JP2011208170A - マンガン含有低炭素鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マンガン含有低炭素鋼を真空脱炭精錬によって溶製するにあたり、マンガンの酸化ロスを抑制した状態で、マンガン源として炭素を含有するマンガン系合金鉄を使用する。
【解決手段】 ＲＨ真空脱ガス装置１の真空槽５内の溶鋼３に酸素源を供給して減圧下での脱炭精錬を行い、次いで、前記酸素源の溶鋼への供給を停止した状態で未脱酸状態の溶鋼を真空槽と取鍋２とを環流させて減圧下での脱炭精錬を行い、この脱炭精錬終了後に、真空槽内の溶鋼にＡｌを添加して脱酸処理してマンガン含有低炭素鋼を溶製する方法であって、前記の、酸素源の供給を停止した状態で行う減圧下での脱炭精錬時に、炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼に添加し、該マンガン系合金鉄中の炭素を未脱酸状態の溶鋼中の溶存酸素で酸化・除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶鋼にＲＨ真空脱ガス装置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、前記脱炭精錬期のうちの送酸脱炭精錬後の環流脱炭精錬時に、マンガン源として炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼に添加し、環流脱炭精錬期にマンガン系合金鉄中の炭素を溶鋼中溶存酸素により酸化・除去し、高価な金属マンガンの少ない使用量でマンガン含有低炭素鋼を溶製する方法に関する。

近年、鉄鋼材料は、その用途の多様化に伴い、より苛酷な環境下で使用されることが多くなり、材料特性の高性能化が従来にも増して求められている。このような状況下、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或いは自動車用鋼板などとして使用されるようになっている。

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、高炭素フェロマンガン（炭素含有量：７．５質量％以下）、中炭素フェロマンガン（炭素含有量：２．０質量％以下）、低炭素フェロマンガン（炭素含有量：１．０質量％以下）、シリコマンガン（炭素含有量：２．０質量％以下）、金属マンガン（炭素含有量：０．０１質量％以下）などが一般的であり、マンガン鉱石を除き、炭素含有量が低くなるほど高価となる。従って、製造コスト低減を目的として、安価なマンガン源である、マンガン鉱石や高炭素フェロマンガンを使用してマンガン含有鋼を溶製する方法が提案されている。尚、本発明においては、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、シリコマンガンをまとめてマンガン系合金鉄と呼ぶ。

例えば、特許文献１には、転炉から取鍋への溶鋼の出鋼時に高炭素フェロマンガンを投入して溶鋼中のマンガン成分を調整し、次いで、真空脱ガス槽内の溶鋼に酸素ガスを上吹きして溶鋼に対して脱炭精錬を行い、溶鋼中の炭素を酸化除去することによって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、炭素濃度が０．００５０質量％以下の鋼を脱ガス設備で溶製するに際し、真空脱炭精錬の２０％が経過するまでの間に、炭素含有量が０．５〜９質量％のマンガン系合金鉄を添加し、マンガン系合金鉄中の炭素を酸化・除去することによって溶鋼中のマンガン成分を調整する低炭素鋼の溶製方法が提案されている。

また、特許文献３には、転炉精錬及び真空脱ガス精錬を経て極低炭素鋼を溶製する際に、真空脱ガス精錬の脱炭精錬期の初期にマンガン調整用としてフェロマンガンを投入する溶製方法が提案されている。この場合も、フェロマンガン中の炭素は真空脱ガス精錬の脱炭精錬時に酸化・除去される。

低炭素高マンガン鋼などのマンガン含有低炭素鋼を溶製する場合も、転炉での溶銑の脱炭精錬時に転炉内にマンガン鉱石を投入してマンガン鉱石を還元したり、転炉からの出鋼時或いは真空脱ガス精錬時に高炭素フェロマンガンを溶鋼に添加したりすることによって、溶鋼中のマンガン濃度を所定値まで上昇させることは可能であるが、低炭素高マンガン鋼のようなマンガン含有量の高い溶鋼を真空脱炭精錬した場合には、酸素は溶鋼中の炭素と反応するのみならず、マンガンとも反応し、マンガンが酸化ロスしてマンガンの歩留まりが悪化するばかりでなく、溶鋼中のマンガン濃度の制御が非常に困難となる。尚、真空脱炭精錬とは、ＲＨ真空脱ガス装置などの真空脱ガス設備を用いて、減圧下で酸素ガスなどの酸素源を溶鋼に添加して脱炭する、或いは、未脱酸状態の溶鋼を高真空処理して脱炭する精錬方法である。

従って、この問題を避けるために、低炭素高マンガン鋼のようなマンガン含有低炭素鋼の溶製においては、マンガン源を真空脱炭精錬後の脱ガス処理中に添加する方法が行われており、この場合、低炭素高マンガン鋼では炭素濃度の許容範囲が低く且つ狭いこともあって、炭素含有量の少ない金属マンガンなどのマンガン源を使用せざるを得ず、これらのマンガン源は非常に高価であるため、低炭素高マンガン鋼のようなマンガン含有低炭素鋼の溶製コストの上昇を余儀無くされていた。

特開平４−８８１１４号公報 特開平１−３０１８１５号公報 特開平２−４７２１５号公報

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、低炭素高マンガン鋼を含め、マンガン含有低炭素鋼を真空脱炭精錬によって溶製するにあたり、マンガンの酸化ロスを抑制した状態で、マンガン源として炭素を含有するマンガン系合金鉄を使用することのできる、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第１の発明に係るマンガン含有低炭素鋼の溶製方法は、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内の溶鋼に酸素源を供給して減圧下での脱炭精錬を行い、次いで、前記酸素源の溶鋼への供給を停止し、酸素源の溶鋼への供給を停止した状態で未脱酸状態の溶鋼を真空槽と取鍋とを環流させて減圧下での脱炭精錬を行い、この脱炭精錬終了後に、真空槽内の溶鋼にＡｌを添加して溶鋼を脱酸処理してマンガン含有低炭素鋼を溶製する方法であって、前記の、酸素源の供給を停止した状態で行う減圧下での脱炭精錬時に、炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼に添加し、該マンガン系合金鉄中の炭素を未脱酸状態の溶鋼中の溶存酸素で酸化・除去することを特徴とする。

第２の発明に係るマンガン含有低炭素鋼の溶製方法は、第１の発明において、前記酸素源を供給して行う減圧下での脱炭精錬の終了時での溶鋼中溶存酸素濃度及び溶鋼中炭素濃度に応じて、前記マンガン系合金鉄の添加量を下記の（１）式の範囲内に調整することを特徴とする。
[%O]≧（[%C]-[%C]_f+(W×η_C×1/1000)）×4/3 …(1)
但し、（１）式において、［％Ｏ］は、酸素源を供給して行う脱炭精錬終了時の溶鋼中溶存酸素濃度（質量％）、［％Ｃ］は、酸素源を供給して行う脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度（質量％）、［Ｃ］_fは、減圧下での脱炭精錬終了時の目標溶鋼中炭素濃度（質量％）、Ｗは、炭素を含有するマンガン系合金鉄の溶鋼トンあたりの添加量（ｋｇ／ｔ）、η_Cは、炭素を含有するマンガン系合金鉄の炭素濃度（質量％）である。

本発明によれば、高炭素フェロマンガンなどの炭素を含有するマンガン系合金鉄をマンガン源として使用しても、真空脱炭精錬におけるマンガンの酸化ロスを抑制することができると同時に、マンガン系合金鉄中の炭素による溶鋼の炭素濃度ピックアップを抑制することができ、マンガン含有低炭素鋼を従来に比較して安価に溶製することが可能となる。

本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図である。 脱炭精錬前の炭素濃度と脱炭時間との関係を示す図である。

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、低炭素高マンガン鋼などのマンガン含有低炭素鋼を溶製するにあたり、マンガンの酸化ロスを抑制した状態で、マンガン源として炭素を含有するマンガン系合金鉄を使用することを検討・研究した。以下に、検討・研究結果を説明する。

ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内の溶鋼に酸素源として酸素ガスを供給して溶鋼を真空脱炭精錬する場合、マンガンを含有しない溶鋼或いはマンガンの含有量が少ない溶鋼では、供給した酸素ガスは溶鋼中に溶解する以外は主に炭素と反応するだけであるため、酸素源の供給速度を高めることによって脱炭速度を高めることができる。しかしながら、マンガン含有量の多い鋼を溶製する場合には、供給した酸素ガスは炭素以外にマンガンとも反応するため、脱炭速度を高めて脱炭を効率的に行うためには、酸素とマンガンとの反応を抑制して、酸素と炭素との反応を促進しなければならない。

高炭素フェロマンガンなどの炭素を含有するマンガン系合金鉄を、ＲＨ真空脱ガス装置にて精錬中の溶鋼に添加する場合、マンガン系合金鉄の酸化を防止する観点から、従来、真空槽内の溶鋼表面に重力による落下により添加（「上置き添加」と称する）することが一般的である。添加されたマンガン系合金鉄は溶鋼に溶解し、溶鋼のマンガン濃度及び炭素濃度を上昇させる。

本発明者らは、マンガン系合金鉄の上置き添加を伴う真空脱炭精錬時の炭素及びマンガンの挙動調査を重ねた結果、脱炭精錬の方法に応じて、脱炭反応及び脱マンガン反応の挙動が異なることを見出した。即ち、真空槽内の溶鋼に酸素ガスなどの酸素源を供給して行う真空脱炭精錬（「送酸脱炭精錬」と呼ぶ）においては、マンガン濃度が高い場合、脱炭反応と脱マンガン反応の双方の反応が進行するが、酸素ガスを含め酸素源を供給せずに未脱酸状態の溶鋼を真空槽と取鍋とを環流させ、真空槽内の高真空下での溶鋼中の溶存酸素による酸化反応で脱炭精錬を行う場合（「環流脱炭精錬」と呼ぶ）には、脱炭反応は進行するが、マンガン濃度が高い場合でも脱マンガン反応はほとんど進行しないことを見出した。これは、１６００〜１６５０℃程度の脱ガス精錬時の溶鋼温度域では、炭素の方がマンガンよりも酸素との親和力が強く、溶存酸素のみが存在し、存在する酸素が潤沢ではない場合には、炭素との反応が優先して起こるからであると考えられる。ここで、溶存酸素とは、酸化物の形態を呈さずに溶鋼中に溶解している酸素のことである。

このことから、マンガン含有低炭素鋼を溶製する際に、最初に送酸脱炭精錬を行い、次いで、環流脱炭精錬を行い、この環流脱炭精錬時に高炭素フェロマンガンなどの炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼に上置き添加することで、マンガン系合金鉄に含有されるマンガンの酸化ロスを抑制することができると同時に、マンガン系合金鉄に含有される炭素の酸化除去を推進させることができ、マンガン歩留りの向上、並びにマンガン系合金鉄中の炭素による溶鋼の炭素濃度ピックアップを抑制できることが知見された。

本発明は、上記検討・研究結果に基づきなされたもので、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内の溶鋼に酸素源を供給して減圧下での脱炭精錬を行い、次いで、前記酸素源の溶鋼への供給を停止し、酸素源の溶鋼への供給を停止した状態で未脱酸状態の溶鋼を真空槽と取鍋とを環流させて減圧下での脱炭精錬を行い、この脱炭精錬終了後に、真空槽内の溶鋼にＡｌを添加して溶鋼を脱酸処理してマンガン含有低炭素鋼を溶製するにあたり、前記の、酸素源の供給を停止した状態で行う減圧下での脱炭精錬時に、炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼に添加し、該マンガン系合金鉄中の炭素を未脱酸状態の溶鋼中の溶存酸素で酸化・除去することを特徴とする。

この場合、前記マンガン系合金鉄によって溶鋼に持ち込まれる炭素量が多くなると、溶存酸素だけでは脱炭に必要とする酸素量が不足し、目標とする炭素濃度まで脱炭できなくなるので、酸素源を供給して行う脱炭精錬、つまり送酸脱炭精錬の終了時での溶鋼中溶存酸素濃度及び溶鋼中炭素濃度に応じて、マンガン系合金鉄の添加量を、下記の（１）式の範囲内に調整することが好ましい。

即ち、溶鋼の脱炭反応は「Ｃ＋Ｏ→ＣＯ」の反応で進むことから、酸素源を供給して行う脱炭精錬の終了時での溶鋼中溶存酸素濃度が、それ以降に脱炭する予定の炭素量よりも化学当量的に多いか或いは同等となるように、炭素を含有するマンガン系合金鉄の添加量を調整することが好ましい。
[%O]≧（[%C]-[%C]_f+(W×η_C×1/1000)）×4/3 …(1)
但し、（１）式において、［％Ｏ］は、酸素源を供給して行う脱炭精錬終了時の溶鋼中溶存酸素濃度（質量％）、［％Ｃ］は、酸素源を供給して行う脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度（質量％）、［Ｃ］_fは、減圧下での脱炭精錬終了時の目標溶鋼中炭素濃度（質量％）、Ｗは、炭素を含有するマンガン系合金鉄の溶鋼トンあたりの添加量（ｋｇ／ｔ）、η_Cは、炭素を含有するマンガン系合金鉄の炭素濃度（質量％）である。

本発明においてマンガン系合金鉄と定義した合金鉄の炭素濃度は、JIS G 2301及びJIS G 2304によれば、高炭素フェロマンガンは７．５質量％以下、中炭素フェロマンガンは２．０質量％以下、低炭素フェロマンガンは１．０質量％以下、シリコマンガンは２．０質量％以下であり、従って、（１）式を算出する際には、η_Cとして、各合金鉄の製造会社から送付される化学成分値を使用すればよいが、例えば、高炭素フェロマンガンの場合は７．０質量％、中炭素フェロマンガンは２．０質量％、低炭素フェロマンガンは１．０質量％、シリコマンガンは２．０質量％としても構わない。因みに、電解マンガンの場合には、η_Cはゼロとして計算することができる。

次に、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ま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溶鋼に添加しても構わない。尚、次工程は、ＲＨ真空脱ガス装置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ＲＨ真空脱ガス装置に搬送する。

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％を越えると、次工程のＲＨ真空脱ガス装置における真空脱炭精錬に長時間を費やし、ＲＨ真空脱ガス装置の生産性の低下のみならず、真空脱炭精錬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ま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、この溶鋼に対してＲＨ真空脱ガス装置において真空脱炭精錬を実施する。図１に、本発明を実施する際に用いた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は上下移動が可能となっており、この上吹きランス１３から、酸素ガス及び酸素ガスとＡｒガスなどの不活性ガスとの混合ガスが真空槽５の内部の溶鋼３の湯面に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の環流が形成されたなら、上吹きランス１３から酸素ガス（工業用純酸素）或いは酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを真空槽内の溶鋼３に吹き付け、送酸脱炭精錬を開始する。溶鋼中の炭素と供給される酸素ガスとの反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）が生じ、溶鋼中の炭素は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に対して送酸脱炭精錬が施される。この送酸脱炭精錬の経過に伴って溶鋼中の炭素濃度は低下する。この場合に供給される酸素ガスの一部は溶鋼３に溶解して溶存酸素濃度を上昇させる。本発明においては、溶鋼中の炭素濃度が鋼材の成分規格などから定まる目標炭素濃度［Ｃ］_f（＝環流脱炭精錬後の目標炭素濃度）よりも高い時点で、上吹きランス１３からの酸素ガスの供給を停止して送酸脱炭精錬を終了し、続けて、環流脱炭精錬に移行する。

上吹きランス１３からの酸素ガスの供給が無くなることで、真空槽内の雰囲気圧力が低下して真空度が高くなり、溶鋼３は未脱酸状態であるので、高真空下の真空槽５の雰囲気に曝されることで、真空槽内において、溶鋼中の炭素と溶存酸素との反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）が生じ、溶鋼中の炭素は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に対して環流脱炭精錬が施される。

この環流脱炭精錬に移行したなら、直ちに、原料投入口１２を介して高炭素フェロマンガンなどの炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼３に添加する。このマンガン系合金鉄の添加量は、送酸脱炭精錬終了時の溶鋼中の溶存酸素濃度、炭素濃度、及び環流脱炭精錬後の目標炭素濃度（［Ｃ］_f）に照らし合わせ、上記（１）式を満足する範囲内とすることが好ましい。マンガン系合金鉄の添加時期は、マンガン系合金鉄に含有される炭素の脱炭時間を確保する観点から、環流脱炭精錬のなるべく早い時点とすることが好ましい。尚、送酸脱炭精錬終了時の溶鋼中の溶存酸素濃度は、酸素濃淡電池を利用した酸素プローブで測定でき、送酸脱炭精錬終了時の溶鋼中の炭素濃度は、溶鋼からの採取試料の化学分析や、送酸脱炭精錬開始前の溶鋼中炭素濃度と酸素ガス供給量とから算出するなどして把握することができる。

使用するマンガン系合金鉄としては、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、シリコマンガンの何れであっても構わないが、高炭素フェロマンガンが最も安価であることから、溶鋼に持ち込む炭素量に余裕のある限り、高炭素フェロマンガンを使用することが好ましい。但し、（１）式を満足させるために、高炭素フェロマンガン以外を使用することも当然起こり得る。

溶鋼３の炭素濃度が目標炭素濃度（［Ｃ］_f）以下になるまで環流脱炭精錬を継続し、溶鋼３の炭素濃度が目標炭素濃度（［Ｃ］_f）以下の所定の値になったなら、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。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、環流脱炭精錬が終了する。

環流脱炭精錬の終了後も更に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、溶鋼に対してＲＨ真空脱ガス装置での真空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、高炭素フェロマンガンなどの炭素を含有するマンガン系合金鉄をマンガン源として使用しても、真空脱炭精錬におけるマンガンの酸化ロスを抑制することができると同時に、マンガン系合金鉄中の炭素による溶鋼の炭素濃度ピックアップを抑制することができ、マンガン含有低炭素鋼を従来に比較して安価に溶製することが可能となる。

尚、上記説明では、送酸脱炭精錬における酸素源として酸素ガスを用いた例で説明したが、鉄鉱石やミルスケールなどの酸化鉄を酸素源として使用することも可能である。酸化鉄は原料投入口１２から真空槽内の溶鋼３に投入すればよい。また、酸素源として酸素ガスと酸化鉄とを併用することも可能である。

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１〜１１）を実施した。試験番号１〜３、６、８〜１１では、転炉においてマンガン源としてマンガン鉱石を添加して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。一方、試験番号４、５、７では、転炉においてマンガン鉱石を添加せず通常の脱炭精錬を行い、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、炭素が０．０３〜０．０６質量％、珪素が０．０５質量％以下、マンガンが０．１〜０．８質量％、燐が０．０３質量％以下、硫黄が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、真空脱炭精錬の条件を種々変更してマンガン含有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の溶存酸素濃度は０．０３〜０．０７質量％であった。

ＲＨ真空脱ガス装置では、環流用Ａｒガス流量を１５００ＮＬ／ｍｉｎ、送酸脱炭精錬時の真空槽内の真空度を６．７〜４０ｋＰａ、上吹きランスからの酸素ガス供給量を２０００Ｎｍ³／ｈ、送酸時の上吹きランスのランス高さ（真空槽内溶鋼湯面とランス先端との距離）は６ｍの一定とした。

真空脱炭精錬中に添加する、炭素を含有するマンガン系合金鉄としては、炭素含有量が約７質量％、マンガン含有量が約７５質量％で、粒径が５〜１０ｍｍである高炭素フェロマンガンを使用した。そして、溶製方法として、（１）高炭素フェロマンガンを真空脱炭精錬初期の送酸脱炭精錬中に添加して溶製する方法（比較例）、（２）高炭素フェロマンガンを送酸脱炭終了後の環流脱炭精錬中に添加して溶製する方法（本発明例）、（３）高炭素フェロマンガンは添加せず、真空脱炭精錬後にＡｌで脱酸してから電解マンガンを添加して溶製する方法（従来例）、の３種類の方法で実施した。また、高炭素フェロマンガンの添加だけでは溶鋼のマンガン濃度を確保できない場合には、環流脱炭精錬後のＡｌ脱酸後に、電解マンガンを添加した。高炭素フェロマンガンの添加速度は１５０〜２５０ｋｇ／ｍｉｎであり、高炭素フェロマンガンの添加量は１０００ｋｇの一定とした。

各試験において、送酸脱炭時間を変化させ、送酸脱炭終了時の溶鋼中溶存酸素濃度を変化させた。また、環流脱炭終了時の目標炭素濃度（［Ｃ］_f）は０．００２質量％とした。表１に、各試験操業における高炭素フェロマンガンの添加時期、溶鋼成分の推移、脱炭精錬時間、脱炭量、及びマンガン歩留りなどを示す。尚、表１に示す脱炭量は、ＲＨ真空脱ガス装置での精錬前の溶鋼成分値と精錬後の溶鋼成分値との差であり、添加した高炭素フェロマンガンによって溶鋼に持ち込まれた炭素は考慮していない。

表１において、試験Ｎo.１〜７は、環流脱炭精錬時に高炭素フェロマンガンを添加した試験（本発明例）であり、試験Ｎo.１〜５は、（１）式を満たす範囲で高炭素フェロマンガンを添加した例、試験Ｎo.６、７は、（１）式よりも多い量の高炭素フェロマンガンを添加した例であり、試験Ｎo.８、９は、送酸脱炭精錬時に高炭素フェロマンガンを添加した試験（比較例）、試験Ｎo.１０、１１は、真空脱炭精錬時は高炭素フェロマンガンを添加せず、真空脱炭精錬終了後のＡｌ脱酸後に電解マンガンを添加した試験（従来例）である。

表１に示すように、試験Ｎo.１〜７の本発明例では、高炭素フェロマンガンのマンガン歩留りが８４〜８６％であり、試験Ｎo.１０、１１の従来例における電解マンガンの歩留りと同等であった。つまり、環流脱炭精錬時には、高炭素フェロマンガンのマンガンの酸化が起きていないことが確認できた。これに対して、試験Ｎo.８、９の比較例では、高炭素フェロマンガンのマンガン歩留りは６８〜７０％程度であり、本発明例に比べて約１０％以上マンガン歩留りが低下した。これは、送酸中に高炭素フェロマンガンを添加したことによりマンガンが酸化したためである。

また、脱炭精錬時間に費やした時間を比較すると、図２に示すように、試験Ｎo.１〜７の本発明例では、試験Ｎo.１０、１１の従来例と同様に、脱炭精錬前の溶鋼中炭素濃度に比例して脱炭精錬時間が長くなる傾向であるが、試験Ｎo.８、９の比較例では脱炭精錬前の溶鋼中炭素濃度と関係無く、脱炭精錬時間が相対的に長くなる傾向であった。これは、試験Ｎo.８、９では、高炭素フェロマンガンによって炭素が持ち込まれ、脱炭すべき炭素量が増加したことによる。試験Ｎo.１〜７でも高炭素フェロマンガンによって炭素が溶鋼中に持ち込まれるが、試験Ｎo.１〜７の場合には、溶鋼中の溶存酸素濃度が高い状態で高炭素フェロマンガンを添加することから、一気に脱炭反応が進行し、脱炭精錬時間が延長しないと考えられる。尚、図２は、脱炭精錬前の溶鋼中炭素濃度と脱炭時間との関係を示す図であり、一般的には、脱炭精錬前の炭素濃度が高くなるほど脱炭時間は長くなる。

ＲＨ脱ガス精錬におけるマンガンの歩留りが高く且つ脱炭精錬時間が短いという点では、試験Ｎo.１０、１１の従来例と本発明例とは同等であるが、本発明例は、電解マンガンの使用量を大幅に削減でき、高価な電解マンガンのみを使用した従来例に比較して製造コストを大幅に削減することができるという経済的効果が発現する。

尚、試験Ｎo.６、７では、環流脱炭精錬前の溶鋼中溶存酸素濃度よりも脱炭すべき炭素量の方が化学量論的に多くなり、環流脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度は目標炭素濃度（［Ｃ］_f）の０．００２質量％を達成できなかったが、今回の目標炭素濃度（［Ｃ］_f）は鋼材規格よりも低く設定しており、鋼材の製品規格は満足した。但し、環流脱炭精錬を効果的に行うためには、（１）式を満足する条件で操業することが好ましいことが確認できた。

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 (2)

1. ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内の溶鋼に酸素源を供給して減圧下での脱炭精錬を行い、次いで、前記酸素源の溶鋼への供給を停止し、酸素源の溶鋼への供給を停止した状態で未脱酸状態の溶鋼を真空槽と取鍋とを環流させて減圧下での脱炭精錬を行い、この脱炭精錬終了後に、真空槽内の溶鋼にＡｌを添加して溶鋼を脱酸処理してマンガン含有低炭素鋼を溶製する方法であって、前記の、酸素源の供給を停止した状態で行う減圧下での脱炭精錬時に、炭素を含有するマンガン系合金鉄を真空槽内の溶鋼に添加し、該マンガン系合金鉄中の炭素を未脱酸状態の溶鋼中の溶存酸素で酸化・除去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。
2. 前記酸素源を供給して行う減圧下での脱炭精錬の終了時での溶鋼中溶存酸素濃度及び溶鋼中炭素濃度に応じて、前記マンガン系合金鉄の添加量を下記の（１）式の範囲内に調整することを特徴とする、請求項１に記載のマンガン含有低炭素鋼の溶製方法。
   [%O]≧（[%C]-[%C]_f+(W×η_C×1/1000)）×4/3 …(1)
   但し、（１）式において、［％Ｏ］は、酸素源を供給して行う脱炭精錬終了時の溶鋼中溶存酸素濃度（質量％）、［％Ｃ］は、酸素源を供給して行う脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度（質量％）、［Ｃ］_fは、減圧下での脱炭精錬終了時の目標溶鋼中炭素濃度（質量％）、Ｗは、炭素を含有するマンガン系合金鉄の溶鋼トンあたりの添加量（ｋｇ／ｔ）、η_Cは、炭素を含有するマンガン系合金鉄の炭素濃度（質量％）である。

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