JPS5952684B2 - 溶鋼の二次精錬方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、転炉等から取鍋等に出鋼された溶鋼を炉外で
精錬する二次精錬方法に関するものである。

従来、転炉や電気炉などで一次精錬された溶鋼は、炉か
ら取鍋に出鋼され、この取鍋内で溶鋼に合金や脱酸剤が
添加され、酸素などの不純物の除去や目的の鋼の組成を
得るための成分調節などを目的とした二次精錬が炉外で
行なわれている。

二次精錬方法として、従来様々の方法が提案されている
。

これらの方法は、真空脱ガス装置を利用して処理時の大
気による溶鋼の酸化を防止するとともに、積極的に溶鋼
中の不純物であるガスの同時除去を行なう真空脱ガス方
法と、真空脱ガス装置を用いずに単にガスを用いて溶鋼
を攪拌する溶鋼攪拌方法との２方法に大別される。

真空脱ガス方法は、ＲＨ式環流脱ガス法あるいはＤＨ式
吸上げ脱ガス法に代表され、二次精錬法として非常に優
れた方法であるが、大型の真空装置を用いることが必要
であって、装置が大規模となり、設備費用や処理コスト
が高価となる。

このために真空脱ガス方法はとくに高級な鋼材を製造す
ることを目的として実施されている。

他方、溶鋼攪拌方法は真空脱ガス方法と比較して低級な
鋼材を対象として利用され、溶鋼中に不活性ガスを吹き
込み、ガス気泡の浮上刃を利用して溶鋼を攪拌するいわ
ゆる不活性ガス攪拌法がその代表であり、処理コストの
安価な方法である。

この不活性ガスによる溶鋼の攪拌方法はガス吹き込み用
ノズルあるいは多孔質プラグを用いるだけで、特別な装
置を必要とせず、また処理法が簡単であることなど二次
精錬を目的とした溶鋼の攪拌法として多くの特徴を有す
る方法である。

しかし、この方法は前述の真空脱ガス方法と比較して攪
拌力が弱く、またその攪拌の原理上、スラグと溶鋼の界
面が一番強力に攪拌されるために転炉などの一次精錬炉
から溶鋼とともに取鍋に流入した酸化性スラグが溶鋼と
反応する傾向があり、これを防止することが困難であり
、したがって例えば処理中に、アルミニウムなどの酸化
されやすい合金元素がスラグと反応してその濃度が激し
く変化し、目的の濃度に調整することが困難であること
が欠点とされている。

またスラグから流入する酸素のために、処理終了時の酸
素濃度が十分に低下しないといった問題点もある。

さらにまた、攪拌力を強化するために吹き込みガス流量
を増加させると、ガス気泡放出位置の溶鋼浴表面のスラ
グ層が周囲に排除され、溶鋼が大気と直接接触し、大気
中の酸素により溶鋼が酸化され、精錬能率が低下する欠
点がある。

不活性ガスによる溶鋼攪拌方法の上述した欠点を改良し
た方法として、第１図に示すように、取鍋１の底に多孔
質プラグ２を取付け、不活性ガスを管３により多孔質プ
ラグ２を経て４で示すように取鍋１内の溶湯５中に気泡
として吹込み、耐火物製円筒６を取鍋］内の溶湯中に上
部からスラグ層７を貫通して円筒６の下端が溶鋼５内に
浸漬するように沿直方向に挿入し、この円筒内にスラグ
層のない溶鋼面を露出させ、吹き込みガスを円筒６内の
露出溶湯面から大気中に逸出させる方法が提案されてい
る。

この方法によれば、吹き込みガス気泡がスラグと溶鋼と
の界面を通過する時に生じる両相間の混合、攪拌が防止
されるので、両相間の反応を効果的に防止できる。

また、溶鋼浴と接する円筒内ガス相は吹き込みガスの溶
鋼からの放散により非酸化性雰囲気となるので、大気と
溶鋼との反応も防止できる。

上述したように、第１図に示す方法は溶鋼とスラグある
いは溶鋼と大気間の反応の防止法として優れた方法であ
るが、従来法と比較して攪拌力の改善効果は皆無であり
、むしろ浸漬耐火物円筒がガス気泡によって生じた溶鋼
上昇流の運動エネルギーを減衰させるため、攪拌力が低
下するといった問題を生じ、また処理中の合金材の添加
が困難であり、この点で真空脱ガス方法より劣る欠点が
ある。

本発明は、溶鋼中のＨ，Ｍなどの脱ガスを目的としない
場合で、溶鋼の攪拌効果により脱酸反応の促進や合金成
分濃度および温度の均一化などを計る二次精錬において
、溶鋼とスラグあるいは溶鋼と大気との反応の防止が可
能で処理後の到達酸素濃度が十分に低く、脱酸処理に優
れ、また添加合金の歩留りが良く成分調整の容易な二次
精錬法を提供することを目的とする。

本発明者らは、溶鋼の二次精錬方法について種々の攪拌
法を試験、検討し、気体力学的攪拌法を利用することに
より溶鋼の優れた二次精錬方法を発明したものである。

以下図面につき本発明を説明する。

第２図は取鍋１内の溶鋼５中に耐火物製円筒６を浸漬し
、この円筒６の上端を圧力変動発生装置（図示せず）に
管８を経て接続し、圧力変動発生装置により円筒内のガ
ス相の圧力を増減させ、これに応じて溶鋼は減圧期には
取鍋１から円筒６内に流入し、加圧期には円筒６内から
取鍋１に流出するといった振動運動を繰返すよう構成し
た装置を示す。

上述した円筒５から流出する溶鋼の運動エネルギーは取
鍋内の溶鋼の攪拌力として利用され、溶鋼の振動運動の
周期と振幅の制御により目的の攪拌力が得られる。

上述の攪拌は第３図に示すように圧力変動の平均圧力に
応じて（ａ）減圧側、（ｂ）常圧側、および（Ｃ）加圧
側の三種類の実施法があり、処理目的に応じて処理方法
の変更が可能である。

例えば、取鍋から鋳型への溶鋼注入時には、しばしば問
題とされるように注入開始時に取鍋底部の耐火物壁で冷
やされた低温溶鋼が流出するために目的の注入温度が得
られず、また注入用のノズルが低温溶鋼で凝着閉鎖した
り開口作業が困難になることがある。

このような問題の防止には、第３図ａに示すように注入
直前に処理を行ない取鍋底部の低温溶鋼を攪拌すること
が有効であることを確めた。

また、円筒上部より円筒自溶鋼中に合金を添加する際に
も、第３図ａに示す操業方法が好都合であることを確め
た。

この理由は、添加合金は一部未溶解の状態で取鍋中に流
出するが、この際に未溶解のまま取鍋浴面に浮上し、ス
ラグあるいは大気と反応することを防止するためには円
筒からの未溶解合金を含有する溶鋼流はできるだけ取鍋
底部に達することが好都合であるからである。

さらに、第３図ａに示す操業法はガス相の圧力変動の平
均値が一気圧以上であるために圧力変動を発生させるた
めに必らずしも減圧装置を用いる必要がなく、エネルギ
ー効率の良い高圧ガスのみにて操業可能といった特徴を
有することを確めた。

これに反し、第３図Ｃに示す方法は上述の理由により合
金添加に対して若干不利であり、またガス相の圧力変動
の平均値が一気圧以下であるために、圧力変動の発生に
真空ポンプを用いる必要があるなどの不都合が生じる。

しかし、第３図Ｃに示す方法は第３図ａに示す方法と比
較して両面が溶鋼と接する耐火物レンガの量が少なく円
筒を構成する耐火物レンガの構築費用が安価であり、ま
た円筒の耐用期間も長く、耐火物レンガの費用か少なく
すむといった長所を有する。

結局、第３図ａ−Ｃに示す処理法はそれぞれ特徴を有す
るので処理目的に応じてそれぞれの特色を考慮して実施
することが必要である。

上述したように、取鍋内に出鋼した溶鋼中に円筒を浸漬
し、この円筒内のガスに圧力変動を与えることによって
溶鋼を円筒内に昇降させることによって取鍋内の溶鋼を
攪拌することにより下記のような種々の利点が得られる
。

（１）取鍋自溶鋼浴面を覆うスラグ層と溶鋼との界面が
攪拌されない。

そのために転炉などから溶鋼と同時に取鍋内に不可避的
に注入された酸化度の高いスラグと溶鋼との反応が防止
できるので処理中の合金の酸化損失が少なく、また処理
後の酸素濃度も低下する。

（２）溶鋼がガス相と直接接触するのは円筒内の浴面の
みであり、円筒内を不活性ガスを雰囲気とすることによ
り溶鋼の大気による酸化を防止することができる。

（３）円筒内ガス相の圧力変動の周期と振幅を変化させ
ることにより任意の攪拌力が得られ、また円筒浸漬深さ
を変更することにより取鍋内の目的の深さの溶鋼を特に
強く攪拌することができる。

（４）機械的な可動部分がなく、装置が単純であるため
、装置建設費が安価で、また処理コストも安価となる。

（５）機械的な可動部分がないために溶鋼の流入、流出
の周期の制御が容易で、攪拌力の増大のために周期を数
秒以下にして高速操業が容易に可能である。

（６）通常の真空脱ガス装置のような数ｍｍＨｇ以下と
いった高真空を必要としないので、大規模な設備を用い
る必要がなく、簡単な装置によって加圧、減圧の操作が
時間遅れなく容易に可能であり、特に工業的に容易な加
圧操作によって取鍋自溶鋼の攪拌力となる円筒からの流
出溶鋼の流速を増大可能にする。

上述したように気体力学的攪拌法を用いて溶鋼の二次精
錬を効果的に行なうことによって円筒から流出する溶鋼
の有する運動エネルギーを用いて攪拌効果を増大するに
は溶鋼の円筒内への流入、流出の周期を小ならしめ、円
筒から流出する溶鋼の流速を大とすることが必須条件で
ある。

しかし、水を用いたモデル実験および溶鋼を用いた実機
実験結果によれば周期をいたずらに小さくすることは以
下のような不都合を生じることが判明した。

すなわち、周期を小として円筒内での溶鋼の上昇運動を
激しくしすぎると円筒内の溶鋼浴面から溶鋼粒からなる
スプラッシュが飛散し、円筒上部の溶鋼流に洗われない
部分の耐火物壁に凝固付着し、ついにはガス流路を閉鎖
するといった不都合を生じる。

また、溶鋼の振動運動の周期を小とするためには圧力変
動発生装置の容量が必然的に大となる。

加圧源に関しては１０気圧程度の圧搾ガスは工業的に安
価に利用可能であり、圧力変動発生装置の大型化につい
て特別な問題は生じない。

しかし、減圧源に関しては円筒内圧力１〜２気圧と比較
して減圧源の圧力は最高で０気圧であり円筒内の圧力を
減少させるための推進力としてたかだか１〜２気圧の圧
力差のみが利用可能であるがために、短時間にて円筒内
の圧力を減少するには大型の減圧装置が必要となり、ま
た圧力変動発生装置から円筒までのガス配管が周期の短
時間化とともに急速に大規模となる。

上述した点から、スプラッシュの付着の問題や装置の大
型化をさけて溶鋼の精錬効果を効率よく向上させる方法
として、溶鋼の円筒への流入期間を減少させることより
、流出期間を小とするように加圧時の圧力変動を増大さ
せ取鍋自溶鋼の攪拌のエネルギーとなる円筒からの流出
速度を大ならしめることが有利で゛あることが判明した
。

さらにまた、円筒自溶鋼の流れの方向が反転する振動運
動の上限位置と下限位置での溶鋼運動の停止期間は取鍋
自溶鋼の攪拌に対して何らの役割りをはださず、振動の
周期が大となる点で不利であるが、周期が数秒以下の場
合で前述のスプラッシュの凝固付着が問題となる時には
上限位置での停止時間を十分の数秒といった極めて短時
間にすることが攪拌力の低下を伴わないスプラッシュの
防止法として有効であり、一方、下限位置での溶鋼運動
の停止期間は溶鋼の攪拌に対して全く無意味であり、む
しろ停止期間はできうるかぎり小として急激に溶鋼流の
流れの方向を反転させることに利点があり、かように急
激な流れ方向の反転の結果としてガス相と溶鋼相とが両
相の界面で混相状態となり、合金添加時に有利であるこ
とがわかった。

すなわち、円筒上部から添加された合金塊は円筒自溶鋼
の浴面に浮上しているが、これらの合金塊は下限位置で
の溶鋼流の方向の反転が急速であると容易に溶鋼中に巻
き込まれ円筒から取鍋へ流出することによる。

このためには上述の停止時間は０．５秒以内、望ましく
は０．２秒以内である必要がある。

円筒の浸漬位置は取鍋中心部に限定されるものでなく、
取鍋内の溶鋼浴深さと直径を勘案して最大の攪拌力が得
られる位置に浸漬することが望ましい。

また、装置の複雑化を厭わないならば取鍋内で円筒を旋
回させることによって攪拌効果をさらに向上させること
ができる。

また、円筒６の浸漬深さについては第３図ａ〜Ｃに示し
たように各種の方法があるが、前述のように１５５０℃
以上の溶鋼温度による耐火物の溶損の観点からは浸漬深
さはできるだけ少ないことが望ましい。

本発明者らは最小の浸漬深さについて種々の実験を行な
い、溶鋼の精錬効果および操業操作上の観点からその最
小浸漬深さが限定されることを見い出した。

すなわち溶鋼中への円筒の浸漬深さが浅すぎる場合には
円筒からの流出溶鋼流が溶鋼浴表面上のスラグを巻き込
み、スラグが溶鋼中に懸濁する。

このために通常転炉などから取鍋内に溶鋼とともに流入
した酸素濃度の高いスラグから溶鋼中への酸素の移行が
活発となり、脱酸速度が低下する。

また、処理終了時の到達酸素濃度が増大し精錬能率が低
下する。

さらに、溶鋼中への円筒の浸漬深さが浅すぎる場合には
、吸込期にスラグあるいは大気を部分的に円筒内に吸入
する恐れがある。

スラグを吸入した場合には前述の理由より脱酸に関する
精錬能率が低下し、また大気を吸入した場合には円筒内
の溶鋼の運動の制御が困難となる。

以上の条件について、種々の浸漬深さにて実験を行なっ
た結果、好ましい浸漬深さはスラグと溶鋼の界面から１
００ｍｍ以上であることが判明した。

以下に、実施例に基づいて本発明の詳細な説明する。

実験に使用した装置の概略を第４図に示しており、図示
の実験装置では耐火物製円筒６は内径３００ｍｍ、長さ
３５００ｍｍで、耐火物の厚さは２００柵とし、溶鋼と
触れない外側を１５ｍｍ厚さの鋼板１０で包囲している
。

円筒６の上端には二系列の配管１１．１２を接続し、配
管１１は元圧１０ｋｇ／ｍＩｔの高圧Ｎ２ガス配管に接
続されて高圧源とし、配管１２は真空度１ＱＱｔｏｒｒ
で７８０ｋｇＡｉｒ／ｈｒの能力を有するスチームエジ
ェクターに接続し減圧源とした。

おのおのの配管途中にはガス流量制御弁１４，１５およ
び電磁弁１６．１７を配置し、タイマーを内蔵したコン
トローラ１８を用いて該電磁弁を一定周期で交互に開閉
し、円筒内の圧力変動の振動数を制御した。

また円筒上部に設置した圧力検出器１９を用いて圧力変
動の振幅を検出し、コントローラ１８を用いて流量制御
弁１４．１５の開度の調節により、圧力変動の振幅を制
御した。

酸素上吹き転炉にて溶製された約１００トンの溶鋼を通
常の取鍋に保持し、前述の円筒を浴面がら２００〜４０
０ｍｍの位置まで浸漬し、コントローラ１８を用いて、
円筒内圧力を周期２．５秒、平均圧力を１気圧とし、０
．５〜２．５気圧の範囲で振動させ、約２０分間処理し
た。

圧力変動周期２．５秒のうち約２．１秒は減圧期とし、
０．４秒を加圧期とした。

処理開始から５分間にわたって円筒上部に配置された密
閉型のホッパー２０のゲート２１を開放して脱酸用の１
０〜２０ｍｍ径のＡＩ金属塊を６０〜１００ｋｇ添加し
た。

処理溶鋼の組成を第１表に示す。

この処理溶鋼は酸化物性介在物に起因する製品の表面欠
陥が多発し易い冷延鋼板用の低炭素アルミギルド鋼であ
る。

上述の処理効果を表わすため処理終了時の酸素濃度を第
２表に示す。

第２表中の比較例は取鍋底部から耐火物製のポーラスプ
ラグを介してアルゴンガスを１００〜２５０１７ｍ１ｎ
の速度で約２０分間吹き込んだ不活性ガス攪拌処理であ
る。

第２表から明らかなように比較例とくらべて処理終了時
の酸素濃度の平均値が低下し、しかも、そのバラツキが
小となり溶鋼の清浄性の向上に効果のあることか゛わか
る。

また、添加ＡＩの歩留りを第３表に示すが前述の比較例
をくらべてＡ１歩留りが７％向上し、またその標準偏差
も３％向上しバラツキが小となった。

次いで、上述の鋼種を連続鋳造し、得られたスラブの品
質の向上効果について述べる。

従来、上述の鋼種では酸化物性介在物によるスラブの表
面欠陥としてアルミナを主成分とする介在物がスラブ表
面層に集積して生じるアルミナクラスターが゛問題とな
っていた。

したか゛つて、スラブ表面のアルミナクラスターの出現
頻度について処理による効果を調べた。

注入の初期と末期を除く正常鋳込み時のスラブについて
の結果を第５図に示す。

クラスター評点はスラブ表面の目視観察によりクラスタ
ー個数と大きさを考察して評価し、評点１は品質上で無
欠陥を意味し、評点５は欠陥除去のためにホットスカー
フによる全面手入れを必要とする。

評点２〜４はその値に応じて部分手入れを意味する。

第５図より明らかなようにスラブの品質改善効果に優れ
、比較例とくらべて全面手入れ、部分手入れ率が著しく
減少している。

第６図は処理中のアルミナ系介在物の個数の経時変化を
処理開始時の値に対する百分率で示す。

第６図に点線で示す比較例は第１図に示す方法とした。

すなわち、内径８００ｍｍの耐火物製円筒を約５００ｍ
ｍ溶鋼中に浸漬し、取鍋底部から吹き込んだＡｒガスは
この耐火物円筒内で大気中に逸出するようにし、円筒内
はＡｒガス雰囲気とした。

第６図から明らかなように介在物の減少速度が急速であ
り、また処理終了時の個数も少なく、溶鋼中の介在物の
除去速度が優れている。

第７図は実施例に示す装置を用い、実施例と同様な溶鋼
を用い、円筒の溶鋼中へ浸漬深さのみを変更して、脱酸
効果におよぼす浸漬深さの影響を検討した結果得られた
酸素濃度と浸漬深さの関係を示す。

約２０分の処理後に、取鍋内浴表面下約３０ｃｍの一定
位置溶鋼から試料を採取し、酸素濃度を分析した。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の不活性ガス攪拌法を示す取鍋の概略断面
図、第２図は本発明を実施する装置の概略断面図、第３
図は本発明方法の説明用概略断面・図、第４図は本発明
の実施例において使用した装置の概略断面図、第５図は
スラブ表面のアルミナクラスター出現頻度に関する本発
明と従来法との比較図、第６図は処理中のアルミナ系介
在物個数の経時変化に関する本発明と従来法との比較図
、第７図は耐火物円筒の溶鋼中への浸漬深さと酸素濃度
との関係を示す図である。 １・・・・・・取鍋、５・・・・・・溶鋼、６・・・・
・・耐火物円筒、７・・・・・・スラグ層、８・・・・
・・管、１０・・・・・・外側鋼板、１１・・・・・・
高圧ガス配管、１２・・・・・・低圧ガス配管、１４・
・・・・・高圧ガス流量制御弁、１５・・・・・・低圧
ガス流量制御弁、１６・・・・・・高圧ガス用電磁弁、
１７・・・・・・低圧ガス用電磁弁、１８・・・・・・
圧力制御コントローラ、１９・・・・・・圧力検出器、
２０・・・・・・合金材添加用ホッパー、２１・・・・
・・ゲート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶鋼を保持した容器内に円筒下端が容器内溶鋼表面
   より少なくとも１００ｍｍ以上下方に位置するよう円筒
   を溶鋼中に浸漬し、円筒内のガス圧力を変動させ、前記
   円筒の内側にある溶鋼に添加物を添加し、前記ガス圧力
   変動により容器内溶鋼を円筒内に流入、流出させて攪拌
   することを特徴とする溶鋼の二次精錬方法。