特開 2024-141873 溶鋼の脱酸方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024141873

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】溶鋼の脱酸方法

(51)【国際特許分類】

   C21C 7/04 20060101AFI20241003BHJP

   C21C 7/10 20060101ALI20241003BHJP

   C21C 7/06 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

C21C7/04 B

C21C7/10 A

C21C7/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023053729

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100184859

【弁理士】

【氏名又は名称】磯村 哲朗

(74)【代理人】

【識別番号】100123386

【弁理士】

【氏名又は名称】熊坂 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100196667

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100130834

【弁理士】

【氏名又は名称】森 和弘

(72)【発明者】

【氏名】村井 剛

【テーマコード（参考）】

4K013

【Ｆターム（参考）】

4K013BA08

4K013CE01

4K013CE06

4K013EA19

4K013FA00

(57)【要約】

【課題】Ａｌ又はＡｌ合金を添加して行う溶鋼の脱酸方法において、Ａｌ又はＡｌ合金の添加のための専用の設備を必要とせず、Ａｌ又はＡｌ合金を添加した際における損失Ａｌ量を低位に安定させることが可能な溶鋼の脱酸方法を提供する。
【解決手段】真空脱ガス装置を用いて、Ａｌ又はＡｌ合金を添加して溶鋼を脱酸する溶鋼の脱酸方法であって、前記Ａｌ又はＡｌ合金の添加速度と、溶鋼中溶存酸素濃度と、溶鋼環流量との関係に基づいて、前記Ａｌ又はＡｌ合金を溶鋼に添加する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空脱ガス装置を用いて、Ａｌ又はＡｌ合金を添加して溶鋼を脱酸する溶鋼の脱酸方法であって、前記Ａｌ又はＡｌ合金の添加速度と、溶鋼中溶存酸素濃度と、溶鋼環流量との関係に基づいて、前記Ａｌ又はＡｌ合金を溶鋼に添加する、溶鋼の脱酸方法。

【請求項2】

以下の（１）式を満たすように前記Ａｌ又はＡｌ合金を溶鋼に添加する、請求項１に記載の溶鋼の脱酸方法。
Ｆ／（Ｃ／１０^６×Ｑ）≧２４ ・・・（１）
Ｑ＝７４３８×Ｇ^１／３×Ｄ^４／３×（ｌｎ（１０１３２５／Ｐ））^１／３／Ｗ・・・（２）
ここで、ＦはＡｌまたはＡｌ合金の添加速度（ｋｇ／ｓ・ｔ）、Ｃは溶鋼中溶存酸素濃度（ｐｐｍ）、Ｑは溶鋼環流量（ｋｇ／ｓ・ｔ）、Ｇは環流ガス流量（Ｎｍ^３／ｓ）、Ｄは浸漬管径（ｍ）、Ｐは真空槽内真空度（Ｐａ）、Ｗは溶鋼量（ｔｏｎ）を示す。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空脱ガス装置を用いて溶鋼中の酸素を除去する方法に関し、詳しくは、Ａｌ又はＡｌ合金を溶鋼に添加して溶鋼を脱酸する溶鋼の脱酸方法に関する。

【背景技術】

【0002】

真空脱ガス装置を用いて行われる溶鋼の脱酸は、Ａｌ又はＡｌ合金（以下、単に「Ａｌ」という。）を溶鋼に添加して行われる。溶鋼に添加されるＡｌの添加量は、溶鋼中の溶存酸素を脱酸するために必要とされる量、及び、溶鋼の成分調整のために必要とされる量に基づいて決定される。

【0003】

ここで、溶鋼に添加されるＡｌは、溶鋼中の各種の元素に比べて比重が小さい。このため、真空脱ガス装置を用いた精錬プロセスに際し、溶鋼にＡｌを添加すると、Ａｌと大気との反応や、Ａｌとスラグとの反応が発生すると共に、Ａｌの蒸発も発生する。そのため、Ａｌの比重や蒸発の発生を前提として、溶鋼へのＡｌの添加量を多くする必要がある。溶鋼へのＡｌの添加による溶鋼の脱酸方法については、以下の通り、従来から検討がなされている。

【0004】

特許文献１には、比重調整材と脱酸剤（Ａｌ）とを入れた容器を溶鋼中に装入する方法が開示されている。更に、添加するＡｌの形態について、非特許文献１にはワイヤ状にしたＡｌ線材を高速度で押し込む方法が、非特許文献２には粉状のＡｌ粉を吹き込む方法が、非特許文献３には溶融Ａｌを注入する方法が開示されている。

【0005】

また、一次精錬後の二次精錬である真空脱ガス装置においては、高真空での脱酸処理により、Ａｌの蒸発量が更に多くなると考えられている。このため、特許文献２には、解決策として、Ａｌを溶鋼に添加するときの圧力Ｖを２０Ｔｏｒｒ＜Ｖ≦７６０Ｔｏｒｒとする方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開昭５３－６４６１３号公報

【特許文献2】特開平１１－１７２３２２号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】「鉄と鋼」、ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．１１、（１９７０）、Ｓ４３０

【非特許文献2】「鉄と鋼」、ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．４、（１９８０）、Ｓ２６７

【非特許文献3】「鉄と鋼」、ｖｏｌ．６９、Ｎｏ．４、（１９８３）、Ｓ１８９

【非特許文献4】「鉄と鋼」、ｖｏｌ．７３、Ｎｏ．４、（１９８７）、Ｓ１７６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、比重調整材及び脱酸剤（Ａｌ）の容器への収納及び比重の調整作業が必要となり、溶鋼へのＡｌの添加工程について、作業がより煩雑となる。また、非特許文献１～３に開示された方法では、Ａｌを添加するための専用の設備が必要となる。特許文献２に開示された方法では、溶鋼中の溶存酸素とＡｌとの反応による発熱が考慮されておらず、また、開示された圧力の範囲について、溶鋼の脱酸処理において溶鋼の還流が困難となる範囲が含まれている。

【0009】

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、Ａｌ又はＡｌ合金を添加して行う溶鋼の脱酸方法において、Ａｌ又はＡｌ合金の添加のための専用の設備を必要とせず、Ａｌ又はＡｌ合金を添加した際における損失Ａｌ量を低位に安定させることが可能な溶鋼の脱酸方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の要旨は、以下のとおりである。

【0011】

［１］真空脱ガス装置を用いて、Ａｌ又はＡｌ合金を添加して溶鋼を脱酸する溶鋼の脱酸方法であって、前記Ａｌ又はＡｌ合金の添加速度と、溶鋼中溶存酸素濃度と、溶鋼環流量との関係に基づいて、前記Ａｌ又はＡｌ合金を溶鋼に添加する、溶鋼の脱酸方法。
［２］以下の（１）式を満たすように前記Ａｌ又はＡｌ合金を溶鋼に添加する、［１］に記載の溶鋼の脱酸方法。
Ｆ／（Ｃ／１０^６×Ｑ）≧２４ ・・・（１）
Ｑ＝７４３８×Ｇ^１／３×Ｄ^４／３×（ｌｎ（１０１３２５／Ｐ））^１／３／Ｗ・・・（２）
ここで、ＦはＡｌまたはＡｌ合金の添加速度（ｋｇ／ｓ・ｔ）、Ｃは溶鋼中溶存酸素濃度（ｐｐｍ）、Ｑは溶鋼環流量（ｋｇ／ｓ・ｔ）、Ｇは環流ガス流量（Ｎｍ^３／ｓ）、Ｄは浸漬管径（ｍ）、Ｐは真空槽内真空度（Ｐａ）、Ｗは溶鋼量（ｔｏｎ）を示す。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、Ａｌ又はＡｌ合金を添加して行う溶鋼の脱酸方法において、Ａｌ又はＡｌ合金の添加のための専用の設備を必要とせず、Ａｌ又はＡｌ合金を添加した際における損失Ａｌ量を低位に安定させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】真空脱ガス装置の一例の概略縦断面図である。

【図2】調整比と損失Ａｌ量との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。図１に、真空脱ガス装置１の一例の概略縦断面図を示す。真空脱ガス装置１は、ＲＨ真空脱ガス装置であってよい。真空脱ガス装置１は、取鍋２と、真空槽５と、上昇側浸漬管６と、下降側浸漬管７と、環流用ガス吹き込み管８と、ダクト９と、原料投入口１０とを有する。

【0015】

先ず、転炉にて溶銑の脱炭精錬を行い、当該脱炭精錬により得られた溶鋼３及びスラグ４を取鍋２に出鋼する。溶鋼３は未脱酸状態であってよい。また、必要に応じて取鍋２内の溶鋼３を覆っているスラグ４上にＡｌ含有スラグ改質剤を添加してもよい。Ａｌ含有スラグ改質剤は、スラグ４の上方から分散して添加可能である限り、専用の添加設備等を用いる必要はない。

【0016】

真空脱ガス装置１では、溶鋼３を収容した取鍋２を昇降装置（図示せず）にて上昇させ、上昇側浸漬管６及び下降側浸漬管７を取鍋２内の溶鋼３に浸漬させる。そして、真空槽５の内部をダクト９に連結される排気装置（図示せず）にて排気して真空槽５の内部を減圧するとともに、環流用ガス吹き込み管８から上昇側浸漬管６の内部に環流用ガスを吹き込む。真空槽５の内部が減圧されると、取鍋２内の溶鋼３は、大気圧と真空槽５内の圧力（真空度）との差に比例して上昇し、真空槽５内に流入する。また、取鍋２内の溶鋼３は、環流用ガス吹き込み管８から吹き込まれる環流用ガスのガス気泡１１によるガスリフト効果によって、環流用ガスのガス気泡１１とともに上昇側浸漬管６を上昇して真空槽５の内部に流入する。環流用ガスとしては、一般的に、アルゴンガスが使用される。

【0017】

圧力差及びガスリフト効果によって真空槽５の内部に流入した溶鋼３は、下降側浸漬管７を経由して取鍋２に戻る。このように、取鍋２から真空槽５に流入し、その後、真空槽５から取鍋２に戻る溶鋼３の流れを「環流」と呼ぶ。このように、溶鋼３は環流を形成して、溶鋼３に真空脱ガス精錬が施される。

【0018】

溶鋼３が未脱酸の状態においては、真空脱ガス精錬により溶鋼３の脱炭反応が進行する。そして、脱炭終了後に、溶鋼３の溶鋼中溶存酸素濃度を測定する。また、測定された溶鋼中溶存酸素濃度に基づいて脱酸に必要とされるＡｌの添加量（化学量論分）と、溶鋼３の成分調整として必要とされるＡｌの添加量と、Ａｌの蒸発等に伴って失われるＡｌ量（以下、「損失Ａｌ量」という。）に相当するＡｌの添加量との、合計Ａｌ量を算出する。そして、算出された合計Ａｌ量に基づいて、原料投入口１０を介して、真空槽５の内部の溶鋼３にＡｌを添加する。この結果、溶鋼３の脱酸が進行する。その後、溶鋼３については、鋳造後の鋳片としての成分調整、温度の調整、溶鋼中の介在物（アルミナ等）の除去等が行われる。なお、損失Ａｌ量としては、大気との反応により損失する量と、スラグ４との反応により損失する量と、蒸発によって損失する量とが、含まれる。

【0019】

本発明者は、溶鋼３に添加するＡｌの添加量（合計Ａｌ量）は、脱酸に必要とされるＡｌの添加量（化学量論分）と、溶鋼３の成分調整として必要とされるＡｌの添加量と、Ａｌの蒸発等に伴って失われる損失Ａｌ量とに大別されると考えた。更に、損失Ａｌ量は、スラグ４に含まれる酸化物との反応に伴う酸化、大気との接触に伴う酸化、及び、真空槽５の内部におけるＡｌの蒸発により、損失されるとの結論に至った。そして、Ａｌの蒸発による損失量（以下、「Ａｌ蒸発損失量」という。）を低減させるために、真空槽５の内部の真空度、真空槽５の内部に流入した溶鋼３の温度、溶鋼３におけるＡｌの濃度（以下、「Ａｌ濃度」という。）に着目した。

【0020】

真空槽５の内部の真空度は、ダクト９に連結される排気装置の排気の出力を低下させることで低真空化が可能となる。本発明者は、真空槽５の内部の低真空化を図ることで、Ａｌ蒸発損失量を低下させることが可能と考えた。

【0021】

真空槽５の内部に流入した溶鋼３の温度は、Ａｌの添加量が多くなる程、添加されたＡｌの顕熱により温度が低下する。一方、溶鋼３の温度は、溶鋼中溶存酸素濃度が高い場合には、添加されたＡｌとの反応（脱酸）が発熱反応であるため上昇する。即ち、溶鋼３の温度は、添加されるＡｌの顕熱と、脱酸による発熱反応とのバランスによって決定される。このため、本発明者は、真空槽５において、溶鋼３の温度は、溶鋼３に添加されるＡｌの添加速度と、取鍋２から流入してくる溶鋼３の溶鋼中溶存酸素濃度と、溶鋼３の溶鋼還流量とのバランスによって決定されると考えた。そして、真空槽５の内部の溶鋼３の低温化を図ることで、Ａｌ蒸発損失量を低下させることが可能と考えた。更に、溶鋼３の低温化のため、Ａｌの添加速度を速くすること、溶鋼３の溶鋼中溶存酸素濃度を低くすること、溶鋼３の溶鋼還流量を少なくすることが有効であると考えた。

【0022】

一方、溶鋼３におけるＡｌ濃度は、Ａｌの添加速度が速くなるほど多くなり、Ａｌ蒸発損失量が多くなる。このため、本発明者は、Ａｌの添加速度を遅くすることでＡｌ濃度の増加が抑制され、Ａｌ蒸発損失量を低下させる可能性があるとも考えた。

【0023】

これらの検討結果を踏まえ、Ａｌ蒸発損失量の低減を図るため、増減させることにより何れの効果も考えられるＡｌの添加速度と、減少させることが有効と考えられる溶鋼中溶存酸素濃度及び溶鋼還流量との比（以下、「調整比」という。）を算出し、Ａｌ蒸発損失量との関係を調査した。Ａｌの添加速度Ｆと、溶鋼中溶存酸素濃度Ｃ及び溶鋼還流量Ｑとの比［－（無次元数）］（調整比）は、下記の（３）式を用いて算出した。

【0024】

Ｆ／（Ｃ／１０^６×Ｑ） ・・・（３）
ここで、ＦはＡｌまたはＡｌ合金の添加速度（ｋｇ／ｓ・ｔ）、Ｃは溶鋼中溶存酸素濃度（ｐｐｍ）、Ｑは溶鋼環流量（ｋｇ／ｓ・ｔ）を示す。

【0025】

また、溶鋼環流量Ｑは、下記の（２）式（非特許文献４参照）を用いて算出した。（２）式に示す通り、真空槽内真空度Ｐは、溶鋼環流量Ｑに影響を与える因子として用いた。真空槽内真空度Ｐは、真空槽５の真空度により溶鋼３の溶鋼環流量が変化するとの関係性を考慮して、Ａｌ蒸発損失量の低減を図る上での効果の共通性から、溶鋼環流量Ｑを決定する因子として使用した。

【0026】

Ｑ＝７４３８×Ｇ^１／３×Ｄ^４／３×（ｌｎ（１０１３２５／Ｐ））^１／３／Ｗ・・・（２）
ここで、Ｇは環流ガス流量（Ｎｍ^３／ｓ）、Ｄは浸漬管径（ｍ）、Ｐは真空槽内真空度（Ｐａ）、Ｗは溶鋼量（ｔｏｎ）を示す。

【0027】

次に、真空脱ガス装置１における操業条件を変化させ、（３）式により算出される値（調整比）と損失Ａｌ量（ｋｇ／ｔ）との関係を調査した。調査に当たっては、先ずＡｌの添加前に溶鋼中溶存酸素濃度を測定し、その後、Ａｌを所定の添加速度で真空槽５の内部の溶鋼３へ添加し、溶鋼３のサンプルを採取し、Ａｌ濃度の分析を行った。そして、添加したＡｌの添加量から、脱酸に必要とされたＡｌの添加量（化学量論比算出）と、サンプル中のＡｌ濃度から算出されるＡｌの溶存量（成分調整として必要とされたＡｌの添加量に相当）とを差し引くことで得られた量を、損失Ａｌ量（ｋｇ／ｔ）とした。

【0028】

その結果、調整比の値の増加に伴い、損失Ａｌ量が減少することが判明した。そして、調整比の値が２４以上となる状態において、損失Ａｌ量が一定の値を示すことが判明した。即ち、以下に（１）式として示す通り、Ａｌの添加速度Ｆと、溶鋼中溶存酸素濃度Ｃ及び溶鋼還流量Ｑとの比が２４以上となる関係を満たす場合に、損失Ａｌ量を低位に安定させられること、即ち損失Ａｌ量の値の変動を抑制できることが判明した。換言すれば、Ａｌの添加速度Ｆと、溶鋼中酸素濃度Ｃ及び溶鋼還流量Ｑとの比が２４以上となるように操業条件を調整することで、損失Ａｌ量を最小化することができる。この場合、損失Ａｌ量に含まれるＡｌ蒸発損失量も最小の値となる。損失Ａｌ量には、Ａｌ蒸発損失量以外にも、スラグ４に含まれる酸化物との反応に伴う酸化、大気との接触に伴う酸化によって消費される量も含まれる。

【0029】

Ｆ／（Ｃ／１０^６×Ｑ）≧２４ ・・・（１）

【0030】

従って、真空脱ガス装置１により溶鋼３を脱酸する脱酸方法において、真空槽５の内部の溶鋼３にＡｌを添加する際に、Ａｌの添加速度Ｆと、溶鋼中酸素濃度Ｃ及び溶鋼還流量Ｑとの比が２４以上となるように操業条件を調整することで、損失Ａｌ量を最小限に抑えることが可能となる。

【0031】

つまり、真空脱ガス装置１を用いて、Ａｌ又はＡｌ合金を添加して溶鋼３を脱酸する溶鋼の脱酸方法において、Ａｌの添加速度Ｆと、溶鋼中溶存酸素濃度Ｃと、溶鋼環流量Ｑとの関係に基づいて、Ａｌを溶鋼３に添加することで、損失Ａｌ量を最小限に抑えることができる。即ち、溶鋼３へ添加するＡｌの添加量について、Ａｌ又はＡｌ合金の添加のための専用の設備を必要とせず、Ａｌ又はＡｌ合金を添加した際における損失Ａｌ量を低位に安定させることが可能となる。

【0032】

（１）式の左辺には上限値を設ける必要はないものの、真空脱ガス装置１での操業に悪影響が出ない範囲での値を設定すればよい。Ａｌの添加速度Ｆ及び真空槽内真空度Ｐは、次のように調整する必要がある。

【0033】

添加速度Ｆは、Ａｌの顕熱により溶鋼成分での液相線温度以下になる程速くすると、溶鋼３の流動性が低下し操業に影響が出る。このため、脱酸による発熱分と添加物の顕熱による抜熱分とで、溶鋼３の温度が溶鋼成分の液相線温度以上を維持することが必要である。具体的に、液相線温度＋１０℃以上を確保できる添加速度Ｆにすることが好ましい。

【0034】

真空槽内真空度Ｐは、大きい（低真空度）方が溶鋼環流量Ｑは小さくなる。この場合、（１）式の左辺が大きくなり、好適ではあるものの、低真空度で真空槽５の内部まで溶鋼３が吸い上がらないと溶鋼が環流しない。このため、事前に槽内観察カメラ等により溶鋼３が環流可能となる真空度を設定しておき、Ａｌの添加時に設定した真空度以上にならないようにすることが好ましい。

【0035】

また、溶鋼３への添加にＡｌ合金を用いる場合、Ａｌ純分が低いと合金の顕熱が大きくなり、Ａｌ合金の添加速度Ｆを速くすることができない。このため、Ａｌ又は高純度のＡｌ合金を用いることが望ましい。

【実施例0036】

炭素濃度が０．０２～０．０６質量％である約３１５～３３０トンの溶鋼を、転炉から内径３．２ｍの取鍋に未脱酸状態のまま出鋼し、ＲＨ真空脱ガス装置で真空処理を行い、炭素濃度を所定の濃度まで低下させた。その後、添加速度を変更して、脱酸処理に必要な量のＡｌを溶鋼に添加した。添加後、ＲＨ真空脱ガス装置で２分の環流処理を施し、その後に溶鋼のサンプルを採取し、分析に供した。

【0037】

実施例における操業条件と、当該操業条件から得られた「Ａｌの添加速度と、溶鋼中酸素濃度及び溶鋼還流量との比（調整比）」と、損失Ａｌ量とを表１に示す。また、調整比と、損失Ａｌ量との関係を図２に示す。比較例１～１４は、調整比が２４よりも小さい値となるように実施した例を示す。発明例１～１４は、調整比が２４以上の値となるように実施した例を示す。

【0038】

【表1】

【0039】

表１及び図２に示す通り、比較例１～１４は、調整比の値が小さくなる程、損失Ａｌ量が大きくなった。一方、発明例１～１４は、調整比の値の増減を問わず、損失Ａｌ量がほぼ一定の値であると共に、損失Ａｌ量が最小値を示していることが確認できた。即ち、Ａｌの添加速度と、溶鋼中酸素濃度及び溶鋼還流量との比の値が２４以上となる操業条件にすることで、損失Ａｌ量を最小値とすることが可能となることが確認できた。つまり、Ａｌの添加速度と、溶鋼中溶存酸素濃度と、溶鋼環流量との関係に基づいて、Ａｌを溶鋼に添加することで、Ａｌ又はＡｌ合金の添加のための専用の設備を必要とせず、Ａｌ又はＡｌ合金を添加した際における損失Ａｌ量を低位に安定させることが可能となることが確認できた。

【符号の説明】

【0040】

１ 真空脱ガス装置
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ スラグ
５ 真空槽
６ 上昇側浸漬管
７ 下降側浸漬管
８ 環流用ガス吹き込み管
９ ダクト
１０ 原料投入口
１１ ガス気泡

【図1】

【図2】