(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気炉にて［Ｃ］濃度が１〜３ｍａｓｓ％の含クロム鋼を溶解する工程において、該電気炉内に装入した材料の２０％以上が溶けて溶鋼となった後に、酸素を１０％以上含む混合ガスを前記溶鋼中に溶鋼トン当り０．０１Ｎｍ3 ／ｍｉｎ以上吹込むことを特徴とする含クロム鋼の溶解方法。
【請求項２】
溶鋼中に吹込むガスが酸素と不活性ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の含クロム鋼の溶解方法。
【請求項３】
溶鋼温度の上昇にしたがい、混合ガス中の酸素の比率を最大９０％まで増大させることを特徴とする請求項１記載の含クロム鋼の溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
電気炉にて含クロム鋼を溶解する工程において、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化を少なくし、溶解時間の短縮をはかり、効率的に装入材料の溶解を図る含クロム鋼の溶解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼のごとき１１ｍａｓｓ％以上のＣｒを含むような含クロム鋼は、電気炉で素材を溶解し、その後、上底吹き転炉、ＡＯＤおよびＶＯＤ等で精錬されて、製造されている。
含クロム鋼の電気炉での溶解は、スクラップ以外にフェロクロム、フェロニッケル等の合金も溶解材料として、電気炉内に装入し材料に通電することにより、電熱によって溶解が行われる。
【０００３】
電気炉で材料溶解中に、酸素ガス（以下、単に酸素という）や空気等の酸化性ガスを溶鋼内に吹込む方法は、Ｃｒを含まない普通鋼の分野では広く行われており、この方法により溶解時間の短縮や電力原単位の低減等の効率的な溶解が達成されている。
また、電気炉での含クロム鋼の溶解で、酸素を溶鋼中に吹込む方法は、ＡＯＤやＶＯＤが導入される以前から行われていた。この方法は電気炉に装入した材料が完全に溶解し、溶鋼温度が約１６００℃以上になった時点で、溶鋼中の［Ｃ］濃度を製品で要求される濃度まで下げるものであり、酸素の吹込みで［Ｃ］濃度の低下（脱炭）と同時に、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化も進行するために、ＡＯＤやＶＯＤが導入されてからは通常実施されていない。
【０００４】
一方、含クロム鋼の電気炉での溶解時に酸素と窒素ガスから成る空気を吹込む方法として、特開昭５８−１６７７１４号公報が開示されている。この方法は、溶解期、酸化期および還元期で構成される電気炉溶解工程の中で、還元期中にアーク加熱を一時中断し、精錬用ランスから鋼浴中に空気を吹込む方法である。
この方法では還元期の効率的な還元反応の進行は図れるが、溶解期および酸化期での吹込みはなく、かつ還元期の吹込みでもアーク加熱を中断して行うために、溶解時間の短縮や溶鋼中の［Ｃｒ］酸化の防止等については十分な効果は得られていない。
【０００５】
また、含クロム鋼の電気炉での溶解時に酸化性ガスを吹込む方法としては、特開昭５２−９５５１８号公報が開示されている。この方法は、電気炉内の溶鋼に純酸素とともに水蒸気を吹入れて、［Ｃ］濃度を０．２〜０．４ｍａｓｓ％まで低下させる方法である。
この方法も材料が完全に溶解した後に、ガス吹込みを行う方法であり、［Ｃ］濃度の低下によって、精錬工程の負荷は軽減されるが、電気炉での溶解時間の短縮等の効率的な溶解にはつながっていない。
このように、従来の技術では、酸化性ガスの吹込みによって溶解時間の短縮、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化の防止に十分な効果は得られておらず、十分に活用されていない状況にあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電気炉にて含クロム鋼を溶解する工程において、溶解の途中より溶鋼中に酸素を含む混合ガスの吹込みを行い、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化を極力抑え、溶解時間の短縮をはかる効率的な溶解方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を有利に解決したものであり、その要旨とするところは電気炉にて［Ｃ］濃度が１〜３ｍａｓｓ％の含クロム鋼を溶解する工程において、該電気炉内に装入した材料の２０％以上が溶けて溶鋼となった後に、酸素を１０％以上含む混合ガスを前記溶鋼中に溶鋼トン当り０．０１Ｎｍ3 ／ｍｉｎ以上吹込むことを特徴とする含クロム鋼の溶解方法である。また、溶鋼中に吹込むガスが酸素と不活性ガスの混合ガスであることを特徴とし、溶鋼温度の上昇にしたがい、混合ガス中の酸素の比率を最大９０％まで増大させることを特徴とする含クロム鋼の溶解方法にある。
なお、溶鋼トン当りの吹込み流量は、電気炉での溶解終了時での溶鋼量を基準とした吹込み量である。
【０００８】
【作用】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の電気炉にて含クロム鋼を溶解する工程において、酸素を含む混合ガスを吹込む方法は、図１に例示するような方法によって行う。図１の（ａ）は底吹きノズルあるいは底吹き羽口から酸素を含む混合ガスを吹込む方法、（ｂ）は炉口より上吹きランスを挿入してランスから酸素を含む混合ガスを吹込む方法を示した。
図中の１は電気炉炉体、２は電極、３は溶鋼、４は未溶解の材料、５はアーク、６は底吹きノズルあるいは底吹き羽口、７は上吹きランスを示す。
本発明は、図１の（ａ）および（ｂ）に例示するように、電気炉内に装入した材料が、完全に溶解を完了していない時点より、溶鋼中に酸素を含む混合ガスを吹込む方法である。
【０００９】
図２は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼を電気炉で溶解した場合、酸素を含む混合ガスの吹込みを開始する時点で、装入した材料の溶解して溶鋼になった比率と、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化指数の関係を示す。
なお、［Ｃｒ］の酸化指数は、装入した材料が１００％溶解した時点より混合ガスの吹込みを行った場合の、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化量の平均値を１００として、比例概算した値である。
また、混合ガスの吹込み流量は溶鋼トン当りの０．０１Ｎｍ３  ／ｍｉｎから０．２Ｎｍ３  ／ｍｉｎの範囲で行い、混合ガスとしては酸素を１０〜３０％含む、アルゴンあるいは窒素ガスとの混合ガスを用いた。
図２より、装入した材料の溶解した比率が２０％未満では急激に［Ｃｒ］の酸化量が増大する。これより、［Ｃｒ］の酸化を防止するために、混合ガスの吹込みを開始するのは装入した材料が２０％以上溶解した時点より行う必要がある。
【００１０】
図３は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の電気炉での溶解で、酸素を含む混合ガスの吹込みを行った場合、溶鋼トン当りの混合ガスの吹込み流量と、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化指数の関係を示す。なお、［Ｃｒ］の酸化指数は溶鋼トン当りの混合ガスの吹込み流量が、０．０１Ｎｍ３  ／ｍｉｎの場合の、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化量の平均値を１００として比例概算した値である。
また、混合ガスの吹込みは、装入した材料の２０〜４０％が溶解した時点より開始し、混合ガスとしては、酸素を１０〜５０％含むアルゴンあるいは窒素ガスとの混合ガスを用いた。
図３より、溶鋼トン当りの混合ガスの吹込み流量が、０．０１Ｎｍ３  ／ｍｉｎ未満では急激に［Ｃｒ］の酸化量が増大しており、［Ｃｒ］の酸化を防止するために混合ガスの吹込み流量は、溶鋼トン当り０．０１Ｎｍ３  ／ｍｉｎ以上にする必要がある。
【００１１】
図４は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の電気炉での溶解で、酸素を含む混合ガスの吹込みを行った場合、混合ガス中の酸素の比率と溶解時間の短縮率の関係を示す。
なお、溶解時間の短縮率はガス吹込みのない場合の溶解時間に対する短縮率である。また、混合ガスの吹込み流量は、溶鋼トン当り０．０１〜０．０５Ｎｍ３  ／ｍｉｎの範囲であり、混合ガスの吹込みは装入した材料の２０〜４０％が溶解した時点より開始した。
図４より、吹込み混合ガスの酸素ガスの比率が１０％未満では溶解時間の短縮率は非常に小さく、溶解時間の短縮をはかり、効率的に溶解を行うには混合ガス中の酸素の比率は１０％以上にする必要がある。
【００１２】
図５は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の電気炉での溶解で、酸素を含む混合ガスを溶鋼トン当り０．０１〜０．２０Ｎｍ３  ／ｍｉｎの流量で吹込みを行った場合、混合ガス中の酸素の比率と溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化指数の関係を示す。
なお、図には混合ガスの吹込みを開始した時点が、装入した材料の２０〜４０％が溶解した時点の場合と、８０〜１００％が溶解した時点の場合を合わせて示した。
また、［Ｃｒ］の酸化指数は装入した材料の２０〜４０％が溶解した時点で、混合ガスの吹込みを行った場合の混合ガス中の酸素の比率が１０％での溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化量を１００として比例換算した値である。
【００１３】
図５より、混合ガスの吹込みを開始した時点での装入した材料の溶解した比率が高い側、つまり溶鋼温度の高い側の方が吹込みガスの酸素の比率を高くしても［Ｃｒ］の酸化が抑えられる。また、装入した材料の溶解比率が高い側でも吹込みガスの酸素の比率が９０％を越えると、［Ｃｒ］の酸化が急激に増大する。
従って、溶鋼温度の上昇にしたがい、混合ガス中の酸素の比率を最大９０％まで増大させることで、［Ｃｒ］の酸化を抑え効率的な脱炭が可能であることがわかる。
【００１４】
以上より、電気炉にて［Ｃ］濃度が１〜３ｍａｓｓ％の含クロム鋼を溶解する工程において、電気炉内に装入した材料の２０％以上が溶けて溶鋼となった後に、酸素を１０％以上含む混合ガスを溶鋼トン当り０．０１Ｎｍ3 ／ｍｉｎ以上吹込むことにより、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化が少なく、溶解時間が短縮されて効率的な溶解が可能になる。また、前記溶鋼温度が上昇するにしたがい、混合ガス中の酸素ガスの比率を最大９０％まで増大させる方法が有効である。
操業においては、装入した材料の溶けて溶鋼になった比率は総電力投入量より把握することが可能であり、総電力量の推移にしたがい、混合ガスの吹込み流量および酸素の比率を調整すればよい。
【００１５】
この混合ガスの吹込みによって、溶鋼中の［Ｃ］および［Ｓｉ］の酸化が進行するために、この酸化反応熱によって溶解が促進され、溶解時間の短縮および溶解電力原単位の低減につながる。
なお、溶鋼中の［Ｃ］濃度は０．５ｍａｓｓ％以下になると［Ｃｒ］の酸化が進行しやすくなるために、この値以上に［Ｃ］濃度を保持できるように、全酸素の吹込み流量を調整することが好ましい。また、吹込み混合ガス流量の上限は、炉内の攪拌状態に依存し、炉形状によって決まる値であるが、一般的には溶鋼トン当り０．５Ｎｍ３  ／ｍｉｎ以下が好ましい。
【００１６】
含クロム鋼を電気炉で溶解する工程では、溶解材料としてスクラップ以外にフェロクロム、フェロニッケル等の合金が用いられることが一般的である。これらの材料にはＣが含まれており、酸素を含むガスの吹込みを行わなかった場合には、溶解終了時点で［Ｃ］濃度は１〜３ｍａｓｓ％になる。
【００１７】
含クロム溶鋼に酸素を含むガスを吹込んだ場合には、下記（１）式に示す脱炭反応が進行すると同時に、下記（３）式に示す溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化反応が進行する可能性がある。なお、（１）式の反応の平衡定数Ｋは（２）式で表される。
【００１８】
【数１】
0003578515.tif 000002
【００１９】
ここで、ＰＣＯは雰囲気中のＣＯガス分圧（ａｔｍ）、
ａＣ  ，ａＯ  は溶鋼中の［Ｃ］および［Ｏ］の活量、
Ｔは溶鋼温度（Ｋ）を夫々示す。
（３）式の［Ｃｒ］の酸化反応の進行を抑え、（１）式の脱炭反応を効率的に進行させるには（２）式より、ＣＯガス分圧ＰＣＯの低下および溶鋼温度Ｔの上昇が有効である。
【００２０】
従来、ＡＯＤやＶＯＤ等の精錬炉では、１６５０℃以上の高温下でＰＣＯの低下が可能であり、効率的な脱炭が可能であった。
一方、電気炉のような溶解炉では、室温あるいは数百℃レベルより溶解を開始するために、酸素単独の吹込みでは急激な［Ｃｒ］の酸化反応が進行し、効率的な脱炭および溶解は達成することが出来なかった。
さらに、電気炉は一般的には底吹きのガス攪拌がなく、溶鋼の攪拌が弱いために、溶解中に雰囲気中に存在する酸素によって、［Ｃｒ］の酸化が進行するために、溶解後、酸化した［Ｃｒ］を回収するための還元処理が行われてきた。
【００２１】
このような状況下で、本発明者らは、酸素とアルゴン、窒素等の不活性ガスの混合ガスを溶鋼中に吹込めば、アルゴン、窒素がＰＣＯの低下に作用することを見い出した。
また、電気炉内に装入した材料の２０％以上が溶けて溶鋼となった状態であれば、溶鋼温度が前記（３）式の［Ｃｒ］の酸化反応よりも、前記（１）式の脱炭反応が促進される条件が達成され、酸素を１０％以上含む混合ガスの吹込みが可能になることを見い出した。
さらに、雰囲気からの［Ｃｒ］の酸化を進行させない条件として、溶鋼トン当り０．０１Ｎｍ３  ／ｍｉｎ以上の混合ガスの吹込めばよいことも見い出した。
【００２２】
これらの条件によって、［Ｃｒ］の酸化を極力少なくして、脱炭反応が進行することになるが、脱炭反応量を増加させるためには溶解比率の増大、つまり溶鋼温度の上昇にしたがい、混合ガス中の酸素の比率を最大９０％までを増大させることが特に有効であることを見い出した。
このような条件での混合ガスの吹込みにより、前記（１）式の反応が進行し、生成したＣＯガスの一部または全部が雰囲気中に存在する酸素と反応して、下記（４）式の二次燃焼反応が進行する。
【００２３】
【数２】
0003578515.tif 000003
【００２４】
（１）式および（４）式の反応とも発熱反応であり、溶鋼温度が上昇し、溶解時間の短縮および溶解電力原単位の低減につながる。
なお、（１）式の反応進行により、溶鋼中の［Ｃ］濃度が低下する。［Ｃ］濃度が約０．５ｍａｓｓ％以下になると（３）式の［Ｃｒ］の酸化反応が進行しやすくなるために、電気炉での溶解終了時の［Ｃ］濃度は、この程度以上にすることが好ましい。
【００２５】
【実施例】
ＳＵＳ３０４ステンレス鋼（８ｍａｓｓ％Ｎｉ−１８ｍａｓｓ％Ｃｒ）の電気炉での溶解時に酸素と窒素ガスとの混合ガスを吹込む処理を図１（ａ）に示す実施態様で実施した。
溶解材料には、スクラップ、フェロクロム、フェロニッケルを用い、酸素を含む酸化性ガスの吹込みのない場合には、溶解後の［Ｃ］濃度は１．８〜２．０ｍａｓｓ％の範囲になる条件で、溶鋼６０ｔを製造した。
溶解後、溶解中に酸化した［Ｃｒ］を還元するためにＦｅ−Ｓｉを添加して還元処理を行い、取鍋に出鋼し、その後、ＡＯＤでの脱炭および脱硫処理等を行った後に、連続鋳造機による鋳造を行い、鋳片を製造した。
【００２６】
表１に電気炉での溶解時の酸素を含む混合ガスの吹込み条件の実施例を示す。本発明の実施例は、先に示した条件を満足するように実施し、装入した材料の溶解した比率が増加するにしたがい、混合ガス中の酸素の比率を増大させた。
比較例のＮｏ．６はガスの吹込みのない例、Ｎｏ．７は酸素単独の吹込みを行った例、Ｎｏ．８は吹込み開始時期が本発明の条件外の例、Ｎｏ．９は吹込み混合ガスの量が本発明の条件外の例である。
【００２７】
【表１】
0003578515.tif 000004
【００２８】
【表２】
0003578515.tif 000005
【００２９】
実施結果を表２に示す。表中の値は比較例のＮｏ．６の結果を１００として、比較換算した値である。
本発明例では、ガス吹込みのない場合に比べ、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化はほぼ同等レベル以下であるために、還元用Ｓｉの添加量も同等レベル以下であり、電力原単位の低減、溶解時間の短縮、さらには精錬時間の短縮にもなり大幅な製造コストの低減が達成された。
一方、比較例では、ガス吹込みのない場合に比べ、電力原単位の若干の低減および溶解時間の短縮はあるが、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化が大きいために、十分な効果は得られなかった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明法によると、電気炉での含クロム鋼の溶解において、溶鋼中の［Ｃｒ］の酸化を抑制した条件で、溶鋼の脱炭が進行するために溶解時間の大幅な短縮、電力原単位の低減が達成され、併せて、その後の工程である精錬時間の短縮も達成されて、製造コストの低減および生産性の大幅な向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様例の酸素を含む混合ガスの吹込み方法を示す図
【図２】本発明法における酸素を含む混合ガスの吹込み開始する条件の限定理由を示す図
【図３】本発明法における酸素を含む混合ガスの吹込み流量の限定理由を示す図
【図４】本発明法における吹込み混合ガス中の酸素の比率の限定理由を示す図
【図５】本発明法における吹込む混合ガス中の酸素の比率の変化を説明する図
【符号の説明】
１  電気炉炉体
２  電極
３  溶鋼
４  未溶解材料
５  アーク
６  底吹きノズル
７  上吹きランス
【図１】
0003578515.tif 000006
【図２】
0003578515.tif 000007
【図３】
0003578515.tif 000008
【図４】
0003578515.tif 000009
【図５】
0003578515.tif 000010