JP6248801B2

JP6248801B2 - 元素分析試料調製方法および装置

Info

Publication number: JP6248801B2
Application number: JP2014103251A
Authority: JP
Inventors: 荒井　正浩; 正浩荒井; 廣角　太朗; 太朗廣角; 佐々木　智之; 智之佐々木; 進工藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: JP2015219134A

Description

本発明は、製鋼操業において、精錬途中の溶鋼から凝固塊を採取し、機械加工により成分分析用試料を作製した後、試料中に含有される元素濃度を分析し、分析結果を参照して該溶鋼の成分調整操作に反映させる一連の工程に適用可能な、迅速かつ確実な元素分析試料調製方法に関する。

鉄鋼材料では、所望の性能を得るために鋼中に各種元素を適量添加する合金設計を行っており、その設計に基づき同一性能を有する鋼を実製造する際は、製鋼工程での溶製時に各元素の濃度をある一定の範囲内に管理することで、製品性能の安定化を図っている。さらに、精錬中に溶鋼成分の分析を行い、目的とする元素の濃度を確認し、その結果を見て適宜成分調整を行っているため、正確な分析結果だけでなく、分析値判明まで待つことに起因した生産量低減やエネルギーロスを回避する観点から、迅速な分析が不可欠である。

そのため、各種元素を添加して所望の性能を有する鋼を製造する製鋼工程における精錬途中に、含有する元素の濃度を迅速かつ精度よく分析ができれば、その分析結果をもとにして、適切な成分調整を行うことで、安定した性能を有する鋼を、低コストかつ低環境負荷で製造することが可能となる。

このような工程において、分析試料を迅速に作製するために、分析試料調製装置が活用されている。元素分析試料調製装置では、鋼塊受入装置、切断装置、研磨装置、冷却装置、搬送装置等が、シーケンサにより総合的に制御され、鋼塊を投入すると、１分半程度で、発光分析用やガス分析用の試料が払い出される。

例えば、特許文献１では、異なった種類の分析、例えば、発光分析とガス分析に用いられる複数の試料を、同時に作製することができると共に、テーパ状サンプルも容易かつ確実に把持してサンプルの搬送を確実に行うことができる分析試料の調製装置が開示されている。この装置において、溶鋼から採取し、高温赤熱状態で供給される鋼塊の温度は、まず、１０００℃から切断により８００℃に降下、次に、冷却水中に完全に浸漬する急冷却により４００℃に降下、さらに砥石研磨により３００℃に降下、再び急冷却３０℃に降下、または水を混入した空気を吹き付けて３００℃から２００℃まで徐冷を行った後、急冷却により３０℃に降下すると開示されている。

特許文献２には、マルテンサイト変態開始温度よりやや高い温度、例えば４００℃まで急冷却し、その後、常温まで、低炭素鋼の場合は急冷し、高炭素鋼の場合は徐冷する鋼中成分分析用試料の加工方法が開示されている。

また、特許文献３では、冷却装置を２つ具備し、９００℃〜１０００℃で受け入れた鋼塊を、まず第１冷却装置で４００℃〜６００℃程度に急冷したのち切断装置によって湯口部を切離すると共に、切断後に自然降温によって２００℃〜３００℃に放冷された試料を第２冷却装置で２０℃〜５０℃程度に２段階で冷却する調製方法および装置が開示されている。

これらいずれの技術、装置においても、投入された鋼塊は、急冷却と自然降温による放冷の組み合わせで冷却されており、装置機構が複雑となる問題があった。さらにこれら従来技術のいずれも、鋼の化学成分に応じて冷却速度を適切に制御する方法を提供するものではない。

一方で、製鋼工程では様々な種類すなわち成分の鋼が混在して溶製されており、例えば、高炭素鋼や機械構造用合金鋼などでは、先行技術による試料調製装置を適用しても、急冷却により焼きが入り、硬くなる鋼種では、切断や打抜加工ができない、加工はできても、所望の寸法精度が得られない、焼き割れに起因して分析試料に割れや欠けが生じる等の問題が発生していた。当然ながら、このような欠陥を含む試料を分析に供しても、正確な結果は期待できない。

実作業において、急冷却により焼きが入り、硬くなる鋼種に対しては、作業者が介在し、経験や勘に基づいて、手作業で試料調製しているが、やはり、作業が繁雑になり、時間を要する上、処理のばらつきは避けられず、不適切な冷却により再度鋼塊の採取が必要になる等、工程ロスの原因となっていた。

特開平９−１６６５３０号公報特開平９−１５２３９１号公報特開平１０−３１１７８２号公報

本発明は、溶鋼から採取した高温赤熱状態の鋼塊から、割れや欠けのない分析に適した試料を迅速に調製する方法および装置を提供することを目的とする。

本発明者は種々検討を重ねた結果、分析試料調製において、高温赤熱状態の鋼塊を冷却する際、鋼種すなわち鋼の化学成分に応じて冷却条件を最適化することで、精錬途中の溶鋼成分分析に適用可能な迅速かつ確実な試料調製方法を見いだし、以下の本発明を完成させるに至った。

（１）溶鋼から採取し、７００〜８００℃の赤熱状態で元素分析試料調製装置に供給される鋼塊に対して、まず、分析に供しない不要な部分を切断機構により切離した後、冷却完了後の前記鋼塊の硬さがビッカース硬さで４００以下になるよう、前記鋼塊の鋼種及び化学組成の関数として冷却速度の上限Vcr[℃／秒]を決定し、前記Vcr以下に冷却速度を制御しながら、冷却機構により試料を１００℃以下に冷却することを特徴とする元素分析試料調製方法。

（２）前記冷却速度が、（１）式で表わされるVcr[℃／秒]以下であることを特徴とする（１）に記載の元素分析試料調製方法。
Vcr = a*exp(b*Ceq.) (1式)
ここに、
Ceq.=[C]+[Si]/24+[Mn]/5+[Cr]/5+[Mo]/2.5+[Nb]/3+[V]/5+[Cu]/10+[Ni]/18 (2式)
ａ＝４２０±５０
ｂ＝−６．２±０．３
である。

（３）前記冷却速度が、前記冷却速度の上限Vcrに対して、０．８＊Vcr以上Vcr以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の元素分析試料調製方法。

（４）溶鋼から採取された、７００〜８００℃の赤熱状態の鋼塊を受け取る受入部と、前記鋼塊の分析に供しない不要な部分を切断する切断部と、切断後の前記鋼塊を水冷及び／または空冷により冷却する冷却部と、冷却完了後の前記鋼塊の硬さがビッカース硬さで４００以下となるように、前記鋼塊の鋼種及び成分予測値から、冷却速度を決定する演算部と、切断後の前記鋼塊を７００℃から１００℃まで、前記冷却速度で冷却するように、前記冷却部を制御する制御部と、冷却完了後の前記鋼塊を元素分析に適した性状に加工する加工部を備えたことを特徴とする元素分析用試料調製装置。

（５）前記演算部が決定する前記冷却速度の上限が、(1)式で決定されることを特徴とする（４）に記載の元素分析用試料調製装置。
Vcr = a*exp(b*Ceq.) (1式)
ここに、
Ceq.=[C]+[Si]/24+[Mn]/5+[Cr]/5+[Mo]/2.5+[Nb]/3+[V]/5+[Cu]/10+[Ni]/18 (2式)ａ＝４２０±５０
ｂ＝−６．２±０．３
である。

（６）溶鋼から採取し、７００〜８００℃の赤熱状態で元素分析試料調製装置に供給される鋼塊に対して、前記鋼塊の温度が７００℃から１００℃まで一定の冷却速度で冷却することを特徴とする（４）または（５）に記載の元素分析試料調製装置。

本発明により、製鋼操業において、精錬途中の溶鋼から凝固塊を採取し、機械加工により成分分析用試料を作製した後、試料中に含有される元素濃度を分析し、分析結果を参照して該溶鋼の成分調整操作に反映させる一連の工程に適用可能な、迅速かつ確実な元素分析試料調製が可能となる。これにより、様々な種類すなわち成分の鋼が混在して溶製される製鋼操業において、例えば、高炭素鋼や機械構造用合金鋼など、急冷却により焼きが入り、硬くなる鋼種でも、元素分析試料調製装置を用いて、割れや欠けのない分析に適した試料を迅速に調製でき、操業の効率化につながる。

本発明の元素分析試料調製装置の構成ブロック図である。試料のビッカース硬さHvが約400となる冷却速度と炭素当量の関係を示すグラフである。冷間打抜加工評価結果（試料硬さと炭素当量の関係）を示すグラフである。

以下、本発明に係る元素分析試料調製方法の実施の形態の一例について説明する。

溶鋼から採取される鋼塊には、様々な寸法のものが用いられているが、概ね円柱体で、直径は２５ｍｍ〜４０ｍｍ程度、長さは５０ｍｍ〜７０ｍｍ程度である。製鋼現場でサンプラーから取り出された鋼塊は、高温赤熱状態のまま、気送等により、分析現場へ搬送される。

受入直後の鋼塊の温度は７００℃〜８００℃程度であるが、この鋼塊に対して、調製装置を用いて、できるだけ短い時間で、ほぼ常温の分析試料に調製するためには、まず、湯口や凝固する際に形成する空洞欠陥（いわゆる「引け巣」）を内在する部分、すなわち分析に供しない不要な部分を予め切断機構により切離し、試料体積をできるだけ小さくする。

その後、分析試料調製に必要な切断、研磨、切削、打抜等の加工により、試料が割れたり、欠けたりすることのないよう、すなわち、冷却完了後の試料の硬さが加工に適した所定値以下になるよう、鋼種に応じて冷却速度を制御しながら、冷却する。冷却速度が速すぎると、硬質のマルテンサイト相分率が高まり、試料の硬さが上昇し、加工に支障をきたすことになる。加工に適した硬さは分析試料調製装置や工具の仕様にもよるが、本発明者らは市販の分析試料調製装置に備えられた高硬度試料打抜装置を用いて作製した冷却完了後の試料の硬さと加工の良否との関係について調査した。

その結果、試料の硬さをビッカース硬さで４００以下とすることにより、冷間加工においても割れや欠けのない分析試料が得られることを見出し、本発明に至ったものである。

受入、切断後の鋼塊温度７００℃を冷却開始温度として、冷却過程における鋼のマルテンサイト変態を極力回避するために１００℃までの試料温度を制御しながら冷却する。ここで、急冷却と徐冷却を組み合わせることは、必要な硬さを得るために、徐冷却において試料を保温、加熱する機構が必要になる場合があり、装置機構が複雑になる。したがって、本発明では、７００℃から１００℃まで、概ね一定の冷却速度に制御する。

冷却後の鋼塊のビッカース硬さが約４００となる臨界冷却速度Vcr[℃／秒]は、試料中に含まれるC濃度（wt％）やその他の元素濃度によって異なり、鋼種毎にこれら元素濃度の関数として与えられる。本発明では、予め、この関数すなわち元素濃度とVcrとの関係式を求める。具体的には、鋼の連続冷却変態線図（ＣＣＴ線図）を作成する要領で、冷却速度を適宜変化させて、得られた試料の硬さとの関係から決定することができる。

精錬工程において採取された鋼塊から元素分析試料を調製する際には、その成分予測値を上記関係式に代入して、Vcrを求める。成分予測値は、例えば、直前の分析結果をもとにその後の精錬アクションを加味して得られる。

本発明においては、冷却速度をVcr以下に制御するが、試料調製の迅速性の要求に鑑みて、極力Vcrに近い値に設定することが好ましく、０．８＊Vcr以上に設定することが好ましい。より好ましくは、０．９＊Vcr以上とする。

本発明によれば、例えば、精錬中に合金の添加によって組成が変化しても、割れや欠けのない元素分析試料を確実に調整可能な最速の冷却速度を設定することを可能とする。

次に、本発明の元素分析試料調製装置について、図１に示す構成ブロック図をもとに説明する。

（１）受入部
溶鋼から採取された高温赤熱状態の鋼塊を、調製装置内へ受け入れ、調製を施す所定の場所へ搬送する把持機構（リニアガイド付きエアチャックなど）へ鋼塊を渡す。

（２）切断部
受入部で受け入れた鋼塊に対して、湯口や凝固する際に形成する空洞欠陥（いわゆる「引け巣」）を内在する部分、すなわち分析に供しない不要な部分を切断する。

（３）冷却部
切断部で切断後の前記鋼塊を水冷及び／または空冷及び／または放冷により冷却する。

（４）演算部
鋼塊を冷却するに際して、冷却完了後の鋼塊の硬さがビッカース硬さで４００以下となるように、鋼塊の成分予測値から、冷却速度を決定する。図１のように、元素分析試料調製装置内に搭載してもよいし、分析値を管理するコンピュータなどに当該演算機能を持たせる、すなわち演算部を同装置外に独立させてもよい。

（５）制御部
切断後の鋼塊を７００℃から１００℃まで、前記演算部（４）で決定した冷却速度で冷却するように、前記冷却部（３）を制御する。具体的には、切断部に搭載した各冷却手段から必要な手段を選択し、必要な時間だけ鋼塊を冷却する。予め、所望の冷却速度が得られる動作シーケンスパターンを組んで登録しておき、同パターンを選択する方式であれば、制御部の機能は従来の調製装置並みに単純化できる。

（６）加工部
冷却完了後の前記鋼塊を元素分析試料に適した性状に加工する。例えば、スパーク放電発光分析用試料であれば、鋼塊の切断面を切削加工または研磨加工する。ガス分析用試料であれば、必要に応じて、まず鋼塊の切断面を切削加工または研磨加工した後、再び切断部へ搬送して、所望の厚さに切断してスライス片を作製し、これを打ち抜き加工する。打ち抜き加工機能は調製装置に搭載してもよいし、スライス片を調製装置外へ払い出して、別建ての打ち抜き加工装置で加工してもよい。加工部での加工に際して、鋼塊は１００℃よりも低い温度まで冷却されているため、鋼塊自身の熱により著しく酸化することなく、清浄な分析面が得られる。したがって、特にガス分析では、従来実施されていた炭素、硫黄、窒素に加えて、酸素の分析にも好適な試料を調製することができる。

（２）式で求めた炭素当量Ceq.が０．３４〜０．９６である１１種類の鋼に対して、ＣＣＴ線図を作成し、冷却速度と得られた試料の硬さの関係から、ビッカース硬度Hvが約４００となる冷却速度を決定した。
Ceq.=[C]+[Si]/24+[Mn]/5+[Cr]/5+[Mo]/2.5+[Nb]/3+[V]/5+[Cu]/10+[Ni]/18 （２式）
ただし、（２）式右辺の[C]、[Si]等は、それぞれCやSi等元素の鋼中濃度[wt%]である。

このようにして得られた冷却速度と炭素当量Ceq.との関係を図２に示す。両者には良好な相関が認められたことから、任意の鋼において、その化学成分から（２）式でCeq.を決定し、図２中に破線で示した近似曲線から、冷却速度の上限Vcr[℃／秒]が求まる。この近似曲線は、次の(1)式で表された；
Vcr = a*exp(b*Ceq.) (1式)
ここで、(1)式右辺の係数a、ｂの値はそれぞれ、４１８、−６．１６であった。

そこで、別途、炭素当量Ceq.が０．１７〜１．０３である２６種類の溶鋼を準備して、鋼塊（ボンブサンプル）を採取し、冷却速度を適宜変化させて７００℃から１００℃冷却し、その後最終的に室温まで冷却した後、厚さ３ｍｍのスライス片を作製した。このスライス片をエステック製高硬度試料打抜装置CSP型で、直径７ｍｍに冷間打抜加工し、ガス分析用試料を作製した。結果を図３にまとめて示す。

各鋼塊のCeq.を（１）式に代入して求められたVcr以下の速度で冷却して得られたスライス片を打ち抜いた場合（図３中の黒塗り丸印、本発明例）では、スライス片のビッカース硬さは４００以下となり、打ち抜いた試料に割れや欠けなどは認められなかった。一方、Vcrを超える速度で冷却して得られたスライス片を打ち抜いた場合（図２中の白抜き丸印、比較例）、スライス片のビッカース硬さは４００を越え、打ち抜いた試料に割れや欠けが認められた。

Claims

溶鋼から採取し、７００〜８００℃の赤熱状態で元素分析試料調製装置に供給される鋼塊に対して、まず、分析に供しない不要な部分を切断機構により切離した後、冷却完了後の前記鋼塊の硬さがビッカース硬さで４００以下になるよう、前記鋼塊の鋼種及び化学組成の関数として冷却速度の上限Vcr[℃／秒]を決定し、前記Vcr以下に冷却速度を制御しながら、冷却機構により試料を１００℃以下に冷却することを特徴とする元素分析試料調製方法。
前記冷却速度が、（１）式で表わされるVcr[℃／秒]以下であることを特徴とする請求項１に記載の元素分析試料調製方法。
Vcr = a*exp(b*Ceq.) (1)
ここに、
Ceq.=[C]+[Si]/24+[Mn]/5+[Cr]/5+[Mo]/2.5+[Nb]/3+[V]/5+[Cu]/10+[Ni]/18 (2)
ａ＝４２０±５０
ｂ＝−６．２±０．３
である。
前記冷却速度が、前記冷却速度の上限Vcrに対して、０．８＊Vcr以上Vcr以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の元素分析試料調製方法。
溶鋼から採取された、７００〜８００℃の赤熱状態の鋼塊を受け取る受入部と、
前記鋼塊の分析に供しない不要な部分を切断する切断部と、
切断後の前記鋼塊を水冷及び／または空冷により冷却する冷却部と、
冷却完了後の前記鋼塊の硬さがビッカース硬さで４００以下となるように、前記鋼塊の鋼種及び成分予測値から、冷却速度を決定する演算部と、
切断後の前記鋼塊を７００℃から１００℃まで、前記冷却速度で冷却するように、前記冷却部を制御する制御部と、
冷却完了後の前記鋼塊を元素分析に適した性状に加工する加工部を備えたことを特徴とする元素分析用試料調製装置。
前記演算部が決定する前記冷却速度の上限が、(1)式で決定されることを特徴とする請求項４に記載の元素分析用試料調製装置。
Vcr = a*exp(b*Ceq.) (1)
ここに、
Ceq.=[C]+[Si]/24+[Mn]/5+[Cr]/5+[Mo]/2.5+[Nb]/3+[V]/5+[Cu]/10+[Ni]/18 (2) ａ＝４２０±５０
ｂ＝−６．２±０．３
である。
溶鋼から採取し、７００〜８００℃の赤熱状態で元素分析試料調製装置に供給される鋼塊に対して、前記鋼塊の温度が７００℃から１００℃まで一定の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項４または５に記載の元素分析試料調製装置。