JP2006233254A - 高清浄度鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス攪拌によるスラグ巻き込みに起因する介在物を極力低減し、高い清浄度を達成した高清浄度鋼を製造するための有用な方法を提供する。
【解決手段】 本発明の製造方法は、転炉または電気炉にて脱炭された後の二次精錬処理において、電磁攪拌のみで溶鋼の攪拌を実施した後に、還流式真空脱ガスを行うものであり、必要によって二次精錬工程における電磁攪拌において、１５０Ｗ／ｔ以下の攪拌動力密度の攪拌を実施する。

Description

本発明は、高清浄度鋼を製造する方法に関するものであり、特に溶鋼の取鍋精錬条件を適切にすることによって非金属介在物が非常に低減された高清浄度鋼を製造するための有用な方法に関するものである。

疲労寿命や静粛性が要求される機械部品鋼、特に転がり軸受け鋼では、鋼中の非金属介在物を極力低減した清浄度の高い鋼であることが重要である。このような高清浄度鋼の製鋼における製造プロセスとしては、（ａ）転炉若しくは電気炉による一次精錬、（ｂ）ＬＦ（Ladle Furnace）等のガス攪拌による還元精錬、（ｃ）ＲＨ(Ruhrstahl-Hausen)等の還流式真空脱ガス、（ｄ）連続鋳造若しくは造塊による鋼塊の鋳造、の４つの工程を含むことが標準的な工程となっている。

二次精錬［上記（ｂ），（ｃ）の工程］は、本来転炉から出鋼した溶鋼を鋳造するまでの間に最終の合金成分調整や水素等のガス成分を除去することを主たる目的で設けられたものであるが、近年では最終の脱硫、酸素・水素等の脱ガスおよび介在物の除去の機能を合わせて行うようにされている。そして二次精錬における上記（ｂ）の工程では、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等を添加して還元性スラグを形成して行うことになるが、こうしたスラグはＡｒ等の不活性ガスの攪拌によって、溶鋼−スラグ界面に乱流が発生したときに溶鋼へのスラグ巻き込みという現象を生じさせることになる。

高清浄度鋼を製造する標準工程においては、上記のような現象を避けることは殆ど不可能である。その結果、巻き込まれたスラグ起因の介在物が製品中にそのまま残存してしまい、清浄度の高い鋼材を製造する上での大きな障害となっている。

高清浄度鋼を製造する方法として、例えば特許文献１のような技術も提案されている。この技術では、取鍋に電磁攪拌装置を設けてガス攪拌に付加して電磁攪拌を行い、その後還流式真空脱ガスを行うものである。この技術では、ガス攪拌と電磁攪拌を併用することによって、より高い清浄化を狙ったものであるが、基本的にガス攪拌を用いるものであるので、スラグ巻き込みによる介在物の発生を回避することはできない。
特開２００１−３４２５１５号公報 特許請求の範囲

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、ガス攪拌によるスラグ巻き込みに起因する介在物を極力低減し、高い清浄度を達成した高清浄度鋼を製造するための有用な方法を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明の高清浄度鋼の製造方法とは、高清浄度鋼を製造するに当り、転炉または電気炉にて脱炭された後の二次精錬処理において、電磁攪拌のみで溶鋼の攪拌を実施した後に、循環式真空脱ガスを行う点に要旨を有するものである。

上記方法においては、二次精錬工程における電磁攪拌において、１５０Ｗ／ｔ以下の攪拌動力密度の攪拌を実施することが好ましい。

本発明においては、転炉または電気炉にて脱炭された後の二次精錬処理において、ガス攪拌を行うことなく電磁攪拌のみで溶鋼の攪拌を実施した後に、環流式真空脱ガスを行うようにしたので、ガス攪拌によるスラグ巻き込みを基本的に回避でき、スラグ巻き込みに起因する介在物の残留を低減して高清浄度鋼が製造できることになった。こうして得られた高清浄度鋼は、軸受け等の機械部品として適用したときに、良好な疲労寿命を発揮すると共に、介在物起因の表面疵が少ないものとなる。

転炉または電気炉にて脱炭された後の二次精錬処理においては、通常取鍋による加熱精錬が行われることになるのであるが、この二次精錬においては精錬反応の進行を促進するためには、溶鋼攪拌は不可欠の条件となる。この溶鋼攪拌においては、上記ＬＦ等のガス攪拌が一般的に行われているのであるが、その他電磁力を用いたスターラによる溶鋼攪拌（ＡＳＥＡ−ＳＫＦ法）も実施されている。このＡＳＥＡ−ＳＫＦ法ではガス攪拌を行わないので、スラグ巻き込みが基本的に発生することがない。

またＡＳＥＡ−ＳＫＦ法による溶鋼攪拌では、電磁攪拌装置による攪拌（電磁攪拌）が行われることになるが（前記特許文献１）、その後の工程として脱ガスのための設備が併設されているのが一般的であり、溶鋼攪拌した後減圧した状態で脱ガスを行うように構成されている。しかしながら、こうした設備による脱ガスでは、介在物の浮上分離が効果的に進行するとは言えない。

そこで本発明者らは、ガス攪拌を行わずに、ＡＳＥＡ−ＳＫＦ法による溶鋼攪拌のみを行い、その後環流式真空脱ガスを行うようにすれば、スラグ巻き込みの回避と共に、脱ガスも効果的に行えることを見出し、本発明を完成した。

本発明方法を実施するに当っては、次の手順で各工程を実施することになる。まず、転炉または電気炉にて、目的の温度になるように昇温、およびＣやＰ等の溶鋼成分の調整を実施する（一次精錬）。その後、一次精錬された溶鋼を取鍋に移し替える。次いで、取鍋に移し替えられた溶鋼を取鍋精錬（二次精錬）にて、還元精錬、および昇温、成分調整を実施する。

そして本発明では、この二次精錬においてＡｒガス等によるガス攪拌を実施せずに、電磁攪拌のみを行う。ガス攪拌を行わずに、電磁攪拌のみを行うことによって、スラグ−溶鋼間で層流のみを発生させ、ガス攪拌を実施したときの乱流発生によるスラグの巻き込みを抑制することができるのである。

上記のような電磁攪拌を行うに当っては、攪拌力の指標となる攪拌動力密度（測定方法については後述する）が１５０Ｗ／ｔ（溶鋼１トン当りのワット数）以下であることが好ましい。これは、電磁攪拌といえども、攪拌動力密度が１５０Ｗ／ｔを超えると、溶鋼流れが乱流に近い状態となって、スラグ巻き込みによるスラグ系介在物の増大が避けられなくなるからである。但し、二次精錬における昇温および成分調整を効果的に進行させるためには、少なくとも３０Ｗ／ｔ以上の攪拌動力密度を確保することが好ましい。

また、電磁攪拌を実施するときの攪拌時間については、２０〜９０分程度であることが好ましい。これは、昇温および成分調整には最低２０分程度の攪拌時間を確保する必要があり、また９０分を超える攪拌では取鍋耐火物の溶損が発生し易くなるからである。

電磁攪拌による還元精錬を完了した後、還流式真空脱ガス装置（例えば、ＲＨ）にて還流による脱ガスを実施し、最終の成分調整を行う。この脱ガス工程においては、取鍋溶鋼内に浸漬した１組（２本）の浸漬管（シュノーケル）で溶鋼のみを還流させており、スラグ−溶鋼間の乱流は発生していない。この脱ガス工程の処理時間は、２０〜５０分程度、および１５０〜２００（ｔｏｎ／ｍｉｎ）の溶鋼還流量で処理を実施すれば良い。

最終成分調整後の溶鋼を連続鋳造若しくは造塊にて鋳造し、半製品とする。こうした製造方法では、特に上記還元精錬の工程において、スラグを巻き込まずに還元精錬を実施することが可能になり、更にその後の工程において還元精錬の段階で発生したアルミナ・スピネル等の介在物の浮上分離および脱酸が効果的に進行し、最終製品においてスラグ系介在物とアルミナ・スピネルの両方とも少ない高清浄度鋼の製造が可能となる。

尚、本発明で対象とする高清浄度鋼における基本的な化学成分組成については、高清浄度鋼としての従来から知られているものであれば良く、例えばＣ：０．９５〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％の軸受鋼を挙げることができるが、これに限定されるものではない。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
溶銑を２４０ｔ転炉で一次精錬した後、該転炉から取鍋へ出鋼し、取鍋加熱精錬装置を用いて二次精錬を行った。

取鍋加熱精錬装置としては、電磁力を用いたスターラによる溶鋼攪拌を備えた装置（ＡＳＥＡ−ＳＫＦ装置）を用い、電磁攪拌により目標成分まで合金調整を行い、同時に昇温を実施した。この際に、Ａｒによるガス攪拌は実施しなかった。

取鍋内の攪拌力を評価する指標として、取鍋の大きさ等に影響されることなく、溶鋼の攪拌の度合いを管理できるものとして攪拌動力密度がある。電磁攪拌を実施したときの攪拌動力密度ε（Ｗ／ｔ）は、下記（１）式［例えば、「鉄と鋼」、ｖｏｌ．６９（１９８３）、Ａ５３］を用いて計算することができる。
ε＝０．００１２×（ｄ²・γ_L・ｈ^3/2／Ｍ_L） …（１）
但し、ｄ：取鍋直径（ｃｍ）
γ_L：溶鋼比重（ｇ／ｃｍ³）
ｈ：溶鋼の盛り上がり高さ（ｃｍ）
Ｍ_L：溶鋼質量（ｔｏｎ）

また、比較のために電磁攪拌の代わりにガス攪拌（ＬＦ）を行った場合（後記表１のＮｏ．１〜４）、および電磁攪拌と共にガス攪拌を行った場合（後記表１のＮｏ．５〜７）についても調査した。尚、ガス攪拌を行う場合の攪拌動力密度ε₀については、下記（２）式［例えば、「第１００．１０１西山記念技術講座 攪拌を利用した最近の製鋼技術の動向」、Ｐ７１］を用いて計算することができる。
ε₀＝３７１・Ｑ・Ｔ・ｌｎ[（１＋９．８ρｈ／Ｐ）＋（１−Ｔｎ／Ｔ）] …（２）
但し、Ｑ：溶鋼単位質量当りのガス流量（Ｎｍ³／ｓ・ｔ）
Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）
ρ：溶鋼密度（ｇ／ｃｍ³）
ｈ：溶鋼深さ（ｍ）
Ｐ：雰囲気圧力（Ｐａ）
Ｔｎ：吹き込みガス温度（Ｋ）
各炉外精錬による還元精錬の条件（ガス攪拌流量、攪拌動力流量、各攪拌動力密度、電磁攪拌電流量および処理時間）を、下記表１に一括して示す。

その後、各溶鋼について、ＲＨによる真空脱ガス処理を実施した。その条件（溶鋼攪拌量、処理時間）を、下記表２に示す。

ＲＨによる真空脱ガス処理を実施することによって、ＡＳＥＡ−ＳＫＦのみでは困難であったアルミナ系介在物の浮上分離が進み、一般的な清浄度の指標として用いられる全酸素量を従来のＬＦ−ＲＨプロセスと同等レベルに抑えることができる。

上記各プロセスで製造されたビレットの電子顕微鏡面ＥＰＭＡにて、介在物の組成と個数について計測した。このときＥＰＭＡに用いた機器は、「ＪＸＡ−８０００」シリーズ（日本電子社製）であり、測定条件は加速電圧：２０ｋＶ、Ｘ線量をＫ線、ビーム径：２〜３μｍとし、更にＥＤＳ検出器を使用した。

上記ＥＰＭＡで観察された介在物径が２０μｍ以上のスラグ系介在物（ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｇＯの４元系換算でＣａＯを５％以上含有する介在物）の個数を、計測した。尚、このときの計測では、代表性を確保するために計測視野を３０００ｍｍ²以上で観察した。その結果を、真空脱ガス処理条件と共に、下記表２に示す。

これらの結果から、次のように考察できる。ガス攪拌を実施したもの（Ｎｏ．１〜７）に比べて、電磁攪拌のみの攪拌で実施したもの（Ｎｏ．１０〜１３）では、上記介在物個数が大幅に低減していることが分かる。これは、ガス攪拌を実施した場合には、ガスの気泡によってスラグ−溶鋼界面に乱流が発生することで、スラグの巻き込みが発生している（評価「×」）のに対して、電磁攪拌のみを行う場合には、スラグ−溶鋼界面で乱流が発生せずに層流が発生することによって、スラグ巻き込みが抑制されるものと考えられる（評価「○」）。

但し、電磁攪拌のみによる攪拌であっても、攪拌動力密度が１５０Ｗ／ｔを超えると、ガス攪拌を行ったほどではないものの、スラグ系介在物が増加する傾向を示すことになる（Ｎｏ．８，９）。

上記のようにして２０μｍ以上のスラグ系介在物の個数を低減することによって、軸受鋼などの機械部品用鋼において良好な疲労寿命と介在物起因の表面疵が少ない高清浄度鋼の製造が可能になったのである。

Claims (2)

1. 高清浄度鋼を製造するに当り、転炉または電気炉にて脱炭された後の二次精錬処理において、電磁攪拌のみで溶鋼の攪拌を実施した後に、還流式真空脱ガスを行うことを特徴とする高清浄度鋼の製造方法。
2. 二次精錬工程における電磁攪拌において、１５０Ｗ／ｔ以下の攪拌動力密度の攪拌を実施する請求項１に記載の高清浄度鋼の製造方法。