JP2000345234A

JP2000345234A - 溶鋼へのチタンの添加方法

Info

Publication number: JP2000345234A
Application number: JP15193099A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Yamaguchi; 公治山口; Nagayasu Bessho; 永康別所; Akiteru Tamida; 彰輝民田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-12
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP3752892B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、安価なチタン源であるルチル鉱、高
チタンスラグ等の含酸化チタン物質を投入して、効率良
く溶鋼へチタンを添加可能とする溶鋼へのチタンの添加
方法を提供することを目的としている。【解決手段】精錬容器に保持した溶鋼にチタンを添加さ
せるにあたり、前記溶鋼又はその上に存在するスラグに
酸化チタン含有物質及びアルミニウム含有物質を投入
し、アルミニウムで前記酸化チタンを還元する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶鋼へのチタンの
添加方法に係わり、特に、ＶＯＤ等の真空脱ガス装置あ
るいは取鍋を利用した溶鋼の所謂「二次精錬」におい
て、溶鋼中へチタンを効率良く、しかも安価に添加する
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタンは、炭素、窒素等との親和力が強
い元素である。そのため、鋼中にチタンが存在すると、
同じく鋼中の炭素、窒素を炭化物や窒化物の形態で固定
し、製造した鋼板の加工性を向上させたり、鋼板がフェ
ライト系ステンレス鋼の場合には耐食性を向上させるの
で、極低炭素鋼等の各種鉄鋼材料、ステンレス鋼等の合
金鋼材料の製造には、必須の添加元素である。従って、
これら材料を溶製するに際しては、溶鋼中にチタンを添
加させる必要がある。そのチタン源としては、フェロチ
タン合金鉄（特開昭５９−２５９５３号公報参照）やス
ポンジチタン（特開昭４８−８０４２３９号公報参照）
等の金属チタンが用いられるが、チタンは、酸素との親
和力も大きいので、その添加は、転炉精錬時ではなく、
その後に行なわれる真空脱ガス処理、取鍋精錬等の所謂
「二次精錬」工程で行なわれることが多い。つまり、Ｖ
ＯＤ方式、ＲＨ方式の真空脱ガス槽内や取鍋内にある溶
鋼に、より脱酸力の強いアルミニウム等を添加して溶鋼
を予め脱酸した後に、金属チタンを投入して溶鋼中に添
加し、歩留（投入したチタン量の溶鋼中に留まる割合）
の低下を防止するのが一般的である。

【０００３】しかしながら、このようにしても、存在す
るスラグの組成及び量によってはチタンが酸化物の形態
でスラグに移行し、前記歩留が低下してしまう。特に、
この傾向は、極低炭素鋼を溶製する時のように、送酸脱
炭の負荷が大きい場合に顕著であった。また、その際に
使用される金属チタン源は、元々酸化チタン原料を塩化
物として精製し、これをさらにマグネシウムで還元する
クロール法という複雑な工程で製造されるスポンジチタ
ンを経て金属チタンとなっているため高価であり、上記
方法には、精錬コストが高くなるという難点がある。

【０００４】一方、チタン源としては、もっと安価なも
のも考えられる。例えば、ルチル鉱、高チタンスラグ等
の含チタン酸化物物質は、比較的ＴｉＯ₂濃度の高いも
のでも、前記金属チタン源に比べて、チタン純分当り単
価で１／６程度以下と大幅に安価である。しかしなが
ら、それらを前記の金属チタン源に代えて使用しても、
後述のように、精錬時間内で溶鋼中に目標とする量のチ
タンを添加できない。つまり、添加効率が低くて、実用
できる技術にならなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑み、安価なチタン源であるルチル鉱、高チタンスラ
グ等の含酸化チタン物質を溶鋼に投入して、効率良く溶
鋼へチタンを添加可能とする溶鋼へのチタンの添加方法
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため鋭意研究し、その成果を本発明に具現化し
た。

【０００７】すなわち、本発明は、精錬容器に保持した
溶鋼にチタンを添加させるにあたり、まず前記溶鋼又は
その上に存在するスラグに酸化チタン含有物質及びアル
ミニウム含有物質を投入し、アルミニウムで前記酸化チ
タンを還元することを特徴とする溶鋼へのチタンの添加
方法である。

【０００８】また、本発明は、前記スラグの主成分を、
ＣａＯが３０〜６５質量％（以下同様）、Ａｌ₂Ｏ₃が１
５〜５５％、ＭｇＯが５〜２５％で、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃
の質量比が０．７〜２．５に調整することを特徴とする
溶鋼へのチタンの添加方法である。

【０００９】さらに、本発明は、前記溶鋼の浴面下に不
活性ガスを吹き込み、下式で計算される溶鋼の撹拌動力
密度ε（Ｗ／ｔ）を２０Ｗ／ｔ以上とすることを特徴と
する溶鋼へのチタンの添加方法である。

【００１０】ε＝６．２・Ｑ・Ｔｌｎ（Ｐ＋Ｈ／１．
４８）／Ｐ（Ｗ／ｔ）ここで、Ｑはガス吹き込み速度（Ｎｍ³／ｍｉｎ／
ｔ）、Ｔは鋼浴温度（Ｋ）、Ｐは雰囲気圧力（ａｔ
ｍ）、Ｈはガス吹き込み深さ（ｍ）、Ｗはワットであ
る。

【００１１】加えて、本発明は、前記精錬容器が、大気
圧よりも減圧された雰囲気とされることを特徴とする溶
鋼へのチタンの添加方法でもある。

【００１２】この場合、溶鋼へのチタンの添加とは、投
入されたチタン酸化物が還元され、溶鋼中にチタンが溶
解されることを意味する。

【００１３】本発明では、酸化チタンを含む安価なチタ
ン源を用いると共に、アルミニウムで酸化チタンを還元
するようにしたので、従来より安価に、且つ効率良く溶
鋼へチタンが添加されるようになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、発明をなすに至った経緯も
交え、本発明の実施の形態を説明する。

【００１５】熱力学的には、溶鋼に酸化チタンを投入し
て、下記（２）式に示す反応で溶鋼中のアルミニウムに
よって酸化チタンを還元し、チタンを溶鋼中に添加する
ことは可能である。この場合、精錬温度は通常１６００
℃程度であり、且つスラグ中のＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃から
なる酸化物相は固体であり、それぞれの活量はある程度
高いので、平衡論的には鋼中のアルミニウム濃度（［％
Ａｌ］）が０．０１％程度であっても、鋼中のチタン濃
度（［％Ｔｉ］）は、０．２％程度までにはなると考え
られる。

【００１６】ＴｉＯ₂＋４／３Ａｌ＝Ｔｉ＋２／３Ａｌ₂Ｏ₃ (２）実際に、粉状のルチル鉱（９５％がＴｉＯ₂）をそのま
ま溶鋼に添加したところ、ＴｉＯ₂の２０％程度は、還
元されて溶鋼に溶解したが、これでは反応効率が低く、
明らかに経済的でなかった。（２）式の反応は発熱反応
であるが、その発熱量は小さく、チタン源からのＴｉＯ
₂と反応生成物のＡｌ₂Ｏ₃からなる酸化物相（スラグ）
をほぼ溶鋼温度にまで加熱できても、それらを溶融させ
る程には高熱にできない。そのため、酸化物相中でのＴ
ｉＯ₂の反応界面への拡散速度が遅く、反応が直に停滞
してしまう。つまり、有限な精錬時間内で、ＴｉＯ₂か
ら目標量のチタンを溶鋼へ添加することは不可能であ
る。

【００１７】そこで、発明者は、酸化チタン含有物質を
用いても、もっと効率良く溶鋼へチタンを添加させる方
法について検討を重ね、チタンの還元及び添加効率を向
上させる方法を見出した。

【００１８】すなわち、酸化チタン含有物質を適当なス
ラグの共存下で溶鋼へ添加し、酸化チタンをスラグ中に
溶解し、溶鋼中にすでに溶解しているアルミニウム、あ
るいは追加で添加したアルミニウム含有物質によりスラ
グ中の酸化チタンを還元するようにした。そして、試験
操業によって、高い添加効率で溶鋼へのチタンが添加で
きることを確かめた。なお、現実的な操業条件の範囲内
で高い添加効率を得るには、スラグ及び溶鋼の化学成
分、スラグの流動性や耐火物の損耗についての配慮が必
要であった。

【００１９】溶鋼の化学成分については、製品鋼材の成
分上の制約があるため、最終的に目標成分を得られるよ
うに、経験的にアルミニウム、チタン、シリコン等の合
金源の添加量を決定する必要がある。本発明では、酸化
チタンの還元量と化学量論的に当量程度のアルミニウム
の追加添加が必要となるが、アルミニウムの単価は、金
属チタンの単価に比べ大幅に安いため、経済的なメリッ
トは確実に生じる。

【００２０】スラグの化学成分については、酸化チタン
源等の副原料、脱酸用合金鉄の添加量やスラグの還元の
進行に伴って変化するが、発明者の調査によれば、主要
成分であるＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を、ＣａＯが３０〜６５
％、Ａｌ₂Ｏ₃が１５〜５５％で、且つＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃
の質量比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が０．７〜２．５となる
範囲とするのが好ましかった。スラグの流動性が良好
で、チタン歩留が高く維持できたからである。ちなみ
に、ＶＯＤ式真空脱ガス槽を用いて、本発明に係る添加
方法で０．０３％Ａｌ、０．２％Ｔｉの溶鋼を溶製した
場合の最終スラグのＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃とチタン歩留との
関係を図１に示しておく。

【００２１】また、スラグ中のＡｌ₂Ｏ₃は、脱酸生成物
だけでなく、スラグ中のＦｅＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ｓ
ｉＯ₂などで溶鋼中のアルミニウムが酸化されて生成す
るほか、(２）式の反応によって不可避的に生成するの
で、スラグの化学組成を上記の範囲内とするように、本
発明では、操業中にＣａＯの添加量を調整する必要もあ
る。さらに、（２）式から明らかなように、処理後の最
終スラグ中には溶鋼及びスラグの化学成分に対応して少
量の酸化チタンが残留するので、スラグ量があまり多い
と、チタンの歩留が徐々に低下する。そこで、本発明で
は、スラグ量が過大とならないように、スラグ中のＣａ
Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃を２．０以下とするのが特に好適である。
加えて、チタンを含む鋼種では、極低硫黄化が要求され
ることが多いが、ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃を１．０以上とする
のが脱硫能の向上の観点から良い。さらに加えて、最終
的にスラグ中に残留するチタン濃度（％）は、０．０５
〜０．２×［Ｔｉ］／［Ａｌ］^4/3程度であるので、本
発明では、この濃度とスラグ量の積と同等以上の酸化チ
タンを添加するのが良い。それで十分に金属チタン源の
削減が可能だからである。

【００２２】スラグ中に大量の酸化チタン含有物質を添
加して酸化チタン濃度を上昇させると、使用する精錬容
器の内張り耐火物が酸化マグネシウムを主成分とするた
め、該酸化マグネシウムのスラグへの溶解度が増大し、
耐火物を溶損するという問題が生じる。そこで、本発明
では、酸化マグネシウムの溶出量の増大を防止するた
め、予めスラグ中の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）濃度を
５〜２５％の範囲で上昇させておくのが好ましい。特
に、含チタン極低炭素鋼では、精錬容器のスラグライン
に対応する位置のマグネシア・カーボン煉瓦からマグネ
シアの溶出量が増加すると、溶鋼がカーボンによって汚
染する問題があり、事前に対策を講じておくことが必要
である。ただし、ＭｇＯ濃度を上昇させると、スラグの
流動性が低下してチタン歩留の低下を招くので、上限を
超えないように十分な配慮が必要である。

【００２３】また、スラグ中の酸化チタン濃度が極端に
上昇すると、耐火物の溶損が増大するが、この溶損の防
止には、酸化チタンの添加前にスラグ量をある程度増大
しておくことが有効である。具体的には、スラグ量を溶
鋼１ｔあたり１０ｋｇ／ｔ以上となるように使用副原料
等で調整しておくのが好ましい。また、酸化チタン含有
物質の添加量が過大な場合には、一時に添加せずに、複
数回に分割して添加するのが好ましいようだ。

【００２４】次に、スラグ中の酸化チタンを限られた時
間内に還元するには、スラグ及び溶鋼の撹拌を強化する
ことも重要である。そこで、発明者は、溶鋼の浴面下へ
の不活性ガスの吹き込みを実施することにし、溶鋼の適
切な攪拌程度を実験で定めた。つまり、図２に示すよう
に、（１）式で計算される溶鋼の攪拌動力密度を２０Ｗ
／ｔ以上とすると、良好なチタン歩留が得られた。その
際、１００Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気下でより高い歩留
が得られ、ＶＯＤ式真空脱ガス槽の利用がチタンの還元
に特に有効であることが明らかである。

【００２５】

【実施例】１６０トン（以下、ｔ）規模の取鍋に溶鋼を
収容し、該取鍋をＶＯＤ真空脱ガス槽にセットして、所
謂二次精錬で目標［Ｔｉ］が約０．２５％の１１％Ｃｒ
鋼を溶製した。

【００２６】まず、上底吹転炉で１１％Ｃｒ鋼を酸素吹
錬し、［％Ｃ］＝０．１程度まで脱炭した後、取鍋に出
鋼した。引き続き、該取鍋をＶＯＤ脱ガス槽内に装入
し、そこで酸素を上吹きして脱炭し、アルミニウムを添
加して還元処理を行った。なお、転炉から取鍋へ流出さ
せたスラグは、ＣａＯ／Ｓｉ≒２．５の未還元スラグ約
３．５ｋｇ／ｔであった。

【００２７】ＶＯＤ真空脱ガス槽内での脱炭は、［％
Ｃ］＝０．０１％程度までとし、その後、生石灰を約１
５ｋｇ／ｔ、マグネシアを約３．５ｋｇ／ｔ添加して、
更に脱炭を行って鋼中［％Ｃ］を０．００５％程度まで
にした後、アルミニウムを約３．５ｋｇ／ｔ添加して脱
酸した。そして、この脱酸後の溶鋼に対して、本発明に
係る溶鋼へのチタンの添加方法を適用して、目標のチタ
ン濃度に調整した。つまり、脱酸後直ちにブリケットに
成形したルチル鉱（９６％ＴｉＯ₂）を６．６ｋｇ／ｔ
添加すると共に、アルミニウムを約１．５ｋｇ／ｔ追加
した。同時に、脱ガス槽内の雰囲気圧力を約２Ｔｏｒｒ
（０．００３ａｔｍ）に減圧して、取鍋の底に設けたプ
ラグを介してＡｒガスを５００（Ｎｍ３／ｍｉｎ）だけ
吹き込み、１５分間の還元処理を行った。その後、溶鋼
からサンプルを採取して、化学成分を確認し、必要に応
じてアルミニウム、スポン・ジチタン、フェロ・シリコ
ン等を添加して、撹拌を継続して化学成分を調整した。

【００２８】なお、本発明の効果を確認するため、チタ
ンの添加を本発明に係る方法に代え、スポンジ・チタン
のみで行う従来のチタン溶解方法（比較例という）も実
施した。比較例では、アルミニウム投入後の還元処理を
減圧下で１２分間行なった後、溶解成分を確認して、ス
ポンジチタン等の投入により化学成分を調整した。

【００２９】表１に、平均合金鉄原単位及び比較例との
コスト差を、表２に、処理終了時の溶鋼及びスラグの化
学成分の平均値を一括して示す。

【００３０】表１より、本発明によれば、従来に比べて
効率良く、且つ安価にチタンが添加できることが明らか
である。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】なお、上記実施例では、含チタン高クロム
鋼の溶製に本発明を適用した例を示したが、本発明は、
それに限定されるものではなく、所謂ＡＯＤやＬＦ等の
各種取鍋精錬による溶鋼の溶製にも適用できることは、
言うまでもない。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、精錬
容器内の溶鋼に、安価な酸化チタン含有物質を用いて、
溶鋼へチタンを効率良く且つ安価に添加できるようにな
る。その際、ＶＯＤ等の真空脱ガス槽を用いた減圧、ガ
ス吹込による溶鋼の撹拌があれば、効果は一層促進され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施後のスラグのＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃と
チタン歩留との関係を示す図である。

【図２】溶鋼の撹拌動力密度とチタン歩留との関係を示
す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２１Ｃ 7/072 Ｃ２１Ｃ 7/072 ＺＣ２２Ｃ 33/04 Ｃ２２Ｃ 33/04 Ｌ (72)発明者民田彰輝東京都千代田区内幸町２丁目２番３号川崎製鉄株式会社東京本社内Ｆターム(参考） 4K013 AA02 BA16 CA01 CB03 CB09 CC01 CC04 CE04 CE05 CE06 CE08 CF12 CF13 EA01 EA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】精錬容器に保持した溶鋼にチタンを添加
させるにあたり、前記溶鋼又はその上に存在するスラグに酸化チタン含有
物質及びアルミニウム含有物質を投入し、アルミニウム
で前記酸化チタンを還元することを特徴とする溶鋼への
チタンの添加方法。
【請求項２】前記スラグの主成分を、ＣａＯが３０〜
６５質量％（以下同様）、Ａｌ₂Ｏ₃が１５〜５５％、Ｍ
ｇＯが５〜２５％で、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の質量比が０．
７〜２．５に調整することを特徴とする請求項１記載の
溶鋼へのチタンの添加方法。
【請求項３】前記溶鋼の浴面下に不活性ガスを吹き込
み、下式で計算される溶鋼の撹拌動力密度ε（Ｗ／ｔ）
を２０Ｗ／ｔ以上とすることを特徴とする請求項１又は
２記載の溶鋼へのチタンの添加方法。 ε＝６．２・Ｑ・Ｔｌｎ（Ｐ＋Ｈ／１．４８）／Ｐ
（Ｗ／ｔ）ここで、Ｑはガス吹き込み速度（Ｎｍ³／ｍｉｎ／
ｔ）、Ｔは鋼浴温度（Ｋ）、Ｐは雰囲気圧力（ａｔ
ｍ）、Ｈはガス吹き込み深さ（ｍ）、Ｗはワットであ
る。
【請求項４】前記精錬容器が、大気圧よりも減圧され
た雰囲気とされることを特徴とする請求項１〜３いずれ
かに記載の溶鋼へのチタンの添加方法。