JP6354472B2 - 溶鋼の脱硫処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼精錬における溶鋼処理において、ＲＨ式真空脱ガス処理装置を用い、真空槽内に脱硫フラックスを添加して溶鋼の脱硫処理を施すに際し、従来よりも脱硫反応効率を向上させて脱硫フラックスの使用量を低減することができる溶鋼の脱硫処理方法に関する。

鋼材中の硫黄（Ｓ）は耐食性や、溶接性などといった鋼材の多数の特性に影響を与える。ラインパイプやガスタンクなどに用いられる鋼材では、Ｓ濃度をより低減することが求められている。特に、Ｓ濃度として０．００１０％以下が要求される極低硫鋼では、転炉処理後の二次精錬工程における溶鋼脱硫が必要である。ここで、二次精錬ではＲＨ式真空脱ガス処理が主に行われており、ＲＨ式真空脱ガス処理における脱硫反応効率を向上させることが有効である。

ＲＨ式真空脱ガス処理における脱硫は、処理中にＣａＯを主体とする脱硫フラックスを添加することで行う。脱硫フラックスによる脱硫を促進するためには、脱硫フラックスの粒子を溶鋼中に巻き込ませ、溶鋼とフラックス間での脱硫反応が生じる反応界面積を増大させることが有効である。

特許文献１では、真空槽内の溶鋼上に脱硫剤を添加しながら、真空槽側壁の下部から下降浸漬管への吐出孔を横切るように不活性ガスを真空槽内の溶鋼中に吹き込む方法が提示されている。この方法を用いると、ＲＨ式真空脱ガス処理装置内の溶鋼環流が抑制され、脱硫フラックス粒子が巻き込まれ、溶鋼との反応界面積ならびに反応時間が長くなって、脱硫が促進される。しかし、この方法では、真空槽内側壁から吹き込まれたガスによるスプラッシュが増加し、鉄ロスならびに耐火物溶損を招いてしまうおそれがある。

特許文献２では、溶鋼の上昇流を導く浸漬管の下方中央に開口させた脱硫剤の吹込みランスから、微粉状脱硫剤をキャリアガスと共に溶鋼の上昇流中に吹込む方法が提示されている。この方法を用いると、直接溶鋼中に脱硫フラックス粒子を吹き込み巻き込ませるため、脱硫が促進される。しかし、この方法では溶鋼中に脱硫フラックスを吹込むランスを浸漬せねばならず、ランスの溶損が生じてしまうことに加え、ランスを浸漬させるスペースが必要であることから、使用条件が限定される。

特許文献３では、粉状の脱硫剤をキャリアガスと共に溶鋼中に吹き込み、吹き込んだ脱硫剤と溶鋼とをＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で混合して脱硫する方法が提示されている。この方法を用いると、上昇管内に脱硫フラックスを直接吹き込み巻き込ませることができ、脱硫が促進される。しかし、この方法では、上昇管の脱硫フラックスを吹き込む羽口近傍の耐火物の溶損が促進されてしまうし、上昇管を浮上するガス気泡量が増加するため、真空槽内でのスプラッシュが増加してしまい、鉄ロスや耐火物溶損に注意が必要になる。

特開平９−１１８９１４号公報 特開昭５８−０３７１１２号公報 特開２００２−１６１３１０号公報

脱硫反応効率を高めるためには、脱硫フラックスを溶鋼中に巻き込ませることが有効であるが、キャリアガスとともに溶鋼中にインジェクションする方法では耐火物溶損やスプラッシュ増加による鉄ロスといった課題があり、その解決は簡単ではない。

そこで、本発明では溶鋼中にインジェクションすることなく、ＲＨ式真空脱ガス処理条件の適正化により真空槽内に添加した脱硫フラックスを溶鋼に巻き込ませることで、脱硫反応効率を向上させることができる溶鋼の脱硫方法を提供することを課題とする。

ＲＨ式真空脱ガス処理において、真空槽内に添加された脱硫フラックスは真空槽内の溶鋼流動によって下降管直上に運ばれる。その際、フラックスが真空槽内の溶鋼表面上に滞留してしまう可能性があり、滞留する割合が高くなると脱硫反応が生じる界面積は小さくなってしまう。したがって、脱硫反応を促進するためには、フラックスを溶鋼中に巻き込ませる必要がある。

そこで、真空槽内の溶鋼が下降管を通じ下降する流れによって、真空槽内の溶鋼表面に滞留しているフラックスを巻き込ませることができる条件を検討した。フラックスを巻き込ませるためには、下降管内の下降流速を大きくすることと、真空槽内の浴深を浅くすることの二点が必要である。しかし、浴深については、過度に浅くすると真空槽の底面にフラックスが付着してしまい、脱硫反応に寄与しなくなる。また、フラックスの巻き込みが生じる浴深の上限は、下降管内の下降流速に依存する。そのため、真空槽内の浴深には適正な範囲が存在するが、その範囲は装置形状や処理条件により異なる。そこで、フラックスを下降流に巻き込ませて脱硫反応効率を向上させることができる、装置形状に応じた処理条件を試験により明らかにした。その結果、本発明の要旨を次のように纏めることができた。

（１）真空槽と溶鋼上昇浸漬管及び溶鋼下降浸漬管とを有するＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いる溶鋼の真空処理において、その真空槽内に脱硫フラックスを添加して溶鋼を脱硫処理するにあたり、
当該溶鋼の環流量と前記下降浸漬管の断面積との比（Ｑ／Ａ）が（１）式を満足し、かつ、前記真空槽内の湯面から槽底までの深さである浴深（ｈ）が（２）式を満足すること
を特徴とする溶鋼の脱硫処理方法。
０．５６≦（Ｑ／Ａ） ・・・・・・・・・・・・・・（１）
０．０５≦ｈ≦０．３９・（Ｑ／Ａ）−０．１７ ・・・（２）
（１）式中、Ｑは溶鋼の環流量（ｍ^３／ｓ）、Ａは下降浸漬管の断面積（ｍ^２）であり、（２）式中、ｈは真空槽内の浴深（ｍ）である。

（２）前記浴深（ｈ）が更に（３）式を満足することを特徴とする上記（１）に記載の溶鋼の脱硫処理方法。
ｈ≦０．１３ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

（３）前記脱硫フラックスの添加を、真空槽内に設置した上吹きランスを用いて行うことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶鋼の脱硫処理方法。

本発明を用いることで、脱硫フラックスの反応効率が飛躍的に向上し、同一のフラックス使用原単位であれば、より低い溶鋼中Ｓ濃度に低減できるため、脱硫フラックスの添加量を低減することが可能となる。これにより、スラグ排出量も低減することができ、環境負荷の低減による社会的貢献度は非常に大きい。

図１は、ＲＨ式真空脱ガス装置の概略図である。 図２は、溶鋼の下降速度を表す「環流量／下降管断面積」の比の値に応じて、脱硫処理後の溶鋼中Ｓ濃度に及ぼす真空槽内浴深の影響が変化することを示す図である。 図３は、脱硫処理後の溶鋼中Ｓ濃度低減に関する、「環流量／下降浸漬管断面積」及び真空槽内浴深の適切な範囲を示す図である。

本発明を実施するための形態を説明する。
本発明は転炉処理後にＲＨ式真空脱ガス処理を行う場合を例として挙げるが、転炉処理とＲＨ式真空脱ガス処理の間に、合金成分調整やスラグ改質を目的とした、大気圧下での不活性ガス吹き込みによる取鍋精錬処理を行っても良い。

転炉処理後に溶鋼を取鍋に出鋼する。取鍋をＲＨ式真空脱ガス処理装置へ搬送し、真空処理を開始する。

本発明で用いるＲＨ式環流型脱ガス装置は、例えば図１に示すような真空槽１を有する溶鋼処理装置である。図１に示すように、真空槽１は上昇浸漬管５および下降浸漬管６と連設されている。上昇浸漬管５および下降浸漬管６の一部は、取鍋９内の溶鋼８に浸漬されている。上昇浸漬管５には、還流ガス吹込み孔４が設けられている。還流ガス３は還流ガス吹込み孔４から、上昇浸漬管５内の溶鋼に吹き込まれる。また、真空槽１には不図示の合金添加孔が設けられており、さらに上吹きランスが設けられていることもある。本発明において、浴深ｈは真空槽１内の湯面から真空槽１の槽底２までの溶鋼深さを表す。（１）式中、還流量Ｑは溶鋼が下降浸漬管６を下降する流量であり、Ａは下降浸漬管６の断面積である。

ＲＨ式真空脱ガス処理において、真空槽１内に添加された脱硫フラックスは、真空槽内の溶鋼流動によって下降浸漬管６の直上に運ばれる。その際、フラックスは真空槽内の溶鋼表面上に滞留してしまう傾向があり、その滞留比率が高くなると脱硫反応が生じる界面積は小さくなってしまう。したがって、脱硫反応を促進するためには、フラックスを溶鋼中に効率よく巻き込ませる必要がある。

そこで、真空槽内の溶鋼が下降浸漬管６を通じ下降する流れによって、真空槽内の溶鋼表面に滞留しているフラックスを巻き込ませることができる条件を検討した。フラックスを巻き込ませるためには、下降管内の下降流速を大きくすることと、真空槽内の浴深を浅くすることの二点が必要である。しかし、浴深については、過度に浅くすると、真空槽の底面にフラックスが付着してしまい、その付着したフラックスは脱硫反応に寄与しなくなる。一方、フラックスの巻き込みが生じる浴深の上限は、下降浸漬管内の下降流速に依存する。そのため、真空槽内の浴深には適正な範囲が存在するが、その範囲は装置形状や処理条件により異なる。そこで、フラックスを下降流に効率よく巻き込ませて脱硫反応効率を向上させることができる、装置形状に応じた処理条件を試験により明らかにした。

１００〜２５０トンの溶鋼をＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いて脱硫処理するにあたり、Ｃ濃度が０．０１０〜０．１０％、Ｓｉ濃度が０．０２０〜０．５０％、Ｍｎ濃度が０．３０〜１．５０％、Ａｌ濃度が０．０２５〜０．１４％、Ｓ濃度が０．００２８〜０．００３２％である溶鋼に対し、真空槽内に最大粒径が１５０μｍであるＣａＯ粉体を脱硫フラックスとして添加した。脱硫フラックスの添加量は７．０ｋｇ／ｔに統一し、下降浸漬管内の下降流速を各所定の一定値に維持すべく溶鋼の環流量を所定値に制御した。

その所定の環流量において、真空槽内の溶鋼深さを所定の深さに維持した状態で、約１０分間にわたってフラックスをＡｒガスとともに連続的に溶鋼に吹き付けた。その吹き付けが完了した後、さらに５分間の溶鋼環流を施してから溶鋼のサンプルを採取し、その含有Ｓ濃度を分析して本発明に係る処理後のＳ％とした。なお、本願明細書において濃度を表す単位の％は、特に断りが無い限り質量％の意味で用いる。

ここで、溶鋼の環流量は、ＲＨ式真空脱ガス処理装置の環流量として一般的に用いられている次の（Ａ）式により、主として環流ガス流量を調整することによって制御した。

Ｑ＝１．０６・Ｇ^１／３・Ｄ^４／３・｛ｌｎ（Ｐ_１／Ｐ_０）｝^１／３ ・・・（Ａ）
（Ａ）式中、Ｑは環流量（ｍ^３／ｓ）、Ｇは環流ガス流量（Ｎｍ^３／ｓ）、Ｄ：浸漬管内径（ｍ）、 Ｐ_１は環流ガス吹き込み位置の静圧（Ｐａ）、Ｐ_０は真空槽内圧力（Ｐａ）である。

また、真空槽内の浴深は、次の（Ｂ）式により、主として浸漬管の溶鋼中への浸漬深さを調整することによって制御した。

ｈ＝（Ｐ−Ｐ_０）／（ρ・ｇ）＋Ｈ−Ｌ ・・・（Ｂ）
ｈ：真空槽内の湯面から真空槽の槽底までの溶鋼深さ（ｍ）、Ｐ：大気圧（Ｐａ）、Ｐ_０：真空槽内の圧力（Ｐａ）、ρ：溶鋼密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）、Ｈ：浸漬管の浸漬深さ（ｍ）、Ｌ：浸漬管下端から真空槽内の槽底までの長さ（ｍ）

図２に、下降浸漬管内の下降流速として環流量／下降管断面積（Ｑ／Ａ）が０．５３〜１．２６ｍ／ｓにおける、真空槽内浴深ｈと脱硫フラックスを添加して脱硫処理した後の溶鋼中Ｓ濃度との関係を、Ｑ／Ａの数値別に示す。図２（ａ）〜図２（ｄ）に示したＱ／Ａが０．９１〜１．２６の各条件では点線が３本あり、左側の点線がｈ＝０．０５、中央の点線がｈ＝０．１３、右側の点線が前記した（２）式の右辺の値を表す。各所定のＱ／Ａにおいて、ｈが左側の点線の０．０５から右側の点線の（２）式の右辺の値までの間で、脱硫処理後のＳ％が低くなっていることが分かった。さらに、ｈが左側の点線の０．０５から中央の点線の０．１３までの間が、最も脱硫処理後のＳ％が低かったことも分かった。

そして、Ｑ／Ａをさらに小さく０．８０とした図２（ｅ）の条件では、（２）式の右辺の値が０．１４であって上記した０．１３と近いため、点線が実質的に２本になっている。さらにＱ／Ａを０．６３と小さくした図２（ｆ）の条件では、（２）式の右辺の値が上記した０．１３よりも小さくなっているため、０．１３を示す点線が消滅している。しかし、脱硫処理後のＳ％は図２（ａ）〜図２（ｅ）のｈが０．０５〜０．１３の間の数値と同等の好成績であった。一方、さらにＱ／Ａを０．５３と小さくした条件では、図２（ｇ）に示すように、図２（ａ）〜図２（ｆ）に示したＳ濃度が低かった範囲が消滅してしまっていた。

このように、Ｑ／Ａが０．５３〜１．２６ｍ／ｓの範囲において、Ｑ／Ａの値を０．５６以上にすると共に、その値に応じて真空槽内浴深ｈを適切な範囲内に制御することによって、脱硫フラックス添加して脱硫処理した後のＳ濃度は著しく低減されることが分かった。

図３に、上記した図２（ａ）〜図２（ｇ）の結果に基づき、脱硫フラックスの添加を完了して脱硫処理を終えた後の溶鋼中Ｓ％の低減範囲について、環流量／下降管断面積（Ｑ／Ａ）と真空槽内浴深ｈの適正な範囲を纏めて示す。脱硫処理後のＳ濃度が０．００１０％以下まで低減されたのは、先ずＱ／Ａが０．５６以上の範囲である。図２（ｇ）のようにＱ／Ａが０．５６未満では、Ｓ濃度が低い領域というものが存在しなかった。このことは、このように下降流の流速が低い条件では、その流速が低すぎて、下降流が脱硫フラックスを巻き込むことができなかったためと考えられる。

次に、ｈが０．５ｍ以上の範囲である。これは、図２（ａ）〜図２（ｇ）の全条件においてｈが０．５ｍ未満では極端に処理後Ｓ％が高かったことから、真空槽内の浴深が浅すぎると真空槽内の底面にフラックスが堆積し、脱硫反応に寄与しなくなったためと考えられる。

さらに、浴深ｈが前記した（２）式の右辺である｛０．３９・（Ｑ／Ａ）−０．１７｝以下の領域である。これは下降流の流速が速いほど浴深ｈが深くても良いことを表しており、（２）式の右辺の値以下であれば下降管直上の湯面上に滞留していた脱硫フラックスが、下降流に巻き込まれて行ったことを示していると考えられる。

なお、図２（ａ）〜図２（ｅ）において、浴深ｈが０．１３ｍ以下の場合に処理後Ｓ濃度が０．０００５％以下と特に低位にあった。このため、下降流が速ければその速さに応じて浴面状の脱硫フラックスを巻き込んで脱硫が促進されるものの、その巻き込み効果にはある程度の揺らぎがあるため、ｈが０．１３ｍという浅い条件でその揺らぎの影響がほぼ無くなって、脱硫フラックスの巻き込み効率が安定して高くなったためと考えられる。この巻き込み状況の揺らぎは、（２）式の右辺の条件を満たす下降流速で巻き込みが発生していることが前提なので、浴深ｈが０．１３ｍ以下でも下降流速が遅過ぎては揺らぎの影響解消効果が現れることがない。

環流量／下降管断面積（Ｑ／Ａ）の上限は、本発明の目的である真空槽内の浴面上に滞留している脱硫フラックスを下降流に巻き込むためには特に定める必要がないが、実際上は特定の下降浸漬管断面積Ａに対して現実的な環流量Ｑが定まってくる。したがって、今回の調査範囲であるＱ／Ａ＝１．２６を含み、さらに下降流速が速いＱ／Ａ＝１．５０程度までが本発明の対象範囲と想定される。
真空槽内の圧力は６７〜１３３００Ｐａが望ましい。さらには１３３〜６６７０Ｐａが望ましい。圧力が低すぎると環流量が増加する一方で、環流ガスとして吹き込まれた気泡の破裂時の溶鋼飛散が激しくなり、この悪影響の度合いが強くなる場合がある。圧力が高すぎると、環流量が低下してしまい、合金添加に伴う成分調整、脱ガス、清浄化といった脱硫反応以外への悪影響が強くなる場合がある。

ＲＨ式真空脱ガス装置を用いた処理中に、真空槽内の溶鋼へ脱硫フラックスを添加する。脱硫フラックスの添加方法は、合金添加孔からの添加や、真空槽内に設置したランスからの吹き付け添加があるが、フラックスが真空排気の集じんロスを低減するためには、ランスからの吹き付け添加が好ましい。

脱硫フラックスの添加量は１〜１０ｋｇ／ｔが好ましい。１ｋｇ／ｔ未満では、脱硫フラックスの量そのものが不足してしまい、Ｓ濃度の低減が十分にできない場合がある。１０ｋｇ／ｔを超えて大きいと、溶鋼内に巻き込まれるフラックス粒子が多くなりすぎてしまうことで、溶鋼中に残留してしまい、鋼材特性に影響を及ぼす場合がある。

脱硫フラックスはＣａＯを主体とする組成であるが、ここでいうＣａＯを主体とするフラックスとは、ＣａＯ純分の濃度が８０％以上であり、残部はフラックスの融点を低下させるためにＣａＦ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含んでもよく、また脱酸を強化するためにＣａＳｉといった合金粉末を含んでもよい。さらに不可避的に混入する不純物成分を含有してもよい。ＣａＯ純分の濃度が８０％未満の場合、フラックスの精錬反応効率が低下する場合がある。

脱硫フラックス粒子の最大粒径は、溶鋼と脱硫フラックス粒子との界面面積を広くするために１ｍｍ以下等の微粉が好ましく、さらに０．１５ｍｍ以下などと粒子径を小さくするほど一層好ましい。

脱硫フラックスを添加する際、溶鋼中Ａｌ濃度は０．０１０〜０．２０質量％が望ましい。Ａｌは強脱酸元素であり、フラックスと平衡するＳ濃度を低下させる効果がある。そのため、Ａｌ濃度が０．０１０質量％未満では、溶鋼中の脱酸が不十分となり、平衡Ｓ濃度が高濃度化し、脱硫反応が生じにくくなる場合がある。Ａｌ濃度が０．２０質量％超えでは、脱酸効果が飽和してしまう場合がある。好ましくは０．０２０〜０．１４％であり、より好ましくは０．０２５〜０．１４％である。

なお、脱硫フラックス添加の前後に成分調整のための合金添加や、脱ガス処理、温度調整処理を行ってもよい。

転炉で脱炭処理した溶鋼２５０トンを取鍋に出鋼した。出鋼時に、取鍋ごと溶鋼をＲＨ式真空脱ガス処理装置まで搬送した後、真空処理を開始した。真空槽内の圧力は１３３〜１３０００Ｐａとした。

真空処理開始後に合金成分や金属Ａｌを添加し、溶鋼組成をＣ濃度が０．０１０〜０．１０％、Ｓｉ濃度が０．０２０〜０．５０％、Ｍｎ濃度が０．３０〜１．５０％、Ａｌ濃度が０．０２５〜０．１４％に調整した。溶鋼中のＳ濃度は０．００２７〜０．００３１％であった。その後、真空槽内の溶鋼に脱硫フラックスとして最大粒径が１５０μｍのＣａＯを６．５〜７．５ｋｇ／ｔ添加して脱硫処理を行った。表１に本発明に係る操業の結果を比較例の結果と対比して示す。なお、表１中の比較例において、下線を付した値は本発明に係る発明特定要件の範囲から外れていることを示す。

表１に示したように、環流量／下降管断面積ならびに真空槽内浴深が本発明の規定する範囲を満足するように操業したＮｏ．１〜Ｎｏ．４では、真空槽内に添加した脱硫フラックスを下降流に巻き込ませることができたために、脱硫処理後のＳ濃度を０．００１０％以下に低減することができていた。特に、真空槽内浴深を（３）式の範囲を満足するように制御したＮｏ．３、Ｎｏ．４では、脱硫処理後のＳ濃度を０．０００５％以下まで脱硫することができていた。

一方、比較のために下降管内の下降流速である環流量／下降管断面積を小さくしたＮｏ．５では、脱硫処理後のＳ濃度が０．００１６％と低減不十分であった。

また、真空槽内の浴深を本発明の規定する範囲を超えて浅くしたＮｏ．６では、脱硫処理後のＳ濃度が０．００２２％と最も高濃度であった。

さらに、真空槽内の浴深を本発明の規定する範囲を超えて深くしたＮｏ．７〜Ｎｏ．９でも、脱硫処理後のＳ濃度が０．００１５〜０．００１８％と低減不十分であった。

Claims (3)

1. 真空槽と溶鋼上昇浸漬管及び溶鋼下降浸漬管とを有するＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いる溶鋼の真空処理において、その真空槽内に脱硫フラックスを添加して溶鋼を脱硫処理するにあたり、
   当該溶鋼の環流量と前記下降浸漬管の断面積との比（Ｑ／Ａ）が（１）式を満足し、かつ、前記真空槽内の湯面から槽底までの深さである浴深（ｈ）および前記比（Ｑ／Ａ）が（２）式を満足することを特徴とする溶鋼の脱硫処理方法。
   ０．５６≦（Ｑ／Ａ） ・・・・・・・・・・・・・・（１）
   ０．０５≦ｈ≦０．３９・（Ｑ／Ａ）−０．１７ ・・・（２）
   （１）式中、Ｑは溶鋼の環流量（ｍ^３／ｓ）、Ａは下降浸漬管の断面積（ｍ^２）であり、（２）式中、ｈは真空槽内の浴深（ｍ）である。
2. 前記浴深（ｈ）が更に（３）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の溶鋼の脱硫処理方法。
   ｈ≦０．１３ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
3. 前記脱硫フラックスの添加を、真空槽内に設置した上吹きランスを用いて行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶鋼の脱硫処理方法。