(57)【要約】【課題】  ＲＨ真空脱ガス装置を用いて極低炭素鋼を溶製する際に、新たな設備を設置する必要がなく、処理コストの上昇を招くことなく、溶鋼中の炭素を短時間で効率良く除去して極低炭素鋼を溶製する。【解決手段】  ＲＨ真空脱ガス装置１を用いて溶鋼３を真空脱炭処理し、溶鋼中の炭素濃度が０．００３質量％以下の極低炭素鋼を溶製する際に、ＲＨ真空脱ガス装置の下降側浸漬管９の直下位置での溶鋼中炭素濃度を［ＣA ］とし、ＲＨ真空脱ガス装置の上昇側浸漬管８の直下位置での溶鋼中炭素濃度を［ＣB ］としたときに、［ＣA ］と［ＣB ］との比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて真空槽５と取鍋２との間を循環する溶鋼の環流量を変化させる。【選択図】            図１
2005146403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼を真空脱炭処理し、溶鋼中の炭素濃度が０．００３質量％以下の極低炭素鋼を溶製する際に、ＲＨ真空脱ガス装置の下降側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度を［ＣA ］とし、ＲＨ真空脱ガス装置の上昇側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度を［ＣB ］としたときに、［ＣA ］と［ＣB ］との比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量を変化させることを特徴とする、極低炭素鋼の溶製方法。
【請求項２】
真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量（Ｑ）を下記の（１）式で定義したときに、前記［ＣA ］と［ＣB ］との比［ＣA ］／［ＣB ］と、環流量（Ｑ）とが、下記の（２）式の関係を満たすように、環流量（Ｑ）を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の極低炭素鋼の溶製方法。
Q=11.4×G1/3×d4/3×[ln(P1/P2)]1/3 …(1)
[CA]/[CB]≦(Q+150)/450 …(2)
但し、（１）式及び（２）式において各記号は以下を表すものである。
Ｑ：真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量（ｔ／ｍｉｎ）
Ｇ：環流用ガス流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）
ｄ：上昇側浸漬管の内径（ｍ）
Ｐ1 ：環流用ガスの吹き込み位置の圧力（ｋＰａ）
Ｐ2 ：真空槽内の圧力（ｋＰａ）
［ＣA ］：下降側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度（質量％）
［ＣB ］：上昇側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度（質量％）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＨ真空脱ガス装置を用い、溶鋼中の炭素を効率良く除去して極低炭素鋼を溶製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄鋼材料の用途は多様化し、より過酷な環境下でも使用されることが多くなり、材料特性の高性能化が求められている。この材料特性の高性能化には、材料特性の向上と共に材料特性の安定化も大きな要素であり、そのため、成分範囲のばらつきを従来よりも狭くしたり、或いは、成分の含有量を従来よりも低い範囲に制御することが要求されている。その１つの例として鋼中の炭素含有量がある。
【０００３】
炭素濃度が０．００３質量％以下である極低炭素鋼を溶製する場合、高炉で製造した、５質量％前後の炭素を含有する溶銑を、必要に応じて脱硫処理又は脱燐処理を施した後に転炉に装入し、転炉内に気体酸素を供給して炭素濃度が０．０３質量％程度になるまで溶銑を脱炭精錬し、その後、この脱炭精錬で得られた溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置において真空下で脱炭処理して溶製している。極低炭素鋼では、炭素含有量は低ければ低いほど材料特性に優れることから、例えば炭素濃度が０．００１質量％以下で且つばらつきの少ない極低炭素鋼が要求されるようになった。
【０００４】
真空下で脱炭処理（「真空脱炭処理」と呼ぶ）しても、溶鋼中の炭素濃度が０．００２質量％程度になると脱炭反応が滞り、炭素濃度が０．００１質量％以下になるまで処理するには処理時間が延長する。そこで、真空脱炭処理における脱炭速度を促進させる方法が多数提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、真空脱炭処理中に、真空槽内の溶鋼表面に、上方から水素を含有した不活性ガスを吹き付ける方法が提案されている。しかし、この方法では、水素を含有した不活性ガスを吹き付けるための設備が必要であり、それにより処理コストが高くなり、しかも、添加した水素が鋼中に留まり、真空脱炭処理後の溶鋼中の水素濃度が高くなると云う問題点を抱えていた。
【０００６】
特許文献２には、真空脱炭処理中に、上吹きランス或いは真空槽の底部若しくは側壁に設けた羽口から、真空槽内の溶鋼中に炭化水素系ガスを吹き込み、溶鋼を局所的に強制冷却しながら処理する方法が提案されている。しかし、この方法では、上吹きランス又は羽口が必要であり、それにより処理コストが高くなる。又、羽口から吹き込む場合には、羽口の詰まりを防止するために、常時、ガスを流し続ける必要があり、このガスの供給による処理コストの上昇が避けられない。
【０００７】
又、特許文献３には、真空脱炭処理中に、真空槽の側壁に配置した羽口から大量の不活性ガスを真空槽内の溶鋼中に吹き込み、溶鋼を強攪拌して反応界面積を増加させる方法が提案されている。しかし、この方法でも、羽口を設置する必要があり、又、羽口の詰まりを防止するために、常時、ガスを流し続ける必要がある。更に、大量の不活性ガスを吹き込むことにより耐火物の損耗が激しく、これらにより処理コストの上昇が避けられない。
【特許文献１】特開平５−２９５４１９号公報
【特許文献２】特開平１０−４６２３０号公報
【特許文献３】特開平２−２１７４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、ＲＨ真空脱ガス装置を用いた真空脱炭処理において、従来、脱炭反応を促進させるための手段が多数提案されているが、何れも新たな設備を設置する必要があったり、耐火物が激しく損耗することなどにより、処理コストの上昇を余儀なくされていた。
【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、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて極低炭素鋼を溶製する際に、新たな設備を設置する必要がなく、処理コストの上昇を招くことなく、溶鋼中の炭素を短時間で効率良く除去して極低炭素鋼を溶製する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記課題を解決すべく、従来技術の見直しとＲＨ真空脱ガス装置での試験・研究とを繰り返し実施し、以下の事実を見出した。
【００１１】
即ち、溶鋼が真空槽内と取鍋との間を連続的に循環するＲＨ真空脱ガス装置においては、真空槽内を通過した直後の下降側浸漬管の直下位置での溶鋼中の炭素濃度（［ＣA ］）と、真空槽内へ入る直前の上昇側浸漬管の直下位置での溶鋼中の炭素濃度（［ＣB ］）との比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて、真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量を変化させることが重要であることが分かった。つまり、真空槽内を通過した直後の下降側浸漬管の直下位置での溶鋼中の炭素濃度（［ＣA ］）が高く、比［ＣA ］／［ＣB ］が大きい場合には、環流量を増大させて真空槽内での脱炭反応を促進させることが必要であるとの知見が得られた。
【００１２】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、第１の発明に係る極低炭素鋼の溶製方法は、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼を真空脱炭処理し、溶鋼中の炭素濃度が０．００３質量％以下の極低炭素鋼を溶製する際に、ＲＨ真空脱ガス装置の下降側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度を［ＣA ］とし、ＲＨ真空脱ガス装置の上昇側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度を［ＣB ］としたときに、［ＣA ］と［ＣB ］との比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量を変化させることを特徴とするものである。
【００１３】
第２の発明に係る極低炭素鋼の溶製方法は、第１の発明において、真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量（Ｑ）を下記の（１）式で定義したときに、前記［ＣA ］と［ＣB ］との比［ＣA ］／［ＣB ］と、環流量（Ｑ）とが、下記の（２）式の関係を満たすように、環流量（Ｑ）を変化させることを特徴とするものである。但し、（１）式及び（２）式において、Ｑは真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量（ｔ／ｍｉｎ）、Ｇは環流用ガス流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）、ｄは上昇側浸漬管の内径（ｍ）、Ｐ1 は環流用ガスの吹き込み位置の圧力（ｋＰａ）、Ｐ2 は真空槽内の圧力（ｋＰａ）、［ＣA ］は下降側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度（質量％）、［ＣB ］は上昇側浸漬管の直下位置での溶鋼中炭素濃度（質量％）である。
【００１４】
【数１】
2005146403.tif 000003
【００１５】
【数２】
2005146403.tif 000004
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、炭素濃度の比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて真空槽と取鍋との間を循環する溶鋼の環流量を適正な値に調整するので、真空槽内の脱炭反応が遅延することなく進行し、材料特性に優れた極低炭素鋼を迅速に且つ安定して溶製することが可能となる。又、炭素濃度の比［ＣA ］／［ＣB ］に対して適正な環流量が数字で定量化されるので、極低炭素鋼の溶製に関して高速処理の指針を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。高炉から出銑された溶銑を溶銑鍋やトーピードカーなどの溶銑保持・搬送用容器で受銑し、次工程の脱炭精錬を行う転炉に搬送する。この搬送途中で、予備脱硫処理や予備脱燐処理などの溶銑予備処理が施されることもあるが、本発明においては実施しても実施しなくても、どちらでも構わない。
【００１８】
転炉精錬は生石灰などを媒溶剤として用いた通常の精錬を実施する。但し、この媒溶剤の添加量は、溶銑の予備脱燐処理に応じて設定する。即ち、予備脱燐処理により溶銑中燐濃度が鋼材製品レベルまで低下している場合には生石灰の添加量を少なくし、溶銑中燐濃度が高い場合には大量の生石灰を添加する。そして、酸素を上吹き又は底吹きして脱炭精錬を行う。
【００１９】
転炉脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度は、０．０２〜０．０６質量％とすることが好ましい。０．０２質量％未満まで脱炭精錬した場合には、スラグ中の鉄酸化物濃度やマンガン酸化物濃度が高くなり、鉄やマンガンの歩留まりが低下するので好ましくない。一方、０．０６質量％を超える場合には、ＲＨ真空脱ガス装置における真空脱炭処理の負担が重くなるので好ましくない。
【００２０】
脱炭精錬終了後、溶鋼を転炉から取鍋に出鋼する。出鋼時、溶鋼に巻き込まれて炉内スラグの一部が取鍋内に流出し、取鍋内の溶鋼上に滞留する。取鍋内に滞留するスラグは溶鋼中のＡｌと反応して溶鋼の清浄性を損なうので、スラグ中に金属Ａｌなどのスラグ改質剤を取鍋上から添加してスラグを改質することが好ましい。又、出鋼時、ＡｌやＳｉなどの強脱酸元素による脱酸処理は原則的に実施しない。本発明では極低炭素鋼を溶製するので、次工程の真空脱炭処理を阻害しないようにするため、脱酸処理は原則的に実施せず、未脱酸状態のまま次工程の真空脱ガス装置に搬送する。
【００２１】
次いで、溶鋼を収容した取鍋をＲＨ真空脱ガス装置に搬送し、ＲＨ真空脱ガス装置において真空脱炭処理を実施する。
【００２２】
図１に、本発明を実施する際に用いるＲＨ真空脱ガス装置の例を縦断面概略図で示す。図１において、１はＲＨ真空脱ガス装置、２は取鍋、３は溶鋼、４はスラグ、５は真空槽、６は上部槽、７は下部槽、８は上昇側浸漬管、９は下降側浸漬管、１０は環流用ガス吹き込み管、１１はダクト、１２は原料投入口であり、真空槽５は上部槽６と下部槽７とから構成されている。
【００２３】
ＲＨ真空脱ガス装置１へ搬送された取鍋２を昇降装置（図示せず）にて上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２内の溶鋼３に浸漬させる。そして、環流用ガス吹き込み管１０から上昇側浸漬管８内にＡｒガスを環流用ガスとして吹き込むと共に、真空槽５内をダクト１１に連結される排気装置（図示せず）にて排気して真空槽５内を減圧する。真空槽５内が減圧されると、取鍋２内の溶鋼３は、環流用ガス吹き込み管１０から吹き込まれるＡｒガスと共に上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５内に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。
【００２４】
溶鋼３の環流が形成され、溶鋼３に対してＲＨ真空脱ガス精錬が施されると、溶鋼３は未脱酸状態であるので、真空槽５内では溶鋼３中の炭素と溶存酸素との反応が生じ、溶鋼３中の炭素はＣＯガスとなって排ガスと共に真空槽５からダクト１１を介して排出され、溶鋼３は真空脱炭処理される。この場合、脱炭反応を促進させるために、気体酸素源や鉄鉱石などの固体酸素源を真空槽５内の溶鋼３に吹き付けるか或いは吹き込んでもよい。
【００２５】
溶鋼３の真空脱炭処理が開始されたなら、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９の直下位置から、ほぼ同時期に溶鋼３の分析用試料を採取し、採取した試料の炭素濃度を分析する。下降側浸漬管９の直下位置から採取した試料の分析値を［ＣA ］とし、上昇側浸漬管８の直下位置から採取した試料の分析値を［ＣB ］としたとき、炭素濃度の比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて溶鋼３の環流量（Ｑ）を調整する。具体的には、溶鋼３の環流量（Ｑ）を前述した（１）式から算出したとき、比［ＣA ］／［ＣB ］と環流量（Ｑ）とが前述した（２）式の範囲を満足するように、環流量（Ｑ）を調整する。比［ＣA ］／［ＣB ］が大きい場合には、（２）式にしたがって環流量（Ｑ）を大きくする必要がある。環流量（Ｑ）の調整は、環流用ガス流量（Ｇ）、環流用ガスの吹き込み位置の圧力（Ｐ1 ）又は真空槽５内の圧力（Ｐ2 ）を調整することによって行うことができる。
【００２６】
この場合、脱炭反応を効率的に行うためには、真空脱炭処理中に溶鋼３の分析用試料を数回にわたって採取し、その都度、比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて環流量（Ｑ）を調整することが好ましい。又、分析用試料の採取方法は、例えば上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９の直下位置にサンプラーを挿入し、このサンプラーによって溶鋼３を採取する方法などを用いることができる。
【００２７】
このようにして真空脱炭処理を継続し、溶鋼３の炭素濃度が０．００３質量％以下の所定の値となったなら、原料投入口１２から溶鋼３にＡｌなどの脱酸剤を添加して溶鋼３を脱酸処理する。Ａｌなどの脱酸剤の添加により溶鋼３中の溶存酸素濃度は急激に低下し、脱炭反応が終了する。真空脱炭処理中、気体酸素源や固体酸素源を真空槽５内に供給していた場合には、Ａｌなどの脱酸剤を添加する前に気体酸素源や固体酸素源の供給を停止する。Ａｌなどの脱酸剤を添加した後、必要に応じて、スラグ４に金属Ａｌなどからなるスラグ改質剤を添加してもよい。
【００２８】
そして、脱酸剤添加後も更に数分間程度の環流を継続し、必要に応じてＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉなどの成分調整剤を原料投入口１２から溶鋼３に投入して溶鋼３の成分を調整した後、真空槽５を大気圧に戻してＲＨ真空脱ガス精錬を終了する。
【００２９】
以上説明したように、本発明では、ＲＨ真空脱ガス装置１で真空脱炭処理して炭素濃度が０．００３質量％以下の極底炭素鋼を溶製する際に、炭素濃度の比［ＣA ］／［ＣB ］に応じて真空槽５と取鍋２との間を循環する溶鋼３の環流量（Ｑ）を適正な値に調整するので、真空槽５内の脱炭反応が遅延することなく進行し、材料特性に優れた極低炭素鋼を迅速に且つ安定して溶製することが可能となる。
【実施例１】
【００３０】
ＲＨ真空脱ガス装置で溶鋼に対して真空脱炭処理を行う際に、炭素濃度の比［ＣA ］／［ＣB ］と環流量（Ｑ）との関係を種々に変更し、所定の炭素濃度になるまで真空脱炭処理した試験を実施した。用いた溶鋼は、高炉で製造した溶銑に脱燐処理及び脱燐処理の溶銑予備処理を施した後、転炉で脱炭精錬して得た、約２５０トンの未脱酸状態の溶鋼であり、転炉から取鍋への出鋼時の溶鋼成分は、Ｃ：０．０３〜０．０３５質量％、Ｓｉ：０．０５質量％以下、Ｍｎ：０．３質量％以下、Ｐ：０．０２質量％以下、Ｓ：０．００３質量％以下であった。
【００３１】
ＲＨ真空脱ガス装置では、真空槽内の到達真空度が１torr（１３３Pa）以下である条件下で、環流用Ａｒガス流量（Ｇ）及び浸漬管の内径（ｄ）を変化させ、前述の（１）式で計算される環流量（Ｑ）が１１０〜１９１ｔ／ｍｉｎの範囲となる条件で試験を実施した。この真空脱炭処理中、取鍋内の溶鋼から分析用試料を採取し、溶鋼中の炭素濃度の経時変化を調査した。分析用試料は、内径１００ｍｍ、高さ２００ｍｍの鉄製のサンプラーを下降側浸漬管の直下位置及び上昇側浸漬管の直下位置に浸漬してほぼ同時に溶鋼を採取し、採取した溶鋼が凝固する前に、内径２ｍｍ、長さ５０ｍｍの石英管をこの溶鋼に浸漬し、ピン状の試料を採取した。炭素濃度の分析は、燃焼−赤外線吸収法で行ったが、微量濃度の測定であるために、事前に数百℃まで試料を加熱し、表面に付着している炭素を燃焼して除去した後、炭素分析を行った。
【００３２】
図２に、横軸を、比［ＣA ］／［ＣB ］と環流量（Ｑ）との関数とし、縦軸を、脱炭処理時間として、得られた試験結果を示す。図２に示すように、比［ＣA ］／［ＣB ］が、「Ｑ＋１５０／４５０」よりも小さい場合に、脱炭処理時間が短くなることが確認できた。即ち、比［ＣA ］／［ＣB ］と環流量（Ｑ）とが、前述した（２）式の範囲を満足することで、脱炭反応が促進されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を実施する際に用いるＲＨ真空脱ガス装置の縦断面概略図である。
【図２】実施例１において得られた試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＲＨ真空脱ガス装置
２  取鍋
３  溶鋼
４  スラグ
５  真空槽
６上部槽
７  下部槽
８  上昇側浸漬管
９  下降側浸漬管
１０  環流用ガス吹き込み管
１１  ダクト
１２  原料投入口
【図１】
2005146403.tif 000005
【図２】
2005146403.tif 000006