JP2019199632A - 精錬方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気炉から取鍋精錬炉に溶鋼を出鋼するに際し、溶鋼の成分分析を行うことなく、溶鋼中の炭素濃度が高い領域でも、その炭素濃度を高精度に推定することができる精錬方法を提供する。【解決手段】電気炉から取鍋精錬炉に、Feと、Cと、少なくとも1種の添加金属元素を含有する溶鋼を出鋼するに際し、凝固温度測定工程と、炭素濃度推定工程と、を実行する。凝固温度測定工程においては、出鋼前に、電気炉中の溶鋼の凝固温度を測定する。炭素濃度推定工程においては、添加金属元素の少なくとも一部よりなる考慮元素を含有するFe合金についての、炭素濃度と温度の相関を示す平衡状態図において、液相線上で凝固温度に対応する炭素濃度を、溶鋼中の炭素濃度であると推定する。【選択図】図5
Description
本発明は、精錬方法に関し、さらに詳しくは、電気炉から取鍋精錬炉に溶鋼を出鋼する際に、溶鋼中の炭素濃度を推定する工程を含んだ精錬方法に関する。
電気炉で一次製錬した溶鋼に対して二次精錬を行うのに、取鍋精錬炉(ladle furnace;LF)が用いられる。LFでは、脱炭を行わないため、二次精錬を経て、所望の濃度の炭素を含有する溶鋼を製造するためには、電気炉からLFに出鋼する段階で、炭素濃度を正確に見積もっておくことが重要となる。LFへの出鋼時の炭素濃度の正確な見積もりは、溶鋼の溶製コスト抑制の観点でも重要である。出鋼時の炭素濃度が低すぎると、LFで炭素を含む原料を多量に投入する必要が生じ、その溶融に大きな電力が必要となる。また、電気炉において、溶鋼の酸化が進行し、材料歩留が低下しやすくなる。一方、炭素濃度が高すぎると、LFにおいて、Cr等の添加金属成分の濃度を調整する際に、炭素含有量の少ない高価な合金材料を使用する必要が生じる。また、LFを用いた二次精錬ではなく、実施コストの高い、脱炭を伴う二次精錬に切り替える必要が生じる場合もある。このように、電気炉から出鋼される溶鋼中において、炭素濃度が高すぎても低すぎても、溶製コストの上昇が起こり、電気炉から出鋼される溶鋼中の炭素濃度として、二次精錬を経て製造すべき溶鋼の炭素濃度に応じて、溶製コストを最小にできる濃度が存在する。
従って、電気炉からLFに出鋼する前に、溶鋼中の炭素濃度を正確に見積もったうえで、炭素濃度を所定の値に調整しておくことが重要である。溶鋼中の炭素濃度の検出に従来用いられてきた方法の1つに、溶鋼を採取し、その成分分析を行って、炭素濃度を直接的に測定する方法がある。
また、溶鋼中の炭素濃度を見積もる別の方法として、溶鋼中の溶存酸素濃度と炭素濃度の間に高い相関があることを利用して、溶存酸素濃度から炭素濃度を推定する方法が用いられている。例えば、特許文献1に、予め、溶鋼中の炭素濃度と溶鋼中の溶存酸素濃度と真空脱ガス設備から排出される排ガス中のCOガス濃度の3者の関係を求め、精錬中に計測される溶鋼中の溶存酸素濃度と排ガス中のCO濃度とから、前記3者の関係に基づいて溶鋼中炭素濃度を推定することが、記載されている。
溶鋼中の炭素濃度を見積もるのに、採取した溶鋼の成分分析による直接測定を用いる場合には、高い測定精度を達成することができる。しかし、分析結果を得るのに、典型的には5〜10分程度の時間を要し、電気炉の運転効率を低下させることになる。
一方、溶存酸素濃度に基づいて炭素濃度を推定する場合には、炭素濃度の推定に要する時間は、成分分析を行う場合よりも、短くて済む。しかし、この方法の場合は、炭素濃度が低い領域では、炭素濃度を精度良く推定できるものの、炭素濃度が高い領域では、溶存酸素濃度が低く、溶存酸素濃度の測定値に誤差が生じやすいため、炭素濃度の推定値に大きな誤差が伴う。典型的には、炭素濃度がおおむね0.2質量%以上の領域で、推定値に誤差が生じやすい。特に、二次精錬をLFによって行う場合には、上記のように、電気炉からLFに出鋼される溶鋼中の炭素濃度を正確に見積もることが重要であるが、LFを用いた二次精錬は、炭素濃度の高い鋼種が対象となることが多く、溶存酸素濃度に基づいてその高い炭素濃度を正確に推定することは、困難となる。
本発明が解決しようとする課題は、電気炉から取鍋精錬炉に溶鋼を出鋼するに際し、溶鋼の成分分析を行うことなく、溶鋼中の炭素濃度が高い領域でも、その炭素濃度を高精度に推定することができる精錬方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明にかかる精錬方法は、電気炉から取鍋精錬炉に、Feと、Cと、少なくとも1種の添加金属元素を含有する溶鋼を出鋼するに際し、出鋼前に、前記電気炉中の前記溶鋼の凝固温度を測定する凝固温度測定工程と、前記添加金属元素の少なくとも一部よりなる考慮元素を含有するFe合金についての、炭素濃度と温度の相関を示す平衡状態図において、液相線上で前記凝固温度に対応する炭素濃度を、前記溶鋼中の炭素濃度であると推定する炭素濃度推定工程と、を実行するものである。
ここで、前記液相線は、Fe、C、および前記考慮元素のそれぞれの含有量に応じて算出される固相と液相の自由エネルギーの和が、最小になるように、計算によって作成されるとよい。
また、前記取鍋精錬炉での二次精錬を経て製造される鋼材は、前記添加金属元素としてCrを含有するステンレス鋼または耐熱鋼の成分組成を有し、前記考慮元素は、少なくともCrを含むとよい。
この場合に、前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Crと、MoおよびSiの2種より選択される少なくとも1種よりなる第一種添加元素と、を含有し、前記考慮元素は、Crと前記第一種添加元素よりなるとよい。あるいは、前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Crと、MoおよびSiの2種より選択される少なくとも1種よりなる第一種添加元素と、Ni、Cu、Mnの3種より選択される少なくとも1種よりなる第二種添加元素と、を含有し、前記考慮元素は、Crと前記第一種添加元素と前記第二種添加元素よりなるとよい。
また、前記溶鋼における炭素濃度は、0.15質量%以上であるとよい。
上記発明にかかる精錬方法においては、状態図における溶鋼の凝固温度と溶鋼中の炭素濃度の関係性に基づき、凝固温度から炭素濃度を推定するため、炭素濃度が高い領域でも、溶鋼中の炭素濃度を正確に推定することができる。特に、溶鋼中に含まれる添加金属元素の影響を考慮した状態図を利用して、凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うため、炭素以外に添加金属元素を含む溶鋼において、炭素濃度を正確に推定することができる。
ここで、液相線が、Fe、C、および考慮元素のそれぞれの含有量に応じて算出される固相と液相の自由エネルギーの和が、最小になるように、計算によって作成される場合には、考慮元素の種類や含有量の組み合わせが多様に変化する場合に、それぞれの組み合わせに応じた多様な状態図を、予めデータベース等から全て準備しておかなくても、計算によって状態図を作成し、凝固温度に基づく炭素濃度の推定に利用することができる。よって、精錬の対象となる鋼種が多様に変化することがあっても、炭素濃度の推定を、正確に、また簡便に行うことが可能となる。
また、取鍋精錬炉での二次精錬を経て製造される鋼材が、添加金属元素としてCrを含有するステンレス鋼または耐熱鋼の成分組成を有し、考慮元素が、少なくともCrを含む場合には、種々の添加金属元素の中で、ステンレス鋼や耐熱鋼に比較的多く含まれ、凝固温度と炭素濃度の関係に大きな影響を与えやすいCrの含有を考慮した状態図を用いて、溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うことにより、炭素濃度を正確に推定しやすくなる。
この場合に、溶鋼が、添加金属元素として、Crと、MoおよびSiの2種より選択される少なくとも1種よりなる第一種添加元素と、を含有し、考慮元素が、Crと第一種添加元素よりなれば、種々の添加金属元素の中で、ステンレス鋼や耐熱鋼に比較的多く含まれるCr、Mo、Siの影響を取り込んだ状態図を用いて、溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うことにより、Crのみを考慮する場合よりもさらに、炭素濃度を正確に推定することができる。
あるいは、溶鋼が、添加金属元素として、Crと、MoおよびSiの2種より選択される少なくとも1種よりなる第一種添加元素と、Ni、Cu、Mnの3種より選択される少なくとも1種よりなる第二種添加元素と、を含有し、考慮元素が、Crと第一種添加元素と第二種添加元素よりなれば、種々の添加金属元素の中で、ステンレス鋼や耐熱鋼に比較的多く含まれるCr、Mo、Siのみならず、それらよりは含有量が少ない場合が多いNi、Cu、Mnの含有まで考慮した状態図を用いて、溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うことにより、Crのみ、またCr、Mo、Siのみを考慮する場合よりもさらに、炭素濃度を正確に推定することができる。
また、溶鋼における炭素濃度が、0.15質量%以上である場合には、炭素濃度がそのように高い領域では、溶存酸素濃度に基づく炭素濃度の推定では、誤差が大きくなりやすいが、状態図を利用して、溶鋼の凝固温度に基づいて炭素濃度を推定することで、炭素濃度推定の誤差を低減することができる。
以下、本発明の一実施形態にかかる精錬方法について、図面を用いて詳細に説明する。
[精錬方法の概要]
本発明の一実施形態にかかる精錬方法においては、電気炉を用いて、溶鋼の一次製錬を行った後に、電気炉から取鍋精錬炉(LF)に出鋼し、さらに、LFで二次精錬を行う。この際、電気炉での一次精錬が完了した後、LFへと出鋼する前に、電気炉内の溶鋼に対して、(1)凝固温度測定工程と、(2)炭素濃度推定工程とを、順に実行することで、電気炉内の溶鋼における炭素濃度を推定する。そして、推定した炭素濃度に基づいて、適宜、(3)調整工程を実施する。
本発明の一実施形態にかかる精錬方法においては、電気炉を用いて、溶鋼の一次製錬を行った後に、電気炉から取鍋精錬炉(LF)に出鋼し、さらに、LFで二次精錬を行う。この際、電気炉での一次精錬が完了した後、LFへと出鋼する前に、電気炉内の溶鋼に対して、(1)凝固温度測定工程と、(2)炭素濃度推定工程とを、順に実行することで、電気炉内の溶鋼における炭素濃度を推定する。そして、推定した炭素濃度に基づいて、適宜、(3)調整工程を実施する。
本実施形態にかかる精錬方法において、精錬の対象とする溶鋼は、Feと、Cを含有し、さらに、少なくとも1種の添加金属元素を含有している。添加金属元素は、特に限定されるものではないが、少なくともCrを含有していることが好ましい。Crに加え、MoおよびSiの少なくとも1種よりなる第一種添加元素も含有しているとよい。さらに、Crおよび第一種添加元素に加え、Ni、Cu、Moの少なくとも1種よりなる第二種添加元素も含有しているとよい。
各成分元素の含有量は、特に限定されるものではないが、炭素濃度は、電気炉からLFに出鋼される溶鋼における濃度で、0.15質量%以上であることが好ましい。また、Cr濃度は、電気炉からLFに出鋼される溶鋼における濃度で、7.0質量%以上であることが好ましい。溶鋼に対応する具体的な鋼種も、特に限定されるものではないが、LFでの二次精錬を経て製造される鋼材の鋼種として、ステンレス鋼または耐熱鋼に対応するものであることが好ましい。特に、マルテンサイト系ステンレス鋼に対応するものであることが好ましい。
(1)凝固温度測定工程
まず、凝固温度測定工程において、電気炉内で、所定の成分組成を目標とした一次製錬を完了し、出鋼される前の溶鋼に対して、凝固温度を実測する。
まず、凝固温度測定工程において、電気炉内で、所定の成分組成を目標とした一次製錬を完了し、出鋼される前の溶鋼に対して、凝固温度を実測する。
凝固温度の測定には、例えば、凝固温度測定用プローブを用いることができる。プローブの先端部近傍には、熱電対を備え、溶鋼を保持できる空間として、凝固室が形成されており、凝固室内に採取した溶融金属の温度変化を記録することができる。そのようなプローブの先端を、電気炉内の溶鋼中に浸漬して、凝固室内に溶鋼を採取する。そして、プローブを溶鋼から抜き取り、凝固室に採取した溶鋼を、大気中で冷却する。大気中で冷却が進行する間、溶鋼の温度変化を、時間に対して記録する。溶鋼冷却時の温度の時間変化の一例を、図1に示す。時間の経過に伴い、初期には温度が急激に低下するが、その後、温度が実質的に変化しない平坦域が出現する。この平坦域において、溶鋼の凝固が起こっており、平坦域の温度が、溶鋼の凝固温度となる。
この種の凝固温度測定用プローブを用いた溶鋼の凝固温度の測定は、典型的には、20〜30秒程度の所要時間で行うことができる。これは、溶鋼を採取して、成分分析によって炭素濃度を直接測定するのに要する典型的な時間である5〜10分に比べて、短いものである。凝固温度の測定は、できる限り、電気炉からLFへの出鋼の直前に行うことが好ましく、例えば、電気炉における一次製錬の最終工程として行うスラグの還元を実施した後に、凝固温度の測定を行えばよい。
(2)炭素濃度推定工程
炭素濃度推定工程においては、上記凝固温度測定工程において測定された溶鋼の凝固温度に基づき、その溶鋼中の炭素濃度を推定する。推定に際し、炭素濃度と温度との相関を示す平衡状態図(以下、単に状態図と称する場合がある)を利用する。
炭素濃度推定工程においては、上記凝固温度測定工程において測定された溶鋼の凝固温度に基づき、その溶鋼中の炭素濃度を推定する。推定に際し、炭素濃度と温度との相関を示す平衡状態図(以下、単に状態図と称する場合がある)を利用する。
この炭素濃度推定工程においては、炭素濃度を推定するための平衡状態図として、FeとCのみを含有するFe合金についての、Fe−C二元系状態図ではなく、C以外の考慮元素も含有するFe合金についての状態図を利用する。ここで、考慮元素は、溶鋼に含有される添加金属元素のうち、少なくとも一部よりなる。考慮元素は、全ての添加金属元素であっても、そのうち主要な金属元素を1種または複数種選択したものであってもよい。例えば、考慮元素がCr、Mo、Siの3種である場合には、所定の濃度のCr、Mo、Siに加えてCを含有するFe合金について、温度と炭素濃度の相関を示す状態図を利用する。炭素濃度推定工程において、状態図を準備する方法、およびその状態図を利用して炭素濃度を推定する方法の詳細については、後に説明する。
(3)成分調整工程
上記のように、LFによる二次精錬を経て、できる限り低コストで、所望の炭素濃度を有する鋼材を製造する観点から、電気炉からLFに出鋼する溶鋼における炭素濃度は、製造すべき鋼種に応じて、所定の範囲に収まっていることが重要となる。もし、炭素濃度推定工程で推定された炭素濃度が、その所定の範囲に収まっている場合には、電気炉において、それ以上に溶鋼の成分調整を行う必要はなく、炭素濃度推定工程の後、直接、LFに出鋼すればよい。
上記のように、LFによる二次精錬を経て、できる限り低コストで、所望の炭素濃度を有する鋼材を製造する観点から、電気炉からLFに出鋼する溶鋼における炭素濃度は、製造すべき鋼種に応じて、所定の範囲に収まっていることが重要となる。もし、炭素濃度推定工程で推定された炭素濃度が、その所定の範囲に収まっている場合には、電気炉において、それ以上に溶鋼の成分調整を行う必要はなく、炭素濃度推定工程の後、直接、LFに出鋼すればよい。
一方、推定された炭素濃度が、所定の範囲に収まっていない場合には、成分調整工程を実施して、炭素濃度がその所定範囲に収まるようにすることが好ましい。推定された炭素濃度が、所定範囲に対して高すぎる場合には、電気炉中に酸素を導入する等して、脱炭を進めればよい。逆に、推定された炭素濃度が、所定範囲に対して低すぎる場合には、電気炉中に炭素を多く含む原料を投入して溶融させればよい。
[炭素濃度推定工程における状態図の準備および炭素濃度の推定]
上記のように、炭素濃度推定工程においては、溶鋼の状態図を利用して、先立つ凝固温度測定工程で得られた溶鋼の凝固温度に基づいて、溶鋼中の炭素濃度を推定する。具体的には、状態図中の液相線上で、凝固温度測定工程で得られた凝固温度に対応する炭素濃度を見積もり、その炭素濃度をもって、電気炉中の溶鋼に含有されるCの濃度であると推定する。例えば、図2に、次に説明する方法で計算によって作成した状態図を示すが、凝固温度測定工程において、1477℃の凝固温度が観測された場合に、太線で示す液相線上で、その温度に対応する炭素濃度は、0.50質量%であり、溶鋼中の炭素濃度を、0.50質量%と推定することができる。溶鋼の温度は熱電対等、既存の測定手段を用いてかなり高精度に測定できるうえ、図1に示すように、溶鋼冷却時の温度変化において、溶鋼の凝固に対応する平坦域が明確に観測されるため、凝固温度は、精度良く測定できるパラメータである。よって、炭素濃度の推定を凝固温度に基づいて行うことで、溶存酸素濃度に基づいて行う場合とは異なり、炭素濃度が高い領域を含め、炭素濃度を高精度に推定することができる。
上記のように、炭素濃度推定工程においては、溶鋼の状態図を利用して、先立つ凝固温度測定工程で得られた溶鋼の凝固温度に基づいて、溶鋼中の炭素濃度を推定する。具体的には、状態図中の液相線上で、凝固温度測定工程で得られた凝固温度に対応する炭素濃度を見積もり、その炭素濃度をもって、電気炉中の溶鋼に含有されるCの濃度であると推定する。例えば、図2に、次に説明する方法で計算によって作成した状態図を示すが、凝固温度測定工程において、1477℃の凝固温度が観測された場合に、太線で示す液相線上で、その温度に対応する炭素濃度は、0.50質量%であり、溶鋼中の炭素濃度を、0.50質量%と推定することができる。溶鋼の温度は熱電対等、既存の測定手段を用いてかなり高精度に測定できるうえ、図1に示すように、溶鋼冷却時の温度変化において、溶鋼の凝固に対応する平坦域が明確に観測されるため、凝固温度は、精度良く測定できるパラメータである。よって、炭素濃度の推定を凝固温度に基づいて行うことで、溶存酸素濃度に基づいて行う場合とは異なり、炭素濃度が高い領域を含め、炭素濃度を高精度に推定することができる。
本実施形態にかかる精錬方法の炭素濃度推定工程においては、上記のように状態図を用いて、凝固温度から炭素濃度を推定する際に、状態図として、Cだけでなく、添加金属元素より選択される考慮元素を含有するFe合金の状態図を利用する。Cを含有するFe合金の相状態は、C以外の添加元素の濃度よりも、Cの濃度に大きく依存するため、C以外に添加元素を含有する場合でも、Cのみを含有するFe−C二元系状態図を用いて炭素濃度の推定を行う方法が考えうる。しかし、正確には、Fe合金がC以外にも添加金属元素を含有する場合には、Cのみを含有する場合と比較して、状態図における液相線の位置が変化する。状態図における液相線の位置の変化は、凝固温度に基づいて推定される炭素濃度の不正確性につながりうる。
例えば、上記で炭素濃度推定の例として用いた図2において、実線で示す状態図は、Cに加え、Cr、Mo、Siを含有するFe合金の状態図である。ここでは、Crが12.0質量%、Moが0.15質量%、Siが0.10質量%含有されている。図中には、Fe合金におけるCr、Mo、Siの含有を考慮せず、Cのみを含有するFe−C合金の二元系状態図における液相線を、破線にて併せて表示する。
これによると、Cr、Mo、Siを考慮した場合(太い実線)と考慮しない場合(破線)で、液相線が大きくずれていることが分かる。例えば、炭素濃度が0.50質量%である場合の液相線上の温度、つまり溶鋼の凝固温度は、それら3種の金属元素を含有しない場合には、1500℃であるのに対し、含有する場合には、1477℃まで下がっている。また、凝固温度が1500℃である場合の炭素濃度は、上記3種の金属元素を含有しない場合には、0.50質量%であるのに対し、含有する場合には、0.25質量%と、半分になっている。つまり、Cr、Mo、Siをそれぞれ上記濃度で含有する溶鋼に対して、凝固温度測定工程において、1500℃との凝固温度が測定された場合に、Cのみの含有を考慮した二元系状態図を用いて炭素濃度を推定するとすれば、上記3種の添加金属元素を用いた状態図を用いる場合と比べて、2倍の値で推定することになる。
このように、C以外に溶鋼に含有される添加金属元素を考慮した状態図を用いることで、Cのみの含有を考慮した二元系状態図を用いる場合よりも、炭素濃度を正確に推定することができるが、その場合には、溶鋼に含有される添加金属元素の種類や量に応じて、合金組成ごとに、状態図を準備する必要が生じる。精錬の対象となる溶鋼の成分組成が多様に変化する場合には、正確に炭素濃度を見積もるためには、状態図において考慮の対象とする添加金属元素の種類や量の組み合わせの数だけ、状態図を準備することになる。多様な成分組成に対する状態図を、実測やデータベースの参照によって全て準備することには、困難と労力が伴う。
そこで、計算を用いて状態図を作成することで、多様な成分組成に対応して、簡便に状態図を準備することができる。合金において、自由エネルギー(ギブズの自由エネルギー)に基づいて、状態図を計算によって見積もることができる。そのような方法は、計算状態図(CALPHAD)法として知られている。
系内に存在する各相の自由エネルギーの和が極小値をとる時に、それらの相が平衡状態にあると見積もることができる。溶鋼の凝固現象の場合、液相と固相の自由エネルギーの和が最小になった状態で、液相と固相が平衡になったと見積もることができ、そのように自由エネルギーの和が最小になる温度を、炭素濃度の変化に対してプロットすることで、液相線が得られる。
多元系合金の自由エネルギーは、各元素の含有量に応じて算出することができる。つまり、各元素の含有量(モル分率)に応じて、各元素の各相における標準生成自由エネルギーの総和を、活量を考慮して計算することで、系の全自由エネルギーを算出することができる。溶鋼の凝固現象において、Cと考慮元素を含有するFe合金を状態図算出の対象とする場合、FeとCと考慮元素のそれぞれについて、含有量に応じて、液相および固相の標準自由エネルギーの総和を、活量を考慮して計算することで、全自由エネルギーを算出することができる。計算式の一例を、下の式(1)に示す。
平衡状態においては、系の自由エネルギーが極小値をとるので、上記式(1)において、全自由エネルギーGが極小値をとる際の、温度Tおよび各相における各元素のモル分率nijの組み合わせを、演算によって求めることで、状態図における各境界線を作成することができる。溶鋼の凝固現象において、Cと考慮元素を含有するFe合金を状態図算出の対象とする場合、ある温度において、全自由エネルギーGが極小値(最小値)をとるように、各元素の液相および固相のモル分率の組み合わせを求めればよい。そして、液相におけるCのモル分率を質量分率に変換して、温度との関係をプロットすることで、液相線を得ることができる。
FeおよびC、さらに、Cr、Mo、Si等、考慮元素のそれぞれについて、液相および固相における標準生成自由エネルギーと、活量を、データベース等から取得しておけば、電気炉中の溶鋼における各考慮元素の含有量が変化しても、それぞれの含有量に応じて、計算によって、状態図を作成することができる。よって、溶鋼の成分組成において、それら考慮元素の含有量が多様に変化しても、その成分組成に対応した状態図を作成し、測定した凝固温度から、炭素濃度を推定することができる。なお、溶鋼中における考慮元素の含有量は、電気炉に投入して溶融させた原料の成分組成および量から見積もることができる。
例えば、下の表1に示す量のCr、Mo、Siを含有する3種のFe合金について、式(1)に基づいて液相線を算出した結果、つまり凝固温度と炭素濃度の関係を、図3に示す。
図3によると、Cr、Mo、Siの含有量が異なる各鋼種において、液相線の位置が異なっていることが分かる。例えば、1474℃の凝固温度に対応する炭素濃度が、鋼種Aでは0.47質量%、鋼種Bでは0.50質量%、鋼種Cでは0.57質量%となっている。このことは、対象としている鋼種に対応する量のCr、Mo、Siを含有するFe合金の液相線を適切に用いなければ、炭素含有量の推定値に、20%程度の誤差が生じうることを示している。
実際の製造設備において、溶鋼の溶製を行う際には、溶製の対象となる可能性のある鋼種に対して、Cr、Mo、Si等の考慮元素を、その鋼種における含有量に即した量で含有するFe合金を想定し、状態図を作成しておけばよい。そして、得られた状態図に基づき、図3のような、液相線を抜き出した検量線、あるいは、凝固温度と炭素濃度の関係を、例えば1℃刻みに表示した換算表を作成しておけばよい。製造設備の電気炉において、凝固温度測定工程を実施して、溶鋼の凝固温度を実測したうえで、対象としている鋼種に対応する検量線または換算表を選択して用い、その凝固温度を、炭素濃度に変換すればよい。
[炭素濃度推定の精度と考慮元素の種類]
溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定に用いる状態図を作成する際に、Fe合金への含有を考慮する考慮元素は、対象とする溶鋼に含有される添加金属元素の少なくとも一部として選択される。全添加金属元素のうち、考慮元素として取り込む金属元素の種類が多くなるほど、状態図の作成、および状態図を用いた炭素濃度の推定を、高精度に行うことができる。一方で、考慮元素が多くなるほど、1つの状態図の作成に要する労力および時間が増大するとともに、例えば、一部の添加金属元素の含有量がわずかに変化するのみの鋼種の変更があった場合等にも、状態図を作成し直す必要が生じ、多数の状態図を準備することになる。
溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定に用いる状態図を作成する際に、Fe合金への含有を考慮する考慮元素は、対象とする溶鋼に含有される添加金属元素の少なくとも一部として選択される。全添加金属元素のうち、考慮元素として取り込む金属元素の種類が多くなるほど、状態図の作成、および状態図を用いた炭素濃度の推定を、高精度に行うことができる。一方で、考慮元素が多くなるほど、1つの状態図の作成に要する労力および時間が増大するとともに、例えば、一部の添加金属元素の含有量がわずかに変化するのみの鋼種の変更があった場合等にも、状態図を作成し直す必要が生じ、多数の状態図を準備することになる。
そこで、全添加金属元素のうち、一部の金属元素を選択して、考慮元素とすればよい。この際、溶鋼の凝固温度と炭素濃度の関係性に大きな影響を与える金属元素を、優先的に考慮元素として選択すれば、過剰に考慮元素の種類を多くすることなく、凝固温度と炭素濃度の関係性を高精度に与える状態図を作成することができる。溶鋼中の含有量が多い金属元素ほど、溶鋼の凝固温度と炭素濃度の関係性に大きな影響を与える場合が多いため、優先的に考慮元素とすればよい。
例えば、Crは、ステンレス鋼および耐熱鋼をはじめ、多くの鋼種において、各添加金属元素の中で含有量が多い元素であり、考慮元素として、少なくともCrを選択することが好ましい。また、MoやSiも、比較的多量に含有される元素であり、それらのうち溶鋼に含有されるもの(第一種添加元素)については、Crとともに、考慮元素として選択し、状態図の作成において考慮することが好ましい。それにより、Crのみを考慮元素とする場合よりも、炭素濃度を高精度で推定することができる。上記図2、3に示した形態においても、Cr、Mo、Siの3種を考慮元素としている。
図4に、上記鋼種A〜Cを含む様々な鋼種に対して、炭素濃度の推定値(横軸)と、実測値(縦軸)の関係を示す。ここで、炭素濃度の推定値は、各鋼種に対応して、Cr、Mo、Siを考慮元素として作成した状態図を利用して、溶鋼の凝固温度の測定値に基づいて推定されたものである。炭素濃度の実測値は、溶鋼を採取して、成分分析により、直接測定したものである。なお、ここで行っている炭素濃度の実測は、推定値の正確性の検証のためのものであり、本実施形態にかかる精錬工程において、炭素濃度の実測を行うものではない。
図4において、炭素濃度の推定値が実測値と一致する場合を実線で表示している。また、破線で、実測値からのずれが±0.05質量%および±0.10質量%の範囲を示している。炭素濃度の推定値は、0.9質量%以下の領域で、実測値に対して、−0.08質量%〜+0.07質量%の領域、幅にして0.15質量%の領域に分布している。実測値の上下両側に、推定値がほぼ均等に分布しており、炭素濃度を、±0.08質量%程度のばらつきの範囲内で、正確に推定できていると言える。一方、0.9質量%以上の領域では、推定値は、実測値に対して、−0.21質量%〜+0.11質量%の領域、幅にして0.10質量%の領域に分布している。つまり、推定値のばらつきは小さいものの、実測値に対して低濃度側に推定値がずれてしまっている。ずれの程度は、実測値に対する割合として、10%程度となっている
このように、Cr、Mo、Siの3種を考慮元素として状態図を作成し、凝固温度に基づいて炭素濃度を推定することで、比較的推定の精度が高い場合には、±0.08質量%程度のばらつきで、炭素濃度を推定することができる。ただし、推定の精度が低くなる場合も生じるが、そのような場合にも、実測値からの推定値のずれを、実測値に対する割合で、10%程度に抑えることができる。なお、図4では、炭素濃度の高い領域で実測値からのずれが大きくなっているが、その傾向は本質的なものではなく、偶然に対象とした鋼種における、Cr、Mo、Si以外の添加元素の含有量等に起因するものであり、炭素濃度の高低とずれの大きさの間には、明確な相関はない。
ステンレス鋼や耐熱鋼をはじめとする多くの鋼種において、Crと、Moおよび/またはSiに加え、それらよりは含有量が少ないものの、Ni、Cu、Mnの少なくとも1種を含有する場合が多い。そのように、溶鋼にNi、Cu、Mnの少なくとも1種が含有される場合には、それらのうち溶鋼に含有されるもの(第二種添加元素)については、上記Cr、Moおよび/またはSiとともに、考慮元素として選択し、状態図の作成において考慮することが好ましい。それによって、Crのみ、またCrと、Moおよび/またはSiのみを考慮元素とする場合よりも、炭素濃度推定の精度を向上させることができる。
図5に、Cr、Mo、Si、Ni、Cu、Mnの6種を考慮元素とした場合について、炭素濃度の推定値と実測値の関係を示す。ここで、各プロット点に対応する鋼種は、図4の各プロット点に対応する鋼種と同じものであり、炭素濃度の実測値も、図4と同一の値を用いている。
図5によると、図4のCr、Mo、Siの3種のみを考慮元素とした場合と比較して、炭素濃度の推定値が、全濃度領域で、実測値に近接して分布するようになっている。つまり、推定値の実測値からのずれが低減されている。また、全濃度領域で、推定値が、実測値の上下両側に、ほぼ均等に分布している。全濃度領域における実測値からの推定値のずれは、−0.06質量%〜+0.06質量%、幅にして0.12質量%となっている。つまり、実測値を中心とした推定値のばらつきも、低減されている。
このように、比較的含有量の多いCr、Mo、Siに加え、それらよりも含有量が少ない場合が多いNi、Cu、Mnまで考慮した状態図を用いて、炭素濃度の推定を行うことで、推定の精度を高めることができ、±0.06質量%程度のばらつきで、正確な炭素濃度を推定することができる。なお、図5に示した結果では、図4の場合から、Ni、Cu、Mnを考慮するようにしたことに加え、電気炉でのスラグの還元による溶鋼中のCrおよびSiの濃度変化を考慮するようにしている。炭素濃度の実測値の測定は、スラグ還元前に行っており、推定値の推定に用いている凝固温度の測定は、スラグ還元後に行っているからである。しかし、炭素濃度の推定における精度向上の大部分は、Ni、Cu、Mnを考慮したことの寄与によっている。
上記Cr、Mo、Si、Ni、Cu、Mnの他にも、溶鋼の凝固温度に有意な影響を与えうる添加元素があれば、状態図を作成する際に考慮すればよい。そのような添加元素として、P、S、Al等を例示することができる。不可避的不純物として溶鋼に含有される元素については、凝固点への影響はほとんどなく、あるとしても炭素濃度の見積もりにおいて無視しうる程度であるため、状態図の作成において、考慮する必要はない。ある元素の影響を考慮しない場合に生じる、炭素濃度の推定値の実測値からのずれが、概ね±0.06質量%未満の範囲に収まる場合には、その元素の影響は無視しうる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。なお、本発明においては、炭素濃度推定の精度向上の重要性から、一次精錬を電気炉で行い、二次精錬をLFで行う形態を扱っているが、一次精錬および二次精錬をそれら以外の形態の炉を用いて行う場合にも、同様の方法を採用することで、成分分析によらず、炭素濃度が高い領域でも、炭素濃度の推定を高精度で行うことができる。鋼種についても、ステンレス鋼や耐熱鋼に限定されるものではない。
Claims (6)
- 電気炉から取鍋精錬炉に、Feと、Cと、少なくとも1種の添加金属元素を含有する溶鋼を出鋼するに際し、
出鋼前に、前記電気炉中の前記溶鋼の凝固温度を測定する凝固温度測定工程と、
前記添加金属元素の少なくとも一部よりなる考慮元素を含有するFe合金についての、炭素濃度と温度の相関を示す平衡状態図において、液相線上で前記凝固温度に対応する炭素濃度を、前記溶鋼中の炭素濃度であると推定する炭素濃度推定工程と、を実行することを特徴とする精錬方法。 - 前記液相線は、Fe、C、および前記考慮元素のそれぞれの含有量に応じて算出される固相と液相の自由エネルギーの和が、最小になるように、計算によって作成されることを特徴とする請求項1に記載の精錬方法。
- 前記取鍋精錬炉での二次精錬を経て製造される鋼材は、前記添加金属元素としてCrを含有するステンレス鋼または耐熱鋼の成分組成を有し、
前記考慮元素は、少なくともCrを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の精錬方法。 - 前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Crと、MoおよびSiの2種より選択される少なくとも1種よりなる第一種添加元素と、を含有し、
前記考慮元素は、Crと前記第一種添加元素よりなることを特徴とする請求項3に記載の精錬方法。 - 前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Crと、MoおよびSiの2種より選択される少なくとも1種よりなる第一種添加元素と、Ni、Cu、Mnの3種より選択される少なくとも1種よりなる第二種添加元素と、を含有し、
前記考慮元素は、Crと前記第一種添加元素と前記第二種添加元素よりなることを特徴とする請求項3に記載の精錬方法。 - 前記溶鋼における炭素濃度は、0.15質量%以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の精錬方法。
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