(57)【要約】【課題】減圧精錬装置にて脱炭処理から脱酸処理，介在物除去処理まで同一炉内で行い、高い生産性を維持したまま溶融金属の高清浄化を達成できる方法を提供する。【解決手段】減圧精錬装置内の精錬容器に収容した溶融金属を、減圧下にて上吹き酸素で脱炭し所定の真空度で真空脱炭処理した後、脱酸処理の際に上吹きおよび底吹きから溶融金属へ可溶性ガスを単体もしくは不活性ガスとともに供給し、かつ真空度を調整してガスの溶解量をコントロールし、その後さらに減圧することにより溶融金属中に可溶性ガスの微細気泡を生成させることで、溶融金属中の非金属介在物を浮上させて除去する。【選択図】図１
2007138206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧精錬装置内の精錬容器に収容した溶融金属を、減圧下にて上吹き酸素で脱炭し所定の真空度で真空脱炭処理した後、脱酸処理の際に上吹きおよび底吹きから溶融金属へ可溶性ガスを単体もしくは不活性ガスとともに供給し、かつ真空度を調整してガスの溶解量をコントロールし、その後さらに減圧することにより溶融金属中に可溶性ガスの微細気泡を生成させることで、溶融金属中の非金属介在物を浮上させて除去することを特徴とする溶融金属の高清浄化方法。
【請求項２】
上吹きおよび底吹きから溶融金属へ可溶性ガスを吹込む際の真空度を下記の (1)式を満足する条件とすることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の高清浄化方法。
0.1013×α×β×（[Ｎ]＋0.005）2 ＜Ｐ＜0.1013×α×β×（[Ｎ]＋0.03）2   … (1)
α＝1000×（10-0.0498[Cr]+0.13[Ｃ]+0.01[Ni]）2 
β＝（ＱN2＋Ｑg ）／ＱN2
[Ｎ]：Ｎ濃度の目標値（質量％）
Ｐ  ：真空度（MPa ）
[Cr]：溶融金属のCr濃度（質量％）
[Ｃ]：溶融金属のＣ濃度（質量％）
[Ni]：溶融金属のNi濃度（質量％）
ＱN2 ：Ｎ2 ガス供給量（Ｎｍ3 ／min）
Ｑg  ：不活性ガス供給量（Ｎｍ3 ／min ）
【請求項３】
可溶性ガスがＮ2 であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融金属の高清浄化方法。
【請求項４】
溶融金属がステンレス溶鋼であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の溶融金属の高清浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＯＤやＶＯＤ法等の減圧精錬装置を用いて溶融金属の精錬を行なう際に、簡易な方法で非金属介在物を従来よりも一層低減できる溶融金属の高清浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に表面光沢や材料特性等の極めて厳格な品質が要求される金属製品を製造するにあたって、その素材となる溶融金属の精錬工程にて非金属介在物を減少させる（いわゆる高清浄化）ために、ＡＯＤ，ＶＯＤ等の減圧精錬装置が使用される。たとえばステンレス鋼の場合は、ステンレス溶鋼の脱炭精錬（いわゆる一次精錬）を行なった後で、ＡＯＤあるいはＶＯＤを用いて減圧精錬（いわゆる二次精錬）を施す。
【０００３】
ステンレス鋼の中でも特に厳しい表面品質が要求される鋼種は Al2Ｏ3 系の硬質な非金属介在物を極めて低いレベルまで減少させる必要がある。そのため二次精錬において還元剤としてSiをステンレス溶鋼に添加し、塩基性スラグの存在下で不活性ガスを吹込む等の方法で溶鋼を強攪拌し、脱酸剤と酸素とを反応させて酸素を除去（いわゆる脱酸）する処理および非金属介在物を浮上させて除去する処理を行なう。このようなSiを含有する脱酸剤は従来から広く使用されている。
【０００４】
しかしながら脱酸剤としてSiを使用すると、Siがスラグや耐火物に含まれるAl2Ｏ3を還元し、Alがステンレス溶鋼中に混入する。そのAlはステンレス溶鋼中で再び酸化され、Al2Ｏ3を含有する硬質な非金属介在物を生成する。このようにしてステンレス溶鋼中に生成される非金属介在物は、ステンレス鋼製品の表面品質や材料特性を著しく低下させる原因になる。さらに、ＡＯＤやＶＯＤの精錬容器に収容したステンレス溶鋼を強攪拌することによってスラグ滴が懸濁し、二次精錬の終了後もステンレス溶鋼中に残留する。これらのスラグ滴は、凝固して非金属介在物となり、ステンレス鋼製品の表面品質や材料特性を著しく低下させる。
【０００５】
そこで、ステンレス溶鋼等の溶融金属の精錬工程にて非金属介在物を減少させる（すなわち高清浄化）技術が種々検討されている。
たとえば特許文献１には、可溶性ガスをバブリングして溶融金属中に溶解させ、その後、急速に減圧させることによって、溶融金属中に微細な気泡を生成させ、非金属介在物を気泡とともに浮上させて除去する技術が開示されている。この技術は非金属介在物を浮上させて除去するためには有効な技術である。ところが特許文献１のＶＯＤを用いた実施例では、可溶性ガスであるＮ2をバブリングのみで溶解させているので、可溶性ガスの溶解に長時間を要し、ＶＡＤで溶融金属を熱補償しながら減圧している。
【０００６】
また、Ｎ2 を溶融金属に溶解させる処理（以下、加Ｎ処理という）の真空度が大気圧や300Torrに設定されているので、Ｎの溶解量が増大し、溶融金属中のＮ濃度が上昇する。その結果、溶融金属中のＮを除去してＮ濃度を目標値に一致させるのに長時間を要するばかりでなく、溶融金属がフォーミングして操業に支障をきたす惧れがある。したがって特許文献１に開示された技術は生産性や経済性に劣り、限られた品種には適用できるが、様々な成分を有し種々の用途に使用される金属製品の素材となる溶融金属に広く適用するのは困難である。
【特許文献１】特開平2-99263 号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記した問題点を解決するために、減圧精錬装置にて脱炭処理から脱酸処理，介在物除去処理まで同一炉内で行ない、高い生産性を維持したまま溶融金属の高清浄化を達成できる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、減圧精錬装置内の精錬容器に収容した溶融金属を、減圧下にて上吹き酸素で脱炭し所定の真空度で真空脱炭処理した後、脱酸処理の際に上吹きおよび底吹きから溶融金属へ可溶性ガスを単体もしくは不活性ガスとともに供給し、かつ真空度を調整してガスの溶解量をコントロールし、その後さらに減圧することにより溶融金属中に可溶性ガスの微細気泡を生成させることで、溶融金属中の非金属介在物を浮上させて除去する溶融金属の高清浄化方法である。
【０００９】
本発明の溶融金属の高清浄化方法においては、上吹きおよび底吹きから溶融金属へ可溶性ガスを吹込む際の真空度を下記の （1）式を満足する条件とすることが好ましい。
0.1013×α×β×（[Ｎ]＋0.005）2 ＜Ｐ＜0.1013×α×β×（[Ｎ]＋0.03）2  …（1）
α＝1000×（10-0.0498[Cr]+0.13[Ｃ]+0.01[Ni]）2 
β＝（ＱN2＋Ｑg）／ＱN2
[Ｎ]：Ｎ濃度の目標値（質量％）
Ｐ  ：真空度（MPa）
[Cr]：溶融金属のCr濃度（質量％）
[Ｃ]：溶融金属のＣ濃度（質量％）
[Ni]：溶融金属のNi濃度（質量％）
ＱN2 ：Ｎ2 ガス供給量（Ｎｍ3 ／min）
Ｑg  ：不活性ガス供給量（Ｎｍ3 ／min）
また本発明の溶融金属の高清浄化方法においては、可溶性ガスがＮ2 であること、溶融金属がステンレス溶鋼であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶融金属の二次精錬に要する時間を延長することなく非金属介在物を除去できるので、溶融金属中の総酸素量（以下、全Ｏ濃度という）を低減させて清浄度の高い溶融金属を効率的に生産できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者らは、可溶性ガスを溶融金属に溶解させる処理（たとえば加Ｎ処理）の所要時間を延長せずに可溶性ガスを十分に溶解し、その後、同一精錬容器内でそのまま減圧して非金属介在物を浮上させ除去する技術について、減圧精錬装置を用いて実験を行なった。その結果、以下のような知見を得た。なお本発明は種々の溶融金属（たとえば溶鋼等）に適用できるが、最も顕著な効果が発揮されるステンレス溶鋼の例を以下に説明する。
【００１２】
ステンレス鋼を製造するにあたって、ステンレス溶鋼の二次精錬はＶＯＤを用いて行なわれる。一般にＶＯＤにおける二次精錬は、ステンレス溶鋼中のＣ濃度を所定の数値まで低下（いわゆる脱炭）させるために、上吹き酸素をステンレス溶鋼に吹付け、その後、上吹き酸素の供給を停止して真空脱炭処理を施す。このようにして脱炭処理が終了した後、脱酸剤（たとえばSi，Al等）を添加して、ステンレス溶鋼の脱酸処理を行なう。
【００１３】
これらの脱炭処理から脱酸処理に至る一連の処理において、各処理が進行するにつれて真空度は段階的に高くなる（すなわち雰囲気の圧力が低くなる）ように設定される。精錬容器内の真空度が高くなれば、ステンレス溶鋼中のＮ濃度は低下する。したがって二次精錬におけるＮ濃度の目標値が100〜200質量ppm程度であれば、真空度を数百Paに設定することによって、Ｎ濃度を所定の範囲まで低減することができる。
【００１４】
しかし一般的なステンレス鋼では、製品のＮ濃度が300〜600質量ppmに規定されている。そのため、二次精錬において単純に精錬容器内の真空度を高くすると、ステンレス溶鋼のＮ濃度が過剰に減少し、製品のＮ濃度が規定値を下回る可能性がある。それを防止するためには、ＶＯＤの処理が終了した後で、加Ｎ処理等を行なってステンレス溶鋼の成分を調整する必要がある。加Ｎ処理は長時間を要するので、ステンレス鋼の生産性が低下する原因になる。
【００１５】
また、脱炭処理から脱酸処理に移行する際にステンレス溶鋼のＮ濃度が低下してしまう現象も高い頻度で発生する。その場合は、脱酸処理におけるＮ2 の気泡が非常に少なくなるので、非金属介在物を浮上させる効果が低下する。
そこで本発明者らは、ＶＯＤにおけるステンレス溶鋼の脱炭処理が終了した後、上吹きランスと底吹きプラグから可溶性ガスを供給して、脱酸処理に移行するときのＮ濃度を高位に維持し、さらに脱酸処理を行なう間も可溶性ガスを供給して精錬容器内の真空度を調整することによって気泡の生成を促進し、ステンレス溶鋼中の非金属介在物を浮上させて除去する方法を検討した。なお本発明では、可溶性ガスは特定の成分に限定しないが、加Ｎ処理の効率を考慮すると、可溶性ガスとしてＮ2 を使用するのが好ましい。以下に可溶性ガスとしてＮ2を使用する例について説明する。
【００１６】
図１に（a）従来法と（b）本発明法のステンレス溶鋼の吹錬パターンを示す。
図１（a）に示すように、従来法では上吹き酸素による脱炭処理（以下、上吹き送酸脱炭処理という）の終了後は、上吹きランスからのＮ2 の吹込みを行なわない。また、真空脱炭処理から脱酸処理に移行するときは精錬容器内の真空度を変化させず、高い真空度を維持したまま吹錬を行なう。このような従来法では、上吹き送酸脱炭処理から真空脱炭処理の間に、ステンレス溶鋼中のＮ濃度が過剰に減少し、気泡による非金属介在物の浮上効果は期待できない。
【００１７】
それに対して図１（b）に示す本発明法では、上吹き送酸脱炭処理の終了後は底吹きプラグからＮ2を供給するだけでなく、真空脱炭処理の終了後は流量の多い上吹きランスからもＮ2を供給する。その結果、微細な気泡が生成して、非金属介在物を気泡とともに浮上させて除去することができる。しかし高真空化された精錬容器内では、Ｎ2を供給してもステンレス溶鋼の平衡Ｎ濃度が低いので、加Ｎ処理の進行が阻害される。
【００１８】
本発明者らの研究によれば、精錬容器内の真空度を制御することによって、加Ｎ処理を効率良く進行させ、ステンレス溶鋼のＮ濃度を増加させることが可能であることが分かった。
一方、ステンレス鋼の製品のＮ濃度は、その用途や成分に応じて様々に規定される。したがってステンレス溶鋼の二次精錬では、Ｎ2供給量（上吹き，底吹き）や真空度等の操業条件を適宜変更してステンレス溶鋼のＮ濃度を調整する。そこで本発明者らは、脱酸処理の進行中に除去されるＮ量と非金属介在物を浮上させる効果との関係について調査した。図２は、脱酸処理中の加Ｎ処理以降の脱Ｎ量（質量ppm）と脱酸処理後のステンレス溶鋼のＯ濃度（質量％）との関係を示すグラフである。
【００１９】
図２に示すＯ濃度は、ステンレス溶鋼に溶解するＯ濃度と非金属介在物に起因するＯ濃度の合計（すなわち全Ｏ濃度）である。ステンレス溶鋼に溶解するＯ濃度は基本的に一定であり、全Ｏ濃度の変動は非金属介在物に起因するＯ濃度の変化によって生じる。
図２から明らかなように、Ｎの除去量が50質量ppm以上であれば、全Ｏ濃度が著しく減少する。これは非金属介在物に起因するＯ濃度が減少したことを示しており、ステンレス溶鋼中の非金属介在物が浮上したことが分かる。
【００２０】
また本発明者らの研究によれば、加Ｎ処理によって添加されるＮ量が目標値より300質量ppm以上大きくなると、脱酸処理中のＮ除去が所定の時間内に終了しなくなる。また、Ｎ濃度が過剰に上昇した後でＮの除去を行なうと、ステンレス溶鋼の突沸が発生しやすくなり、二次精錬の操業に支障をきたす。
以上に説明した知見に基づいて本発明者らが実験データを解析したところ、ステンレス溶鋼にＮ2を供給する（すなわち加Ｎ処理）条件を下記の（1）式の範囲内とすることによって、加Ｎ処理で添加されるＮ量を適正に維持できることを見出した。
0.1013×α×β×（[Ｎ]＋0.005）2＜Ｐ＜0.1013×α×β×（[Ｎ]＋0.03）2   …（1）
α＝1000×（10-0.0498[Cr]+0.13[Ｃ]+0.01[Ni]）2 
β＝（ＱN2＋Ｑg）／ＱN2
[Ｎ]：Ｎ濃度の目標値（質量％）
Ｐ  ：真空度（MPa）
[Cr]：溶融金属のCr濃度（質量％）
[Ｃ]：溶融金属のＣ濃度（質量％）
[Ni]：溶融金属のNi濃度（質量％）
ＱN2 ：Ｎ2 ガス供給量（Ｎｍ3 ／min）
Ｑg  ：不活性ガス供給量（Ｎｍ3 ／min）
この（1）式から得られるＮ濃度の目標値[Ｎ]と加Ｎ処理中の真空度Ｐとの関係を図３に示す。図３中のＯＫは（1）式の条件を満足する範囲、ＮＧは（1）式の条件を外れる領域である。
【実施例】
【００２１】
以下に本発明の具体的な実施例について説明する。
本発明者らは160tonＶＯＤを用いて上吹き酸素でステンレス溶鋼の脱炭処理を行ない、さらに真空脱炭処理を行なった後、図１（b） に示す本発明法の吹錬パターンで実験を行なった。その際、脱酸処理中の加Ｎ処理における真空度は（1）式を満足する範囲内に収まるように制御した。これら発明例とし、図３中に○印で示す。一方、（1）式の条件を外れる領域で実験を行なった例を比較例とし、図３中に×印で示す。その実験の条件は表１，２に示す通りである。
【００２２】
【表１】
2007138206.tif 000003
【００２３】
【表２】
2007138206.tif 000004
【００２４】
発明例１，２は、真空度が（1）式を満足する範囲内で加Ｎ処理を行なった例である。比較例１，３は、真空度が（1）式の下限値を下回る領域で加Ｎ処理を行なった例であり、比較例２，４は、真空度が（1）式の上限値を上回る領域で加Ｎ処理を行なった例である。発明例１，２および比較例１〜４は、いずれも上吹きランスと底吹きプラグからＮ2 を供給して加Ｎ処理を行なった。
【００２５】
さらに発明例１と比較例１，２では加Ｎ処理の後の真空度を0.004MPa（＝30Torr）に減圧し、発明例２と比較例３，４では加Ｎ処理の後の真空度を0.0013MPa（＝10Torr）に減圧して、Ｎ除去を行なった。
これらの工程を全て通常の操業における脱酸処理の所要時間内に終了させた。
発明例１，２は加Ｎ処理における真空度を（1）式の範囲内としているので、脱酸処理中のＮ除去量が50質量ppm以上である。しかも脱酸処理後の全Ｏ濃度が低位となっており、非金属介在物が減少していることが分かる。また脱酸処理後のＮ濃度は目標値（450質量ppm，180質量ppm）に十分に近づいており、脱酸処理を再度行なう必要はなかった。
【００２６】
ところが比較例１，３では加Ｎ処理における真空度を（1）式の下限値より低くしているので、Ｎの溶解量は少なくなる。その結果、脱酸処理中のＮ除去量が小さくなり、脱酸処理後の全Ｏ濃度が高くなる。
比較例２，４では加Ｎ処理における真空度を（1）式の上限値より高くしているので、Ｎの溶解量は多くなる。その結果、脱酸処理中のＮ除去量が多くなり、脱酸処理後の全Ｏ濃度が低くなる。なお、この比較例２，４は、脱酸処理後のＮ濃度は目標値より大幅に高くなったので、脱酸処理を再度行なう必要があった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】吹錬パターンを示すグラフであり、（a）は従来法，（b）は本発明法を示す。
【図２】脱酸処理の加Ｎ処理以降の脱Ｎ量と脱酸処理後のステンレス溶鋼のＯ濃度との関係を示すグラフである。
【図３】Ｎ濃度の目標値と加Ｎ処理中の真空度との関係を示すグラフである。
【図１】
2007138206.tif 000005
【図２】
2007138206.tif 000006
【図３】
2007138206.tif 000007