JP5314939B2 - 高合金極低炭素鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＨ精錬装置で精錬して製造する高合金極低炭素鋼の製造方法に関するものである。

従来より、ＲＨ精錬装置で溶鋼の真空脱ガス精錬（以降、ＲＨ処理ということがある）を行うことによって極低炭素鋼を製造することが一般的に行われている。極低炭素鋼は、［Ｃ］≦０．０１０質量％であり、［Ｃ］が非常に低いため、ＲＨ処理でのカーボンピックアップが発生すると所望の極低炭素鋼を製造することが困難となる。即ち、極低炭素鋼用の溶鋼に地金が溶融してＲＨ処理後に［Ｃ］が上昇してしまうというカーボンピックアップが発生する。
そこで、極低炭素鋼をＲＨ精錬装置で製造するにあたっては、カーボンピックアップを抑制するために、予め他の鋼種などでＲＨ処理を行って、ＲＨ精錬装置の真空脱ガス槽内の地金等を除去した後に、極低炭素鋼をＲＨ精錬装置で製造している（例えば、特許文献１〜特許文献３）。

特許文献１には、一次脱炭精錬炉から取鍋へ出鋼した溶鋼を収容し、溶製目標である中・低炭素鋼及び極低炭素鋼の両方を多数チャージ毎で交互に切り替えて再度精錬する真空脱ガス装置の使用方法が開示されている。この方法では、まず、中・低炭素鋼の溶製に際し、一次脱炭精錬炉からリムド状態で溶鋼を取鍋に出鋼し、該溶鋼を前記真空脱ガス装置で真空脱炭すると共に、該真空脱ガス装置に挿入した酸素吹き用ランスを介して該真空槽内の溶鋼浴面上の空間部に酸素ガスを吹き込んで、浴内発生ＣＯガスを二次燃焼させて真空槽内の付着地金を溶解してから、溶鋼の脱酸、成分調整する溶製のチャージを少なくとも複数回行い、その後に極低炭素鋼の溶製を行っていた。

特許文献２では、真空脱ガス処理後の最終Ｃ含有量が質量比で２５ｐｐｍ以下の極低炭素鋼を真空脱ガス処理によって溶製するのに先立って、質量比でＣ：０．０２％〜０．１０％、Ｏ：５０ｐｐｍ以上を含有する低炭素鋼溶鋼を真空脱ガス槽内に導き真空脱ガス処理を施すリムド処理を施すことによって、極低炭素鋼の溶製に先立つ操業により真空脱ガス槽内の溶鋼到達レベル直上のフリーボード部に付着した地金を溶解・除去していた。
特許文献３では、二以上の真空脱ガス槽を備え、何れかを処理槽とし、残りを待機槽とする真空脱ガス設備の操業方法であって、前記二以上の真空脱ガス槽の何れかを専用鋼種のための専用槽とし、少なくとも、その専用槽が待機槽となる待機期間中、当該専用槽内を４００〜８００℃の雰囲気温度で保持していた。
特開２００５−２７２９５８号公報 特許第３７６５２６６号公報 特開２００２−３０２７１４号公報

特許文献１〜特許文献３に示した従来の方法では、炭素成分が、［Ｃ］＝０．０１０質量％以下である極低炭素鋼を製造することができるものの、合金元素の成分が［合金元素］≧１．５質量％で、且つ、炭素成分が［Ｃ］≦０．００２０質量％である高合金極低炭素鋼の様に、一般的な極低炭素鋼に比べて脱炭後の処理時間が長いと言われる鋼種については、処理時間が長いゆえにその処理中に地金が剥離し易いために、十分にカーボンピックアップを抑制して製造することは非常に困難であった。
そこで、本発明は、［合金元素］≧１．５質量％、且つ、［Ｃ］≦０．００２０質量％の高合金極低炭素鋼を確実に製造することができる高合金極低炭素鋼の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、ＲＨ精錬装置を用いて［合金元素］≧１．５質量％、且つ、［Ｃ］≦０．００２０質量％の高合金極低炭素鋼を精錬により製造する高合金極低炭素鋼の製造方法であって、前記高合金極低炭素鋼を精錬する当該チャージの１つ前の前チャージで、［Ｃ］≦０．００２０質量％となるように極低炭素鋼の脱炭処理を行うと共に、この脱炭処理後に還流量が０．３２〜０．６４ｔ／分・溶鋼トンで、且つ、１３分以上還流処理を行うことによって、前記ＲＨ精錬装置内に付着した地金を前記極低炭素鋼に溶融させて除去しておき、当該チャージで、前記高合金極低炭素鋼の製造を前記ＲＨ精錬装置で行う点にある。

発明者は、炭素成分の規格上限値が厳しく（［Ｃ］≦０．００２０質量％以下）、且つ、精錬時に合金添加の調整によって比較的精錬時間が長くなりやすい（［合金元素］≧１．５質量％）高合金極低炭素鋼における製造について様々な観点から検証を行った。
合金元素の成分が、［合金元素］≧１．５質量％である鋼種をＲＨ精錬装置で製造する場合、ＲＨ処理での脱炭処理後に多量の合金の投入を行わなければならないため、ＲＨ処理の全体の処理時間が長くなる。処理時間が長いために、地金が脱炭後の処理中に溶解して、地金中の炭素成分が溶鋼に溶解し易い状態となり、結果的に、溶鋼中の炭素成分値が上昇して、規格上限値を上回ってしまう恐れがある。

そこで、高合金極低炭素鋼をＲＨ精錬装置で製造する場合にあっては、従来よりも十分に地金を除去する必要があり、前チャージでの炭素成分量、還流量及び脱炭後の還流処理時間に着目して、高合金極低炭素鋼に適した条件を実験等により検証を行った。
その結果、前チャージで、［Ｃ］≦０．００２０質量％となるように極低炭素鋼の脱炭処理を行うと共に、この脱炭処理後に還流量が０．３２〜０．６４ｔ／分・溶鋼トンで、且つ、１３分以上還流処理を行うことによって、ＲＨ精錬装置に付着した地金を極低炭素鋼に溶融させて除去しておき、当該チャージで、高合金極低炭素鋼の製造をＲＨ精錬装置で行うことを見出した。

本発明によれば、［合金元素］≧１．５質量％、且つ、［Ｃ］≦０．００２０質量％の高合金極低炭素鋼を確実に製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は、高合金極低炭素鋼をＲＨ精錬装置での精錬により製造する流れを示したものである。
図１に示すように、ＲＨ精錬装置１は、溶鋼２を還流させることで当該溶鋼２の真空脱ガス精錬処理（以降、ＲＨ処理ということがある）を行うものであって、溶鋼２が装入された取鍋３と、ＲＨ処理時に真空状態となって溶鋼２内の脱ガスを行う真空脱ガス槽４とを備えている。

真空脱ガス槽４の下部には取鍋３内の溶鋼２に浸漬させる２本の浸漬管５が設けられており、この浸漬管５の一方にはＡｒガス等の不活性ガスを吹き込む吹き込み口（図示省略）が設けられている。真空脱ガス槽４の上部には、真空脱ガス槽４のガスを排気する排気口６が設けられている。
ＲＨ精錬装置１では、浸漬管５を取鍋３内の溶鋼２に浸漬し、吹き込み口から不活性ガスを吹き込むと共に、排気口６から真空脱ガス槽４のガスを排気することで真空脱ガス槽４内を略真空状態とし、この状態で、溶鋼２を真空脱ガス槽４と取鍋３との間で循環させることで、溶鋼２内に存在する水素等のガス成分の除去、溶鋼２の脱炭を行うことができる。

以下、高合金極低炭素鋼の製造方法について詳しく説明する。
［合金元素］≧１．５質量％、且つ、［Ｃ］≦０．００２０質量％の高合金極低炭素鋼をＲＨ精錬装置１の精錬により製造するにあたり、まず、１つ前の前チャージで［Ｃ］≦０．００２０質量％となるように、極低炭素鋼の脱炭処理を行う。なお、合金元素とは、強度等を変更するために添加される非鉄金属のことで、例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉなどである。
図１に示すように、ＲＨ精錬装置１にて高合金極低炭素鋼を製造するために精錬を行う段階を当該チャージ、この当該チャージの１つ前の段階であってＲＨ精錬装置１にて精錬を行うことを前チャージとすると、まず、前チャージでは、高合金極低炭素鋼とは異なる別の極低炭素鋼の製造（溶製）を行う。

詳しくは、前チャージにおいて、［Ｃ］の規格上限値が０．０１０質量％以下（１００ｐｐｍ以下）の極低炭素鋼をＲＨ精錬装置１で製造する。つまり、図２に示すように、転炉から極低炭素鋼向けの溶鋼２（例えば、キルド処理されていない溶鋼）が装入された取鍋３を真空脱ガス槽４の下方に設置する（Ｓ１）。そして、前チャージにおいて、真空脱ガス槽４内の真空引きを行いつつ不活性ガスにより極低炭素鋼向けの溶鋼２の還流しながら、当該溶鋼２の炭素成分が０．００２０質量％以下（２０ｐｐｍ以下）となるまで、脱炭処理を行う（Ｓ２）。

即ち、前チャージでの脱炭処理では、［Ｃ］の規格上限値が１００ｐｐｍ以下の極低炭素鋼に対して［Ｃ］が２０ｐｐｍ以下になるように、溶鋼の過脱炭を行っている。
前チャージでの溶鋼２の［Ｃ］が０．００２０質量％以下となり、極低炭素鋼向けの溶鋼２に対する脱炭処理が終了すると、溶鋼２にＡｌを添加して溶鋼２のキルド処理（脱酸処理）を行い、その後に、脱炭処理とは別に溶鋼２を還流する処理（以降、脱炭処理とは別に溶鋼２を還流させる処理のことを、還流処理ということがある）を、不活性ガスの還流量が０．３２〜０．６４ｔ／分・溶鋼２トンとなる範囲で、１３分以上行う（Ｓ３）。不活性ガスの還流量は、式（１）で求めた値である。式（１）は、一般的なもので、二次精錬法（取鍋３精錬法）及びステンレス製鋼法、特殊鋼製鋼法に示される式（１３．３）の右辺を溶鋼２量Ｗ（ｔ：トン）で割ったものである。

そして、還流処理にて溶鋼２の還流を１３分以上行い、極低炭素鋼の製造が終了すると、極低炭素鋼向けの溶鋼２の取鍋３を搬出し、高合金極低炭素鋼の製造へ移行する（Ｓ４）。
まず、高合金極低炭素鋼の製造へあたっては、転炉から高合金極低炭素鋼向けの溶鋼２（例えば、キルド処理されていない溶鋼）が装入された取鍋３を真空脱ガス槽４の下方に設置する（Ｓ５）。そして、当該チャージにおいて、当該溶鋼２の炭素成分が０．００２０質量％以下（［Ｃ］≦０．００２０質量％）となるまで脱炭処理（真空脱ガス槽４内の真空引きを行いつつ不活性ガスにより高合金炭素鋼向けの溶鋼２を還流する）を行う（Ｓ６）。脱炭処理後は、当業者常法より、合金添加などの成分調整を行って高合金極低炭素鋼を製造する（Ｓ７）。

本発明によれば、高合金極低炭素鋼をＲＨ精錬装置１の精錬により製造するにあたり、まず、カーボンピックアップを考慮した上で、［Ｃ］の規格上限値が１００ｐｐｍ以下である極低炭素鋼に対して、前チャージにおいて［Ｃ］が２０ｐｐｍ以下となるように、当該極低炭素鋼用の溶鋼の過脱炭を意図的に行っている。そして、さらに、前チャージにおける脱炭処理後には、還流量が０．３２〜０．６４ｔ／分・溶鋼２トンの範囲で１３分以上の還流処理を行い、この処理によって地金を除去している。
このような精錬によって、真空脱ガス槽４内の上部に付着した地金８を十分に除去しながら極低炭素鋼をも製造することができる。そして、極低炭素鋼の製造後に、前チャージと同じ真空脱ガス槽４を用いて高合金極低炭素鋼を製造しても、真空脱ガス槽４内の上部に付着した地金８の影響により発生していたカーボンピックアップが非常に抑制されるものとなった。

一方で、前チャージにおいて、極低炭素鋼の［Ｃ］が２０ｐｐｍよりも大きくなる精錬を行った場合は、その後に行われる高合金極低炭素鋼の製造において、カーボンピックアップの影響が大であり、［Ｃ］の調整が非常に難しいものとなった。また、還流処理の際に、還流量が０．３２ｔ／分・溶鋼２トン未満であると、極低炭素鋼（溶鋼２）によって真空脱ガス槽４内の上部に付着した地金８を十分に溶解することができず、高合金極低炭素鋼を製造した際のカーボンピックアップの影響が大であり、［Ｃ］の調整が非常に難しいものとなった。さらに、還流処理が１３分未満であると、溶鋼２によって地金８を溶解する時間が短すぎるため同様に、高合金極低炭素鋼を製造した際のカーボンピックアップの影響が大であり、［Ｃ］の調整が非常に難しいものとなった。

表１は、転炉、二次精錬装置（ＲＨ精錬装置１）、連続鋳造装置を用いて高合金極低炭素鋼を製造した実施条件を示している。表２は、表１の実施条件に基づき、本発明の高合金極低炭素鋼の製造方法により製造を行った実施例をまとめたものである。また、表３及び表４は、表１の実施条件に基づき、本発明の高合金極低炭素鋼の製造方法とは異なる方法により製造を行った比較例をまとめたものである。

実施条件について詳しく説明する。
表１に示すように、一次精錬は、２５０ｔｏｎクラスの上底吹き転炉にて行った。この転炉に装入する溶銑は、［Ｃ］＝４．０〜４．２質量％、且つ、［Ｐ］＝０．００５〜０．１４０質量％とした。溶製鋼種の規格上限値は、［Ｃ］＝０．００２０質量％とした。 即ち、真空脱ガス処理後（ＲＨ精錬装置１での処理後）の［Ｃ］の上限値を０．００２０質量％とした。ＲＨ精錬装置１（二次精錬）は、極低炭素鋼及び高合金極低炭素鋼のための当業者常法通りＲＨ処理を行った。連続鋳造は、極低炭素鋼スラブ製造のための当業者常法通り連続鋳造装置にて鋳造を実施した。

表２〜表４の実施例及び比較例において、転炉から出鋼した溶鋼２は、［Ｃ］＝０．０２０〜０．０６０質量％とし、溶鋼２の出鋼温度は１６７０〜１７００℃とした。
実施例１〜実施例２１では、ＲＨ精錬装置１の前チャージにおいて、極低炭素鋼の［Ｃ］を０．００２０質量％（Ｃ≦２０ｐｐｍ）以下とし、還流量を０．３２〜０．６４ｔ／分の範囲とし、且つ、還流処理の時間（前チャージの還流時間）を１３分以上としているため、前チャージでの精錬によって真空脱ガス槽４内に付着していた地金８（特に上部の地金８）を極低炭素鋼用の溶鋼２に溶融させることによって、十分に除去することができた。

その結果、前チャージにおいてカーボンピックアップが生じても当該極低炭素鋼を製造することができると共に、当該チャージにおいて高合金極低炭素鋼の製造をしてもカーボンピックアップは、殆ど発生することがなく、［Ｃ］≦０．００２０質量％となる高合金極低炭素鋼を製造することができるようになった（表２、当該チャージＣ≦２０ｐｐｍ、評価「○」）。言い換えれば、実施例１〜実施例２１では、当該チャージにおけるカーボンピックアップが、非常に少ない０．０００５質量％（５ｐｐｍ）以下となり、その結果、当該チャージにおいて［Ｃ］を０．００２０質量％以内（２０ｐｐｍ）に調整することが可能となった。

一方で、比較例２２〜比較例１１９では、ＲＨ精錬装置１の前チャージにおいて、極低炭素鋼の［Ｃ］、還流量、還流処理の時間のいずれかが、本発明の条件から外れているために、前チャージの精錬によって真空脱ガス槽４内の地金８を十分に除去することができず、当該チャージにおいて高合金極低炭素鋼の製造した場合、当該高合金極低炭素鋼の［Ｃ］は、０．００２０質量％よりも大きな値になった（表３〜表４、評価「×」）。言い換えれば、比較例１３〜比較例１１９では、当該チャージにおけるカーボンピックアップが、０．０００５質量％（５ｐｐｍ）よりも大きく、その結果、当該チャージにおいて［Ｃ］を０．００２０質量％以内（２０ｐｐｍ）に調整することができなかった。なお、比較例１３〜比較例１１９においては、カーボンピックアップのバラツキも大きかった。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

高合金極低炭素鋼をＲＨ精錬装置での精錬で製造する工程を示した図である。 高合金極低炭素鋼の製造手順を示したフローチャートである。

符号の説明

１ ＲＨ精錬装置
２ 溶鋼
３ 取鍋
４ 真空脱ガス槽
５ 浸漬管
６ 排気口

Claims (1)

1. ＲＨ精錬装置を用いて［合金元素］≧１．５質量％、且つ、［Ｃ］≦０．００２０質量％の高合金極低炭素鋼を精錬により製造する高合金極低炭素鋼の製造方法であって
   前記高合金極低炭素鋼を精錬する当該チャージの１つ前の前チャージで、［Ｃ］≦０．００２０質量％となるように極低炭素鋼の脱炭処理を行うと共に、この脱炭処理後に還流量が０．３２〜０．６４ｔ／分・溶鋼トンで、且つ、１３分以上還流処理を行うことによって、前記ＲＨ精錬装置内に付着した地金を前記極低炭素鋼に溶融させて除去しておき、
   当該チャージで、前記高合金極低炭素鋼の製造を前記ＲＨ精錬装置で行うことを特徴とする高合金極低炭素鋼の製造方法。

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