WO2020004501A1

WO2020004501A1 - 鋼の製造方法

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Publication number: WO2020004501A1
Application number: PCT/JP2019/025471
Authority: WO
Inventors: 敦岡山
Original assignee: 日本製鉄株式会社
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-01-02
Also published as: TWI699436B; KR102441788B1; JPWO2020004501A1; TW202000926A; CN111819296A; JP6806288B2; KR20200118191A

Abstract

溶鋼を溶鋼炉から出鋼して取鍋に受鋼する工程と、前記取鍋に受鋼した前記溶鋼を前記取鍋から排出して鋳造する工程と、を含み、前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する際、下記（１）式によって算出されるスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上を満たす量Ｗの酸化物からなる副原料を、前記溶鋼の受鋼開始前に前記取鍋内の底部に入れ置き又は受鋼開始と共に前記取鍋内に投入し、前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する。前記副原料の組成が、ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３：０．８～４．０、５％≦ＳｉＯ_２≦１０％、ＭｇＯ≦１０％を満たしていると好ましい。　Ｔ＝（Ｗ／ρ）／（（π・Ｄ^２）／４）　（１）　ただし、Ｄ：取鍋直径（ｍ）、ρ：溶融酸化物密度（＝３０００ｋｇ／ｍ^３）、Ｗ：副原料の量（ｋｇ）。

Description

鋼の製造方法

　本開示は、鋼の製造方法に関するものである。

　鋼材に要求される材料特性が高度化しており、鋼材の靱性をはじめとする特性値の向上が求められている。特に、ガス成分である窒素が鋼材に含まれると、一般的には靱性低下が生じる。このため、鋼材中の窒素を無害化するため、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ａｌといった窒化物形成元素を添加することで無害化が図られているが、鋼材に合金を添加すると合金コストが増加することに加え、材料強度といった他の特性にも影響を及ぼす。このため、製造段階で可能な限り低窒素化することが望ましい。

　高炉－転炉法で鋼を製造する場合、高炉で溶製された、炭素を４～５％（本明細書中では特に説明がない限り、元素又は化合物の量を示す「％」及び「ｐｐｍ」は全て質量比を意味する。）の溶銑を転炉に装入し、転炉内で脱炭する。その際、転炉内では上吹きランスから溶鋼に大量の酸素が吹き付けられ、転炉内は脱炭反応で生じたＣＯガスで満たされ、雰囲気中の窒素分圧が低下するとともに上吹きガスジェットで溶鋼が激しく攪拌するため、脱窒反応が進む。転炉内では底吹きにより溶鋼が強攪拌されることもあり、転炉吹錬終了時の溶鋼中窒素濃度は１０ｐｐｍ程度まで低下する。しかしながら、次工程に溶鋼を搬送するため、溶鋼は転炉から取鍋に出鋼されるが、出鋼の際に出鋼流が大気を巻き込むことで、溶鋼中の窒素濃度が上昇してしまう。

　次工程として、真空脱ガス装置を使って溶鋼を減圧処理する場合、減圧処理中に溶鋼中窒素濃度が低下するが、溶鋼中窒素濃度の低下速度は遅いことに加え、高速処理が求められる状況では減圧処理に依存することはできず、真空脱ガス装置だけを使って低窒素鋼を経済的、安定的に製造するには至っていない。

　このため、低窒素鋼を経済的、安定的に製造するには、転炉で１０ｐｐｍ程度まで窒素濃度を低減した溶鋼を、吸窒させることなく取鍋に出鋼し、真空脱ガス装置では吸窒を抑制した状態を維持し、次工程である連続鋳造に移るのが理想である。

　低窒素鋼を製造する観点から、以下に示すように、出鋼時の吸窒を抑制する手法が提案されている。出鋼時の溶鋼の吸窒を抑制するには、（１）吸窒が生じている部分を大気から遮断する、（２）大気中の窒素分圧を下げる、（３）吸窒反応を遅らせる、（４）反応界面積を低減する、といった手法が考えられる。

　これらのなかで、（１）および（２）は出鋼時に非窒素ガスを出鋼流もしくは取鍋内に導入する技術であり、下記特許文献１～３で提案されている。
　特許文献１では、脱窒された低窒素溶鋼を不活性ガスでシールしながら出鋼する技術が提案されている。
　特許文献２では、蓋を有する受鋼用取鍋内において、酸素富化空気によって燃料を燃焼させ受鋼取鍋を予熱し、且つ燃焼排ガスで置換することにより受鋼用取鍋内の雰囲気中の窒素を低下せしめた後に、転炉出鋼時に受鋼用取鍋の蓋に設けられた溶鋼流を囲む円環状に配設されたノズルからアルゴンガスを溶鋼流に吹き付けることを特徴とする技術が提案されている。
　特許文献３では、炭酸カルシウムを入れた取鍋内に溶鋼を出鋼し、出鋼時及び出鋼中の取鍋内の雰囲気をＣＯ_２ガス雰囲気として、溶鋼が空気と接触するのを抑制する方法が開示されている。

　また、（３）は特許文献４にも記載されている通り出鋼時に未脱酸もしくは半脱酸状態として出鋼する方法であり、多くの先行技術文献に見られる一般的な手法である。

　転炉から取鍋への出鋼時において、溶鋼への吸窒が生じている場所は、非特許文献１に記載されているように、溶鋼が転炉から取鍋内に出鋼される際に生じる滝壷部であると考えられる。しかしながら、（４）反応界面積を低減させる手法、それも滝壷部における反応界面積低減に着目した発明に関しては、特許文献５を除いては見あたらない。特許文献５では、出鋼流を、傾斜させた取鍋の壁に沿わせて取鍋に受鋼するとともに、転炉等の製鋼炉の出鋼口に不活性ガスを供給して出鋼流に不活性ガスを混入させる技術が提案されている。

特開昭６０－２６６１１号公報特開平２－２８５０２０号公報特開２００３－２９３０２２号公報特開昭５９－１９０３１４号公報特開昭６１－１６６９１１号公報

長隆郎ら著「転炉出鋼時の溶鋼の酸素および窒素吸収の推算」、鉄と鋼、６９（１９８３）、ｐ．７６７－７７４岡山敦ら著「注入流のガス吸収挙動に関する水モデル実験」、鉄と鋼、１０２（２０１６）、ｐ．６０７－６１３

　特許文献５に開示されている技術は、出鋼流の滝壷自体のサイズを低減する方法である。滝壷のサイズを小さくすると吸窒が生じる反応界面積も低減するため、吸窒抑制効果が得られるが、出鋼流を取鍋の壁に沿わせるのは耐火物の溶損リスク等が大きい。このため、滝壷が生成したとしても、その滝壷内で吸窒が生じる界面積を低減させることが可能な、異なる切り口の技術が必要である。

　本開示は、溶鋼を取鍋に出鋼する際に出鋼流によって形成される滝壷部での吸窒を効果的に抑制することのできる、鋼の製造方法を提供することを目的とする。

　即ち、本開示の要旨とするところは以下のとおりである。
＜１＞　溶鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋に受鋼する工程と、
　前記取鍋に受鋼した前記溶鋼を前記取鍋から排出して鋳造する工程と、を含み、
　前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する際、下記（１）式によって算出されるスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上を満たす量Ｗの酸化物からなる副原料を、前記溶鋼の受鋼開始前に前記取鍋内の底部に入れ置きし又は受鋼開始と共に前記取鍋内に投入し、前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する、鋼の製造方法。
　　Ｔ＝（Ｗ／ρ）／（（π・Ｄ^２）／４）　　　（１）
　　Ｔ：スラグ厚み（ｍ）
　　Ｄ：取鍋直径（ｍ）
　　ρ：溶融酸化物密度（＝３０００ｋｇ／ｍ^３）
　　Ｗ：副原料の量（ｋｇ）
＜２＞　前記副原料の組成が、
　　ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３：０．８～４．０　　　（２）
　　５％≦ＳｉＯ_２≦１０％　　　　　　　　（３）
　　ＭｇＯ≦１０％　　　　　　　　　　　　（４）
　　ＣａＯ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２＋ＭｇＯ≧９０％　　　（５）
を満たしている、＜１＞に記載の鋼の製造方法。
　ただし、（２）～（５）式中の分子記号は当該分子の含有量（質量％）を意味する。
＜３＞　前記副原料の量Ｗが、前記（１）式によって算出される前記スラグ厚みＴが０．１ｍ以下を満たす量である、＜１＞又は＜２＞に記載の鋼の製造方法。
＜４＞　前記溶鋼の受鋼開始前に、前記量Ｗの前記副原料を前記取鍋内の底部に入れ置きしておく、＜１＞～＜３＞のいずれか１つに記載の鋼の製造方法。
＜５＞　前記取鍋内に入れ置きした前記副原料を予熱し、前記副原料の温度が８００℃以上の状態で前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する、＜４＞に記載の鋼の製造方法。

　本開示によれば、溶鋼を取鍋に出鋼する際に出鋼流によって形成される滝壷部での吸窒を効果的に抑制することのできる鋼の製造方法が提供される。

取鍋内のスラグ厚みと吸窒量の関係を示す図である。出鋼直前の合成フラックス温度と吸窒量の関係を示す図である。

　本開示において用いる用語の意味内容について説明する。
　溶鋼炉（製鋼炉）とは、転炉、ＡＯＤ（Ａｒｇｏｎ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）炉、電気炉といった、溶鋼を溶製するための保持容器を指す。
　出鋼とは、製鋼炉に保持された溶融金属（溶鋼）を製鋼炉から取鍋といった搬送用の容器に移し替える操作を指す。また、受鋼とは、溶鋼炉から出た溶鋼を取鍋が受けることを意味し、出鋼と受鋼は同じタイミングで行われることになる。
　副原料とは、溶鋼を精錬するのに必要な鉄分以外の添加物を指す。本開示では、酸化物からなる副原料を対象とし、鉄以外の成分が含まれる酸化物からなるものを副原料とする。具体的には、生石灰、珪砂、カルシウムアルミネート系造滓剤、アルミナレンガ屑、焼成ドロマイト等が使用できる。
　取鍋直径Ｄとは、取鍋の内径を意味する。通常、取鍋内は底部と上部（開口部）の内径が同じ作りになっているが、底部と上部の内径が異なる場合は、取鍋底部と上部での各直径（内径）の平均値とする。また、取鍋の高さ方向に垂直な取鍋内部の断面が楕円形である場合は、長径と短径との平均値を取鍋直径Ｄとする。

　本発明者は、上記本開示の課題を解決するため、溶存酸素濃度計と水模型装置を使ったガス吸収実験を行い、滝壷部での気泡巻き込み挙動とガス吸収挙動を詳細に調査した。水中には通常８ｐｐｍ程度の酸素が溶存しており、溶存酸素濃度計を用いて測定できる。転炉から取鍋への出鋼を模擬する水模型装置を準備する。転炉内の溶鋼を模した水については、あらかじめＡｒを吹き込むことにより、溶存酸素量を０．８ｐｐｍまで低下させた。水模型装置の転炉内と取鍋内の溶存酸素量を連続的に測定する（非特許文献２参照）。水模型実験における雰囲気から水への酸素吸収傾向から、実際の溶鋼の溶製における雰囲気から溶鋼への窒素吸収傾向が模擬できるものと推認される。即ち、水模型実験で取鍋内の水中の溶存酸素量が増大する条件については、出鋼時に雰囲気中の酸素を多く吸収したことを示しており、実際の転炉からの出鋼時において同じ条件であれば、溶鋼中に窒素を吸収しやすいと推定することができる。

　水模型実験においては、取鍋の水面に何も浮かべない場合と、水面上にオイルを浮かべた場合との対比試験を行った。その結果、水面上にオイルを浮かべた状態で注入流を形成した場合、滝壷では空気とともにオイルが巻き込まれ、さらに巻き込まれたオイルは気泡と接触すると、気泡表面にとどまり、そのまま浮上することを知見した。この時のガス吸収挙動を調査した結果、取鍋の水面に何も浮かべない場合には取鍋中の水の溶存酸素量が増大したのに対し、水面上にオイルを浮かべた場合については、取鍋中の水の溶存酸素量の増大が抑制されることがわかった。この実験結果からは、オイルを浮かべた状態では滝壷を形成する気泡の表面の一部をオイルが覆うことで巻き込まれた空気との反応界面積が低減し、注入中のガス吸収量が抑制されると考えられる。

　この知見をもとにすれば、出鋼時に取鍋の溶鋼表面に流動性のよい皮膜を形成しておくことにより、滝壷部における溶鋼への窒素吸収を防止できることが予測される。そして、滓化性が良くなるように配合した副原料を取鍋に入れ置きした状態で溶鋼を取鍋に出鋼する、あるいは、溶鋼を取鍋に出鋼すると共に副原料を取鍋に投入することで、出鋼直後の高温の溶鋼で副原料を溶融させることができる。このため、出鋼直後から湯面上は溶融酸化物で覆われている状態を形成でき、その状態で出鋼が進むと、滝壷部に溶融酸化物が巻き込まれる状況を意図的に作り出し、吸窒を抑制できる。さらに、この時に滝壷部に巻き込まれる物（副原料）は溶融状態であることが望ましいが、固相が残存していたとしても、気液界面の一部を覆うことには変わりないため、吸窒抑制効果が期待できる。

　本開示は、上記した着想をもとに、溶鋼実験によりその効果を確認することで検討されたものであり、本発明者は、さらに、出鋼前又は出鋼時に取鍋内に入れ置き又は投入する副原料の組成、量、温度といった好ましい条件を見出すことで本開示に係る鋼の製造方法を完成させた。
　すなわち、本開示に係る鋼の製造方法は、
　溶鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋に受鋼する工程と、
　前記取鍋に受鋼した前記溶鋼を前記取鍋から排出して鋳造する工程と、を含み、
　前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する際、下記（１）式によって算出されるスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上を満たす量Ｗの酸化物からなる副原料を、前記溶鋼の受鋼開始前に前記取鍋内の底部に入れ置きし又は受鋼開始と共に前記取鍋内に投入し、前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する、鋼の製造方法である。
　　Ｔ＝（Ｗ／ρ）／（（π・Ｄ^２）／４）　　　（１）
　　Ｔ：スラグ厚み（ｍ）
　　Ｄ：取鍋直径（ｍ）
　　ρ：溶融酸化物密度（＝３０００ｋｇ／ｍ^３）
　　Ｗ：副原料の量（ｋｇ）

　従来より、出鋼時に副原料を添加する手法は数多く提案されてきた。しかしながら、そのほとんどは吸窒抑制ではなく、スラグ中の低級酸化物の改質を狙ったものであり、添加する副原料は生石灰が多いことに加え、添加時期は出鋼中もしくは出鋼が完了した後である場合が多かった。本開示の手法によれば、出鋼後のスラグ組成は従来手法と同等となるが、出鋼初期の吸窒を効果的に抑制するために副原料を添加する時期が従来よりも早く、出鋼前に一定量以上の副原料を取鍋内に入れ置きしておくか、出鋼と共に取鍋内に投入し、出鋼を開始直後に一定量以上の副原料を溶融させていることが、従来手法とは大きく異なる点である。

　副原料を入れ置きした吸窒抑制効果を確認するため、２ｔｏｎ規模の溶鋼実験を行い、その挙動を検討した。誘導炉で溶解した低窒素脱酸溶鋼２ｔｏｎを、予熱した取鍋におよそ５０秒で出鋼し、出鋼前後の窒素濃度を調査した。この時、溶鋼成分、温度といった諸条件は同じとし、取鍋内に成分調整した合成フラックス（酸化物）を入れ置きし、その状態で出鋼した。その際、取鍋内に入れ置きする合成フラックス組成、フラックス量、予熱温度といったパラメータの影響を調査した。この時、出鋼前後の吸窒量（以下、Δ［Ｎ］）を調査し、合成フラックスを入れ置きしない条件（ｒｕｎ１）でのΔ［Ｎ］よりも４ｐｐｍ以上改善した場合、吸窒抑制効果があると判断した。以下、合成フラックス中の成分含有量は質量％を意味する。試験条件及び試験結果を表１に示す。

　まず、合成フラックスを入れ置きしない条件でのΔ［Ｎ］は２６ｐｐｍであった。この結果に対し、ＣａＯ＝６０％、Ａｌ_２Ｏ_３＝３０％、ＳｉＯ_２＝１０％の合成フラックス（ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３＝２．０）５０ｋｇ（＝ベース条件）を取鍋内に入れ置きした状態で溶鋼を出鋼したところ、Δ［Ｎ］は２１ｐｐｍとなり、明確な吸窒抑制効果が認められた。出鋼の際の滝壷周囲の様子を撮影して取鍋内の状況を調査したところ、取鍋内に注入された溶鋼と接触することにより合成フラックスが溶融し、滝壷周辺に存在している固相と液相が混合されたスラグが滝壷に巻き込まれる様子が確認できた。合成フラックスの入れ置き有無を除いた条件に違いはないことから、吸窒抑制効果が得られた要因は、滝壷に巻き込まれたスラグが気泡表面の一部を覆ったことで、溶鋼と空気との反応界面積が減少したためと推定された。
　一方、合成フラックスを取鍋内の底部から少し浮かせた壁面に吊り下げ、出鋼開始から１５秒後に溶鋼面に添加される条件で出鋼したところ、Δ［Ｎ］は２４ｐｐｍであり、明確な吸窒抑制効果は認められなかった。この場合、合成フラックスは出鋼末期になって溶融していることが確認されたが、最も吸窒量が多い出鋼前半から中盤にかけては添加した合成フラックスの溶融は見られていないことから、溶鋼と空気との反応界面積低減には至らなかったと推定される。

　次に、ベース条件（フラックス組成一定、予熱なし）に対して、入れ置きする合成フラックス量を変更して吸窒抑制効果を調査した。その結果、図１に示すように、入れ置きする合成フラックス量Ｗと取鍋の大きさ（取鍋直径Ｄ）から前記（１）式によって求まる取鍋内のスラグ厚みＴが０．０２ｍ未満である場合、明確な吸窒抑制効果は認められない結果となった。一方で、スラグ厚みが０．０５ｍを超えると吸窒抑制効果は飽和する結果となった。このことから、滝壷に巻き込まれる液相もしくは固相を含む液相が一定量よりも少ない場合、十分に溶鋼と空気との反応界面積を覆うことができず、吸窒抑制効果が得られないと推定された。また、滝壷に巻き込まれる液相もしくは固相を含む液相が多すぎても、吸窒抑制効果は飽和するため、取鍋に入れ置きする合成フラックス量Ｗの好ましい上限があると考えられる。

　また、入れ置きする合成フラックス量を一定（５０ｋｇ）として、表１に示す組成で入れ置きする合成フラックスの組成を変え、予熱なし条件での吸窒抑制効果を調査した。その結果、合成フラックス組成がＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３：０．８～４．０（（２）式）、５％≦ＳｉＯ_２≦１０％（（３）式）、ＭｇＯ≦１０％（（４）式）となる条件で、安定した吸窒抑制効果が得られる結果となった。安定した吸窒抑制効果が得られた際の合成フラックス組成は、溶鋼温度近傍での液相の割合が高い条件と一致しており、液相の割合が高いほど、滝壷内での気泡表面の被覆効果が大きいと考えられる。

　さらに、ベース条件に対して、取鍋内に入れ置きした合成フラックスをバーナーで予熱し、出鋼直前の合成フラックス温度を変更して吸窒抑制効果を調査した。なお、合成フラックスの温度は、取鍋内に設置した熱電対で調査した。その結果、図２に示すように、合成フラックスの温度を８００℃以上に加熱した場合、顕著な吸窒抑制効果が得られる結果となった。一方、合成フラックスの予熱温度が１１５０℃を超えると、吸窒抑制効果は飽和する結果となった。予熱することで、フラックスが溶融するまでの時間が短縮され、出鋼開始直後の窒素吸収が抑制されたためと考えられる。

　以下、本開示に係る鋼の製造方法の実施形態をさらに詳細に説明する。
　低窒素鋼を製造する場合、高炉あるいは電気炉から搬送された炭素濃度の高い溶銑を転炉などの溶鋼炉に装入し、酸素吹錬により鋼中の炭素をＣＯガスとして除去する。その際、溶鋼炉ではＣ＋Ｏ＝ＣＯ反応によって炉内の窒素分圧が低下することに加え、底吹きおよび上吹きによる撹拌作用とも相まって鋼中の窒素濃度は１０ｐｐｍ程度まで低下する。脱炭処理後の溶鋼は成分調整や脱ガスを行うため、溶鋼炉から取鍋に出鋼される。その後、成分や温度が調整された溶鋼は鋳造プロセスに供され、鋳造された後は加熱、圧延、熱処理、表面処理といった工程を経て製品として出荷される。

　通常、取鍋はバーナーで予熱された上で、搬送台車で溶鋼炉の直下まで搬送され、溶鋼を受鋼する。通常、生石灰といった副原料は出鋼した後の溶鋼に添加されることが多いが、本開示に係る鋼の製造方法を適用する際には、溶鋼を受鋼するまでに一定量以上の副原料を取鍋内に入れ置きしておくか、溶鋼を受鋼すると共に一定量以上の副原料を取鍋内に投入する必要がある。好ましくは、取鍋を予熱する前、もしくは予熱中に取鍋内に副原料を投入するのが良い。
　副原料の形態としては、予熱中もしくは出鋼時の上昇気流で散逸しないように粒状であることが好ましいが、予熱を行う際は通常取鍋上部を蓋で覆った状態で予熱を行う為、粉状の副原料も使用可能である。好ましくは取鍋が溶鋼炉直下まで搬送された時点で、遅くとも溶鋼炉からの溶鋼の出鋼開始（受鋼開始）と共に、取鍋内には、（１）式で示されたスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上（好ましくは０．１ｍ以下、より好ましくは０．０５ｍ以下）となるように求めた量Ｗの副原料が投入されることが必要である。また、出鋼開始後は速やかに溶融させることが必要である。なお、受鋼開始と共に副原料を取鍋に投入する場合、好ましくは、溶鋼炉から取鍋に溶鋼が注入され始めてから１０秒以内に、より好ましくは５秒以内に、更に好ましくは溶鋼の注入と同時に取鍋内への副原料の投入を開始する。また、受鋼開始と共に副原料を取鍋に投入する場合は、受鋼開始後、好ましくは６０秒以内に、より好ましくは４０秒以内に、更に好ましくは２０秒以内に、スラグ厚みＴが０．０２ｍ以上となる量Ｗの副原料の投入を完了する。
　また、副原料は、受鋼開始前の取鍋内の副原料の入れ置きと受鋼開始と共に取鍋内への副原料の投入を組み合わせてもよい。すなわち、受鋼開始前に量Ｗ１の副原料を取鍋内に入れ置きしておき、さらに受鋼開始と共に量Ｗ２の副原料を取鍋内に投入することで、副原料の合計量（Ｗ１＋Ｗ２）が、（１）式で示されたスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上を満たすように求めた量Ｗとなるようにしてもよい。
　なお、受鋼開始から数分後、脱酸等の目的でＡｌ合金等を添加する場合があるが、このような目的、タイミングで添加される成分は、（１）式で示されたスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上を満たすように求めた量Ｗの副原料に含まれない。

　本開示に係る鋼の製造方法による低窒素化の効果を得るには、受鋼中は滝壷部に溶融スラグが存在していることが必要である。受鋼中とは、溶鋼炉から取鍋に溶鋼が注入され始めてから、少なくとも１分後から注入が完了するまで、好ましくは、溶鋼の注入開始３０秒後から注入が完了するまでの期間を指す。溶融スラグとは、取鍋内に入れ置き又は投入した副原料が溶融し、液相もしくは固相を含む液相となっている状態を指す。本開示では、汎用の熱力学計算ソフト等を用いた計算で、液相割合が５０％以上である状態を液相スラグとする。
　滝壷部とは、注入流が取鍋内の溶鋼に進入する際に注入流周りの気相を巻き込んで生じる気泡の巻込みおよび上昇が生じている部分を指し、通常は注入流が取鍋内の溶鋼と接する部分の直下に生じる。出鋼中に滝壺部が溶融スラグに覆われていれば本開示による低窒素化の効果が得られる。溶鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋に受鋼する際、受鋼開示前又は受鋼開始と共に酸化物からなる副原料を、（１）式で示されたスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上（好ましくは０．１ｍ以下、より好ましくは０．０５ｍ以下）を満たすように求めた量Ｗで取鍋内に入れ置き又は投入し、溶鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋に受鋼することにより、受鋼中において滝壷部に溶融スラグを存在させることができる。

　本開示で、取鍋内に入れ置き又は投入する副原料は、酸化物からなる副原料である。従って、炭酸化物、フッ化物、炭化物などは含まれない。例えば、特許文献３には、取鍋内の雰囲気中窒素濃度を低減する目的で、炭酸カルシウムを入れ置きする発明が開示されている。それに対して本開示では、溶鋼表面の溶融スラグによって滝壷部での吸窒現象を防止することを目的とするので、炭酸カルシウムを添加することはしない。炭酸カルシウムは、分解時に吸熱反応を伴うので、溶鋼の温度を低下させる点からも好ましくない。また、蛍石などのフッ化物を添加すると生成スラグの資源化に支障を来すので、フッ化物は添加しない。さらに、脱燐や脱硫を目的としないので、カルシウムカーバイドなどの炭化物を添加することもしない。

　また、取鍋内に入れ置き又は投入する、酸化物からなる副原料は、予め組成をＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３：０．８～４．０（（２）式）、５％≦ＳｉＯ_２≦１０％（（３）式）、ＭｇＯ≦１０％（（４）式）の範囲に調整した上で添加することが好ましい。このような組成範囲とすることにより、副原料の溶融温度を好ましく低減することができる。ＭｇＯ含有量を５％以上とするとより好ましい。なお、副原料に含まれる成分は上記したＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯの他に、ＭｎＯ、ＦｅＯといった酸化物成分がそれぞれ５％未満で含まれていても許容される。また、揮発分や不純物が含まれることも許容される。即ち、前記（５）式を満たすものであれば好ましい。

　取鍋内に入れ置きした副原料は、取鍋と一緒に予熱されていることが望ましく、８００℃以上に予熱されていると好適である。副原料の予熱温度は、放射温度計によって取鍋内に入れ置きした副原料の表面温度を計測することにより評価できる。

　上記のように本開示に係る鋼の製造方法を用いることで、出鋼時に窒素濃度の上昇を抑制することができるので、低窒素鋼を経済的にかつ安定的に製造することができる。なお、本開示に係る鋼の製造方法によれば、出鋼時の窒素濃度の上昇を効果的に抑制することができるが、製造する鋼中の窒素濃度は限定されない。
　このような本開示に係る鋼の製造方法は、炭素鋼に非常に有効であるが、炭素鋼以外のステンレス鋼、合金鋼の製造にも有効である。

　以下に示す溶鋼の実施例および比較例の条件で、出鋼時の吸窒挙動評価試験を行い、吸窒抑制効果を確認した。
　高炉から搬送された溶銑（炭素含有量４．５％相当）を転炉に装入し、酸素吹錬を行った。転炉吹錬後の成分は、［Ｃ］＝０．０６～０．１４％、［Ｓｉ］＝０．０１～０．０５％、［Ｍｎ］＝０．１～０．４％、［Ｐ］＝０．０１～０．０３％、［Ｎ］＝９～１２ｐｐｍ、残部がＦｅおよび不純物である。処理量は３００ｔｏｎ規模、取鍋直径（内径）は３．９ｍであり、出鋼時間はおよそ５分である。出鋼前、取鍋を予熱する前段階、もしくは、取鍋予熱後に、取鍋底部に成分調整した所定量の副原料を入れ置きし、取鍋を転炉直下まで搬送した後、溶鋼を受鋼した。あるいは、溶鋼の受鋼と共に副原料を取鍋に投入した。出鋼の際、出鋼を開始してから２分後に出鋼流に巻き込ませる形でＡｌを含む合金を投入した。また、出鋼開始から３～４分後に取鍋内に副原料（酸化物）を追加投入することで、表２に示す「最終スラグ厚みｔ」とした。

　吸窒抑制効果を確認するため、出鋼前の転炉内、出鋼後の取鍋内の溶鋼サンプルを採取し、出鋼前後の窒素濃度変化量Δ［Ｎ］（ｐｐｍ）を吸窒量として評価した。試験条件を表２に示す。表２の「吸窒抑制効果」の欄において、Δ［Ｎ］が１７ｐｐｍ超２０ｐｐｍ以下であった場合、吸窒抑制効果があったとして「Ｃ」とし、Δ［Ｎ］が１５ｐｐｍ超１７ｐｐｍ以下であった場合、優れた吸窒抑制効果があったと判断して「Ｂ」とした。また、Δ［Ｎ］が１５ｐｐｍ以下であった場合、顕著な吸窒抑制効果があったと判断して「Ａ」とした。Δ［Ｎ］が２０ｐｐｍ超については、吸窒抑制効果が見られなかったとして「Ｄ」とした。

　試験Ｎｏ．１は取鍋内に副原料を入れ置きしない条件、試験Ｎｏ．２およびＮｏ．３は取鍋内に副原料を入れ置きするものの、スラグ厚みが本開示の範囲から外れている条件で、いずれも比較例である。入れ置きする副原料が不足した試験Ｎｏ．２および試験Ｎｏ．３のΔ［Ｎ］は２３～２４ｐｐｍであり、吸窒抑制効果は認められなかった。

　試験Ｎｏ．４から試験Ｎｏ．１７までは本開示の要件を満たした実施例であり、Δ［Ｎ］は２０ｐｐｍ以下となり、吸窒抑制効果が認められた。
　試験Ｎｏ．１０から試験Ｎｏ．１３までは取鍋内に入れ置きする副原料の組成を好適な範囲に調整した条件であり、Δ［Ｎ］は１７ｐｐｍ以下となり、優れた吸窒抑制効果があったと判断した。
　試験Ｎｏ．３，５，９および試験Ｎｏ．１４から試験Ｎｏ．１６までは、入れ置きした副原料の予熱温度を変化させた条件である。試験Ｎｏ．５と試験Ｎｏ．７を比較すると、副原料の予熱温度が高い試験Ｎｏ．５の方が吸窒抑制効果が大きく、副原料予熱温度を高くすることで、優れた吸窒抑制効果が得られることが分かる。このことは、試験Ｎｏ．１１と試験Ｎｏ．１４を比較しても明らかであり、試験Ｎｏ．１４は副原料組成を本開示の好適な範囲に制御することに加え、副原料予熱温度を８００℃以上とすることで、顕著な吸窒抑制効果が得られている。試験Ｎｏ．１５、１６も同様である。
　試験Ｎｏ．１８は、取鍋内に受鋼と共に副原料を投入した実施例である。Δ［Ｎ］は２０ｐｐｍであり、比較例よりも低く、吸窒抑制効果が認められた。

　溶鉄の出鋼時の吸窒を効果的に抑制できるため、低窒素鋼の製造方法において有益である。

　２０１８年６月２８日に出願された日本特許出願２０１８－１２２８４４の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims

　溶鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋に受鋼する工程と、
　前記取鍋に受鋼した前記溶鋼を前記取鍋から排出して鋳造する工程と、を含み、
　前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する際、下記（１）式によって算出されるスラグ厚みＴが０．０２ｍ以上を満たす量Ｗの酸化物からなる副原料を、前記溶鋼の受鋼開始前に前記取鍋内の底部に入れ置きし又は受鋼開始と共に前記取鍋内に投入し、前記溶鋼炉から出鋼された前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する、鋼の製造方法。
　　Ｔ＝（Ｗ／ρ）／（（π・Ｄ^２）／４）　　　（１）
　　Ｔ：スラグ厚み（ｍ）
　　Ｄ：取鍋直径（ｍ）
　　ρ：溶融酸化物密度（＝３０００ｋｇ／ｍ^３）
　　Ｗ：副原料の量（ｋｇ）
　前記副原料の組成が、
　　ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３：０．８～４．０　　　（２）
　　５％≦ＳｉＯ_２≦１０％　　　　　　　　（３）
　　ＭｇＯ≦１０％　　　　　　　　　　　　（４）
　　ＣａＯ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２＋ＭｇＯ≧９０％　　　（５）
を満たしている、請求項１に記載の鋼の製造方法。
　ただし、（２）～（５）式中の分子記号は当該分子の含有量（質量％）を意味する。
　前記副原料の量Ｗが、前記（１）式によって算出される前記スラグ厚みＴが０．１ｍ以下を満たす量である、請求項１又は請求項２に記載の鋼の製造方法。
　前記溶鋼の受鋼開始前に、前記量Ｗの前記副原料を前記取鍋内の底部に入れ置きしておく、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の鋼の製造方法。
　前記取鍋内に入れ置きした前記副原料を予熱し、前記副原料の温度が８００℃以上の状態で前記溶鋼を前記取鍋に受鋼する、請求項４に記載の鋼の製造方法。