JP2005350718A - 含窒素鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 含窒素鋼を溶製するにあたって、Ｎ含有量のみならずＳ含有量も所定の範囲に精度良く調整して、含窒素鋼を安定して溶製する方法を提供する。
【解決手段】 転炉で溶鋼の脱炭処理を行なうとともに窒素を添加し、次いで真空脱ガス処理を行なう含窒素鋼の溶製方法において、転炉から出鋼した溶鋼のＮ含有量［Ｎ］（質量％）を測定し、［Ｎ］が目標範囲の上限値［Ｎ_max ］（質量％）を超える場合は脱［Ｎ］時間Ｔ₁ が経過した後に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入し、［Ｎ］が目標範囲内を満足する場合は真空脱ガス処理の環流開始と同時に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入し、［Ｎ］が目標範囲の下限値［Ｎ_min ］（質量％）未満の場合は吸［Ｎ］時間Ｔ₂ が経過した後に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼材の機械的性質を向上するためにＮを添加した鋼（以下、含窒素鋼という）を溶製するにあたって、Ｓ含有量を所定の範囲に精度良く調整して、含窒素鋼を安定して溶製する方法に関するものである。

一般に鋼の溶製工程では、Ｎは、溶鋼に不可避的に混入する不純物として可能な限り除去するための処理が施される。

しかし、靭性等の機械的性質を向上して特定の用途に用いる鋼材は、溶製工程でＮを添加する処理が施される。このような含窒素鋼は、転炉で脱炭処理を行ないながら溶鋼に窒素を添加し、次いで真空脱ガス処理を行なうことによって溶製される。

含窒素鋼を溶製するにあたって、まず転炉で溶鋼に酸素を供給して脱炭処理（いわゆる１次精錬）を行なう。使用する転炉は、酸素の供給方法に応じて下記の (a)〜(c) の３種類に大別される。
(a) 上吹き転炉：転炉内の溶鋼にランスを介して上方から酸素ガスを吹付ける。
(b) 底吹き転炉：転炉の底部に設けた底吹き羽口を介して下方から溶鋼に酸素ガスを供給する。
(c) 上底吹き転炉：転炉内の溶鋼にランスおよび底吹き羽口を介して上下両方から酸素を供給する。

なお (a)上吹き転炉と (c)上底吹き転炉で使用するランスを、後述する真空脱ガス処理のランスと区別するために、以下では転炉ランスと記す。

脱炭処理は、溶鋼中のＣと転炉ランスや底吹き羽口を介して供給されたＯとを反応させてＣＯあるいはＣＯ₂ として排出するものである。脱炭処理を行ないながら溶鋼に窒素を添加するために、転炉ランスや底吹き羽口を介してＯのみならずＮを溶鋼に供給する。

転炉で脱炭処理とＮ添加を終了した後、溶鋼の真空脱ガス処理を行なう。真空脱ガス処理は、溶鋼中のガス成分を除去する技術であり、溶鋼を真空槽内へ吸上，排出を繰り返すＤＨ法と溶鋼を取鍋と真空槽との間で連続的に循環して処理するＲＨ法に大別される。ただし含窒素鋼の溶製では、溶鋼にＮを容易に添加できるＲＨ法が広く採用されている。ここでは真空脱ガス処理の例としてＲＨ法について説明する。

図１は、ＲＨ法で真空脱ガス処理を行なう際の溶鋼と真空槽の配置の例を模式的に示す断面図である。

ＲＨ法で使用する真空槽３の下部には、２本の浸漬管が配設されており、その上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bを取鍋１内の溶鋼２に浸漬する。次いで、真空槽３の上部に設けられる排気ダクト４から真空槽３内のガスを吸引して、真空槽３内を減圧する。

真空槽３内が減圧されることによって、取鍋１内の溶鋼２が真空槽３内に吸い上げられる。上昇浸漬管5aには環流ガス６の吹込みノズルが設けられており、上昇浸漬管5a内の溶鋼２に環流ガス６が吹込まれる。環流ガス６は気泡となって溶鋼２内を浮上する。その結果、上昇浸漬管5a内の溶鋼２の比重が相対的に減少し、下降浸漬管5b内の溶鋼２の比重は上昇浸漬管5a側に比べて大きくなる。

溶鋼２に比重差を付与することによって、取鍋１内の溶鋼２が上昇浸漬管5aを通って真空槽３内に上昇し、さらに真空槽３内の溶鋼２は下降浸漬管5bを通って取鍋１に下降する。このようにして溶鋼２が取鍋１から真空槽３を経て再び取鍋１へ環流する間に、真空槽３内で溶鋼２の真空脱ガス処理を行なう。

ＲＨ法で溶鋼２の真空脱ガス処理を行なうとともに窒素を添加する場合は、環流ガス６に窒素を混合する。あるいは図１に示すように、ランス７を介して上方から窒素ガス８を吹付ける。真空脱ガス処理で使用するランスを、転炉ランスと区別するために、以下では真空槽ランスと記す。

また、窒素を混合した環流ガス６と真空槽ランス７からの窒素ガス８とを併用することも可能である。

このようにして含窒素鋼を溶製することができる。しかし、この技術では、Ｓのような界面活性元素を添加する必要のある鋼については含窒素鋼中のＳ含有量を所定の範囲に調整した上で含窒素鋼を溶製するのは困難であった。

さらに、脱炭処理と真空脱ガス処理を組合わせた含窒素鋼の溶製技術は、上記した技術の他に種々検討されている。

たとえば特許文献１には、転炉で脱炭処理を施し、さらに窒素ガスを吹込んだ後、真空槽で真空脱ガス処理を行なう技術が開示されている。特許文献２には、転炉で脱炭処理を施した後、真空槽でＮ含有量を目標範囲の下限値以下まで低減し、さらに窒素含有合金を添加する技術が開示されている。特許文献3には、転炉で脱炭処理を施した後、真空槽で還流ガスとして窒素ガスを用いて真空脱ガス処理を行なう技術が開示されている。特許文献４には、転炉で脱炭処理を施した後、真空槽で真空脱ガス処理を行ないながら窒素ガスを吹込む技術が開示されている。

これらの技術は、いずれも含窒素鋼中のＳ含有量を所定の範囲に調整した上で含窒素鋼を溶製するのは困難であった。
特開2002-12908号公報 特開平7-242927号公報 特開平2-225615号公報 特開昭61-264122 号公報

本発明は上記のような問題を解消し、含窒素鋼を溶製するにあたって、Ｎ含有量のみならずＳ含有量も所定の範囲に精度良く調整して、含窒素鋼を安定して溶製する方法を提供することを目的とする。

本発明は、転炉で溶鋼の脱炭処理を行なうとともに窒素を添加し、次いで真空脱ガス処理を行なう含窒素鋼の溶製方法において、転炉から出鋼した溶鋼のＮ含有量［Ｎ］（質量％）を測定し、［Ｎ］が目標範囲の上限値［Ｎ_max ］（質量％）を超える場合は、下記の (1)式および (2)式から脱［Ｎ］時間Ｔ₁ （分）を算出して、真空脱ガス処理の開始からＴ₁ が経過した後に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入し、［Ｎ］が目標範囲内を満足する場合は、真空脱ガス処理の環流開始と同時に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入し、［Ｎ］が目標範囲の下限値［Ｎ_min ］（質量％）未満の場合は、下記の (3)式および (4)式から吸［Ｎ］時間Ｔ₂ （分）を算出して、真空脱ガス処理の開始からＴ₂ が経過した後に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入する含窒素鋼の溶製方法である。

Ｔ₁ ＝ΔＮ₁ ／Ｖ_EX ・・・ (1)
ΔＮ₁ ＝［Ｎ］−［Ｎ_max ］ ・・・ (2)
Ｔ₂ ＝ΔＮ₂ ／Ｖ_IN ・・・ (3)
ΔＮ₂ ＝［Ｎ］−［Ｎ_min ］ ・・・ (4)
［Ｎ］ ：脱炭処理終了後のＮ含有量（質量％）
［Ｎ_max ］：真空脱ガス処理終了後の目標範囲の上限値（質量％）
［Ｎ_min ］：真空脱ガス処理終了後の目標範囲の下限値（質量％）
Ｖ_EX ：真空脱ガス処理における脱［Ｎ］速度（質量％／分）
Ｖ_IN ：真空脱ガス処理における吸［Ｎ］速度（質量％／分）
Ｔ₁ ：［Ｎ］が過多である場合の脱［Ｎ］時間（分）
Ｔ₂ ：［Ｎ］が過少である場合の吸［Ｎ］時間（分）
本発明の含窒素鋼の溶製方法では、真空脱ガス処理で環流ガスとしてArを使用することが好ましい。

本発明によれば、Ｓ含有量に関わらずＮ含有量を所定の範囲に精度良く調整して、含窒素鋼を安定して溶製することができる。

本発明を適用して含窒素鋼を溶製するにあたって、転炉で溶鋼に酸素を供給して脱炭処理を行なう。転炉は従来から (a)上吹き転炉， (b)底吹き転炉， (c)上底吹き転炉が知られており、いずれの型式の転炉も使用できる。脱炭処理は一般に１次精錬と呼ばれており、転炉の型式や溶鋼の成分等に応じて、従来から知られている技術を適宜選択して使用する。

転炉で脱炭処理を行なうと同時に、溶鋼にＮを添加する。Ｎの供給は、転炉ランスや底吹き羽口から窒素ガスを供給する方法，あるいはコークスを投入する方法等で行なう。コークスは多孔質であるから、コークスの内部に空気が浸入しており、コークスを溶鋼に投入することによってＮを添加することが可能である。

脱炭処理とＮ添加を終了した後、溶鋼を取鍋に出鋼してＮ含有量を測定する。脱炭処理を行なった後の溶鋼のＮ含有量（質量％）（以下、［Ｎ］という）の測定は、従来から知られている測定技術（たとえば燃焼法等）を使用する。

脱炭処理が終了した後で測定した［Ｎ］と、後述する真空脱ガス処理が終了した後のＮ含有量の目標範囲とを比較し、Ｎ含有量の目標範囲の上限値［Ｎ_max ］（質量％），下限値［Ｎ_min ］（質量％）と［Ｎ］との関係に応じて下記の (A)〜(C) の３種類に分類する。なお、真空脱ガス処理が終了した後のＮ含有量の［Ｎ_max ］，［Ｎ_min ］は、製品の規格で規定されるＮ含有量の許容範囲の上限値，下限値と同一の値を設定しても良いし、あるいは設備の特性や溶鋼の成分に応じて個別に設定しても良い。
(A) ［Ｎ］が［Ｎ_max ］を超える場合 ：［Ｎ_max ］＜［Ｎ］
(B) ［Ｎ］が目標範囲内を満足する場合：［Ｎ_min ］≦［Ｎ］≦［Ｎ_max ］
(C) ［Ｎ］が［Ｎ_min ］未満の場合 ：［Ｎ］＜［Ｎ_min ］
一方、取鍋に出鋼した溶鋼を真空脱ガス設備に搬送して、ＲＨ法で真空脱ガス処理を行なう。真空脱ガス処理は２次精錬と呼ばれており、溶鋼中のガス成分を除去する処理である。本発明では、ガス成分を除去するとともに、Ｎ含有量が所定の目標範囲内を満足するように調整する。溶鋼中のＮ含有量［Ｎ］が目標範囲の上限値［Ｎ_max ］を超える場合はＮを除去し、目標範囲の下限値［Ｎ_min ］に満たない場合はＮを添加する。Ｎの除去は、真空脱ガス処理と同様に行なう。Ｎの添加は、環流ガスとして窒素ガスを用いる方法や真空槽ランスから窒素ガスを吹付ける方法，石灰窒素や窒化マンガンを添加する方法等で行なう。

ただし真空脱ガス処理が終了した後のＮ含有量を所定の目標範囲内に精度良く調整するためには、環流ガスとしてArを使用するのが好ましい。その場合は、真空槽ランスから窒素ガスを吹付ける方法あるいは石灰窒素や窒化マンガンを添加する方法で溶鋼にＮを添加する。

次いで、真空脱ガス処理を行ないながら、溶鋼に硫黄もしくは硫黄を含む合金（たとえばFeＳ合金）を合金添加口から投入する方法が簡便で効果的である。ただしＳを溶鋼に投入する時期は、上記した (A)〜(C) の分類に応じて異なる。
(A) ［Ｎ］が［Ｎ_max ］を超える場合
［Ｎ_max ］＜［Ｎ］の場合は、真空槽内を減圧（すなわち真空脱ガス処理を開始）して脱［Ｎ］時間Ｔ₁ （分）が経過した後、硫黄もしくは硫黄含有合金を投入する。脱［Ｎ］時間Ｔ₁ は下記の (1)式および (2)式から算出される値である。なお (1)式中のＶ_EX値は、予め実験を行なって設定しても良いし、あるいは操業データを解析して設定しても良い。

Ｔ₁ ＝ΔＮ₁ ／Ｖ_EX ・・・ (1)
ΔＮ₁ ＝［Ｎ］−［Ｎ_max ］ ・・・ (2)
［Ｎ］ ：脱炭処理終了後のＮ含有量（質量％）
［Ｎ_max ］：真空脱ガス処理終了後の目標範囲の上限値（質量％）
Ｖ_EX ：真空脱ガス処理における脱［Ｎ］速度（質量％／分）
Ｔ₁ ：［Ｎ］が過多である場合の脱［Ｎ］時間（分）
(B) ［Ｎ］が目標範囲内を満足する場合
［Ｎ_min ］≦［Ｎ］≦［Ｎ_max ］の場合は、真空槽内を減圧し、さらに上昇浸漬管に環流ガスを吹込んで、環流を開始すると同時に硫黄もしくは硫黄含有合金を投入する。
(C) ［Ｎ］が［Ｎ_min ］未満の場合
［Ｎ］＜［Ｎ_min ］の場合は、真空槽内を減圧（すなわち真空脱ガス処理を開始）して吸［Ｎ］時間Ｔ₂ （分）が経過した後、硫黄もしくは硫黄含有合金を投入する。吸［Ｎ］時間Ｔ₂ は下記の (3)式および (4)式から算出される値である。なお (3)式中のＶ_IN値は、予め実験を行なって設定しても良いし、あるいは操業データを解析して設定しても良い。

Ｔ₂ ＝ΔＮ₂ ／Ｖ_IN ・・・ (3)
ΔＮ₂ ＝［Ｎ］−［Ｎ_min ］ ・・・ (4)
［Ｎ］ ：脱炭処理終了後のＮ含有量（質量％）
［Ｎ_min ］：真空脱ガス処理終了後の目標範囲の下限値（質量％）
Ｖ_IN ：真空脱ガス処理における吸［Ｎ］速度（質量％／分）
Ｔ₂ ：［Ｎ］が過少である場合の吸［Ｎ］時間（分）
硫黄もしくは硫黄含有合金の投入量は、 (A)〜(C) のいずれの場合も、真空脱ガス処理後のＳ含有量の目標値に応じて設定する。

上吹き転炉を用いて溶鋼の脱炭処理を行ない、コークスを投入して溶鋼にＮを添加した。次いで、転炉から出鋼した溶鋼（脱炭処理終了後の溶鋼）のＮ含有量（質量％），Ｓ含有量（質量％）を測定した。次いで、図１に示す装置を用いてＲＨ法で真空脱ガス処理を行なった。このようにして含窒素鋼の溶製を８チャージ行なった。真空脱ガス処理では、環流ガス６として窒素ガス，アルゴンガス，窒素とアルゴンの混合ガスを使用し、環流時間はいずれも25分とした。各チャージの脱炭処理終了後のＮ含有量，Ｓ含有量および環流ガス６の種類は表１に示す通りである。表１中では、真空脱ガス処理を簡略化して脱ガスと記す。

また、真空脱ガス処理でＳを投入する時期も表１に示す。なお鋼中［Ｓ］の調整は、FeＳ合金を合金投入口から添加する方法で行なった。

Ｓを投入する時期は、表１に示すように、脱炭処理終了後のＮ含有量［Ｎ］とその真空脱ガス終了後の目標範囲との関係に応じて (A)〜(C) の３種類に分けて設定した。すなわち、
(A) ［Ｎ_max ］＜［Ｎ］の場合は脱［Ｎ］時間Ｔ₁ （分）を算出し、真空脱ガス処理の開始からＴ₁ が経過した後、FeＳ合金を投入した。
(B) ［Ｎ_min ］≦［Ｎ］≦［Ｎ_max ］の場合は環流開始と同時にFeＳ合金を投入した。
(C) ［Ｎ］＜［Ｎ_min ］の場合は吸［Ｎ］時間Ｔ₂ （分）を算出し、真空脱ガス処理の開始からＴ₂ が経過した後、FeＳ合金を投入した。

なお (A)における［Ｎ_max ］および (C)における［Ｎ_min ］は、製品の規格で機械される許容範囲の上限値および下限値とした。

また、Ｔ₁ ，Ｔ₂ の算出に必要なＶ_EX ,Ｖ_INは，図２のデータを使用した。すなわち図２は、操業データを解析して求めた脱炭処理終了後のＳ含有量とＶ_EX,Ｖ_INとの関係を示すグラフであり、Ｓ含有量の測定値からＶ_EX ,Ｖ_INを読み取ることができる。このようにして (A)，(C) で算出したＴ₁ ，Ｔ₂ は表１に示す通りである。これを発明例とする。

一方、比較例として、上吹き転炉を用いて溶鋼の脱炭処理を行ない、コークスを投入して溶鋼にＮを添加した。次いで、転炉から出鋼した溶鋼（脱炭処理終了後の溶鋼）のＮ含有量（質量％），Ｓ含有量（質量％）を測定した。次いで、図１に示す装置を用いてＲＨ法で真空脱ガス処理を行なった。このようにして含窒素鋼の溶製を５チャージ行なった。真空脱ガス処理では、環流ガス６として窒素ガス，アルゴンガスを使用し、環流時間はいずれも25分とした。各チャージの脱炭処理終了後のＮ含有量，Ｓ含有量および環流ガス６の種類は表１に示す通りである。鋼中［Ｓ］の調整は、いずれも環流開始と同時にFeＳ合金の粉末を合金投入口から添加する方法で行なった。

真空脱ガス処理が終了した後、各チャージの溶鋼のＮ含有量を測定した。その結果は表１に示す通りである。発明例では、真空脱ガス処理終了後のＮ含有量が76〜96質量ppm であったが、比較例では71〜99質量ppm であった。つまり発明例の方が、真空脱ガス処理終了後のＮ含有量のばらつきが小さかった。

ＲＨ法の溶鋼と真空槽の配置の例を模式的に示す断面図である。 脱炭処理終了後のＳ含有量とＶ_EX ,Ｖ_INとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 取鍋
２ 溶鋼
３ 真空槽
４ 排気ダクト
5a 上昇浸漬管
5b 下降浸漬管
６ 環流ガス
７ 真空槽ランス
８ 窒素ガス

Claims (2)

1. 転炉で溶鋼の脱炭処理を行なうとともに窒素を添加し、次いで真空脱ガス処理を行なう含窒素鋼の溶製方法において、前記転炉から出鋼した溶鋼のＮ含有量［Ｎ］（質量％）を測定し、［Ｎ］が目標範囲の上限値［Ｎ_max ］（質量％）を超える場合は、下記の (1)式および (2)式から脱［Ｎ］時間Ｔ₁ （分）を算出して、前記真空脱ガス処理の開始からＴ₁ が経過した後に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入し、［Ｎ］が目標範囲内を満足する場合は、前記真空脱ガス処理の環流開始と同時に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入し、［Ｎ］が目標範囲の下限値［Ｎ_min ］（質量％）未満の場合は、下記の (3)式および (4)式から吸［Ｎ］時間Ｔ₂ （分）を算出して、前記真空脱ガス処理の開始からＴ₂ が経過した後に硫黄もしくは硫黄を含む合金を投入することを特徴とする含窒素鋼の溶製方法。
   Ｔ₁ ＝ΔＮ₁ ／Ｖ_EX ・・・ (1)
   ΔＮ₁ ＝［Ｎ］−［Ｎ_max ］ ・・・ (2)
   Ｔ₂ ＝ΔＮ₂ ／Ｖ_IN ・・・ (3)
   ΔＮ₂ ＝［Ｎ］−［Ｎ_min ］ ・・・ (4)
   ［Ｎ］ ：脱炭処理終了後のＮ含有量（質量％）
   ［Ｎ_max ］：真空脱ガス処理終了後の目標範囲の上限値（質量％）
   ［Ｎ_min ］：真空脱ガス処理終了後の目標範囲の下限値（質量％）
   Ｖ_EX ：真空脱ガス処理における脱［Ｎ］速度（質量％／分）
   Ｖ_IN ：真空脱ガス処理における吸［Ｎ］速度（質量％／分）
   Ｔ₁ ：［Ｎ］が過多である場合の脱［Ｎ］時間（分）
   Ｔ₂ ：［Ｎ］が過少である場合の吸［Ｎ］時間（分）
2. 前記真空脱ガス処理で環流ガスとしてArを使用することを特徴とする請求項１に記載の含窒素鋼の溶製方法。

Images