JPWO2020255917A1 - 溶鋼へのCa添加方法 - Google Patents

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Abstract

溶鋼に添加するCa含有合金の組成を見直すことで、取鍋内の溶鋼に高い添加歩留まりでCa(カルシウム)を添加する。本発明に係る溶鋼へのCa添加方法は、取鍋内の溶鋼にCa(カルシウム)を添加するにあたり、Caを含有するとともに、下記の(1)式を満たすMg(マグネシウム)を含有するCa含有合金(カルシウム含有合金)を添加する。また、RH真空脱ガス装置で精錬した後の取鍋内の溶鋼に、前記Ca含有合金を添加することが好ましい。0.3≦Mg含有量(質量%)/Ca含有量(質量%)≦1.0 …(1)

Description

本発明は、取鍋内の溶鋼に高い添加歩留まりでCa(カルシウム)を添加する方法に関する。
溶鋼へのCa(カルシウム)添加は、ラインパイプ用鋼、快削鋼、ステンレス鋼、電磁鋼などにおいて、鋼中の非金属介在物の形態を制御し、耐食性や機械的特性、電磁特性などを向上させる目的で、一般的に行われている。例えば、製鋼−鋳造工程で鋼中に生成したMnS(硫化マンガン)やAl(酸化アルミニウム)などの非金属介在物は、圧延工程時に伸延または破砕され、ラインパイプ用鋼などの鋼材において水素誘起割れ(HIC)の起点となる。そのため、耐HIC特性が要求される鋼材の製造では、溶鋼へのCa添加により、上記の有害非金属介在物をCaS(硫化カルシウム)系非金属介在物及びCaO(酸化カルシウム)−Al系非金属介在物に改質し、非金属介在物を無害化している。
通常、溶鋼へのCa添加においては、Ca源として、Ca−Si(珪素)合金、Ca−Fe(鉄)合金、Ca−Al(アルミニウム)合金などのCa含有合金(カルシウム含有合金)、または、CaC(炭化カルシウム)、CaCN(カルシウムシアナミド)、CaCl(塩化カルシウム)などのCa化合物(カルシウム化合物)が使用されている。しかし、Caは、蒸気圧が高く、密度も溶鋼に対して小さいので、溶鋼へのCa添加では、溶鋼の熱でCaが蒸発して雰囲気中に排出してしまうので、溶鋼へのCaの添加歩留まりは低い。
Caの添加歩留まりが低すぎると、有害非金属介在物の改質が不十分となり、非金属介在物の形態制御を正確に行うことができなくなる。また、低い添加歩留まりを考慮して、添加するCa含有物質の量を増やすと、鋼中に歩留まらずに浪費されるCa分が増え、経済的ではなく、鋼材の製造コストが上昇する。したがって、Caの添加歩留まり向上は、溶鋼へのCa添加の際の重要な課題である。
溶鋼へのCa添加の一般的な方法としては、先ず、転炉出鋼後の二次精錬工程において、取鍋に収容され、アルミニウム(Al)で脱酸された溶鋼をフラックスによって脱硫処理して溶鋼の硫黄含有量を低減する。その後、RH真空脱ガス装置などの真空脱ガス設備における真空脱ガス精錬中または真空脱ガス精錬後から連続鋳造設備での鋳造開始までの期間に、インジェクション法またはワイヤーフィーダー法によって溶鋼へCaを添加する方法が知られている。
ここで、「インジェクション法」とは、粉粒状のCa含有合金またはCa化合物を、溶鋼へ浸漬したインジェクションランスを介して、キャリアガスとともに取鍋底部へ吹き込む方法である。また、「ワイヤーフィーダー法」とは、鉄被覆カルシウム−ワイヤーを、ピンチロールの駆動力で溶鋼中へ高速度で取鍋底部まで供給する方法である。ここで、「鉄被覆カルシウム−ワイヤー」とは、粉粒状のCa含有合金を薄鋼板で被覆した成形体である。その際、溶鋼中の反応を均一化させる場合には、取鍋に設置した吹き込み管またはポーラスプラグから不活性ガスを溶鋼中に吹き込み、不活性ガスによって溶鋼を撹拌している。
前記インジェクション法及び前記ワイヤーフィーダー法は、Caの高い蒸気圧を考慮し、溶鋼静圧が付加される鋼浴底部にCaを添加することで、Caの添加歩留まりを増加させる手段として開発された添加方法である。これらの方法を前提とし、Ca添加歩留まりの更なる向上を目指した添加条件改善の手段が数多く提案されている。
例えば、Ca添加条件の検討の例として、特許文献1には、Ca含有物質を適正量添加するために、Ca含有物質の添加速度に応じてキャリアガスの吹き込み速度を適正に制御する方法が提案されている。しかし、特許文献1は、Ca含有物質の種類は限定しておらず、Ca含有物質の合金組成による歩留まり影響は考慮していない。
一方、特許文献2には、無方向性電磁鋼のためのCa添加において、Ca含有合金の条件として、添加するCa含有合金を不動態化処理し、その組成を、Ca;18〜27質量%、Mg(マグネシウム);2〜6質量%、Si;20〜35質量%、Al;1〜9質量%、Zr(ジルコニウム);1〜5質量%、並びに、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成に規定することで、Caの反応速度を下げるとともに溶解度を上げ、これにより、Caの添加歩留まりを向上させる添加方法が提案されている。
しかし、特許文献2のCa含有合金では、歩留まりを向上させるために添加するとしているMg及びZrの含有量がどちらも6質量%以下の濃度であるが、この組成に規定した理由が言及されていない。特に、MgはCaよりも蒸気圧が高く、溶鋼中での蒸発がCaよりも速いので、特許文献2で規定されている組成では、Caの溶解度の向上に効果的ではない。
また、特許文献3には、鉄被覆カルシウム−ワイヤーまたは粉粒状以外のCa含有合金の添加形態として、溶融したCa含有合金を密閉容器内に収容し、密閉容器内の溶融Ca含有合金を、注入管を介して溶鋼中に加圧注入する方法が提案されている。しかし、特許文献3では、Ca含有合金を溶融させる加熱装置や加圧を行う密閉容器が必要であり、常温のCa含有合金をインジェクション法またはワイヤーフィーダー法で添加する方法よりもコストが高く、且つ、ハンドリングも難しい。
その他、特許文献4には、Ca含有合金の添加場所の検討として、鉄被覆カルシウム−ワイヤーの添加をRH真空脱ガス装置での処理中に行う方法が提案されている。特許文献4によれば、溶鋼流が弱く、溶鋼の静圧の高い、真空槽からの溶鋼吐出部に鉄被覆カルシウム−ワイヤーを供給することにより、溶鋼中へのCa含有合金粉体の流出促進効果が高くなり、蒸発損失が少なくなるので、添加歩留まりが向上するとしている。
しかし、RH真空脱ガス装置での処理中にCa添加を行うと、Caを添加された溶鋼が真空槽内を環流するときに、Caの蒸発を促進させる、または、非金属介在物となって浮上分離を促進させてしまうので、特許文献4では、Caの添加歩留まりの向上に限界がある。
特開平8−157934号公報 特表2015−515541号公報 特開昭59−159921号公報 特開平10−245621号公報
上記のように、溶鋼へのCa添加において、種々の提案がなされているが、高い添加歩留まりで添加する観点からは、従来、有効な手段はない。
Caの添加歩留まりを向上させたCa添加方法の開発には、Ca含有合金の添加量や添加速度、キャリアガスの吹き込み速度といった添加条件だけでなく、添加するCa含有合金の組成も検討する余地がある。また、経済性及び取扱いの観点から、既存のインジェクション法またはワイヤーフィーダー法を用いて容易に実施可能な添加方法であることが必要である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、溶鋼に添加するCa含有合金の組成を見直すことで、取鍋内の溶鋼に高い添加歩留まりでCaを添加することができる、溶鋼へのCa添加方法を提供することである。
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
[1]取鍋内の溶鋼にCa(カルシウム)を添加するにあたり、下記の(1)式を満たすMg(マグネシウム)を含有するCa含有合金(カルシウム含有合金)を添加する、溶鋼へのCa添加方法。
0.3≦Mg含有量(質量%)/Ca含有量(質量%)≦1.0 …(1)
[2]RH真空脱ガス装置で精錬した後の取鍋内の溶鋼に、前記Ca含有合金を添加する、上記[1]に記載の溶鋼へのCa添加方法。
[3]前記Ca含有合金は、Ca含有量が15〜30質量%、Mg含有量が10〜20質量%、Si(珪素)含有量が40〜60質量%で、残部がFe(鉄)及び不可避的不純物である、上記[1]または上記[2]に記載の溶鋼へのCa添加方法。
[4]前記Ca含有合金は、Ca含有量が15〜30質量%、Mg含有量が10〜20質量%、Al(アルミニウム)含有量が40〜60質量%で、残部がFe及び不可避的不純物である、上記[1]または上記[2]に記載の溶鋼へのCa添加方法。
[5]前記Ca含有合金を薄鋼板で被覆した鉄被覆カルシウム−ワイヤーを使用して溶鋼にCaを添加し、前記鉄被覆カルシウム−ワイヤーの溶鋼への添加速度を、Ca純分で1分間あたり5〜15kg、Mg純分で1分間あたり4〜10kgとする、上記[1]から上記[4]のいずれかに記載の溶鋼へのCa添加方法。
本発明によれば、Ca及びMgを成分として含有するCa含有合金を溶鋼に添加するので、Mgガスによる溶鋼の撹拌により、局所的なCa溶解度の低下が抑制されるとともに、Mgによる非金属介在物の還元により、Caと低級酸化物との還元反応によるCaの消費が抑制され、その結果、Caの添加歩留まりを向上させることが実現される。
以下、本発明に係る溶鋼へのCa(カルシウム)添加方法を具体的に説明する。
本発明に係る溶鋼へのCa添加方法は、取鍋内の溶鋼にCa(カルシウム)を添加するにあたり、所定量のCaを含有するとともに、所定量のMg(マグネシウム)を成分として同時に含有するCa含有合金(カルシウム含有合金)を添加することを必須とする。
所定量のCa及びMgを成分として含有するCa含有合金を使用することで、Caの添加歩留まりが向上する理由について説明する。
Mgは、Caよりも蒸気圧が高く、且つ、融点が低いので、Caよりも蒸発しやすい元素であり、また、Caと同様に酸素との親和力が強い脱酸元素である。したがって、Ca及びMgを含有するCa含有合金を溶鋼に添加すると、Caの蒸発よりも先にMgの蒸発が起こる。Ca含有合金中のMg含有量がCa含有量に対して所定の範囲内の比率の場合、Mgガスの一部が溶鋼中に溶解し、溶存Mg(溶鋼中に溶解して存在するMg)による非金属介在物の還元と、Mgガスによる溶鋼の撹拌とが、同時に起こる。
その結果、溶鋼が撹拌されることで、Ca含有合金の添加位置において溶鋼中のCa濃度が局所的に高濃度化することがなく、Ca濃度が局所的に高濃度化することによるCaの溶解量の低下が抑制される。同時に、溶存Mgによる非金属介在物の還元によって溶鋼中の低級酸化物が減少するので、溶存Caと低級酸化物との還元反応によるCaの消費が抑制される。これらによってCaの添加歩留まりが向上する。
上記のMgによる効果を発揮させるためには、Ca及びMgを含有するCa含有合金において、Mg含有量がCa含有量に対して下記の(1)式を満たす必要がある。
0.3≦Mg含有量(質量%)/Ca含有量(質量%)≦1.0 …(1)
Mg含有量がCa含有量の0.3倍未満の場合には、上記のMgによる効果が十分ではなく、Caの添加歩留まりの向上は期待できない。Caの添加歩留まりを安定して向上させるためには、Mg含有量がCa含有量の0.4倍以上、より望ましくは0.5倍以上であることが好ましい。一方、Mg含有量がCa含有量の1.0倍を超えると、Mgガス気泡の中にCaもガス成分として取り込まれ、却ってCaの添加歩留まりが低下する。
尚、Caを含有する合金(Mgは含有しない)と、Mgを含有する合金(Caは含有しない)とを、物理的に混合して溶鋼に添加した場合、または、個別に同時に溶鋼に添加した場合に比較して、CaとMgとを同時に含有するCa含有合金を用いることで、安定的にCaの添加歩留まりを向上させることが可能となる。これは、Ca及びMgを含有するCa含有合金を用いることで、上記のMgによる効果、つまり、Mgガスによる溶鋼の撹拌と、溶存Mgによる非金属介在物の還元とが、取鍋内溶鋼中で均一に起こり、添加位置に起因する溶鋼中Ca濃度と溶鋼中Mg濃度との偏りが生じないためである。
また、本発明に係る溶鋼へのCa添加方法では、溶鋼に添加するMgは、Mgガスによる溶鋼の撹拌及び溶存Mgによる非金属介在物の還元に消費されるので、溶鋼中に成分として残留しなくてもよい。
Ca及びMgを含有するCa含有合金の取鍋内溶鋼への添加時期は、転炉から取鍋に出鋼され、その後のRH真空脱ガス装置での真空脱ガス精錬が終了した後から連続鋳造設備での連続鋳造開始までの期間とすることが好ましい。RH真空脱ガス装置での真空脱ガス精錬を経ることで、取鍋内溶鋼の清浄性が高まり、溶鋼中へ溶解したCaと溶鋼中の溶存酸素や低級酸化物との反応が低減し、これらの反応によって消費されるCa分が少なくなり、溶鋼中に溶解したCaが増加するからである。
本発明に係る溶鋼へのCa添加方法で使用するCa含有合金としては、Ca含有量が15〜30質量%、Mg含有量が10〜20質量%、Si(珪素)含有量が40〜60質量%で、残部がFe(鉄)及び不可避的不純物であるCa含有合金、または、Ca含有量が15〜30質量%、Mg含有量が10〜20質量%、Al(アルミニウム)含有量が40〜60質量%で、残部がFe及び不可避的不純物であるCa含有合金が好適である。
Ca含有合金として、上記の組成が好適である理由を説明する。
Caは、Ca含有合金中の含有量を高めるほど、添加に必要なCa含有合金の質量を減らすことができ、経済的に有利であるが、Ca含有量が30質量%を超えると、Ca含有合金として安定化できず、添加時の反応も激しく、取扱いが難しくなる。また、Ca含有量が15質量%未満では、所定量のCaを添加するための使用時間が長くなり、生産性が低下するのみならず、添加に必要なCa含有合金の質量が増大し、経済的に不利である。そのため、Ca含有合金のCa含有量は、15〜30質量%とすることが好ましい。
Mgは、Ca含有合金中の含有量が10質量%未満では、Mgが溶鋼中に溶解するための駆動力が十分に得られず、非金属介在物の還元を十分に行わないまま、ガスとして雰囲気中に排出されてしまい、Caの添加歩留まり向上効果が期待できない。一方、Mg含有量が20質量%を超えると、Caとの安定な合金を形成できない上に、Mgの添加効果も飽和する。そのため、Ca含有合金のMg含有量は、10〜20質量%とすることが好ましい。
Siは、Ca及びMgを含む合金を安定化するための成分であり、Ca含有合金のSi含有量は、上記に説明したCa含有量及びMg含有量、並びに、不純物として混入するFeの含有量によって決められる。つまり、Ca含有合金のSi含有量は、40〜60質量%とすることが好ましい。
また、Ca及びMgは、上記のSi以外にAlとの合金化でも安定化される。したがって、Alとの合金化の場合にも、上記のSi含有量と同様に、Ca含有合金のAl含有量は、40〜60質量%とすることが好ましい。
本発明に係る溶鋼へのCa添加方法において、Ca含有合金は、インジェクション法またはワイヤーフィーダー法のどちらでも、溶鋼に添加することが可能であり、新たな添加設備を導入する必要がない。但し、インジェクション法とワイヤーフィーダー法とを比較すると、Ca及びMgを含有するCa含有合金を使用している本発明においては、添加するMgの蒸発で生じるガスが溶鋼の撹拌を行っている。したがって、キャリアガスによって粉粒体を溶鋼に吹き込むとともに、溶鋼の撹拌を行うインジェクション法に比較して、ワイヤーフィーダー法では、インジェクションランスからの不活性ガスの吹き込みを省略することができ、Ca添加操業をより簡便化できる。
ワイヤーフィーダー法を採用して、本発明に係る溶鋼へのCa添加方法を実施する際には、鉄被覆カルシウム−ワイヤーの溶鋼への添加速度は、Ca純分で1分間あたり5〜15kg、Mg純分で1分間あたり4〜10kgとすることが好ましい。また、鉄被覆カルシウム−ワイヤー自体の添加速度としては、0.15〜0.20kg/(溶鋼−t・min)とすることが好ましい。上記の添加速度であれば、Caの添加歩留まりを高く維持することが達成される。ここで、「鉄被覆カルシウム−ワイヤー」とは、粉粒状のCa含有合金を薄鋼板で被覆した成形体である。
以上説明したように、本発明によれば、Ca及びMgを成分として含有するCa含有合金を溶鋼に添加するので、Mgガスによる溶鋼の撹拌により、局所的なCa溶解度の低下が抑制されるとともに、Mgによる非金属介在物の還元により、Caと低級酸化物との還元反応によるCaの消費が抑制される。その結果、Caの添加歩留まりを向上させることが実現される。
組成の異なるCa含有合金を取鍋内溶鋼に添加し、耐HIC鋼を製造する試験を行った。試験では、転炉で溶銑を脱炭精錬して250トンの溶鋼を溶製し、溶製した溶鋼を取鍋に出鋼し、出鋼後、取鍋精錬炉で取鍋に収容された溶鋼を脱硫処理した。その後、RH真空脱ガス装置で真空脱ガス精錬を実施し、その後、RH真空脱ガス装置での精錬終了後から連続鋳造設備での連続鋳造開始前までの期間に、ワイヤーフィーダー法によって、組成の異なるCa含有合金を取鍋内溶鋼に添加した。
いずれの試験も、転炉出鋼後に金属Alを取鍋内に添加して250トンの溶鋼を脱酸した。その後の取鍋精錬炉での脱硫処理工程では、CaO−Al−SiO系フラックスを脱硫剤として使用し、黒煙電極からのアーク熱により、溶鋼を昇温し且つ前記脱硫剤を滓化させた。その後、溶鋼に浸漬させたインジェクションランスから、撹拌用ガスとして100〜150Nm/hrのアルゴンガスを吹き込み、溶鋼と脱硫剤とを撹拌して混合し、脱硫処理を行った。
この脱硫処理後に、RH真空脱ガス装置を用いて、真空脱ガス精錬、具体的には、脱ガス処理、溶鋼成分の調整、溶鋼撹拌による非金属介在物の浮上・分離を行い、溶鋼中の総酸素濃度(トータル酸素濃度)を0.0020質量%以下に調整した。真空脱ガス精錬の処理時間は20分とし、いずれの試験も同一条件とした。表1に、真空脱ガス精錬終了後の溶鋼の代表成分を示す。
Figure 2020255917
取鍋内溶鋼へ添加するCa含有合金としては、Ca及びMgを含有するCa含有合金(Ca−Mg−Si合金、Ca−Mg−Al合金)、及び、比較のために、Mgは含有せずにCaを含有するCa含有合金(Ca−Si合金)を使用した、
RH真空脱ガス装置での真空脱ガス精錬の終了後、溶鋼を収容した取鍋をRH真空脱ガス装置から払い出し、その後、取鍋内の溶鋼に対して、ワイヤーフィーダー装置を用いてCa含有合金を添加した。ワイヤーフィーダー装置では、上記のCa含有合金(Ca−Mg−Si合金、Ca−Mg−Al合金、Ca−Si合金)の粉粒体を内部に充填した鉄被覆カルシウム−ワイヤー(鉄皮厚み;0.04cm)を0.14〜0.21kg/(溶鋼−t・min)の添加速度で、1チャージあたり100kg添加した。Ca含有合金添加時の溶鋼温度は1580〜1620℃であった。
Ca−Mg−Si合金の組成は、Ca含有量を15〜30質量%、Mg含有量を5〜25質量%の範囲で変化させ、Ca−Mg−Al合金の組成は、Ca含有量を20〜25質量%、Mg含有量を15〜20質量%の範囲で変化させた。一方、Ca−Si合金の組成は、Ca含有量を30質量の一定値とした。
Ca含有合金の添加前後で、溶鋼から分析用試料を採取し、溶鋼のCa濃度を分析し、それぞれの試験におけるCaの添加歩留まりを調査した。Caの添加歩留まりは、下記の(2)式によって算出した。
Ca添加歩留まり(%)=[Ca添加後の溶鋼中Ca濃度(質量%)−Ca添加前の溶鋼中Ca濃度(質量%)]×1000/Ca添加量(kg/溶鋼−t) …(2)
表2に、各試験において使用したCa含有合金の組成、及び、各試験におけるCa含有合金の添加速度、Ca添加歩留まりを示す。尚、表2の備考欄には、本発明に係る溶鋼へのCa添加方法を適用した試験を「本発明例」と表示し、それ以外の試験を「比較例」と表示している。
Figure 2020255917
表2から明らかなように、本発明例は、比較例に比べて、高いCaの添加歩留まりを得られることが確認できた。したがって、所定量のCaを含有するとともに、所定量のMgを成分として含有するCa含有合金を使用することで、Caの添加歩留まりを向上させたCa添加が実施できることが確認された。

Claims (5)

  1. 取鍋内の溶鋼にCa(カルシウム)を添加するにあたり、下記の(1)式を満たすMg(マグネシウム)を含有するCa含有合金(カルシウム含有合金)を添加する、溶鋼へのCa添加方法。
    0.3≦Mg含有量(質量%)/Ca含有量(質量%)≦1.0 …(1)
  2. RH真空脱ガス装置で精錬した後の取鍋内の溶鋼に、前記Ca含有合金を添加する、請求項1に記載の溶鋼へのCa添加方法。
  3. 前記Ca含有合金は、Ca含有量が15〜30質量%、Mg含有量が10〜20質量%、Si(珪素)含有量が40〜60質量%で、残部がFe(鉄)及び不可避的不純物である、請求項1または請求項2に記載の溶鋼へのCa添加方法。
  4. 前記Ca含有合金は、Ca含有量が15〜30質量%、Mg含有量が10〜20質量%、Al(アルミニウム)含有量が40〜60質量%で、残部がFe及び不可避的不純物である、請求項1または請求項2に記載の溶鋼へのCa添加方法。
  5. 前記Ca含有合金を薄鋼板で被覆した鉄被覆カルシウム−ワイヤーを使用して溶鋼にCaを添加し、前記鉄被覆カルシウム−ワイヤーの溶鋼への添加速度を、Ca純分で1分間あたり5〜15kg、Mg純分で1分間あたり4〜10kgとする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の溶鋼へのCa添加方法。
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