(57)【要約】      （修正有）【課題】事前に送酸量を定めずとも、酸素ガスの吹き付けによる脱炭からリムド脱炭への移行を適切に行え、極低炭素領域であっても目標達成精度良く脱炭が可能な溶鋼の真空脱炭方法を提供する。【解決手段】真空脱ガス槽３内に溶鋼を保持し、該真空脱ガス槽内の雰囲気を一定値に減圧した後、該溶鋼に上吹きランス４を介して酸素ガス又は含酸素混合ガス９を吹き付け脱炭し、吹き付け停止後も溶鋼中の酸素で極低炭素領域までリムド脱炭する溶鋼の真空脱炭方法を改善した。具体的には、前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付け中に、排ガス中のＣＯ濃度が３３〜３７ｖｏｌ％の範囲の所定値より低下したら、該酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付けを停止することを特徴とする。【選択図】図２
2005076060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空脱ガス槽内に溶鋼を保持し、該真空脱ガス槽内の雰囲気を一定値に減圧した後、該溶鋼に上吹きランスを介して酸素ガス又は含酸素混合ガスを吹き付け脱炭し、吹き付け停止後も溶鋼中の酸素で極低炭素領域までリムド脱炭する溶鋼の真空脱炭方法において、
前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付け中に、排ガス中のＣＯ濃度が３３〜３７ｖｏｌ％の範囲の所定値より低下したら、該酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付けを停止することを特徴とする溶鋼の真空脱炭方法。
【請求項２】
前記排ガス中ＣＯガス濃度の低下に代え、前記真空脱ガス槽内の雰囲気圧力が前記一定値の１０〜１５％に低下したら, 前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付けを停止することを特徴とする請求項１記載の溶鋼の真空脱炭方法。
【請求項３】
前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付け中に、前記上吹きランスを昇降し、該上吹きランスの先端位置を変更することを特徴とする請求項１又は２記載の溶鋼の真空脱炭方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶鋼の真空脱炭方法に係わり、特に真空脱ガス槽内の溶鋼に上吹きランスを介して酸素ガスを吹き付ける方式の真空脱炭処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素含有量が１００ｐｐｍ以下の所謂「極低炭素領域」にある鋼の溶製方法としては、真空脱ガス槽（以下、単に真空槽という）内に保持した溶鋼に、該脱ガス槽へ上方から挿入した上吹きランスを介して酸素又は含酸素混合ガス（例えば、酸素とアルゴン）を吹きつけて溶鋼中炭素をＣＯガスとして鋼浴から排ガスへ移行させると同時に、該鋼浴の上方空間（フリーボードという）で該ＣＯガスを二次燃焼させ、溶鋼温度の降下を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、その二次燃焼は、通常、排ガス中のＣＯ2／（ＣＯ＋ＣＯ2）比が３０以上になるように行われる。
【０００３】
しかしながら、この脱炭技術には、以下のような問題があった。すなわち、前記二次燃焼は、脱炭処理中の溶鋼温度の降下を抑制し、溶鋼の温度を補償する上では有効であるが、処理時間の経過につれ、真空槽内の側壁や天井に付着していた地金が再溶解して、槽内の溶鋼に落下、吸収されることが避けられない。前記付着地金は、真空処理開始時の未だ十分に脱炭されていない溶鋼が、所謂「スプラッシュ」（急速な減圧や激しい脱炭反応によって発生するＣＯガス等の気泡の破裂に伴って飛散する溶鋼の滴）となって槽内の側壁や天井に付着したものであるから、溶製の最終目標である溶鋼の炭素濃度（例えば、０．００２０ｍａｓｓ％）に比較して遥かに高い濃度の炭素（例えば、０．０１〜０．０３ｍａｓｓ％）を含有している。したがって，このような高炭素濃度の地金が再溶解して槽内の溶鋼に合体することは、槽内溶鋼の加炭を意味し、これによって見かけの脱炭速度が低下して、該溶鋼の極低炭素領域への到達時間を遅らせる。
【０００４】
また、このような上吹きランスを介して酸素ガスを吹き付ける真空脱炭処理においては、酸素ガスの吹き込みを終了し、専ら溶鋼中に溶解している酸素と溶鋼中の残存炭素との反応による脱炭（これをリムド脱炭と呼ぶ）も行うが、そのリムド脱炭に移行する時期が重要である。その理由は、酸素ガスの吹き付けを長時間続けると、溶鋼中の酸素濃度が高くなり過ぎて、その後のリムド脱炭を経た後に溶鋼中に残存する酸素濃度が高くなるからである。つまり、その過剰な酸素を除くため、アルミニウム等を投入する脱酸が必須となり、溶鋼中に多量の非金属介在物（アルミナ等）を発生させ、最終的に鋼材の品質を劣化する恐れがある。一方、酸素ガスの吹き付けを短時間で終了してしまうと、酸素ガスによる脱炭よりも脱炭速度の小さいリムド脱炭に早期に移行してしまうため、この場合も全体の脱炭処理が長期化する。
【０００５】
そこで、従来は、脱炭処理を開始する前に溶鋼中の酸素濃度を測定し、その値に基づいて、予め溶鋼に吹き付ける酸素ガス（送酸）の全量（送酸速度×送酸時間）を決めて操業していた。しかし、このような脱炭処理では、高価な測定器具（酸素プロープ）を用いて鋼中酸素を測定するので、操業コストが嵩むばかりでなく、その測定分だけ全体の処理時間が長くなるという問題点があった。また、処理前の溶鋼中酸素濃度を測定しておいても、上吹きランスの高さ（先端位置）や溶鋼の撹拌状態等によって溶鋼の脱炭速度に差異が生じるので、予定の酸素量を吹き終えてリムド脱炭に移行する時点での溶鋼中炭素及び酸素の濃度が必ずしも予定通りにならないことが多かった。つまり、従来は、真空脱炭処理時に上吹きランスからの酸素ガスを二次燃焼を生じさせるように供給していたので、脱炭処理中の槽内付着地金の再溶解が避けられず、脱炭速度が低下するという予期せぬ問題があった他、酸素ガスの吹き付けによる脱炭（以下、送酸脱炭ともいう）からリムド脱炭への以降タイミングを定めることが難しいという問題があった。
【特許文献１】特開平２−７７５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、事前に送酸量を定めずとも、酸素ガスの吹き付けによる脱炭からリムド脱炭への移行を適切に行え、極低炭素領域であっても目標達成精度良く脱炭が可能な溶鋼の真空脱炭方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。すなわち、本発明は、真空脱ガス槽内に溶鋼を保持し、該真空脱ガス槽内の雰囲気を一定値に減圧した後、該溶鋼に上吹きランスを介して酸素ガス又は含酸素混合ガスを吹き付け脱炭し、吹き付け停止後も溶鋼中の酸素で極低炭素領域までリムド脱炭する溶鋼の真空脱炭方法において、前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付け中に、排ガス中のＣＯ濃度が３３〜３７ｖｏｌ％の範囲の所定値より低下したら、該酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付けを停止することを特徴とする溶鋼の真空脱炭方法である。この場合、前記排ガス中ＣＯガス濃度の低下に代え、前記真空脱ガス槽内の雰囲気圧力が前記一定値の１０〜１５％に低下したら, 前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付けを停止するようにしても良い。また、本発明では、前記酸素ガス又は含酸素混合ガスの吹き付け中に、前記上吹きランスを昇降し、該上吹きランスの先端位置を変更するのが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、真空脱炭処理前の溶鋼中の酸素濃度を測定することなく、またそれに基づく予定送酸量を定めることなく、送酸脱炭を開始し、排ガス中のＣＯ濃度が所定濃度まで低下するか、あるいは槽内圧力が当初の設定雰囲気圧力より１０％低下した時点で酸素の吹き付けを停止するようにしたので、必要以上の酸素を槽内に供給することによる前記二次燃焼の長期化を防止できるようになる。その結果、炭素濃度の高い槽内付着地金が再溶解して溶鋼中に合体するのが防止でき、脱炭速度の低下を抑制できる。また、排ガス中ＣＯ濃度が所定値に到達したり、あるいは槽内圧力の急低下する時点では、溶鋼中にリムド脱炭に十分な酸素が蓄積されているので、この時点で酸素の上吹きを停止してリムド脱炭に移行しても脱炭速度を極端に低下する問題は生じない。それどころか、溶鋼中に過剰な酸素が含有される前にリムド脱炭に移行するので、リムド脱炭処理後の溶存酸素濃度が低く、アルミニウム等の脱酸剤を添加した際の非金属介在物の生成量が少なくなる。さらに、二次燃焼の期間が短縮されて溶鋼の温度降下が懸念されるが、送酸脱炭及びリムド脱炭の合計した処理時間は短くなって温度降下量が少なくなるため、二次燃焼による温度補償を伴わなくても、操業上で大きな問題とはならず、転炉等の一次精錬炉からの溶鋼の出鋼温度を１０℃程度高めることで対処できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するに当たっての最良の形態を説明する。
【００１０】
本発明の実施対象とする真空脱炭処理設備は、図２に示すように、溶鋼１を保持する取鍋２と、排気ポンプ（図示せず）の運転で内部雰囲気を減圧にして上記取鍋２内の溶鋼１を吸い上げ、環流（方向を矢印５で示す）させつつ精錬する真空槽３とを組合せた方式のものであり、図示したＲＨ真空脱ガス処理設備の他、ＤＨ真空脱ガス処理設備及びこれらに類似した直胴型の減圧精錬設備等が対応する。そして、いずれの場合も、真空槽３（減圧槽とか脱ガス槽と呼ばれることもあるが、本発明ではそれらも含めて「真空槽」と呼称する）内に吸い上げられた溶鋼１の浴面へ上方から酸素または含酸素混合ガスを吹き付けれるように、上吹きランス４が該真空槽３へ挿入できるよになっている。
【００１１】
本発明は、転炉等の一次精錬炉で炭素濃度が通常０．０２〜０．０４ｍａｓｓ％程度に粗脱炭された溶鋼を取鍋に出鋼し、上記したいずれかのタイプの真空脱炭処理設備にセットした取鍋に該溶鋼１を移行することで開始される。まず、真空脱炭処理設備の取鍋２内溶鋼１には、前記真空槽３の下端を構成する浸漬管７が浸漬されると共に、排気経路８に接続した排気ポンプ（図示せず）を駆動させて真空槽３内を減圧する。真空槽３内の雰囲気が所定のある一定圧（通常は、１．３３〜２．６６×１０4Ｐａ、すなわち１００〜２００ｔｏｒｒ程度）に到達した時点で、上吹きランス４から槽内溶鋼１の表面に向けて酸素ガスまたは含酸素混合ガス９を吹き付け、溶鋼１中の炭素をＣ＋１／２Ｏ2→ＣＯなる反応によってガス化し、排ガス１０へ移行する「送酸脱炭」を行う。
【００１２】
本発明では、この送酸脱炭中は、常に排ガス中のＣＯ濃度は、３３〜３７ｖｏｌ％内で定まるある値（例えば、３５ｖｏｌ％）以上となるようにする。排ガス中のＣＯ濃度をそのような値以上に保つ手段は、上吹きランス先端と槽内の溶鋼浴面の間隔を狭める方法、あるいは酸素流量を増大して溶鋼浴面に衝突する際の酸素ジェットの動圧を高める方法がある。所謂「ハードブロー」と称される条件である。このハードブローの条件では、供給された酸素の衝突圧によって溶鋼が撹拌されることに加え、酸素そのものの溶鋼への侵入深さが深いことによって、脱炭に有利となり、Ｃ＋１／２Ｏ2→ＣＯなる脱炭反応反応によってＣＯガスの発生量が多くなり、排ガス中のＣＯガス濃度を３３〜３７ｖｏｌ％内で定まるある値以上に維持し易くなるのである。しかし、脱炭の開始初期は、溶鋼内の炭素濃度が高いので、供給した酸素が脱炭反応に消費される割合が高いが、脱炭の進行に伴って溶鋼中の炭素濃度が低下してくる。そのため、供給した酸素のうちの一部は、脱炭に寄与せず、ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2なる前記した二次燃焼に使用さる比率が高まるようになる。したがって、本発明では、ランスからの送酸開始初期は、酸素流量を大きくしてハードブローとし、脱炭が進行するにつれて、酸素量を減少する一方でランスを下降してランス先端と槽内溶鋼浴面間の距離を縮めてハードブローを達成するのが良い。さらに、送酸脱炭を継続していくと、ランスを限界まで下降しても排ガス中のＣＯ濃度を前記した３３〜３７ｖｏｌ％内で定まるある値以上に維持できなくなる、本発明では、この時点で、ランスからの酸素上吹きを停止してリムド脱炭に切り替えるのである。本発明において、この切り替え時を判定する排ガス中のＣＯ濃度を３３〜３７ｖｏｌ％内で定まるある値に決めたのは、次の理由による。
【００１３】
ヒートサイズ３３０ｔｏｎの溶鋼を処理するＲＨ真空脱ガス設備（図２参照）を用いて種々の条件で送酸脱炭処理を行い、溶鋼中の炭素濃度の推移を調査した。その結果、図１に示すように、排ガス中のＣＯ濃度が、処理前の溶鋼中の炭素濃度や酸素濃度に依存せずに減少していき、３５ｖｏｌ％より低くなると、殆ど溶鋼中の炭素濃度が減少しなくなることが判明した。これは、ランスから供給した酸素が二次燃焼に使用されたり、反応に関与せずにそのまま槽外に排出されてしまうこと、並びに二次燃焼によって槽内の地金の再溶解が始まり、これによって溶鋼中に炭素濃度の高い地金の溶解物が落下、吸収されるためである。したがって、このような脱炭の停滞が始まる臨界時点で、上吹きランスからの酸素の供給を停止して、前記二次燃焼を抑制し、リムド脱炭に移行することが脱炭の停滞を回避できるのである。なお、上記臨界濃度の３５ｖｏｌ％は、溶鋼の種類、吹き付けるガスの酸素濃度や設備サイズにより３３〜３７％の範囲内で変動するので、本発明では、その臨界濃度を固定せず、３３〜３７ｖｏｌ％の範囲の所定値としたのである。なお、この所定値は、各操業条件で図１の関係を求め、鋼中Ｃの低下が緩慢となるＣＯ濃度を見つけ、それに設定する。図１において、●印は、送酸速度が１５ｍ3（標準状態）／ｍｉｎで、ランス位置（ＬＨ）が４．０ｍの場合、■印は、送酸速度が３０ｍ3（標準状態）／ｍｉｎで、ランス位置（ＬＨ）が４．０ｍの場合、◆印は、送酸速度が１５ｍ3（標準状態）／ｍｉｎで、ランス位置（ＬＨ）が２.５ｍの場合である。
【００１４】
また、このリムド脱炭に切り替える時期は、上記したような排ガス中のＣＯ濃度で判定する代わりに、槽内の圧力をもって判定しても良い。その理由は以下の通りである。つまり、ランスから供給した酸素が脱炭反応にのみ寄与する場合、２Ｃ＋Ｏ2→２ＣＯの反応から明らかなように、排ガスとして供給された酸素量の２倍のＣＯが発生する。一方、ランスから供給した酸素が二次燃焼に使用されると、総括的にはＣ＋Ｏ2→２ＣＯの反応から明らかなように、排ガスとして供給された酸素量と同量のＣＯ2が発生する。すなわち、二次燃焼が優勢になるに従って発生する排ガス量が減少するため、槽内の圧力が低下していくのである。したがって、真空排気装置の条件を代えずに槽内の雰囲気圧力の低下傾向を監視しておけば、圧力の低下によって二次燃焼が開始した時点が把握できることになる。上記ヒートサイズ３３０ｔｏｎの溶鋼を処理するＲＨ真空脱ガス設備を用いて行った実験によれば、このような二次燃焼が開始する臨界の槽内圧力は３．９９×１０3Ｐａ（３０ｔｏｒｒ）であった。ただし、この臨界の槽内圧力は、設備依存性が高い。すなわち、真空排気設備の能力や溶鋼の環流条件等によっても異なるので、本発明では、その臨界の雰囲気圧力を送酸開始時の前記一定値の１０〜１５％に低下した圧力と定めた。種々の設備で実験を行っったところ、一定値より１０％低下させると前記二次燃焼が明らかに進行しているからである。
【００１５】
本発明では、酸素ガスの吹き込みを停止した後のリムド脱炭は、必要に応じて溶鋼のサンプリングを行って目標の炭素濃度に到達したことを確かめて終了させる。また、最終的には、溶鋼にアルミニウム等の脱酸剤を添加し、さらにキルド処理を所定時間継続して全脱炭処理を終了する。ここに、キルド処理とは、脱酸剤と溶鋼中の酸素が反応して生成したアルミナ等の非金属介在物を真空下での溶鋼の撹拌によって合体浮上させて、スラグ中に移行、分離させるための処理である。通常は、槽内の圧力が１．３３×１０2Ｐａ（１ｔｏｒｒ）以下の条件で５〜１５分程度、真空処理を継続することによって行う。
【００１６】
なお、排ガス中のＣＯ濃度は、排気経路８の位置で排ガスのサンプリングを行い、燃焼法により定量して求める。
【実施例】
【００１７】
（発明例１）
純酸素ガスを底吹きする転炉で溶製した炭素濃度０．０３５ｍａｓｓ％の溶鋼（ヒートサイズ３５０ｔｏｎ）を取鍋に出鋼し、上吹き酸素ランスを有するＲＨ真空脱ガス装置を用いて脱炭精錬を行った。取鍋内にＲＨ脱ガス装置の真空槽下端の浸漬管を浸漬すると同時に、真空排気装置にて槽内を減圧しはじめ、槽内圧力が２．６６×１０4Ｐａ（２００ｔｏｒｒ）に到達した時点でランスから槽内溶鋼表面に向けて酸素ガスの吹き付けを開始した。送酸開始時のランス高さ（ランス先端と槽内溶鋼浴面間の距離）は４．０ｍで、酸素流量は３０ｍ3（標準状態）／ｍｉｎであり、時間の経過と共にランス高さを２．５ｍ、酸素流量を１５ｍ3（標準状態）／ｍｉｎまで低下して、排ガス中のＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以上になるようにした。上記の最終のランス高さ、酸素流量の条件で送酸脱炭を継続するうちに排ガス中のＣＯ濃度が次第に低下し、３５ｖｏｌ％を下回るようになった。そこで、直ちに酸素吹精を停止し、リムド脱炭に切り替えた。その後、溶鋼サンプルを採取して鋼中の炭素濃度を迅速分析し、炭素濃度が１５ｐｐｍとなった時点で、溶鋼中にアルミニウムを投入して脱酸し、キルド処理を５分間行って、ＲＨ真空脱ガス設備での処理を終了した。
【００１８】
この結果、送酸脱炭処理時間は８分、リムド脱炭処理時間が７分であり、これらを合わせたＲＨ真空脱ガス設備での脱炭処理時間は１５分であった。
（発明例２）
底吹き転炉で溶製した炭素濃度０．０３５ｍａｓｓ％の溶鋼（ヒートサイズ３３０ｔｏｎ）を取鍋に出鋼し、前記同様に、上吹きランスを備えたＲＨ真空脱ガス装置を用いて脱炭精錬を行った。取鍋内にＲＨ脱ガス装置の真空槽下端の浸漬管を浸漬すると同時に、真空排気装置にて槽内を減圧しはじめ、槽内圧力が２．６６×１０４Ｐａ（２００ｔｏｒｒ）に到達した時点で上吹きランスから槽内溶鋼表面に向けて酸素ガスの吹き付けを開始した。送酸開始時のランス高さ（ランス先端と槽内溶鋼浴面間の距離）は４．０ｍで、酸素流量は３０ｍ3（標準状態）／ｍｉｎであり、時間の経過と共にランス高さを２．５ｍ、酸素流量を１５ｍ3（標準状態）／ｍｉｎまで低下して、排ガス中のＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以上になるようにした。上記の最終のランス高さ、酸素流量の条件で送酸脱炭を継続するうちに、真空槽内の圧力が低下し、３．９９×１０3Ｐａ（３０ｔｏｒｒ）を下回った時点で、直ちに酸素吹精を停止し、リムド脱炭に切り替えた。その後、溶鋼サンプルを採取して鋼中の炭素濃度を迅速分析し、炭素濃度が１５ｐｐｍとなった時点で、溶鋼中にアルミニウムを投入して脱酸し、キルド処理を５分間行って、ＲＨ真空脱ガス設備での処理を終了した。
【００１９】
この結果、送酸脱炭処理時間は７．５分、リムド脱炭処理時間が７．５分であり、これらを合わせたＲＨ真空脱ガス設備での脱炭処理時間は１５分であった。
（比較例）
前記底吹き転炉で溶製した炭素濃度０．０３５ｍａｓｓ％の溶鋼（ヒートサイズ３３０ｔｏｎ）を取鍋に出鋼し、上吹きランスを有するＲＨ真空脱ガス装置を用いて脱炭精錬を行った。取鍋内にＲＨ脱ガス装置の真空槽下端の浸漬管を浸漬すると同時に、真空排気装置にて槽内を減圧しはじめ、槽内圧力が２．６６×１０４Ｐａ（２００ｔｏｒｒ）に到達した時点でランスから槽内溶鋼表面に向けて酸素ガスの吹き付けを開始した。送酸開始時のランス高さ（ランス先端と槽内溶鋼浴面間の距離）は４．０ｍで、酸素流量は３０ｍ3（標準状態）／ｍｉｎであった。その後、排ガス中のＣＯ2／（ＣＯ＋ＣＯ2）が３０％以上となるようにランス高さと酸素流量を調節しつつ送酸脱炭を継続し、排ガス中のＣＯ濃度が５ｖｏｌ％を下回った時点で、直ちに酸素吹き付けを停止し、リムド脱炭に切り替えた。その後、溶鋼サンプルを採取して鋼中の炭素濃度を迅速分析し、炭素濃度が１５ｐｐｍとなった時点で、溶鋼中にアルミニウムを投入して脱酸し、キルド処理を５分間行って、ＲＨ真空脱ガス設備での処理を終了した。
【００２０】
この結果、送酸脱炭処理時間は９分、リムド脱炭処理時間が８分であり、これらを合わせたＲＨ真空脱ガス設備での脱炭処理時間は１７分であった。
【００２１】
以上に述べたように、本発明によれば、従来に比較して真空脱炭処理時間を大幅に低減することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】真空脱炭処理における排ガス中ＣＯ濃度と溶鋼中［Ｃ］濃度との関係を示す図である。
【図２】ＲＨ真空脱ガス設備を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    溶鋼
２    取鍋
３    真空槽
４    上吹きランス
５    溶鋼の環流方向を示す矢印
６    環流を起こすガス
７    浸漬管
８    排気経路
９    酸素ガス又は含酸素混合ガス
１０  排気ガス
【図１】
2005076060.tif 000003
【図２】
2005076060.tif 000004