JP6443200B2 - 高清浄鋼の製造方法 - Google Patents
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脱酸には、酸素と結合して酸化物を生成する元素の添加が一般に行われており、Al(アルミニウム)の他、Si(珪素)、C(炭素)、Ti(チタン)、Ca(カルシウム)、Zr(ジルコニウム)、REM(希土類金属)等を、脱酸材として用いることが知られている。
このうち、脱酸材として用いるAlは、安価で、かつ、強い脱酸効果があり、これを用いて製造した鋼材は、飲料缶の用途を含めて使用実績があるため、汎用性が高い。
更に、溶鋼中にアルミナが多量に存在すると、鋳造時において、浸漬ノズル内面へのアルミナの付着や凝集が促進され、鋳型(モールド)内での偏流発生やノズル閉塞が生じることに起因して、湯面の変動量が大きくなり、モールドパウダーの混入(パウダー系介在物)による品質劣化の原因となる。
なお、脱酸材としてAl以外の金属を用いた場合でも、生成した金属酸化物(介在物)は製品品質を損なう可能性があり、この点ではAlと同様である。
例えば、特許文献1には、脱酸材として金属アルミニウムを添加し、生成する介在物の改質剤としてCaOを活用して、溶鋼の撹拌により介在物を浮上させ、溶鋼中の介在物を低減させる技術が開示されている。
また、特許文献2には、上記した特許文献1に記載のアルミナ介在物の生成を抑制するため、溶鋼を加炭して脱酸する技術が開示されている。詳細には、真空脱ガス処理時に添加した炭素を活用することで、脱酸材としての金属アルミニウムの使用量を抑制し、真空脱ガス前に炭素を添加することで、真空脱ガス処理時の突沸を防止することが記載されている。また、一次精錬後の出鋼時に、金属アルミニウムを添加することも記載している。
そして、特許文献3、4には、連続鋳造機のタンディッシュにおけるアルミナ介在物を浮上除去するため、タンディッシュ内を受湯部(受鋼部)と排湯部(溶鋼排出部)とに区切る堰に設けられた中空耐火物内で溶鋼を加熱し、この中空耐火物から排出された溶鋼の上昇流を活用することで、アルミナ介在物を効果的に浮上除去させる技術が開示されている。
特許文献1の技術では、相応のアルミナ介在物の低減効果は望めるが、品質の向上を図る上で、更なる介在物個数の低減が必要である。また、本発明者らの知見では、粒径が大きなアルミナ介在物(例えば、70μm以上)を減少させる効果は望めるものの、粒径が小さなアルミナ介在物(10〜50μm程度)を減少させる効果は少ない。
特許文献2の技術は、介在物の抑制効果を記載した図4に示す通り、相応のアルミナ介在物の低減効果は望めるが、粒径が70μmクラスのアルミナ介在物の低減効果に比べ、50μmや30μm、特に20μm以下クラスのアルミナ介在物の低減効果は小さく、品質の向上を図る上で、粒径が小さなアルミナ介在物の低減効果の向上が望まれる。
特許文献3、4の技術では、例えば、「100μm以上の大きさ」(特許文献3の第2頁右下欄第11〜13行目)と記載している通り、相応のアルミナ介在物の低減効果は望めるが、粒径が小さなアルミナ介在物(10〜50μm程度)を減少させる効果は少ない。
前記出鋼工程と前記真空脱ガス工程の間で炭素成分を溶鋼に添加し、該溶鋼を前記真空脱ガス工程で撹拌しながら前記脱炭処理し、該脱炭処理後に前記金属アルミニウムが添加された溶鋼を3分以上12分以下撹拌処理し、
溶鋼を受け入れる受湯部と該溶鋼を連続鋳造する鋳型に注入する排湯部とに区切る堰が内部に設けられ、前記受湯部と前記排湯部を連通する1又は複数の溶鋼流路が前記堰に形成され、しかも、前記溶鋼流路の前記受湯部側に位置する開口部の該受湯部の底面からの高さ位置を、前記受湯部側の溶鋼深さの0.2倍以下とした前記タンディッシュに、前記金属アルミニウムの添加後に前記撹拌処理した溶鋼を注湯する。
ここで、真空脱ガス工程による脱炭処理後に金属アルミニウムを添加するので、溶鋼中の溶存酸素濃度を減少させた溶鋼に対して金属アルミニウムの添加が行われ、アルミナ介在物の生成を抑制できる。このとき、溶鋼には小さなアルミナ介在物が生成するが、その生成量が抑制されているため、この溶鋼を所定時間撹拌処理することで、生成した小さなアルミナ介在物を凝集させ合体させる(凝集合体)効果を促進できるものと考えられる。
そして、この溶鋼を、受湯部と排湯部とに区切る堰が内部に設けられ、この堰の所定高さ位置に受湯部と排湯部を連通する溶鋼流路が形成されたタンディッシュに注湯して連続鋳造するので、このタンディッシュにおいて、凝集合体させたアルミナ介在物の浮上除去効果が得られる。これは、排湯部の表層(湯面近傍)の溶鋼温度がタンディッシュ内で低下し、受湯部の溶鋼温度に比べて排湯部の表層の溶鋼温度が低くなり、排湯部の深さ方向で温度差が生じるため、この温度差に起因した溶鋼の対流(上昇流)により、溶鋼流路から排湯部へ流れる溶鋼中の介在物が浮上除去されることによる。
従って、従来よりもアルミナ介在物の個数を低減でき、特に粒径が20μm以下クラスのアルミナ介在物の個数を低減できる。
まず、本発明の高清浄鋼の製造方法に想到した経緯について説明する。
アルミナ介在物(以下、単に介在物ともいう)は、スラグ中のFeO、MnOや、溶鋼の溶存酸素などと、脱酸材であるAlとが反応することで生成する。
生成当初のアルミナ介在物は、その粒径が小さく(20μm以下)、時間の経過によらずそのまま溶鋼内に残留する場合と、生成した介在物が時間経過と共に緩やかに凝集する場合とがある。
しかし、粒径が小さな介在物(粒径20μm以下クラス)の減少効果は小さい。
これは、特許文献2では、一次精錬炉からの出鋼時又は出鋼後に、溶鋼に伴われているスラグ中に金属アルミニウムやアルミ滓などの還元滓を添加し、スラグ中のFeOやMnOなどの酸化性成分を低減させていることに起因している。
更に、この5〜20μmクラスの微細なアルミナ介在物が、溶鋼中や鋳片内に多数残存する場合には、鋼材の極薄化などの加工時に、欠陥の起点となる頻度が高くなる。
取鍋を用いた溶鋼の撹拌処理は、一般に取鍋底部よりArガスを溶鋼中に吹込み、ガス気泡の浮上効果を用いることで行われ、取鍋内の溶鋼の成分や温度の均一化、また、介在物の浮上除去に用いられている。
本発明者らは、溶鋼の撹拌処理を行うに際し、アルミナの生成量(脱酸直後の介在物の存在状況)によって撹拌の寄与形態が異なることを、数々の実験等から知見した。その状況は、以下の通りである。
この場合、取鍋でのガス撹拌(RH処理での環流撹拌も同様)によるエネルギーは、その大半が既生成の粗大介在物の浮上運動に費やされるため、微小介在物の顕著な個数減少効果が小さい。また、微細な(20μm以下の)アルミナ介在物の個数が多いため、撹拌を行わずとも粒子同士の衝突頻度が高くなり、脱炭処理前に生成したアルミナ介在物は時間の経過と共に凝集合体による浮上が進む。しかし、アルミナ介在物の個数が多過ぎるため、粒径が増加していない介在物は、依然として溶鋼中に残存する。
このように、アルミナ介在物が比較的多い場合、撹拌による介在物除去の効果が不明瞭であると共に、所定の撹拌処理を行っても凝集合体しきれない微細な介在物の除去が困難であるため、撹拌処理の有無による介在物の粒度分布の大幅な変化が認められない。
この場合、撹拌処理により、粒径が5〜20μmクラスの微小介在物の個数が減少し、30〜50μmクラスの介在物の個数が増加することを知見した。
これは、脱炭処理後の溶鋼に金属アルミニウムを添加し、この金属アルミニウムの添加直後にガス撹拌を施すことで、生成した、個数が少ない微細なアルミナ介在物のガス気泡による捕捉効果と、撹拌(流動)による介在物粒子の衝突に伴う凝集合体の効果が得られたことに起因するものと考えられる。
連続鋳造においては、連続鋳造速度に対応する量で溶鋼がタンディッシュに注湯されるため(例えば、8トン/分以下程度の量)、タンディッシュ内での溶鋼の流動速度が、取鍋のガス撹拌における溶鋼の撹拌流速よりも小さく、介在物の凝集合体の効果が望みにくい。
また、タンディッシュ内で溶鋼温度が低下すると、溶解度積の低下によって新たな微細アルミナの生成(2Al+3O→Al2O3)を招き、鋳造した鋳片中のアルミナ介在物の増加が顕著になる場合がある。
一方、タンディッシュ内で溶鋼を加熱することにより、新たなアルミナ介在物の生成を抑制する効果が期待できる。また、タンディッシュの内部に堰(仕切り壁)を立設し、タンディッシュ内の溶鋼に上昇流を発生(加熱後の溶鋼に発生)させると、タンディッシュ内の湯面に存在するスラグの撹拌効果を抑制した状態で、30〜50μm程度の粒子径を有する溶鋼中の介在物を浮上させ、これをスラグに捕捉させる効果が期待できる。
即ち、図1に示すように、本発明の一実施の形態に係る高清浄鋼の製造方法は、大気圧下で吹酸脱炭する一次精錬を行った(転炉で処理した)溶鋼を、少なくとも出鋼工程と真空脱ガス工程で順次処理して溶製した後、連続鋳造工程でタンディッシュ10に注湯して連続鋳造するに際し、真空脱ガス工程による脱炭処理前ではなく脱炭処理後の溶鋼に金属アルミニウムを添加する方法である。
以下、詳しく説明する。
転炉吹錬等の一次精錬直後では、一般に溶鋼の溶存酸素濃度が600〜900ppm程度と高く、この状態で金属アルミニウムの添加による脱酸処理を行うと、極めて多量の微細なアルミナが生成することとなる。この生成した微細なアルミナの一部は、前記したように、時間経過と共に凝集合体して粗大化し、浮上除去されるものもあるが、鋳造までの限られた時間内に、全ての介在物、特に20μm以下クラスの介在物を、完全に浮上除去させることは事実上不可能である。
そこで、まず、一次精錬終了後の溶存酸素濃度が高い状態の溶鋼に対し、介在物生成の起こり得ない脱酸元素である炭素成分を溶鋼に(出鋼工程と真空脱ガス工程の間で)添加する(加炭処理)。次に、炭素成分が添加された取鍋内の溶鋼を、真空脱ガス(真空下での脱ガス処理)工程で撹拌しながら脱炭処理(脱酸処理)を行う。
これにより、溶鋼の溶存酸素濃度を、例えば、50〜200ppm程度まで減少できる。
溶鋼への金属アルミニウムの添加量は、アルミナ生成量の減少につなげるため少なくすることが好ましく、溶鋼中の溶存酸素量に応じて、例えば、溶鋼1トンあたり0.1〜2.4kg程度添加するのがよい。
また、溶鋼の撹拌処理には、取鍋の底部からAr(アルゴン)などの不活性ガスを吹込むガス撹拌(バブリング)や、RHを用いた環流撹拌を使用できる。なお、RHを用いて環流撹拌する場合は、真空度が133〜400×102Pa(1〜300Torr)、好ましくは133×102〜400×102Pa(100〜300Torr)の低真空度で撹拌するとよい。また、取鍋での操業条件(ガス撹拌の撹拌力)は、上記した脱炭処理を行う場合と同様、あるいは、脱炭処理時より低流量(例えば、脱炭処理時のガス流量の0.3倍以上1.0倍未満)でよい。
RHでの環流撹拌では、12分を超えて撹拌処理を行ってもよいが、取鍋でのガス撹拌では、撹拌時間を長くすることで溶鋼の温度低下が大きくなり、新たなアルミナ介在物粒子が生成し易くなる。これは、前記の溶鋼の温度低下に伴う「2Al+3O→Al2O3」反応の溶解度積が低下することに起因する。
そこで、上記した撹拌処理の方法のうち、温度低下による影響を受ける取鍋でのガス撹拌を考慮して、撹拌時間の上限を決定した。
これにより、溶鋼中に生成した小さなアルミナ介在物の凝集合体の効果を促進できる。
タンディッシュ10は、その内部が堰13により、溶鋼鍋11からロングノズル12を介して溶鋼を受け入れる受湯部14と、この溶鋼を連続鋳造する鋳型(図示しない)に注入する排湯部15とに分割されている。なお、排湯部15の底部には浸漬ノズル16が設けられ、排湯部15内の溶鋼を浸漬ノズル16を介して鋳型に注入する構成となっている。
受湯部14と排湯部15を分割する堰13には、この受湯部14と排湯部15を連通する溶鋼流路17を形成する中空耐火物18が設けられている。この中空耐火物18は、受湯部14側の開口部19から溶鋼を受け、この溶鋼を排湯部15側の開口部20から排湯部15へ排出するものである。この中空耐火物18内(溶鋼流路17)を流れる溶鋼は、例えば、前記した特許文献3、4に記載の誘導加熱装置(ここでは、誘導加熱コイル21)によって加熱することもできる。
ここで、堰13に設ける中空耐火物18(溶鋼流路17)の数は、例えば、鋳造条件に応じて、1個でもよく、また、2個以上の複数個でもよい。なお、中空耐火物の数が複数個の場合は、全ての中空耐火物の受湯部側に位置する開口部の受湯部の底面からの高さ位置が、上記した条件を満足するように調整する。この中空耐火物18(溶鋼流路17)の長さ(堰13の厚み)は、例えば、500〜1500mm程度である。
そして、堰13と中空耐火物18は、いずれも耐火物で構成されているが、使用用途に応じて、同一材質で構成してもよく、また、異なる材質で構成してもよい。
更に、中空耐火物18(溶鋼流路17)は、受湯部14から排湯部15へかけて、下方に向けて傾斜させているが、水平でもよい。また、排湯部15の底面23の深さ位置は、受湯部14の底面22の深さ位置よりも深くしているが、同一の深さでもよい。
なお、溶鋼流路は、中空耐火物によって形成することに限定されるものではなく、例えば、堰に孔を貫通(貫通孔)させることで形成することもできる。
一般に、排湯部15の表層の溶鋼温度はタンディッシュ10内で低下するため、受湯部14の溶鋼温度に比べて排湯部15の表層の溶鋼温度は低くなり、排湯部15の深さ方向で溶鋼に温度差が生じる。このため、中空耐火物18から排湯部15へ排出される溶鋼は、中空耐火物18内で誘導加熱されない場合であっても、上記した温度差によって溶鋼の対流(上昇流)が生じ、この対流によって、中空耐火物18から排湯部15へ排出される溶鋼中の介在物が浮上除去される。
また、鋳造時間が長くなってタンディッシュ10内で溶鋼温度が低下すると、溶鋼粘性の上昇に起因して介在物の浮力が弱まり、介在物の浮上効率の悪化を招くと共に、アルミナ生成反応(2Al+3O→Al2O3)の溶解度積が低下し、20μm未満の微細なAl2O3が新たに生成(二次生成)することが懸念される。
更に、前記した介在物の浮上を促進し、新たな微細Al2O3の生成を抑制するためには、タンディッシュ内に受湯部14と排湯部15に区切る堰13を設け、この受湯部14と排湯部15を、堰13に設けられた中空耐火物18で連通させ、この中空耐火物18内の溶鋼を誘導加熱することが望ましい。
従って、得られた溶鋼を連続鋳造することで、従来よりもアルミナ介在物の個数を低減でき、特に粒径が20μm以下クラスのアルミナ介在物の個数を低減した鋼材(鋳片)を製造できる。特に、この鋼材は、介在物の含有量規制に対して最も要求の厳しい飲料缶用鋼板などの製造時においても、介在物に起因する製品不合(製品不良)を著しく低減できることが可能となる。
ここでは、以下の方法を基本として各条件を変更し、鋳片の清浄性の評価を行った。
350トンの転炉にて一次精錬を行った後、取鍋内に出鋼した溶鋼(炭素濃度:0.037質量%、溶存酸素濃度:700ppm)に、ピッチコークス(炭素成分)添加による加炭処理を施した。その後、一本足の大径管の浸漬と取鍋での底吹きのガス撹拌による脱ガス処理(脱炭処理)を行った。
そして、取鍋内の溶鋼に金属アルミニウムを、溶鋼1トンあたり0.1〜2.4kg添加し、更に3〜14分間のガス撹拌(撹拌処理)を施した後、撹拌処理後の取鍋を保温処置(保温材投入等)して速やかに連続鋳造機へ搬送し、撹拌処理後の溶鋼をタンディッシュに注湯して、連続鋳造を実施した。このタンディッシュは、受湯部と排湯部が堰によって区切られ、この受湯部と排湯部が堰に設けられた中空耐火物によって連通(受湯部内の溶鋼は中空耐火物からのみ排湯部へ供給)され、この中空耐火物内の溶鋼を誘導加熱可能な構造となっている。なお、中空耐火物の受湯部側の開口部の下端の、受湯部の底面からの高さ位置は、受湯部側の浴深Hの0.2倍(0.2×H)の位置とした。
試験条件とその結果及び評価を、表1に示す。
また、「取鍋処理後T.[O]」の欄には、「取鍋撹拌時間」の欄の時間でガス撹拌した後の溶鋼のトータル酸素濃度(T.[O](ppm))を記載している。
そして、「誘導加熱の有無」とは、中空耐火物内を流れる溶鋼に対する、上記した誘導加熱の有無を記載しており、「無」は前記した誘導加熱可能なタンディッシュを用いて溶鋼を誘導加熱しなかった場合を指す。なお、「中空耐火物出側の温度増加」とは、中空耐火物内を流れる溶鋼を誘導加熱によって加熱した際の、受湯部内の溶鋼に対する排湯部内(中空耐火物出側)の溶鋼の上昇温度(ΔT)を意味する。
更に、「鋳片」の欄のうち、「T.[O](ppm)」の欄には、連続鋳造を行った後の鋳片のトータル酸素濃度を記載し、「介在物個数」の欄には、代表位置から切り出したサンプル(25mm角)を光学顕微鏡で調査した結果(アルミナ介在物の個数)を記載している。
なお、「評価」は、「介在物個数」の結果が1.00(個/cm2)以下の場合を清浄性が良好(○)と判断し、1.00(個/cm2)超の場合を清浄性が悪い(×)と判断した。
この場合、金属アルミニウムの添加時期によるアルミナ介在物の生成抑制効果、溶鋼の撹拌処理による小さなアルミナ介在物の凝集合体効果、及び、タンディッシュの排湯部内の対流による溶鋼中のアルミナ介在物の浮上除去効果が得られた。
その結果、表1に示すように、鋳片のトータル酸素濃度を低減できると共に、鋳片中に存在するアルミナ介在物の個数を低減でき、鋳片の清浄性を良好にできた(評価:○)。
これは、溶鋼の誘導加熱により、タンディッシュの排湯部内の対流効果と、排湯部における新たな微細アルミナ生成の抑制効果が、増大したことによる。
この場合、加炭処理を施さなかったため、脱ガス処理後の溶鋼に添加する金属アルミニウム量を多くしなければならず、アルミナ介在物が多く生成し、溶鋼の撹拌処理による小さなアルミナ介在物の凝集合体効果が十分に得られなかった。
その結果、表1に示すように、鋳片中に存在するアルミナ介在物の個数が多くなり、鋳片の清浄性が悪くなった(評価:×)。
この場合、比較例10においては、撹拌時間が不足して撹拌処理による小さなアルミナ介在物の凝集合体効果が十分に得られず、また、比較例11においては、撹拌時間の長期化に伴い溶鋼温度が低下して多くのアルミナ介在物が生成した。
その結果、表1に示すように、鋳片中に存在するアルミナ介在物の個数が多くなり、鋳片の清浄性が悪くなった(評価:×)。
この場合、前記したように、スラグ中の酸化性成分が金属アルミニウムで還元され、アルミナが多く生成したため、溶鋼の撹拌処理によるアルミナ介在物の凝集合体効果が十分に得られなかった。
その結果、表1に示すように、鋳片中に存在するアルミナ介在物の個数が多くなり、鋳片の清浄性が悪くなった(評価:×)。
この場合、撹拌処理による小さなアルミナ介在物の凝集合体効果が得られず、表1に示すように、鋳片中に存在するアルミナ介在物の個数が多くなり、鋳片の清浄性が悪くなった(評価:×)。
この場合、加炭処理と脱ガス処理を施さなかったため、溶鋼に添加する金属アルミニウム量が多くなり、アルミナ介在物が多く生成し、溶鋼の撹拌処理による小さなアルミナ介在物の凝集合体効果が十分に得られなかった。
その結果、表1に示すように、鋳片中に存在するアルミナ介在物の個数が多くなり、鋳片の清浄性が悪くなった(評価:×)。
即ち、5μm以上20μm以下と20μm超30μm以下の個数割合の、実施例2の従来法に対する減少分が、30μm超50μm以下の個数割合の、実施例2の従来法に対する増加分に相当する。これは、実施例2が、金属アルミニウムの添加前に加炭処理と脱ガス処理を行っているため、溶鋼中のアルミナ介在物量を少なくでき、その結果、溶鋼の撹拌処理による小さなアルミナ介在物の凝集合体効果が得られたことに起因するものと考えられる。
従って、本発明の高清浄鋼の製造方法を用いることで、従来よりもアルミナ介在物の個数を低減でき、特に粒径が20μm以下クラスのアルミナ介在物の個数を低減できることを確認できた。
また、前記実施の形態においては、一次精錬を行った溶鋼を、出鋼工程と真空脱ガス工程で順次処理して溶製した後、連続鋳造工程で連続鋳造した場合について説明したが、連続鋳造工程前に、必要に応じて、出鋼工程と真空脱ガス工程以外の工程を行ってもよい。
Claims (2)
- 大気圧下で吹酸脱炭する一次精錬を行った溶鋼を、少なくとも出鋼工程と真空脱ガス工程で順次処理して溶製した後、連続鋳造工程でタンディッシュに注湯して連続鋳造するに際し、前記真空脱ガス工程による脱炭処理前ではなく該脱炭処理後の溶鋼に金属アルミニウムを添加する高清浄鋼の製造方法であって、
前記出鋼工程と前記真空脱ガス工程の間で炭素成分を溶鋼に添加し、該溶鋼を前記真空脱ガス工程で撹拌しながら前記脱炭処理し、該脱炭処理後に前記金属アルミニウムが添加された溶鋼を3分以上12分以下撹拌処理し、
溶鋼を受け入れる受湯部と該溶鋼を連続鋳造する鋳型に注入する排湯部とに区切る堰が内部に設けられ、前記受湯部と前記排湯部を連通する1又は複数の溶鋼流路が前記堰に形成され、しかも、前記溶鋼流路の前記受湯部側に位置する開口部の該受湯部の底面からの高さ位置を、前記受湯部側の溶鋼深さの0.2倍以下とした前記タンディッシュに、前記金属アルミニウムの添加後に前記撹拌処理した溶鋼を注湯することを特徴とする高清浄鋼の製造方法。 - 請求項1記載の高清浄鋼の製造方法において、前記溶鋼流路を流れる溶鋼を誘導加熱することを特徴とする高清浄鋼の製造方法。
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