量と浸漬管内
の地金付き指数およびスラグ中FeO の増加量との関係を
示す図である。図２において「地金付き指数」とは、付
着地金の溶解時に回収した地金量を全処理ヒート数で割
った値を指数化したものであり、攪拌用不活性ガス流量
が20Ｎリットル／(min・ton)での値を基準とした。

【００４０】図示するように、地金付き指数１以下、ス
ラグ中FeO の増加量２Wt％以下の好適条件を同時に達成
することができる撹拌ガス流量の範囲は、５〜20Ｎリッ
トル／(min・ton)である。

【００４１】本発明方法では更に前記 (3)のように、浸
漬管内溶鋼表面からのランス高さ（ランス先端〜浸漬管
内溶鋼湯面）を 1.5〜５m 、かつランスからの酸素ガス
吹き付け線速度を100m／sec 以上とする。

【００４２】Ｄ／Ｄo と撹拌ガス流量とを上記のように
定めても、脱炭速度が改善されない場合があり、かつ排
ガス系で異常燃焼が問題となったため、酸素供給条件と
の関係を調査した。

【００４３】この結果によると、脱炭速度が改善されな
いヒートでは、排ガス系で異常燃焼が問題となること、
さらに「脱炭速度が改善されないこと」と「排ガス系で
異常燃焼が問題となること」との原因は、両方とも「酸
素ガスが溶鋼中の炭素と反応しにくいこと」にあるのが
わかった。したがって、酸素ガスが溶鋼中の炭素と反応
しにくいヒートでは、当然脱炭速度は改善されない。こ
のような場合には、排ガス系に未反応の酸素ガスが排出
され、排ガス系での異常燃焼が問題となりやすいのであ
る。

【００４４】そこで、酸素ガスが溶鋼中の炭素と反応し
やすいランス高さ、酸素ガス吹き付け線速度条件を検討
した。その結果、ランス高さ５m 以下、かつ酸素ガス吹
き付け線速度100m/s以上で、酸素ガスの60vol ％以上が
溶鋼中炭素により燃焼されることがわかった。この条件
を確保することにより、脱炭速度未改善ヒートや排ガス
系異常燃焼ヒートが解消された。

【００４５】ところが、以上のように操業条件を設定し
た後に、ランス異常溶損ヒートがあることが判明し、更
に操業条件を検討した結果、ランスの異常溶損はランス
高さの影響を受けることがある。以上の結果を図３に示
す。

【００４６】図３は、酸素ガス燃焼比率およびランス異
常溶損と、ランス高さおよび酸素ガス吹き付け線速度と
の関係を示す図である。すなわち、ランス高さが低くな
るほど、ランスは溶鋼飛沫にさらされやすくなり、溶損
する。図示するようにランス異常溶損を防止するにはラ
ンス高さを1.5 m 以上に設定し、かつ同時に脱炭速度を
確保するにはランス高さを５m 以下、酸素ガス吹き付け
の線速度100m/sec以上とする必要がある。望ましい線速
度の上限は音速程度である。

【００４７】本発明方法においては、さらに以下の条件
を満足することが望ましい。

【００４８】撹拌用不活性ガスの吹き込み羽口の位置が
浸漬管投影面下であれば、吹き込み方法は取鍋底吹き羽
口、浸漬ランスのいずれでもよい。

【００４９】撹拌用不活性ガスを浸漬管内壁から吹き込
む場合は、浸漬管下端から100 mm以上500mm 以下の位置
に羽口を配置することが望ましい。100mm 未満では浸漬
管下端部の溶損量が小さくても、羽口の損傷につながる
ためである。一方、500mm を超えると浸漬管内湯面に近
くなりすぎるために、スプラシュが増大し、浸漬管内地
金付きによる操業阻害が生じてしまう。

【００５０】浸漬管内壁羽口からのみ撹拌ガスを吹き込
む場合は、羽口の水平方向での配置位置は浸漬管の中心
角120 度以上240 度以下で、複数個備えることが望まし
い。浸漬管内壁羽口を中心角120 度未満の範囲にのみ配
置すると、溶鋼下降流面積が相対的に大きくなり、溶鋼
の下降流速が低下して取鍋底部の溶鋼流動が停滞する。
一方、中心角240 度を超えると、溶鋼下降流面積が小さ
すぎるためにやはり十分な溶鋼下降流を形成することが
できない。

【００５１】さらに、浸漬管内壁羽口を複数個備える場
合には、水平方向での羽口間角度は５度以上30度以下と
するのがよい。これは、浸漬管内溶鋼上昇流域内で撹拌
ガス気泡を平均的に分散させるためである。

【００５２】また、取鍋下部または底部からのガス吹き
込みと浸漬管内壁からのガス吹き込みとを併用する場合
は、浸漬管の投影面下の同一半円内に両方の羽口が納ま
るように配置することが望ましい。これは、取鍋下部ま
たは底部からのガス吹込による溶鋼循環が、浸漬管内壁
羽口からのガス吹込により促進されるからである。

【００５３】

【実施例】

（試験１）250 トン転炉で吹錬した溶鋼を取鍋に出鋼す
る際に、脱酸剤を添加することなくスラグ改質剤を添加
し、出鋼時に転炉から取鍋に流出した高FeO 濃度スラグ
を改質し、スラグ中のFeO 濃度を２〜４Wt％に制御し
た。表１に出鋼完了時の溶鋼組成を示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】取鍋内の溶鋼中に１本足浸漬管を浸漬し、
浸漬管内を１Torrに真空排気した状態で取鍋底吹きポー
ラス羽口から攪拌用アルゴンガスを12Ｎリットル／(min
・ton)吹き込みながら真空脱炭、脱酸処理を行った。

【００５６】このとき取鍋内径Ｄ₀ は４m で一定とし、
浸漬管内径Ｄを 1.5m 、1.8m、2m 、2.5m、3.2m、3.5m
の各条件で極低炭素鋼を溶製した。真空脱炭時間中に酸
素ガス 0.1〜1.0 Nm³ /tonを上吹きランスにより、吹き
つけ線速度 200〜250m/sec 、かつランス高さ2.5 m と
して浸漬管内溶鋼に吹き付けた。脱炭処理終了後、溶鋼
に脱酸用Alを投入し、成分調整および介在物浮上分離の
ために10分間以上環流を行った。

【００５７】表２に上記の操業条件と脱炭時間、脱炭速
度および処理後炭素濃度を、表３に浸漬管寿命指数およ
び補修頻度指数を示す。ただし、脱炭速度定数Ｋｃ(min
^-1) は、前記の式(1) を用いて計算した。

【００５８】浸漬管寿命指数および浸漬管補修頻度指数
は、Ｄ／Ｄo ＝0.8 の場合を基準にして指数化した値で
ある。

【００５９】

【表２】

【００６０】

【表３】

【００６１】表２から、脱炭時間低減のためには、Ｄ／
Ｄo で0.5 以上が脱炭条件として望ましいことがわか
る。表３から、Ｄ／Ｄo が0.8 をこえると浸漬管寿命が
低下し、補修頻度が著しく増加することがわかる。

【００６２】（試験２）表１に示す組成の溶鋼を対象と
して、浸漬管内径Ｄ＝2.5m、取鍋内径Ｄo ＝４m 、すな
わちＤ／Ｄo ＝0.625 の一定条件で撹拌用アルゴンガス
流量２〜22Nリットル/(min・ton)を浸漬管内壁に設けた12本
の羽口から吹き込んだ。浸漬管内を１Torrに真空排気し
た状態とし、ランス高さ2.5m、吹き付け線速度200m／se
c で0.35〜0.78Ｎm³／ton の酸素ガスを脱炭中に浸漬管
内溶鋼に吹き付けた。その際、脱炭後のスラグ中FeO 濃
度と脱炭前のスラグ中FeO 濃度との差を調査した。ま
た、浸漬管上部の覗き窓から地金付きの指標となるスプ
ラッシュの発生状況を観察した。スプラッシュの発生状
況はヒートNo.7の場合を 1.0とした指数で評価した。表
４に結果を示す。

【００６３】

【表４】

【００６４】表４に示すとおり、撹拌用アルゴンガス流
量の好適範囲は５〜20Ｎリットル／(min・ton)であるこ
とがわかる。

【００６５】（試験３）溶鋼、Ｄ／Ｄo および浸漬管内
壁羽口数を試験２と同じとし、溶鋼中に撹拌用アルゴン
ガス10Ｎリットル／(min・ton)を吹き込んだ。浸漬管内
を１Torrに真空排気した状態で、脱炭処理中にランスか
らランス高さと吹き付け線速度とを変化させて酸素ガス
を0.5 Ｎm³／ton 吹き付け、脱炭酸素効率とランス損傷
を調査した。表５に結果を示す。

【００６６】

【表５】

【００６７】表５に示すとおり、ランス高さ、酸素ガス
吹き付け線速度をともに本発明で定める条件に設定しな
けれれば、脱炭酸素効率とランス保護との両立を達成す
ることができない。

【００６８】（試験４）溶鋼、Ｄ／Ｄo 、浸漬管内壁羽
口数および攪拌用アルゴンガス流量を試験３と同じと
し、浸漬管内を１Torrに真空排気した状態で、脱炭中に
ランス高さ2.5m、酸素ガス吹き付け線速度200m／sec で
0.35〜0.78Ｎm³／ton の酸素ガスを浸漬管内溶鋼に吹き
付けた。

【００６９】脱炭処理終了後、浸漬管内にAlを添加し、
攪拌時間を変えて数分間アルゴンガス撹拌を継続した。
その後、連続鋳造装置でスラブに鋳込み、その後圧延し
た冷延鋼板の表面欠陥発生率を調査した。表６に結果を
示す。

【００７０】

【表６】

【００７１】表６に示すように、本発明方法によれば、
冷延鋼板の表面欠陥発生率はAl添加後の攪拌時間の影響
を受けるものの、0.1 ％以下の欠陥発生率と清浄性に優
れた鋼板を得ることができる。

【００７２】

【発明の効果】本発明方法によれば、真空脱炭時の脱炭
速度を低下させずにスラグ中FeO 濃度を低下させること
により、極低炭素鋼の清浄性を著しく向上させると同時
に、浸漬管耐火物とランスとの損耗も抑制することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】撹拌用不活性ガス流量を一定範囲としたとき
の、Ｄ／Ｄo と脱炭速度、均一混合時間および浸漬管補
修頻度との関係を示す図である。

【図２】攪拌用不活性ガス流量と浸漬管内の地金付き指
数およびスラグ中FeO の増加量との関係を示す図であ
る。

【図３】酸素ガス燃焼比率およびランス異常溶損と、ラ
ンス高さおよび酸素ガス吹き付け線速度との関係を示す
図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１本足筒状浸漬管を取鍋内の未脱酸または
   弱脱酸の溶鋼に浸漬し、浸漬管内を真空排気して浸漬管
   の内壁または／および投影面下から溶鋼の撹拌用不活性
   ガスを吹き込み、浸漬管上方に設けた昇降可能なランス
   から酸素ガスを浸漬管内溶鋼表面に吹き付けて真空脱炭
   する真空精錬方法であって、下記 (1)〜(3)の条件を満
   たすことを特徴とする極低炭素鋼の真空精錬方法。 (1)浸漬管内径Ｄと取鍋内径Ｄo との比Ｄ／Ｄo が 0.5
   〜0.8 。 (2)撹拌用不活性ガス流量が５〜20Ｎリットル／(min・t
   on)。 (3)浸漬管内溶鋼表面からのランス高さが 1.5〜５m 、
   かつランスからの酸素ガス吹き付け線速度が100m／sec
   以上。