JP5971484B2 - 高炭素鋼の溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、スチールコード用の線材や弁・バネ・工具鋼用鋼材、あるいはレール用鋼材などとして用いて好適な鋼材を製造するための高炭素鋼の溶製方法に関する。

転炉を用いて高炭素鋼を溶製する方法としては、上吹き用ランスから溶鉄上部に精錬用純酸素を吹き付けると共に、炉底の底吹きガス吹込みノズルからは不活性ガスなどを吹き込む酸素上・底吹き転炉によって、精錬用純酸素や不活性ガスの吹き込み量を調整することなどによって精錬する方法（特許文献１）がある。また、ＳｉやＭｎ、Ａｌ等を含む合金を原料溶鋼に加えて脱酸ならびに成分調整した溶鋼を炉外精錬炉に装入し、その炉を不活性雰囲気または真空雰囲気に保持して精錬終了後のスラグ組成を調整すると共に、精錬済み溶鋼中のＡｌ総量を制御して高炭素鋼の精錬を行なう方法（特許文献２）もある。その他の高炭素鋼溶製方法としては、脱珪、脱燐および脱硫処理した溶銑を脱炭精錬する際に、所定の粒径の加炭剤を添加すると共に、酸素の吹き込み位置、時期を制御する方法（特許文献３）、あるいは、転炉出鋼時に高純度加炭材を強脱酸材とともに添加し、取鍋にて最終成分調整して高炭素鋼を溶製する方法（特許文献４）などもある。

特開昭５７−１０４６１５号公報 特開昭６０−１８４６１７号公報 特開昭６０−２２１５１１号公報 特開平６−１５８１４３号公報

上記特許文献１に開示の方法では、転炉吹錬中の不活性ガス吹き込み量を制御することによって異常なスラグフォーミングを防止する点に主眼があり、高炭素鋼の効果的な精錬ができないという問題がある。また、特許文献２に開示の方法は、炉外精錬炉、例えば、取鍋の雰囲気および塩基性フラックスの調整によって介在物の物性を調整することに主眼があり、溶鋼攪拌のためのボイリングが疎かになるという問題がある。さらに、特許文献３に開示の方法は、必要最小限の加炭剤添加で所望の熱供給と浴の昇温を目指す技術であり、溶鋼成分の均一化やスラグフォーミングの抑制を目的とする技術ではないので、精錬の安定性に欠けるという問題がある。

さらにまた、特許文献４に開示の方法は、脱燐効率の低下を招くことなく清浄な高炭素鋼を溶製する技術であるが、フォーミング抑制下に適性なボイリング（攪拌）を行なって溶鋼成分の均一化、処理の安定化を目指す技術ではないという点で改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、加炭材を投入することによって高炭素鋼を溶製するに当たって、合金鉄の効果的な投入によって精錬や出鋼のトラブルを招くことなく、均一な成分の高炭素鋼を安定して溶製することのできる技術を確立することにある。

前記の目的に対し、発明者らは、特許文献４などに記載の従来技術においては、出鋼開始と同時に所定量のＳｉ系合金（ＳｉＭｎ）もしくはＡｌのような脱酸材と加炭材とを一挙に添加しているのに対し、このような方法の実施による前述した不都合を克服するための技術を提案する。

そこで、本発明では、始めに、脱酸材の添加方法に関し、ＳｉＭｎのようなＳｉ系合金、Ｍｎ系合金あるいはＦｅＭｎやＦｅＳｉのような合金鉄などからなる脱酸材を添加する場合に、まず、その脱酸材の必要量の一部だけを添加して、急激なスラグフォーミングを抑制しながら、一方でその後は適当なボイリング（ＣＯ気泡による攪拌）を喚起し、このことによって加炭材の速やかな溶解を促進することにより、溶鋼成分の均一化ならびに出鋼作業の安定化が得られる高炭素鋼の有利な溶製方法を提案する。

また、本発明では、加炭材の添加方法に関し、レール用鋼材向けの高炭素鋼（Ｃ：０．６〜０．９ｍａｓｓ％）だけでなく、通常の線材用鋼材のよう高炭素鋼（Ｃ：０．３〜０．６ｍａｓｓ％）も含めて、加炭材の添加方法として、出鋼時に一挙に添加するのではなく、加炭材の一部を出鋼前に予め取鍋内に入れ置きして溶解を促進する方法を提案する。この方法では、該加炭材の溶解の遅れや不足が生じるおそれがなく、溶鋼成分の均一化ならびに出鋼作業の安定化を果すことのできる。なお、前記ボイリングとは、溶鋼に加炭材を添加することによる脱炭反応に基づくＣＯガスによる攪拌を言い、通常のバブリングとは区別される。以下に、本発明の構成の詳細を説明する。

即ち、本発明は、転炉出鋼時に加炭材を添加して高炭素鋼を溶製するに当たり、出鋼の前半に、加炭材に加えて脱酸材の一部を添加し、その後、出鋼の後半で予定の添加量の残りの量の脱酸材を添加して、出鋼成分組成の調整を行なうことを特徴とする高炭素鋼の溶製方法である。

本発明に係る溶製方法においては、
（１）出鋼の前半に添加する前記脱酸材は、総投入量のうちの１０〜２０％程度とすること、
（２）前記出鋼の前半が、出鋼開始後６０秒以内の期間であること、
（３） 前記出鋼の後半は、出鋼開始後６０秒を経過した後の期間であって、この期間に添加する、前記脱酸材は総投入量のうちの８０〜９０％であること、
（５）転炉出鋼に先立ち、取鍋内には予め２．５〜４．５ｋｇ／ｔの加炭材を入れ置きしておくこと、
（５）前記脱酸材は、Ａｌペレット、あるいはＳｉ系合金、Ｍｎ系合金およびＣｒ系合金のいずれか１種以上およびＳｉやＭｎ含有合金鉄のいずれか１種以上を添加すること、
（６）前記加炭材は、コークス粉、カーボンブラック、炭素電極粉のような高純度炭素粉を用いること、
（７）出鋼後、バブリングによる溶鋼の攪拌なしで真空脱ガス精錬すること、
がより好ましい解決手段になるものと考えられる。

前述のように構成される本発明に係る高炭素鋼の溶製方法によれば、特定の時期に加炭材と所定量の脱酸材とを並行投入することから、出鋼時に加炭材の投入に併せて脱酸材の全量投入する従来例に見られるトラブル、即ち、溶鋼ボイリングのゆき過ぎや過剰なスラグフォーミングを抑制（沈静）することができると共に、適当なボイリングを長く継続させることができる。しかも、本発明方法によれば、加炭材の均一混合を図ることができる他、出鋼作業の安定化と溶鋼成分の均一化を果すことができる。さらに、本発明によれば、加炭材の入れ置きを実施する場合、より高いＣレベルの均質な高炭素鋼を前述のトラブルを招くことなく、確実に溶製することができる。

出鋼完了時バブリング前Ｃ濃度とバブリング後Ｃ濃度との関係を示すグラフである。 バブリング前後でのＣピックアップ比率の推移を示すグラフである。 本発明溶製方法（ａ）、（ｂ）と比較溶製方法（ｃ）とを対比して示す略線図である。

図１は、取鍋への出鋼完了時バブリング前の溶鋼中Ｃ濃度とＲＨ処理前でのバブリング後Ｃ濃度との関係を示すものである。また、図２は、出鋼からＲＨ処理前におけるバブリング前後までのＣピックアップ比率の程度を示すグラフである。なお、バブリングはランスからアルゴンガスを吹き込むことにより行なった。これらの図から判るように、出鋼中に加炭材を添加すると溶存酸素との間でまず溶鋼のボイリングが起るが、加炭すなわちＣのピックアップはそのボイリング作用が十分に行き渡った後に活発になることが窺える。

このように、転炉出鋼時に加炭材を添加して高炭素鋼の溶製（成分調整）をしようとする場合、加炭材の添加によるボイリングとともに脱酸材の添加による沈静化が不可欠である。しかしながら、従来技術のように、出鋼直後に未脱酸のままの溶鋼に加炭材を添加する場合、あるいは該加炭材と脱酸材、特にＡｌペレットのような強脱酸材を一挙に投入するような方法だと、ボイリング（攪拌）の過不足が生じて、加炭材の早期溶解または未溶解（溶解不足）による溶鋼成分の不均一化を招くことが多くなる。一方で、出鋼溶鋼中の溶存酸素の量が多い場合、特に溶存酸素が３００ｐｐｍ以上１２００ｐｐｍ以下の場合、過剰なボイリング（バブリング）と過剰なスラグフォーミングとを招くのみならず、むしろＣのピックアップが遅れるだけでなく、溶鋼成分の均一化や清浄性、出鋼作業の安定化を阻害するという問題が生じる。

そこで、本発明では、図３（ａ）に示すように、転炉から取鍋への出鋼時、出鋼前半のなるべく早い時期、即ち、出鋼後の６０秒以内、より好ましくは３０秒以内に、溶鋼の均一化と、特に溶鋼の量が多い場合にボイリングによって溶鋼が溢れるのを防ぐことを目的として、加炭材に加えて溶存酸素を低減させる作用のあるＳｉ系合金やＦｅＳｉのような合金鉄を添加することにした。

このように、本発明では、加炭材と脱酸材との早期並行投入を行なうが、このとき、できれば弱い脱酸材であるＦｅＭｎ、ＦｅＳｉを、しかもその必要量（総投入量）の約１０〜２０％相当量を添加することにした。このようにすれば、過剰なボイリングやスラグフォーミングを招くことなく、加炭材の取鍋内溶鋼中への効率のよい拡散をもたらしてＣ濃度の速やかなピックアップと溶鋼成分の均一化を実現することができるようになる。

そして、本発明では、前記の出鋼前半（≦６０秒）に行なう加炭材と弱い脱酸材であるＳｉ系合金やＭｎ系合金あるいはＦｅＳｉ合金鉄との並行投入の後（出鋼後６０秒経過後、特に適切なボイリング時間を確保した後の９０秒以降）、総投入量のうちの残量：約８０〜９０％の脱酸材、例えば、ＳｉＭｎのようなＳｉ系合金やＭｎ系合金、ＦｅＳｉのような合金鉄あるいはＡｌペレットなどを１〜複数回に分けて添加し、いわゆる出鋼期間の全般に亘って切れ目なく（継続的に）適当なボイリングが起るように調整して、高炭素鋼を安定して溶製できるようにすることが好ましい。

即ち、本発明は、基本的に、出鋼開始後の６０秒以内に、Ｓｉ系合金やＭｎ系合金、Ｃｒ系合金、あるいはＦｅＳｉやＦｅＭｎなどの合金鉄、あるいはＡｌペレットやＡｌ滓のような脱酸材の一部（１０〜２０％程度）と所定量（非レール材は３．０〜６．０ｋｇ／ｔ、レール材は６．０〜９．０ｋｇ／ｔ）の加炭材、例えば、高純度炭素粉（：コークス粉、炭素電極粉、カーボンブラックなど）と、所定量（０．９〜１．５ｋｇ／ｔ）の脱酸材（ＳｉやＡｌのペレット、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ合金、ＦｅＭｎやＦｅＣｒ、ＦｅＳｉ等の合金など）とを併せて並行投入（添加）する方法である。そして、その後、出鋼時間内（約６分間）の適時に、例えば、６０秒経過後に残り（８０〜９０％）の脱酸材（好ましくは、ＳｉＭｎ、ＦｅＳｉ＋Ａｌ缶屑等）を１〜複数回に分けて添加する。残りの脱酸材の添加時期は出鋼開始時期に投入した加炭材が十分にボイリングされた後の９０秒以降が好ましい。但し、レール材はＡｌ濃度が０．００３ｍａｓｓ％以下でありＡｌペレットやＡｌ滓は使用しない方が好ましい。また、非レール材においてもＡｌは脱酸速度が大であり適正なボイリングによる攪拌が困難になるために使用しない方が好ましい。

その結果、出鋼と同時に全ての脱酸材と加炭材とを添加する従来技術（図３（ｂ））のように、溶鋼のボイリングやスラグフォーミングが急激に起るようなことがなくなる。即ち、当初は必要量のごく一部の脱酸材のみを加炭材に合わせて並行投入することで、ボイリングやスラグフォーミングがある程度は抑制できる一方で、出鋼の後半では、必要なボイリングを持続的に起させることができる。しかも、この方法の場合、加炭材の完全な溶解を早期に果して高炭素鋼を安定して溶製することができるようになる。

また、本発明では、脱酸材を出鋼時間の始めだけでなく、出鋼の全期間に亘って複数回に分けて投入することで、全期間に亘って常に安定した溶鋼のボイリングとスラグフォーミングとを起させることができ、さらに溶鋼温度の低下や出鋼時間の延長を防止できると同時に、ＲＨ処理前溶鋼成分の均一化、処理（溶製）の安定化をもたらす。

なお、本発明において、出鋼時に加炭材と共に脱酸材として合金鉄を添加する場合、加炭材と溶存酸素との反応（Ｃ＋[Ｏ]＝ＣＯ（ｇ））によるボイリングによって鍋から溶鋼が溢れないようにすることが望ましい。そのためには、例えば、当初はＳｉＭｎ合金やＦｅＭｎ＋Ａｌペレットを投入し、６０秒経過してからはＳｉ合金を投入することによって、残りの溶存酸素についてはＳｉ脱酸し、さらに必要に応じて、出鋼が鉄の半分位になるのを待ってＦｅＭｎ合金＋Ａｌペレットを投入するなどの方法を採用することが好ましい。

例えば、終点酸素が高い（８５０ｐｐｍ）溶鋼の場合、脱酸材は都合、Ｓｉ純分原単位で０．２６ｋｇ／ｔ程度、合金鉄（ＦｅＳｉ）の場合は原単位で０．３５ｋｇ／ｔ程度、またはＳｉＭｎ合金の場合は原単位で１．５４ｋｇ／ｔ程度を前述のような条件の下で分割して添加することが好ましい。また、加炭材としては、総投入量２．５〜９．５ｋｇ／ｔ程度を投入することが好ましい。

なお、本発明における加炭材の投入に当たっては、高炭素鋼としてレール用鋼材を溶製しようとするときは、より高いＣレベル（Ｃ：０．６〜０．９ｍａｓｓ％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３ｍａｓｓ％）を実現するために、出鋼に先立ち、取鍋内には予め、２．５〜４．５ｋｇ／ｔ（総投入量の約３０％程度）の加炭材を入れ置きしておき、そこに出鋼を行なうことが望ましい。但し、この場合、並列投入する脱酸材として、Ａｌペレットを除く脱酸材を用いる。

これに対し、レール材以外の線材やバネ材用鋼材（Ｃ：０．３〜０．６ｍａｓｓ％未満）などの場合、初期投入する該脱酸材としては、望ましくはＳｉＭｎなどのＳｉ系・Ｍｎ系の合金やＦｅＳｉのような合金鉄であるが、Ａｌペレットを使用することも可能である。こうした場合でも、転炉での脱炭反応によって低下した鋼中炭素を十分に補うことができ、高炭素鋼の溶製に有利に働く。

実施例１
Ｃ：０．５０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．２３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．４０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．２０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：０．０５ｍａｓｓ％以下の高炭素鋼を溶製すべく、３３５トンのＬＤ転炉を用いて吹錬して得た炭素含有量約０．０３ｍａｓｓ％の溶鋼を、転炉から取鍋に、出鋼する時、加炭材として、表１に示す組成のコークス粉または炭素電極粉を、３０秒以内に５．０ｋｇ／ｔ（溶鋼）程度添加すると同時に、脱酸材としてＦｅＳｉを０．３ｋｇ／ｔ（溶鋼）添加し、その後、６０秒経過後、ＦｅＭｎ：１．５ｋｇ／ｔ（溶鋼）を添加して成分調整したのち、さらに最終成分調整してＲＨ脱ガス処理に供した。この場合におけるスチールコード用高炭素鋼（Ｘ）の成分組成を表２に示す。また、比較例として出鋼開始直後に、加炭材として表１に示す組成のコークス粉または炭素電極粉を、５．０ｋｇ／ｔ（溶鋼）程度添加すると同時に、脱酸材としてＦｅＳｉを１．８ｋｇ／ｔ（溶鋼）添加した。

この実施例の結果から明らかになったことは、本発明に適合する方法では、出鋼終了時Ｃ濃度が０．４５ｍａｓｓ％であったため、バブリングなしでのＲＨ脱ガス処理が可能である一方で、前記比較例では、出鋼終了時Ｃ濃度が０．３５ｍａｓｓ％であったため、ＲＨ脱ガス処理の前にバブリング処理を実施することが必要である。

実施例２
Ｃ：０．８０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．３０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．５０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．２０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：０．０５ｍａｓｓ％以下の高炭素鋼を溶製すべく、３３５トンのＬＤ転炉を用いて吹錬して得た炭素含有量約０．０３ｍａｓｓ％の溶鋼を、転炉から取鍋に出鋼する時、まず、その取鍋内に加炭材として表１に示す炭素電極粉を３．０ｋｇ／ｔを予め入れ置きし、そして、出鋼時にも同じ加炭材、即ち、炭素電極粉を５．０ｋｇ／ｔ程度添加すると同時に、Ｍｎ脱酸材としてＦｅＳｉとＳｉＭｎ合金とを合計で１．５ｋｇ／ｔｏｎ（溶鋼）を添加し、さらにその後（１８０秒経過後）に、ＦｅＭｎを１．５ｋｇ／ｔ（溶鋼）を添加することによって成分調整し、そして、取鍋にて最終成分調整して製造したレール用高炭素鋼（Ｙ）の成分組成を表２に示す。また、比較例として出鋼開始直後に、加炭材として、表１に示す組成のコークス粉または炭素電極粉を、８．０ｋｇ／ｔ（溶鋼）程度添加すると同時に、脱酸材としてＦｅＳｉを３．０ｋｇ／ｔ（溶鋼）添加した。

この実施例の結果から明らかになったことは、本発明に適合する方法では、出鋼終了時Ｃ濃度が０．７２ｍａｓｓ％であったため、バブリングなしでのＲＨ脱ガス処理が可能である一方で、前記比較例では、出鋼終了時Ｃ濃度が０．５８ｍａｓｓ％であったため、ＲＨ脱ガス処理の前にバブリング処理を実施することが必要である。

前述した本発明に係る技術は、高炭素鋼の溶製技術として有用であるが、脱酸材の投入の仕方等は通常溶鋼の溶製方法としても利用できる方法である。

Claims (7)

1. 転炉出鋼時に加炭材を添加して高炭素鋼を溶製するに当たり、出鋼の前半に、加炭材に加えて脱酸材の一部を添加し、その後、出鋼の後半で予定の添加量の残りの量の脱酸材を添加して、出鋼成分組成の調整を行なうことを特徴とする高炭素鋼の溶製方法。
2. 出鋼の前半に添加する前記脱酸材は、総投入量のうちの１０〜２０％程度とすることを特徴とする請求項１に記載の高炭素鋼の溶製方法。
3. 前記出鋼の前半が、出鋼開始後６０秒以内の期間であることを特徴とする請求項１または２に記載の高炭素鋼の溶製方法。
4. 前記出鋼の後半は、出鋼開始後６０秒を経過した後の期間であって、この期間に添加する、前記脱酸材は総投入量のうちの８０〜９０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の高炭素鋼の溶製方法。
5. 転炉出鋼に先立ち、取鍋内には予め２．５〜４．５ｋｇ／ｔの加炭材を入れ置きしておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の高炭素鋼の溶製方法。
6. 前記脱酸材は、Ａｌペレット、あるいはＳｉ系合金、Ｍｎ系合金およびＣｒ系合金のいずれか１種以上およびＳｉやＭｎ含有合金鉄のいずれか１種以上を添加することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の高炭素鋼の溶製方法。
7. 出鋼後、バブリングによる溶鋼の攪拌なしで真空脱ガス精錬することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の高炭素鋼の溶製方法。

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