JP4441142B2

JP4441142B2 - 微細酸化物分散溶鋼の製造方法

Info

Publication number: JP4441142B2
Application number: JP2001115912A
Authority: JP
Inventors: 太朗廣角; 明人清瀬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP2002309313A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の製造に際し、鋼の性質を向上させるための微細な酸化物が分散した溶鋼を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接における熱影響部（以後、HAZ 部という）の靭性のさらなる向上を目的として、溶鋼中で生成する酸化物を用いる技術が望まれている。酸化物の導入方法として、多くの場合、鋼の溶製工程において、Tiなどの脱酸元素を単独に添加する方法などがあるが、多くの場合、溶鋼保持中に酸化物の凝集合体が起こり粗大な酸化物の生成をもたらし、かえって鋼の清浄度を損ない靭性を低下させてしまう。
【０００３】
そこで、これらの酸化物の微細化を図るために複合脱酸法などの様々な工夫がなされている。例えば、特開昭62-170459号公報に開示される溶接用高張力鋼板では、低Al化によるフェライト析出の促進効果と、Ti、Bの複合添加、N量の制御とを組み合わせてHAZ靭性の改善を行うことが提案されている。しかしながら、従来知られている方法では、エレクトロスラグ溶接に代表されるような超大入熱溶接時の結晶粒の粗大化を阻止しうるほどの、微細な介在物を分散させることはできない。抜本的なHAZ靭性の向上を図るためには、超大入熱溶接時でも旧γ粒のピニング効果が期待できるような、高温でも溶解しにくい、高融点の酸化物粒子などを鋼中に生成し、かつ微細に分散できるような技術の開発が望まれている。
【０００４】
このような微細な粒子を鋼中に分散させる方法の一つとして、希土類元素の一つであるCeを溶鋼中に添加し、微細なCe₂O₃あるいはCeを含む複合酸化物にして溶鋼中に分散させる方法がある。例えば、Ce₂O₃あるいはCeを含む2次脱酸生成物の均一分散方法が特開平3-287711号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ce酸化物の1次晶出ではなく、2次晶出を利用しようとする場合、Ceは強脱酸元素であるため、2次脱酸生成物として消費される鋼中酸素の量は極めて少ないと考えられる。このため、最終的な鋼材製品中に分散する酸化物粒子の密度もまた小さいものになり、材料の特性向上には不利となる。さらに、現状ではCeを含む種々の複合酸化物に関して脱酸平衡の熱力学的データが充実しているとは言えず、操業時の鋼中酸素濃度の最適値を具体的に計算することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、操業に支障を生じることなく、溶鋼中において1次の微細なCe含有酸化物が分散した鋼の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために種々の検討を行った結果、脱酸用の添加元素として用いられるTiとCeの添加量を適正に制御して溶鋼中に投入した後、酸化性ガスの溶鋼中への吹き込み、その中でもCO₂ガスあるいは不活性ガスとCO₂の混合ガスを溶鋼中へ吹き込むことにより、微細なTi酸化物、あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物が従来以上に高密度に鋼材中に分散することを見出した。本発明は、前記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
(1) 質量%で、0.02〜0.05%のTi、0.005〜0.02%のCeを含有する溶鋼中にCO₂ガス、または不活性ガスと CO₂の混合ガスを供給し、Ti酸化物、あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物を鋼中に生成させることを特徴とする微細酸化物分散溶鋼の製造方法。
(2) 溶鋼に供給するガス流量が溶鋼1tあたり5000Nl/min以下であり、さらに、CO₂ガスの混合比に応じて、供給するガスの総量Lが以下の式のL_minで表される値以上とすることを特徴とする上記(1)に記載の微細酸化物分散溶鋼の製造方法。
L_min[Nl]=15000×(%CO₂)^-0.7
(3) 溶鋼組成が、質量%で、C : 0.03〜0.2%、Si : 0.4%以下、Mn : 0.5〜2.0%、P : 0.015%以下、S : 0.003%以下、Al: 0.01%以下、O : 0.005%以下、N : 0.0025〜0.006%、を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記(1)または(2)記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
(4) 質量%で、さらに、Cu : 1.5%以下、Ni : 1.5%以下、Mo : 1%以下、Cr : 1%以下、Nb : 0.05%以下、V : 0.05%以下、B : 0.002%以下、Ca : 0.004%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする上記(3)記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述した(1)〜(4)に示した方法を用いて酸化性ガスであるCO₂ガスを溶鋼中へ吹き込むことにより、溶鋼中のTi及びCeを酸化して1次の微細な酸化物とすることができる。しかし、このガスが酸化性の高いO₂ガスであると、本発明における酸化性の低いCO₂ガスに比して生成する酸化物は粗大なものとなるため、溶鋼中より浮上分離しスラグ相へ混入しやすくなる、あるいはこの粗大な介在物が鋼中に残留した場合、製品の欠陥の原因となりやすいなどの難点がある。
【０００９】
さらに、吹き込む酸素ガスの濃度次第では、溶鋼中のSi、Mnといった成分、あるいは鉄自身までをも酸化し、狙いとする鋼材の特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
一方、CO₂ガスは製鋼温度である1500〜1750℃程度においてCO₂=CO+1/2O₂の反応によって分解し、酸素を生成する。一般的に、CO₂ガス、不活性ガスとCO₂の混合ガスから生成するO₂ガスの分圧P_O2は、CO₂ガスの混合比に応じて概ね以下の(1)式のように表される。
P_O2[Pa]=10×(%CO₂)^0.7 ・・・・・・(1)
ここで、(%CO₂)は混合ガス中のCO₂の体積%であり、CO₂ガスを単独で使用する場合、(%CO₂)=100である。また、不活性ガスとはHe、Ne、Ar、Krなど元素周期律表上で0族に分類されるガスを指す。本発明においては、上記のいずれのガスも用いることが可能であるが、コストの観点からArを使用することが望ましい。例えば1600℃の雰囲気中に10⁵PaのCO₂ガスを導入した場合、一部のCO₂ガスが分解し、約2.5×10²PaのO₂ガスが生成する。また、10⁵PaのAr+10%CO₂ガスでは、約50PaのO₂ガスが生成する。
【００１０】
このようにCO₂ガスを用いることにより、O₂ガスを使用する場合と比較して非常に低いポテンシャルで酸素を供給することが可能となる。また、CO₂ガスを不活性ガスで希釈することにより、さらに酸素分圧を低減することが可能である。したがって、粗大な介在物は生成しにくく、概ね2ミクロン以下の微細な酸化物が生成し、微細であることから溶鋼中で浮上分離しにくく、容易に鋼中に分散することができる。なお、O₂ガスを大量の不活性ガスで希釈して本発明と同等の低酸素ポテンシャルを実現することも可能であるが、体積比が大きく異なるため混合が困難であるなどの操業上の難点がある。
【００１１】
Ti及びCeは本発明において最も重要な役割を有する元素である。本発明者らは、種々の酸化物の鋼中における性質について比較検討を行った結果、適切な量のTi及びCeを溶鋼中に添加すると、凝集合体しにくい微細なTi酸化物、あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物を生成することを見出した。
本発明はこの1次晶出のTi酸化物、あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物を鋼中に生成しようとするものである。すなわち、TiとCeの濃度を適正に制御した溶鋼中にCO₂ガス、あるいは不活性ガスとCO₂の混合ガスを用いて低速度で酸素分を供給することにより、ピニングに有効な微細酸化物を生成し、分散させるものである。
【００１２】
以下に、TiとCeの化学成分の限定理由について説明する。
Tiは、晶出させる酸化物の主成分であるが、複合析出TiNの分散状態を制御する上でも重要である。TiNは厚板圧延でのスラブ加熱時のγ粒成長抑制を通じて母材組織を微細化し、鋼材の強度と靭性に向上に貢献する。しかし、Tiが多すぎるとTiCの過剰生成が原因となりHAZ靭性が低下するため、上限を0.05%とする。一方、Tiが0.02%未満の場合、Ti酸化物あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物の個数が過小となり、HAZ靭性向上に必要なγ粒成長抑制効果が得られないため、下限を0.02%とする。
【００１３】
Ceが0.005%未満の場合、Ti酸化物を改質する効果が小さく、ピニングに有効な微細酸化物を十分に析出させることができない。よって下限を0.005%とする。一方、酸化物として消費されるCeは0.02%あれば十分であり、これを超えるCeの効果は期待できず、必要以上に鋼中に添加することは製造コストの上昇を招き好ましくない。よって上限を0.02%とする。
【００１４】
一方、本発明の範囲においてCO₂ガス、あるいは不活性ガスとCO₂の混合ガスを溶鋼に供給する際、その総量が少なすぎると溶鋼に十分な酸素分が供給できず、酸化物を多量分散させることができない。従って、供給するガスの総量は以下の(2)式で与えられるL_minで表される値以上とする。
L_min[Nl]=15000×(%CO₂)^-0.7 ・・・・・・(2)
例えば、CO₂ガス単独により溶鋼に酸素を供給する場合、供給するガスの総量は(2)式より溶鋼1tあたり約600Nl以上とすることにより溶鋼に十分な酸素を供給し、酸化物を多量分散させることができる。なお、供給するガス総量の上限は特に設けない。一方、供給するガスの流量が大きすぎると溶鋼の飛散の原因となり、歩留まりの低下、コストの増大を招いて好ましくない。よって供給するガスの流量の上限を溶鋼1tあたり5000Nl/minとする。また、下限は特に設けない。
【００１５】
このCO₂ガス、あるいは不活性ガスとCO₂の混合ガスの供給方法としては、溶鋼上からガスを吹き付ける方法、溶鋼中にガスを吹き込む方法が考えられる。例えば、溶鋼中へ多孔体耐火物ランスを浸漬する方法がある。または、溶鋼容器の一部分にポーラスプラグを埋め込み、これを介して溶鋼中にガスを供給してもよい。なお、当該ガス吹き込み多孔体の形状と位置は、溶鋼保持容器に応じて適宜決定すればよい。例えば、溶鋼保持容器の壁面や底部に板状の形状で複数個配置してもよい。
【００１６】
この多孔体よりCO₂ガスあるいは不活性ガスと CO₂の混合ガスを供給し、多孔から溶鋼中へ供給添加することにより、溶鋼中で酸素分を供給することができる。
このように、酸化性ガスを溶鋼中に供給して上記の如く微細酸化物を生成する態様としては、溶鋼の鋳造過程に近い箇所が望ましく、例えば取鍋、タンディッシュ、モールドにおけるガス供給が最適である。
【００１７】
次に、TiとCeを除く各々の化学成分の限定理由について説明する。
Cの下限である0.03%は母材及び溶接部の強度、靭性を確保するための最小値である。しかし、Cが多すぎると母材及びHAZ靭性を低下させるとともに溶接性を劣化させるため、その上限を0.2%とする。
Siは脱酸のために鋼に含有されるが、多すぎると溶接性及びHAZ靭性が劣化するため、上限を0.4%とする。本発明の脱酸はTiだけでも十分可能であり、良好なHAZ靭性を得るためにはSiを0.3%以下にするのが望ましい。また下限は0%である。
【００１８】
Mnは母材及び溶接部の強度、靭性の確保に不可欠であり、下限を0.5%とする。しかし、Mnが多すぎるとHAZ靭性を劣化させたり、スラブの中心偏析を助長し、溶接性を劣化させるため上限を2%とする。
Pは本発明方法においては不純物元素であり、0.015%以下とする。Pの低減はスラブ中心偏析の軽減を通じて母材及びHAZ靭性の機械的性質を改善し、さらにはHAZの粒界破壊を抑制する。従って下限は0%である。
【００１９】
Sは多すぎると中心偏析を助長したり、延伸したMnSが多量に生成したりするため、母材及びHAZ靭性の機械的性質が劣化する。また、Ceとの親和力が大きく、微細な複合酸化物の生成を阻害するため、S濃度は低いほど望ましい。従って上限を0.003%とする。また下限は0%である。
Alは多すぎると脱酸生成物がクラスター化し、粗大な介在物を作る原因になる。このため、Al量は少ない程よく、上限を0.01%とする。また下限は0%である。
【００２０】
Oは本発明においては酸化物を生成させるための必須元素であるが、CO₂ガス、あるいは不活性ガスとCO₂の混合ガスを供給する以前の溶鋼中において含有量が多すぎると脱酸生成物の粗大化を引き起こすため、上限を0.005%とする。また下限は0%である。
Nはピンニング粒子であるTiNの個数を確保する上で重要である。Nが0.0025%未満の場合、TiNの個数が確保できない。また、Nが0.006%を超える場合固溶Nが過剰となり、HAZ靭性の低下を引き起こす。よって上限を0.006%、下限を0.0025%とする。
【００２１】
製品に求める特性を発現させるため、さらに以下の元素を1種または2種以上を溶鋼に添加しても良い。ただし、以下のすべての元素の下限値は0%を超える値とする。
Cu、Niは溶接性及びHAZ靭性に悪影響を及ぼすことなく母材の強度、靭性を向上させる。しかし、1.5%を超えると溶接性及びHAZ靭性が劣化する。
【００２２】
Mo、Crは母材の強度、靭性を向上させる。しかし、1%を超えると母材の靭性、溶接性およびHAZ靭性が劣化する。
Nbは母材組織の微細化に有効な元素であり、母材の機械的性質を向上させる。しかし、0.05%を超えるとHAZ靭性が劣化する。
Vは母材の靭性を向上させる。しかし0.05%を超えると溶接性及びHAZ靭性が劣化する。
【００２３】
Bは焼き入れ性を高めて母材やHAZの機械的性質を向上させる。しかし、0.002%を超えて添加するとHAZ靭性や溶接性が劣化する。
Caは酸化物や硫化物を形成して材質を改善する。Caを0.004%を超えて添加しても材質改善効果が飽和する。必要以上に添加することは製造コストの増加を招き好ましくない。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例1）
高周波誘導加熱により1tの電解鉄を真空溶解し、1600℃で成分調整後、Mn、Siにより脱酸した。その後Ti、Ceをこの順番で添加し、溶鋼のサンプリングを行った。溶鋼の組成は質量%で、Ti: 0.021〜0.048%、Ce: 0.008〜0.013%、C: 0.10〜0.15%、Si: 0.1〜0.3%、Mn: 1.0〜1.5%、P: 0.01%以下、S: 0.002%以下、Al: 0.003%、O: 0.005%以下、N: 0.0040〜0.0055%、Nb: 0.01〜0.02%である。
【００２５】
次に、多孔体耐火物からCO₂ガスもしくはAr+CO₂混合ガスを合計1000Nl/minで5分間吹き込み、その後金型内に鋳造し、凝固させた。なお、本実施例におけるL_minは600〜4900Nlの範囲であり、供給したガスの総量5000 Nlは本発明の範囲に属する。
この試料の上部、中央部の2箇所についてそれぞれ2個以上のサンプルを切り出し、切断面を研磨、光学顕微鏡により介在物の粒径及び母相1mm²当たりの介在物密度を測定した。
【００２６】
表1にガス吹き込み前の溶鋼組成と冷却後の介在物の分散状態を示す。また、比較のため純Arガスを吹き込む試験(比較例11)及びAr-1%、10%O₂ガスを同様の条件で溶鋼中へ吹き込む試験(比較例12〜15)を行い、同様の分析を行った結果を示す。
さらに、比較のためCeを添加しない実験(比較例16、17)もあわせて行い、本発明方法におけるCeの役割を明らかにした。
【００２７】
図1は、各実験のガス中酸素ポテンシャルと測定された介在物密度の関係を表すグラフである。ここで、酸素ポテンシャルとは計算により求めた1600℃のCO₂ガス、Ar+CO₂ガスから生成するO₂ガスの分圧である。
表1および図1から明らかなように、本発明の条件で製造した試料中において、径が0.2〜3μmの微細な酸化物が酸化性ガスを供給しなかった比較材11中およびAr+O₂混合ガスを用いた比較材12〜15中に比べて多く生成した。また、比較材16、17より、本発明方法がCe含有鋼に特に有効な微細酸化物分散方法であることを示す結果が得られた。
【００２８】
【表１】

【００２９】
（実施例2）
CO₂ガス及びAr+CO₂ガスを溶鋼中へ吹き込むに際して、供給ガスの総量を少なくした試験（比較例21、22）及びガスの流量を大きくした試験（比較例23）を行った。その結果を表２に示した。
表2より、供給するガスの総量が(2)式で与えられるL_min.より少ない場合、溶鋼に十分な酸素分が供給できず、酸化物を多量分散させることができなかった。また、溶鋼中へ供給するガスの流量が非常に大きい場合、溶鋼の飛散が激しく、操業が困難であった。
【００３０】
【表２】

【００３１】
【発明の効果】
本発明方法によれば、適正な濃度のTi及びCeを含有する溶鋼中へCO₂ガスあるいはAr+CO₂混合ガスを吹き込む手段を講じることにより、溶鋼中において微細なTi酸化物あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物を生成するとともに、分散させて鋼材の材質を向上することができる。また、粗大な酸化物の生成を防止することができ、鋼材の欠陥を防止して製品の品質を高めることができるなどの優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】供給ガスの酸素ポテンシャルと試料1mm²中に観察された0.2〜3μmの微細酸化物数との関係を示す図である。

Claims

質量%で、0.02〜0.05%のTi、0.005〜0.02%のCeを含有する溶鋼中にCO₂ガス、または不活性ガスと CO₂の混合ガスを供給し、Ti酸化物、あるいはTi、Ceを主成分とする複合酸化物を鋼中に生成させることを特徴とする微細酸化物分散溶鋼の製造方法。
溶鋼に供給するガス流量が溶鋼1tあたり5000Nl/min以下であり、さらに、CO₂ガスの混合比に応じて、供給するガスの総量Lが以下の式のL_minで表される値以上とすることを特徴とする請求項1に記載の微細酸化物分散溶鋼の製造方法。
L_min[Nl]=15000×(%CO₂)^-0.7
溶鋼組成が、質量%で、
C : 0.03〜0.2%、
Si : 0.4%以下、
Mn : 0.5〜2.0%、
P : 0.015%以下、
S : 0.003%以下、
Al: 0.01%以下、
O : 0.005%以下、
N : 0.0025〜0.006%、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1または2記載の微細酸化物分散溶鋼の製造方法。
質量%で、さらに、Cu : 1.5%以下、Ni : 1.5%以下、Mo : 1%以下、Cr : 1%以下、Nb : 0.05%以下、V : 0.05%以下、B : 0.002%以下、Ca : 0.004%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項3記載の微細酸化物分散溶鋼の製造方法。