JP2020066786A - 溶鋼の取鍋精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制すること。【解決手段】本発明は、取鍋内の溶鋼表面にスラグ層を形成し、電極をスラグ層に浸漬させて通電する溶鋼の取鍋精錬方法に関し、スラグ層に浸漬される電極は、２本又は３本であり、取鍋の底面には、ガス吹き込み用プラグが１本設けられており、溶鋼表面における取鍋内径をＤｓ［ｍ］とし、溶鋼表面を取鍋の上方から見たときに、溶鋼表面での電極の位置、又は、電極の溶鋼表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である電極外接円の直径をＤ［ｍ］としたときに、比率（Ｄｓ／Ｄ）が、以下の式（１）を満足し、溶鋼表面において、ガス吹き込み用プラグの中心軸が、電極外接円上又は電極外接円の内側を通り、攪拌用ガスの流量Ｑ［ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ］が、以下の式（２）を満足する。１．８ ≦ Ｄｓ／Ｄ ≦３．５ ・・・式（１）０．３ ≦ Ｑ ≦４．５ ・・・式（２）【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、溶鋼の取鍋精錬方法に関する。

鉄鋼材料の製造時、転炉で脱炭した溶鋼は、用途に応じて二次精錬される。かかる二次精錬では、製造する製品の規格に応じて、合金添加、昇温、還元、不純物元素の除去が行われる。

上記のような二次精錬の方法の一つに、溶鋼表面上に存在するスラグ層中に通電電極を浸漬させて通電加熱しながら、取鍋底部に設けられたポーラスプラグを通じて溶鋼内に不活性ガスを吹き込んで溶鋼を攪拌する方法がある。このような通電加熱を伴う二次精錬方法では、不活性ガスによる攪拌により、溶鋼とスラグとの間で精錬反応が生じる。

かかる通電加熱を伴う二次精錬方法では、例えば以下の特許文献１に開示されているように、通電加熱によって取鍋の内壁面に設けられた耐火物を溶損しないように注意を払いながら、通電のための電極が配置されている。

ここで、通電加熱を伴う二次精錬方法において、雰囲気中の窒素ガスが溶鋼と接触すると、溶鋼において窒素の吸収反応（以下、「吸窒反応」という。）が生じ、溶鋼中の窒素濃度が上昇してしまう。そのため、従来、吸窒反応を防止するための技術が各種提案されている。

例えば以下の特許文献２には、電極の下部に開口するガス通流道を形成し、かかるガス通流道を介して不活性ガスを吐出することで、溶鋼面上部を不活性ガス雰囲気とする技術が開示されている。

また、以下の特許文献３には、二酸化炭素を取鍋蓋内に供給して、溶鋼と接する気相を二酸化炭素ガス雰囲気とし、溶鋼面上部のガス雰囲気を低窒素濃度とする技術が開示されている。

また、以下の特許文献４には、造滓剤を添加するとともに溶鋼を攪拌して、溶鋼熱により少なくとも造滓剤の一部を溶融させ、次いで電極を溶融造滓剤中に挿入してアーク加熱を行う低窒素化技術が開示されている。

特開２０１０−１７７５６号公報 特開昭６１−２７６６８４号公報 特開平３−１０４８１４号公報 特開平１−２０８４１３号公報

しかしながら、上記特許文献２及び特許文献３に開示されている技術は、溶鋼面上部の雰囲気を低窒素化する技術であり、雰囲気を低窒素化するまでに吸窒が進行する場合がある。また、上記特許文献４に開示されている技術では、造滓剤を溶融させるために要する通電時間が長くなる場合があり、却って吸窒反応が進行してしまう場合がある。

このように、上記特許文献２〜特許文献４に開示されている技術は、より確実な吸窒反応の抑制という観点では、未だ改良の余地がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制することが可能な、溶鋼の取鍋精錬方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行ったところ、吸窒反応は、（ａ）攪拌ガスの気泡が溶鋼表面で破泡する結果生じる溶鋼露出面、（ｂ）未溶融のスラグ塊同士の隙間に存在する溶鋼露出面、（ｃ）溶融スラグの偏在により局所的に被覆されていない溶鋼露出面、という３種類の溶鋼露出面にて進行することを見出した。かかる知見に基づき、溶鋼表面を全体にわたって溶融スラグにより被覆し、かつ、攪拌ガスの気泡が溶鋼表面で破泡しないようにすれば、吸窒反応の発生をより確実に抑制可能であるとの着想を得るに至った。本発明者らは、かかる着想に基づき更なる検討を行った結果、本発明を完成するに至った。
かかる検討結果に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］取鍋内の溶鋼表面にスラグ層を形成し、電極を前記スラグ層に浸漬させて通電する溶鋼の取鍋精錬方法において、前記スラグ層に浸漬される前記電極は、２本又は３本であり、前記取鍋の底面には、前記取鍋内に保持された前記溶鋼を攪拌する攪拌用ガスを吹き込むガス吹き込み用プラグが１本設けられており、溶鋼表面における取鍋内径をＤｓ［ｍ］とし、前記溶鋼表面を前記取鍋の上方から見たときに、前記溶鋼表面での前記２本もしくは３本の電極の位置、又は、前記２本もしくは３本の電極の前記溶鋼表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である電極外接円の直径をＤ［ｍ］としたときに、前記取鍋内径に対する前記電極外接円の直径の比（Ｄｓ／Ｄ）が、以下の式（１）を満足し、前記溶鋼表面において、前記ガス吹き込み用プラグの中心軸が、前記電極外接円上、又は、前記電極外接円の内側を通り、前記攪拌用ガスの流量をＱ［ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ］としたときに、当該攪拌用ガスの流量が、以下の式（２）を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。
１．８ ≦ Ｄｓ／Ｄ ≦３．５ ・・・式（１）
０．３ ≦ Ｑ ≦４．５ ・・・式（２）
［２］前記スラグ層の厚みは、１００ｍｍ以上である、［１］に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。

以上説明したように本発明によれば、通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬設備を溶鋼高さＨの位置で水平方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（溶鋼の取鍋精錬方法について）
以下に、本発明の実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２Ａは、本実施形態に係る取鍋精錬設備を取鍋の深さ方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。図２Ｂは、本実施形態に係る取鍋精錬設備を溶鋼高さＨの位置で水平方向に切断した際の断面を模式的に示した断面図である。図３Ａ〜図８は、本実施形態に係る取鍋精錬方法を説明するための説明図である。

＜取鍋精錬設備について＞
まず、図１〜図２Ｂを参照しながら、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法（以下、単に、「取鍋精錬方法」ともいう。）に用いられる取鍋精錬設備について説明する。なお、以下では、便宜的に、図１〜図２Ｂに示した座標系を用いて説明を行うものとする。

本実施形態に係る取鍋精錬方法で用いられる取鍋精錬設備は、図１に模式的に示したように、所定の容量の取鍋１０を少なくとも有している。かかる取鍋１０の大きさ（容量）については、特に限定されるものではなく、公知の各種の取鍋を用いることが可能である。

また、取鍋１０の底面には、ガス吹き込み用プラグの一例としてのポーラスプラグ２０が１本設けられている。かかるポーラスプラグ２０は、取鍋１０の内部に保持される溶鋼中に所定の不活性ガスを吹き込んで、溶鋼１１を攪拌するためのガス吐出口として用いられる。かかるポーラスプラグ２０については、以下で詳述するようなガス流量を実現することが可能なものであれば、公知の各種のポーラスプラグを使用することが可能である。

なお、本実施形態では、例えば図１に示したように、取鍋１０の形状を模式化して示しているが、取鍋の詳細な構造についても、特に限定されるものではない。例えば、本実施形態に係る取鍋精錬方法に用いられる取鍋１０は、二次精錬が終了した後の溶鋼を外部に取り出すための溶鋼取り出し口を有していてもよいし、その他の構造物が設けられていてもよい。

かかる取鍋１０の内部には、溶鋼１１が保持されており、溶鋼１１の表面（ｚ軸正方向側の表面）には、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯなどを含むスラグ層１３が浮いた状態で存在している。また、スラグ層１３には、取鍋精錬工程で添加される各種のフラックス（造滓剤）が存在していてもよい。かかるスラグ層１３は、フラックス層と呼ばれることもある。

ここで、本実施形態において、図１に模式的に示したように、取鍋１０の底面の位置を便宜的にｚ軸方向の原点（ｚ＝０）の位置とする。また、溶鋼１１の高さＨは、図１に模式的に示したように、溶鋼１１及びスラグ層１３を取鍋１０の内部に出鋼して静置した後における、溶鋼１１の表面の位置とする。

また、用いる取鍋１０の底面（ｚ＝０）の位置における取鍋１０の半径を、Ｒ［ｍ］と表すこととし、溶鋼表面（ｚ＝Ｈ）における取鍋１０の内径を、Ｄｓ［ｍ］と表すこととし、スラグ層１３の厚みを、ｄ［ｍｍ］と表すこととする。

取鍋１０内に保持された溶鋼１１に対して、本実施形態に係る取鍋精錬方法を適用する場合、２本又は３本の電極が、スラグ層１３の内部に浸漬される。図２Ａ及び図２Ｂでは、３本の電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ（以下、まとめて「電極３０」ということがある。）がスラグ層１３の内部に浸漬されている場合を図示しているが、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、電極の本数は、２本であってもよい。

本実施形態に係る取鍋精錬方法に用いられる電極３０は、特に限定されるものではなく、公知の各種の素材を用いた電極を用いることが可能であるが、炭素製の電極（カーボン電極）を用いることが簡便である。また、電極３０の形状や大きさについても、特に限定されるものではなく、公知の各種の電極を適宜利用することが可能である。

ただし、電極３０のスラグ層１３への浸漬深さは、溶鋼１１に接触しないような深さであることが好ましい。特に電極３０にカーボン電極を用いる場合に、電極３０が溶鋼１１に接触してしまうと、溶鋼１１が有している熱により、カーボン電極が溶解してしまう可能性がある。カーボン電極が溶解すると、溶鋼１１中に溶解した炭素が混入して、溶鋼１１の炭素含有量が変化してしまう可能性がある。また、その他の素材を用いた電極を用いる場合であっても、電極が溶鋼１１に接触してしまうと、電極の溶解が発生する可能性がある。そのため、溶鋼１１に接触しないような深さまで電極３０を浸漬させることで、溶鋼１１への不純物の混入を防止することが可能となる。

スラグ層１３中に浸漬された電極３０に対し、図２Ａに示したように電源を設置して、電極３０に所定の電力を投入することで、電極３０の先端部と溶鋼１１との間でアークプラズマが発生し、更に、溶鋼１１を介して、発生したアークプラズマ間が通電される。かかるアークプラズマ及び通電によって発生する熱により、スラグが加熱及び溶融され、溶鋼１１とスラグ層１３との間で各種の精錬反応が進行するようになる。

また、上記のような通電とともに、取鍋の底部に設けられたポーラスプラグ２０からアルゴン等の不活性ガスを、以下で詳述するような流量で吐出させることで、溶鋼１１中に流れが生じ、かかる溶鋼の流動に乗って、溶融したスラグが溶鋼表面を移動する。これにより、溶鋼表面におけるガス気泡の破泡を防止しながら未溶融状態のスラグの溶融を促進することができ、また、溶融したスラグが溶鋼１１の表面の全体を覆うようになる。その結果、取鍋１０内の雰囲気中に存在する窒素ガスと、溶鋼１１と、の接触を遮断することができる。その結果、溶鋼１１における吸窒反応の反応速度を、より確実に低減することができる。

なお、上記のように、電極３０と溶鋼１１との間に発生するアークプラズマを用いて、スラグの加熱及び溶融が実現されることから、電極３０は、電極３０の先端部で発生したアークプラズマが溶鋼１１に到達可能な深さまで、スラグ層１３中に浸漬されることが好ましい。

＜取鍋精錬方法の詳細について＞
次に、図２Ａ〜図８を参照しながら、本実施形態に係る取鍋精錬方法について、詳細に説明する。

本実施形態に係る取鍋精錬方法では、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、取鍋１０内に存在するスラグ層１３に対して、２本又は３本の電極３０が浸漬される。なお、以下では、スラグ層１３に対して、３本の電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが浸漬される場合を例に挙げて、説明を行うものとする。

［取鍋内径と電極外接円の直径との比率］
本実施形態に係る取鍋精錬方法では、例えば図２Ｂに模式的に示したように、２本又は３本の電極３０の浸漬位置に基づき規定される電極外接円３５に着目する。この電極外接円３５は、溶鋼１１の表面（ｚ＝Ｈの面）を取鍋１０の上方（ｚ軸方向正方向側）から見たときに、溶鋼１１の表面での２本もしくは３本の電極３０の位置、又は、かかる２本もしくは３本の電極３０の溶鋼１１の表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である。

本実施形態に係る取鍋精錬方法において、溶鋼１１の表面における電極外接円３５の中心は、取鍋底部での取鍋の半径をＲ［ｍ］としたときに、溶鋼１１の表面における取鍋１０の中心位置（図２Ｂにおける点Ａ）から０．１×Ｒまでの領域内に位置することが好ましく、通常は、この要件に基づいて電極と取鍋の位置関係が設定されている。電極外接円３５の中心が上記の領域内に位置することで、取鍋１０内に存在するスラグ層１３を、伝熱の偏りが生じることを抑制しながら、より均等に加熱することが可能となる。

また、電極外接円３５内における各電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの位置については、特に限定されるものではないが、電極外接円３５の中心に対して、なるべく均等に配置されていることが好ましい。

ここで、取鍋中のスラグは、取鍋の内壁面に近づくほど温度が低下して未溶融のスラグが残存しやすくなる。そのため、本発明者らは、先だって言及したような知見に基づき、効率良くスラグを加熱及び溶融させるためには、通電加熱によりスラグの溶融を促進させるとともに、電極からの輻射熱により取鍋壁面を加熱することで、溶鋼表面を全面にわたって加熱することが重要であるとの知見を得るに至った。電極によりスラグが加熱される領域である電極加熱領域にて効率良くスラグを加熱溶融させつつ、電極からの輻射熱を取鍋壁面に伝達させるためには、取鍋の内径と、電極の浸漬位置と、の関係を適切に設定することが重要である。そこで、本発明者らは、電極外接円３５の最小直径Ｄと、溶鋼１１の表面（ｚ＝Ｈの位置）における取鍋１０の内径Ｄｓと、が満たすべき関係について、通常用いられる取鍋の内径の範囲内の様々な内径Ｄｓ（Ｄｓ：２．５〜４．７ｍ）を有する取鍋１０に着目した。その上で、溶鋼単位量あたりの電極３０への投入電力及び通電時間を、一般的な取鍋精錬工程を考慮して、それぞれ、０．５〜２．０ｋＷ／ｔ、３〜６０分とした上で、鋭意検討を行った。その結果、取鍋内径Ｄｓに対する電極外接円Ｄの直径の比（Ｄｓ／Ｄ）が、以下の式（１０１）を満足する場合に、電極によりスラグが加熱される領域である電極加熱領域にて効率良くスラグを加熱溶融させつつ、電極からの輻射熱を取鍋壁面に伝達させることが可能となるとの知見を得るに至った。

１．８ ≦ Ｄｓ／Ｄ ≦３．５ ・・・式（１０１）

スラグ層１３に浸漬された電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに電力が投入されると、図３Ａに模式的に示したように、電極外接円３５の内側の領域が電極加熱領域Ｒ１となる。比率（Ｄｓ／Ｄ）が、上記式（１０１）を満足することで、かかる電極加熱領域Ｒ１の大きさが、取鍋１０の内径Ｄｓに対して適切な大きさとなり、電極加熱領域Ｒ１の内側に存在するスラグが効率良く加熱溶融される。加えて、各電極３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃからの輻射熱が、取鍋１０の内壁まで確実に伝播して、取鍋１０の内壁近傍の領域（図３Ａにおける領域Ｒ２）のスラグを加熱して、未溶融のスラグ（スラグ塊）の残存を抑制することが可能となる。その結果、溶鋼とスラグとの間で精錬反応がより一層生じやすくなり、各種精錬反応速度を向上させることが可能となる。

また、ポーラスプラグ２０からの不活性ガスの吐出により、例えば図３Ａに模式的に示したように、溶鋼流ＦＬが生じ、溶融したスラグが、かかる溶鋼流ＦＬに乗って溶鋼１１の表面を流動する。上記のような比率（Ｄｓ／Ｄ）の適正化に伴うスラグの溶融促進効果と、溶融スラグの流動と、が相乗的に機能し、例えば図３Ｂに模式的に示したように、溶鋼１１の表面は、溶融スラグ１５によって被覆されるようになる。

ここで、比率（Ｄｓ／Ｄ）が、３．５を超える場合には、図４に模式的に示したように、溶鋼表面（ｚ＝Ｈの位置）における取鍋１０の内径Ｄｓに対して、電極外接円３５の直径Ｄが相対的に小さくなりすぎる。その結果、電極加熱領域Ｒ１の範囲が狭くなり、かかる電極加熱領域Ｒ１内に存在するスラグの割合が減少してしまう。その結果、通電加熱により加熱されるスラグの量が減少し、スラグ全体を適切に加熱することができない。また、電極３０と取鍋の内壁面との間の距離が大きくなるため、電極からの輻射熱が取鍋の内壁面まで伝播しにくくなり、取鍋の内壁面近傍の領域Ｒ３のスラグの温度が低下して、未溶融のスラグ（スラグ塊）が発生してしまう。

また、比率（Ｄｓ／Ｄ）が、１．８未満となる場合には、図５に模式的に示したように、溶鋼表面（ｚ＝Ｈの位置）における取鍋１０の内径Ｄｓに対して、電極外接円３５の直径Ｄが相対的に大きくなりすぎる。その結果、電極加熱領域Ｒ１の範囲が広くなり、電極３０間でのスラグの加熱に関して温度偏差が顕著となって、図５に模式的に示したように、電極と電極との間の領域（図５に模式的に示した領域Ｒ４）で、未溶融のスラグ（スラグ塊）が残存してしまう場合がある。

なお、スラグが低温となった部分、及び、未溶融のスラグが残存した部分は、溶融状態のスラグと比較して黒色が強いため、目視により、かかる部分が存在しているか否かを、容易に判断することができる。

電極加熱領域における効率の良いスラグの加熱、及び、取鍋内壁面近傍の領域における未溶融スラグの発生の抑制を、より確実に実現するために、上記比率（Ｄｓ／Ｄ）は、２．０以上であることが好ましく、２．１以上であることがより好ましい。また、電極加熱領域における効率の良いスラグの加熱、及び、取鍋内壁面近傍の領域における未溶融スラグの発生の抑制を、より確実に実現するために、上記比率（Ｄｓ／Ｄ）は、３．２以下であることが好ましく、３．０以下であることがより好ましい。

ここで、溶鋼１１の表面における取鍋内径は、溶鋼１１及びスラグ層１３を取鍋１０の内部に出鋼して静置した後において、取鍋１０の内径を実際に計測することで、特定することができる。また、電極外接円３５の直径は、電極３０の幾何学的な配置状態から特定することが可能である。

［ポーラスプラグ２０の中心軸の位置］
本実施形態に係る取鍋精錬方法において、溶鋼１１の表面（ｚ＝Ｈの位置）におけるポーラスプラグ２０の中心軸は、電極外接円３５上、又は、電極外接円３５の内側（換言すれば、電極加熱領域内）を通る必要がある。かかる条件が満たされることで、溶鋼１１の表面におけるポーラスプラグ２０の中心軸の位置と、電極外接円３５の中心と、の間の距離は、電極外接円３５の半径以下の値となる。

溶鋼１１の表面において、ポーラスプラグ２０の中心軸が電極外接円３５の外側にのみ位置する場合、図６に模式的に示したように、溶融スラグ１５の搬送される方向が特定の方向に限定されてしまい、溶融スラグ１５が溶鋼１１の表面を被覆しない領域が生じてしまう。その結果、図６に模式的に示したように、溶鋼１１が露出した面が生じてしまい、溶鋼１１と雰囲気中の窒素とが接触してしまう。

なお、電極外接円３５の内部におけるポーラスプラグ２０の中心軸の位置は、特に限定されるものではなく、図２Ｂ〜図３Ｂに模式的に示したように、電極外接円３５の中心又はその近傍に位置していてもよいし、電極外接円３５の周に近い側に位置していてもよい。ポーラスプラグ２０の中心軸の位置が、電極外接円３５の中心又はその近傍である場合、より効率良く吸窒反応を防止することが可能となる、一方、ポーラスプラグ２０の中心軸の位置が、電極外接円３５の周に近い側にある場合、溶鋼１１をより効率良く攪拌することが可能となる。

ここで、溶鋼１１の表面におけるポーラスプラグ２０の中心軸の位置は、取鍋１０の底面におけるポーラスプラグ２０の設置位置及び設置角度と、溶鋼１１の高さＨと、から、幾何学的に特定することが可能である。

［攪拌用ガスの流量］
本実施形態に係る取鍋精錬方法において、ポーラスプラグ２０から吐出される、攪拌用ガスの一例としての不活性ガスの流量Ｑを、溶鋼１トンあたりの毎分のノルマルリットル［ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ］を単位として表記したときに、かかる流量Ｑは、０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下である必要がある。不活性ガスの流量Ｑが上記の範囲内となることで、溶鋼１１の表面（ｚ＝Ｈの位置）において、ガス気泡の破泡が生じさせずに、適切な溶鋼１１の流れを取鍋１０の全体にわたって生じさせることが可能となる。その結果、溶鋼１１の表面の全体を、通電加熱により生じた溶融スラグで被覆することが可能となり、溶鋼１１と雰囲気中の窒素ガスとの接触をより確実に抑制することが可能となる。これにより、溶鋼１１における吸窒反応の発生を、より確実に抑制することができる。

不活性ガスの流量Ｑが０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ未満である場合には、図７に模式的に示したように、溶鋼１１内へと吐出される不活性ガスの流量が少なすぎて、溶融スラグを搬送する流動を形成することができない。その結果、溶鋼１１と雰囲気中の窒素ガスとが接触しうる部分が残存して、溶鋼１１の吸窒反応が進行してしまう。不活性ガスの流量Ｑは、１．０ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上であることが好ましく、１．４ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上であることがより好ましい。

一方、不活性ガスの流量Ｑが４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔを超える場合には、図８に模式的に示したように、不活性ガスの気泡が溶鋼１１の表面で破泡して、溶鋼１１が雰囲気に露出する結果、雰囲気中の窒素ガスが溶鋼１１に巻き込まれてしまう。これにより、溶鋼１１における吸窒反応の発生を抑制することができない。不活性ガスの流量Ｑは、３．０ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であることが好ましく、２．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下であることがより好ましい。

なお、溶鋼１１の高さ（図１における高さＨ）と、溶鋼１１の表面における不活性ガスの気泡の大きさ（面積）及び破泡時の衝撃力の大きさとの間には、所定の関係が成立する。すなわち、溶鋼１１の高さＨが高くなるほど、溶鋼１１の表面における不活性ガスの気泡の大きさは大きくなるが、破泡時の衝撃力は相対的に小さくなり、溶鋼１１の高さＨが低くなるほど、溶鋼１１の表面における不活性ガスの気泡の大きさは小さくなるが、破泡時の衝撃力は相対的に大きくなる。しかしながら、不活性ガスの流量Ｑを０．３ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以上４．５ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ以下の範囲内とすることで、一般的な操業における溶鋼１１の高さＨにおいて、溶鋼１１が雰囲気と接触するほどの破泡を生じさせることなく、適切な溶鋼１１の流れを生じさせることができる。

ここで、不活性ガスの流量Ｑは、ポーラスプラグ２０に対して不活性ガスを供給する配管に設置されたバルブ等といった各種の弁体の開閉等を制御することで、所望の値に制御することが可能である。

また、不活性ガスの吹き込み時間（溶鋼１１の攪拌時間と捉えることもできる。）は、特に限定するものではないが、例えば、２分以上６０分以下とすることが好ましい。不活性ガスの吹き込み時間を上記の範囲内とすることで、溶鋼１１の表面全体を、溶融スラグによってより確実に被覆することが可能となる。

［スラグ層１３の厚み］
本実施形態に係る取鍋精錬方法において、図１に模式的に示したスラグ層１３の厚みｄは、１００ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、スラグ層１３の厚みｄは、溶鋼１１及びスラグ層１３を取鍋１０の内部に出鋼して静置し、必要に応じてフラックスを添加した後、通電及び不活性ガスの吹き込み前におけるスラグ層１３の厚みとする。

スラグ層１３の厚みｄを１００ｍｍ以上とすることで、溶鋼１１の雰囲気への露出をより確実に抑制することができ、溶鋼１１における吸窒反応の発生をより確実に防止することができる。スラグ層１３の厚みｄの上限値については、特に規定するものではない。ただし、スラグフォーミングの抑制等といった操業の容易さの確保という観点から、スラグ層１３の厚みｄは、２５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法によれば、電極の直下で加熱されて溶融したスラグは、再凝固が抑制されるとともに、底吹き攪拌による溶鋼表面流動によって、溶鋼表面の全面を被覆し、溶鋼と蓋内に混入した大気中の窒素ガスとの反応を遮断する。これにより、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法では、吸窒反応の速度を低減することができ、通電加熱を伴う取鍋精錬において、吸窒反応の発生をより確実に抑制することが可能となる。

以上、本実施形態に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、詳細に説明した。

以下では、本発明例及び比較例を示しながら、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す本発明例は、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法のあくまでも一例にすぎず、本発明に係る溶鋼の取鍋精錬方法が下記に示す例に限定されるものではない。

まず、転炉で脱炭処理を行った８０〜９０ｔの溶鋼を、取鍋内に出鋼した。このとき、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯなどからなる転炉スラグが、約５００ｋｇ流出した。出鋼中に、脱酸元素であるＡｌ等の合金と、ＣａＯを主体とする造滓剤（フラックス）とを、スラグ厚みｄが５０〜２５０ｍｍになるように添加した。なお、溶鋼表面の位置における取鍋内径（Ｄ_Ｓ）は、２．８ｍであった。

取鍋を、通電加熱処理を行う処理位置に移送した。通電加熱開始時における溶鋼中のＡｌ濃度は、０．０３〜０．１０質量％であり、Ｓ濃度は、０．００２０〜０．００５０質量％であり、Ｎ濃度は、０．００２０〜０．００２４質量％であった。

取鍋を通電加熱処理を行う処理位置へと移送した後、取鍋に容器蓋を取り付け、直径が３２０ｍｍである通電用の電極３本を、図２Ｂに模式的に示したような位置関係となるように、溶鋼表面上のスラグ層中に下降した。取鍋底部のポーラスプラグから不活性ガス（Ａｒ）を導入して攪拌しながら、通電による加熱処理を開始した。ここで、溶鋼の高さ（浴深）Ｈは、約２．０ｍであった。ここで、かかる加熱処理に際して、溶鋼単位量あたりの投入電力は、１．０〜１．１ｋＷ／ｔとし、通電時間及びガス攪拌時間は、２０分間とした。また、比較として、別途、通電を行わなかった場合についても実施した。

なお、本実施例において、取鍋底部での取鍋の半径Ｒ［ｍ］は、１．２であり、溶鋼１１の表面における電極外接円２５の中心は、溶鋼１１の表面における取鍋１０の中心位置（図２Ｂにおける点Ａ）から０〜０．１×Ｒ［ｍ］の領域内に位置している。

通電前後でサンプル採取を行い、通電攪拌後のＮ濃度を評価した。かかる評価では、以下に示すＮｏ．１１の比較例における通電前後での窒素濃度（質量％）の増分（吸窒量）を１．０として、その他の条件を指数化した。指数の評価基準は、以下の通りである。
Ａ：指数０．７２未満
Ｂ：指数０．７２以上０．９４未満（Ａ評価よりＮ濃度は高いが実用可能な範囲）
Ｃ：指数０．９４以上

得られた結果を、以下の表１に示した。なお、表中の下線を引いたパラメータは、本発明の範囲から外れていることを示している。

表１に示したように、試験条件が本発明の範囲内であるＮｏ．１〜Ｎｏ．４の吸窒量評価は、「Ｂ」であった。特に、スラグ層の厚みｄが１００ｍｍ以上である試験Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、Ｄ_Ｓ／Ｄが２．０〜３．２の範囲内であるＮｏ．７、Ｎｏ．８、及び、攪拌用ガス流量が１．０〜３．０ＮＬ／ｍｉｎ／ｔの範囲内であるＮｏ．９、Ｎｏ．１０の吸窒量評価は、「Ａ」となり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の場合よりも吸窒量は低くなった。

一方、試験条件が本発明の範囲から外れたＮｏ．１１〜Ｎｏ．１６の吸窒量評価は、「Ｃ」であった。以下は、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６のそれぞれの条件において、吸窒量が高かった理由である。

Ｎｏ．１１の比較例は、Ｄ_Ｓ／Ｄが小さく、通電加熱される領域（電極加熱領域Ｒ１）が大きいため、図５に模式的に示したように、電極間でのスラグ加熱に温度偏差が顕著となり、スラグに未溶融部が発生して、スラグ塊が残存した。

Ｎｏ．１２の比較例は、Ｄ_Ｓ／Ｄが大きく、通電加熱される領域（電極加熱領域Ｒ１）が小さいため、図４に模式的に示したように、かかる電極加熱領域Ｒ１に存在するスラグの割合が減少し、加熱されるスラグ量が減少してしまい、取鍋壁面近傍まで溶融スラグが行き渡らなかった。

Ｎｏ．１３の比較例は、図６に模式的に示したように、ポーラスプラグが電極外接円の外に配置されたために、溶融スラグの搬送される方向が一方向に限定されてしまい、溶融スラグに被覆されない領域が生じてしまった。

Ｎｏ．１４の比較例は、攪拌ガス流量が低いために、図７に模式的に示したように、溶融スラグを搬送する流動を形成できず、溶鋼面上に存在するスラグ全体を溶融できなかった。

Ｎｏ．１５の比較例は、攪拌ガス流量が大きいために、図８に模式的に示したように、攪拌ガス気泡が溶鋼表面で破泡して窒素が溶鋼に巻き込まれ、吸窒反応が抑制できなかった。

Ｎｏ．１６の比較例は、通電加熱しなかったことで、スラグの溶融が進まず、スラグ塊が残存した。

なお、上記実施例は、取鍋内径Ｄｓが２．８ｍとなる取鍋を用いて検討した結果である。この知見に基づけば、取鍋内径Ｄｓが２．５〜３．０ｍとなる取鍋を用いる場合であっても、本実施例と同様の傾向が得られるものと考えられる。

また、取鍋内径Ｄｓが４．７ｍ（取鍋内径の拡大に伴い、溶鋼量は３５０トンに増加させて検討した。）においても、本実施例と同様の傾向が得られた。そのため、本発明は、少なくとも、取鍋内径Ｄｓが２．５〜４．７ｍの範囲では効果が得られるものと考えられる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 取鍋
１１ 溶鋼
１３ スラグ層
１５ 溶融スラグ
２０ ポーラスプラグ
３０ 電極
３５ 電極外接円

Claims (2)

1. 取鍋内の溶鋼表面にスラグ層を形成し、電極を前記スラグ層に浸漬させて通電する溶鋼の取鍋精錬方法において、
   前記スラグ層に浸漬される前記電極は、２本又は３本であり、
   前記取鍋の底面には、前記取鍋内に保持された前記溶鋼を攪拌する攪拌用ガスを吹き込むガス吹き込み用プラグが１本設けられており、
   溶鋼表面における取鍋内径をＤｓ［ｍ］とし、前記溶鋼表面を前記取鍋の上方から見たときに、前記溶鋼表面での前記２本もしくは３本の電極の位置、又は、前記２本もしくは３本の電極の前記溶鋼表面への投影位置に外接し、かつ、直径が最小となる円である電極外接円の直径をＤ［ｍ］としたときに、前記取鍋内径に対する前記電極外接円の直径の比（Ｄｓ／Ｄ）が、以下の式（１）を満足し、
   前記溶鋼表面において、前記ガス吹き込み用プラグの中心軸が、前記電極外接円上、又は、前記電極外接円の内側を通り、
   前記攪拌用ガスの流量をＱ［ＮＬ／ｍｉｎ／ｔ］としたときに、当該攪拌用ガスの流量が、以下の式（２）を満足する、溶鋼の取鍋精錬方法。
   
   １．８ ≦ Ｄｓ／Ｄ ≦３．５ ・・・式（１）
   ０．３ ≦ Ｑ ≦４．５ ・・・式（２）
   
2. 前記スラグ層の厚みは、１００ｍｍ以上である、請求項１に記載の溶鋼の取鍋精錬方法。
   

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