JP2018003145A

JP2018003145A - 取鍋用ガス吹付け装置、及び、低窒素鋼の製造方法

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Publication number: JP2018003145A
Application number: JP2016136353A
Authority: JP
Inventors: 敦岡山; Atsushi Okayama
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: JP6645370B2

Abstract

【課題】取鍋への出鋼時における大気からの窒素吸収を抑制することが可能な取鍋用ガス吹付け装置、及び、この取鍋用ガス吹付け装置を用いた低窒素鋼の製造方法を提供する。【解決手段】出鋼された溶鋼を受ける取鍋２０の上方に設けられた取鍋用ガス吹付け装置１０であって、非窒素ガスを吹き出すランス１２と、このランス１２の先端に設けられたラバールノズル１３と、ラバールノズル１３の先端位置を調整するノズル位置調整手段１５と、を有し、ノズル位置調整手段１５は、取鍋２０に向けて前記溶鋼が出鋼された際に、出鋼流２と取鍋２０内に貯留された溶鋼の湯面との衝突領域である滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるように、ラバールノズル１３の先端位置を調整可能とされていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、溶鋼を取鍋に出鋼する際において、溶鋼への窒素の吸収を抑制するための取鍋用ガス吹付け装置、及び、この取鍋用ガス吹付け装置を用いた低窒素鋼の製造方法に関する。

近年、鋼材に要求される材質特性が高度化しており、鋼材の靭性をはじめとする特性値の向上が求められている。鋼材に窒素が含まれていると鋼材特性が低下する場合があるため、意図的に窒素を添加する場合を除き、可能な限り鋼材中から排除することが求められている。
また、鋼材中から窒素を排除することが困難な場合には、ＴｉやＮｂといった合金元素を添加して窒素を窒化物として固定することも行われている。しかしながら、合金元素を添加するため、製造コストの上昇を招くといった問題があった。さらに、粗大な窒化物を形成する場合や添加した合金自体が鋼材特性に影響を及ぼすおそれもあった。
よって、ＴｉやＮｂといった合金元素を用いることなく窒素の影響を抑制するために、鋼中の窒素濃度の低減は大きな課題である。

通常、高炉−転炉法では、高炉で製造された炭素濃度４〜５％（質量比、以下、本明細書中において特に説明がないかぎり、濃度はすべて質量比である。）の溶銑を転炉で脱炭する。転炉では、大量の酸素を溶銑に吹き付けることで、溶銑中の炭素を２Ｃ＋Ｏ_２＝２ＣＯの反応で除去する。この反応が生じると、転炉内には大量のＣＯガスが生じるとともに、溶銑を撹拌するために、転炉底部から吹き込んでいる不活性ガスによる効果もあって、転炉吹錬終了時の窒素濃度は１０ｐｐｍ程度まで低下する。しかしながら、次工程に搬送するために転炉から取鍋に溶鋼を出鋼する際、溶鋼が大気と接触することで、溶鋼中の窒素濃度は上昇してしまう。

取鍋に出鋼された溶鋼は、多くの場合、次工程で真空脱ガス装置を使って減圧処理される。しかしながら、この時の脱窒反応速度が遅いため、脱窒量はわずかである。また、処理中も完全に大気からの空気リークを遮断することは困難であり、真空処理中は脱窒と吸窒が同時に生じ、結果として真空処理後に鋼中窒素濃度が上昇する場合もある。真空脱ガス装置での脱窒反応速度を改善する試みも多数行われているが、処理時間制約もあり、真空脱ガス装置だけを使って低窒素鋼を経済的、安定的に製造するには至っていない。

このため、低窒素鋼を経済的、安定的に製造するには、転炉で１０ｐｐｍ程度まで低減した溶鋼を、吸窒させることなく取鍋に出鋼し、真空脱ガス装置では吸窒を抑制した状態を維持し、次工程である連続鋳造に移るのが理想である。
このような問題を解決すべく、以下に示すように、出鋼時の吸窒を抑制する手法が提案されている。

例えば、特許文献１では、低窒素化が難しいステンレス鋼を対象として、出鋼前から少なくとも出鋼完了までの間、取鍋内から取鍋外に向けて０．１３×Ｖ（取鍋の内容積）（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）以上の流量のＣＯ_２ガス流を間断無く流出するに十分な量のＣＯ_２ガス発生性物質を取鍋内に存続させるか供給し続けることを特徴とする技術が提案されている。
特許文献２では、出鋼中に溶鋼を空気から遮断するためのガスとして３〜２０容量％の酸素ガスを混合したアルゴンガスを用いることを特徴とする技術が提案されている。

特許文献３では、転炉で脱窒された含Ｃｒ低窒素溶鋼を不活性ガスでシールしながら出鋼する技術が提案されている。
特許文献４では、出鋼流を傾斜させた取鍋の壁に沿わせて取鍋に受鋼するとともに、転炉等の製鋼炉の出鋼口に不活性ガスを供給して出鋼流に不活性ガスを混入させることを特徴とする技術が提案されている。

特許文献５では、精錬炉の出鋼口の周囲に窒素ガスを含まないガスを噴出するガス噴出機を設けておき、精錬炉の出鋼する含Ｃｒ溶鋼を、ガス噴出機から噴出されたガスによってシールドすることを特徴とする技術が提案されている。
特許文献６では、上記と同様ステンレス鋼を対象として、脱炭炉から取鍋へ出鋼する際、出鋼流の下端付近に向けて、ステンレス溶鋼の出鋼前から出鋼完了までの間、純酸素ガスまたは窒素を含まず、酸素を２０体積％以上含むガスを供給し、取鍋内へ供給されるガスの流量Ｖ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）が、取鍋内容積Ｔ（ｍ^３）に対してＶ＞Ｔとなるように前記ガスを吹き付ける技術が提案されている。

特開平０８−０４１５２５号公報特開平０６−０２５７３０号公報特開昭６０−０２６６１１号公報特開昭６１−１６６９１１号公報特開２０１０−１３８４４６号公報特開２０１２−２０７２７２号公報

長隆郎、岩田勝吉、井上道雄、「転炉出鋼時の溶鋼の酸素および窒素吸収の推算」、鉄と鋼、６９（１９８３）、ｐ．７６７−７７４

しかしながら、上記した技術には問題点がある。吸窒が生じている場所は、上述の非特許文献１に記載されているように、溶鋼が転炉から取鍋内に出鋼される際に、出鋼流と取鍋内に貯留された溶鋼の湯面との衝突領域である滝壺部分であると考えられる。
このことを踏まえると、特許文献１のように、取鍋内全体の雰囲気を非窒素ガスで満たすには多量のガスが必要であり、経済的とは言い難い。
特許文献２のように、取鍋上部付近を通過する溶鋼流にアルゴンを吹き付けたとしても、溶鋼流付近は高熱であり、上昇気流が生じることから、出鋼流に巻き込ませるだけで滝壺近傍の窒素濃度を低減するのは困難である。

特許文献３では、取鍋内をＡｒ置換した取鍋に、Ａｒガスを吹き付けながら出鋼と記載されているものの、具体的にどの程度の流量をどの部分に吹き付けたか不明である。
特許文献４のように、出鋼孔付近から出鋼流に不活性ガスを巻き込ませたとしても、大気からの空気巻き込みで生じる滝壺の気泡中の窒素濃度を効率的に低減することはできない。

特許文献５のように、出鋼孔から非窒素ガスを吹き付けた場合、通常出鋼孔から取鍋内までは３〜５ｍ程度離れているため、非窒素ガスは滝壺に届く前に拡散してしまう。
このため、特許文献６のように、ノズルを用いて滝壺に向けて直接ガスを吹き付ける手法は効率的であると考えられるが、高温の溶鋼が出鋼され、上昇気流が生じている取鍋内において、どのくらいの距離からどの程度の流速で吹き付ければ良いか、この文献には記載されていない。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、取鍋への出鋼時における大気からの窒素吸収を抑制することが可能な取鍋用ガス吹付け装置、及び、この取鍋用ガス吹付け装置を用いた低窒素鋼の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、転炉から溶鋼への出鋼中の吸窒挙動を検討した結果、吸窒が生じているのは、そのほとんどが出鋼流が取鍋内の溶鋼に入り込む滝壺部分であり、この部分の周囲の窒素濃度を低減することで吸窒を抑制できることを見出した。さらに、滝壺周囲の窒素濃度を低減するための手法をさらに検討した結果、ラバールノズルを用いて、一定量以上の非窒素ガスを一定以上の流速で滝壺に近い位置から吹き付けることで、滝壺周囲の窒素濃度を低減でき、出鋼時の吸窒を抑制可能であることが判明した。

この手法を用いることで、シール性の高い蓋といった設備や、大量の非窒素ガスを用いることなく出鋼時の吸窒を抑制でき、低窒素鋼を経済的に安定して溶製することができる。本発明は、出鋼時に取鍋内の溶鋼が出鋼流と接触している滝壺部分に向けて非窒素ガスを吹き付けられるガス吹付け装置を考案するとともに、吸窒を抑制するためにガス吹付け装置が具備すべきノズルの位置調整手段、ノズル形状、非窒素ガスの吹付け方を明確にすることで本発明を完成させた。

本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、本発明に係る取鍋用ガス吹付け装置は、出鋼された溶鋼を受ける取鍋の上方に設けられた取鍋用ガス吹付け装置であって、非窒素ガスを吹き出すランスと、このランスの先端に設けられたラバールノズルと、前記ラバールノズルの先端位置を調整するノズル位置調整手段と、を有し、前記ノズル位置調整手段は、前記取鍋に向けて前記溶鋼が出鋼された際に、出鋼流と前記取鍋内に貯留された溶鋼の湯面との衝突領域である滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるように、前記ラバールノズルの先端位置を調整可能とされていることを特徴としている。

この構成の取鍋用ガス吹付け装置によれば、ラバールノズルを用いているので、十分な流速を確保することができ、取鍋内の上昇気流等に阻害されずに、滝壺に向けて非窒素ガスを吹付けることができる。
そして、出鋼流と前記取鍋内に貯留された溶鋼の湯面との衝突領域である滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるように、前記ラバールノズルの先端位置を調整するノズル位置調整手段を備えているので、滝壺の周囲に非窒素ガスを十分に供給することができ、溶鋼への窒素の吸収を抑制することができる。

本発明に係る低窒素鋼の製造方法は、上述の取鍋用ガス吹付け装置を用いた低窒素鋼の製造方法であって、前記滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるように前記ラバールノズルの先端位置を調整するとともに、前記ラバールノズルの出口におけるガス流速を３５０ｍ／ｓ以上、ガス流量を５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上として、非窒素ガスを前記滝壺に向けて吹き付けることにより、前記溶鋼への窒素の吸収を抑制することを特徴としている。

この構成の低窒素鋼の製造方法によれば、ラバールノズルの先端位置が滝壺から２．０ｍ以内に配置され、さらに、ガス流速が３５０ｍ／ｓ以上と十分に速く、ガス流量が５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上と十分に多いことから、滝壺の周囲に非窒素ガスを十分に供給することができ、溶鋼への窒素の吸収を抑制することができる。

ここで、本発明に係る低窒素鋼の製造方法においては、非窒素ガスとして、ＣＯ_２，Ａｒ，Ｏ_２のうちの一種又は二種以上を用いることが好ましい。
この場合、滝壺の周囲において窒素ガスを十分に除去することができ、溶鋼への窒素の吸収を抑制することができる。

本発明によれば、取鍋への出鋼時における大気からの窒素吸収を抑制することが可能な取鍋用ガス吹付け装置、及び、この取鍋用ガス吹付け装置を用いた低窒素鋼の製造方法を提供することが可能となる。

ノズルからガスを吹き込んだ場合のガス拡散挙動の計算結果を示す図である。本発明の一実施形態である取鍋用ガス吹付け装置を備えた、取鍋への出鋼設備の概略説明図である。（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。取鍋への出鋼開始からの経過時間と吸窒量との関係を示すグラフである。転炉から取鍋への出鋼作業と取鍋用ガス吹付け装置の動作を示す説明図である。実施例におけるノズル出口のガス流速Ｖと吹付けガス流量Ｑとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、添付した図面を用いて具体的に説明する。

窒素濃度の低い低窒素鋼（例えば窒素濃度０．００３５質量％以下）を溶製する場合、高炉あるいは電気炉から搬送された炭素濃度の高い溶鉄を転炉などの精錬炉に装入し、酸素吹錬により所定の炭素濃度まで脱炭して溶鋼にする。酸素吹錬中は、２Ｃ＋Ｏ_２＝２ＣＯの反応が生じることで、転炉内には多量のＣＯガスが発生することから、溶鉄と接している気相中の窒素濃度は著しく低下する。加えて、攪拌により炉底より非窒素ガスを吹き込むことで、溶鉄は強攪拌され、結果として溶鋼から窒素が抜けていく脱窒反応が生じ、転炉処理後の溶鋼中窒素濃度は１０ｐｐｍ程度まで低下する。転炉処理後の溶鋼は、転炉から取鍋に出鋼され、その後は二次精錬等で成分、温度調整され、鋳造プロセスに供される。その後、加熱、圧延、熱処理、表面処理などの工程を経て製品として出荷される。

転炉といった精錬炉からの出鋼時は、炉体を傾動させ、炉体側面もしくは炉口、炉底から溶鋼を取鍋内に注入する。出鋼中は、炉体が徐々に傾動していき、それに合わせて取鍋位置も移動する。また、出鋼中には成分調整に必要な合金や造滓剤の一部または全部がシュートから投入される。この時、出鋼流が取鍋内の溶鋼と接する部分では、落下してくる出鋼流に周囲の気相が巻き込まれ、いわゆる滝壺を形成する。この滝壺を形成する気泡群は大気中の窒素が多く含まれているため、酸素吹錬後に１０ｐｐｍまで低下した溶鋼中の窒素濃度は大気中窒素濃度と平衡する４００ｐｐｍ以上に向けて増加することになる。

ここで、出鋼中に滝壺に向けて非窒素ガスを一定速度以上及び一定流量以上で吹き付ける。吹き付けられた非窒素ガスが滝壺近傍まで届いた場合、滝壺近傍の窒素濃度が低減することから、滝壺を形成する気泡群の中の窒素濃度も低減する。この時、滝壺近傍の窒素濃度が空気中の約半分になった場合、平衡する窒素濃度も約半分になるため、大きな吸窒抑制効果が得られる。一方で、非窒素ガスを一定速度よりも遅く吹き付けた場合、出鋼時の溶鋼上面近傍には高温となることで生じる上昇気流が生じていることから、非窒素ガスは滝壺に届く前に拡散してしまい、滝壺周囲の窒素濃度を低減することはできない。

そこで、出鋼時の滝壺近傍に非窒素ガスを吹き付けることを想定し、ノズルから吹き付ける非窒素ガス挙動を流動計算により再現することを試みた。計算領域をＮ_２で満たした状態とし、天井部より非窒素ガスを吹付け、その拡散する様子を再現した。吹き付けるガス種はＡｒ、ＣＯ_２、Ｏ_２とし、適宜これらを混合させた。雰囲気圧力は１ａｔｍとし、取鍋内を仮定して雰囲気温度は１０００Ｋ、ガス温度はノズル出口で３００Ｋとした。また、取鍋内は上向きに１０ｍ／ｓの上昇気流が生じていると仮定した。
図１は、Ａｒガス流量５．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、ノズル出口ガス流速３８４ｍ／ｓとした時のＡｒガス濃度分布であり、ノズル出口から２ｍ程度離れるとＡｒガス濃度が５０％程度まで低減し、取鍋高さを想定した４ｍ離れるとＡｒガス濃度は２０％以下まで低減することが分かる。これらの流動計算結果から、滝壺近傍に吹き付ける非窒素ガスの流速および流量を見積もり、実機試験により出鋼時の吸窒抑制効果を見積もった。

確実に滝壺まで非窒素ガスを到達させるためには、ガス流速がノズル出口で３５０ｍ／ｓ以上であることが好ましい。ガス流速が足りない場合、非窒素ガスを吹き付けたとしても、滝壺周囲に生成する上昇気流に押し戻されるため、非窒素ガスが滝壺に到達しないためである。このようなガス流速を得るには、通常のストレートノズルでは困難であり、ラバールノズルを用いる必要がある。なお、ガス流速は、ノズル出口で３８０ｍ／ｓ以上であることが好ましく、４００ｍ／ｓ以上であることがさらに好ましい。

また、滝壺周囲の窒素濃度を低減するには、吹き付ける非窒素ガスのガス流量が５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上であることが好ましい。非窒素ガス流量が少ない場合、ガスが滝壺近傍まで到達した場合であっても直ちに拡散し、出鋼流によって巻き込まれる気泡に含まれる窒素濃度を十分に下げられない。なお、非窒素ガスのガス流量は、７Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上であることが好ましく、１０Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上であることがさらに好ましい。
非窒素ガスのガス流量を決めると、ラバールノズル形状と圧力によりガス流速が決まるので、必要なガス流速およびガス流量に応じてラバールノズルの内径や形状を決めれば良い。

加えて、更に滝壺周囲の窒素濃度を低減するには、ラバールノズル先端から滝壺までの距離が２．０ｍ以内とすることが必要である。流動計算結果に対して、Ａｒ度が５０％となる距離を一つの基準として考えた場合、ラバールノズル先端から滝壺までの距離が２．０ｍより離れた条件では、ガス流速を高めた条件であっても、Ａｒガスは拡散してしまい、Ａｒ濃度が５０％となる位置が２．０ｍよりも極端に伸びることは無い。一方で、ガス流量を増やすことで、Ａｒ濃度が５０％となる位置は２．０ｍよりも伸びていくが、ガス流速を維持した状態でガス流量を増やすためにはノズル径を同じにしたままでガス吹込み圧力を高める必要があるが、ガスの圧力を高めるのには限度があり、大量のガスの圧力を高めるにはコストが掛かる。

このため、経済的に滝壺周囲の窒素濃度を低減するには、ラバールノズル先端から滝壺までの距離が２．０ｍ以内であることが必要である。また、ラバールノズル先端から滝壺までの距離は１．５ｍ以内であることがより望ましい。一方で、溶鋼湯面に近づき過ぎるとラバールノズル先端が熱によって変形してしまうことから、ラバールノズル先端から滝壺までの距離は１．０ｍ以上離れていることが望ましい。

吸窒が生じる場所は出鋼流と湯面が接する部分に生じる滝壺であることから、ガス吹付け装置は、非窒素ガスを吹き付けるためのランスを具備するとともに、出鋼に伴って移動する滝壺の動きに合わせてラバールノズルの先端位置を調整できるノズル位置調整手段を具備していることが必要である。この時、上記したように確実に滝壺周囲の窒素濃度を低減するため、ラバールノズル先端から滝壺までの距離が２．０ｍ以内になることが必要である。出鋼の際、ランス先端は溶鋼との距離が近くなることから、水冷構造にすることが好ましい。

ここで、図２に、本実施形態である取鍋用ガス吹付け装置１０を備えた取鍋２０への出鋼設備を示す。
本実施形態においては、図２に示すように、転炉３０の下方側に取鍋２０が配設されており、転炉３０から取鍋２０へと溶鋼が出鋼される構成とされている。なお、取鍋２０は、移動可能な台車２１の上に配置されている。

そして、本実施形態である取鍋用ガス吹付け装置１０は、転炉３０のトラニオン３１を設置してある作業床３２と同程度の高さに配設された支持架台１１と、この支持架台１１に支持されたランス１２と、ランス１２の先端に配設されたラバールノズル１３と、ラバールノズル１３の先端位置を調整するノズル位置調整手段１５と、を備えている。

ノズル位置調整手段１５は、ランス１２をその長さ方向に最大１０ｍ程度移動可能とするとともに、ランス１２の仰角を調整可能とされている。さらに、支持架台１１を水平方向に回転させることが可能とされている。
このように、ランス１２の長さ方向位置および仰角を調整することで、出鋼中の取鍋２０内の湯面の上昇に伴う滝壷の上昇に合わせて、ラバールノズル１３先端の高さ位置を調整できるように構成されている。さらに、ランス１２の長さ方向位置および水平方向の回転を組み合わせることで、出鋼中に前後に動く出鋼流２に合わせてラバールノズル１３先端位置を調整可能とされている。
よって、出鋼中において、ラバールノズル１３の先端位置を滝壺からの距離が２．０ｍ以内の範囲内に調整することが可能となる。

ここで、非窒素ガスを滝壺周辺に吹き付ける期間は、出鋼前から出鋼後まで継続的であることが望ましい。しかしながら、出鋼時の吸窒が生じるのは主に滝壺であり、出鋼開始直後はまだ取鍋内に溶鋼が十分に満たされていないことから、十分な滝壺は生成していない。出鋼中の吸窒量の経時変化は図３に示すように、ある程度取鍋内に溶鋼が満たされてくると急激に吸窒量は増加する。

このため、滝壺周辺への非窒素ガス吹き付け開始時間は、出鋼を開始してから１５秒から２０秒後であっても発明の効果は十分に得られる。その後、取鍋内に大きな滝壺が生じるだけ溶鋼が満たされ、かつ、転炉から取鍋内までの落下距離がまだ大きい、出鋼前半に最大値を示すが、中期から末期に掛けては取鍋内に溶鋼が満たされることで落下距離が短くなるに従って吸窒量は減少する。しかしながら、中期から末期に掛けても依然として吸窒が生じていることから、出鋼が終わるまで継続的に非窒素ガスを吹き付けることが望ましい。特に、合金元素を添加した後には、吸窒されやすくなる場合があることから、出鋼が終わるまで非窒素ガスを吹き付けることが望ましい。

具体的な動作について、図４を用いて説明する。
まず、図４＜１＞に示すように、出鋼開始の時点では、ランス１２を待機位置に配置しておき、非窒素ガスの吹付けを実施しない。
次に、図４＜２＞に示すように、出鋼を開始してから１５秒から２０秒後には、取鍋２０内に溶鋼１が貯留され、出鋼流２が溶鋼１の湯面と衝突する滝壺が形成される。この時点までには転炉３０が十分に傾転され、ランス１２を待機位置から取鍋２０の中へ降下させても転炉鉄皮と干渉しないだけの隙間ができている。そこで、ノズル位置調整手段１５によってランス１２を移動させてラバールノズル１３の先端が滝壺から２．０ｍ以内の位置とし、非窒素ガスの吹付けを開始する。
次に、図４＜３＞に示すように、出鋼が継続されると取鍋２０内の溶鋼１の湯面が上昇する。取鍋２０内の溶鋼１の湯面の上昇にしたがい、ノズル位置調整手段１５によってランス１２を移動させ、ラバールノズルの先端位置を滝壺から２．０ｍ以内に保持しながら、非窒素ガスの吹付けを実施する。

これにより、本実施形態である取鍋用ガス吹付け装置１０によれば、ラバールノズル１３を用いるとともに、ラバールノズル１３の先端位置が滝壺から２．０ｍ以内となるように、ラバールノズル１３の先端位置を調整するノズル位置調整手段１５を備えているので、十分な流速で非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けることができ、滝壺の周囲の窒素を十分に排除することにより、溶鋼への窒素の吸収を抑制することができる。よって、十分に窒素濃度が低減された高品質の低窒素鋼を製造することが可能となる。

さらに、本実施形態である低窒素鋼の製造方法によれば、滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるようにラバールノズル１３の先端位置を調整するとともに、ラバールノズル１３の出口におけるガス流速を３５０ｍ／ｓ以上、ガス流量を５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上として、非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けているので、滝壺の周囲に非窒素ガスを十分に供給することができ、溶鋼への窒素の吸収を抑制することができる。

なお、非窒素ガスとしては、ＣＯ_２、Ａｒ、Ｏ_２のうち一種もしくは二種以上の混合ガスであることが望ましい。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、滝壺周辺に吹き付けられた非窒素ガスは滝壺近傍で拡散するため、１本のランスでも吸窒抑制効果を得られるが、合金添加用のシュートと干渉しない範囲でランスを２本以上設置し、非窒素ガスを吹き付けたとしても何ら問題は無い。
また、本発明は、炭素鋼に非常に有効であるが、炭素鋼以外のステンレス鋼、合金鋼の溶製にも有効である。
さらに、転炉における操業形態について説明してきたが、ＡＯＤのように炉口から取鍋へ出鋼する操業形態にも、本発明は適合する。

以下に示す本発明法および比較法の条件で、出鋼時の吸窒挙動評価試験を行い、発明の効果を確認した。
まず、高炉から搬送された溶銑（炭素含有量４．５％相当）を転炉に装入し、酸素吹錬を行った。転炉吹錬後の成分は［Ｃ］＝０．０３〜０．１５％、［Ｓｉ］＝０．０１〜０．０５％、［Ｍｎ］＝０．１〜０．４％、［Ｐ］＝０．０１〜０．０３％、［Ｎ］＝８〜１２ｐｐｍ、残部がＦｅおよび不可避的成分である。

処理量は３００ｔｏｎ規模であり、出鋼時間は５分である。溶鋼を受ける取鍋の底から鍋の最上部までの高さは３．９ｍであり、事前に予熱されている。出鋼流は出鋼が始まってから終わるまでの間に、傾動した転炉の炉口を正面から見た場合、前後に動くため、出鋼流に合わせて取鍋台車を動かして受鋼する。
なお、非窒素ガスを吹き付けるランスは、出鋼流の側面から滝壺に向けて配置し、出鋼流の動きに合わせて前後に動かすことができる。また、ランス先端はストレートノズルもしくはラバールノズルとし、取鍋内に満たされていく溶鋼の湯面高さに合わせて、上下に動かすことができるように構成した。

発明の効果を確認するため、出鋼開始前の転炉内、出鋼完了後の取鍋内の溶鋼をサンプリングし、出鋼前後の窒素濃度の変化量Δ［Ｎ］（ｐｐｍ）を吸窒量として評価した。出鋼条件を表１に示す。なお、表１中のノズル出口のガス流速Ｖは実測することが困難であったことから、流動計算で求めたノズル出口位置の流速とした。

出鋼前は、ランスを伸ばすと転炉の炉体と干渉するため、ランスを上限位置まで引き上げた状態で待機させた。出鋼するため転炉を傾動させ始め、転炉がある程度傾くと、ランスを伸ばしても転炉の炉体と干渉しなくなるため、この時点からランスを伸ばし、出鋼孔から溶鋼が出るまでにランス先端が取鍋の中に入っている状態で待機した。出鋼開始した時点で滝壷の位置を探査し、ランスの長さ、仰角、水平回転角度を調整することでランス先端を滝壷に向け、同時にランスと滝壷間距離を適宜調整した。ノズル−滝壺間距離は、予め求めておいた出鋼時の湯面上昇速度を参照しながら、ランスの長さ、仰角、水平回転角度を調整することでノズル先端位置を合わせた。

出鋼の際、出鋼してから２分後に出鋼流に巻き込ませる形でＡｌを含む合金を投入した。表１に示したＣおよびＡｌ濃度は、出鋼完了後の取鍋内溶鋼の成分である。以下、Δ［Ｎ］が１５ｐｐｍ以下であった場合、発明の効果があったとし、Δ［Ｎ］が１２ｐｐｍ以下であった場合、優れた効果があったとし、Δ［Ｎ］が９ｐｐｍ以下であった場合、特に優れた効果があったと判断した。

試験Ｎｏ．１（従来法）では、通常通りに転炉から取鍋に出鋼した結果、Δ［Ｎ］＝２３ｐｐｍであった。
以下、試験Ｎｏ．２からＮｏ．２３までは、全て出鋼中にガス吹付けランスから滝壺に向けて非窒素ガスを吹き付けた。なお、表中のノズル−滝壺間距離は出鋼初期から末期までの距離を示すが、最末期はランス昇降装置の上昇限である１．２ｍとなった。

試験Ｎｏ．２からＮｏ．４（比較法）は、ノズル出口流速が３０５〜４２２ｍ／ｓ、ガス流量が８〜１２Ｎｍ^３／ｍｉｎの条件で非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けた。この時、試験Ｎｏ．２とＮｏ．３はランスを取鍋上部位置に固定した状態で吹付けたため、ノズル−滝壺間距離は出鋼直後が５．０ｍであり、出鋼中に湯面高さに応じて短くなり、出鋼完了時は１．２ｍとなったが、Δ［Ｎ］は２２ｐｐｍであり、発明の効果は認められなかった。また、試験Ｎｏ．４は出鋼中にノズル−滝壺間距離が２．５〜３．０ｍとなるように上下に動かし、出鋼完了時は１．２ｍとなったが、Δ［Ｎ］は２１ｐｐｍであり、発明の効果は認められなかった。

試験Ｎｏ．５からＮｏ．９（比較法）は、出鋼中にノズル−滝壺間距離を１．５〜２．０ｍに維持しながら、ガス流量が５〜１０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、ランス先端にストレートノズルを用いてノズル出口流速が７２〜３１０ｍ／ｓの条件で非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けた結果、Δ［Ｎ］は１７〜２２ｐｐｍとなり、発明の効果は認められなかった。

試験Ｎｏ．１０からＮｏ．１２（発明法）は、出鋼中にノズル-滝壺間距離を１．５〜２．０ｍに維持しながら、ランス先端にラバールノズルを用いてノズル出口流速が３８６ｍ／ｓ以上、ガス流量が３〜４Ｎｍ^３／ｍｉｎの条件で非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けた結果、Δ［Ｎ］は１３〜１５ｐｐｍとなり、発明の効果が認められた。
試験Ｎｏ．１２までの結果から、出鋼中にノズル−滝壺間距離を１．５〜２．０ｍに維持しながら、ランス先端にラバールノズルを用いて非窒素ガスを吹き付けることで吸窒抑制効果が得られることが分かる。

試験Ｎｏ．１３からＮｏ．２１（発明法）は、出鋼中にノズル−滝壺間距離を１．５〜２．０ｍに維持しながら、ガス流量が５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上、ランス先端にラバールノズルを用いてノズル出口流速が３５０ｍ／ｓ以上の条件で非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けた結果、Δ［Ｎ］が７〜１２ｐｐｍであり、優れた発明の効果が認められた。特に、試験Ｎｏ．１９からＮｏ．２１まではΔ［Ｎ］が７〜９ｐｐｍであり、特に優れた発明の効果が得られた。

試験Ｎｏ．２２からＮｏ．２３（発明法）は、出鋼中にノズル−滝壺間距離を１．０〜１．５ｍに維持しながら、ガス流量が５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上、ランス先端にラバールノズルを用いてノズル出口流速が３５０ｍ／ｓ以上の条件で非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けた結果、Δ［Ｎ］が７〜９ｐｐｍであり、特に優れた発明の効果が認められた。
試験Ｎｏ．２３までの結果から分かるように、出鋼中にノズル−滝壺間距離を２．０ｍ以下とした上で、ランス先端にストレートノズルを用いてガス流速を３５０ｍ／ｓ以上、ガス流量を５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上として、非窒素ガスを滝壺に向けて吹き付けることで、優れた吸窒抑制効果が得られることが分かる。

図５は、出鋼中のノズル−滝壺距離を１．５ｍから２．０ｍに維持した試験Ｎｏ．５からＮｏ．２１までのノズル出口のガス流速と吹付けガス流量の関係を表す。図５において、×印は本発明の効果が認められなかった条件、△印は本発明の効果が認められた条件、○印は優れた効果が認められた条件、◎印は特に優れた効果が認められた条件である。

試験Ｎｏ．７、８（比較法）と試験Ｎｏ．１８、２０（発明法）の比較から、ノズル出口のガス流速Ｖは３５０ｍ／ｓ以上が望ましいことが分かる。
また、試験Ｎｏ．１１、１２（発明法）と試験Ｎｏ．１３からＮｏ．１６（発明法）との比較から、吹付けガス流量Ｑは５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上が望ましいことが分かる。
さらに、試験Ｎｏ．１１、１４、１５、１６、１９、２０に示すように、ガス種を変えた場合であっても吸窒抑制効果が認められるため、ＣＯ_２、Ａｒ、Ｏ_２のうち一種または二種以上の混合ガスを用いても非窒素ガスとして利用できることが分かる。

以上から、経済的に（すなわち、歩留を維持しつつ）低窒素鋼を溶製するには、本発明条件を満たすことが望ましいことがわかる。

溶鉄の出鋼時の吸窒を防止できるため、低窒素鋼の製造方法において有益である。

１溶鋼
２出鋼流
１０取鍋用ガス吹付け装置
１２ランス
１３ラバールノズル
１５ノズル位置調整手段
２０取鍋
３０転炉

Claims

出鋼された溶鋼を受ける取鍋の上方に設けられた取鍋用ガス吹付け装置であって、
非窒素ガスを吹き出すランスと、このランスの先端に設けられたラバールノズルと、前記ラバールノズルの先端位置を調整するノズル位置調整手段と、を有し、
前記ノズル位置調整手段は、前記取鍋に向けて前記溶鋼が出鋼された際に、出鋼流と前記取鍋内に貯留された溶鋼の湯面との衝突領域である滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるように、前記ラバールノズルの先端位置を調整可能とされていることを特徴とする取鍋用ガス吹付け装置。
請求項１に記載された取鍋用ガス吹付け装置を用いた低窒素鋼の製造方法であって、
前記滝壺からの距離が２．０ｍ以内となるように前記ラバールノズルの先端位置を調整するとともに、
前記ラバールノズルの出口におけるガス流速を３５０ｍ／ｓ以上、ガス流量を５Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上として、非窒素ガスを前記滝壺に向けて吹き付けることにより、前記溶鋼への窒素の吸収を抑制することを特徴と有する低窒素鋼の製造方法。
非窒素ガスとして、ＣＯ_２，Ａｒ，Ｏ_２のうちの一種又は二種以上を用いることを特徴とする請求項２に記載の低窒素鋼の製造方法。