JP2015161022A - 高清浄鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃ脱酸を阻害せずにスラグ改質を行い、Ｃ脱酸による溶鋼清浄化効果を効率的に得られる清浄性の高い鋼材の製造方法を提供する。
【解決手段】スラグにＣａＯを添加し、その後の温度低下に伴ってスラグ中のＦｅＯとＭｎＯを固化させて溶鋼の再酸化を抑制するため、製鋼炉から取鍋に出鋼した、質量％でＣ：０．０５〜１．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．３％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｔｉ：０．０３％以下を含有する溶鋼を減圧清浄化処理する際に、減圧清浄化処理を開始する前に、取鍋内溶鋼上のスラグ組成を（６）〜（８）式を満たすように調整する。
（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）＞１０・・・（６）
（％ＣａＯ）＋（％ＳｉＯ_２）＞８０・・・（７）
（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２．０・・・（８）
ここで、（％ＦｅＯ）、（％ＭｎＯ）、（％ＣａＯ）および（％ＳｉＯ_２）はそれぞれスラグ中ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＣａＯおよびＳｉＯ_２濃度（質量％）である。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋼材の製造段階において、鋼材性能を低下させる要因となり得る粗大な介在物を低減させることができる、高清浄鋼の溶製方法に関する。

溶鋼の脱酸過程で生成する脱酸生成物（以後介在物と呼称）は、鋼質に大きく影響することが知られている。特に、溶鋼の脱酸手法として最も一般的であるＡｌ脱酸時に生成する粗大なＡｌ_２Ｏ_３系介在物は、鋼材の製品特性を著しく低下させることが知られている。例えば、軸受鋼に代表される高清浄鋼では、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物が破壊の起点となり、転動疲労寿命が大きく低下することが知られている。また、薄鋼板製品において、鋼材中に存在する粗大なＡｌ_２Ｏ_３系介在物は、ふくれ疵といった表面欠陥の要因となり得る。したがって、溶鋼段階で粗大なＡｌ_２Ｏ_３系介在物を低減させることは極めて重要である。

上記のような背景から、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物が少ない高清浄鋼を溶製するに際し、従来より減圧下で顕著に生じるＣ＋Ｏ＝ＣＯ反応（以下、「Ｃ脱酸反応」と呼称する。）が活用されてきた。例えば特許文献１には、Ｃ脱酸反応が顕著に生じる真空脱ガス装置にて減圧処理するに際し、溶鋼中Ａｌ濃度を低位として下記（１）式により示されるＣ脱酸反応で決まる平衡酸素濃度を下記（２）式で示されるＡｌ脱酸反応で決まる平衡酸素濃度より低位とし、Ｃ脱酸によりＡｌ_２Ｏ_３を還元させることを特徴とする、清浄性の高い鋼材の製造方法が記載されている。

Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ｇ） ・・・（１）
Ａｌ_２Ｏ_３（ｓ）＝２Ａｌ＋３Ｏ ・・・（２）
しかしながら、Ｃ脱酸反応は、溶鋼中Ｃおよび酸素が溶鋼表面近傍へ移動して生じる反応であるため、取鍋内溶鋼全体を脱酸する速度はＡｌ脱酸反応より遅い。また、溶鋼表面上に存在する取鍋スラグに高濃度のＦｅＯやＭｎＯが含まれていると、それらから溶鋼表面近傍に酸素が供給されることがあり、そのような条件ではＣ脱酸反応による溶鋼中酸素の除去効率が低下する。

したがって、Ｃ脱酸によりＡｌ_２Ｏ_３を還元させる効率を高めるためには、溶鋼中のＡｌ濃度とＣ濃度並びに真空槽内圧力の関係を所定の条件に制御することに加えて、操業中に生じる取鍋スラグによる溶鋼再酸化・汚染を抑制することが効果的と考えられる。しかし、特許文献１には溶鋼再酸化・汚染を抑制するための条件は記載されていない。

スラグによる溶鋼再酸化の抑制方法として、例えば、特許文献２には、出鋼後の取鍋スラグにＡｌ等の脱酸剤を投入し、スラグ中Ｔ．Ｆｅ濃度を５％以下とし、真空脱ガス処理装置にて還流を行う事を特徴とする、清浄度に優れた極低炭素鋼の製造方法が開示されている。これは、溶鋼再酸化の要因であるスラグ中低級酸化物を還元し、真空脱ガス処理中のスラグによる再酸化を抑制するものである。

しかしながら、Ａｌの添加により溶鋼中にＡｌ_２Ｏ_３が生成してしまう事に加え、添加したＡｌが溶鋼中に歩留ってしまう懸念があり、特許文献１に記載のＣ脱酸によるＡｌ_２Ｏ_３還元反応と適用することができない。

特許文献３には、取鍋スラグへＡｌ含有スラグ改質剤を添加するに際し、スラグのＦｅＯ濃度および質量を計測し、計測結果に応じてＦｅＯ還元が過不足なく行われる量の改質剤を添加することを特徴とする、高清浄鋼の製造方法が開示されている。

この技術によりＡｌの過剰添加による溶鋼中Ａｌ濃度の増加は抑制できるが、ＦｅＯとＡｌの反応により不可避的にＡｌ_２Ｏ_３が生成するため、これらが溶鋼中に懸濁することで溶鋼の清浄度が悪化してしまう懸念がある。

特許文献４には、真空脱ガス処理にて脱硫を行うに際し、ＭｇＯ等のスラグ改質剤を粉体として真空槽内溶鋼へ吹付け、スラグを高融点組成として固化させ、溶鋼からの復硫を抑制した条件で脱硫を行う事を特徴とする、真空脱ガス処理による溶鋼の精錬方法が開示されている。

しかしながら、スラグの固化を効率的に達成できる改質剤の吹込み方法や、目標となるスラグ組成といった詳細な条件が明示されていない。また、減圧下での粉体上吹きは溶鋼への着弾効率が悪いことに加え、溶鋼に侵入したＭｇＯの一部は耐火物へ付着してしまうため、スラグ改質効率は悪い。さらに、ＭｇＯは溶鋼中のＡｌ_２Ｏ_３と反応して高融点かつ硬質のＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３スピネル介在物を新たに生成させる懸念がある。

特開２０１３−２１６９２７号公報 特開平２−３０７１１号公報 特開２００５−８９８４０号公報 特許第３３０００１４号公報

上記したような従来の手法では、Ｃ脱酸による溶鋼清浄化の効率を高めることは困難であった。そこで、本発明は、Ｃ脱酸を阻害せずにスラグ改質を行い、Ｃ脱酸による溶鋼清浄化効果を効率的に得られる手法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明者らは、Ｃ脱酸を阻害せずにＣ脱酸による溶鋼清浄化効果を効率的に得られるスラグ改質方法を検討した。

以下にＣ脱酸による溶鋼清浄化の原理を示す。（１），（２）式で決定される平衡酸素濃度は、各反応における平衡関係式からそれぞれ下記（３）〜（４）式で表される。

［Ｏ］_Ｃ＝Ｃ_３（定数）×Ｐ_ＣＯ／［Ｃ］ ・・・（３）
［Ｏ］_Ａｌ＝Ｃ_４（定数）×［Ａｌ］^−２／３ ・・・（４）
［Ｏ］_Ｃ＜［Ｏ］＜［Ｏ］_Ａｌ ・・・（５）
ここで、［Ｏ］_Ａｌ：Ａｌの酸化反応から求まる溶鋼中Ｏ濃度、［Ｏ］_Ｃ：Ｃの酸化反応から求まる溶鋼中Ｏ濃度、Ｃ_３、Ｃ_４：定数、［Ａｌ］：ｓｏｌ．Ａｌ濃度、Ｐ_ＣＯ：ＣＯ分圧、［Ｃ］：Ｃ濃度、［Ｏ］：溶存酸素濃度である。

すなわち、（５）式に示すように、溶存酸素濃度が［Ｏ］_Ａｌ以下であり、かつ［Ｏ］_Ｃ以上の条件（以後Ｃ脱酸領域と呼称）では、熱力学的にはＡｌ_２Ｏ_３が生成せず、Ｃ脱酸のみが生じる条件となり、懸濁するＡｌ_２Ｏ_３はＣ脱酸により還元されていくことになる。なお、本発明の条件では全ての条件において［Ｏ］_Ｃ＜［Ｏ］_Ａｌを満たしているため、［Ｏ］＜［Ｏ］_Ａｌを満たせばＣ脱酸によりＡｌ_２Ｏ_３を還元できる条件となる。

この条件は、具体的には次の（ｉ）式で表される。
Ａｌ＜０．０００８×（（１０１．３２５×Ｃ）／Ｐ_{０＿ｆｏｒｍｅｒ}）^１．５
・・・（ｉ）
Ａｌ：溶鋼中Ｓｏｌ．Ａｌ濃度（質量％）
Ｃ：溶鋼中Ｃ濃度（質量％）
Ｐ_{０＿ｆｏｒｍｅｒ}：減圧清浄化処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）
しかしながら、上記したようにＣ脱酸はＡｌ脱酸と比較して脱酸速度が遅いため、取鍋スラグから溶鋼へ酸素が供給され、溶鋼中成分の再酸化が生じている条件では、［Ｏ］＜［Ｏ］_Ａｌを取鍋内溶鋼全体において達成することは容易ではない。一方で、スラグからの再酸化を抑制するためには、ＦｅＯおよびＭｎＯといったスラグ中低級酸化物還元のためＡｌを添加することが考えられるが、（４）式に示すようにＡｌ添加によりｓｏｌ．Ａｌ濃度が増加して、［Ｏ］_Ａｌが低下してしまうことで［Ｏ］＜［Ｏ］_Ａｌの達成が更に困難となる。

上記観点から、Ｃ脱酸による清浄化効果を享受しつつ、スラグからの溶鋼再酸化を抑制する手法として、スラグを固化させ、溶鋼―スラグ間反応そのものを抑制することが有効と考えた。

本発明者らは、ＣａＯ−ＳｉＯ_２系状態図より、スラグのＣａＯ／ＳｉＯ_２、すなわちスラグ塩基度を２．０以上まで高めることで、溶鋼温度である１８７３Ｋにおいてスラグが固化することを見出した。したがって、ＣａＯの添加によりＣａＯ／ＳｉＯ_２を適正に制御することで、ＭｇＯの添加なしにスラグを固化させることが可能と考えられる。

ただし、ＣａＯ添加により固化してしまうスラグを均一に混合させるためには、基本的には転炉スラグの組成のまま、ＣａＯ：３０〜６０％，ＳｉＯ_２：１０〜３０％，Ａｌ_２Ｏ_３：５％以下、ＦｅＯ＋ＭｎＯ：２０〜３０％の組成を有する取鍋内スラグを前提として、そのＦｅＯ＋ＭｎＯによるＣａＯの滓化促進作用を利用すると好都合である。取鍋内の溶鋼上に存在していたスラグに生石灰粒等のＣａＯ含有物質を添加して一旦均一に混合すれば、その後の周囲への放熱によってスラグが均一に固化し易くなり、そのスラグに含有されていたＦｅＯやＭｎＯからの溶鋼への酸素供給も、ＦｅＯやＭｎＯを含んだままで停止される。

このように、追加したＣａＯ含有物質を一旦溶融させた後、時間経過に伴うスラグ温度の低下によってスラグが固化するためには、上記した組成の取鍋スラグへの生石灰粒の添加を前提として、生石灰粒添加後の取鍋スラグの組成を「（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）＞１０、かつ、（％ＣａＯ）＋（％ＳｉＯ_２）＞８０、（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２．０」に調整しておく必要がある。

この追加した生石灰粒を一旦溶解するためには、ＬＦ等のアーク加熱設備を具備した取鍋精錬装置にて、スラグを溶融滓化させると均一溶解が確実になるので好ましい。

上述した観点から、Ｃ脱酸が顕著に生じる還流型脱ガス装置を用いた減圧精錬を行うに際し、取鍋スラグにＣａＯを添加し、スラグを溶融滓化させた後に固化させ、溶鋼―スラグ間反応を抑制することで上記課題を解決可能と考えた。

本発明は、上記考えを踏まえ、Ｃ脱酸によるＡｌ_２Ｏ_３系介在物の還元効果が得られる溶鋼組成および真空度の条件、ならびに溶鋼再酸化を抑制できるスラグ組成およびその改質方法を明らかとすることでなされたものであり、以下に記載の通りである。

（１）製鋼炉から取鍋に出鋼した、質量％でＣ：０．０５〜１．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．３％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｔｉ：０．０３％以下を含有する溶鋼を、減圧清浄化処理として、環流型脱ガス装置において、（ｉ）式を満たすＡｌ濃度，Ｃ濃度および真空槽内圧力の条件下で、炭素以外の脱酸剤を添加することなく、１０分間以上環流処理する清浄性の高い鋼材の製造方法において、
Ａｌ＜０．０００８×（（１０１．３２５×Ｃ）／Ｐ_{０＿ｆｏｒｍｅｒ}）^１．５
・・・（ｉ）
Ａｌ：溶鋼中Ｓｏｌ．Ａｌ濃度（質量％）
Ｃ：溶鋼中Ｃ濃度（質量％）
Ｐ_{０＿ｆｏｒｍｅｒ}：減圧清浄化処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）
前記減圧清浄化処理を開始する前に、前記取鍋内溶鋼上のスラグ組成を下記（６）〜（８）式を満たすように調整することを特徴とする、清浄性の高い鋼材の製造方法。

（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）＞１０ ・・・（６）
（％ＣａＯ）＋（％ＳｉＯ_２）＞８０ ・・・（７）
（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２．０ ・・・（８）
ここで、（％ＦｅＯ）、（％ＭｎＯ）、（％ＣａＯ）および（％ＳｉＯ_２）はそれぞれスラグ中ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＣａＯおよびＳｉＯ_２濃度（質量％）である。

本発明によれば、Ｃ脱酸による清浄化およびスラグからの再酸化抑制の双方の効果により、極めて清浄性の高い鋼を溶製可能となる。また、溶鋼清浄度を悪化させずにスラグ改質を達成できるため、本発明の工業的価値は非常に大きい。

以下に本発明について詳細に説明する。
１．本発明における用語の定義
「還流型脱ガス装置」とは、一般的にＲＨと呼称される真空槽を有する溶鋼処理装置である。

「還流処理」とは、環流型脱ガス装置を用いて、取鍋に溶鋼を受鋼している状態で、真空槽内圧力を低下させることで溶鋼を真空槽に吸い上げ、環流ガスを流すことで、溶鋼を取鍋と真空槽管で環流させる操作を指す。

「減圧清浄化処理」とは、脱炭脱酸反応を生じさせて溶存酸素濃度を低減、並びに粗大酸化物を低減させることを目的とした環流型脱ガス装置における精錬処理であって、本発明において、具体的には「環流型脱ガス装置において、（ｉ）式を満たすＡｌ濃度，Ｃ濃度および真空槽内圧力の条件下で炭素以外の脱酸剤を添加することなく、１０分間以上環流処理すること」を指す。

「脱酸剤」とは、鉄以外の合金元素のうち、介在物を形成する元素を含む金属単体もしくはその化合物を指し、Ａｌ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｒ、およびＲＥＭ、すなわちＳｃ、Ｙ、ランタノイド（原子番号５７〜７１の１５元素）が含まれる。

２．本発明に係る還流処理を開始する前の溶鋼組成
［Ｃ：０．０５〜１．２質量％］
Ｃは、鋼の強度を向上させる重要な成分であることに加え、Ｃ濃度が低すぎるとＣ脱酸を効率的に活用できないことから、０．０５％を下限とした。また、Ｃ濃度が高いほどＣ脱酸の効果は大きくなるが、Ｃ濃度が１．２質量％を超えてもＣ脱酸の効果が飽和することに加え、母材の硬度が固くなり過ぎて加工性が著しく低下してしまうため、本発明でのＣ濃度の上限は１．２質量％とする必要がある。

［Ｓｉ：０．０３〜０．３質量％］
Ｓｉは重要な脱酸元素であり、少なすぎると溶鋼中酸素濃度が過度に高くなる可能性があるため、少なくとも０．０３％以上含有されることが望まれる。一方、Ｓｉが０．３％を超えて含有されると、Ｓｉ脱酸がＣ脱酸よりも優勢となり、Ｃ脱酸による介在物の還元効果が阻害される懸念がある。このことから、還流処理前のＳｉ濃度は０．０３〜０．３％とする必要がある。

［Ｍｎ：０．４〜１．５質量％］
ＭｎはＳｉと同様に重要な脱酸元素であり、少なすぎると溶鋼中酸素濃度が過度に高くなる可能性があるため、少なくとも０．４％以上含有される必要がある。しかし、Ｍｎ濃度が高過ぎると、粗大なＭｎＯが大量に生成することに加え、スラグ中ＭｎＯ濃度が増加する懸念がある。このことから、還流処理前のＭｎ濃度は０．４〜１．５％とする必要がある。

［Ｔｉ：０．０３質量％以下（０は含まない）］
Ｔｉは析出強化により鋼の強度を向上させる重要な元素であるが、０．０３質量％を超えて含有されると、Ｔｉを含有する粗大な介在物を生成させる恐れがあるため、上限を０．０３質量％とする必要がある。

３．鋼材の機械特性の観点から鋼中に含有することが許容される成分濃度範囲
本発明で溶製する清浄性の高い鋼は、上記したＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，ＳおよびＴｉを必須元素として含有し、残部Ｆｅおよび不純物で構成される。

また、本発明で溶製する鋼には、対象となる溶鋼に製品に必要な機能を付加する目的で、合金元素を含有させることも原理的に許容される。具体的には、上記したＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓに加えて、前記した（ｉ）式の範囲内でｓｏｌ．Ａｌを０．０１％以下含有させても良い。ｓｏｌ．Ａｌ濃度が高過ぎるとＣ脱酸によりＡｌ_２Ｏ_３を還元することができなくなるので（ｉ）式で制限する必要があるほか、ｓｏｌ．Ａｌ濃度が高過ぎると粗大なＡｌ_２Ｏ_３系介在物が多く生成したり、スラグ中Ａｌ_２Ｏ_３濃度が増加してスラグの融点を低下させたりする可能性があるため、ｓｏｌ．Ａｌ濃度は（ｉ）式を満たす範囲内であっても、０．０１質量％以下に抑えておくことが好ましい。ただし、Ｃ脱酸によるＡｌ_２Ｏ_３の還元効果はＡｌ濃度が低いほど効果的であるため、Ｃ脱酸効果の観点からは０．００５質量％以下（０％でもよい）とすることが、さらに好ましい。

そのほか、Ｃｒ：１．７質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｖ：０．３質量％以下、Ｎｉ：２．０質量％以下、Ｚｒ：０．０３質量％以下、Ｎｂ：０．１質量％以下、Ｂ：０．００３質量％以下から選ばれる１種もしくは２種以上をさらに含有させてもよい。

また、不純物としてＰ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｍｇ：０．０００２質量％以下、Ｃａ：０．０００２質量％以下、ＲＥＭ：０．００１質量％以下、Ｎ：０．０２質量％以下を含有していてもよい。

４．本発明に係る減圧清浄化処理を開始する前のスラグ組成
［（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）≧１０］
本発明ではスラグ組成のコントロールが重要である。本発明の対象とする溶鋼を転炉で吹錬する際、その吹錬後のスラグ中のＦｅＯとＭｎＯとの、合計濃度は２０％以上になることが普通である。この合計濃度は、転炉吹錬後の溶鋼中Ｃ濃度との関係が強く、吹錬後の溶鋼中Ｃが０．１０％以下では３０％程度にもなる。

ＦｅＯ＋ＭｎＯといったスラグ中低級酸化物は溶鋼再酸化抑制のためには極力低減させる必要があるが、これらによるＣａＯの滓化促進作用を利用するとスラグ混合が容易となる効用も有している。このため、スラグ組成の調整完了後に温度が低下して固化した状態で、スラグ中に１０質量％以上含有されているようになる条件から、スラグを固化させるためのスラグ調整を始める必要がある。取鍋内の溶鋼上に存在していたスラグに生石灰粒等のＣａＯ含有物質を添加して一旦均一に混合すれば、その後の周囲への放熱によってスラグが均一に固化し易くなり、そのスラグに含有されていたＦｅＯやＭｎＯからの溶鋼への酸素供給も、ＦｅＯやＭｎＯを含んだままで停止されるからである。

このような条件は、スラグ組成の調整を完了した後の（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）を１０％以上と規定した上で、次のＣａＯ％とＳｉＯ_２％との関係を満足させることにより達成される。（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）が１０％未満となる条件では、次に述べるＣａＯとＳｉＯ_２に関する本発明の条件を達成するためにスラグ中へ添加する生石灰粒等のＣａＯを、十分に均一に混合させることが難しい。一方、この（％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）の上限は、添加するＣａＯを混合する観点からは制限が無いが、濃度が高過ぎると次に述べるＣａＯとＳｉＯ_２に関する条件を満たしたとしても、スラグから溶鋼中への酸素供給を十分に止められなくなる可能性が生じるので、上限は３５％程度とすることが好ましい。

［（％ＣａＯ）＋（％ＳｉＯ_２）＞８０］かつ［（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２］
スラグを構成する基本的な成分であるＣａＯおよびＳｉＯ_２並びに上記したＦｅＯとＭｎＯの４成分以外の成分としてはＭｇＯとＡｌ_２Ｏ_３があるが、ＭｇＯは転炉の耐火物の溶損に起因する成分であって、５〜１０％の範囲で安定している。また、Ａｌ_２Ｏ_３は、本発明では脱酸剤としてＡｌを全く使わないか、或いは前記した（ｉ）式をみたすことが十分可能な少量しかＡｌを添加しないので、Ａｌ_２Ｏ_３は３％程度以下である。したがって、取鍋内のスラグの固化挙動は、ＣａＯとＳｉＯ_２並びに上記したＦｅＯとＭｎＯの４成分について考慮すれば十分に制御することができる。

通常の転炉吹錬を行った後のスラグに含有されているＦｅＯとＭｎＯを利用して、そのスラグにＣａＯを添加して混合し、その後の温度低下に伴ってＦｅＯとＭｎＯを固化させるという本発明の狙いを達成することが、本発明の技術思想である。ＣａＯとＳｉＯ_２以外のスラグに関する上記した条件の下では、ＣａＯとＳｉＯ_２の合計濃度が８０質量％以上であって、かつ、（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２とすることで、この技術思想を具現化することができる。ＣａＯとＳｉＯ_２の合計濃度が８０％未満では、スラグから溶鋼中への酸素供給を十分に止められなくなる可能性が残る。この合計濃度は、スラグから溶鋼中への酸素供給をさらに十分に抑制するためには、８５％以上とすることが好ましい。一方、この合計濃度を高くし過ぎると、ＣａＯのコストが嵩むほか、添加したＣａＯとスラグとの十分な混合が難しくなるので、上限は９０％程度とすることが好ましい。

（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２とすることは、通常の組成を有する転炉スラグを利用する限り、ＣａＯとＳｉＯ_２の合計濃度が８０％以上とするＣａＯの添加で同時に達成される。この（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２とする規定は、通常と極端に異なるスラグ条件を排除するものである。

５．処理条件
本発明では、減圧清浄化処理中に溶鋼への酸素供給源になるスラグ中のＦｅＯとＭｎＯの影響を抑制することを目的として、スラグへＣａＯを添加する。

そのため、減圧清浄化処理を開始する前の取鍋内溶鋼上のスラグ組成の調整を、基本的には転炉から出鋼する際に、取鍋内へ生石灰粒を投入することにより行っておく。生石灰粒は細かいほど滓化させ易いが、細かすぎると投入時の飛散ロスが増えてしまうために、最大粒径が５ｍｍ以下の細粒品を用いることが好ましい。最大粒径が３ｍｍ以下の細粒品であって、１ｍｍの篩にかけて１ｍｍ未満の粉をふるい落としたものが、さらに好ましい。

ＣａＯの添加必要量は、転炉吹錬終了時の溶鋼中Ｃ％および転炉吹錬で使用した溶銑の成分や副原料の使用量から、転炉の吹錬制御で一般的に用いられている方法により、転炉スラグ中のＦｅＯとＭｎＯの合計濃度並びにＣａＯとＳｉＯ_２の合計濃度が比較的高い精度で推測することができる。このため、ＣａＯの添加必要量はその推測値に基づくなどして比較的に高い精度で求められる。或いは、転炉吹錬後に生成される転炉スラグの組成範囲を予め調べておき、その組成に対して生石灰を投入することでも、前記した本発明に係る（６）〜（８）式を満たすように調整することができる。

転炉等の精錬炉から取鍋に出鋼され、還流型脱ガス装置にて還流処理を開始する前に、上記の溶鋼成分範囲に調整する目的で、合金等の添加、あるいは脱酸、脱硫等の前工程を行ってもよい。また、出鋼後から還流処理開始前の間に、ＬＦ等のアーク加熱設備を具備した取鍋精錬装置にて取鍋スラグへＣａＯを添加（追加）し、スラグを溶融滓化させる処理を実施すると、スラグを均一溶解度する上で好ましい。

還流型脱ガス装置での還流処理を開始後、減圧清浄化処理として（ｉ）式を満たすＡｌ濃度，Ｃ濃度および真空槽内圧力の条件下で、炭素以外の脱酸剤を添加することなく、１０分間以上環流処理させる必要がある。この環流時間が１０分間より短い場合、Ｃ脱酸によるＡｌ_２Ｏ_３系介在物の低減効果を十分に発揮させることができない。なお、その環流時間が３０分間を超えても、その効果の増加程度は小さくなる一方処理費用の増大を招くことになるため、減圧清浄化処理開始からの処理継続時間は３０分間程度以下が通常適切である。

６．効果の確認方法
本発明の効果を確認するため、還流処理後にて溶鋼サンプルを採取し、サンプルの一部を化学分析に供することで溶鋼の成分濃度を得た。採取した溶鋼のボンブサンプルを切断し、樹脂埋め、研磨した後に切断面を光学顕微鏡で観察し、検鏡範囲内（＝２００ｍｍ^２）に存在する５．０μｍ以上２０μｍ未満の介在物の個数を計測することで、粗大介在物個数密度を評価した。ただし、本発明を適用した場合、条件によっては介在物中にはＡｌ_２Ｏ_３の他にＳｉＯ_２、ＭｎＯが含有される可能性があり、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物のみ評価したのでは本発明による介在物低減効果を充分に確認できない。そこで、エネルギー分散型Ｘ線アナライザーを具備した走査電子顕微鏡で測定した際、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃａ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｍ％以上であり、かつＴｉ、ＣａおよびＭｇが合計で４０ａｔｍ％未満のものを介在物として計測した。本発明において、５．０μｍ以上２０μｍ未満の介在物個数密度が１０個／ｍｍ^２未満であったものを、発明の効果が特に顕著に得られたと判断した。

転炉から取鍋へ溶鋼２５０ｔを出鋼するに際し、ＳｉやＭｎ等の合金鉄と生石灰とを出鋼流の撹拌力を利用しつつ取鍋内へ投入して溶解させた。ＬＦを用いる処理では、合金鉄等の一部や生石灰の多くをＬＦで投入した。合金鉄の添加は当該チャージの製品規格を満たすように通常の方法により行い、生石灰の添加量は当該チャージの転炉吹錬における吹錬制御モデルの計算値に基づいて、その吹錬終了時の溶鋼中Ｃ％により補正して決めた。それらの合金鉄や生石灰の投入により、表１に示すＲＨでの減圧清浄化処理前の溶鋼成分と表２に示す改質後のスラグ成分とを得た。

表２には各処理チャージにおけるスラグ改質前のスラグ組成も対応させて示すが、改質前のスラグとは基本的に転炉吹錬後のスラグであるためＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３といった成分が含有されている。ＣａＯ、ＳｉＯ_２，ＭｎＯおよびＦｅＯ濃度の合計は７６〜８４％であった。

表１および２中のＣｈ．Ｎｏ．１〜５、およびＣｈ．Ｎｏ．１０〜１８においては、ＲＨでの還流処理を開始する前にＬＦ工程にて取鍋スラグへＣａＯを塊状の生石灰を用いて添加し、スラグを溶融滓化させる処理を実施した。Ｃｈ．Ｎｏ．６〜７においてはＬＦによるスラグの溶融滓化処理を実施せず、転炉からの出鋼時に取鍋内へＣａＯを最大粒径５ｍｍ以下の細粒生石灰を用いて添加した。

一方、Ｃｈ．Ｎｏ．８〜９では、スラグ改質を目的とするＣａＯ添加は行わず、ＬＦの使用も行わなかった。なお、ＣａＯ添加前のスラグは全てのチャージにおいて液相と見かけられ、本発明に係る減圧清浄化処理前の溶鋼温度は１６００〜１６５０℃であった。

次に、表１に示す組成の溶鋼および表２に示すスラグの条件下で、ＲＨ真空脱ガス装置にて炭素以外の脱酸剤を添加せず減圧清浄化処理を１５〜２５分間行った。減圧清浄化処理終了後には溶鋼サンプルを採取し、採取した溶鋼サンプルから検鏡用のミクロサンプルを切り出し、検鏡法にて、５．０μｍ以上２０μｍ未満の介在物の個数を計数した。

各条件における介在物酸素濃度および５．０μｍ以上２０μｍ未満の介在物の個数密度を表１に併せて記載する。また、上記発明の効果の定義に従い、発明の効果が得られたものを○印、発明の効果が得られなかったものを×印で表１および２中に記載する。

表１および２中の発明例、すなわちＣｈ．Ｎｏ．１〜７は、溶鋼およびスラグ組成が請求項１の条件を満たしたものであり、本発明の効果が得られたものである。また、ＬＦによるスラグの溶融滓化処理を実施しなかったＣｈ．Ｎｏ．６〜７でも発明の効果が得られたことから、ＬＦ工程は必ずしも必要ではないが、スラグ混合をより効率的に行うためにはＬＦ等のアーク加熱設備を具備した取鍋精錬装置による処理を行う事が望ましい。

表１および２中の比較例、すなわちＣｈ．Ｎｏ．８〜１８は、請求項１に記載の条件を満足しなかったため、本発明の効果が得られなかったものである。

Ｃｈ．Ｎｏ．８および９は、溶鋼組成およびスラグ塩基度の条件は満たしていたものの、意図的にＣａＯを添加するスラグ改質処理を行わなかったため、スラグへのＣａＯおよびＳｉＯ_２以外の成分の希釈が不十分で、スラグを固相に制御できていなかったために、発明の効果がみられなかったと考えられる。したがって、スラグを確実に固相とするため、スラグ中ＣａＯおよびＳｉＯ_２濃度は８０質量％以上確保する必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１０および１１は、スラグ塩基度が請求項に記載の範囲から外れていたためスラグは液相となり、溶鋼再酸化が生じたため発明の効果が得られなかったと考えられる。したがって、スラグ塩基度は少なくとも２以上は確保する必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１２は、炭素濃度が請求項に記載の範囲を下回ってしまったため、Ｃ脱酸による介在物の還元が生じず、発明の効果が得られなかったと考えられる。したがって、減圧清浄化処理中の炭素濃度は請求項に記載の範囲内に制御する必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１３は、溶鋼中Ｓｉ濃度が請求項に記載の範囲を上回っておりＳｉ脱酸がＣ脱酸よりも優勢となり、Ｃ脱酸による介在物の還元が生じなかったため、発明の効果が得られなかったと考えられる。したがって、減圧清浄化処理前のＳｉ濃度は０．３質量％以下とする必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１４は、溶鋼中Ｍｎ濃度が請求項に記載の範囲を上回ってしまったため、Ｃｈ．Ｎｏ．１１と同様にＭｎＯ系介在物が大量に生成したことで溶鋼清浄度が悪化したことに加え、ＭｎＯの生成に伴いスラグ中ＭｎＯ濃度が増加したためスラグ融点が低下し、発明の効果が顕著に得られなかったと考えられる。したがって、減圧清浄化処理前のＭｎ濃度は１．５質量％以下とする必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１５について、Ｔｉが請求項１に記載の範囲を超えて溶鋼中に含有されていたため、Ｔｉを含有する介在物が大量に生成し、これらが鋼中に残存したことで溶鋼の清浄度が大きく悪化したと考えられる。したがって、減圧清浄化処理前のＴｉ濃度は０．０３質量％以下とする必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１６について、Ａｌ濃度が高く、（ｉ）式の範囲を外れてしまったため、Ｃ脱酸による清浄化効果が得られなかったと考えられる。また、Ｃｈ．Ｎｏ．１７について、真空槽内圧力が非常に高く、（ｉ）式の範囲を外れてしまったため、Ｃ脱酸による清浄化効果が得られなかったと考えられる。したがって、Ｃ脱酸による清浄化効果を得るためには、減圧清浄化処理中は必ず（ｉ）式を満たしている必要がある。

Ｃｈ．Ｎｏ．１８について、取鍋スラグ中ＦｅＯ＋ＭｎＯ濃度が１０％を下回っていたため、スラグが均一に混合されておらず、発明の効果が得られなかったと考えられる。したがって、取鍋スラグ中ＦｅＯ＋ＭｎＯ濃度は、改質後に１０％を超えて含有されていることが必要である。

Claims (1)

1. 製鋼炉から取鍋に出鋼した、質量％でＣ：０．０５〜１．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．３％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｔｉ：０．０３％以下を含有する溶鋼を、減圧清浄化処理として、環流型脱ガス装置において、（ｉ）式を満たすＡｌ濃度，Ｃ濃度および真空槽内圧力の条件下で、炭素以外の脱酸剤を添加することなく、１０分間以上環流処理する清浄性の高い鋼材の製造方法において、
   前記減圧清浄化処理を開始する前に、前記取鍋内溶鋼上のスラグ組成を（６）〜（８）式を満たすように調整することを特徴とする、清浄性の高い鋼材の製造方法。
   Ａｌ＜０．０００８×（（１０１．３２５×Ｃ）／Ｐ_{０＿ｆｏｒｍｅｒ}）^１．５
   ・・・（ｉ）
   Ａｌ：溶鋼中Ｓｏｌ．Ａｌ濃度（質量％）
   Ｃ：溶鋼中Ｃ濃度（質量％）
   Ｐ_{０＿ｆｏｒｍｅｒ}：減圧清浄化処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）
   （％ＦｅＯ）＋（％ＭｎＯ）＞１０ ・・・（６）
   （％ＣａＯ）＋（％ＳｉＯ_２）＞８０ ・・・（７）
   （％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ_２）≧２．０ ・・・（８）
   ここで、（％ＦｅＯ）、（％ＭｎＯ）、（％ＣａＯ）および（％ＳｉＯ_２）はそれぞれスラグ中ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＣａＯおよびＳｉＯ_２濃度（質量％）である。