TWI842597B - 熔鋼之脫氮方法 - Google Patents

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小山拓彌
溝端圭介
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日商杰富意鋼鐵股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種可廉價且穩定地將熔解爐或精煉爐內之熔鋼中氮濃度降低至低氮濃度區域之技術。本發明係一種熔鋼之脫氮方法,其係對填充於熔解爐或精煉爐中之熔鋼供給含氧氣體、及載送氣體所搬送之碳源;其為,於俯視圖中,相對於連接上述碳源吹入管吐出孔之前端(X點)、上述碳源吹入方向之中心軸延長線與爐內壁之交點(Y點)、及送氧噴槍吐出孔之前端(Z點)之三角形ΔXYZ,將距X點之距離為XY邊之長度之2/3之XY邊上之位置設為W點,將角∠XZW設為角度θ 1(°),於俯視圖中,自通過送氧噴槍吐出孔之前端(Z點)之ZX邊朝向Y側打開之含氧氣體之吹入方向θ 2(°),在成為正值且θ 1以下之範圍之條件下,同時吹送含氧氣體及碳源。

Description

熔鋼之脫氮方法
本發明係關於一種在將廢料、還原鐵及生鐵等鐵源原料於熔解爐或精煉爐中進行處理以製造鋼之步驟中,對熔鋼供給含氧氣體及碳源,而自熔鋼脫氮之方法。
對金屬材料而言氮係有害成分,於習知之製鋼製程中,主要使熔鐵中之氮[N]吸附於熔鐵之脫碳處理時所產生之一氧化碳(CO)的氣泡表面以去除。因此,有關碳濃度較低之熔鋼,由於一氧化碳之產生量有限,其無法用相同之方法將氮去除至低濃度。此處,所謂熔鐵係指以鐵份為主,即含有超過50%之熔融金屬,除了熔鐵、熔鋼以外,還包括將冷鐵源熔解所成之物、該等混合所成之熔融金屬。
另一方面,為了保護地球環境,被要求降低CO 2排放量。為此,其需要將製鋼製程由習知之使用高爐、轉爐之方法轉換為將廢料或還原鐵進行熔解之方法。於此情形下,其有所獲得之熔鐵的碳濃度變低,因上述理由而無法熔製低氮鋼之虞。
因此,被提出若干方法,如於電爐內之熔鋼中使碳[C]與含氧氣體反應,並活用該反應所產生之一氧化碳氣泡以有效地進行熔鋼脫氮之方法。例如,專利文獻1中揭示有對熔鋼吹入碳之速度及供給氧之速度條件、以及對熔鋼吹入碳時之載送氣體(carrier gas)中之氮濃度限制(≦3 vol.%)。並且,藉由促進脫氮與抑制吸氮並行,其可將精煉結束時之熔鋼中氮濃度[N]降低至25mass ppm以下。
又,專利文獻2中揭示有使用含烴氣體作為吹入熔鋼中之碳源的載送氣體。並且,其與將空氣作為載送氣體時相比,可獲得促進增碳、以及使熔鋼中之氮濃度[N]低於約20mass ppm之效果。
又,專利文獻3中揭示有將碳及氧同時且分開地注入至爐內之同一區域。並且,其與僅注入氧之情形相比,熔鋼之脫氮可促進5mass ppm左右。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1:日本專利特開平11-012634號公報 專利文獻2:日本專利特開平03-028312號公報 專利文獻3:日本專利特表2002-533566號公報
(發明所欲解決之問題)
然而,上述習知技術存在以下之問題,即對電爐內之熔鋼中吹入碳源時之載送氣體通常為使用空氣或氮氣。相對於此,專利文獻1或專利文獻2所記載之方法係使用氬氣或含烴氣體作為載送氣體。其需要用來導入與該等通例不同之氣體之配管、儲氣罐等其他高額之設備投資。
又,專利文獻3所記載之方法,係於注入氧之區域附近注入碳。該注入碳之區域係局部獲得比未注入碳區域之碳濃度(即鋼浴之平均碳濃度)更高的碳濃度。因此,其對促進該區域之一氧化碳氣體之產生具有其意義。然而,其未記載該局部區域之定義,即未記載碳注入部位與氧注入部位之距離間隔容許至多遠,而僅示出有「大約20cm」之實施例。其碳源吹入管亦多為爐壁嵌埋式。於此情形下,其需要另外設置碳源用噴槍,改造噴槍位置調整裝置及其他設備,以使碳可注入至氧注入部位附近,但此並不符合實際。
本發明係鑒於上述情況所完成者,其目的在於提供一種無需大規模投資即可穩定地將熔解爐或精煉爐內之熔鋼中氮濃度降低至低氮濃度區域之技術。 (解決問題之技術手段)
可有利地解決上述問題之本發明之熔鋼的脫氮方法係,對填充於熔解爐或精煉爐中之熔鋼供給含氧氣體、及載送氣體所搬送之碳源;其為,於俯視圖中,相對於連接上述碳源吹入管吐出孔之前端(X點)、上述碳源吹入方向之中心軸延長線與爐內壁之交點(Y點)、及送氧噴槍吐出孔之前端(Z點)之三角形ΔXYZ,將距X點之距離為XY邊之長度之2/3之XY邊上之位置設為W點,將角∠XZW設為角度θ 1(°),於俯視圖中,自通過送氧噴槍吐出孔之前端(Z點)之ZX邊朝Y側打開之含氧氣體之吹入方向θ 2(°),在成為正值且θ 1以下之範圍之條件下,同時吹送含氧氣體及碳源。
再者,有關於本發明之熔鋼之脫氮方法,更佳之解決手段係如下述等: (a)當上述碳源吹入管具有數根之情形時,至少有一根碳源吹入管之關係滿足上述條件; (b)確保分別自上述碳源吹入管及上述送氧噴槍同時供給碳源及含氧氣體之時間t 1(min)為自冷鐵源開始熔解至爐內熔鋼開始出鋼為止所需之時間t 2(min)之至少30%以上; (c)上述W點位於上述XY邊之中點; (d)上述熔解爐為電爐。 (對照先前技術之功效)
根據本發明之熔鋼之脫氮方法,其無需大規模投資,即可穩定地將熔解爐或精煉爐內之熔鋼中氮濃度降低至低氮濃度區域內。
以下,對本發明之實施形態具體地說明。再者,各圖式為示意性圖式,其有時與實際有所不同。又,以下之實施形態例示了用於將本發明之技術思想具體化之裝置或方法,但本發明之構成並不被特定為下述者。亦即,本發明之技術思想可於申請專利範圍所記載之技術範圍內施加各種變更。
圖1表示實施本發明時較佳裝置構成之一例。於圖1之例中,作為熔解爐之精煉容器中使用弧型電爐。使用推進器3,將自料車或起重機鏟斗等投入之廢料2壓入至弧型電爐之爐體1。然後,自石墨電極4產生電弧使屬於冷鐵源之廢料2熔解,而獲得熔鋼5。同時,自爐上料斗設備6將助熔劑7添加至熔鋼5上,以獲得爐渣8。為了促進廢料2之熔解,自氧氣配管系統9通過排渣側送氧噴槍10,將含氧氣體11對廢料投入側之熔鋼5吹送。與此同時,為了增加熔鋼5中之碳濃度或因爐渣8成形而將熔鋼5與大氣阻隔,自載送氣體配管系統12通過碳源吹入管13,將碳源及載送氣體14吹送至熔鋼5。圖1之例中,碳源吹入管13水平地嵌埋於爐壁19中。隨著廢料之熔解,亦自出鋼側送氧噴槍15將含氧氣體11吹送至熔鋼5。經過既定時間後,停止供給含氧氣體11、碳源及載送氣體14。與此同時,停止自石墨電極4之電弧通電,並將爐渣8之一部分自排渣口16排出至爐外。其後,將熔鋼5自出鋼口17向爐外排放出鋼。
作為熔解爐或精煉爐,除了弧型電爐以外,還可例示感應熔解爐、盛鋼桶精煉爐。有關冷鐵源,除了廢料以外,還可使用還原鐵,較佳為使用可再生能源製造之鐵源。再者,還原鐵係以通常可獲取者作為對象。有關含氧氣體11,可使用純氧或氧氣之稀釋氣體。為了促進脫氮,稀釋氣體較佳者為不含氮,可例示氬氣、二氧化碳等。對於碳源之載送氣體,可使用空氣等。
對於此一處理,本發明人等使用與圖1類似之弧型電爐,分別將含氧氣體11與碳源及載送氣體14同時且分離地進行吹送。並對此時之吹送方向或吹送條件對脫氮之影響實施詳細之調查。
調查時,按照圖2(a)及(b)中所記載之配置,以固定之吹入方向,將作為碳源之粉末碳與作為載送氣體之空氣一起吹送至熔鋼5。與此同時,如圖2(a)所示,改變排渣側送氧噴槍10之吐出孔之朝向(方向),以O1~O3之任一者之朝向將含氧氣體之氧氣吹送至熔鋼。又,如圖2(b)所示,改變出鋼側送氧噴槍15之吐出孔的朝向,以O4~O6之任一者之朝向將氧氣吹送至熔鋼。
將排渣側及出鋼側之碳源吹入管13a、13b的吐出孔之前端分別設為X點及x點。將自各個碳源吹入管吹送之空氣及粉末碳14於俯視圖中之中心軸延長線與爐壁19之交點分別設為Y點及y點。將排渣側及出鋼側之氧氣吐出孔前端分別設為Z點及z點。又,將距X點之距離為XY邊之長度之2/3的XY邊上之位置設為W點,將距x點之距離為xy邊的長度之2/3之xy邊上的位置設為w點。首先,如圖2(a)所示,當自排渣側送氧噴槍10吹入含氧氣體時,將以排渣側之氧氣吐出孔前端(Z點)為頂點之三角形分別設為ΔXYZ、ΔXWZ、ΔxyZ及ΔxwZ。此時,氧吹入方向O1係,在俯視圖中氧氣噴流之中心軸延長線位於ΔXWZ及ΔxwZ兩者以外之氧氣吹送方法。氧吹入方向O2、O3係,在俯視圖中氧氣噴流之中心軸延長線係位於ΔXWZ中,並且氧吹入方向O2亦位於ΔxwZ中之氧氣吹送方法。
又,如圖2(b)所示,當自出鋼側送氧噴槍15吹入含氧氣體時,將以出鋼側之氧氣吐出孔前端(z點)為頂點之三角形分別設為Δxyz、Δxwz、ΔXYz及ΔXWz。此時,氧吹入方向O4係,在俯視圖中之氧氣噴流之中心軸延長線位於Δxwz及ΔXWz兩者以外之氧氣吹送方法。氧吹入方向O5、O6,在俯視圖中氧氣噴流之中心軸延長線係位於Δxwz中,並且氧吹入方向O5亦位於ΔXWz中之氧氣吹送方法。
於爐內裝入廢料,將自石墨電極4開始通電之時刻設為開始熔解(開始處理),然後,立即以空氣為載體自排渣側及出鋼側之碳源吹入管13a、13b吹送粉末碳。與此同時,如表1所記載,自排渣側送氧噴槍10以O1~O3之朝向吹送氧氣15~45分鐘後,停止送氧。立即自出鋼側送氧噴槍15以O4~O6之朝向吹送氧氣15分鐘~45分鐘。停止自石墨電極4之通電後,採取爐內熔鋼5之樣品,並將爐內熔鋼5排放出鋼。將樣品供為調查碳濃度及氮濃度之分析。
再者,投入至爐內之廢料2係總量為含氮濃度22mass ppm左右之新斷屑。投入至爐內之碳源,係使用自碳源吹入管13吹送之粉狀碳、以及自爐上料斗設備6添加之塊狀碳。並且,以使處理結束時之熔鋼中碳濃度[C]大致成為0.05mass%之方式進行調整。其結果與條件一併被記載於表1中。
[表1]
水準 排渣側條件 出鋼側條件 同時吹 入合計 時間t 1 處理 時間t 2 出鋼前之 鋼組成
送氧 吹入碳 同時 吹入 送氧 吹入碳 同時 吹入
朝向 時間 時間 時間 朝向 時間 時間 時間 [C] [N]
min min min min min min min min mass% mass ppm
1 O1 45 60 45 O4 15 60 15 60 60 0.05 136
2 O1 45 60 45 O5 15 60 15 60 60 0.06 68
3 O1 45 60 45 O6 15 60 15 60 60 0.04 69
4 O1 40 60 40 O5 20 60 20 60 60 0.05 35
5 O1 35 60 25 O5 25 60 25 60 60 0.04 27
6 O1 15 60 15 O5 45 60 45 60 60 0.05 12
7 O2 20 60 20 O4 20 60 20 40 70 0.05 36
8 O2 20 60 20 O5 20 60 20 40 70 0.05 18
9 O2 20 60 20 O6 20 60 20 40 70 0.06 17
10 O3 30 60 30 O4 15 60 15 45 60 0.04 21
11 O3 30 60 30 O5 15 60 15 45 60 0.05 12
12 O3 30 60 30 O6 15 60 15 45 60 0.05 12
如表1所示,於水準1至水準12中,出鋼前之樣品之碳濃度[C]全部大致為0.05mass%。另一方面,氮濃度[N]為12mass ppm至136 mass ppm,差異較大。於氧氣吹入方向為O1或O4之任一者、或包含兩者之水準時,該方向之氧吹入時間越短,氮濃度越低。可知對O1及O4任一者均不包含之水準中,其可穩定地將氮濃度[N]降低至20mass ppm以下。
由該結果可知,未必需要如專利文獻3般將氧及碳注入至同一區域中。如圖3所示,可知於將碳源吹入管吐出孔之前端設為X點,將俯視圖中之碳源吹入方向之中心軸延長線與爐內壁之交點設為Y點,將距X點之距離為XY邊之長度之2/3之XY邊上之位置設為W點,將送氧噴槍吐出孔前端設為Z點,並將三角形ΔXWZ之角∠XWZ設為角度θ 1(°)時,俯視圖中,自通過送氧噴槍吐出孔前端(Z點)之ZX邊向Y側打開之含氧氣體之吹入方向θ 2(°)為正值且為θ 1以下,藉由同時吹送碳及氧,可獲得較高之脫氮效果。其原因在於,若表示氧吹送方向之角度θ 2為0或負值,則有絕大部分氧氣噴流朝向爐壁而損傷爐壁19之顧慮。又,於具有數根碳源吹入管之情形時,較佳為至少一處碳源吹入管與其之間滿足上述條件。再者,不論氧氣或被吹入之碳源,當遠離吐出口時,其線速度均會衰減,因此更佳為使W點自距X點之距離為XY邊長度之2/3的位置向X點側移動來進行設定,具體而言使W點為XY邊之中點更佳。
角度θ 1(°)可根據設備圖式來求出,亦可利用XY、YZ及XZ邊之各自長度L XY(m)、L YZ(m)及L XZ(m),根據三角形餘弦定理並參考下述式1~3等來計算。
[式1] [式2] [式3]
繼而,按照有效之碳及氧之同時供給時間,將表1中所記載之實驗結果進行整理。將自廢料開始熔解至爐內熔鋼開始出鋼為止之所需時間設為t 2(min)。至少一處碳源吹入管與其之間,自送氧噴槍之氧吹入方向滿足上述條件,並且將自含氧氣體供給孔及碳源供給孔同時供給碳及氧之時間設為t 1(min)。按照R=t 1/t 2×100(%),將有效之碳及氧之同時供給時間率進行整理,結果得知,如圖4所示,同時供給時間率R越長,在出鋼前之樣品分析之氮濃度[N]則越低。
通常,低氮鋼係指製品氮濃度為40ppm以下者。因此,將熔鋼中氮濃度[N]為40mass ppm以下設為低氮濃度區域。首先,在與至少1處碳源吹入管之關係上需滿足以下條件:自送氧噴槍之氧吹入方向自XZ邊向Y側打開之角度θ 2(°)為正值且θ 1以下之範圍。進而,為了設為低氮濃度區域,較佳係確保滿足上述條件之有效之碳及氧之同時供給時間率R相對於操作時間為30%以上。又,極低氮鋼係指製品氮濃度為25ppm以下者。因此,將熔鋼中氮濃度[N]為25ppm以下設為極低氮濃度區域。如此,為了設為極低氮濃度區域,相對於操作時間為確保滿足上述條件之有效碳及氧之同時供給時間率R使為45%以上則更佳。
本發明係根據此一調查所提出者,其無需大規模投資,便可穩定地將熔解爐或精煉爐內之熔鋼中氮濃度降低至低氮濃度區域。 [實施例]
於殘留有碳濃度為0.03~0.06mass%之約60~70 t之熔鋼5之交流弧型電爐內,利用推進器3每次裝入10~15t之新斷屑(含氮量約為22mass ppm)作為廢料2。同時,使用來自石墨電極4之電弧,將廢料2熔解。於所獲得之熔鋼5中在上添加1.8 t之焦炭,自排渣側碳源吹入管13a以10~20kg/min之速度,自出鋼側碳源吹入管13b以20~30kg/min之速度將粉末碳與空氣載體一起吹入爐內,對熔鋼5進行增碳。自排渣側送氧噴槍10將氧氣以60~70Nm 3/min吹送至熔鋼中,自排渣側送氧噴槍10之送氧停止後,立即自出鋼側送氧噴槍15將氧氣以40~50Nm 3/min吹送至熔鋼中,並進行脫碳處理。自開始通電使廢料開始熔解至爐內熔鋼開始出鋼為止所需時間t 2(min)為50分鐘~60分鐘,自電爐出鋼之熔鋼中其碳濃度[C]為0.03~0.06mass%。在排渣側送氧噴槍10與排渣側碳源吹入管13a及出鋼側碳源吹入管13b之關係上,θ 1分別為95°及105°。在出鋼側送氧噴槍15與排渣側碳源吹入管13a及出鋼側碳源吹入管13b之關係上,θ 1分別為40°及85°。任意調整氧吹入方向θ 2、以及有效碳及氧之同時供給時間率R,並確認脫氮行為。所得之熔鋼之溫度為1590~1600℃,每次處理之熔解量為210~220t,爐渣量為100~150kg/t-熔鋼。將結果與操作條件一併示於表2。
[表2]
試驗 No. 排渣側氧吹入條件 出鋼側氧吹入條件 R 出鋼時之鋼組成 備註
排渣側碳源 出鋼側碳源 排渣側碳源 出鋼側碳源
θ 1 θ 2 θ 1 θ 2 θ 1 θ 2 θ 1 θ 2 [C] [N]
° ° ° ° ° ° ° ° % mass% mass ppm   
1 95 170 105 110 40 -10 85 10 25 0.05 51 發明例
2 95 170 105 110 40 25 85 45 28 0.04 44 發明例
3 95 170 105 110 40 20 85 40 35 0.06 33 發明例
4 95 60 105 0 40 20 85 40 58 0.05 20 發明例
5 95 60 105 0 40 20 85 40 75 0.04 12 發明例
6 95 170 105 110 40 75 85 95 0 0.03 120 比較例
在與任一碳源供給孔之關係上,排渣側或出鋼側氧吹入方向θ 2滿足正值且θ 1以下之條件的試驗No.1~5係本發明例。在與排渣側及出鋼側碳源供給之關係上,排渣側及出鋼側氧吹入方向θ 2均為0或負值或者大於θ 1之試驗No.6為比較例。本發明例與比較例相比,出鋼時氮濃度[N]為1/2以下。
於確保有效碳及氧之同時供給時間率R為30%以上之試驗No.3中,其與比較例相比,出鋼時氮濃度[N]為約1/4之低氮濃度區域(≦40mass ppm)。於確保有效碳及氧之同時供給時間率R為45%以上之試驗No.4及5中,出鋼時氮濃度[N]達到極低氮濃度區域(≦25mass ppm)。
本說明書中所使用之單位可如下所示進行換算。 質量單位係設為1t=1000kg。 氣體之體積單位所附之「N」係表示標準狀態,亦即,於0℃、101325 Pa下之狀態。 (產業上之可利用性)
根據本發明的熔鋼之脫氮方法,其無需大規模投資,便可穩定地將熔解爐或精煉爐內之熔鋼中氮濃度降低至低氮濃度區域,因而於產業上極為有用。
1:爐體 2:廢料 3:推進器 4:石墨電極 5:熔鋼 6:爐上料斗設備 7:助熔劑 8:爐渣 9:氧氣配管系統 10:排渣側送氧噴槍 11:含氧氣體(氧) 12:碳源及載送氣體配管系統 13:碳源吹入管 13a:(排渣側)碳源吹入管 13b:(出鋼側)碳源吹入管 14:碳源及載送氣體(粉末碳及空氣) 15:出鋼側送氧噴槍 16:排渣口 17:出鋼口 18:排氣 19:爐壁 O1~O6、On:俯視圖中之氧吹入方向(中心軸) W:距X點之距離為XY邊之長度之2/3之XY邊上之位置 w:距x點之距離為xy邊之長度之2/3之xy邊上之位置 X、x:碳源吹入管吐出孔之前端 Y、y:俯視圖中之碳源吹入方向之中心軸與爐內壁之交點 Z、z:送氧噴槍氧吐出孔之前端 θ 1:角∠XZW之角度 θ 2:氧吹送方向之角度
圖1係表示用於實施本發明之裝置的一例之示意圖,(a)表示縱剖面圖,(b)表示俯視圖。 圖2係表示對同時吹送氧氣及碳時之朝向對脫氮的影響進行調查之實驗概要的示意圖,(a)表示自排渣側之送氧噴槍吹入含氧氣體的情形,(b)表示自出鋼側之送氧噴槍吹入含氧氣體的情形。 圖3係表示於同時吹送含氧氣體及碳源時,適於脫氮之含氧氣體之吹入方向的示意圖。 圖4係表示本發明之含氧氣體與碳源之同時供給時間率R(%)對熔鋼中氮濃度之影響的圖表。
2:廢料
9:氧氣配管系統
10:排渣側送氧噴槍
12:碳源及載送氣體配管系統
13a:(排渣側)碳源吹入管
13b:(出鋼側)碳源吹入管
15:出鋼側送氧噴槍
19:爐壁
O1~O6:俯視圖中之氧吹入方向(中心軸)
W:距X點之距離為XY邊之長度之2/3之XY邊上之位置
w:距x點之距離為xy邊之長度之2/3之xy邊上之位置
X、x:碳源吹入管吐出孔之前端
Y、y:俯視圖中之碳源吹入方向之中心軸與爐內壁之交點
Z、z:送氧噴槍氧吐出孔之前端

Claims (7)

  1. 一種熔鋼之脫氮方法,其係對填充於熔解爐或精煉爐中之熔鋼供給含氧氣體、及載送氣體所搬送之碳源;其中, 於俯視圖中,相對於連接上述碳源吹入管吐出孔之前端(X點)、上述碳源吹入方向之中心軸延長線與爐內壁之交點(Y點)、及送氧噴槍吐出孔之前端(Z點)之三角形ΔXYZ,將距X點之距離為XY邊之長度之2/3之XY邊上之位置設為W點,將角∠XZW設為角度θ 1(°),於俯視圖中,自通過送氧噴槍吐出孔之前端(Z點)之ZX邊朝向Y側打開之含氧氣體之吹入方向θ 2(°),在成為正值且θ 1以下之範圍之條件下,同時吹送含氧氣體及碳源。
  2. 如請求項1之熔鋼之脫氮方法,其中,當上述碳源吹入管具有數根之情形時,至少有一根碳源吹入管之關係滿足上述條件。
  3. 如請求項1之熔鋼之脫氮方法,其中,確保分別自上述碳源吹入管及上述送氧噴槍同時供給碳源及含氧氣體之時間t 1(min)為自冷鐵源開始熔解至爐內熔鋼開始出鋼為止之所需時間t 2(min)之至少30%以上。
  4. 如請求項2之熔鋼之脫氮方法,其中,確保分別自上述碳源吹入管及上述送氧噴槍同時供給碳源及含氧氣體之時間t 1(min)為自冷鐵源開始熔解至爐內熔鋼開始出鋼為止之所需時間t 2(min)之至少30%以上。
  5. 如請求項1至4中任一項之熔鋼之脫氮方法,其中,上述W點位於上述XY邊之中點。
  6. 如請求項1至4中任一項之熔鋼之脫氮方法,其中,上述熔解爐為電爐。
  7. 如請求項5之熔鋼之脫氮方法,其中,上述熔解爐為電爐。
TW112127249A 2022-08-18 2023-07-21 熔鋼之脫氮方法 TWI842597B (zh)

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JP2016108575A (ja) 2014-12-02 2016-06-20 新日鐵住金株式会社 直流アーク式電気炉による高純度鋼の製造方法

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