JPH04246118A - 極低炭素鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空脱ガス装置を使用
することなく極低炭素鋼を溶製する方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】自動車用鋼板等プレス加工が施される薄
板用鋼板においては、その加工性を高めるために鋼板中
の炭素濃度を極力低下させた極低炭素鋼が知られている
。

【０００３】従来、極低炭素鋼を溶製するためには、転
炉等で炭素濃度を０．０４％程度まで脱炭させた溶鋼を
未脱酸の状態で取鍋等の容器に受鋼した後に、ＲＨ法や
ＤＨ法といった真空脱ガス装置等の排気装置を有するプ
ロセスを用い、溶鋼の一部分を減圧（真空）雰囲気中に
曝し、気体側の圧力を低下させることで気体と溶鋼の界
面のＣＯガス分圧を低下させる条件下において、次式に
示す溶鋼中の炭素と酸素を反応させる方法にて脱炭した
後、目標の溶鋼成分となるように、合金を添加して調整
を行う溶製方法が広く行われている。

【０００４】 　　　　　　　　　　　　　　Ｃ　　＋　　Ｏ　　　　
→　　ＣＯ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（１）一般に溶鋼を脱炭する場合、（１）式で
示したように、溶鋼中の炭素を酸素と反応させることで
ＣＯガスを生成させ、このＣＯガスを気体側に除去する
方法が用いられる。

【０００５】この脱炭反応を進めさせるためには、溶鋼
中に酸素が必要であり、このため炭素濃度が高い溶鋼に
対しては、一般には酸素を上方や下方から、あるいは上
下方向から同時に供給する純酸素転炉方式が採用されて
いる。しかし、この方法では、溶鋼中の炭素濃度が０．
０４％程度以下となると、脱炭の進行が著しく停滞し、
むしろ鉄の酸化が生じ、溶鋼の歩留り低下や溶鋼中の有
効成分であるマンガン濃度の低下を招く等の問題がある
。

【０００６】そこで、炭素濃度０．０４％以下でも、鉄
が酸化せず溶鋼中の炭素が優先的に酸化するように、気
体ないしは固体状の酸化源を供給し、溶鋼中の酸素濃度
を増加させると同時に、気体側の一酸化炭素の分圧を低
下させることで（１）式の反応を右の方向へ進行させる
方法として真空脱ガス装置が広く普及しているわけであ
る。

【０００７】つまり、次に示す（２）式において、気体
側の一酸化炭素の分圧ＰＣＯを小さくすれば、同じ溶鋼
中酸素濃度であっても、炭素濃度をより小さくすること
ができるわけである。

【０００８】

【数１】

【０００９】この方式によれば、減圧度を高める（真空
度を上げる）ほど（１）式で示す右方向への脱炭反応が
進行するため、現在工業的に、ＲＨ法やＤＨ法等におい
て溶鋼表面を極力高い真空下に維持することで、炭素濃
度０．００５％以下という極低炭素鋼の溶製が可能とな
っている。

【００１０】ここで、脱炭速度をより短縮するために、
真空脱ガス装置において、酸素あるいは二酸化炭素等の
酸化性ガスあるいは酸化鉄等の固体状酸化源を添加する
方法（例えば特開昭４９−３４４１４、特開昭５１−１
５１２１１、特開昭５１−１５１２１２）、反応の界面
積を大きくするため大量のガスを溶鋼中に吹込む方法（
特開昭５２−５６４１）等も開発されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記真空脱ガス装置を
用いた極低炭素鋼溶製方法は、炭素濃度を低下せしめる
ため平衡論的にも非常に有効な方法であり、現在広く普
及している。しかし、前述したように、溶鋼の一部分を
高い減圧雰囲気中に曝すために、非常に大がかりで高価
な真空装置が必要であり、また減圧下で溶鋼を処理する
ことから、耐火物等が溶損し、さらに高温下において減
圧状態を維持するために、各嵌合部の機密性を高めるた
めのきめ細かなメンテナンスを要する。

【００１２】また、減圧雰囲気中に曝した状態の溶鋼中
にガスを吹込むと、ガスが溶鋼表面から離脱する際に弾
けて飛散するため、密閉容器内に付着堆積し、溶鋼の歩
留りを低下させるばかりか、この付着地金の除去に多大
な労力を要する。

【００１３】さらに、減圧される密閉容器は充分予熱を
行った状態で使用されるものであるが、装置全体が大き
いため、全体を均一に一定温度まで予熱することが難し
く、脱炭処理開始時点では、溶鋼の温度降下が大きい。 このため、脱炭処理を行った溶鋼を連続鋳造等のプロセ
スで安定に鋳造するためには、脱炭処理時の温度降下分
を事前に補償する必要がある等、処理費用が高くなる等
の問題点がある。

【００１４】本発明は、上記問題点に鑑み、安価な設備
で、従来行われている真空脱ガス装置で溶製されると同
等の極低炭素鋼の溶製方法を提示するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、取鍋内の溶鋼
表面の酸化性スラグを、全表面積の２０％以上除去した
区域に耐火物製の浸漬体を浸漬して特定空間を形成し、
該特定空間の炭素濃度０．０４〜０．０３％、酸素濃度
４００〜７００ｐｐｍの溶鋼の表面に、連続的に不活性
ガスを吹付けて溶鋼を脱炭する際に、溶鋼中の酸素濃度
を随時測定し、その濃度が２５０〜７００ｐｐｍの範囲
内に維持するよう、かつ前記特定空間の溶鋼表面には酸
化物が蓄積しないように、連続的に吹付ける不活性ガス
に、酸素濃度が５％をこえない範囲で断続的に酸化性ガ
スを混合供給することを特徴とする極低炭素鋼の溶製方
法である。

【００１６】

【作用】本発明者等は、従来の大がかりな真空装置を必
要とすることなく、安定に溶鋼中の炭素濃度を０．００
５％以下まで脱炭する方法について研究開発を進めた結
果、溶鋼と気体の界面の一酸化炭素ガスの分圧を低下さ
せるために、溶鋼の一部分の表面を減圧状態下に保つた
めの、高価かつ大がかりな真空脱ガス装置等を用いずと
も、アルゴンや窒素等の不活性ガスを界面に吹付け、界
面の一酸化炭素ガスを除去し、その分圧を低下させれば
、大気圧下において、炭素濃度０．００５％以下まで脱
炭反応は充分に進行し、極低炭素鋼の溶製が可能である
ことを見出した。

【００１７】前記した純酸素を供給する転炉方法での脱
炭反応の場合も、多量の純酸素ガスを供給しており、溶
鋼と気体の界面の一酸化炭素ガスの分圧は低いと考えら
れる。しかし、先にも述べたように、炭素濃度が０．０
４％程度以下になると炭素よりも鉄やマンガンの酸化が
優先的に生じて脱炭は停滞し、溶鋼歩留りの低下あるい
は溶鋼中の有効成分であるマンガン濃度の低下を招く。 発明者らは、転炉方法でのこの現象を検討し、炭素の酸
化と同時に、シリコンやりん、マンガン等が酸化し、ま
たこれらの酸化物を安定に固定するために、主に石灰を
成分とする精錬用のスラグを置いて処理を行っているこ
と、また純酸素ガスを供給していることそのものが脱炭
停滞の原因であることを明らかとした。

【００１８】すなわち、炭素濃度が０．０４％以下の低
い領域まで、脱炭反応を進行させようとする場合には、
炭素濃度に見合った酸素供給速度を制御することが必要
であり、そもそも溶鋼表面に酸化性のスラグが存在し反
応界面を減少させていること、あるいは純酸素ガスを供
給するような状態では、酸素供給速度が大きすぎるため
、鉄あるいはマンガンの優先的な酸化を引き起こし、こ
れら酸化鉄ないし酸化マンガンが既に存在するスラグと
合わさり、炭素と酸素の反応を生じさせる反応界面を減
少させているわけである。

【００１９】このような研究結果から、発明者等は先に
、取鍋内溶鋼表面上の酸化性スラグの占める面積を２０
％以下に減少せしめた炭素濃度０．０４〜０．０２％の
溶鋼表面上に、酸素分圧０．５〜０．０１気圧に調整し
た酸化性ガスと不活性ガスの混合ガスを吹きつけ、溶鋼
の酸化を制御しつつ、溶鋼を脱炭すれば、炭素濃度０．
０２％以下の極低炭素鋼の溶製が可能であることを発明
（特願昭６３−１５３４５４号）した。

【００２０】さらに、発明者等は、この脱炭に要する時
間を短縮する、ないし到達する炭素濃度をより一層低下
させるための研究開発を進め、取鍋内の溶鋼表面の酸化
性スラグを、全表面積の２０％以上除去した区域に耐火
物製の浸漬体を浸漬して特定空間を形成し、該特定空間
の炭素濃度０．０４〜０．０３％、酸素濃度４００〜７
００ｐｐｍの溶鋼の表面に、連続的に不活性ガスを吹付
けて溶鋼を脱炭する際に、溶鋼中の酸素濃度を随時測定
し、その濃度が２５０〜７００ｐｐｍの範囲内に維持す
るよう、かつ前記特定空間の溶鋼表面には酸化物が蓄積
しないように、酸素の濃度を制御することにより、短時
間に炭素濃度０．００５％以下の極低炭素領域まで脱炭
が進行することを確認した。

【００２１】ここで、本発明の要件である、取鍋内の溶
鋼表面上の酸化性スラグを、溶鋼表面積に対して２０％
以上除去する理由としては、２０％未満の面積比では酸
化性スラグによる溶鋼への酸素供給が進行し、溶鋼の酸
素濃度の制御が困難になること、ならびにそもそも不活
性ガスを吹付けることで促進される脱炭への有効な反応
界面積が確保できないからである。

【００２２】取鍋内の溶鋼表面上の酸化性スラグを、溶
鋼表面積に対して２０％以上除去する方法としては、例
えば、取鍋の底部あるいは、溶鋼に浸漬した耐火物製の
ランスから、ガスを吹込み、ガスによる溶鋼の流れで、
表面のスラグを取鍋の内壁部へ押しやった状態で、筒状
の耐火物製の浸漬管を浸漬し、この浸漬管内に酸化性ス
ラグがない状態にする方法等が簡潔であり、かつ確実で
あるが、転炉から取鍋への溶鋼の受鋼時に、スラグボー
ルやスラグストッパーといった転炉内の酸化性スラグの
流出を抑える方法や、あるいは取鍋内から、物理的にス
ラグを掻きだすスラグドラッガー法等の方法で物理的に
取鍋内の酸化性スラグを除去してもよい。

【００２３】次に、溶鋼の表面に吹付けるガスとして不
活性ガスを用いる理由としては、吹付けるガス中の酸素
濃度が５％を超えると、溶鋼の表面で炭素の酸化よりも
、鉄の酸化が優先的におこり、界面に溶融状態の酸化鉄
が生成し、この酸化鉄が除々に蓄積して、脱炭に有効な
界面積が減少してしまうため、脱炭の速度が減少し、炭
素濃度０．００５％以下まで脱炭させるのにより長時間
を要してしまうことが判明したためである。ここで用い
る不活性ガスの種類としては、アルゴンガスが一般的で
あるが、ヘリウムガス等も可能であるし、鋼の材質上問
題がなければ窒素ガスの使用も可能であり、これらのガ
スを混合しても構わない。

【００２４】一方、脱炭反応を進めるには、（１）式で
示したように、炭素を酸化させる酸素が必要である。そ
こで、脱炭を開始する前の溶鋼の酸素の濃度としては、
通常の転炉吹錬で、炭素濃度０．０４〜０．０３％で吹
き止めた際に得られる４００〜７００ｐｐｍの範囲とし
、この溶鋼中の酸素を用いて炭素を酸化しつつ、脱炭の
進行に伴い減少する酸素については、公知の測定手段で
ある、例えば、酸素濃淡電池等を用いてその濃度を随時
測定しながら、濃度が減少した場合には、最初に酸化性
スラグを除去した溶鋼表面には新たに酸化物が蓄積して
脱炭の反応界面積を減少することがないように、その濃
度を２５０〜７００ｐｐｍの範囲に制御する必要がある
。この、すでに酸化性スラグを除去した溶鋼表面には、
新たに酸化物が蓄積しないように、溶鋼中の酸素濃度を
調整する方法としては、純酸素ガス、空気、二酸化炭素
ガス、水蒸気等の単独ガスやこれらの酸化性ガスと一酸
化炭素ガスの混合ガスといったガスを、その酸素濃度が
５％をこえない範囲で、連続的に吹きつづけている不活
性ガスに、断続的に混ぜて吹付けながら供給する方法が
採用できる。このように不活性ガスに酸化性ガスを数分
ずつ断続的に供給するので、酸化性ガスの混合供給して
いる間は酸化鉄が生成するのは避けられないが、上記酸
素濃度を５％以下とすることにより、酸化鉄の生成量は
極めて少量であり、次の酸化性ガスの混合を遮断してい
る間に上記酸化鉄は消失する。

【００２５】溶鋼中の酸素濃度を２５０ｐｐｍ以上に制
御する必要性としては、この濃度以下となると、脱炭速
度が低下する傾向があるためであり、また７００ｐｐｍ
以下に制御する理由としては、この濃度以上では、脱炭
速度に酸素濃度の影響がもはや見られず、またのちにこ
の酸素を脱酸した場合に生成する介在物量が増加するた
め、品質上も好ましくないことによる。

【００２６】こうした方法によって、脱炭の反応界面積
を確保する目的で、最初に酸化性スラグを除去した溶鋼
表面に、酸化物がさらに生成し、かつ蓄積していくこと
をなくし、常に脱炭速度を高位に維持することができる
わけである。

【００２７】以上のような理由から、炭素濃度を０．０
０５％以下の極力低くまで、かつ短い時間内で進行させ
たい場合には、ガスの吹付けにより脱炭が進行する反応
界面積をより大きくするために、酸化性スラグが占める
溶鋼表面積の大きさをより小さくする、また反応の界面
に溶鋼中の炭素が常に供給されるように、溶鋼を強く撹
拌することが効果的であることは言うまでもない。ここ
で溶鋼を撹拌するためには、取鍋の底部あるいは補助的
に浸漬した耐火物製ランスから供給するガスの量を大き
くするほうが好ましく、またこのためのガスは、上面か
ら吹きつけるガスと同様の不活性ガスが好ましいが、前
記した酸素濃度を制御するための純酸素ガス、空気、二
酸化炭素ガス、水蒸気等の単独ガスや、これらの酸化性
ガスと一酸化炭素ガスとの混合ガス、あるいはこれら酸
化性ガスと不活性ガスの混合ガスを用いても構わない。

【００２８】

【実施例】以下、本発明例を図１から図４を用いて詳細
に説明する。 実施例１ 転炉において、溶銑から炭素０．０４％、マンガン０．
３０％に溶製した２５０ｔｏｎの溶鋼１を、取鍋２に未
脱酸状態で出鋼した。出鋼後の取鍋２内溶鋼の成分は炭
素０．０３８％、酸素４００ｐｐｍであり、溶鋼の温度
は１６３０℃であった。

【００２９】その後、取鍋２の底部に配置した耐火物製
のポーラスプラグ３から、Ａｒガスを３０Ｎｍ３　／ｈ
ｒの流量で吹込み、取鍋２内の転炉から流出した酸化性
スラグ４を取鍋２の内壁部へ押しやった状態で、図１に
示すように筒状の耐火物製の浸漬管５を浸漬し、浸漬管
５内にはスラグ４がない状態を確保した。取鍋２の内径
が３．６ｍ（１０ｍ２　）に対して、浸漬管５の内径は
１．６ｍ（２．０ｍ２　）で、溶鋼表面上の酸化性スラ
グ４は２０％除去された。

【００３０】次に、溶鋼１表面から１．２ｍの高さに、
図２に示すように、上吹きランス６を配置し、Ａｒガス
を、流量３０００Ｎｍ３　／ｈｒで溶鋼表面に吹きつけ
、脱炭処理を１５分行った。この間、取鍋２底部からは
Ａｒガスを３０Ｎｍ３　／ｈｒの流量で吹込み続け、撹
拌を行った。上記脱炭処理開始から５分経過後に酸素濃
度を測定したところ、２８０ｐｐｍを示したため、上吹
きランス６からのＡｒガスに、純酸素ガスを１２０Ｎｍ
３　／ｈｒ混合し（酸素ガス濃度３．８％）、２分間隔
に６分の間、断続吹付けをし、酸素濃度を４００ｐｐｍ
まで上昇させた。この脱炭処理後の溶鋼温度は１６０５
℃で、炭素濃度は０．００３％、マンガン濃度は０．２
５％となり、わずかにマンガンが酸化したが、安定に炭
素濃度０．００５％以下に到達した。

【００３１】比較例１ 同じく転炉において、溶銑から炭素０．０４％、マンガ
ン０．３３％に溶製した２５０ｔｏｎの溶鋼１を、取鍋
２に未脱酸状態で出鋼した。出鋼後の取鍋内溶鋼の成分
は炭素０．０３７％、酸素４１０ｐｐｍであり、溶鋼の
温度は１６４０℃であった。

【００３２】取鍋２の底部に配置した耐火物製のポーラ
スプラグ３から、Ａｒガスを３０Ｎｍ３　／ｈｒの流量
で吹込み、取鍋２内の転炉から流出した酸化性スラグ４
を取鍋２の内壁部へ押しやった状態で、図１に示すよう
に筒状の耐火物製の浸漬管５を浸漬し、浸漬管５内には
スラグ４がない状態を確保した。取鍋２の内径が３．６
ｍ（１０ｍ２　）に対して、浸漬管５の内径は１．８ｍ
（２．５ｍ２　）で、溶鋼表面上の酸化性スラグ４は２
５％除去された。

【００３３】次に、図２に示すように、溶鋼１表面から
１．２ｍの高さに、上吹きランス６を配置し、Ａｒガス
を、流量３０００Ｎｍ３　／ｈｒで溶鋼表面に吹きつけ
、脱炭処理を１５分行った。この間、取鍋２底部からは
Ａｒガスを３０Ｎｍ３　／ｈｒの流量で吹込み続け、撹
拌を行った。途中２分で、酸素濃度を測定したところ、
３５０ｐｐｍを示したため、上吹きランス６からのＡｒ
ガスに、純酸素ガスを２５０Ｎｍ３　／ｈｒ混合し（酸
素ガス濃度７．７％）、残りの１３分間吹付け続けた。 最終的に酸素濃度は８００ｐｐｍまで上昇した。この脱
炭処理後の溶鋼温度は１６１０℃で、炭素濃度は０．０
１４％、マンガン濃度は０．２２％となり、マンガンが
酸化し、また炭素濃度０．００５％以下までには、本時
間内では進行しなかった。

【００３４】比較例２ 同じく転炉において、溶銑から炭素０．０４％、マンガ
ン０．３３％に溶製した２５０ｔｏｎの溶鋼１を、取鍋
２に未脱酸状態で出鋼した。出鋼後の取鍋内溶鋼の成分
は炭素０．０３４％、酸素４５０ｐｐｍであり、溶鋼の
温度は１６４０℃であった。

【００３５】取鍋２の底部に配置した耐火物製のポーラ
スプラグ３から、Ａｒガスを３０Ｎｍ３　／ｈｒの流量
で吹込み、取鍋内の転炉から流出した酸化性スラグ４を
取鍋２の内壁部へ押しやった状態で、図１に示すように
筒状の耐火物製の浸漬管５を浸漬し、浸漬管５内にはス
ラグ４がない状態を確保した。取鍋２の内径が３．６ｍ
（１０ｍ２　）に対して、浸漬管５の内径は１．８ｍ（
２．５ｍ２　）で、溶鋼表面上の酸化性スラグ４は２５
％除去された。

【００３６】次に、図２のように、溶鋼２表面から１．
２ｍの高さに、上吹きランス６を配置し、Ａｒガスを、
流量３０００Ｎｍ３　／ｈｒで溶鋼表面に吹きつけ、脱
炭処理を１５分行った。この間、取鍋底部からはＡｒガ
スを３０Ｎｍ３　／ｈｒの流量で吹込み続け、撹拌を行
った。途中５分で、酸素濃度を測定したが、４００ｐｐ
ｍを示したため、そのまま上吹きランス６からのＡｒガ
スを吹付け続けた。最終的に酸素濃度は２００ｐｐｍと
なった。この脱炭処理後の溶鋼温度は１６１０℃で、炭
素濃度は０．００８％、マンガン濃度は０．３０％とな
り、炭素濃度０．００５％以下までには、本時間内では
進行しなかった。

【００３７】比較例３ 同じく転炉において、溶銑から炭素０．０４％、マンガ
ン０．３５％に溶製した２５０ｔｏｎの溶鋼１を、取鍋
２に未脱酸状態で出鋼した。出鋼後の取鍋内溶鋼の成分
は炭素０．０３２％、酸素５２０ｐｐｍであり、溶鋼の
温度は１６３０℃であった。

【００３８】その後、図３のように、取鍋内に３０ｍｍ
厚の酸化性スラグ４を残留させた状態で、取鍋２の底部
に配置した耐火物製のポーラスプラグ３から、Ａｒガス
を４０Ｎｍ３　／ｈｒの流量で吹込み、さらに、図４の
ように、溶鋼表面から１．０ｍの高さに、上吹きランス
６を配置し、Ａｒガスを、流量３５００Ｎｍ３　／ｈｒ
で吹きつけて、脱炭処理を２０分行った。この間、取鍋
底部からはＡｒガスを３０Ｎｍ３　／ｈｒの流量で吹込
み続け、撹拌を行った。途中５分で、酸素濃度を測定し
たが、４２０ｐｐｍを示したため、そのままＡｒガスを
吹き続けた。この脱炭処理後の溶鋼温度は１６１０℃、
炭素濃度は０．０２０％、マンガン濃度は０．３４％で
あり、炭素濃度０．００５％以下までの脱炭は進行しな
かった。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、従来の高価かつ大がか
りで、きめ細かなメンテナンスが必要な、真空脱ガス装
置を用いた極低炭素鋼の溶製方法に比較して、このよう
な脱ガス設備等の改造や新設等なく、単に溶鋼表面のス
ラグを減少せしめ、かつ不活性ガスを吹付けながら、溶
鋼中の酸素濃度を制御することにより、通常の真空脱ガ
ス装置を用いた場合と同様に、３０分程度の脱炭時間で
、炭素濃度０．００５％以下の極低炭素鋼の溶製が可能
となった。

【００４０】また、本発明によれば、従来の真空脱ガス
装置を用いた方法に比較して、溶鋼の温度降下も少なく
、また地金付着等も少なく、かつ地金除去等も浸漬管内
に付着したもののみを除去すればよく、メンテナンスが
非常に容易となり、処理コストの低下が享受できる。

【００４１】また、炭素濃度が０．００５％以上、０．
０４％以下の成分への脱炭も当然のことながら従来のよ
うに真空脱ガス装置をもちいることなく溶製ができるの
は言うまでもない。

【００４２】以上のように、本発明によれば、工業的規
模において、容易かつ確実、安価に極低炭素鋼が溶製で
きる等の優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施方法の一例を示す説明図で
ある。

【図２】図２は本発明の実施方法の一例を示す説明図で
ある。

【図３】図３は本発明に対する比較例の一例を示す説明
図である。

【図４】図４は本発明に対する比較例の一例を示す説明
図である。

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　取鍋内の溶鋼表面の酸化性スラグを、
   全表面積の２０％以上除去した区域に耐火物製の浸漬体
   を浸漬して特定空間を形成し、該特定空間の炭素濃度０
   ．０４〜０．０３％、酸素濃度４００〜７００ｐｐｍの
   溶鋼の表面に、連続的に不活性ガスを吹付けて溶鋼を脱
   炭する際に、溶鋼中の酸素濃度を随時測定し、その濃度
   が２５０〜７００ｐｐｍの範囲内に維持するよう、かつ
   前記特定空間の溶鋼表面には酸化物が蓄積しないように
   、連続的に吹付ける不活性ガスに、酸素濃度が５％をこ
   えない範囲で断続的に酸化性ガスを混合供給することを
   特徴とする極低炭素鋼の溶製方法。