JP3903580B2

JP3903580B2 - 高清浄度鋼の溶製方法

Info

Publication number: JP3903580B2
Application number: JP07972398A
Authority: JP
Inventors: 悟郎奥山; 秀次竹内
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: JPH11279630A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高清浄度鋼の溶製方法に係わり、詳しくは、ＶＯＤ等の底吹きガス撹拌機能を有する減圧製錬装置を用いた所謂二次精錬の末期に、脱炭済みの溶鋼を脱酸剤で脱酸するにあたり、溶鋼中へのスラグの巻き込み量を低減し、非金属介在物の少ない鋼を溶製する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶鋼中の酸素は、溶鋼に溶解した所謂フリー酸素、脱酸剤と反応して生成した脱酸生成物系介在物及び精錬で生じたスラグの巻き込みによって生じたスラグ系介在物のいずれかの形態で存在する。そして、この溶鋼中の酸素は、該溶鋼を鋳造、圧延して製造する製品鋼材の品質に悪影響を及ぼすので、通常は、転炉精錬の後に二次精錬を行って、できるだけ低くするようにしている。なお、この二次精錬に用いられる装置の一つに、図３に示すようなＶＯＤ（Vacuum Oxygen Decarburization ノ略) 方式の減圧精錬装置７がある。それは、溶鋼１を収容した取鍋２の周囲を密封容器３で囲み、該容器３内を減圧できるようになっている。また、その容器３内には、ランス４を介して酸素ガス５を溶鋼１に吹き付け、脱炭を行う機能と、取鍋２の底から不活性ガス６を吹込み、該底吹きガス６で溶鋼１を撹拌する機能とを備えている。
【０００３】
従来、かかるＶＯＤ精錬装置を用いた溶鋼中酸素の低減方法としては、溶鋼表面上に形成するスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂ ）を高くし、そのスラグとメタル間の反応で決まる溶鋼中の平衡酸素濃度が低いことを利用して、所謂フリー酸素を低減する方法と共に、底吹きガス撹拌を強化して、脱酸生成物を浮上分離する方法が採用されていた。
【０００４】
しかしながら、このような減圧精錬処理では、溶鋼１の表面上に溶融したスラグ８が存在するので、底吹きガス６で溶鋼１を過度に強撹拌すると、該スラグ８が必ず溶鋼１中に巻き込まれる。その際、巻き込まれたスラグ８の粒子が大きい時は、溶鋼１中で再度浮上し、容易に除去される。ところが、数１０μｍ以下の大きさの粒子は、浮上し難く除去できないことが多いので、溶鋼１中の酸素濃度を増加し、製品鋼材に欠陥をもたらす原因となる。それでも、底吹きガス６による撹拌は、スラグ−メタル反応によるスラグ８の還元促進やフリー酸素低下には欠かすことができないので、減圧精錬では、溶鋼１へのスラグ８の巻き込みを如何に改善するかが問題となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる状況に鑑み、ＶＯＤのような減圧精錬装置を用い、溶鋼中の脱酸生成物及びスラグ巻き込みに起因した非金属介在物を従来より低減できる高清浄度鋼の溶製方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、ＶＯＤ減圧精錬装置を用い、溶鋼のフリー酸素濃度が低く、且つ脱酸生成物やスラグの巻き込み量の少ない鋼の製造をいかにすれば良いか研究を重ねた。そして、該二次精錬のうちの末期、つまり金属Ａｌ，Ｆｅ−Ｓｉ等での脱酸還元処理時における、溶鋼の撹拌方法に着眼し、本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は、底吹きガス撹拌機能を有する減圧精錬装置内で脱炭した溶鋼に、引き続き脱酸剤を投入して脱酸処理する溶鋼の精錬方法において、前記脱酸剤の投入から５分間以上３０分以下は、前記溶鋼を下記（１）式で定義される撹拌動力密度（ε）が３００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上５００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以下となる条件で撹拌し、その後は、前記撹拌動力密度が１０ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上２５０ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以下となる条件での撹拌を５分間以上３０分以下行うことを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法である。
【０００８】
ε＝０．０２８５・Ｑ・Ｔ／Ｗ・ｌｏｇ（１＋Ｚ／１４８×７６０／Ｐ） …（１）
ε：撹拌動力密度（ワット／トン−ｓｔｅｅｌ）
Ｑ：底吹きガス流量（ノルマル・リットル／分）
Ｔ：鋼浴温度（Ｋ°）
Ｗ：鋼浴重量（トン）
Ｚ：浴深さ（ｃｍ）
Ｐ：真空度（ｔｏｒｒ）
また、本発明は、前記減圧製錬装置をＶＯＤとすることを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法である。
【０００９】
本発明では、脱酸生成物ができ、スラグに十分に吸収される間は強撹拌し、脱酸生成物が十分浮上し、スラグが均一化した後は弱撹拌するようにしたので、溶鋼への脱酸生成物やスラグの巻き込みが抑制できるようになる。その結果、従来より清浄な溶鋼が得られるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。
まず、転炉等の製鋼炉（図示せず）で粗脱炭された溶鋼１を取鍋２に出鋼し、該取鍋２を、底吹きガス６による撹拌機能を有する減圧精錬装置７に移行する。
なお、ここでは、該減圧精錬装置７として、図３に示したＶＯＤを採用している。
【００１１】
このＶＯＤでは、減圧精錬の第一段階として、密封容器３内を減圧すると共に、ランス４を介して酸素ガス５を溶鋼に吹き付け、目標炭素濃度まで脱炭が行われる。この酸素吹錬脱炭に引き続き、上吹酸素を停止して、溶鋼中の溶存酸素による所謂「Ｃ−Ｏ脱炭」を行うこともある。そして、脱炭が終了してから、第二段階として、溶鋼１中に金属Ａｌ，ＳｉあるいはＦｅ−Ｓｉ等の脱酸剤を投入し、脱酸処理が実施される。本発明は、この脱酸処理中の溶鋼１の撹拌を、従来とは異なる方法で行い、得られる溶鋼１の酸素濃度を従来より低減し、非金属介在物の溶鋼への混入を抑制するものである。
【００１２】
具体的には、脱酸剤の投入から少なくとも５分間を強く撹拌し、その後少なくとも５分間を弱く撹拌して、スラグ８の巻き込みを抑制する。その一例を、時間と撹拌動力密度との関係として図１に示す。図１では、撹拌動力密度を一度だけ階段状に変更しているが、本発明は、この変更方法はこの例に限るものではない。つまり、複数回の変更を行っても良いし、また該動力密度を連続的に低下させても良い。
【００１３】
脱酸剤の投入から少なくとも５分間を、撹拌動力密度３００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上とする理由は、次の通りである。脱酸剤投入直後には、非金属介在物の浮上分離もさることながら、まず、脱酸剤によってスラグ自体を十分に且つ均一に還元することが肝要である。この段階でスラグの還元が不十分であると、たとえ介在物を浮上分離させても、スラグ中の酸化クロム、酸化鉄、マンガン酸化物などの低級酸化物が解離して溶鋼中にフリー酸素を供給し続けることになり、精錬の終了後に溶鋼を再酸化し、新たに非金属酸化物が生成する原因となる。この反応は、すべて溶鋼の撹拌の強さに依存しており、とりわけ３００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上という強撹拌条件で、その効果が顕著となる。この強撹拌処理を少なくとも５分間行うのは、脱酸剤とスラグの反応を十分に行わせ、スラグを均一化しておくためである。なお、撹拌動力密度の上限は、特に設けないが、あまりに撹拌が激しいと、溶鋼容器から外に溶鋼が噴出したり、容器の蓋に地金が付着したりして操業を阻害するので、５００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ程度にとどめておくのが望ましい。また、処理時間の上限は、特に定めないが、あまり長時間になると、スラグによる溶鋼容器の内張り耐火物の溶損が発生するので、３０分程度、より好ましくは２０分程度にとどめるのが好ましい。
【００１４】
一方、上記の処理後に、撹拌動力密度で２５０ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以下の撹拌処理を少なくとも５分間以上行うのは、次の理由による。この時期には、もはやスラグの還元や均一化は重要でなく、溶鋼中の非金属介在物及び上記強撹拌の際に溶鋼中に巻き込まれたスラグの浮上をはかり、溶鋼を清浄化することが大切である。そして、鋼浴面上のスラグが新たに溶鋼中に巻き込まれることは、極力避けなければならない。撹拌動力密度が２５０ワット／トン−ｓｔｅｅｌを超えると、上記スラグ巻き込みの速度が、スラグや介在物の浮上速度より勝ってしまうので、この時期の撹拌動力密度は、２５０ワット／トン−ｓｔｅｅｌを上限とする。撹拌動力密度の下限は、特に設けるものではないが、撹拌によるスラグや非金属介在物の浮上分離が所定時間内に十分なされることが必要であるから、１０ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上で行うのが良い。
【００１５】
この相対的に弱撹拌の時期は、少なくとも５分間行うが、これは、介在物や巻き込みスラグを十分に浮上分離させるために最低限５分間の処理が必要だからである。この処理時間も特に上限を定めるものではないが、前述の処理と同様に、あまり長時間になると、スラグによる溶鋼容器の内張り耐火物の溶損が発生するので、３０分程度、より好ましくは２０分程度にとどめるのが望ましい。なお、前記（１）式の撹拌動力密度は、真空下でのガス撹拌エネルギーを表わすものとして公知であるので、説明を省略する。
【００１６】
次に、発明者は、かかる本発明の実施効果をＳＵＳ３０４のステンレス鋼で確認した。当該鋼種は、Ｃａ処理を実施しないため、溶鋼中にＣａ成分は元来存在しないが、スラグ中にはＣａＯが含まれていることを利用した。つまり、溶鋼中へのスラグの巻き込み量を、溶鋼中のＴｏｔａｌ．Ｃａの濃度で比較したのである。
【００１７】
その結果を図２に示す。図２に示す従来法とは、脱酸・還元処理期間中を３００ワット／トン・ｓｔｅｅｌと一定で強撹拌した場合であり、本発明法とは、十数分の強撹拌後に２５０ワット／トン・ｓｔｅｅｌ以下にした場合である。図２より、本発明法の適用で、従来法の強撹拌で一定に処理する場合よりも還元・脱酸処理終了後の溶鋼中のＴ．Ｃａ濃度が低下する。この鋼種の精錬条件では、溶鋼中のＴｏｔａｌＣａ源としては、スラグ中のＣａＯしかありえない。従って、この結果から、スラグ８の溶鋼１への巻き込みが減ることが明らかである。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
転炉で粗脱炭を行った溶鋼１６０トンを取鍋２に出鋼し、その後ＶＯＤ真空精錬装置で酸素吹錬を行い、Ｃ：０．０５５重量％、Ｃｒ：１８．２重量％の溶鋼１を得た。しかる後、該溶鋼１にＦｅ−Ｓｉ合金を９５０ｋｇ添加し、装置内の真空度を３ｔｏｒｒに減圧し、底吹きガス６としてＡｒガスを５００ノルマル・リットル／分で吹込み、所謂脱酸・還元処理を開始した。従って、開始当初の撹拌動力密度は、４２０ワット／トン−ｓｔｅｅｌである。
【００１９】
この状態を１５分間続けた後、装置内の真空度を４０ｔｏｒｒにまで下げ、Ａｒガスを１００Ｎリットル／分に変更して、撹拌動力密度を４７ワット／トン・ｓｔｅｅｌとして７分間の弱撹拌を行った。
その結果、Ｃ：０．０５２重量％、Ｃｒ：１８．３重量％、Ｓｉ：０．３５重量％、Ｏ：４５ｐｐｍ、およびＴ．Ｃａ：１ｐｐｍのスラグ巻き込みの少ないステンレス溶鋼を得ることができた。また、この溶鋼で得た鋳片を切断し、断面を顕微鏡観察で調査したが、存在する非金属介在物の面積率は、極めて少なかった。
【００２０】
（実施例２）
実施例１と同様に、転炉で粗脱炭を行った溶鋼１６０トンを取鍋２に出鋼し、その後ＶＯＤ真空精錬装置で酸素吹錬を行い、Ｃ：０．０６重量％、Ｃｒ：１８．１重量％の溶鋼を得た。しかる後、該溶鋼１にＦｅ−Ｓｉ合金１０００ｋｇを添加し、該装置内の真空度を３ｔｏｒｒに減圧し、底吹きガス６のＡｒガスを５００ノルマル・リットル／分で吹込み、撹拌動力密度を４２０ワット／トン・ｓｔｅｅｌの脱酸・還元処理を開始した。
【００２１】
この状態を１５分間継続した後、装置内の真空度を３ｔｏｒｒとしたまま、Ａｒガスを６０ノルマル・リットル／分に変更し、撹拌動力密度を５０ワット／トン・ｓｔｅｅｌで８分間の弱撹拌を行った。その結果、Ｃ：０．０５６重量％、Ｃｒ：１８．２重量％、Ｓｉ：０．３８重量％、Ｏ：４７ｐｐｍ、およびＴ．Ｃａ：１ｐｐｍのスラグ巻き込みの少ないステンレス溶鋼を得ることができた。また、この溶鋼で得た鋳片を切断し、断面を顕微鏡観察で調査したが、非金属介在物の面積率は、実施例と同程度であり、極めて少なかった。
【００２２】
（従来例）
実施例１と同様に、転炉で粗脱炭を行った溶鋼１６０トンを取鍋２に出鋼し、その後ＶＯＤ真空精錬装置で酸素吹錬を行い、Ｃ：０．０６重量％、Ｃｒ：１８．１重量％の溶鋼を得た。しかる後、該溶鋼１にＦｅ−Ｓｉ合金１０００ｋｇを添加し、該装置内の真空度を３ｔｏｒｒに減圧し、底吹きガス６のＡｒガスを５００ノルマル・リットル／分で吹込み、撹拌動力密度を４２０ワット／トン・ｓｔｅｅｌの脱酸・還元処理を開始した。そして、この状態を１５分間継続した後、出鋼した。その結果、溶鋼成分は、Ｃ：０．０５６重量％、Ｃｒ：１８．２重量％、Ｓｉ：０．３８重量％、Ｏ：５０ｐｐｍ、およびＴ．Ｃａ：７ｐｐｍであり、そのＴｏｔａｌＣａ濃度からスラグ起因の介在物の巻き込みがあることが明らかになった。また、この溶鋼で得た鋳片を切断し、断面を顕微鏡観察で調査したところ、非金属介在物の面積率は、実施例１、２の５倍であり、清浄度が劣るものであった。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、脱酸生成物ができ、スラグに十分に吸収される間は強撹拌し、スラグが溶鋼に巻き込まれ易くなってからは弱撹拌するようにしたので、溶鋼への脱酸生成物やスラグの巻き込みが抑制できるようになる。その結果、非金属介在物が従来より少ない、つまり清浄な溶鋼が安定して得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法と本発明法とで、還元・脱酸処理中の撹拌動力密度パターンを比較した図であり、（ａ）が本発明法、（ｂ）が従来法のものである。
【図２】還元・脱酸処理中の溶鋼の撹拌動力密度と処理後の溶鋼中Ｔｏｔａｌ．Ｃａ濃度との関係図である。
【図３】ＶＯＤ減圧精錬装置を示す図である。
【符号の説明】
１溶鋼
２取鍋
３密封容器
４ランス
５酸素ガス
６不活性ガス（底吹きガス）
７減圧精錬装置（二次精錬装置）
８スラグ

Claims

底吹きガス撹拌機能を有する減圧精錬装置内で脱炭した溶鋼に、引き続き脱酸剤を投入して脱酸処理する溶鋼の精錬方法において、
前記脱酸剤の投入から５分間以上３０分以下は、前記溶鋼を下記（１）式で定義される撹拌動力密度（ε）が３００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上５００ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以下となる条件で撹拌し、その後は、前記撹拌動力密度が１０ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以上２５０ワット／トン−ｓｔｅｅｌ以下となる条件での撹拌を５分間以上３０分以下行うことを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法。
ε＝０．０２８５・Ｑ・Ｔ／Ｗ・ｌｏｇ（１＋Ｚ／１４８×７６０／Ｐ）・・（１）
ε：撹拌動力密度（ワット／トン−ｓｔｅｅｌ）
Ｑ：底吹きガス流量（ノルマル・リットル／分）
Ｔ：鋼浴温度（Ｋ°）
Ｗ：鋼浴重量（トン）
Ｚ：浴深さ（ｃｍ）
Ｐ：真空度（ｔｏｒｒ）
前記減圧精錬装置をＶＯＤとすることを特徴とする請求項１記載の高清浄度鋼の溶製方法。