JP4283434B2 - 凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼に添加したＭｇの酸化物を溶鋼が凝固する際の凝固核として利用して、凝固時の組織を微細にすることができる凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋳片は、溶鋼を造塊法や連続鋳造により、スラブやブルーム、薄肉鋳片等に鋳造し、これを所定のサイズに切断することにより製造されている。
また、鋳片を均熱炉等を用いて加熱し、圧延や鍛造等の加工を施すことにより、鋼板や形鋼等の鋼材が製造される。
しかし、鋳片の凝固組織や鋼材の組織が粗大な場合は、組織の粗大化に起因した割れやへこみ疵等の表面欠陥や内部割れ、中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥が発生して、鋳片や鋼材の手入れや屑化を招き、良製品の歩留りや品質が低下する。
この対策として、特開昭５３−４３０３８号公報に記載されているように、タンディッシュ内の溶鋼の温度を凝固温度より２０〜３０℃にして低温鋳造を行うことにより、鋳片内部の凝固組織の改善を図ることが行われている。
更に、特開昭５０−６４６０８号公報に記載されているように、鋳型に注湯された後、鋳片の凝固厚みが４０ｍｍ程度に相当する部位に電磁攪拌装置を用いて、未凝固部の溶鋼を攪拌することにより、凝固組織を微細にすることが行われている。
また、特開昭６１−２２９４６１号公報に記載されているように、溶鋼に金属Ｔｉを添加することにより、微細な脱酸生成物を溶鋼中に分散させ、鋳片の凝固組織を微細化することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５３−４３０３８号公報に記載された低温鋳造の場合は、鋳造ノズルの詰まりによる鋳造中断やタンディッシュ等への地金付着等を招く。一方、特開昭５０−６４６０８号公報に記載された電磁攪拌装置を用いる場合は、設備投資が大きくなり、凝固組織の微細化の効果に限界があり、微細な凝固組織の鋳片を工業的に安定して製造することが困難である。
また、特開昭６１−２２９４６１号公報では、鋳片の凝固組織を十分に微細化するには、溶鋼中のＴｉ濃度を０．１５質量％以上にする必要があり、Ｔｉ合金の添加量が増加して製造コストが高くなる。しかも、溶鋼中のＴｉの増加に伴って、Ｔｉが窒素（Ｎ）と結合して多量のＴｉＮを生成し、鋳片や鋼材の加工性を阻害したり、耐食性が低下する等の問題がある。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶鋼が凝固する際に、凝固核として作用するＭｇＯ又はＭｇ酸化物を安定して生成させ、鋳片の凝固組織を十分に微細化して鋳片や鋼材の手入れや屑化を抑制して品質を向上し、加工性や耐食性等の阻害のない凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法は、鋳片の凝固組織を微細化するＳｉ濃度が０．０３〜１．０質量％のフェライト系ステンレス鋼の溶鋼の処理方法において、該溶鋼にＭｇを添加する前に、Ａｌ含有合金及びＴｉ含有合金を該溶鋼に添加して脱酸処理を行って、該溶鋼中に生成させたＡｌ ₂ Ｏ ₃ の表面をＭｇＯ又はＭｇ酸化物で被覆し、更にその表面をＴｉＮで覆う。
この方法により、先にＡｌ含有合金を添加して、溶鋼中に含まれるＭｎＯやＳｉＯ₂、ＦｅＯ等と反応させてＡｌ₂Ｏ₃を生成させ、その後にＭｇを添加することにより、Ａｌ₂Ｏ₃の表面にＭｇの酸化によって生成したＭｇＯ、又は、Ｍｇ酸化物（酸化物）であるＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃を形成することができる。
表面のＭｇＯ、又は、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃は、凝固初晶であるδフェライトとの格子整合度が６％以下になるので、溶鋼が凝固する際に、凝固核として作用する。その結果、凝固組織を微細にして、割れ等の表面欠陥や中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥の発生を抑制し、しかも、加工性や耐食性の低下を抑制することができる。
Ａｌ含有合金とは、金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ等のＡｌを含有したものであり、添加するＭｇは、Ｍｇ含有合金、すなわち金属Ｍｇ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等を意味する。
【０００６】
ここで、前記溶鋼にＭｇを添加する前に、前記Ａｌ含有合金の他にＴｉ含有合金を添加して脱酸処理を行う。
これにより、Ｔｉを溶鋼中に固溶させてその一部がＴｉＮを生成して凝固核として作用し、しかも、脱酸によって生成したＡｌ₂Ｏ₃の表面にＭｇＯ又はＭｇ酸化物を形成することができ、凝固核として作用させることができる。
また、ＭｇＯ又はＭｇ酸化物の表面にＴｉＮを析出させ、大きな粒径の凝固核を形成することができ、溶鋼が凝固する際に、より有効な凝固核として作用させることができる。なお、Ｔｉ含有合金とは、金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等のＴｉを含有したものを意味する。
【０００７】
更に、前記Ｍｇの添加量を０．０００５〜０．０１０質量％にすると良い。
脱酸によって生成したＡｌ₂Ｏ₃の表面にＭｇＯ、又は、Ｍｇ酸化物であるＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃を十分に形成することができ、溶鋼が凝固する際に、凝固核として十分に作用するので、凝固組織をより微細にすることができる。
Ｍｇの添加量が０．０００５質量％より少なくなると、δフェライトとの格子整合度が６％以下の表面を有する酸化物の個数が不足して凝固組織を微細にできない。一方、Ｍｇの添加量が０．０１０質量％を超えると、酸化物による凝固組織の微細化効果が飽和して合金の使用コストが高くなる。
【０００８】
更に、前記溶鋼は、Ｓｉ濃度を０．０３〜１．０質量％にする。
Ｓｉは、溶鋼中に含まれるＴｉの活量を高めてＴｉＮの生成を促進し、有効な凝固核を増すことができる。
Ｓｉ濃度が０．０３質量％未満では、溶鋼が凝固した際の鋼材の強度が低下する。一方、Ｓｉ濃度が１．０質量％を超えると、鋼材の加工硬化が大きくなり、加工そのものが困難になる。
【０００９】
また、前記溶鋼をフェライト系ステンレス鋼にする。
凝固組織が粗大化し易いフェライト系ステンレス鋼の凝固組織を微細にでき、表面に発生する割れやへこみ疵、内部割れ、センターポロシティ、中心偏析等を抑制する効果を高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明の一実施の形態に係る凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法に適用される脱酸処理装置の全体図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ鋳片の断面の凝固組織の模式図である。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法に用いられる脱酸処理装置１０は、フェライト系ステンレス鋼である溶鋼１４が受鋼される取鍋１１と、取鍋１１の上方に設けられたＡｌ含有合金の一例である金属Ａｌの貯蔵ホッパ１２及びＴｉ含有合金の一例であるＦｅ−Ｔｉの貯蔵ホッパ１３と、これ等の貯蔵ホッパ１２、１３から金属Ａｌ、Ｆｅ−Ｔｉをそれぞれ取鍋１１内の溶鋼１４に添加するシュート１５を備えている。
更に、鉄パイプの内部に金属Ｍｇを入れて構成されるワイヤ１６をガイドパイプ１８で案内して、スラグ１９を貫通して溶鋼１４内に供給する供給装置１７を設けている。
なお、符号２０は、取鍋１１内の溶鋼１４に不活性ガスの一例であるアルゴンガスを供給するポーラスプラグである。
【００１１】
次に、本実施の形態に係る凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法について説明する。
脱炭精練を行って取鍋１１に１５０トンの溶鋼１４を受鋼して成分調整し、この溶鋼１４に、貯蔵ホッパ１２から金属Ａｌを７０ｋｇ切り出し、シュート１５から添加し、同時に取鍋１１の底部に設けたポーラスプラグ２０から、アルゴンガスを３００〜５００ＮＬ／分供給して溶鋼１４を攪拌して、金属Ａｌにより溶鋼１４を十分に脱酸した。
Ａｌ脱酸の後、引き続きポーラスプラグ２０からアルゴンガスを供給しながら、供給装置１７の図示しない回転ドラムを作動してワイヤ１６を送り出し、ガイドパイプ１８で案内しながらスラグ１９を貫通させて０．７５〜１５ｋｇの金属Ｍｇ（０．０００５〜０．０１０質量％）を溶鋼１４内に供給した。
このように、Ｍｇを添加する前に金属Ａｌを添加することにより、溶鋼１４中に含まれるＭｎＯやＳｉＯ₂、ＦｅＯ等がＡｌと反応するいわゆる脱酸反応によってＡｌ₂Ｏ₃が生じる。
その後に、金属Ｍｇを添加することにより、δフェライトとの格子整合度が６％より大きく、溶鋼１４が凝固する際に、凝固核として作用しないＡｌ₂Ｏ₃の表面に、Ｍｇが溶鋼１４内の酸化物と反応して生成したＭｇＯ、又は、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）を形成させることができる。これにより、δフェライトとの格子整合度を６％より小さくして、溶鋼１４が凝固する際に凝固核として作用させることができる。
その結果、溶鋼１４は、多数に分散したＭｇ酸化物を含み、このＭｇ酸化物を起点にして多数の箇所で凝固を開始するので、鋳片の凝固組織を微細にすることができる。
そして、鋳片の表面に発生する割れやへこみ疵を無くし、内部に発生する中心偏析、センターポロシティ等を抑制することができ、鋳片やそれを加工した鋼材の手入れや屑化等を防止して、品質を向上することができる。
【００１２】
なお、溶鋼１４にＭｇを添加する前に、すなわちＡｌ脱酸を行った後に、Ｆｅ−Ｔｉを５０ｋｇ貯蔵ホッパ１３から切り出して、シュート１５を介して取鍋１１内の溶鋼１４に添加することもできる。
先に、溶鋼１４内に金属Ａｌを添加しているので脱酸反応により、Ａｌ₂Ｏ₃が生じており、Ｆｅ−Ｔｉを添加してもＴｉは、ＴｉＯ₂を生成せずに溶鋼１４中にＴｉとして固溶したり、溶鋼１４中のＮと結合してＴｉＮを生成する。
その後、前述したように、溶鋼１４内に、供給装置１７の回転ドラムを作動し、ガイドパイプ１８で案内しながらワイヤ１６を装入し、０．７５〜１５ｋｇの金属Ｍｇを溶鋼１４内に供給することにより、Ａｌ₂Ｏ₃の表面にＭｇＯやＭｇ酸化物（ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）が生成する。
表面を覆った、ＭｇＯ、又は、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃は、δフェライトとの格子整合度が６％より小さいので、溶鋼１４が凝固する際に凝固核として作用する。
更に、前述のＴｉＮも同様に凝固核として作用させることができ、ＭｇＯ、又は、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃との相乗効果により凝固組織を微細にすることができる。
特に、ＡｌとＴｉの添加順序は、上述の添加順番の他に、Ｔｉを先に添加してＴｉＯ₂を生成し、その後に、添加されたＡｌにより、ＴｉＯ₂を還元させ、還元されたＴｉを溶鋼１４に固溶させても良い。
また、いずれの場合においてもＴｉは、Ｍｇ酸化物の上に、あるいは単独でＴｉＮを形成して、凝固核としての作用を一層向上させることができ、少ない添加量で良いことから、合金コストの低減とＴｉＮに起因する欠陥を防止することができる。
【００１３】
次に、処理された溶鋼１４の一部をサンプリングし、Ｍｇ酸化物の組成を電子顕微鏡によるＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナリシス）法を用いて調査した。
その結果、金属Ａｌを添加した後に金属Ｍｇを添加した場合、内部がＡｌ₂Ｏ₃で、その外周にＭｇＯ、又は、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃からなるＭｇ酸化物が被覆したものであることが検証できた。
更に、金属Ａｌを添加してからＴｉを添加し、その後に金属Ｍｇを添加した場合では、Ａｌ₂Ｏ₃の表面をＭｇ酸化物で被覆し、更に外周の一部をＴｉＮが覆っている構造が観察され、δフェライトとの格子整合度を６％より小さくでき、有効な凝固核となる。
【００１４】
Ｔｉの添加順番について、Ｔｉ、Ａｌの順番（又はＡｌ、Ｔｉの順番）に添加し、その後にＭｇを添加した場合、Ａｌを添加してからＭｇを添加し、その後にＴｉを添加した場合のいずれの場合も、Ａｌ₂Ｏ₃表面に、ＭｇＯ、又は、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃が被覆し、その一部、あるいは全体をＴｉＮが覆う構造であり、凝固核として十分に有効である。
また、溶鋼１４のＳｉ濃度を０．０３〜１．０質量％にすることにより、溶鋼１４にＴｉを添加した際に、Ｔｉの活量を高めてＴｉＮの生成が促進され、少ないＴｉ量であっても安定してＴｉＮを形成し、有効な凝固核を増すことができる。
そして、これ等の処理を行った溶鋼１４は、鋳型に注湯して連続鋳造に供給され、鋳片が製造され、その鋳片は、図２（Ａ）に示すように、いずれの場合も、鋳片の断面の表層部と内部の凝固組織が十分に微細になっている。
【００１５】
【実施例】
次に、凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法の実施例について説明する。
脱炭精練を行い成分調整した溶鋼を取鍋に１５０トン受鋼し、この溶鋼に、ＡｌとＴｉの添加条件を変えて添加し、同時に取鍋に設けたポーラスプラグから、アルゴンガスを３００〜５００ＮＬ／分供給して攪拌して脱酸を行い、その後に金属Ｍｇを０．７５〜１５ｋｇ溶鋼内に供給した。そして、この溶鋼を用いて連続鋳造した鋳片の表層、内部の欠陥の有無、凝固組織の微細化の良否、総合評価について調査した。その結果を表１に示す。
実施例１は、金属Ａｌを５０ｋｇを添加して脱酸を行った後に０．７５ｋｇの金属Ｍｇを添加した場合であり、鋳片の表層、内部の欠陥が無く、凝固組織が十分に微細化されており、総合評価として良好（○）であった。
実施例２は、金属Ａｌを７５ｋｇを添加してからＦｅ−Ｔｉを５０ｋｇ添加して脱酸を行った後に金属Ｍｇを１５ｋｇ添加した場合であり、鋳片の表層、内部の欠陥が無く、凝固組織が十分に微細化されており、総合評価として良好（○）であった。
実施例３は、Ｆｅ−Ｔｉを５０ｋｇ添加し、その後に金属Ａｌを７５ｋｇを添加して脱酸を行った後に、金属Ｍｇを１５ｋｇ添加した場合であり、鋳片の表層、内部の欠陥が無く、凝固組織が十分に微細化されており、総合評価として良好（○）であった。
なお、実施例１〜３のいずれの場合も図２（Ａ）に示すように、鋳片の凝固組織は、内部に等軸晶が形成されており、微細化している。
また、溶鋼中のＳｉ濃度を０．０３質量％、０．５質量％、１．０質量％にし、前記金属Ａｌ、金属Ｍｇ、Ｆｅ−Ｔｉの添加条件を実施例１〜３と同じにした場合について、鋳片の表層、内部の欠陥の有無、凝固組織の微細化の良否を調査したが、鋳片の表層及び内部の欠陥が全く無く、凝固組織がより微細な鋳片が得られた。
【００１６】
【表１】

【００１７】
これに対し、比較例１は、金属Ａｌを７５ｋｇと金属Ｍｇを０．７５ｋｇとを同時に溶鋼に添加して脱酸を行った場合であり、ＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃の複合酸化物が生成したがＭｇ酸化物の表面組織は、ＭｇＯの割合が１０％以下でδフェライトとの格子整合度が悪くなり、凝固核として不適当であった。その結果、鋳片の表層、内部の欠陥が発生して悪く、図２（Ｂ）に示すように、凝固組織も粗大になり、総合評価として悪い（×）結果になった。
比較例２は、Ｆｅ−Ｔｉを５０ｋｇ添加してから金属Ｍｇを１５ｋｇ添加し、その後に金属Ａｌを７５ｋｇ添加して脱酸を行った場合であり、酸化物の中心がＭｇＯであったが、表面にＡｌ₂Ｏ₃が生成しており、凝固核として作用しなかった。その結果、鋳片の表層、内部の欠陥が発生して悪く、凝固組織も粗大になり、総合評価として悪い（×）結果になった。
【００１８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、Ａｌ含有合金やＴｉ含有合金は、精練炉により脱炭精練を行った後の取鍋内の溶鋼に添加する他に、一般に行われている減圧二次精練や取鍋精練を行った溶鋼やタンディッシュ等に添加することができる。
更に、Ｍｇ合金の添加方法は、ワイヤ添加の他に、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金、Ｎｉ−Ｍｇ合金等を直接溶鋼に添加することもできる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１、２記載の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法は、溶鋼にＭｇを添加する前に、Ａｌ含有合金を溶鋼に添加して脱酸処理を行うので、酸化物の表層部のδフェライトとの格子整合度を６％以下にして、溶鋼が凝固する際に、凝固核として作用させて、安価に凝固組織を微細にし、鋳片や鋼材の手入れや屑化を抑制して品質を向上し、加工性や耐食性の阻害を抑制することができる。
【００２０】
特に、請求項１記載の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法は、溶鋼にＭｇを添加する前に、Ａｌ含有合金とＴｉ含有合金を添加して脱酸処理を行うので、溶鋼をＴｉとＡｌにより十分に脱酸でき、しかも、脱酸によって生成したＭｇ酸化物及びＴｉＮを凝固核として作用させて凝固組織を微細にして、鋳片や鋼材の手入れや屑化を抑制して品質をより向上することができる。
【００２１】
請求項２記載の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法は、Ｍｇの添加量を０．０００５〜０．０１０質量％にするので、脱酸によって生成したＡｌ₂Ｏ₃の表面にＭｇＯ、又はＭｇ酸化物であるＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃を十分に形成することができ、Ｍｇ酸化物を凝固核として安定して作用させ、凝固組織をより微細にすることができる。
【００２２】
請求項１記載の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法は、溶鋼のＳｉ濃度を０．０３〜１．０質量％にするので、溶鋼中にＴｉＮを効率良く生成でき、凝固組織を確実に微細にすることができる。
【００２３】
請求項１記載の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法は、溶鋼をフェライト系ステンレス鋼にしているので、凝固組織の微細化により、表面及び内部、センターポロシティ、中心偏析等の欠陥を防止して、効果的に鋳片の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法に適用される脱酸処理装置の全体図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ鋳片の断面の凝固組織の模式図である。
【符号の説明】
１０：脱酸処理装置、１１：取鍋、１２：貯蔵ホッパ、１３：貯蔵ホッパ、１４：溶鋼、１５：シュート、１６：ワイヤ、１７：供給装置、１８：ガイドパイプ、１９：スラグ、２０：ポーラスプラグ

Claims (2)

1. 鋳片の凝固組織を微細化するＳｉ濃度が０．０３〜１．０質量％のフェライト系ステンレス鋼の溶鋼の処理方法において、該溶鋼にＭｇを添加する前に、Ａｌ含有合金及びＴｉ含有合金を該溶鋼に添加して脱酸処理を行って、該溶鋼中に生成させたＡｌ ₂ Ｏ ₃ の表面をＭｇＯ又はＭｇ酸化物で被覆し、更にその表面をＴｉＮで覆うことを特徴とする凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法。
2. 請求項１記載の凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法において、前記Ｍｇの添加量を０．０００５〜０．０１０質量％にすることを特徴とする凝固組織特性に優れた溶鋼の処理方法。

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