JP5614306B2 - マンガン含有低炭素鋼の溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼に真空脱ガス設備における減圧下での脱炭精錬を施してマンガンを含有する低炭素鋼（以下、「マンガン含有低炭素鋼」と記す）を溶製する方法に関し、詳しくは、前記脱炭精錬時に溶鋼成分調整用のマンガン源及び脱炭用の酸素源としてマンガン鉱石を添加してマンガン含有低炭素鋼を溶製する方法に関する。

マンガン（Ｍｎ）は、鋼中に添加することにより、鋼材料の強度が向上する、或いは、不可避的不純物として鋼中に残留する硫黄と反応してＭｎＳを形成し、有害なＦｅＳの生成を防止して鋼材料における硫黄の影響を抑制するなどの利点があることから、鋼材料の大半はマンガンを含有している。近年では、構造物の軽量化を目的として、高い引張強さと高い加工性とを両立させた低炭素・高マンガン鋼が開発され、ラインパイプ用鋼板や自動車用鋼板などとして広く使用されている。ここで、低炭素・高マンガン鋼とは、炭素濃度が０．０５質量％以下で、マンガン濃度が０．５質量％以上の鋼のことである。

製鋼精錬工程において、溶鋼中のマンガン濃度を調整するために用いるマンガン源としては、マンガン鉱石、フェロマンガン（炭素含有量に応じて高炭素フェロマンガン、中炭素フェロマンガン、低炭素フェロマンガンの３種類がある）、シリコマンガン、金属マンガンなどが一般的である。これらのなかで、マンガン鉱石が最も安価であるが、マンガン鉱石以外のなかでは、炭素含有量が低くなるほど高価となる。従って、マンガンを含有する鋼を溶製する場合に、マンガン鉱石や高炭素フェロマンガンなどの安価なマンガン源の使用量が増加するほど、製造コストは低下する。但し、安価マンガン源の使用量の増加に比例して溶鋼中の炭素濃度が高くなる。マンガン鉱石は炭素を含有しないが、溶鋼中の炭素によって還元されてマンガン鉱石中のマンガンが溶鋼中に移行することから、溶鋼中の炭素濃度が高いほど還元される。

炭素含有量が０．００３質量％以下であるマンガン含有極低炭素鋼は、本来、炭素含有量が少ない。また、低炭素・高マンガン鋼は、マンガン含有量が多いにも拘わらず炭素含有量が少ない。従って、これらの鋼種では、炭素濃度の成分上の規定から安価マンガン源を多量に使用することはできず、その使用量は限られた範囲となる。

ところで、マンガン含有極低炭素鋼や低炭素・高マンガン鋼などのマンガン含有低炭素鋼は、転炉における大気圧下での脱炭精錬のみで溶製されることはなく、炭素濃度の成分上の規格や安価マンガン源の使用量拡大のために、転炉精錬後の溶鋼に更に真空脱ガス設備における減圧下での脱炭精錬（「真空脱炭精錬」ともいう）が施されて溶製されている。この減圧下での脱炭精錬では、溶鋼中の溶存酸素が脱炭用の主たる酸素源として使用されるが、その量は限られることから、マンガン鉱石を酸素源として減圧下の溶鋼に添加する技術が提案されている。添加したマンガン鉱石は溶鋼中の炭素によって還元され、還元により生成するマンガンは溶鋼中に移行することから、酸素源として添加したマンガン鉱石は、溶鋼成分調整用のマンガン源としても機能し、マンガン鉱石の添加量が多くなれば安価マンガン源の使用量が増大する。

例えば、特許文献１には、予備脱珪・脱燐した溶銑を転炉にて［Ｃ］量：０．１５〜０．５質量％の範囲内の溶鋼まで脱炭吹錬するとともに、続いて真空脱ガス設備中に装入した前記溶鋼にマンガン鉱石を添加して［Ｃ］量：０．１質量％以下にまで脱炭して低炭素・高マンガン鋼を溶製する方法が提案されている。

特許文献２には、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内の溶鋼に、該真空槽の側壁に設けたノズルを通じ、不活性ガスを搬送用ガスとしてマンガン鉱石粉体を真空槽内の溶鋼中に吹込み、マンガン鉱石中の酸素により溶鋼の脱炭を行うとともに溶鋼中のマンガン濃度を高めることを特徴とする高マンガン鋼の溶製方法が提案されている。

また、特許文献３には、転炉及びＲＨ真空槽を用いてＣ含有量≦３０ppm、Ｓ含有量≦２０ppmの無方向性電磁鋼板材を溶製するにあたり、転炉出鋼後の溶鋼をＲＨ真空槽内でマンガン酸化物粉を搬送用ガスとともに溶鋼表面に向けて上吹きすることにより脱炭処理を行い、次いで、脱酸剤を添加し溶鋼を脱酸するとともに所定のＡｌ含有量に調整した後、更にＲＨ真空槽にて脱硫剤を上吹きすることにより脱硫処理を行うことを特徴とする無方向性電磁鋼板材の溶製方法が提案されている。

特許文献１〜３によれば、脱炭用の酸素源として添加したマンガン鉱石は還元されてマンガン鉱石中のマンガンが溶鋼中に移行することから、安価マンガン源であるマンガン鉱石の使用量を増大することができ、マンガン含有低炭素鋼の製造コストが低減されるとしている。

特開昭６３−２９３１０９号公報 特開平１−９２３１２号公報 特開平５−２３９５３４号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜３には、以下の問題点がある。

即ち、マンガン鉱石を、減圧下での脱炭精錬の酸素源としての効果を期待して添加する場合には、マンガン鉱石を真空槽内に単に添加すればよいというものではなく、添加したマンガン鉱石が還元されなければ、つまり、マンガン鉱石中のマンガン酸化物が還元されなければ、酸素源としての効果も、またマンガン源としての効果も得られない。減圧下での脱炭精錬では、マンガン鉱石中のマンガン酸化物は溶鋼中の炭素によって還元される。このことから、マンガン鉱石の添加量は溶鋼中の炭素濃度に応じて設定すべきである、或いは、溶鋼中の炭素濃度をマンガン鉱石の添加量に応じて制御すべきであるが、上記特許文献１〜３は、この観点からの検討を行っておらず、マンガン鉱石添加による効果を十分に得られていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＲＨ真空脱ガス装置などの真空脱ガス設備における減圧下での脱炭精錬時に、マンガン鉱石を添加してマンガン含有低炭素鋼を溶製するにあたり、マンガン鉱石に含有される酸素によって脱炭反応を促進させるのみならず、マンガン鉱石中のマンガンを高い歩留りで溶鋼中に回収することのできる、マンガン含有低炭素鋼の溶製方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
（１） 真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に減圧下での脱炭精錬を施してマンガン含有低炭素鋼を溶製するにあたり、マンガン鉱石の添加量が下記の（１）式を満たす範囲内となるように、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度に応じてマンガン鉱石を前記脱炭精錬中に真空槽内に添加することを特徴とする、マンガン含有低炭素鋼の溶製方法。
Ｗ_Mn＝100×[％Ｃ]/(α×η_Mn) 0.0218≦α≦0.0436 …(1)
但し、（１）式において、Ｗ_Mnはマンガン鉱石の添加量（ｋｇ／ｔ）、［％Ｃ］はマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（質量％）、η_Mnはマンガン鉱石中のマンガンの含有量（質量％）、αは定数である。
（２） 真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に減圧下での脱炭精錬を施してマンガン含有低炭素鋼を溶製するにあたり、前記脱炭精錬中、真空槽内に、マンガン鉱石と同時に炭素源を添加する、または、炭素源を添加した後にマンガン鉱石を添加することを特徴とする、マンガン含有低炭素鋼の溶製方法。
（３） 前記炭素源の添加量が、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度及びマンガン鉱石添加量に対して下記の（２）式の関係を満足することを特徴とする、上記（２）に記載のマンガン含有低炭素鋼の溶製方法。
Ｗ_C＝(1000/η_C)×[(α×Ｗ_Mn×η_Mn/100)−[％Ｃ]] 0.0218≦α≦0.0436 …(2)
但し、（２）式において、Ｗ_Cは炭素源の添加量（ｋｇ／ｔ）、Ｗ_Mnはマンガン鉱石の添加量（ｋｇ／ｔ）、［％Ｃ］はマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（質量％）、η_Cは炭素源中の炭素の含有量（質量％）、η_Mnはマンガン鉱石中のマンガンの含有量（質量％）、αは定数である。

本発明によれば、真空脱ガス設備における減圧下での脱炭精錬を施してマンガン含有低炭素鋼を溶製する際に、マンガン源として安価なマンガン鉱石を利用するとともに、マンガン鉱石の添加量を溶鋼中炭素濃度に応じて最適化する、または、炭素源の添加によってマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度を最適化するので、マンガン鉱石に含有される酸素によって脱炭反応が促進されるのみならず、マンガン鉱石中のマンガンを高い歩留りで溶鋼中に回収することができ、その結果、高価な電解マンガンの使用量を削減することが可能となり、マンガン含有低炭素鋼の製造コストを大幅に削減することが実現される。

本発明を実施する際に用いるＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図である。

以下、本発明を具体的に説明する。先ず、本発明に至った経緯について説明する。

本発明者らは、マンガン鉱石を添加した減圧下での脱炭精錬において、マンガン鉱石に含有される酸素によって脱炭反応を促進させるのみならず、マンガン鉱石中のマンガンを高い歩留りで溶鋼中に回収することを目的とし、ＲＨ真空脱ガス装置におけるマンガン鉱石を添加した減圧下での脱炭精錬によりマンガン含有低炭素鋼を溶製する際に、マンガン鉱石の添加量及びマンガン鉱石添加時の溶鋼中炭素濃度を変化させた試験を行い、マンガン鉱石添加による溶鋼中の炭素及びマンガンの挙動を調査した。

その結果、先ず、溶鋼中成分がマンガン鉱石の還元に及ぼす影響については、マンガン鉱石を真空槽内の溶鋼に添加する前の溶鋼中の炭素濃度に対して、マンガン鉱石の添加量が下記の（１）式の関係を満たす場合には、マンガン鉱石の添加量が過剰にならず、また不足することもなく、マンガン鉱石の還元が円滑に進行し、脱炭速度の促進並びに溶鋼中のマンガン濃度の増加が得られることを知見した。
Ｗ_Mn＝100×[％Ｃ]/(α×η_Mn) 0.0218≦α≦0.0436 …(1)
但し、（１）式において、Ｗ_Mnはマンガン鉱石の添加量（ｋｇ／ｔ）、［％Ｃ］はマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（質量％）、η_Mnはマンガン鉱石中のマンガンの含有量（質量％）、αは定数である。

また更に、マンガン鉱石を添加する前の溶鋼中の炭素濃度が低く、そのままではマンガン鉱石の添加量が少なくなってしまう場合には、マンガン鉱石の添加と同時に或いはマンガン鉱石を添加する前に、炭素源を真空槽内の溶鋼に添加して溶鋼を加炭することで、溶鋼中の炭素濃度が確保され、脱炭速度の促進並びに溶鋼中のマンガン濃度の増加が得られることを知見した。

この場合、炭素源の添加量が、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度及びマンガン鉱石添加量に対して下記の（２）式の関係を満足することで、マンガン鉱石の添加量に対して溶鋼中の炭素濃度が過剰にならず、また、不足することもなく、マンガン鉱石の還元が円滑に進行することを知見した。
Ｗ_C＝(1000/η_C)×[(α×Ｗ_Mn×η_Mn/100)−[％Ｃ]] 0.0218≦α≦0.0436 …(2)
但し、（２）式において、Ｗ_Cは炭素源の添加量（ｋｇ／ｔ）、Ｗ_Mnはマンガン鉱石の添加量（ｋｇ／ｔ）、［％Ｃ］はマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（質量％）、η_Cは炭素源中の炭素の含有量（質量％）、η_Mnはマンガン鉱石中のマンガンの含有量（質量％）、αは定数である。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、第１の発明は、減圧下の脱炭精錬において、（１）式を満足するように、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度に応じてマンガン鉱石を真空槽内の溶鋼に添加し、第２の発明は、減圧下の脱炭精錬において、マンガン鉱石の添加と同時に或いはマンガン鉱石を添加する前に、炭素源を真空槽内の溶鋼に添加することであり、この場合は、（２）式を満足するように炭素源を真空槽内の溶鋼に添加することが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

高炉から出銑された溶銑を溶銑鍋やトピードカーなどの溶銑搬送用容器で受銑し、次工程の脱炭精錬を行う転炉に搬送する。通常、この搬送途中で、溶銑に対して脱硫処理や脱燐処理などの溶銑予備処理が施されており、本発明においては、マンガン含有低炭素鋼の成分規格上からは溶銑予備処理が必要でない場合でも、安価なマンガン源としてマンガン鉱石を転炉内に添加し、転炉脱炭精錬におけるマンガン鉱石の歩留りを上昇させるために、溶銑予備処理、特に脱燐処理を実施することが好ましい。

転炉精錬は、マンガン源としてマンガン鉱石を添加しつつ、必要に応じて少量の生石灰などを造滓剤として用い、酸素ガスを上吹きまたは底吹きして大気圧下で溶銑の脱炭精錬を行う。この場合に、脱炭精錬終了後、転炉から取鍋などの溶鋼搬送容器への出鋼時に高炭素フェロマンガンなどの安価なマンガン系合金鉄をマンガン源として溶鋼に添加しても構わない。尚、次工程は、真空脱ガス設備での真空脱炭精錬であるので、出鋼時、溶鋼にはＡｌ及びＳｉを添加せず、つまり、Ａｌ及びＳｉによる脱酸を実施せずに溶鋼を未脱酸状態のまま真空脱ガス設備に搬送する。

マンガン鉱石や高炭素フェロマンガンなどの安価なマンガン源を使用することにより、出鋼後の溶鋼中の炭素濃度は必然的に高くなるが、それでも、出鋼時にマンガン系合金鉄を添加する場合も含め、出鋼後の溶鋼中の炭素濃度を０．２質量％以下に抑えることが好ましい。溶鋼の炭素濃度が０．２質量％を超えると、次工程の真空脱ガス設備における真空脱炭処理に長時間を費やし、真空脱ガス設備の生産性の低下のみならず、真空脱炭処理時間の延長による温度補償として出鋼時の溶鋼温度を高くする必要が生じ、これに起因する鉄歩留りの低下や耐火物損耗量の増大などによって製造コストが上昇するので好ましくない。

次いで、この溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置またはＤＨ真空脱ガス装置、ＶＯＤ炉などの真空脱ガス設備に搬送し、溶鋼に対して真空脱ガス精錬を実施する。この真空脱ガス設備の代表的な設備はＲＨ真空脱ガス装置であり、以下、真空脱ガス設備としてＲＨ真空脱ガス装置を用いた例で説明する。図１に、本発明を実施する際に用いるＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図を示す。

図１において、１はＲＨ真空脱ガス装置、２は取鍋、３は溶鋼、４はスラグ、５は真空槽、６は上部槽、７は下部槽、８は上昇側浸漬管、９は下降側浸漬管、１０は環流用ガス吹き込み管、１１はダクト、１２は原料投入口、１３は上吹きランスであり、真空槽５は上部槽６と下部槽７とから構成され、また、上吹きランス１３は真空槽５の内部を上下移動が可能となっており、この上吹きランス１３の先端（下端）から、酸素ガスが真空槽５の内部の溶鋼３の湯面に向けて吹き付けられるようになっている。

ＲＨ真空脱ガス装置１では、取鍋２を昇降装置（図示せず）にて上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋内の溶鋼３に浸漬させる。そして、環流用ガス吹き込み管１０から上昇側浸漬管８の内部に環流用Ａｒガスを吹き込むとともに、真空槽５の内部をダクト１１に連結される排気装置（図示せず）にて排気して真空槽５の内部を減圧する。真空槽５の内部が減圧されると、取鍋内の溶鋼３は、環流用ガス吹き込み管１０から吹き込まれるＡｒガスによるガスリフト効果によって、Ａｒガスとともに上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５の内部に流入し、その後、下降側浸漬管９を経由して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。

溶鋼３の環流が形成されて溶鋼３が真空槽５の内部に流れ込むと、真空槽５の内部は減圧された状態であり、且つ、溶鋼３は未脱酸状態で溶存酸素を含有するので、溶鋼中の溶存酸素と溶鋼中の炭素との反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）、つまり脱炭反応が起こり、溶鋼３に含まれる炭素はＣＯガスとなって排ガスとともに真空槽５からダクト１１を介して排出され、溶鋼３に真空脱炭精錬が施される。

真空脱炭精錬が開始されたなら、真空槽内の溶鋼３にマンガン鉱石を添加する。このマンガン鉱石は溶鋼中の炭素と反応するものであることから、マンガン鉱石の添加開始時期は、溶鋼中の炭素濃度が高い時期ほど望ましく、つまり真空脱炭精錬のなるべく早い時期が望ましく、従って、マンガン鉱石は、真空脱炭精錬が開始されたなら直ちに添加することが好ましい。真空槽内へのマンガン鉱石の添加は、原料投入口１２から行うことができるが、上吹きランス１３を多重管構造とし、このような上吹きランス１３から搬送用ガスとともに粉体のマンガン鉱石を吹き付け添加することもできる。添加するマンガン鉱石のサイズは、添加方法に応じて設定すればよい。

その際に、第１の発明では、マンガン鉱石の添加量が（１）式の範囲内になるように、溶鋼中の炭素濃度に応じて調整する。（１）式におけるマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（［％Ｃ］）は脱ガス精錬開始前の溶鋼中炭素濃度を用いればよい。

また、第２の発明では、マンガン鉱石を添加する前またはマンガン鉱石の添加と同時に炭素源を真空槽内に投入するが、この場合の炭素源の添加量は、（２）式の範囲内になるように、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（［％Ｃ］）及びマンガン鉱石添加量に応じて調整することが好ましい。（２）式におけるマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（［％Ｃ］）は脱ガス精錬開始前の溶鋼中炭素濃度を用いればよい。炭素源の添加も原料投入口１２から行うことができる。

本発明においては、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（［％Ｃ］）が十分に高く、目標とするマンガン鉱石の添加量に対して溶鋼３を加炭する必要の無い場合には、第１の発明を適用し、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（［％Ｃ］）が低く、そのままではマンガン鉱石の添加量が目標値よりも不足する場合に、炭素源で溶鋼３を加炭する第２の発明を適用する。どちらの方法を適用するかは、マンガン鉱石の添加量を確保することを優先するが、溶製する鋼種のマンガン濃度、その時点での溶鋼温度などから適宜判断すればよい。

使用する炭素源としては、コークス、無煙炭、山西炭などの炭素質物質、または、高炭素フェロマンガン、低炭素フェロマンガンなどの安価なマンガン系合金鉄などがあり、溶鋼成分に応じて使用する炭素源を決めることができる。つまり、マンガンを含有する溶鋼３を溶製することから、溶製する溶鋼３のマンガン濃度規格が高い場合には、マンガン系合金鉄を用いることが有効である。

真空脱炭精錬は、溶存酸素が溶鋼中炭素濃度に比較して化学両論的に大量に存在する場合には、上吹きランス１３から酸素ガスを供給しなくても、溶存酸素と酸素源として添加するマンガン鉱石とで、溶鋼３を目標値まで脱炭することができるが、脱炭反応速度を促進させるために、上吹きランス１３から酸素ガスを供給して真空脱炭精錬を行うことが好ましい。上吹きランス１３からの酸素ガスの供給は、真空脱炭精錬中連続して行う必要はなく、溶鋼中炭素濃度が高い真空脱炭精錬の初期のみとする、或いは、脱炭速度が低下する真空脱炭精錬の末期のみとするなどとしても構わない。

添加されたマンガン鉱石中の酸素は溶鋼中の炭素を除去するための酸素として機能し、溶鋼３の脱炭反応が促進される。また、マンガン鉱石中のマンガンは、マンガン鉱石中の酸素が除去されることで金属マンガンとなり、溶鋼中に移行して溶鋼３のマンガン濃度が上昇する。

このようにして真空脱炭精錬を所定時間継続し、溶鋼３の炭素濃度が成分規格値以下の所定の値以下となったなら、原料投入口１２から溶鋼３にＡｌなどの強脱酸剤を添加して溶鋼３を脱酸処理する。上吹きランス１３から酸素ガスを供給していた場合には、Ａｌなどの強脱酸剤の添加に前後して上吹きランス１３からの酸素ガスの供給を停止する。Ａｌなどの強脱酸剤の添加により溶鋼３の溶存酸素濃度は急激に低下して、真空脱炭精錬が終了する。

真空脱炭処理の終了後、要求される溶鋼温度に対して、溶鋼温度が低い場合には、原料投入口１２から真空槽内の溶鋼３にＡｌを添加し、上吹きランス１３から溶鋼湯面に酸素ガスを吹き付けて溶鋼中のＡｌを燃焼させ、このＡｌの燃焼熱を利用して溶鋼温度を上昇させる。更にその後、数分間程度の環流を継続し、必要に応じて、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔｉなどの成分調整剤を原料投入口１２から溶鋼３に投入して溶鋼３の成分を調整する。その後、真空槽５の内部を大気圧に戻してＲＨ真空脱ガス精錬を終了し、マンガン含有低炭素鋼を溶製する。

以上説明したように、本発明によれば、真空脱ガス設備における減圧下での脱炭精錬を施してマンガン含有低炭素鋼を溶製する際に、マンガン源として安価なマンガン鉱石を利用するとともに、マンガン鉱石の添加量を溶鋼中炭素濃度に応じて最適化する、または、炭素源の添加によってマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度を最適化するので、マンガン鉱石に含有される酸素によって脱炭反応が促進されるのみならず、マンガン鉱石中のマンガンを高い歩留りで溶鋼中に回収することができ、その結果、高価な電解マンガンの使用量を削減することが可能となり、マンガン含有低炭素鋼の製造コストを大幅に削減することが実現される。

尚、上記説明では真空脱ガス設備としてＲＨ真空脱ガス装置１を例として説明したが、上記に準じて実施することにより、ＤＨ真空脱ガス装置やＶＯＤ炉などの他の真空脱ガス設備にも本発明を適用することができる。

高炉から出銑された溶銑に対して脱硫処理、脱燐処理の溶銑予備処理を施し、この溶銑を用いて転炉脱炭精錬して溶鋼を溶製し、次いで、得られた溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置で真空脱炭精錬してマンガン含有低炭素鋼を溶製する試験（試験番号１〜１３）を実施した。一部の試験では、転炉にてマンガン源としてマンガン鉱石を添加して溶鋼中マンガン濃度を上昇させ、得られた３５０トンの溶鋼を未脱酸のまま取鍋に出鋼した。出鋼時の溶鋼成分は、炭素濃度が０．０２０〜０．１００質量％、珪素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が０．１０〜０．３０質量％、燐濃度が０．０３質量％以下、硫黄濃度が０．００３質量％以下であった。

また、一部の試験では、転炉から取鍋への出鋼時にマンガン系合金鉄（高炭素フェロマンガン（ＦＭｎＨ）、低炭素フェロマンガン（ＦＭｎＬ））を所定量添加して、ＲＨ真空脱ガス装置への到着時の溶鋼中の炭素濃度及びマンガン濃度を高めた。用いた高炭素フェロマンガン及び低炭素フェロマンガンのマンガン含有量は、両者とも約７５質量％、炭素含有量は、それぞれ、高炭素フェロマンガンが６．７質量％、低炭素フェロマンガンが１．０質量％であった。この溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置に搬送し、真空脱炭精錬の処理条件を種々変更してマンガン含有極低炭素鋼を溶製した。ＲＨ真空脱ガス装置への到着時の溶鋼中酸素濃度は、０．０３〜０．０８質量％であった。

ＲＨ真空脱ガス装置では、全ての試験で、環流用Ａｒガス流量を１５００ＮＬ／ｍｉｎ、上吹きランスからの酸素ガス供給量（送酸速度）を３０００Ｎｍ³／ｈ、酸素ガス供給時の上吹きランスのランス高さ（ランス先端と真空槽内溶鋼湯面との距離）は５ｍ一定とし、上吹きランスからの酸素ガス供給による真空脱炭精錬時の真空槽の到達真空度は６．７〜４０ｋＰａとした。

ＲＨ真空脱ガス装置での真空脱炭精錬開始後、直ちにそれぞれ０．７〜３．４ｋｇ／ｔのマンガン鉱石を原料投入口を通して真空槽内に添加した。この操業方法では、マンガン鉱石添加前の溶鋼成分は、ＲＨ真空脱ガス装置での精錬前の溶鋼成分と一致する。使用したマンガン鉱石は、マンガン含有量が約５５質量％であり、その粒度は５〜２０ｍｍである。ＲＨ脱ガス精錬終了後の目標溶鋼中炭素濃度は、０．００３質量％以下、目標マンガン濃度は、０．５〜１．０質量％である。真空脱炭精錬終了後の溶鋼成分でマンガン濃度が不足する場合には、金属マンガンを用いて成分調整を行った。また、比較のために、ＲＨ真空脱ガス装置でマンガン鉱石を添加しない試験も実施した。

表１に、各試験操業における溶鋼条件、マンガン鉱石添加量、真空脱炭精錬での脱炭速度、真空脱炭精錬後のマンガン鉱石中のマンガンの溶鋼中への回収歩留りなどを示す。ここで、真空脱炭精錬での脱炭速度とは、真空処理前から真空脱炭精錬終了までの脱炭量を真空脱炭精錬で除算した値である。尚、表１の備考欄には、本発明の範囲の試験は「本発明例」と表示し、それ以外は「比較例」と表示している。

表１に示すように、マンガン鉱石を添加しない試験番号１２、１３では、真空脱炭精錬での脱炭速度が０．００３４〜０．００３７％／minであったのに対して、真空脱炭精錬時のマンガン鉱石添加量が（１）式の範囲内である試験番号１〜５では、真空脱炭精錬での脱炭速度が０．００５７〜０．００７８％／minと高くなっていた。これは、マンガン鉱石中のマンガン酸化物が溶鋼中の炭素で還元されることによって酸素源として機能し、脱炭速度を促進させた効果であると考えられる。また、試験番号１〜５では、マンガン鉱石中のマンガンの溶鋼への回収歩留りが７７％以上と高くなっていた。

一方、真空脱炭精錬時のマンガン鉱石添加量が（１）式の範囲よりも多い試験番号６、７では、真空脱炭精錬での脱炭速度は、０．００４２〜０．００４３％／minであり、マンガン鉱石を添加しない試験番号１２、１３よりは若干高いが、試験番号１〜５での脱炭速度と比較すると著しく遅く、また、マンガン鉱石中のマンガンの溶鋼への回収歩留りも３８．９％と低かった。

真空脱炭精錬時のマンガン鉱石添加量が（１）式の範囲よりも少ない試験番号８〜１１では、マンガン鉱石中のマンガンの溶鋼への回収歩留りは７５％以上と高い結果であったが、真空脱炭精錬での脱炭速度は０．００３９〜０．００４３％／minであり、マンガン鉱石を添加しない試験番号１２、１３よりは若干高いが、試験番号１〜５での脱炭速度と比較すると遅い結果となっていた。

このように、本発明を適用することにより、真空脱炭精錬での脱炭速度を高めることが可能であると同時に、高いマンガン歩留りを得られることが確認できた。

高炉から出銑された溶銑に対して脱硫処理、脱燐処理の溶銑予備処理を施し、この溶銑を用いて転炉脱炭精錬して溶鋼を溶製し、次いで、得られた溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置で真空脱炭精錬してマンガン含有低炭素鋼を溶製する試験（試験番号１４〜２２）を実施した。一部の試験では、転炉にてマンガン源としてマンガン鉱石を添加して溶鋼中マンガン濃度を上昇させ、得られた３５０トンの溶鋼を未脱酸のまま取鍋に出鋼した。出鋼時の溶鋼成分は、炭素濃度が０．０２０〜０．０５０質量％、珪素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が０．１０〜０．３０質量％、燐濃度が０．０３質量％以下、硫黄濃度が０．００３質量％以下であった。この溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置に搬送し、真空脱炭精錬の処理条件を種々変更してマンガン含有極低炭素鋼を溶製した。ＲＨ真空脱ガス装置への到着時の溶鋼中酸素濃度は、０．０３〜０．０８質量％であった。

ＲＨ真空脱ガス装置では、全ての試験で、環流用Ａｒガス流量を１５００ＮＬ／ｍｉｎ、上吹きランスからの酸素ガス供給量（送酸速度）を３０００Ｎｍ³／ｈ、酸素ガス供給時の上吹きランスのランス高さ（ランス先端と真空槽内溶鋼湯面との距離）は５ｍ一定とし、上吹きランスからの酸素ガス供給による真空脱炭精錬時の真空槽の到達真空度は６．７〜４０ｋＰａとした。

本実施例では、マンガン鉱石を真空脱炭精錬時に原料投入口を通して真空槽内に添加する際に、炭素源を、マンガン鉱石の添加と同時にまたはマンガン鉱石添加の前に、真空槽内の溶鋼に所定量添加した。使用した炭素源は、コークス、マンガン系合金鉄（高炭素フェロマンガン（ＦＭｎＨ）、低炭素フェロマンガン（ＦＭｎＬ））である。用いた高炭素フェロマンガン、低炭素フェロマンガンのマンガン含有量は、両者とも約７５質量％、炭素含有量は、それぞれ、高炭素フェロマンガンが６．７質量％、低炭素フェロマンガンが１．０質量％であった。コークスの炭素含有量は、約９９質量％である。また、使用したマンガン鉱石は、マンガン含有量が約５５質量％であり、その粒度は５〜２０ｍｍである。ＲＨ脱ガス精錬終了後の目標溶鋼中炭素濃度は、０．００３質量％以下、目標マンガン濃度は、０．５〜１．５質量％である。真空脱炭精錬終了後の溶鋼成分でマンガン濃度が不足する場合には、金属マンガンを用いて成分調整を行った。

表２に各試験操業における溶鋼条件、マンガン鉱石添加量、炭素源添加量、真空脱炭精錬での脱炭速度、真空脱炭精錬後のマンガン鉱石中のマンガンの溶鋼中への回収歩留りなどを示す。ここで、表２に示した試験１４〜２２の全てで、マンガン鉱石の添加量は炭素源を添加する前の溶鋼中炭素濃度に対して（１）式の範囲よりも多い条件となっている。つまり、試験番号１４〜２２は、予定したマンガン鉱石の添加量に対して、溶鋼中の炭素濃度が不足しており、この不足分を補うために炭素源を添加した試験である。

尚、表２において、ＲＨ真空脱ガス装置で添加する炭素源の添加タイミングで、「添加前」とは、マンガン鉱石の添加前に炭素源を添加することを意味し、「同時」とは、マンガン鉱石と同時に炭素源を添加することを意味している。また、表２に示す真空脱炭精錬での脱炭速度とは、真空処理前から真空脱炭精錬終了までの脱炭量を真空脱炭精錬で除算した値である。

表２に示すように、真空脱炭精錬前或いは真空脱炭精錬中の炭素源の添加量が、（２）式から求まる添加量の範囲内である試験番号１４〜１９では、真空脱炭精錬での脱炭速度が０．００５０〜０．００６１％／minと高くなっていた。これは、マンガン鉱石中のマンガン酸化物が溶鋼中炭素で還元されることによって酸素源として機能し、脱炭速度を促進させた効果であると考えられる。マンガン鉱石中のマンガンの溶鋼への回収歩留りも７５％以上と高い結果であった。表１に示すマンガン鉱石を添加しない試験番号１２、１３や、真空脱炭精錬時のマンガン鉱石添加量が（１）式の範囲よりも多い試験番号６、７での脱炭速度（０．００３４〜０．００４３％／min）と比較して、試験番号１４〜１９の脱炭速度は大幅に増加している。

真空脱炭精錬前或いは真空脱炭精錬中の炭素源の添加量が、（２）式から求まる添加量の範囲よりも少ない試験番号２０〜２２では、真空脱炭精錬での脱炭速度は０．００４０〜０．００４３％／minであり、マンガン鉱石を添加しない表１の試験番号１２、１３の脱炭速度よりは若干高いが、表１の試験番号１〜５や表２の試験番号１４〜１９の脱炭速度と比較すると著しく遅く、また、マンガン鉱石中のマンガンの溶鋼への回収歩留りも５５％前後と低い結果であった。

即ち、真空脱炭精錬前或いは真空脱炭精錬中に炭素源を添加する場合には、（２）式を満たす範囲で添加することが好ましく、そのようにすることで、真空脱炭精錬での脱炭速度を高めることが可能であると同時に、高いマンガン歩留りをも得られることが分った。

１ ＲＨ真空脱ガス装置
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ スラグ
５ 真空槽
６ 上部槽
７ 下部槽
８ 上昇側浸漬管
９ 下降側浸漬管
１０ 環流用ガス吹き込み管
１１ ダクト
１２ 原料投入口
１３ 上吹きランス

Claims (1)

1. 真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に減圧下での脱炭精錬を施してマンガン含有低炭素鋼を溶製するにあたり、炭素源の添加量が、マンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度及びマンガン鉱石添加量に対して下記の（２）式の関係を満足する範囲内となるように、前記脱炭精錬中、真空槽内に、マンガン鉱石と同時に炭素源を添加する、または、炭素源を添加した後にマンガン鉱石を添加することを特徴とする、マンガン含有低炭素鋼の溶製方法。
   Ｗ _C ＝(1000/η _C )×[(α×Ｗ _Mn ×η _Mn /100)−[％Ｃ]] 0.0218≦α≦0.0436 …(2)
   但し、（２）式において、Ｗ _C は炭素源の添加量（ｋｇ／ｔ）、Ｗ _Mn はマンガン鉱石の添加量（ｋｇ／ｔ）、［％Ｃ］はマンガン鉱石添加前の溶鋼中炭素濃度（質量％）、η _C は炭素源中の炭素の含有量（質量％）、η _Mn はマンガン鉱石中のマンガンの含有量（質量％）、αは定数である。

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