JP4555505B2

JP4555505B2 - 溶鋼中微細酸化物の多量分散方法

Info

Publication number: JP4555505B2
Application number: JP2001138588A
Authority: JP
Inventors: 太朗廣角; 明人清瀬; 龍治植森
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002332516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な酸化物を含有する鋼材の製造に関し、特に、溶鋼内に、酸化物を微細に、かつ多量に分散させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接における熱影響部（以下、HAZ部と記す。）の靭性の更なる向上を目的として、溶鋼中で生成する微細な酸化物などの非金属介在物を積極的に用いて鋼材特性を向上させる試みがなされている。例えば、特開昭62-170459号公報に示される溶接用高張力鋼板では、低Al化による脱酸生成物上へのフェライト析出促進効果と、Ti、Bの複合添加、N量の制御とを組み合わせて溶接熱影響部の靭性の改善を行うことが提案されている。また、特開平8-246026号公報では、一旦脱酸剤を添加してキルド状態にした溶鋼中に酸素分を供給することにより、溶鋼中に微細な2次晶出の非金属介在物を生成する方法が提案されている。
【０００３】
しかしながら、従来知られている方法では、溶接入熱量が20kJ/mmを超えるような大入熱溶接時においては加熱オーステナイト（γ）粒が著しく粗大化するため、HAZ部の靭性の劣化が避けられない。これを回避するためには微細な非金属介在物の量を増すことが有効と考えられるが、供給する酸素分の量が過剰になると、粒径の大きい粗大介在物が発生しやすくなり、鋼材の特性が損われる。鋼材の特性を損ねることなく抜本的なHAZ部の靭性の向上を図るために、大入熱溶接時でも旧γ粒の成長抑制効果（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酸化物粒子などを微細かつ多量に分散できるような技術の開発が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術が持つ、微細な非金属介在物を多量に生成させるために多量の元素や酸素分を添加すると、有害な介在物が生成するので、非金属介在物生成に寄与する添加元素及び/又は酸素分の供給量を閾値以内で操業制限せざるを得ないという問題を解決し、生成する酸化物を粗大化することなく微細な酸化物を鋼中で多量に生成させようとするものである。
【０００５】
【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、酸化物の分散する溶鋼中への適正量の脱酸剤、酸素分をこの順序で供給した結果、既存の酸化物が最終製品の特性に悪影響を及ぼす程には粗大化することなく、改めて微細な一次の酸化物が晶出するという事実を見出した。この知見に基づき、脱酸剤の添加後に酸素分供給するという一連の操作を２回以上繰り返すことにより、また、酸素分供給後に添加する脱酸剤の量を、直前に供給した酸素分をすべて酸化に利用する理論量とすることにより、微細な酸化物が従来以上に高密度に鋼材中に分散させることができることを見出した。すなわち、本発明は、溶鋼中に脱酸剤を添加し、次に溶鋼１ｔあたり５×１０^−３〜１×１０^−１ｋｇの酸素分を供給する処理を、この順序で２回以上行う方法であって、酸素分供給後に添加する脱酸剤の量を、直前に供給した酸素分をすべて酸化に利用する理論量とすることを特徴とする溶鋼内微細酸化物の多量分散方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の方法を用いて脱酸剤と酸素分を交互に溶鋼中へ供給することにより、溶鋼中の脱酸元素を酸化して微細酸化物とし、かつ多量に分散することができる。ここで脱酸剤とはSi、Ti、Al等が知られているが、これらの元素に限定されない。また、溶鋼とは、例えば転炉出鋼直後の未脱酸溶鋼、あるいは何らかの脱酸処理を行った脱酸溶鋼の両方を指すものとする。なお、1回目の脱酸剤添加、酸素分の供給処理は未脱酸溶鋼に、2回目以降の処理は脱酸溶鋼に添加するのが、好ましい。
【０００７】
溶鋼中に脱酸剤を添加すると、その一部が各元素もしくは複合の脱酸平衡で規定される溶存酸素分を捕捉して脱酸生成物となり、残部が溶鋼中の溶質となる。この溶質を含む溶鋼中に酸素分を供給することにより、溶質元素を改めて酸化物として晶出させることができる。すなわち、鋼中に溶質として溶存する脱酸元素（以下、単に溶質と記す。）と溶存酸素の濃度を、脱酸平衡で規定される値より大きい状態を保つことにより、酸化物を晶出させ続けることができる。
【０００８】
ここで、脱酸平衡で規定される値は溶質及び溶存酸素の積の形で表されるため、脱酸元素のみを供給し続けることによって、あるいは酸素分のみを供給し続けることによって、それぞれの濃度を脱酸平衡で規定される値より大きい状態を保つことが可能である。しかし、いずれの方法においても一次酸化物の晶出効率は悪くなり、コストの増大、鋼材特性の悪化、さらに酸素分を供給し続けた場合には溶鋼自身の酸化を招き好ましくない。
【０００９】
本発明は、脱酸剤と酸素分をこの順序で交互に2回以上供給することを特徴としている。すなわち、脱酸剤を添加した後は溶質濃度が比較的高く、溶存酸素濃度は比較的低い。この状態においては溶鋼中に酸素分を供給することにより効率よく酸化物を晶出させることができる。逆に、酸素分を供給した後は溶質濃度が比較的低く、溶存酸素濃度は比較的高い。この状態においては溶鋼中に脱酸剤を供給することにより効率よく酸化物を晶出させることができる。このように、脱酸剤と酸素分を交互に供給することにより、常に効率良く酸化物を晶出させ続けることができる。
【００１０】
脱酸剤及び酸素分の供給を交互に2回以上行う方法が、これらの供給を一度だけ行う方法と比較して優れている理由は以下のとおりである。
溶鋼中で酸化物が生成する時、いわゆる脱酸過飽和度が大きいと酸化物生成反応の駆動力が大きくなり、急速に粗大な脱酸生成物が形成される傾向にあることが知られている。脱酸過飽和度は脱酸平衡で規定される値からの偏倚を表すが、同じ量の脱酸元素及び酸素分を一度に供給する場合は、これらを2回以上に分割して投入する場合と比較して脱酸過飽和度が大きくなるため、径の比較的大きな酸化物が少数生成することになる。以上の観点から、微細な酸化物を多数生成させるには、脱酸剤及び酸素分の供給は交互に2回以上行う方法が望ましいことがわかる。
【００１１】
なお、微細な酸化物を晶出させるためには、適切な酸素供給条件が存在する。酸素供給量が過剰になると脱酸過飽和度が過大となるため、生成する酸化物は粗大なものとなり、最終的な鋼材の特性を損なう。また、酸素供給量が少なすぎると酸化物生成速度が極めて遅くなり、操業の遅延を招き望ましくない。
酸素分供給量の下限値を溶鋼1tあたり0.005kgとした理由は、表1に示すように0.2〜3μmの微細な酸化物の個数あるいは増加量を効率よく増やすことができるからである。また、上限を0.1kgとした理由は、これを超えると酸素供給量が過剰になり、粒径の大きい粗大な酸化物が晶出しやすくなるからである。
【００１２】
酸素分を溶鋼中へ供給する方法としては、例えばガスを供給する方法、酸素分を含む固体を供給する方法が考えられる。前者としては、酸素ガスやその他の酸化性ガスを溶鋼上から吹き付ける方法、溶鋼中に吹き込む方法などがある。後者としては、Fe₂O₃等の酸化鉄やFe-O（酸素）合金を溶鋼中に投入、あるいは不活性ガスとともにインジェクションする方法などがある。さらに、上記の酸素分供給方法を2種類以上併用してもよい。なお、均質な微細酸化物の生成を促す観点から、酸素分はできるだけ溶鋼全体から均一に供給される形態とするのが望ましい。
【００１３】
なお、本発明において酸素分供給後に添加する脱酸剤の量は、酸化物の効率的な生成及びコスト抑制の観点から、直前に供給した酸素分をすべて酸化に利用する理論量、すなわちモル比で、生成する1次の酸化物組成にできるだけ近い量とするのが望ましい。例えば、酸素分を溶鋼1tあたり0.01kg添加した後にAlを添加する場合は、生成する酸化物はAl₂O₃であるから、O（酸素）とのモル比で2:3になる値、すなわち、0.112kgのAlを添加するのが望ましい。
【００１４】
また、添加する脱酸剤の種類は任意であり、脱酸元素投入時においてそれぞれ同じ脱酸元素を添加してもよいし、異なる脱酸元素を添加してもよい。さらに、同時に2種類以上の脱酸元素を添加してもよい。
また、最後の酸素分供給後、最終酸素濃度を調整する目的で脱酸元素を投入してもよい。さらに、鋼材製品の性質が要求を満たすものとするため、最後の酸素分添加後に鋼の組成を調整するために少量の成分を添加してもよい。
【００１５】
【実施例】
以下、添付の表および図を参照しながら実施例にもとづいて本発明を説明する。
（実施例1）
高周波誘導加熱により1tの電解鉄を真空溶融し、1600℃で成分調整を行った後、脱酸元素としてTiを0.3kg添加した。溶鋼の組成は質量%で、C: 0.10〜0.15%、Si: 0.1%〜0.3%、Mn: 1.0〜1.5%、P: 0.01%以下、S: 0.005%以下、Ti: 0.026〜0.033%、トータルO: 0.002〜0.003%、残りがFe及び不可避不純物である。但しTi、Si等の濃度は溶鋼中に溶存しているものと非金属化合物として存在しているものの合計である。以後、この溶鋼を溶鋼Aとする。
【００１６】
この溶鋼Aに、試薬の酸化鉄(Fe₂O₃)0.015〜0.25kg(酸素分0.0045〜0.075kg)をArガスとともにインジェクションランスを用いて吹き込み、微細な酸化物を生成、分散させた。以後、この溶鋼を溶鋼Bとする。
次に、この溶鋼B中に、0.3kgのTiあるいはAlを添加し、3分間静置した。続いて、インジェクションランスを用いて、Arガスとともに再び試薬の酸化鉄(Fe₂O₃)を0〜0.6kg(酸素分0〜0.18kg)の範囲で種々変えて吹込み、その後金型内に鋳造し、凝固させた。この試料の上部、中央部についてそれぞれ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あたりの介在物の個数を、微細(0.2〜3μm)、粗大(3μm以上)に分けて測定した。
【００１７】
結果を表1に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表1から明らかなように、2回目の酸素分供給に際して、溶鋼1tあたり0.005〜0.1kgのときに微細酸化物の個数が多くなる結果を得た（実験No.1〜6）。一方、本発明の範囲外の量の酸素分を供給したもの（実験No.11〜14）では、微細酸化物の個数が少なく、また、平均粒径も大きいものが多かった。
また、脱酸元素添加と酸素分供給を1回だけ行った比較例として溶鋼Bを鋳造し、同様の分析を行った(実験No. 21)。さらに、本発明範囲の実施例で投入した脱酸元素及び酸素分を一括で添加、供給した場合の比較例として、脱酸溶鋼A中にさらに0.3kgのTiあるいはAlを添加し、続いて0.5kg〜0.6kg(酸素分0.15〜0.18kg)の酸化鉄を吹き込む実験を行った(実験No.22〜24)。
【００２０】
結果を表1に示す。実験No.21は、1回あたり溶鋼中に供給した脱酸元素と酸素分の供給量は本発明の範囲内であるが、処理操作を1回しか行っていないため、十分微細酸化物が生成していない。また、実験No. 22〜24は、本発明では交互に2回行うべき脱酸剤及び酸素分の添加、供給を1回にまとめて行ったものであるが、生成した酸化物は、本発明と比較して粗大なものが増え、微細酸化物の量は少なくなった。すなわち、本発明によって製造される鋼材が明らかに良い特性を持つといえる。
（実施例2）
上記の実施例1に引き続き、溶鋼中の微細酸化物密度のさらなる増大を目的とした実験を行った。溶鋼B中に0.3kgのTiを投入し、3分間静置した。続いてインジェクションランスを用いて、Arガスとともに試薬の酸化鉄(Fe₂O₃)を0.08kg(酸素分0.024kg)吹き込んだ。このTi投入〜静置〜酸化鉄吹込みの一連の操作を1〜3回行い、その後金型内に鋳造し、凝固させた後、実施例1と同様の分析を行った。
【００２１】
その結果を図1に示す。図1は、横軸に脱酸剤添加−酸素分供給処理の回数を、縦軸に観察された0.2〜3μmの微細酸化物の個数および、観察された全酸化物の平均粒径をとって、脱酸剤添加−酸素分供給処理の回数が試料中の酸化物個数、平均粒径に及ぼす影響について表したものである。また、比較のため、脱酸剤添加−酸素分供給処理回数が0回及び1回の場合のデータを同じ図上に示している。
図1より、3回以上の脱酸剤添加−酸素分供給処理を行った鋼中において、これを2回行った鋼中と比較してさらに微細酸化物の分散密度が増大することが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
本発明方法によれば、溶鋼中に脱酸元素を添加し、その後に酸素分を供給する処理をこの順序で2回以上繰り返すことにより、溶鋼中の非金属介在物を効率的かつ多量に分散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】脱酸剤添加−酸素分供給処理の回数と、試料1mm²中に観察された0.2〜3μmの微細酸化物数及び観察された全酸化物の平均粒径との関係を示す図である。

Claims

溶鋼中に脱酸剤を添加し、次に溶鋼１ｔあたり５×１０^−３〜１×１０^−１ｋｇの酸素分を供給する処理を、この順序で２回以上行う方法であって、酸素分供給後に添加する脱酸剤の量を、直前に供給した酸素分をすべて酸化に利用する理論量とすることを特徴とする溶鋼内微細酸化物の多量分散方法。