JP4210768B2

JP4210768B2 - 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

Info

Publication number: JP4210768B2
Application number: JP24183099A
Authority: JP
Inventors: 康行片田; 秀樹宇野; 和夫広瀬
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2019-08-27
Also published as: JP2001064716A

Description

【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加圧式エレクトロスラグ再溶解法の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、ＥＳＲ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−１７Ｃｒ−１４Ｎｉ−２．５Ｍｏ (mass ％ )）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０．２mass％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、加圧式ＥＳＲ（エレクトロスラグ再溶解）法の消耗式電極のための窒素添加用鋼製パイプの製造方法であって、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する。
【０００８】
さらに、この出願の発明は、第２には、加圧式ＥＳＲ法の消耗式電極の製造方法であって、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３には、加圧式ＥＳＲ法の消耗式電極であって、前記第１の方法により作製された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４には、前記第２の方法により作製された消耗式電極を用い、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：０．３〜２．０mass％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の発明としての加圧式ＥＳＲ法の消耗式電極のための、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（ＣｒＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）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ＥＳＲ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０．３〜２．０mass％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２０mass％）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℃、１，０００℃、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：７mass％、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８５０ｍｍＬＳＵＳ３１６Ｌ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ＴＩＧ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１．０mass％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_-Ａｌ₂Ｏ₃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：０．３〜２．０mass％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：０．３〜２．０mass％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。

Claims

加圧式エレクトロスラグ再溶解法の消耗式電極のための窒素添加用鋼製パイプの製造方法であって、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。
加圧式エレクトロスラグ再溶解法の消耗式電極の製造方法であって、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。
加圧式エレクトロスラグ再溶解法の消耗式電極であって、請求項１の方法により作製された複数の窒素添加用鋼製パイプが、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。
請求項２の方法により作製された消耗式電極を用い、大気圧を超える圧力の窒素雰囲気で、加圧式エレクトロスラグ再溶解法により溶解して、Ｎ量：０．３〜２．０ mass ％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。