JP2009102706A

JP2009102706A - 高窒素鋼の溶製方法

Info

Publication number: JP2009102706A
Application number: JP2007276542A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sakai; 浩一堺; Tomohide Maikin; 朋英埋金
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-10-24
Also published as: JP5003409B2

Abstract

【課題】酸素により脱炭吹錬を実施する際、上吹きランスから窒素ガスを吹きつけることにより、溶鋼の窒素濃度を上昇させる方法において、高窒素鋼を安価・安定に溶製することを実現する窒素含有鋼の溶製方法を提供する。
【解決手段】酸素および窒素を含むガスに含まれる窒素供給量の酸素および窒素の供給量の総和に対する比率である窒素混合比の変更点を、全吹錬時間に対する吹錬経過時間の比率である吹錬経過時間率が６０〜８０％の範囲であることを条件として高め、該変更点以降は、前記窒素混合比の平均値を７％以下とし、該変更点より前は、前記窒素混合比の平均値を、前記変更点以降の窒素混合比の平均値の５０％以上とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、上吹き、または上底吹き転炉に代表される精錬容器中に装入された溶鋼に、上方からランスを介して、酸素または酸素含有ガスを吹きつけて吹錬を行う、精錬工程における高窒素鋼の溶製方法に関する。ここで「高窒素鋼」とは、製品値で［Ｃ］＝０．０２〜０．６０％、かつ［Ｎ］=５０〜１５０ｐｐｍを満たす窒素添加鋼を表す。

この高窒素鋼の溶製方法の一つである、転炉での吹錬中に窒素ガスを供給する方法は、他の方法に比べて大量の窒素を含有させることが可能であり、以下の方法が主流であった。

（１）窒素含有合金鉄、媒溶材の添加
この方法は、窒素の添加歩留が比較的安定しており、鋼中窒素濃度を調整し易いという利点がある。しかし、原材料コストが高いという欠点があり、高窒素含有鋼の溶製には不向きであった。

（２）精錬容器の上方からランスを介して、窒素ガス吹きつけ
この方法は、窒素コストが低いという利点がある。そのため、添加歩留が低く、かつ不安定という欠点はあるものの、その欠点を克服すべく、転炉吹錬中であれば大量の窒素ガスの供給が可能という特長を利用して、従来から幾つかの技術開発が行われてきた。例えば、特許文献１には、転炉での吹錬の後半で、上吹きランスから、酸素と同時に窒素ガスを吹きつけることにより、吹錬後の窒素濃度を上昇させる方法が開示されている。この方法では吹錬の終盤に大流量（３Nm³/t以上）で窒素ガスを吹きつけるため、窒素歩留｛（吹錬終点の溶鋼中窒素含有量−主原料中の窒素含有量）／吹錬中の溶鋼への窒素供給量｝×１００(%)｝の低下、単位時間あたりの酸素供給速度の低下による吹錬時間の延長という問題点があった。

（３）炉底に配置された羽口からの窒素ガス吹き込み
特許文献２あるいは特許文献３には、溶銑中の窒素濃度を推定し、上底吹き転炉の底吹き羽口より窒素ガスを吹きこむことにより、溶鋼の窒素濃度をコントロールする方法が開示されている。この方法では、底吹きガスの流量は本来、目的とする精錬特性を得るために設定されるものであるため、高窒素鋼を溶製するには流量が足りない場合もありうる。また、流量を増加させると耐火物の損傷が大きくなるなどの問題点があった。
特開昭５３−１２８５２０号公報特開昭５８−１６７７０８号公報特開平６−２３５０１３号公報

本発明は、上吹き転炉または上底吹き転炉を用いて脱炭吹錬を実施する際に、上吹きランスから窒素ガスを吹きつけることで溶鋼の窒素濃度を上昇させる方法において、上記の窒素歩留の低下および吹錬時間の延長という問題の発生を回避して、高窒素鋼を安価・安定に溶製することを実現する窒素含有鋼の溶製方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上吹きランスから酸素とともに窒素ガスを吹きつけて、溶鋼中の窒素濃度を高めるにあたって、上吹き条件、具体的には溶鋼中の炭素濃度に応じて窒素混合比を変更することで精錬後の溶鋼中の窒素濃度を調整するという着想を得た。そこで、その着想に基づいて鋭意研究した結果、上吹きまたは上底吹き転炉にて脱炭吹錬を行うに際して、吹錬初期から酸素と窒素とを混合させたガスを供給し、さらに溶鋼中の炭素濃度の低下に応じて窒素混合比を高めることにより、溶鋼の窒素濃度を効率的に制御することが可能であるとの知見を得た。

上記の知見に基づき、完成された発明は次のとおりである。
（１）転炉に溶銑を装入し上方からランスを介して酸素および窒素を含むガスを吹きつけて吹錬を行う、精錬工程における高窒素鋼の溶製方法であって、前記酸素および窒素を含むガスに含まれる窒素供給量の酸素および窒素の供給量の総和に対する比率である窒素混合比を、全吹錬時間に対する吹錬経過時間の比率である吹錬経過時間率が６０〜８０％の範囲であることを条件として高め、該窒素混合比を高める変更点以降は、前記窒素混合比の平均値を７％以下とし、該変更点より前は、前記窒素混合比の平均値を、前記変更点以降の窒素混合比の平均値の５０％以上とすることを特徴とする高窒素鋼の溶製方法。

ここで、「窒素混合比」とは、上吹きランスから吹き込まれる酸素および窒素を含むガスに含まれる窒素供給量の、酸素および窒素の供給量の総和に対する比率をいい、「吹錬経過時間率」とは、吹錬開始からの経過時間の、全吹錬時間に対する比率をいう。

本発明によれば、上吹きでありながら窒素歩留の低下や吹錬時間の延長が抑制され、鋼炭素鋼を安価・安定に溶製することができる。

以下、本発明の溶製方法を実施するための最良の形態について説明する。なお、以下の説明における溶鋼中の炭素濃度および窒素濃度における「％」は質量％である。
１．転炉構造
本実施の形態に係る高窒素鋼の溶製方法では、図1に概念的に示されるような、上吹きランス１から酸素と窒素とを含むガスを溶鋼２に供給する上吹きまたは上底吹き転炉３を用いる。供給される酸素ガスと窒素ガスとは、ランス内で混合されて溶鋼に吹きつけられることが好ましい。

２．窒素混合比を一定値とした場合の溶鋼中の窒素濃度
上記の転炉を用い、吹錬経過時間率によらず、窒素混合比を所定の値で一定にしてガスを供給すると、窒素混合比と吹錬後の溶鋼中の窒素濃度との間には正の相関が得られる。したがって、窒素混合比を制御することによって、溶鋼中の窒素濃度を再現性よく調整することが実現される。

ここで、本実施の形態に係る高窒素鋼の溶製方法では、窒素混合比の上限を７％とする。窒素混合比を７％よりも高くすると、脱炭不良による吹錬時間の延長、および火点（酸素ガスと溶鋼の接点）温度の低下によって滓化（スラグの溶融）が悪くなることに起因する脱りん不良が懸念される。

３．窒素濃度比切替タイミングを設けた場合の溶鋼中の窒素濃度
次に、窒素混合比に変更点を設けた場合の溶鋼中の窒素濃度について説明する。本実施の形態に係る窒素含有鋼の溶製方法では、溶鋼中の炭素濃度低下に応じて、上吹きランスから供給するガスの窒素混合比を高めることで溶鋼中の窒素濃度を調整する。なお、本明細書では、この窒素の混合比を変更するタイミングを窒素濃度比切替タイミングという。

一般的に、吹錬初期〜中期にかけては脱炭反応が盛んであるから、脱炭反応によって発生するＣＯガスとともに脱窒反応が進行する。このため、吹錬初期〜中期において過剰な窒素吹きつけを行っても、溶鋼中の窒素濃度はその吹きつけ量の割には高くならず、結果的に窒素歩留は低下する。

しかしながら、吹錬初期〜中期において窒素吹きつけを行わず、吹錬末期の窒素吹きつけだけを行っても、必要とするＮ濃度を得ることは困難である。末期のみでＮ濃度を高めようとすると、大流量の窒素吹きつけが必要となって窒素歩留の低下が懸念され、そのような場合には鋼中の窒素濃度のバラツキが大きくなる。また、スピッティング発生の増加抑制のために酸素流量を下げる必要が生じ、吹錬時間の延長に繋がる。

そこで、吹錬初期〜中期においては窒素濃度比を低くした状態で窒素を供給し、所定のタイミングで窒素濃度比を高めることで、窒素歩留を低下させず、かつ、吹錬時間を延長させずに所要の鋼中窒素濃度を得ることが実現される。

この窒素濃度比切替タイミングは、吹錬経過時間率（吹錬開始からの経過時間の全吹錬時間に対する比率）として、６０〜８０％の範囲とすればよい。６０％未満の場合には、吹錬時間中の窒素吹きつけ総量が多くなり、窒素歩留が低くなってしまう。一方、８０％を超えると、溶鋼中の窒素濃度を所定のレベル（例えば５０ｐｐｍ以上）に高めることが困難となったり、大流量の窒素吹き込みが必要になってスピッティング発生の増加や吹錬時間の延長をもたらしたりする。

４．窒素濃度比切替タイミングまでの窒素混合比
窒素濃度比切替タイミングまでの窒素混合比は、低ければ低いほど窒素歩留の向上に資するため有利であるが、その窒素混合比が過剰に低い場合には、窒素濃度比切替タイミング以降に所定の窒素混合比まで高めても、溶鋼中の窒素濃度を所定のレベルに高めることができない。したがって、窒素濃度比切替タイミングまでの窒素混合比は、その後の吹錬末期の窒素混合比の５０％以上とする。窒素歩留を経済的に向上させるとの観点からは、５０〜９０％とすることが好ましい。ただし、安定して高目の窒素濃度を得たい場合、５０〜９０％の範囲内であっても高目を選択する方が適切である。

５．その他
上記の説明では、窒素濃度比切替タイミングを１点のみ設けた場合について説明したが、窒素濃度比切替タイミングは複数設定されていてもよいし、特別な窒素濃度比切替タイミングを設けるのではなく、例えば溶鋼中の炭素濃度に対して負の相関を有するように窒素混合比を連続的に変化させてもよい。

また、本実施形態に係る溶製方法は、溶銑中の炭素濃度や、吹錬終了後の溶鋼中の炭素濃度に依存しない。例えば、転炉吹き止め炭素濃度[Ｃ]＝０．１８〜０．５０％で溶鋼中窒素濃度[Ｎ]＝±９ｐｐｍ、[Ｃ]≦０．１７％で[Ｎ]＝±１４ｐｐｍ程度であり、吹錬終了時点での転炉内溶鋼中窒素の目標濃度を、３０〜８０ppmの任意の値に調整することが可能である。本発明の目的である「［Ｎ］＝５０〜１５０ppmの高窒素鋼製品」を得るためには、本発明法により転炉終点での［Ｎ］を５０〜８０ppmに調整した後、製品の窒素濃度規格に応じて、転炉出鋼時やＲＨ精錬時や連続鋳造中に溶鋼中に窒素ガスを吹き込んだり窒化物を添加したりする従来法を、適宜追加実施すれば良い。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
（参考例１）
図１に示されるような転炉を用いて、上吹きランスから酸素と窒素の混合ガスを溶銑に吹きつけて脱炭吹錬を実施するにあたって、窒素混合比を吹錬経過時間率によらず固定して、吹錬後の溶鋼中の窒素濃度を測定した。なお、吹錬に供した主原料は、１チャージあたり溶銑６４ｔ、スクラップ６ｔであり、吹錬前における溶銑中の主要元素の組成はＣ：４．４〜４．８％、Ｓｉ：０．２５〜０．４５％、Ｍｎ：０．２５〜０．４５％、Ｐ：０．０６０〜０．０８０％、Ｓ：０．００５〜０．０２５％であった。この溶鋼への酸素の吹込流量は２００Ｎｍ^３／分に固定して、吹き止め炭素濃度の目標値は０．０４〜０．３５％とした。また、吹錬後における溶鋼中の主要元素の組成はＣ：０．０３〜０．２８％、Ｓｉ：０．０１〜０．０３％、Ｍｎ：０．１８〜０．２５％、Ｐ：０．０１０〜０．０２２％、Ｓ：０．００５〜０．０２５％、Ｎ：２５〜９８ｐｐｍであった。吹錬時間は、窒素混合比に関係なく、１８．９〜２１．３分であった。

吹錬を実施した後の溶鋼中の窒素濃度の結果を表1および図２に示す。窒素混合比が大きくなるにつれて、吹錬後の溶鋼中の窒素濃度も上昇することを確認した。また、いずれの場合も脱りん不良は認められなかった。

（実施例１）
参考例１の鋼組成を有する溶鋼について、窒素濃度比切替タイミングを変更してパターン毎に吹錬を数チャージ行い、これらの溶鋼中の窒素濃度を吹錬終了時点で測定した。

窒素混合比の変更方法は次のように設定した。いずれの場合においても、表１の『パターン１』をベースにして、窒素混合比を５．８％から６．７％へと上昇させることとし、窒素濃度比切替タイミングを３０％から９０％まで変更させた。吹き止め炭素濃度の目標値は参考例１と同じであり、吹錬時間は、参考例１の場合と同様に、いずれのパターンでも１８．９〜２１．３分であった。

その結果を表２、図３および図４に示す。切替えタイミングが吹錬経過時間率＝０％の場合がベースの『パターン１』である。

パターン８からパターン１４まで、窒素混合比を下げた時間を増やしていくと、その切替タイミングの遅れに比例して窒素使用量は減少する。本願発明実施の目的である「吹錬終了時の溶鋼中［Ｎ］がその目標値に達していること」を前提として、窒素使用量が少なくなれば窒素歩留は高くなったことになる。

表２、図３に示すように、切替タイミングを遅らせて行っても、それが吹錬経過時間率で８０％まで（パターン１およびパターン８〜１３）は、吹錬後［Ｎ］は平均値で８１〜８５ｐｐｍの範囲であり、そのバラツキも特に変化は無かった。しかし、切替タイミンングが吹錬経過時間率で９０％になると（パターン１４）、吹錬後［Ｎ］は平均値で７３ｐｐｍまで低下した。

図４には、パターン１での窒素使用量と各パターンにおける窒素使用量との比である相対的窒素歩留（％）、およびパターン１での終点［Ｎ］と各パターンにおける終点［Ｎ］との比である［Ｎ］レベル（％）を、切替タイミングを横軸として併せて示す。

この図から、相対的窒素歩留は切替タイミングが遅いほど向上するが、それが吹錬経過時間率で９０％では充分に窒素が上昇しないため吹錬後の［Ｎ］レベルが低下してしまうことが明らかになった。これは、本願発明の目的に即して、この切替タイミングは吹錬経過時間率で８０％以下とする必要があり、歩留向上効果を勘案して６０％以上とすることが適当であることを示している。

（実施例２）
次に、実施例１と同じ組成の溶鋼について、窒素混合比を高める切替タイミングは吹錬経過時間率＝８０％に固定して、吹錬初期の窒素混合比を５．８％から１．７％まで低下させた場合における、吹錬後の溶鋼中の窒素濃度を測定した結果を表３および図５に示す。吹き止め炭素濃度の目標値およびサンプリング方法は実施例１と同じである。

吹錬経過時間率＝８０％までの窒素混合比が吹錬末期の窒素混合比の約５０％以上の場合（パターン１５〜１８）には、溶鋼中の窒素濃度は、パターン１、すなわち吹錬開始当初から窒素混合比を６．７％とした場合とほぼ同等の結果となった。一方、吹錬初期の窒素混合比が５０％未満の場合（パターン１８〜２０）には、吹錬経過時間率＝８０％となったタイミングで窒素混合比を高めても、吹錬後の溶鋼中の窒素濃度が低下し、ばらつきも大きくなる結果となった。但し、６０％以上とした方が、終点［Ｎ］の低下を回避する上では、確実性が増し好ましいと考えられる。

ここで、ばらつきに関し具体的数値を示せば、パターン１５における吹錬後の溶鋼中の窒素濃度の標準ばらつきσは１３．１ｐｐｍであったが、パターン２１においては、σ＝２２．８ｐｐｍであった。このように、脱炭が進行した吹錬の末期に至る前も、ある程度の窒素吹き込みを行うことで、吹錬後の溶鋼の窒素濃度を充分に高め、しかも濃度ばらつきを抑えることが可能であることが確認された。

本実施の形態に係る転炉の概要を示す図である。窒素混合比と溶鋼中の窒素濃度との関係を示すグラフである。窒素混合比変更タイミングと窒素濃度との関係を示すグラフである。窒素歩留およびＮレベルと窒素濃度比切替タイミングとの関係を示すグラフである。吹錬初期の窒素混合比と窒素濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１上吹きランス
２溶鋼
３転炉

Claims

転炉に溶銑を装入し上方からランスを介して酸素および窒素を含むガスを吹きつけて吹錬を行う、精錬工程における高窒素鋼の溶製方法であって、
前記酸素および窒素を含むガスに含まれる窒素供給量の酸素および窒素の供給量の総和に対する比率である窒素混合比を、全吹錬時間に対する吹錬経過時間の比率である吹錬経過時間率が６０〜８０％の範囲であることを条件として高め、該窒素混合比を高める変更点以降は、前記窒素混合比の平均値を７％以下とし、
該変更点より前は、前記窒素混合比の平均値を、前記変更点以降の窒素混合比の平均値の５０％以上とすることを特徴とする高窒素鋼の溶製方法。