(57)【要約】【課題】効率的に脱炭できるステンレス鋼の脱炭方法を提供する。【解決手段】酸素ガス吹錬による粗脱炭の後、仕上げ脱炭を行う。この仕上げ脱炭では、減圧下の精錬容器３内にて、鋼浴１を耐火物製インペラ４で撹拌し、かつ、鋼浴１にポーラスプラグ８を介して下側から不活性ガス５を吹き込んで撹拌する。すなわち、耐火物製インペラ４で鋼浴１を機械撹拌するとともに、不活性ガス５を吹き込むことにより鋼浴１をガス撹拌する。このように機械撹拌とガス撹拌とにより鋼浴１を撹拌することによって、異なる方向からの撹拌動力により鋼浴１が撹拌される。したがって、鋼浴１に対する撹拌力が良好であり、脱炭反応の進行を促進でき効率的に脱炭できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空度が２ｋＰａ以下に減圧した精錬容器内にて、Ｃｒ系酸化物を５質量％以上４０質量％以下含有したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＦｅｔＯ系スラグ、ＣａＯ−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグおよびＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグのうちのいずれかのスラグが存在した状態のステンレス鋼の鋼浴を耐火物製インペラにより撹拌するとともに鋼浴に不活性ガスを吹き込むことにより撹拌する
ことを特徴とするステンレス鋼の脱炭方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼を精錬して炭素含有量が極めて低いステンレス鋼を溶製するためのステンレス鋼の脱炭方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼の精錬では、ＶＯＤ法やＡＯＤ法により脱炭（脱Ｃ）および脱窒（脱Ｎ）が行われる。
【０００３】
通常、ＶＯＤ法による脱炭は、精錬前のステンレス鋼の鋼浴中の炭素（Ｃ）濃度が０．３質量％以上０．６質量％以下と高い初期段階では、上吹きランスを介して酸素ガスを鋼浴に吹き付けて酸素ガス吹錬を行うことにより粗脱炭する。その後、ステンレス鋼の鋼浴中のＣ濃度が約０．０１質量％以上０．０３質量％以下まで低減した時点で酸素ガス吹錬を止め、真空度を上げながら、アルゴン（Ａｒ）ガスの底吹量を増加しつつ所定のＣ濃度になるまで仕上げ脱炭を行う。
【０００４】
また、ＶＯＤ法における脱窒は、脱炭反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯの反応）にともなって進行すると考えられている。すなわち、脱窒反応は、鋼浴中に生成されたＣＯガスにＮが吸着し、ＣＯガスとともにＮが鋼浴中から離脱して進行することが報告されている。
【０００５】
粗脱炭の際には、脱炭反応は酸素ガス供給律速であり、鋼浴中では脱炭反応が活発に進行し、かつ、脱炭反応にともなって脱窒反応も活発に進行する。
【０００６】
これに対して、仕上げ脱炭の際には、粗脱炭により鋼浴中のＣ濃度が低くなっているため鋼浴中の物質移動が反応律速となる。すなわち、仕上げ脱炭では、粗脱炭に比べて脱炭反応速度が低下し、かつ、脱炭反応速度の低下にともなって脱窒反応速度も低下してしまう。
【０００７】
したがって、ステンレス鋼を精錬する際には、脱炭反応速度の向上が脱窒反応速度の向上にもつながる。
【０００８】
ここで、ＣおよびＮの含有率が極めて低い極低Ｃおよび極低Ｎフェライト系ステンレス鋼は、製品用途によってＮｉを含有するオーステナイト系代表鋼であるＳＵＳ３０４よりもコストパフォーマンスが良好である場合があるため、様々な用途への適用が広がっており、需要が増加している。
【０００９】
極低Ｃおよび極低Ｎフェライト系ステンレス鋼を溶製するには、鋼浴中のＣ濃度を約０．０２質量％以下にした後、鋼浴中のＣと反応しやすい酸素源を供給する方法や、酸素ガス吹錬による粗脱炭の後、精錬容器内の底部に配置されたポーラスプラグを介して鋼浴中に多量のアルゴン（Ａｒ）ガスを流すことで鋼浴をより強力に撹拌する仕上げ脱炭方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１０】
そして、近年、このような極低Ｃおよび極低Ｎフェライト系ステンレス鋼の中でも、さらに耐食性の向上を図り、Ｃｒを２０質量％以上の濃度で含有するフェライト系ステンレス鋼の需要がより増加している。
【００１１】
鋼浴中では、熱力学的にＣｒがＣおよびＮの活量を低下させるため、Ｃｒ濃度の増加にともなって脱炭および脱窒精錬が困難になる。
【００１２】
そのため、酸素ガス吹錬による粗脱炭の後、アルゴンガスによる仕上げ脱炭において、ガス流量を増加させて物理的により強力に撹拌する方法が採用されていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】岩岡昭二，大谷尚史，垣内博之，江島彬夫，矢野修也、鉄と鋼６３（２）、Ａ１−Ａ４、１９７７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述のようにガス流量を増加させてより強力に撹拌を行う方法では、真空脱炭容器である取鍋容積に対して鋼浴容量が多いと、鋼浴のオーバーフローが生じやすい。鋼浴のオーバーフローが生じると生産性を大きく阻害してしまうため、取鍋内の鋼浴量を制限する必要があり、効率的に脱炭できない。
【００１５】
また、ガス流量を増加させると、ガス使用量の増加や設備の増強などによりコストがかかり、効率的に脱炭できない。
【００１６】
そして、このような脱炭効率の低下は、生産性の低下につながってしまうため、フェライト系ステンレス鋼の需要の増加にともなって、効率的に脱炭できる脱炭方法が求められていた。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、効率的に脱炭できるステンレス鋼の脱炭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】
【００１８】
請求項１に記載されたステンレス鋼の脱炭方法は、真空度が２ｋＰａ以下に減圧した精錬容器内にて、Ｃｒ系酸化物を５質量％以上４０質量％以下含有したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＦｅｔＯ系スラグ、ＣａＯ−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグおよびＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグのうちのいずれかのスラグが存在した状態のステンレス鋼の鋼浴を耐火物製インペラにより撹拌するとともに鋼浴に不活性ガスを吹き込むことにより撹拌するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、減圧下にて、耐火物製インペラによる機械撹拌と不活性ガスによるガス撹拌とを行うため、鋼浴に対する撹拌力が良好であり、効率的に脱炭できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係るステンレス鋼の脱炭方法を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態について図１を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
ステンレス鋼を脱炭する際には、まず、上吹きランスを介して、あるいは底吹きポーラスも加えて酸素ガスを吹き付ける、いわゆる酸素ガス吹錬の粗脱炭を行う。
【００２３】
図１に示すように、粗脱炭にてステンレス鋼の鋼浴１中の炭素（Ｃ）濃度を約０．０３質量％以下にした後、鋼浴１を撹拌することにより、脱炭反応を促進させて仕上げ脱炭を行う。
【００２４】
仕上げ脱炭は、真空タンク２における減圧下の精錬容器３内にて、鋼浴１を耐火物製インペラ４で撹拌し、かつ、鋼浴１に不活性ガス５を吹き込む。
【００２５】
このように、減圧下にて、耐火物製インペラ４で機械撹拌し、かつ、不活性ガス５でガス撹拌することにより、異なる方向からの撹拌動力により鋼浴１が撹拌される。
【００２６】
精錬容器３内は、真空度が２ｋＰａ以下であると、鋼浴１中において脱炭反応で生成されたＣＯガスが液相から離脱しやすくなるため、真空度が２ｋＰａ以下になるように減圧することが好ましい。また、精錬容器３内の気圧が低いほど、ガスによる鋼浴１の撹拌動力が大きくなり、脱炭効率が向上するため、精錬容器３内の真空度は低いほど好ましい。
【００２７】
耐火物製インペラ４は、例えば、耐火モルタルや酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などにて形成されている。また、耐火物製インペラ４は、モータなどの駆動力により回転可能な回転軸６の先端付近に、複数例えば３つの撹拌羽根７が取り付けられている。
【００２８】
このような耐火物製インペラ４は、撹拌羽根７側である先端側が精錬容器３内の鋼浴１中に挿入される。
【００２９】
また、耐火物製インペラ４は、精錬容器３の中心に対して回転軸６がずれて偏心するように挿入されることにより、撹拌の際に鋼浴１中に不規則な流れを形成でき、より強力に撹拌できるので好ましい。
【００３０】
不活性ガス５は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスなどであり、精錬容器３の底部に設けられた複数、例えば２つのポーラスプラグ８を介して下側から鋼浴１中に吹き込まれる。
【００３１】
ここで、仕上げ脱炭では、脱炭反応がＣの物質移動律速であるため、脱炭反応速度を向上するには、ＣＯ発生反応サイトである酸素源を鋼浴１中に多く懸濁させればよい。この酸素源は、酸素親和力が比較的弱い易還元性酸化物、すなわちＣｒ系酸化物、Ｆｅ系酸化物およびその化合物である必要がある。
【００３２】
Ｃｒ系酸化物およびＦｅ系酸化物は、粗脱炭にて酸素ガス吹錬した際の鋼浴１中のＣ濃度の低下にともなってＦｅ−Ｃｒ溶鋼の一部が酸化することにより形成される。
【００３３】
また、スラグ９中におけるＣｒ系酸化物の含有量は４０質量％以上８０質量％以下であり、スラグ９中におけるＦｅ系酸化物の含有量は２質量％以上１５質量％以下である。Ｃｒ系酸化物が６０質量％以上含有するスラグ９は、液相線温度が鋼浴１の温度（約１６３０℃以上１７２０℃以下）よりもはるかに高く、鋼浴１中ではスラグ９が固相状態となる。固相状態のスラグ９は、鋼浴１中のＣとの反応が生じにくく、脱炭反応が停滞してしまう。
【００３４】
そこで、仕上げ脱炭では、スラグ９の融点を低下させて、鋼浴１の温度で液相になりやすくするためにＣｒ酸化物よりも酸素親和力が大きいアルミニウム（Ａｌ）およびケイ素（Ｓｉ）の少なくとも一方と、酸化カルシウム（ＣａＯ）とをフラックスとして鋼浴１に添加することが好ましい。
【００３５】
このようにＡｌおよびＳｉの少なくとも一方とＣａＯとを添加することにより、Ｃｒ系酸化物を５質量％以上４０質量％以下含有したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＦｅｔＯ系スラグ、ＣａＯ−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグおよびＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグのうちのいずれかのスラグ９が鋼浴１内に存在し、スラグ９が溶鋼温度範囲で液相状態となり、スラグ／メタル間での反応が進みやすく、仕上げ脱炭における脱炭反応が進行しやすいので好ましい。
【００３６】
そして、上記ステンレス鋼の脱炭方法によれば、減圧下にて、耐火物製インペラ４による機械撹拌と、不活性ガス５によるガス撹拌とを同時に行うため、異なる方向からの撹拌動力で鋼浴１を撹拌できる。したがって、鋼浴１に対する撹拌力が良好であり、例えば極低Ｃおよび極低Ｎフェライト系ステンレス鋼などを溶製する際などの仕上げ脱炭において効率的に脱炭できる。
【００３７】
また、鋼浴１を撹拌する際に、精錬容器３内の真空度を２ｋＰａ以下にすることにより、鋼浴１中で脱炭反応により生成されたＣＯガスが液相から離脱しやすいため、脱炭反応の進行を促進できる。また、気圧が低いことによりガス撹拌の撹拌動力が大きくなるため、鋼浴１に対する撹拌力を向上でき、脱炭反応の進行を促進できる。
【００３８】
Ｃｒ系酸化物を５質量％以上４０質量％以下含有したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＦｅｔＯ系スラグ、ＣａＯ−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグおよびＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグのうちのいずれかのスラグ９が鋼浴１内に存在することにより、スラグ９の融点を低下できるため、スラグ９が鋼浴１の温度範囲で液相状態となり、スラグ／メタル間での反応が進行しやすく、脱炭反応の進行を促進できる。
【実施例】
【００３９】
以下、本実施例および比較例について説明する。
【００４０】
図１に示すような減圧調整、底吹ガス撹拌および上吹ランスによる酸素吹精機能を備えた５００ｋｇの高周波誘導溶解炉10を用いて、ステンレス鋼の鋼浴の精錬を行った。
【００４１】
高周波誘導溶解炉10は、真空タンク２内に、内部の寸法が直径５００ｍｍで深さ５００ｍｍの精錬容器３が設けられている。また、この精錬容器３の周囲には、高周波コイル11が設けられている。
【００４２】
各Ｃｒ濃度の鋼浴１を用い、真空ポンプ12により真空引きして約４ｋＰａの減圧下にて、精錬容器３内で鋼浴１を撹拌して粗脱炭としての真空酸素脱炭精錬を行い、Ｃ濃度が約０．０２〜０．０４質量％まで脱炭した。
【００４３】
また、鋼浴温度を１５８０〜１６２０℃に調整した後、真空ポンプ12によりさらに２ｋＰａ以下まで減圧した。なお、その真空度は各ヒート毎に変化させた。
【００４４】
そして、各真空度にて、金属Ａｌおよび金属Ｓｉの少なくとも一方と、ＣａＯとをフラックスとして精錬容器３内に鋼浴１に所定量添加した。
【００４５】
添加したＡｌおよびＳｉの少なくとも一方とＣａＯとは、鋼浴１中に生成されたＣｒ系酸化物やＦｅ系酸化物や鋼浴１中のフリー酸素と反応して、Ｃｒ系酸化物を５質量％以上４０質量％以下含有したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＦｅｔＯ系スラグ、ＣａＯ−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグおよびＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグのうちのいずれかのスラグ９を形成する。
【００４６】
その後、精錬容器３に設けられたポーラスプラグ８を介して精錬容器３内の鋼浴１へ不活性ガスとしてのＡｒガス５を所定流量で吹き込み、鋼浴１をガス撹拌した。
【００４７】
また、モータなどの駆動力により回転可能な耐火物製インペラとしてのＭｇＯ製インペラ４の撹拌羽根７側を、精錬容器３の上方から精錬容器３内の鋼浴１に挿入して、ガス撹拌と同時に鋼浴１をＭｇＯ製インペラ４で機械撹拌して、仕上げ脱炭としての真空精錬を行った。なお、ＭｇＯ製インペラ４は、幅が７０ｍｍで長さが１５０ｍｍの撹拌羽根７が３つ設けられたものを用いた。
【００４８】
このように鋼浴１を真空精錬し、脱炭したものを本発明における実施例とした（ヒートＮｏ．Ｋ１ないしＫ７）。
【００４９】
ヒートＮｏ．Ｋ８は、比較例であり、フラックスを添加せず、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＦｅｔＯ系スラグ、ＣａＯ−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグおよびＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＦｅｔＯ系スラグのいずれも鋼浴１内に存在しない状態にて、２ｋＰａ以下の減圧下で機械撹拌およびガス撹拌したものである。
【００５０】
ヒートＮｏ．Ｋ９は、比較例であり、鋼浴１中に存在する酸化物のうち、Ｃｒ系酸化物であるＣｒ２Ｏ３の濃度が４０質量％より高い状態にて、２ｋＰａ以下の減圧下で機械撹拌およびガス撹拌したものである。
【００５１】
ヒートＮｏ．Ｋ１０は、比較例であり、フラックスを添加してスラグ９の組成を調整した状態にて、真空精錬時の気圧が２．０ｋＰａより高い２．５ｋＰａでガス撹拌および機械撹拌を行ったものである。
【００５２】
ヒートＮｏ．Ｋ１１は、比較例であり、フラックスを添加してスラグ９の組成を調整した状態にて、２ｋＰａ以下の減圧下でガス撹拌は行ったが機械撹拌を行わなかったものである。
【００５３】
ヒートＮｏ．Ｋ１２は、比較例であり、フラックスを添加してスラグ９の組成を調整した状態にて、２ｋＰａ以下の減圧下で機械撹拌を行ったが、Ａｒガス５を吹き込まずガス撹拌を行わなかったものである。
【００５４】
そして、各条件にて所定時間撹拌し真空精錬を行った後、Ｃ濃度およびＮ濃度を測定し、実施例および比較例の脱炭状態を確認した。実施例および比較例についての脱炭精錬の各条件や結果を表１および表２に示す。
【００５５】
【表１】
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【００５６】
【表２】
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【００５７】
実施例であるＫ１ないしＫ７では、表２に示すように、真空精錬前の鋼浴１に対する真空精錬後の脱炭率がいずれも８０％以上で、脱窒率がいずれも７０％であり、効率的に脱炭および脱窒できた。
【００５８】
比較例であるＫ８は、表２に示すように、真空精錬前の鋼浴１に対する真空精錬後の脱炭率が２７％で、脱窒率が１３％であり、Ｋ１ないしＫ７と比べて脱炭効率および脱窒効率が低下してしまった。これは、フラックスを添加しなかったことにより、鋼浴１中の酸化物が、高融点のＣｒ系酸化物で鋼浴１の温度にて固相となり、Ｃ＋Ｏ→ＣＯというＣＯ生成反応にあまり関与しなかったため、Ｎｏ．Ｋ１ないしＫ７に比べて脱炭反応が進行しにくかったと考えられる。
【００５９】
比較例であるＫ９は、表２に示すように、精錬前の鋼浴１に対する精錬後の脱炭率が２１％で、脱窒率が２２％であり、Ｋ１ないしＫ７と比べて脱炭効率および脱窒効率が低下してしまった。これは、鋼浴１中の酸化物におけるＣｒ酸化物の濃度が高いことにより、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｃｒ２Ｏ３系の一部のみが液相状態であり、鋼浴１中の酸化物がＣＯ生成反応にあまり関与しなかったため、Ｎｏ．Ｋ１ないしＫ７に比べて脱炭反応が進行しにくかったと考えられる。
【００６０】
比較例であるＫ１０は、表２に示すように、精錬前の鋼浴１に対する錬連後の脱炭率が３４％で、脱窒率が４６％であり、Ｋ１ないしＫ７と比べて脱炭効率および脱窒効率が低下してしまった。これは、気圧が高すぎる（真空度が低い）ことにより、鋼浴１中で生成されたＣＯが離脱しにくかったため、Ｎｏ．Ｋ１ないしＫ７に比べて脱炭反応が進行しにくかったと考えられる。
【００６１】
比較例であるＫ１１は、表２に示すように、精錬前の鋼浴１に対する錬連後の脱炭率が１６％で、脱窒率が３０％であり、Ｋ１ないしＫ７と比べて著しく脱炭効率および脱窒効率が低下し、Ｋ８ないしＫ１０に比べても脱炭効率が低下していた。これは、機械撹拌を行わなかったことにより、撹拌力が低下したため、Ｋ１ないしＫ１０に比べて脱炭反応が進行しにくかったと考えられる。
【００６２】
比較例であるＫ１２は、表２に示すように、精錬前の鋼浴１に対する錬連後の脱炭率が４５％で、脱窒率が４４％であり、Ｋ１ないしＫ７と比べて脱炭効率および脱窒効率が低下してしまった。これは、ガス撹拌を行わなかったことにより、撹拌力が低下したため、Ｋ１ないしＫ７に比べて脱炭反応が進行しにくかったと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、例えば炭素含有量が極めて低いフェライト系ステンレス鋼などのようなステンレス鋼を溶製する際の精錬工程において利用できる。
【符号の説明】
【００６４】
１    鋼浴
３    精錬容器
４    耐火物製インペラ
５    不活性ガス
９    スラグ
【図１】
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