JP2956523B2 - 高珪素鋼材の製造方法 - Google Patents
高珪素鋼材の製造方法Info
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Description
高珪素鋼材の製造方法に関する。
を工業的に製造する方法として、特開昭62−2270
78号等に示される気体浸珪処理法が知られている。こ
の製造方法は、Si:4wt%未満の薄鋼帯をSiCl
4と高温で反応させることによりSiを浸透させ、浸透
したSiを板厚方向に拡散させることにより高珪素鋼帯
を得る方法であり、例えば、特開昭62−227078
号や特開昭62−26324号等では、鋼帯をSiCl
4が5〜35wt%含まれる無酸化性雰囲気中において
1023℃〜1200℃の温度で連続的に浸珪処理し、
コイル状の高珪素鋼帯を得ている。
ガスとしてSiCl4が使用されており、通常、キャリ
アガス(N2、不活性ガス等)とSiCl4とを混合した
高温の処理ガスを、スリットノズル等から高温に加熱さ
れた鋼帯に吹き付けることにより浸珪処理を行ってい
る。図4は高珪素鋼帯を連続的に製造するための連続浸
珪処理ラインを示している。この連続浸珪処理ラインは
入側から加熱炉、浸珪処理炉、均熱炉および冷却帯を備
え、鋼帯を加熱炉において処理温度まで連続的に加熱し
た後、浸珪処理炉でSiCl4と反応させることにより
Siを浸透させ、次いで、均熱炉においてSiを板厚方
向に拡散させるための熱処理を連続的に施した後、冷却
帯で冷却することでコイル状の高珪素鋼帯が製造され
る。
理ラインで高珪素鋼帯を製造する場合、SiCl4と鋼
帯とを反応させるためには1050℃以上の高温状態が
必要であるため、浸珪処理炉内の耐火物の損傷が激しい
という問題がある。また、このような高温状態では鋼帯
の機械的強度も低下するため、鋼帯の形状不良が生じ易
い等の問題もある。さらに、鋼帯のFeとSiCl4と
の反応によって大量のFeCl2(副生成ガス)が生成
し、このFeCl2の生成によって相当程度の鋼帯重量
が失われるため材料の歩留りが悪く、また、大量に生成
するFeCl2の処理のために大型の処理設備が必要で
あるという問題もある。
るために本発明者らが検討を重ねた結果、原料ガスとし
てSiCl2を含む処理ガスを用いて鋼材の浸珪処理を
行うことにより、従来のように原料ガスとしてSiCl
4のみを用いて浸珪処理を行う場合に較べて反応温度
(処理温度)を低下させることができるとともに、反応
速度(浸珪速度)を高めることができ、しかもFeCl
2の発生量も低減できることが判った。また、原料ガス
としてSiCl2を含む処理ガスで鋼材の浸珪処理を行
うには、予めSiCl4を金属Siと高温で反応させる
ことによりSiCl2を生成させ、このSiCl2を含む
処理ガスを鋼材と反応させることが最も容易であること
が判った。
もので、その特徴とする構成は以下の通りである。 (1) Si:4wt%未満を含有する鋼材を気体浸珪処理
することにより高珪素鋼材を製造する方法において、S
iCl2を含有する処理ガスを鋼材と800〜1200
℃の温度範囲で反応させることにより、鋼材にSiを浸
透させることを特徴とする高珪素鋼材の製造方法。 (2) 上記(1)の方法において、SiCl4を予め金属Si
と800〜1300℃の温度範囲で反応させることによ
りSiCl2を生成させ、このSiCl2を含む処理ガス
を鋼材と反応させることを特徴とする高珪素鋼材の製造
方法。
(キャリアガス+原料ガス)を金属Siと接触させ、処
理ガス中のSiCl4の少なくとも一部を金属Siと反
応させることによりSiCl2を生成させる方法と、S
iCl4ガス単味を金属Siと接触させ、その少なくと
も一部を金属Siと反応させることによりSiCl2を
生成させ、しかる後、このSiCl2を含む原料ガスを
キャリアガスまたは系内を循環する処理ガスと混合する
方法とがある。
理による高珪素鋼材の製造方法では原料ガスとしてSi
Cl4を使用し、SiCl4と低珪素鋼材を高温で反応さ
せ、Siを鋼材内に浸透させることにより高珪素鋼材を
製造しており、SiCl4と鋼材との反応は下記(1)式で
表わされる。 SiCl4+5Fe→Fe3Si+2FeCl2 …(1)
応温度)でのギブスの自由エネルギーΔGと平衡定数K
を表1に示す。図1は、これらから各反応温度でのSi
Cl4の反応率を計算した結果(キャリアガス:N2、処
理ガス中のSiCl4濃度:10〜100vol%)を
示し、また、図2は板厚0.32mmの鋼帯を浸珪処理
(キャリアガス:N2、処理ガス中のSiCl4濃度:2
5vol%、処理ガス流量:2L/min)した際の反
応温度と浸珪速度との関係を実験的に調べた結果を示し
ている。
l4を用いた場合には、実用上満足できる浸珪速度を得
るためには1050℃以上の反応温度が必要であるこ
と、また、1050℃以上の温度域であっても比較的低
温域にあっては浸珪速度が小さいことが判る。また、上
記反応式に従うとFeCl2の発生量はSiCl4:1モ
ル当たり2モルであり、したがって3%Si鋼板から
6.5%Si鋼板を1000kg製造するのに290k
gものFeCl2が発生することになる。このため浸珪
処理による鋼帯の重量減少も9%近くに達し、歩留りが
極めて悪い。
験装置を用い、SiCl4濃度が25vol%の処理ガ
ス(キャリアガス:N2)を反応炉1に供給して、Si
Cl4(実際はSiCl4の一部)を予め金属Siと高温
で反応させた後、その処理ガスを浸珪炉2内に導き、板
厚0.3mmの3%Si鋼板と2分間反応させる実験を
行った。また、比較のためにSiCl4を金属Siと反
応させることなく浸珪炉2内に導き、浸珪処理を行う実
験を行った。これらの実験は金属Siの温度(SiCl
4と金属Siとの反応温度)と鋼板温度(浸珪処理温
度)を種々変えて実施し、鋼板の浸珪処理後はそのまま
浸珪炉内で拡散均熱処理を施し、処理後における鋼板中
へのSi添加量(=Siを板厚方向で均一に拡散させた
場合のSi増加量)を調べた。その結果を処理条件とと
もに表2に示す。
度)であれば予めSiCl4を金属Siと反応させた処
理ガスを用いたもの(No.5〜No.24)の方が、SiC
l4を金属Siと反応させることなくそのまま鋼板と反
応させたもの(No.1〜No.4)に較べてSi添加量が増
加していることが判る。この傾向は、特に金属Si温
度、つまりSiCl4と金属Siとの反応温度が100
0℃以上の場合において顕著である。これは、SiCl
4とSi金属との反応温度が高い程、SiCl2生成率が
高くなり、処理ガス中のSiCl2濃度が高まるからで
ある。
予めSiCl4を金属Siと反応させた処理ガスを用い
たものの方が、SiCl4を金属Siと反応させること
なくそのまま鋼板と反応させたものに較べ、鋼板温度
(浸珪処理温度)を下げることができることが判る。予
めSiCl4を金属Siと反応させ、しかる後鋼板と反
応させる場合の反応式を以下に示す。 SiCl4+Si→2SiCl2 …(2) SiCl2+4Fe→Fe3Si+FeCl2 …(3)
金属Siと反応してSiCl2が生成する。このSiC
l2は非常に活性であるため、浸珪処理部に導入されて
鋼板と接すると直ぐに反応し、(3)式に従って鋼板にS
iが浸透する。この(3)式の反応における各反応温度毎
(800〜1200℃)のギブスの自由エネルギーΔG
と平衡定数Kを表3に示す。ギブスの自由エネルギーΔ
Gは、その値が負であれば反応が進むことを示してお
り、SiCl4と鋼板との上記(1)式の反応に比べ、低温
側から非常に反応性が良いことが判る。
Siからガスを介して鋼板に運ばれるような反応であ
り、浸珪反応では1モルのSi原子が浸透する際に1モ
ルのFeCl2が生成する。したがって、従来法のよう
にSiCl4を直接鋼板と反応させる場合には1モルの
Si原子が浸透する際に2モルのFeCl2が発生する
のに対し、原料ガスとしてSiCl2のみを含む処理ガ
スを用いた場合にはFeCl2の発生を1/2に抑える
ことができる。
3mmの3%Si鋼板を浸珪処理して6.5%Si鋼板
を製造するに当たり、1200℃でSiCl4(処理
ガス中のSiCl4濃度:25vol%)を直接鋼板と
反応させて浸珪処理した場合と、予め1200℃でS
iCl4(処理ガス中のSiCl4濃度:25vol%)
と金属Siとを1分間反応させてSiCl2を生成さ
せ、この反応後のガスを1200℃で鋼板と反応させて
浸珪処理した場合について、それぞれのFeCl2の発
生量を示したものである。
べてFeCl2の発生量が約24%減少している。ここ
で、FeCl2の発生量がの方法の場合の50%まで
減少していないのは、の方法では、供給したSiCl
4の総てが金属Siと反応してSiCl2に変化している
訳ではなく、したがって、SiCl4とSiCl2の混合
ガスが鋼板と反応して、上記(1)式と(3)式の反応が同時
に起こっているためであり、混合ガス中のSiCl2分
のみがFeCl2の減少に寄与しているためであると考
えられる。
2を含ませるための方法は任意であるが、実操業の面か
ら最も簡便にSiCl2を得、且つこれを鋼材と速やか
に反応させる方法は、上述したようなSiCl4を金属
Siと反応させてSiCl2を生成させ、これを鋼材と
反応させる方法であり、このような方法を実施する場
合、供給されたSiCl4の一部が金属Siと反応して
SiCl2が生成されるため、原料ガスは実質的にSi
Cl2とSiCl4との混合ガスとなる。
l2を得る場合、処理ガス(キャリアガス+原料ガス)
を金属Siと接触させ、処理ガス中のSiCl4の少な
くとも一部を金属Siと反応させることによりSiCl
2を生成させる方法と、SiCl4ガス単味を金属Siと
接触させ、その少なくとも一部を金属Siと反応させる
ことによりSiCl2を生成させ、しかる後、このSi
Cl2を含む原料ガスをキャリアガスまたは系内を循環
する処理ガスと混合する方法とがあり、これらのいずれ
の方法を採ることもでき、また、両者を併用することも
できる。
方法としては、図3に示すような特別な反応炉を設ける
方法に限定されるものではなく、例えば、後述する実施
例に示されるように、浸珪処理炉内に配置される処理ガ
スの供給ノズル内に粒状の金属Siを充填し、供給ノズ
ルにSiCl4を含む処理ガスを供給して、ノズル内で
SiCl4の一部と金属Siとを反応させることにより
SiCl2を生成させ、このSiCl2を残余のSiCl
4とともにノズルから鋼材に吹き付ける方法等、適宜な
方法を採ることができる。
iと反応させる場合、SiCl2の生成率を高めるため
にはSiCl4と金属Siとの反応温度がなるべく高い
方が好ましく、表2に示されるように反応温度は800
℃以上、好ましくは1000℃以上とすることが望まし
い。一方、反応温度が1300℃を超えると、設備の耐
熱性や耐久性及びコストの面で問題を生じる。また、浸
珪反応で生じるFe3Siの融点が1250℃であるた
め、金属Siと反応した後の高温ガスが浸珪処理部で鋼
板を加熱してしまうと鋼板自体が溶融する可能性があ
る。このような観点から、SiCl4と金属Siとの反
応温度は1300℃以下とすることが望ましい。
に限定しないが、浸珪処理温度を下げ或いは浸珪速度を
高めるためにはある程度の濃度(例えば、0.5vol
%以上)とすることが好ましい。但し、SiCl2はS
iCl4に較べて活性が高いため、比較的低い濃度でも
所望の効果が得られる。SiCl4を金属Siと反応さ
せてSiCl2を生成させる上記の方式においては、処
理ガス中のSiCl2濃度を正確に測定することは現実
には難しいが、経験的に、処理ガス中の濃度が1〜35
vol%のSiCl4を金属Siと800〜1300
℃、好ましくは1000〜1300℃で反応させること
により、処理ガス中における所望のSiCl2濃度を確
保することができる。
てSiCl2を用いることにより従来法に較べて浸珪処
理温度を下げることができるが、本発明においても浸珪
処理温度が800℃未満では浸珪速度が低下し、実操業
上の実施が困難となる。一方、浸珪処理温度が1200
℃を超えると鋼板が溶融するという問題を生じる。この
ため浸珪処理温度は800〜1200℃とする。また、
本発明は図4に示すような連続ラインによる高珪素鋼帯
の製造に限らず、あらゆる形状、態様の高珪素鋼材の製
造に適用することができるが、特に連続ラインにおいて
高珪素鋼帯を製造する場合には、SiCl4の少なくと
も一部を金属Siと反応させてSiCl2を生成させ、
このSiCl2を鋼帯と反応させる上述した方法が、S
iCl2を連続的に定量供給できるという面で有利であ
る。
板厚0.3mmの3%Si鋼板を浸珪処理して高珪素鋼
帯を製造するに当たり、本発明例では浸珪処理炉内に配
置された処理ガス供給用のノズル内に金属Si粒を充填
し、このノズル内にSiCl4を含む処理ガス(キャリ
アガス:N2、処理ガス中のSiCl4濃度:25vol
%)を供給して、処理ガス中のSiCl4の一部をノズ
ル内で金属Siと反応させることによりSiCl2を生
成させ、このSiCl2と残余のSiCl4を含む処理ガ
スを鋼帯に吹き付け、鋼帯の浸珪処理を行った。なお、
SiCl4と金属Siと反応温度及び浸珪処理温度は1
200℃、浸珪処理時間は3分とした。また、比較例と
して、ノズル内に金属Si粒を充填しない点を除き同一
の処理条件及びラインスピードで鋼帯の浸珪処理を実施
した。
(浸珪量)と鋼板1kgにSiを1wt%添加する際に
発生するFeCl2量を表5に示す。表5によれば、S
iCl2を含む処理ガスで浸珪処理を実施した本発明例
では、SiCl4のみを含む処理ガスで浸珪処理を実施
した比較例に較べてSi添加量が多く、したがって高い
浸珪速度が得られており、またFeCl2の発生もかな
り減少していることが判る。
ンにおいて、板厚0.3mmの3%Si鋼板を浸珪処理
して高珪素鋼帯を製造するに当たり、浸珪処理炉内に配
置された処理ガス供給用のノズル内に金属Si粒を充填
し、このノズル内にSiCl4を含む処理ガス(キャリ
アガス:N2、処理ガス中のSiCl4濃度:25vol
%)を供給して、処理ガス中のSiCl4の一部をノズ
ル内で金属Siと反応させることによりSiCl2を生
成させ、このSiCl2と残余のSiCl4を含む処理ガ
スを鋼帯に吹き付け、鋼帯の浸珪処理を行った。なお、
SiCl4と金属Siと反応温度は1200℃、浸珪処
理温度は600〜1200℃、浸珪処理時間は2分とし
た。表6に各浸珪処理温度におけるSi添加量(浸珪
量)を示す。
満ではSi添加量が極めて少なく、実用的でないことが
判る。これは、浸珪処理温度が800℃未満では鋼板表
面に生成したFe−Si化合物が鋼板内部に拡散できな
いため、鋼板表面でのFeとSiとの反応が進行しない
ことによるものと考えられる。したがって、浸珪処理温
度は800℃以上とすること好ましい。
ンにおいて、板厚0.3mmの3%Si鋼板を浸珪処理
して高珪素鋼帯を製造するに当たり、本発明例では浸珪
処理炉内に配置された処理ガス供給用のノズル内に金属
Si粒を充填し、このノズル内にSiCl4を含む処理
ガス(キャリアガス:N2、処理ガス中のSiCl4濃
度:25vol%)を供給して、処理ガス中のSiCl
4の一部をノズル内で金属Siと反応させることにより
SiCl2を生成させ、このSiCl2と残余のSiCl
4を含む処理ガスを鋼帯に吹き付け、鋼帯の浸珪処理を
行った。なお、SiCl4と金属Siと反応温度は12
00℃、浸珪処理温度は900〜1200℃、浸珪処理
時間は2分とした。また、比較例として、ノズル内に金
属Si粒を充填しない点を除き同一の処理条件及びライ
ンスピードで鋼帯の浸珪処理を実施した。表7に各浸珪
処理温度における本発明例及び比較例のSi添加量(浸
珪量)を示す。
t%を得るために、SiCl2含有処理ガスを用いた本
発明例では浸珪処理温度1000℃で十分であるのに対
して、SiCl4のみを含有する処理ガスを用いた比較
例では1200℃の浸珪処理温度を必要とすることが判
る。したがって、本発明法によれば、SiCl4のみを
含有する処理ガスを用いる従来法に較べ、浸珪処理温度
を大幅に低下させることができる。
理法による高珪素鋼材の製造において、従来のように原
料ガスとしてSiCl4のみを用いた製造方法に較べて
高い浸珪速度が得られ、このため高珪素鋼材の生産性を
向上させることができる。また、従来法と同じ浸珪速度
を得るのに処理温度を大幅に下げることが可能であり、
このため従来法に較べて炉内耐火物の損傷を低く抑える
ことができる。さらに、従来法に較べてFeCl2の生
成量を減少させることできるため材料の歩留りが向上
し、また、生成したFeCl2の処理の面でも設備的な
負担を小さくすることができる。
ば、SiCl2を含む処理ガスを簡便に得て、且つこれ
を鋼材と速やかに反応させることができ、また、SiC
l2を含む処理ガスを連続的に定量供給できるという利
点があり、したがって、特に連続浸珪処理ラインによる
高珪素鋼帯の製造に好適な方法である。
関係を示すグラフ
の関係を示すグラフ
説明図
Claims (2)
- 【請求項1】 Si:4wt%未満を含有する鋼材を気
体浸珪処理することにより高珪素鋼材を製造する方法に
おいて、SiCl2を含有する処理ガスを鋼材と800
〜1200℃の温度範囲で反応させることにより、鋼材
にSiを浸透させることを特徴とする高珪素鋼材の製造
方法。 - 【請求項2】 SiCl4を予め金属Siと800〜1
300℃の温度範囲で反応させることによりSiCl2
を生成させ、このSiCl2を含む処理ガスを鋼材と反
応させることを特徴とする請求項1に記載の高珪素鋼材
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9775995A JP2956523B2 (ja) | 1995-03-30 | 1995-03-30 | 高珪素鋼材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP9775995A JP2956523B2 (ja) | 1995-03-30 | 1995-03-30 | 高珪素鋼材の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08269684A JPH08269684A (ja) | 1996-10-15 |
JP2956523B2 true JP2956523B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=14200813
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP9775995A Expired - Fee Related JP2956523B2 (ja) | 1995-03-30 | 1995-03-30 | 高珪素鋼材の製造方法 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2956523B2 (ja) |
-
1995
- 1995-03-30 JP JP9775995A patent/JP2956523B2/ja not_active Expired - Fee Related
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