JPS5928515A - 鋼の精錬方法 - 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】 本発明は、脱炭を伴なう溶鋼の精錬方法の改良に関する
。　本発明は捷だ、この改良さｔた精錬方法の実施に使
用する装置にも関する。

本明細書において、「溶鋼」とは、溶融状態で鋼の成分
を有するものだけでなく、精錬の結果として鋼の成分を
もつに至るもの、たとえば銑鉄をも包含する。

転炉、　ＡＯＤ炉、　ＶＯＤ炉などの、反応容器内で溶
鋼中に酸素ガスを吹き込み、脱炭反応をはじめとする精
錬を行なうプロセスにおいて、溶鋼中の炭素含有量を適
確に知り、かつ終点炭素量を目標値に的中させることが
、基本的に重要である。　寸だ、酸素ガスとともにアル
ゴンのような不活性ガスを吹き込む精錬においては、精
錬の各段階における炭素含有量に応じて、脱炭に最も適
したガスの混合比および流量をえらぶことか、製造コス
ト低減の要請にこたえる上で、きわめて望ましい。

このような最適操業の実施により、精錬所要時間が短縮
されれば、耐火物の寿命が限界を与えている炉の使用回
数を増加することができる。

しかし、実際には、最適な操業パターンを見出すことは
決して容易ではなく、経験にもとづいて適切と考えられ
るやり方から、試行錯誤により多少ともよい方法を見出
す努力がなされている程度である。　たとえば、ＡＯＤ
プロセスによるステンレス鋼の精錬に例をとれば、脱炭
の第一、第二および第三の各段階において、溶鋼の炭素
含有量がそれぞれ０．３０％、０１０％および目標値に
近づいたところでガスの吹き込みを止め、吹精ガス中の
酸素ガスおよび不活性ガスの各流量を（従って両者の混
合比も）変化させて次の段階に進み、脱炭が終了すると
クロム還元期に移行する。

このような操業パターンは、精錬しようとする鋼の組成
などによって個々に最適なものを決定すべきであるが、
これまでは効果的な決定法が見出されていなかった。　
また、従来は各段階の間ごとに溶鋼ザンプルの採取と分
析および測温を行なっていたが、これはできるだけ低減
し、時間と労力を節約することが望ましい。

このようなわけで、脱炭によって減少しつつある溶鋼中
の炭素含有量をいちいち分析せずに把握し、かつ目標値
への的中率を高める方策が求められていた。

脱炭を行なう製鋼プロセスにおいて溶鋼の分析によらな
い炭素含有量の推定法としては、反応容器から出る排ガ
スの化学組成を分析してその中のＣＯおよびＣＯ２の濃
度を測定し、排ガスの総量を知って溶鋼から除去された
炭素量を算出し、残留用を求める技術が開示された（た
とえば特開昭５４−４２３２３号）。　さらに、排ガス
の分析から脱炭速度のパターンを認識して、終点炭素含
有量の的中率を高めることも提案されている（特開昭５
４−５３６１２号）。

排ガスの分析による除去炭素量の算出は、ガスの組成だ
けでなく流量の測定も正確に行なわなければならず、こ
れは一般に容易でないし、とくに開放型の反応容器を用
いる精錬には適用困難である。

従って本発明の主要な目的は、脱炭を伴う鋼の精錬にお
いて、溶鋼・中の炭素含有量を排ガスの分析以外の手段
で適確に推定し、それによってサンプリングおよび分析
の必要を軽減した精錬方法を提供することＫある。

本発明のこれにつぐ目的は、溶鋼の温度の上昇の度合を
直接測定することなく把握し、それによって溶鋼の温度
の翼常な上昇を回避しつつ精錬を行なう方法を提供する
ことにある。

本発明の特定の態様における目的は、クロムを含有する
溶鋼に酸素および不活性ガスを吹゛き込む脱炭精錬にお
いて、脱炭の進行に即応して吹き込む各ガスの流量およ
び混合比を調節することにより無用のクロムの酸化を避
けて、そのロスを低減する精錬方法を提供することにあ
る。

本発明の別の目的は、上述のような精錬プロセスを自動
的に制御しつつ実施する方法を提供することにある。

本発明の目的には、上記した精錬方法の実施に適する装
置を提供することも包含される。

鋼の精錬における脱炭速度の時間の経過に伴なう変化は
、一般に台形モデルの名で画業技術に知られでいる推移
に従う。すなわち初期は脱炭速度がＳｉａ度の減少と温
度の上昇に伴なって増大し、中期はほぼ一定になり（反
応律速）、末期は炭素含有量に比例してほぼ直線的に低
下する（拡散律速）。　そして、中期から末期へ移行す
るときの炭素含有量は、おおよそ０．３％といわれてい
る。

そこで本発明者らは、脱炭速度が低下すれば炭素の燃焼
により発生する熱量が低下するという事実に着目し、そ
れが反応容器から出る排ガスが持ち去る熱量に反映する
はずであると考え、実験によりこの予測が正しいことを
確認して本発明に至った。

すなわち、本発明の鋼の精錬方法は、基本的には１反応
容器内で溶鋼中に酸素ガ挾を吹き込んで脱炭を行なり溶
鋼の精錬において、反応容器から出る排ガスが単位時間
に持ち去る熱量を測定し、その変化によって溶鋼中の炭
素含有量を知ることを特徴とする。

反応容器から出る排ガスが持ち去る熱量を知るには、排
ガス温度とその流量とを測定すればよいが、流量の測定
には、従来の排ガス組成分析値を利用していた方法につ
いて述べたような問題がある。　本発明者らの経験によ
れば、排ガスの通路に設けた付属設備のだめの冷却用水
の熱負荷の変化によって、排ガスが単位時間に持ち去る
熱量を測定することができる。　この方法は間接的なよ
うであるが、かえって正確であって実際的といえること
が確認された。

排ガスの通路に設けた付属設備としては、たとえば精錬
に際して合金元素を添加するためのシュータ−があシ、
その冷却用水の熱負荷は、冷却水の入口と出口との温度
差をみることによって、きわめて容易に測定できる。

すなわち、第１図に示すように、反応容器１中の溶鋼２
に対して、羽口１１から酸素ガスおよび７　／ｌ／−ｒ
ンガスを吹き込み、一方、上部のランス３からも酸素ガ
スを吹き当てる。　排ガスはフード４を通して集塵およ
びガス処理のための装置（図示してない）に送られ、フ
ード内に設けた合金元素シュータ−５から合金元素を添
加する。　／ニーター５は排ガスによシ加熱されるので
、ジャケット構造とし、冷却水を通して冷却する。　精
錬時間の経過に伴なって、冷却水の入口５１と出口５２
との水温の差（Ｔ２−　Ｔ＋　）は、第２図に示すよう
な変化をたどる。

いま、水温差と溶鋼中の炭素含有量との間の関係を与え
ると、水温差ΔＴは、脱炭速度と雰囲気ガス組成との関
数であって、 ＪＴ＝ｆ（ｄＣ／ｄθ、　ＣＯ２／　Ｃｏ　）の関係に
あるから、 」立 ＣテΔＴ＝Ｋ（Ｗ　　　（ΔＨｃｏ＋αΔＨＣＯ２）　
ｌ　−１＋）　００ の式が成立する。

ただし、 Ｃ：水の比熱（Ｋｃａｌ　／　Ａｌｉ’　・’Ｃ）ω：
冷冷水水量＃／分） Ｗ：溶鋼重量（ｋｙ　） ΔＣ：脱炭速度（％／分） ΔＨｃｏ、ΔＨｃｏ２：　Ｃ＋Ｃｏ　、　Ｃｏ　＋ＣＯ
２の反応の発熱量（Ｋｃａｌ　／汀・Ｃ） α：　Ｃｏ−＋ＣＯ２置換率 に：冷却水への有効熱伝達率 一例として、脱炭後半（低炭素領域）を考える。

一般に脱炭後半では、ｄＣ／　ｄθ−βＣ（炭素拡散律
速）の関係があるので、（１）式は、っぎの（２）式の
ようになる。

実際に、各種のステンレス鋼の精錬において。

水温差ΔＴと溶鋼中Ｃ含有量（％）との関連をしらべた
結果、第３図に示すように、上述の理論から導かれる直
線（二重線）に対して、きわめてよい一致が認められた
。

ゆえに、冷却水の水温差を追跡することにより、溶鋼中
の炭素量を、かなり正確に把握できるのである。

次に、溶鋼の温度の管理について述べれば、まず、精錬
作業の熱バランスは次のとおシであって、（Ｃの酸化発
熱量）＋（他の元素の酸化発熱量）＝（溶鋼の温度を上
昇させる熱量）＋（損失熱量）時間りにおけるＣおよび
他の元素の酸化量をそれぞれｄＣおよびΔＭ、溶鋼温度
上昇をΔＴ、損失熱量をＱとすると、っぎの関係が成り
立つ。

αｃ−１・Ｗ−Ｈｃ＋αＭ−’Ｍ　　−Ｗ−ＨＭ＝Ｑ　
−ｔ　十Ｃｐ　−１００１００ ΔＴ・　　・　（３） ただし、 αＣ２αＭ二〇または他の元素１＃の酸化に要する０２
量 ＨＣ，ＨＭ：Ｃまたは他の元素１蛇の酸化による発熱量 Ｖ：０２量 Ｗ：溶鋼量 ＣＰ：比熱 式（５）において、ｄＣは前述のとおり冷却水水温差の
関数であるから、水温差にもとづいて溶鋼の温度を知る
ことができ、従ってそのコントロールも可能なことがわ
かる。

式（５＋の係数の値を考えると、ΔＴに大きな影響を与
えるものは、（Ｈｃ−ＨＭ　）　、ＨＭおよびｔ／Ｗの
・三つである。　このうち、（Ｈｃ−ＨＭ）およびＨＭ
ば、炭素と酸素とが反応しやすいか否かによって決定さ
れる係数である。　低温はど脱炭速度が低いことを考え
ると、溶鋼の温度上昇は精錬開始温度によって影響され
、開始温度が低い方が上昇の度合は大きいようである。

溶鋼の温度上昇は、Ｃの酸化量ΔＣが冷却水水温差の関
数であることから、 ΔＴ＝に、　（冷却水水温）十に２ の関係が考えられる。　　（ただし、ＨＣ＜ＨＭのため
Ｋｌは負の値をとる。　Ｋ２は正の値）つまり、溶鋼の
湿度上昇は、冷却水の水温差に対して右下がりの直線の
関係をとる二 これらの予測は正しいことが、実験的に証明された。　
ＳＵＳ　３０４鋼の精錬の第一段階末期における冷却水
水温差と溶鋼温度上昇との関係をしらべて、第４図に示
す結果を得た。　このグラフから、冷却水の水温差を尺
度に溶鋼の温度ト昇の度合を知ることができ、従って異
常昇温の察知と１〔Ｊ１避が可能なことがわかる。　な
お、酸鼻の吹き込みに際しては、ＣよりＳｉが優先的に
酸化されるので、精錬開始時のＳｉ含有量が高いと１Ｘ
１１１）度上昇も大きいことが予想され、これも正しい
ことがわかった。

さて、このように、排ガスが単位時間に持ち去る熱量の
変動を、冷却水の水温差を利用して把握し、溶鋼中の炭
素含有量を知り、脱炭速度を知ることができるので、脱
炭速度の低下に応じて、精錬のために吹き込むガスの流
量および組成をコントロールすることができる。　前期
した台形モデにより知られるように、溶鋼中の炭素含有
量０３％以下の低炭素領域では脱炭速度は炭素含有量に
ほぼ直線的に比例して低下する。　それに伴って、吹き
込む酸素の量を減らして、たとえばＣｒの無甲の酸化を
回避するのが得策である。

そのような操業のひとつの実施例として、Ｎｉ系ステン
レス鋼の精錬において、冷却水水温差の変動をとらえて
０２／Ｎ２ガス組成を変更した場合を、第５図に示す。

第５図の操業の第一段階（１の領域）においては、水温
差は精錬の開始とともに高まり、脱Ｓｉが終った点（Ａ
点、ここで上吹きを開始する）から急に上昇して一定に
なる。　ついで、下降をはじめた（Ｂ点）ことがわかっ
たら、ガス組成と流量を変えて吹錬を続ける。　曲線が
、いったん大きく下がって再び上がっているのは、実際
は上吹きの停止のために炉を傾け、合金シュータ−が炉
の」二部に位置しなくなるため、一時的に冷える結果で
あって、それがなければ破線でつないだような経過をた
どる。

第二段＠（Ｈの領域）における水温差曲線の最高点（０
点）は、従って、屈曲線であるから、そこでガス組成を
さらに変化させ、酸素の割合を小さくしだ。

次の屈曲点（Ｂ点）以降（Ｉｌｌの領域）では、クロム
の酸化かはじ捷るので、さらに酸素の割合を小さくする
ようガス組成を変えるとともに、全体の流量も低下させ
た。

上述の操業パターンの結果を従来の操業パターンと比較
してみると、脱炭速度はともに０．０２３（％／分）と
同じであったｚ玉１次のような原単位上のメリットが得
られた。

従来法　本発明 ガス消費量（Ｎｍ３／ｌ）　　０２　　４．０　　３．
４Ｎ２４．０　　４．７ サンプリングおよび温度測定についていえば。

従来はｔ１１第一段階／第二段階、（２）第二段階／第
三段階、（３）第三段階／Ｃｒ還元期、（４）終了時の
４時点で必らず実施しなければならなかったが１本発明
によれば、（１）〜（３）のサンプリングおよび温度測
定は皆無となる。　その結果、従来はたとえば平均７０
分間を必要としていだ１操業サイクルの時間を、５分間
は短縮できる。

本発明の精錬方法が製品品質に及ぼす効果は、第６図に
明らかである。　すなわち、　ＤＳＲ２ＯＨ系鋼の精錬
において、目標Ｃ値０．４０％に対して、実績値のバラ
ツキが、従来はｘ＝０．０３５に及んでいたのに対し、
本発明によるときは、ｘ−＝０．０１４に低減すること
ができた。

このほかの本発明の精錬方法の効果として注目すべきも
のは、前記した異常昇温の防止の結果として反応容器の
内張り耐火物の損傷が少なく、従って容器を何回もくり
返して使用できることである。

本発明者らの経験では、従来の２倍程度の耐用回数を得
るのは容易である。

以上、本発明の精錬方法を、最も簡易に実施でき、かつ
精度がすぐれている点で代表的といえる。

合金元素添加用シュータ−の冷却水の入口−出口温度差
の利用という態様に例をとって説明したが。

そのほか、排ガスが単位時間に持ち去る熱量を測定する
手段を使う限り、本発明の方法は実施可能であって、同
様な効果が得られる。

要約すれば、本発明によるときは、′＝！ず高度にコン
トロールされたＣ含有量の鋼製品を得ることができ、吹
き直しの必要など生じない。　次に。

原単位とくにガス消費量が改善され、金属層別の歩留り
が向上する。　さらに、操業時間が短縮づれ工数が減り
１反応容器の耐用回数が増大する。

このようにして、顕著なコスト削減効果が得られる。

はじめに述べたように、本発明は上述の精錬方法の実施
に使用する装置をも包含する。

本発明の鋼の精錬装置は、さきに説明した第１図にみる
とおり、羽口１１をそなえた反応容器１の」二に集塵兼
排ガス吸引フード４があり、フード４中にはジャケット
構造の合金元素ンユーター５が設けてあり、かつ」二吹
きランス３が付属し、酸素供給源（０２）から羽口１１
および上吹きランス３へ、それぞれコントロールバルブ
ＶｌおよびＶ２をへて配管され、不活性ガス供給源（Ｎ
２　ｒ　Ａｒ）がら羽口１１ヘコントロールバルブをへ
て配管され。

前記ジャケットの冷却水人口５１および出口５２の温度
差測定手段Ｔ１と溶鋼温度測定手段Ｔ２をそなえ、１゛
１およびＴ２からの信号を受けてあらかじめ与えられた
式による演算を行なって、各ガスの適切な流量を決定し
、前記コントロールバルブＶｌ　、　Ｖ２およびＶ３へ
の調節の指示を送る制御装置Ｃｎｔｒｌから構成され、
前述したところから理解されるように、冷却水水温差の
屈曲点をとらえて吹精ガスのコントロールを行なうもの
である。

第５図に掲げた操業パターンにおけるこの装置の作動の
例を説明すれば、第８図に示すように、まず精錬到達温
度を１７２０’Ｃに設定した場合、溶鋼の温度Ｔを測定
して、１７２０°Ｃに達するまでは。

吹精ガスの比を、０２　／Ａｒ　＝　９　／　９に保つ
。　溶鋼温度Ｔが１７２０°Ｃに達したならば、０２　
／　Ａｒ　＝　６／１２に変更して、さらに精錬を続け
る。　この間に冷却水水温差ｔの測定を続け、最高温度
ｔｍａｘより１°Ｃ以上低下したことを検出したならば
、０２／Ａｒ＝４／１２に変更するといったやり方であ
る。

このようにして、コンピュータによる自動制御下に、最
適条件で鋼の精錬を続けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の精錬方法の代表的な態様を説明する
だめの、装置の主要部の断面図である。 第２図は、第１図の装置の合金元素／ニーター冷却水の
入口および出口における温度の差が、精錬時間の進行に
つれて変化するようすを示す、概念的なグラフである。 第３図は、第１図の装置を用いて精錬を行なったときの
、シュータ−冷却水水温差と溶鋼中Ｃ含有量との関係を
示すグラフである。 第４図は、精錬の第一段階における冷却水水温差と溶鋼
温度上昇の度合との関係を、種々の精錬開始温度につい
て示すグラフである。 第５図は、Ｎｌ系ステンレス鋼の精錬において、冷却水
水温差の変動とそれにもとづく吹精ガスの変動のパター
ンを、従来方法と比較して示した図である。 第６図は、　ＤＳＲ２ＯＨ系鋼の精錬におけるＣ値の目
標からのバラツキを、本発明と従来法とで比較して示し
だヒストグラムである。 第７図は、本発明の鋼の精錬装置の概要を説明するだめ
の系統図である。 第８図は、第７図の装置を用いて鋼の精錬を行なう場合
の、ガス流量の変更のだめの手続を示すフローダイアグ
ラムである。 Ｉ　・・・・反応容器 ２−　溶鋼 ３　　・・　上吹きランス ５　　・合金元素シュータ− １１・・羽口 ５１・・　冷却水入口 ５２・・・　冷却水出口 （０２）・・酸素源 （Ｎ２　、　Ａｒ　）　　−・・・−不活性ガス源Ｖｌ
、Ｖ２１Ｖ３・・・　コントロールバルブＴＩ、Ｔ２　
　・・・・・・・　温度測定手段Ｃｎ　ｔ　ｒ　ｌ　　
・−・・・・・・・　制御装置矛１図 〈 牙２図 時間→　　　　　　　０ （’／、） ７１（温良（’Ｃ） 才δ図 時用 牙６図 牙７図 牙８図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　反応容器内で溶鋼中に酸素ガスを吹き込んで
   脱炭を行なう溶鋼の精錬において１反応容器から出る排
   ガスが単位時間に持ち去る熱量を測定し、その変化によ
   って溶鋼中の炭素含有量を知ることを特徴とする鋼の精
   錬方法。
2. （２）　　排ガスが単位時間に持ち去る熱量を、排ガス
   の通路に設けた付属設備のだめの冷却用水の熱負荷の変
   化によって測定する特許請求の範囲第１項の精錬方法。
3. （３）　　排ガスが単位時間に持ち去る熱量を、合金元
   素添加用のシュータ−の冷却水の温度上昇の度合の変化
   によって測定する特許請求の範囲第２Ｉ項の精錬方法。
4. （４）　　溶鋼中に酸素ガスおよび不活性ガスを吹き込
   み、その吹き込み期間の少なくとも一部において、溶鋼
   の上方から酸素ガスおよび（！、たけ）不活性ガスを吹
   き当てる特許請求の範囲第１項の精錬方法。
5. （５）溶鋼中に酸素ガスおよび不活性ガスを吹き込み、
   排ガスが単位時間に持ち去る熱量を測定し、その変化に
   応じて吹き込むガスの流量および混合比を変化させて精
   錬を続け、終点炭素含有量を制御する特許請求の範囲第
   １項の精錬方法。
6. （６）羽口１１をそなえた反応容器１の上に排ガス吸引
   フード４があってその中にはジャケットによシ水冷され
   る合金元素シュータ−５が設けてあシ、かつ上吹きラン
   ス３が付属し、酸素供給源（０２）から羽口１１および
   上吹きランス３へそれぞれコントロールバルブＶ工およ
   びＶ２をへて配管され、不“活性ガス供給源（Ｎ２．Ａ
   ｒ）から羽口１１ヘコントロールバルプＶ３ヲへて配管
   され、前記ジャケットの冷却水人口５１および出口５２
   の温度差測定手段Ｔ□と溶鋼温度測定手段Ｔ２をそなえ
   、Ｔ□およびＴ２からの信号を受けてあらかじめ与えら
   れた式による演算を行なって、各ガスの適切な流量を決
   定し、前記コントロールパルプＶ０、ｖ２およびｖ３へ
   の調節の指示を送る制御装置Ｃｎｔｒ１．から構成され
   る鋼の精錬装置。