JP2001064716A - 窒素添加用鋼製パイプ、窒素添加用鋼製パイプを固着した消耗式電極とそれらの製造方法、および消耗式電極を用いた加圧式エレクトロスラグ再溶解法による高窒素含有鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加圧式ＥＳＲ装置に用いられる消耗式電極
に、粉末状の窒素源を所定のタップ密度に充填後、真空
中で焼結した焼結体内蔵鋼製パイプを装着することによ
り、再現性よく高品位の高窒素添加鋼の溶製を可能にす
る。 【解決手段】 無機窒素源粉末を鋼製パイプに充填した
のち、真空で脱気−封入後７００〜１０００℃の真空炉
で焼結したものを鋼製パイプごと溶接等で電極に固着し
た消耗式電極を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、窒素添加
用鋼製パイプ、窒素添加用鋼製パイプを固着した消耗式
電極とその製造方法および高窒素含有鋼の製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来から、Ｃｒを多量に含有
するステンレス鋼や耐熱合金に窒素を添加するとオース
テナイトの安定性や材料の強度向上に寄与することはよ
く知られている。しかし、通常の製鋼法では、添加する
窒素量のコントロールは必ずしも容易ではなかった。こ
のため、窒素の添加については、添加のための手段をど
のようなものとすべきかは難しい問題であって、現状で
は、製鋼プロセスの工程との関係でおのずと限られたも
のとなっているのが実情である。そして、現状の限られ
た手段についても様々な問題が残されていた。

【０００３】たとえば、製鋼プロセスにおける重要な工
程手段として知られているＥＳＲ（エレクトロスラグ再
溶解法）では、使用する電極は、予め成分調整された溶
鋼を電極形状に鋳造して製造するか、あるいは普通の鋼
塊形状に造塊したものを電極形状に鍛造、機械加工して
製作したものを使用するのが一般的であって、通常、Ｅ
ＳＲ段階では、合金成分は窒素を含め、既に電極自体に
調整されているため、外部からの合金添加は行われてい
ない。

【０００４】しかしながら、予め成分調整された溶鋼を
電極とするＥＳＲにおいても、窒素添加については以下
に述べるような課題を残していた。例えば、オーステナ
イト系ステンレス鋼の１種であるＳＵＳ３１６Ｌ（Ｆｅ
−１７％Ｃｒ−１４％Ｎｉ−２．５％Ｍｏ）では、図１
に示すように、大気圧下で溶製した電極に入れられる窒
素量は制限され、約０．２％しか入れられない。もしこ
れにより多量に窒素を含有させたい場合には、加圧雰囲
気下で、ＥＳＲ中に電極以外の外部から窒素源を添加す
る必要があり、しかもＥＳＲ鋼塊全体に均一に添加する
ことが必要になる。しかしながら、このようなことは容
易ではない。

【０００５】もちろん加圧式ＥＳＲによって窒素量の高
い鋼塊を製造する方法はこれまでにも知られている。例
えば、中空電極を作製し、その中空部分に窒素源を詰め
て電極と一緒に溶解する方法や、加圧式ＥＳＲ装置に合
金添加装置を付帯させ、そのフィーダー装置を用いて窒
素源粉末を直接溶融スラグ浴に添加する方法等が知られ
ている。しかし、中空電極の場合は、中空電極そのもの
の製造が困難であり、また中空部分の添加材の固定や量
の調整等に多くの困難を伴うという問題がある。また、
合金添加装置による添加の場合も、装置構成が高価にな
ることと、直接溶融スラグ浴に窒素源を連続的に、添加
するので、窒素源が導電体の場合は、局所的に電極と側
面の鋳型（銅製）間が電気的に通電して短絡状態になり
易く、この場合は操業面で不安定な状態となり、時には
スパーク発生により鋳型の内面を損傷する恐れがある。

【０００６】そこで、この出願の発明は、上記の問題に
鑑みなされたものであって、以上のとおりの従来技術の
課題を克服し、ＥＳＲ装置による高窒素含有鋼の製造を
可能とする新しい技術的手段を提供することを課題とし
ている。

【０００７】この出願の発明は、上記の課題を解決する
ものとして、第１には、無機窒素源粉末を鋼製パイプに
充填する工程と、真空下で脱気しつつ前記粉末を鋼製パ
イプに封入する工程と、鋼製パイプに封入した前記粉末
を７００〜１０００℃の真空炉で焼結する工程を備える
ことを特徴とする、無機窒素源粉末を焼結した焼結体を
収容する窒素添加用鋼製パイプの製造方法を提供し、第
２には、前記の製造方法により作製され、焼結体が脱落
不能に収容されていることを特徴とする窒素添加用鋼製
パイプを提供する。

【０００８】さらに、この出願の発明は、第３には、前
記の方法により作製された窒素添加用鋼製パイプを電極
に固着することを特徴とする、消耗式電極の製造方法を
提供し、第４には、複数の窒素添加用鋼製パイプが、電
極に相互に間隔をおいて固着されていることを特徴とす
る消耗式電極を提供する。

【０００９】またさらに、この出願の発明は、第５に
は、前記の消耗式電極を用い、大気圧を超える圧力の窒
素雰囲気で、加圧式ＥＳＲ法により溶解して、Ｎ量：
０．３〜２．０％を含有する高窒素含有鋼塊を製造する
ことを特徴とする高窒素含有鋼の製造方法も提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。

【００１１】第１の発明としての窒素添加用鋼製パイプ
の製造方法においては次の点が考慮されることになる。
無機窒素源粉末としては、焼結性の各種の窒化物等であ
ってよく、たとえば窒化フェロクロム（ＦｅＣｒＮ）、
窒化マンガン（ＦｅＭｎＮ）、クロム窒化物（Ｃｒ
Ｎ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等が例示される。目的
とする鋼材の組成に対応して、１種または２種以上の好
適な窒素源粉末が選択されればよい。

【００１２】そして、この発明においては、粉末の粒径
は、平均粒径として１００μｍ以下とすることが好まし
く、さらには、粒径は、２００メッシュ（７２μｍ）以
下とすることが好ましい。

【００１３】また、タップ（充填）密度は、２．０〜
４．０ｇ／ｃｍ³ とするのが好ましい。より具体的に
は、２００メッシュ（７２μｍ）以下の窒素源粉末をタ
ップ密度３．２±０．５ｇ／ｃｍ³ の範囲に充填するの
が好ましい。この充填密度により最小のバラツキ範囲が
容易に得られる。窒素源粉末をパイプに詰めて添加合金
として使用する場合、充填密度を可能なかぎり一定に保
持することは、添加量をコントロールする上で重要な事
項である。

【００１４】この発明においては、窒素源粉末を充填し
たのち１０^-3ｔｏｒｒ以下の真空に保持しながらパイプ
の一端を溶接で封入するのが好ましい。真空下での焼結
処理の意味は、パイプに充填した窒素源粉末は大気雰囲
気で加熱焼結した場合、酸化物ができて、鋼塊の汚染源
となり、また、酸化膜により焼結が不均一になってＥＳ
Ｒ中、局所的に粒状の落下物となり、鋼塊中に欠陥を発
生させる原因となるため、脱落防止を図ってこのような
危険性を防止するためであり、また封入により充填粉末
の酸化防止を図ることができる。

【００１５】パイプ内を脱気せずに焼結する場合は、ク
ロム窒化物は酸化すると焼結しにくいため、このような
状況ではクロム窒化物の固体がＥＳＲ中に部分的に落下
する危険は避けられない。さらに、落下する固体は、溶
融スラグ浴を通過するときに未溶解の状態では、スラグ
を付着してメタルプールに落ち、凝固するとスラグ巻き
込みの原因となる危険を孕んでいる。

【００１６】工程能力を加味して焼結温度は７００℃〜
１０００℃の範囲とする。窒素源粉末を充填したパイプ
内の粉末は、６５０℃以下では焼結不充分であり、また
１１００℃以上では固化して体積収縮が著しく、溶接し
たパイプ内からＥＳＲ中に落下の危険があるからであ
り、このような危険性を防止するためである。

【００１７】そして、高窒素含有鋼塊の製造条件で、加
圧式ＥＳＲ法における窒素雰囲気の圧力は、大気圧をこ
える圧力であるが、１００気圧程度までとするのが望ま
しい。大気圧以下では鋼種の成分によって定まるＮの固
溶限までしか固溶しないため、それ以上のＮを固溶させ
るためには大気圧をこえる圧力下で溶解する必要があ
る。一方、１００気圧以上の圧力を確保するためには膨
大な設備費の高騰を招き、現実的ではないためである。

【００１８】以上のとおりの方法においては、前記の粉
末を充填するパイプは鋼製のものであって、目的とする
製鋼組成に対応した組成の鋼製パイプとして選択される
ことになる。

【００１９】製造されたこの発明の窒素添加用鋼製パイ
プは、加圧式ＥＳＲの消耗式電極等として有効に用いら
れることになる。これによって、たとえば３気圧以上の
Ｎ₂雰囲気下での加圧式ＥＳＲによって、Ｎ量が０．３
〜２．０％という高窒素含有の鋼塊を効果的に製造する
ことが可能となる。

【００２０】以下、この出願の発明を、実施例に沿って
さらに詳しく説明する。

【００２１】

【実施例】実施例１ 図２の製法フローに従って、まずボールミル粉砕機
（Ａ）の１種であるアトライター装置を使用して製造し
たクロム窒化物（ＣｒＮ：窒素含有量２０％）の微粉末
（粒径５μｍ未満）を、外径１２．７ｍｍ／内径１０．
２２ｍｍ、長さ５００ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌステンレス
鋼パイプ（Ｂ）（一端封じ）の３００ｍｍ長さに充填し
て充填密度３．２±０．３ｇ／ｃｍ³ とした。そして、
充填パイプ内を真空脱気（１０^-3ｔｏｒｒ）しながらも
う一端をＴＩＧ溶接封入した。このようにして製作した
クロム窒化物充填パイプを６５０℃、７００℃、１，０
００℃、１，１００℃、および１，２００℃の各々の条
件でそれぞれ１時間加熱焼結した。室温まで冷却後に各
パイプの中央部を切断し、粉末の焼結状況を観察した。
６５０℃の焼結では、粉末の焼結は不充分であって、ま
た、１，１００℃、１，２００℃のものは、焼結はして
いるものの、１，０００℃のものに比較して体積収縮が
著しいことが確認された。

【００２２】この結果、７５０〜１０００℃での焼結が
好ましいことが確認された。実際にクロム窒化物を添加
材としてＥＳＲする場合を考えると、焼結した窒化クロ
ム自体を電極に固着するのは機械的手段ではむずかし
い。すなわち、クロム窒化物は非常に脆く、溶接性はす
こぶる悪いという物性上の問題があるからである。そこ
で、前記のＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼パイプに焼結し
たクロム窒化物の詰まったパイプを電極に取り付ける手
段を採用し、ＥＳＲにともなう作業性を評価した。

【００２３】その結果、焼結温度が高くて体積収縮の大
きなクロム窒化物の場合は、ＥＳＲ中に固体がパイプよ
り抜け落ちる危険性が大きいことが判明した。６５０℃
の未焼結状態のものも同様に抜け落ちの危険性があっ
た。 実施例２ 加圧式ＥＳＲ装置（Ｄ）による窒素添加試験を行った。

【００２４】窒素源にＦｅＣｒＮ（Ｎ含有量：７％、粒
度２００メッシュ以下）粉末を使用し、実施例１と同様
にして外径１２．７ｍｍφ−内径１０．２２ｍｍφ×長
さ８５０ｍｍＬ ＳＵＳ３１６Ｌパイプにこの粉末を充
填後、脱気−封入し、９００℃の真空炉で焼結したパイ
プ８本を準備した。次に図３に示すように、外周部に８
本の溝加工を施工した６５ｍｍφ電極棒（１０）を作製
し、用意したパイプ（１１）８本をそれぞれの溝にＴＩ
Ｇ溶接して取り付けた。

【００２５】このようにして作製した電極は、それぞれ
窒素添加量として１．０％相当になるように作製され、
ＥＳＲ鋼塊としてＳＵＳ３１６Ｌの成分規格に入るよう
に全体設計され、このような電極を合計４本準備した。

【００２６】次に、それぞれの電極を、１００ｍｍφ加
圧式ＥＳＲ装置（Ｄ）を使用し、ＣａＦ_2-ＣａＯ_- Ａｌ
₂ Ｏ₃ 系スラグを用いてＥＳＲ処理した。溶解条件は、
電流２０００Ａ、電圧２８Ｖで、窒素ガス雰囲気で圧力
をそれぞれ変え、１０気圧、２０気圧、３０気圧、４０
気圧で一本ずつＥＳＲした。溶解後の溶け残った電極先
端部を観察したところ、電極外周部に取り付けた窒素源
添加用パイプは均等に溶解し、いずれもＦｅＣｒＮ粉末
は落下せずにパイプ内に残存していることが確認され
た。

【００２７】このようにして溶製したＥＳＲ鋼塊のう
ち、代表例として４０気圧でＥＳＲした鋼塊Ｍｉｄ部の
化学成分を表１に、そして鋼塊全体の窒素量の分布を図
４にそれぞれ示した。このように、加圧式ＥＳＲ法と電
極への合金添加技術を組み合わせた結果、各化学成分お
よび窒素は偏析が少なく、かつ高窒素量の均質なＥＳＲ
鋼塊が製造できた。

【００２８】また、Ｎ量：０．３〜２．０％の高い窒素
量を含有することができるので、合金鋼のオーステナイ
トの安定性や材料の強度向上を図ることができた。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、この出願の
発明は、粉末の酸化防止、焼結促進、焼結体の落下防止
等を図り、加圧式ＥＳＲによって、化学成分の偏析が少
なく、高窒素量の均質な高品位の高窒素添加鋼を、再現
性よく溶製することを可能とする。高いＮ量：０．３〜
２．０％を含有することができるので、合金鋼のオース
テナイトの安定性や材料の強度向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧力と窒素溶解度の関係を示す図である。

【図２】高窒素含有鋼の製法フロー図である。

【図３】窒素添加加圧式ＥＳＲ電極形状の一例を示す図
である。

【図４】加圧式ＥＳＲ鋼塊の窒素量の分布を示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片田 康行 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 宇野 秀樹 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 広瀬 和夫 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社コベルコ科研内 Ｆターム(参考） 4K013 AA02 BA18 CB03 CE06 CE08 FA01 4K014 AB01 CA04 CB05 CB07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無機窒素源粉末を鋼製パイプに充填する
   工程と、真空下で脱気しつつ前記粉末を鋼製パイプに封
   入する工程と、鋼製パイプに封入した前記粉末を７００
   〜１０００℃の真空炉で焼結する工程を備えることを特
   徴とする、無機窒素源粉末を焼結した焼結体を収容する
   窒素添加用鋼製パイプの製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１の製造方法により作製され、焼
   結体が脱落不能に収容されていることを特徴とする窒素
   添加用鋼製パイプ。
3. 【請求項３】 請求項１の方法により作製された窒素添
   加用鋼製パイプを電極に固着することを特徴とする消耗
   式電極の製造方法。
4. 【請求項４】 複数の窒素添加用鋼製パイプ、電極に相
   互に間隔を置いて固着されていることを特徴とする消耗
   式電極。
5. 【請求項５】 請求項３または４の消耗式電極を用い、
   大気圧を超える圧力の窒素雰囲気で、加圧式ＥＳＲ法に
   より溶解して、Ｎ量：０．３〜２．０％を含有する高窒
   素含有鋼塊を製造することを特徴とする高窒素含有鋼の
   製造方法。