JP5218501B2

JP5218501B2 - 溶鋼中Ａｌ濃度の制御方法

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Publication number: JP5218501B2
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Inventors: 光裕沼田
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Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2013-06-26
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Description

本発明は鋼中Ａｌ濃度が０．００１％以上０．００７％以下の低Ａｌ鋼を製造する精錬方法に関し、詳しくは精度良く短時間で溶鋼中Ａｌ濃度を制御する方法に関する。なお、本発明において、溶鋼中の合金元素の成分濃度を示す「％」は質量％を意味する。また、溶鋼中Ａｌ濃度や鋼中Ａｌ濃度の表記は、特に断らない限り「ｓｏｌ．Ａｌ濃度」を意味する。

鉄鋼精錬において広く用いられる二次精錬装置として二本の浸漬管と真空槽からとなるＲＨ式真空脱ガス装置（以下、「ＲＨ」という。）がある。このＲＨではＮ，Ｈといった脱ガスの他に脱炭処理、合金成分調整、介在物除去さらには溶鋼加熱が行われる。この溶鋼加熱は一般的に溶鋼に含有される、もしくは溶鋼に添加したＡｌと上吹きなどの方法で溶鋼に供給した酸素ガスとを反応させ、この反応で生じる反応熱を利用している。

この酸素上吹きの主な目的は温度調整にあるが、場合によって溶鋼中に過剰に存在するＡｌの低減に用いられる。例えば、転炉出鋼時のスラグ改質のためにＡｌを添加するが、この結果としての溶鋼中Ａｌ濃度が製品規格Ａｌ濃度より高くなると、ＲＨでの酸素上吹きによってＡｌ濃度を低減し、製品規格Ａｌ濃度内にＡｌ濃度を調整する。

溶鋼加熱あるいはＡｌ濃度調整の場合でも、通常、処理時間は上吹き酸素流量によって規定される。すなわち、酸素流量が大きければ、単位時間当たりのＡｌと酸素との反応量が増加し、単位時間当たりの温度上昇量とＡｌ低下量が大きくなるため、処理時間が短縮される。したがって、工業的には酸素流量は大きければ大きいほど望ましい。ただし、酸素流量を過剰に増大させると、真空槽内でのスプラッシュ多発、真空槽内溶鋼過酸化および真空槽内耐火物過熱などの問題が発生するため、これらの問題が発生しない範囲で許容される最大の酸素流量が設定される。

以上の原理によりＲＨでの酸素上吹き処理が長く行われてきたが、徐々に品質やコストに対する要求が高くなり、ＲＨでの酸素上吹き処理も技術改善が必要とされた。
例えば、特許文献１にはＡｌ濃度および環流量に応じて酸素流量を制御することでスラグ中ＦｅＯとＭｎＯの生成を抑止する清浄鋼溶製方法が、特許文献２には送酸量を制御してＡｌ濃度低減時のスラグ中Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度を３質量％未満とする方法が開示されている。さらに、特許文献３にはＡｌを含有したフラックスを吹き付けることで溶鋼の清浄性を損なうことなく加熱する方法が開示されている。

さらに、本発明者らも特許文献４にて真空槽内圧力を制御することで真空槽耐火物寿命向上を図る方法を示している。
加えて、さらに近年では鋼材や溶接性や機械特性の大幅な改善を図るため、鋼中Ａｌ濃度の低減が求められている。この要求に対し、低Ａｌ濃度溶鋼では清浄性が悪化しやすいことから、本発明者らは特許文献５にて酸素上吹き終了直前に制御されたＡｌ量を添加することで清浄性を損なうことなくＡｌ濃度を低減する方法を開示した。

以上のように、これまでの改善技術により一般的なＡｌ濃度溶鋼でも清浄性の改善が可能となり、さらに低Ａｌ濃度溶鋼においても清浄性を改善させることが可能となった。そして、これらの既存改善技術は特定因子に応じて酸素流量を制御する方法を採用するものが多かった。

一方、品質の改善は達成されたが、Ａｌ濃度、特に低濃度域でのＡｌ濃度の制御性に課題が残っていた。
要求される鋼中Ａｌ濃度が低くなれば、製品規格のＡｌ濃度の上限と下限との幅も当然狭くなる。例えば、目標Ａｌ濃度が０．０５％であれば製品Ａｌ濃度規格は０．０３％以上０．０７％以下と±０．０２％＝０．０４％の幅が許容範囲となるが、Ａｌ濃度が１／１０の０．００５％要求であれば製品Ａｌ濃度規格は０．００３％以上０．００７％以下となり、許容範囲も１／１０の０．００４％となる。

したがって、０．０１％以下の低Ａｌ濃度では０．０３〜０．０６％程度の一般的なＡｌ濃度域に比較して高いＡｌ制御精度が必要とされる。加えて、酸素流量が一定であれば、単位時間当たりの物質収支から得られるＡｌ低下量はＡｌ濃度によらず一定なので、酸素ガス停止を極めて正確に行う必要がある。

しかし、現実的には酸素ガス停止により許容範囲０．００４％でのＡｌ濃度制御を行うことは容易ではない。そのため、一旦、目標Ａｌ濃度よりもＡｌ濃度を低減した後に溶鋼中Ａｌ濃度を測定し、必要Ａｌ量を算定して溶鋼に添加するという方法が用いられている。

無論この方法は処理時間が延長されるため、生産性を極度に低下させて量産性を損なわせる。さらに、一時的に溶鋼が過剰に酸化されるため、介在物の増加を招き、品質上も好ましくない。

一方、酸素ガス供給停止により低Ａｌ濃度域でＡｌ濃度を精度良く制御する方法として酸素流量を低下させる、もしくは低Ａｌ濃度域となったと判断した時期から酸素流量を低下させる方法が考えられる。例えば、特許文献６にはＣｒ含有鋼を酸素吹精して脱炭する処理において、Ｃｒの過剰酸化を抑制するためにＣ濃度が低下した時期に酸素流量を減少させる技術が開示されている。同様の技術を適用することで、低Ａｌ濃度域でのＡｌ制御精度を改善できると考えられる。

ただし、酸素流量を低減すると単位時間当たりのＡｌ濃度低下量は減少するが、この減少量にばらつきが生じるという問題があった。

特開平９−２４４９１０号公報特開平１０−１０２１３５号公報特開２００２−３０３３０号公報特開２００６−２８３１５４号公報特開２００９−１９２２１号公報特開平９−２９６２１３号公報

本発明の目的は、上記問題を鑑み、０．００１％以上０．００７％以下の領域にＡｌ濃度を低下させるにあたり、Ａｌ濃度の制御精度を向上させる精錬方法を提案することにある。

１．溶鋼の化学組成
課題を解決するための手段を検討するに当たって、溶鋼成分をＣ：０．００１％以上０．３％以下、Ｓｉ：０．０１％以上０．７％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下、Ａｌ濃度０．０２％以上０．３％以下と限定した理由を説明する。

Ｃ：０．００１％以上０．３％以下
Ｃは特に減圧雰囲気においてＣ＋Ｏ→ＣＯ（ｇ）なる反応により溶鋼中酸素に影響する。Ｃ濃度が０．３％を超えて高いとこの反応による酸素濃度変化が大きくなり、ＡｌとＯとの反応を阻害する。このためＡｌ制御精度が低下する。よって、Ｃ濃度は０．３％以下とした。一方、Ｃ濃度が０．００１％未満となると溶鋼中酸素濃度が高くなり、Ａｌ濃度制御精度が低下する。よって、Ｃ濃度は０．００１％以上０．３％以下とした。

Ｓｉ：０．０１％以上０．７％以下
Ｓｉは脱酸剤として知られているように酸素との親和力を有する。Ｓｉ濃度が０．０１％未満となると溶鋼中酸素濃度が高くなり、Ａｌ濃度制御精度が低下する。一方、Ｓｉ濃度が０．７％を超えて高くなるとＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物が生成し、Ａｌ酸化量が変化するためＡｌ濃度制御精度が低下する。よって、Ｓｉ濃度は０．０１％以上０．７％以下とした。

Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下
ＭｎはＳｉなどと併用して脱酸剤として用いられる。Ｍｎ濃度が０．１％未満では溶鋼中酸素濃度が高くなり、Ａｌ濃度制御精度が低下する。Ｍｎ濃度が１．５％を超えて高くなるとＳｉとともにＡｌ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｏ系酸化物を生成し、Ａｌ酸化量を変化させる。よって、Ｍｎ濃度は０．１％以上１．５％以下とした。

Ａｌ：０．０２％以上０．２％以下
本発明はＡｌ濃度が例えば０．００７％以下といった低Ａｌ鋼を製造することを目的としているため、ＲＨ処理前Ａｌ濃度が低く、容易に低Ａｌ化できる条件は対象としない。よって、Ａｌ濃度は０．０２％以上とした。一方、Ａｌ濃度が０．２％を超えて高くなると生成するアルミナ量だけで約４ｋｇ／ｔｏｎとなり、ＲＨ処理中にＲＨで許容されるスラグ量を上回ってしまう場合がある。よって、０．２％以下とした。

２．鋼の化学組成
さらに下記成分に調整することにより、鋼の清浄性を向上させることができる。
本発明に係る、Ａｌ濃度０．００１％以上０．００７％以下の領域にてＡｌ濃度の制御精度を向上させる精錬方法は、次の成分を有する鋼材の製造方法として特に適している。なお、以下の鋼材の化学組成の説明における各元素の含有量を示す「％」はいずれも質量％である。

Ｃ：０．００１〜０．３％
Ｃ濃度は、前述したように、溶鋼のＡｌ濃度の制御精度向上のために、溶鋼中Ｃ濃度を規定したことによって定まる。

Ｃは、弱い脱酸作用を有する元素である。その含有量が０．００１％未満では、脱酸作用が十分でなく、予備脱酸が不安定となる。一方、Ｃの含有量が高くなると脱酸力が強くなり過ぎ、特に、０．３％を超えると、ＲＨなどの減圧反応装置ではその影響が無視できなくなって介在物制御が不安定となる。したがって、Ｃの含有量を０．００１〜０．３％とした。なお、Ｃの含有量は０．０１〜０．２５％とすることが好ましい。

Ｓｉ：０．０１〜０．７％
Ｓｉ濃度も、前述したように、溶鋼のＡｌ濃度の制御精度向上のために、溶鋼中Ｓｉ濃度を規定したことによって定まる。

Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、本発明のような低Ａｌ含有鋼の場合には、Ｓｉの含有量が０．０１％未満では十分な脱酸効果が得られず、逆に、Ｓｉの含有量が０．８％を超えると、その影響が大きくなって高ＳｉＯ_２濃度介在物となる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０１〜０．７％とした。なお、Ｓｉの含有量は０．０５〜０．３５％とすることが好ましい。

Ｍｎ：０．１〜１．５％
Ｍｎ濃度も、前述したように、溶鋼のＡｌ濃度の制御精度向上のために、溶鋼中Ｍｎ濃度を規定したことによって定まる。

Ｍｎは、強度向上作用および脱酸作用を有する。しかしながら、Ｍｎの含有量が０．１％未満では、鋼に所望の強度を具備させることができない。一方、Ｍｎの脱酸力はＳｉよりも弱いものの、Ｍｎの含有量が多くなり、特に、１．５％を超えると、脱酸反応に及ぼす影響が大きくなるので介在物中に多量のＭｎＯが生成し、清浄性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．１〜１．５％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．５〜１．３％とすることが好ましい。

ＮｉとＣｒの合計：０．０１〜１１％
ＮｉおよびＣｒは、鋼の機械的性質や耐食性を高める作用を有する。しかしながら、ＮｉとＣｒの含有量の合計で０．０１％未満の場合には効果が得られない。なお、ＮｉおよびＣｒは、脱酸作用に影響しないものの酸素活量に影響を及ぼすので、両者の含有量の合計が多くなり、特に、１１％を超えると、溶鋼中の酸素の含有量である酸素濃度が増加するため清浄性が悪化する。したがって、ＮｉとＣｒの含有量の合計を０．０１〜１１％とした。

Ａｌ：０．００１〜０．００７％
Ａｌは、脱酸作用を有する。しかしながら、Ａｌの含有量が０．００１％未満では、その効果が得られない。一方、Ａｌの含有量が高くなり、特に、０．００７％を超えると、溶接性や靱性の低下、さらには、介在物が起点となる欠陥の発生を招くことがある。したがって、Ａｌの含有量を０．００１〜０．００７％とした。なお、Ａｌの含有量は０．００４〜０．００６％とすることが好ましい。

Ｂ：０．００３５％以下
Ｂは、比較的強い脱酸力を有する元素であり、その含有量が高くなって、特に、０．００３５％を超えると、介在物形態が変化して介在物中ＳｉＯ_２濃度が過度に低下する場合がある。したがって、Ｂの含有量を０．００３５％以下とした。なお、Ｂの含有量は０．００１５％以下とすることが好ましい。

Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは、凝固過程で炭窒化物を形成する元素である。Ｎｂの含有量が高くなって、特に、０．１％を超えると、前記の介在物の個数が多くなり、清浄性の低下をきたすとともに、機械的性質の低下も招く場合がある。したがって、Ｎｂの含有量を０．１％以下とした。なお、Ｎｂの含有量は０．０５％以下とすることが好ましい。一方で、Ｎｂは結晶流微細化や析出効果の作用も有するため０．００５％以上であることが望ましい。

Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは、中心偏析しやすい元素である。その含有量が高くなり、特に、０．０１５％を超えると、中心偏析が著しくなって、機械的性質、なかでも靱性の大きな低下を招く。したがって、Ｐの含有量を０．０１５％以下とした。なお、Ｐの含有量は０．０１％以下とすることが好ましい。

Ｓ：０．００３５％以下
Ｓは、凝固過程で硫化物を形成する元素である。Ｓの含有量が高くなって、特に、０．００３５％を超えると、前記の介在物の個数が多くなり、清浄性の低下をきたすとともに、耐食性や機械的性質の低下を招く場合がある。したがって、Ｓの含有量を０．００３５％以下とした。なお、Ｓの含有量は０．００１５％以下とすることが好ましい。

上記の理由から、本発明（３）に係る高い清浄性を有する低Ａｌ含有鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＮｉとＣｒ、Ａｌ、Ｂ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓを上述した範囲で含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成であることと規定した。

本発明に係る高い清浄性を有する低Ａｌ含有鋼には、必要に応じて、上記本発明（３）におけるＦｅの一部に代えて、Ｃａ：０．００２８％以下を含有するものとすることができる。すなわち、介在物を球状化してより優れた特性を得るために、前記の量のＣａを、本発明（３）の高い清浄性を有する低Ａｌ含有鋼におけるＦｅの一部に代えて、含有してもよい。以下、このことに関して説明する。

Ｃａ：０．００２８％以下
Ｃａは、介在物を球状化する作用を有するので、この目的のために含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの含有量が多くなり、特に、０．００２８％を超えると、Ｃａ系酸硫化物が生成し、介在物個数を増加させる場合がある。

上記のＣａの効果を確実に得るためには、Ｃａの含有量を０．０００４％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合のより望ましいＣａ含有量は０．０００４〜０．００２８％である。

なお、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、ＷおよびＣｕはその含有量が、それぞれ、０．０２５％以下、０．１％以下、０．３％以下、２％以下および０．５％以下であれば、介在物組成に影響を及ぼすことがない。したがって、Ｔｉ：０．０２５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｗ：２％以下およびＣｕ：０．５％以下のうちの１種以上の元素を、上記の化学組成を有する低Ａｌ含有鋼の機械的性質や耐食性など各種特性を向上させるために含有させてもよい。

３．溶鋼中のＡｌ濃度の制御精度を向上させる手段
次に、酸素流量を低減すると単位時間当たりのＡｌ濃度低下量は減少するが、この減少量にばらつきが生じる原因について、以下のように考察した。

単純に酸素流量を低減すると、当然の事ながら上吹きランスノズルから吐出する酸素ガス噴流の速度が低下する。この速度の低下は、次の二つの現象を引き起こす。
第一は酸素ガス噴流の溶鋼表面への到達が困難になる。溶鋼処理量やＲＨ装置規模によって異なるが、ランスノズル下端と真空槽内溶鋼表面との鉛直距離は１〜４ｍとされる場合が多い。酸素ガス噴流はこの距離を直進して溶鋼表面に到達しなければならないが、噴流速度が弱くなると酸素の一部が溶鋼表面に到達する前にＲＨ真空排気系へ散逸してしまう。この結果、供給した酸素の全てが溶鋼中Ａｌと反応できなくなるため、供給した酸素に対するＡｌ濃度の低下量が変化する。

第二は溶鋼表面での酸素ガス−溶鋼間反応速度すなわち溶鋼の酸素溶解速度が変化する。噴流速度が低下する結果、溶鋼−噴流衝突面における噴流の動圧が低下する。溶鋼への酸素吸収は気相の酸素圧力に依存するため、動圧が低下すると酸素ガス吸収速度が低下する。このため、供給した酸素に対するＡｌ濃度の低下量が変化する。

以上のように、酸素流量を低減すると噴流が弱くなるため、供給酸素量に対するＡｌ低下量が変化する。この時、Ａｌ低下量の変化の再現性が高ければ、経験的に補正値を獲得できるため何ら問題ない。しかし、噴流速度低下によって誘発される諸現象は不安定であることや、低Ａｌ濃度域でのＡｌ濃度規格範囲の狭さから経験的な補正値による解決は困難である。そこで、噴流の強さを維持もしくは向上させて、低Ａｌ濃度域でのＡｌ濃度制御性を安定的に高める具体的な方法として、本発明者らは、酸素ガスに不活性ガスを混合して上吹きする方法を着想した。

この方法は以下の原理による。低Ａｌ濃度域でのＡｌ制御精度を確保するには、酸素ガスと溶鋼中Ａｌとの反応速度を低下させる必要がある。反応速度を低下させるには酸素流量(供給速度)を低下させる方法があるが、この方法は前述した課題を有する。

そこで、反応速度を低下させる他の方法を検討した結果、溶鋼への酸素吸収速度を低下させることで酸素ガスと溶鋼中Ａｌとの反応速度を低下させる方法を着想した。溶鋼への酸素吸収速度は気相中酸素分圧に依存するため、酸素分圧を制御することで反応速度を制御できる。分圧を低下させる方法は全圧である雰囲気圧力を低下させる方法と雰囲気圧力を一定として不活性ガスなどで酸素ガスを希釈する方法がある。ただし、雰囲気圧力制御には一定の時間を要することや制御精度の観点から課題があると考え、後者を採用することとした。

ところで、反応速度を低下させればＡｌ制御精度を高められるが、過剰に反応速度を低下させると処理時間が長くなる。一方で反応速度低下量が過小であれば、意図する効果が得られない。

さらに、酸素流量を一定として不活性ガスで希釈する場合、ガス総流量が増加するため、噴流による動圧が上昇して反応速度を増加させる作用が生じる。
よって、不活性ガスを用いて酸素分圧を制御することでＡｌ制御精度を向上させるには分圧と動圧という共存する逆の効果を発生させる二つの因子を考慮する必要がある。

そこで、上記の着想に係る方法の効果確認ならびに適正条件明確化のため、１．５ｔｏｎの溶鋼による次の実験を行った。
Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ濃度を前述の範囲とし、溶鋼中Ａｌ濃度を０．０２〜０．０４％としてＡｌ脱酸した溶鋼１．５ｔｏｎを１８７３Ｋに加熱した後、溶解雰囲気を４ｋＰａに減じた。その後、上吹きランスを介して酸素ガスを２５Ｎｌ／ｍｉｎで溶鋼表面に吹き付けた。上吹きした酸素量と上吹き前Ａｌ濃度とから物質収支によって推算されたＡｌ濃度が０．００５％となった時点で上吹きを停止し、溶鋼からサンプルを採取して溶鋼中Ａｌ濃度を定量した。

この実験においては、推算Ａｌ濃度が０．０１５％となった時点で上吹き酸素ガスを２５Ｎｌ／ｍｉｎで一定に保ったまま不活性ガスとしてのＡｒガスを任意の流量で混合した。なお、Ａｌ濃度が０．０１５％を超えて高い状態では既往技術で十分Ａｌ濃度を制御できるため、０．０１５％にて混合を開始した。

混合比ＲはＲ＝（酸素ガス流量）／（酸素ガス流量＋Ａｒガス流量）で定義し、Ｒの範囲を０．５以上０．９５として実験を行った。そして、前記実験と同様に推算Ａｌ濃度が０．００５％となった時点で上吹きを停止し、溶鋼からサンプルを採取して溶鋼中Ａｌ濃度を定量した。また、炉内側壁に飛散溶鋼捕集板（幅５０×高さ３００×厚さ５ｍｍ）を設置し、実験中に溶鋼から飛散する溶鋼滴を付着させた。そして、実験前後の飛散溶鋼捕集板の重量変化から上吹き中の飛散溶鋼量を算定した。

以上の実験を各４回実施し、４回の実験で得られたＡｌ濃度とＲとの関係を図１に示す。図１において、プロット（丸印）が平均値を、エラーバーは４回の実験の分布を示す。酸素のみを用いた場合は図１のｘ軸が１の場合であるが、平均値は目標Ａｌ濃度よりやや高く分布幅も非常に広い。一方、Ａｒガスを混合すると分布幅は小さくなる。このことから、溶鋼中Ａｌ濃度が０．０１５％以下の領域であっても、酸素ガスに不活性ガスを混合して上吹きすることで溶鋼中Ａｌ濃度の制御精度を高められることが解る。さらに、Ｒを０．８５以下とすることで安定した精度が得られることが解る。

Ｒ＝１とした実験での飛散溶鋼量を１として、各実験での溶鋼飛散量を規格化し、Ｒとの関係を整理した結果を図２に示す。図２から、Ｒが０．７５未満となると溶鋼飛散量が増加することが解る。Ｒが小さいことは総ガス流量が多いことを示すが、Ｒ＜０．７５ではこれによって溶鋼飛散が顕在化することが解る。

以上から、Ａｌ＜０．０１５％の状態で不活性ガスを酸素ガスに混合することでＡｌ濃度制御精度が向上すること、さらに混合比Ｒを０．７５以上０．８５以下とすることでＡｌ濃度制御精度を安定させると同時に溶鋼飛散を抑制できることが確認された。

以上の知見に基づき完成された本発明は次のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．００１％以上０．３％以下、Ｓｉ：０．０１％以上０．７％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下、Ａｌ：０．０２％以上０．２％以下の溶鋼をＲＨで真空処理するに際し、真空槽内溶鋼表面に酸素ガスを上吹きすることで溶鋼中Ａｌ濃度を低減する処理において、溶鋼中Ａｌ質量％が０．０１５％未満の状態で上吹き酸素ガス中に不活性ガスを混合することを特徴とする溶鋼中Ａｌ質量％が０．００１％以上０．００７％以下における溶鋼中Ａｌ濃度の制御方法。

（２）前記上吹き酸素ガス中に前記不活性ガスを混合することにより、前記上吹き酸素ガスの流量および前記不活性ガスの流量の総和に対する前記上吹き酸素ガスの流量の比率である上吹き混合ガス中酸素モル比を０．７５以上０．８５以下に調整する上記（１）記載の溶鋼中Ａｌ濃度の制御方法。

（３）上記（１）または（２）記載の溶鋼中Ａｌ制御方法により製造されることを特徴とする、鋼が質量％で、Ｃ：０．００１〜０．３％、Ｓｉ：０．０１〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、ＮｉとＣｒの合計：０．０１〜１１％、Ｂ：０．００３５％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３５％以下、Ａｌ：０．００１％以上０．００７％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する低Ａｌ濃度鋼の製造方法。

本発明により、低Ａｌ鋼、具体的には、溶鋼中Ａｌ濃度が０．００１％以上０．００７％以下である鋼を制御性高く生産することができる。

酸素上吹き後のＡｌ濃度と混合比Ｒとの関係を示すグラフである。規格化された溶鋼飛散量と混合比Ｒとの関係を示すグラフである。介在物中ＳｉＯ_２濃度と混合比Ｒとの関係を示すグラフである。介在物個数比率と混合比Ｒとの関係を示すグラフである。介在物個数指数と混合比Ｒとの関係を示すグラフである。

ＲＨで実施する場合を例として、本発明の形態について説明する。転炉処理終了後、溶鋼を取鍋内に出鋼し、取鍋をＲＨへ移送する。ＲＨでは脱水素などの脱ガスは必要に応じて、任意に行って良いが、合金成分などの調整は以下の様に行うことが望ましい。

本発明はＡｌ濃度を精密に制御することを目的とするため、本発明前にＡｌおよび酸化性ガスを用いた溶鋼加熱処理を実施しておくことが望ましい。
また、本発明後にＡｌ濃度の調整を実施すると本発明によるＡｌ制御効果が抑制される場合があるため、本発明後にＡｌ添加によるＡｌ濃度調整を行わないことが望ましい。

さらに、脱酸力が小さいＭｎ、Ｂ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓ、Ｐなどは本発明後または本発明前に調整してよいが、本発明実施中すなわち酸素ガス上吹き中に調整しないことが望ましい。これらの元素はＡｌに対して脱酸力は弱いが、ＲＨ真空槽内に一括で添加された際に、真空槽内で酸化する可能性があり、その酸化によってＡｌ制御精度が低下するためである。

また、Ｓｉ、Ｔｉ、ＣａやＭｇなどのアルカリ土類元素、Ｌａなどの希土類元素は本発明前に調整しておくことが望ましい。これらの元素を本発明実施後に添加すると、溶鋼中もしくはスラグ中のアルミナを還元して、溶鋼中Ａｌ濃度を増加させる可能性があり、本発明の効果を抑制する場合がある。

また、本発明の作用をさらに高めるために、本発明実施前の溶鋼中酸素濃度を０．００２５％以下としておくことが望ましい。本発明実施前の酸素濃度を抑制することで、既存の溶鋼中酸素と添加Ａｌとの反応量を小さくし、Ａｌ制御精度を向上させることができる。この酸素濃度の制御方法として、前述したＳｉ，Ｔｉ，Ｃａなどを本発明に先立って添加することが有効である。

加えて、本発明実施前の溶鋼中酸素濃度を０．００２５％以下にしておくことで、本発明実施後の溶鋼中酸素濃度も０．００２５％以下とすることができる。本発明は酸素分圧の制御により、選択的に溶鋼中Ａｌを酸化させる機能を有するため、ＳｉやＭｎの酸化を抑制しこれらの介在物生成を抑制することができる。すなわち、本発明の実施によって介在物増加による溶鋼中酸素濃度増加を抑制できる。

本発明はＡｌ濃度低減または溶鋼加熱とＡｌ濃度低減とを同時に行う場合に適用する。その処理手順の一例を以下に説明する。
迅速分析装置もしくは固体電解質溶鋼中酸素活量センサを用いて酸素ガス上吹き前のＡｌ濃度を測定する。溶鋼加熱が必要な場合は目標温度との差を測定し、必要加熱量に応じたＡｌを溶鋼に添加する。予め溶鋼に含まれていたＡｌおよび必要に応じて添加した溶鋼加熱用Ａｌの合計濃度と目標とするＡｌ濃度との差から上吹きする酸素量を決定する。ここで、本発明では酸素上吹きの途中から不活性ガスを混合するが、供給酸素量とＡｌ低下量および温度上昇量との関係は不活性ガスを混合したことにより影響を受けない。したがって、この関係は従来技術に基づく実績から決定される関係をそのまま使用すればよい。

酸素供給量が決定したら、直ちに酸素上吹きを開始する。上吹きを開始し、溶鋼中Ａｌ濃度が０．０１５％未満となった時点で本発明に従い上吹き酸素ガスに不活性ガスを混合して上吹きを続行する。不活性ガスを混合しての上吹きは、溶鋼中Ａｌ濃度が目標値となる上吹き終了まで継続する必要がある。また、不活性ガスを混合して上吹きする時間は1分以上であることが望ましい。１分以下では不活性ガス混合による制御効果が小さくなる場合がある。また、３分を超えて長い場合は効果が飽和するため３分以内であることが望ましい。

Ａｌ濃度が０．０１５％となった時点の検知方法として、実績にもとづく決定法の他、固体電解質溶鋼中酸素活量センサ測定値からＡｌ濃度を推算する方法などがある。なお、本発明では前述した既往技術からＡｌ濃度０．０１５％としているが、処理時間や溶鋼温度に余裕がある場合はこれより高いＡｌ濃度から不活性ガス混合を行っても良い。

不活性ガスの混合は速やかに完了する必要があるため、流量を自動制御により所定値に設定することが望ましい。好ましくは、不活性ガス混合導入開始から３０秒以内にガス流量を安定させることが望ましい。なお、不活性ガス混合開始から不活性ガス混合安定までの間も、溶鋼中Ａｌ濃度は低下し続けるため、溶鋼中Ａｌ濃度が０．００７％以上である状態で不活性ガス流量を安定させることがさらに望ましい。

また、本発明を適用するにおいて酸素流量も変更する必要はないが、酸素流量は０．１Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）以上０．２Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）以下が望ましく、さらに好ましくは０．１４Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）以上０．１６Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）以下である。０．１Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）未満では処理時間が長くなり、０．２Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）を超えて大きくなると単位時間当たりの温度上昇量が増加し、真空槽内耐火物に損傷を与える場合がある。

上吹き中の真空槽内雰囲気圧力は１．５ｋＰａ以上７ｋＰａ以下が望ましい。１．５ｋＰａ未満では酸素分圧が過剰に低下し、安定性を低下させる場合がある。７ｋＰａを超えて高くなると酸素分圧が過剰に高くなり、安定性を低下させる場合がある。真空槽内雰囲気圧力は４ｋＰａ〜５．５ｋＰａであることがさらに望ましく、効果がより安定する。

噴流による動圧に影響を与える因子として、一般的にノズル形状ならびにノズル下端−真空槽内溶鋼表面鉛直距離Ｈが知られている。本発明に従って酸素上吹き途中にガス総流量を変化させると噴流挙動が変化するが、本発明は不活性ガスによる酸素分圧制御が支配的であるため、噴流挙動変化の影響は無視できる。すなわち、本発明を適用するためにノズル形状ならびにＨを変更する必要はなく、ラバールノズルや先細ノズルなどいかなる形状のノズルおよびＨでよい。

ただし、ノズルは超音速が得られるノズルが望ましく、Ｈは１ｍ以上３ｍ以下が望ましく、さらに好ましくは１．５ｍ以上２．５ｍ以下である。音速または亜音速ノズルの場合、真空槽内雰囲気圧力の変動によって動圧が著しく変化する場合があるため、超音速ノズルが望ましい。また、Ｈが１ｍ未満の場合、動圧が過剰に高くなり本発明の効果が小さくなる場合がある。一方で、Ｈが３ｍを超えて高くなるとノズル先端から吐出した噴流が溶鋼表面到達前に周辺ガスを巻き込み、予期せぬ酸素分圧低下を招くことがある。さらに好ましくは１．５ｍ以上２．５ｍ以下である。

本発明に係るＡｌ制御方法は、前記した成分を有する鋼材の製造に適している。
さらに、次に記載する「高い清浄性を有する低Ａｌ含有鋼」の製造にも適している。低Ａｌ含有鋼では、本願発明者らが特許文献５において記載したように、一般に清浄度が低くなり易いという問題があった。その問題は、特許文献５に記載した方法によっても解決可能であるが、本発明の方法によっても解決することができる。

図１，２を用いて説明した上述の実験での介在物中ＳｉＯ_２濃度を図３に、図４に介在物個数比率を示す。介在物中ＳｉＯ_２濃度は、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｏの合計質量が７５％以上であって大きさ１〜１０μｍの酸化物介在物中のＳｉＯ_２濃度をＳＥＭ−ＥＰＭＡを用いて測定して得られた結果である。介在物個数比率は、光学顕微鏡を用いて直径１５ｍｍサンプルを観察し、１〜１０μｍの介在物個数に占めるＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｏの合計質量が７５％以上である酸化物介在物個数の比とした結果である。さらに、上記の光学顕微鏡で観察された１〜１０μｍの全介在物個数を、Ｒ＝０．８５のときの全介在物個数により規格化した介在物個数指数を図５に示す。

図３〜５から、不活性ガスを混合してＲを１未満とすると、介在物中ＳｉＯ_２濃度は低下し介在物個数比率は増加することが解る。また、Ｒを１未満とすると清浄性の程度を示す介在物個数指数は減少していることから、本発明に従うことで介在物を低減できることが解る。

さらに、Ｒを０．８５以下とすると、介在物中ＳｉＯ_２濃度は１〜１２％、個数比率は０．７以上となり、介在物個数指数は１未満となり安定している。つまり、請求項２を満足するとより清浄性が安定することが解る。

これは、本発明を前記した成分を有する鋼材の製造に適切に適用すれば、溶鋼中のＡｌを適量の酸素により酸化して目標Ａｌ濃度±０．００２％に速やかに低減できるため、余分な介在物を生成させることが無いことによる。

その結果、その鋼材中に含まれている１μｍ以上１０μｍ以下の介在物のうち、当該介在物を構成する全元素の質量に対するＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｏの合計質量が７５％以上、かつ、ＳｉＯ_２が１〜１２％である介在物が、個数比率で０．７以上という「高い清浄性を有する低Ａｌ含有鋼」を得ることができる。

言い換えると、その鋼材中に含まれている１μｍ以上１０μｍ以下の介在物のうち、当該介在物を構成する全元素の質量に対するＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｏの合計質量が７５％以上、かつ、ＳｉＯ_２が１〜１２％である介在物が、個数比率０．７以上である場合に、本発明に係る低Ａｌ濃度域でのＡｌ濃度制御が適切に行われ、その結果として鋼材中に含まれる介在物個数が少ない等の清浄化が達成できていたと分かる。

予め、必要に応じて溶銑脱硫および溶銑脱燐処理を行った溶銑を、２５０トン（ｔ）規模の上底吹き転炉に装入し、溶鉄中Ｃ含有率が０．０５〜０．０８％になるまで粗脱炭吹錬を行い、終点温度を１６３０〜１６９０℃として粗脱炭溶鋼を取鍋に出鋼し、出鋼時に各種脱酸剤および合金を添加して取鍋内溶鋼成分を、Ｐ＜０．０１％、Ｓ＜０．００５％、Ｍｎ＝０．５〜０．８％、Ｓｉ＝０．１〜０．３％、Ａｌ＝０．０３〜０．０５％に調整した。

取鍋をＲＨに移送後直ちに処理を環流開始し、始めにＮｉ，Ｂ，Ｔｉなどの合金元素の添加を行った。これらの合金を添加した。また、Ｓｉ，Ｍｎなどが上記範囲外となった場合はこれらを少量添加し、微調整を行った。

合金添加後に溶鋼を２分間環流させ、酸素上吹きを行い、溶鋼の加熱と溶鋼中Ａｌ濃度の調整を実施した。転炉出鋼時の溶鋼サンプルからＡｌ濃度を分析し、ＲＨに処理開始前に消耗型熱電対を用いて溶鋼温度を測定した。得られたＡｌ濃度と溶鋼温度から、必要な加熱量と加熱量に対し不足している溶鋼中Ａｌ濃度を実績に基づき算出した。

算出されたＡｌを添加し、Ａｌ添加２分後にＲＨ真空槽内に設置したストレートノズルを有したランスから酸素ガスを真空槽内溶鋼表面に吹き付けた。真空槽内溶鋼表面とノズル下端との鉛直距離は３ｍとした。なお、真空槽内雰囲気圧力は５ｋＰａ、溶鋼環流量は１００〜１２０ｔｏｎ／ｍｉｎとした。酸素流量は０．１４Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）一定とした。なお、上吹き酸素総量は酸素上吹き後の溶鋼中Ａｌ濃度が０．００４％となるように設定し、その酸素量は０．１２〜１．３６Ｎｍ^３／（溶鋼ｔｏｎ）の範囲となった。

試験結果を表１に示す。実施例１はＡｌ＝０．０１５％となった段階で混合比Ｒが請求項２のＲを満足するように自動調整にて上吹き酸素ガスにＡｒガスを混合した結果である。実施例２は請求項２のＲを満足しないがＡｒガスを混合した結果である。比較例はＡｒガスを混合しなかった計算結果である。なお、ＲＨ処理終了後にＲＨ真空槽内に付着した地金を観察し、比較例での付着量と比較して、同程度の付着の場合は○を、顕著に付着量が多い場合を×として記載した。

実施例１の試験番号１〜６から混合比Ｒを０．７５〜０．８５とすることで、Ａｌ濃度を目標０．００４％に対し０．００３９〜０．００４３と精度良く制御できることが解る。実施例２の試験番号７，８は本発明請求項２記載のＲより大きな値であるが、実施例１に比較して劣るが、比較例に対しては精度良くＡｌ濃度を制御できていることが解る。さらに、実施例２の試験番号９，１０は本発明請求項２より小さなＲであるが、Ａｌ制御精度は実施例１と同程度であるが地金付着が多い結果となった。

さらに、Ｎｉ等の成分が本発明請求項３を満足した例を実施例３試験番号１１〜１４に示す。表２中清浄度指数は以下の方法で算定した。光学顕微鏡を用いて、１０ｍｍ×１０ｍｍの資料表面を倍率４００倍で全面観察し、１μｍ以上の介在物個数を計測し、合計個数を求めた。試験番号１での合計個数を１として他の試験番号での結果を指数化して求めた。本発明請求項３を満足すると本発明請求項１、２を満足する実施例１、２に比較して清浄性が向上することが解る。また、実施例１〜３に比較して比較例は清浄性が劣る結果が得られており、本発明に従うことによりＡｌ制御精度に加えて清浄性が改善されることが解る。

以上から、本発明請求項１に従うことで低Ａｌ溶鋼を精度良く製造することができ、さらに請求項２に従うことで制御精度を安定的に高めると同時に地金付着を抑制することができる。本発明により、低Ａｌ濃度鋼を高効率、安価で大量に製造することができ、加えて清浄性向上による製品性能改善が期待される。

Claims

質量％で、Ｃ：０．００１％以上０．３％以下、Ｓｉ：０．０１％以上０．７％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下、Ａｌ：０．０２％以上０．２％以下の溶鋼をＲＨで真空処理するに際し、真空槽内溶鋼表面に酸素ガスを上吹きすることで溶鋼中Ａｌ濃度を低減する処理において、溶鋼中Ａｌ質量％が０．０１５％未満の状態で上吹き酸素ガス中に不活性ガスを混合することを特徴とする溶鋼中Ａｌ質量％が０．００１％以上０．００７％以下における溶鋼中Ａｌ濃度の制御方法。
前記上吹き酸素ガス中に前記不活性ガスを混合することにより、前記上吹き酸素ガスの流量および前記不活性ガスの流量の総和に対する前記上吹き酸素ガスの流量の比率である上吹き混合ガス中酸素モル比を０．７５以上０．８５以下に調整する請求項１記載の溶鋼中Ａｌ濃度の制御方法。
請求項１または請求項２記載の溶鋼中Ａｌ制御方法により製造されることを特徴とする、鋼が質量％で、Ｃ：０．００１〜０．３％、Ｓｉ：０．０１〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、ＮｉとＣｒの合計：０．０１〜１１％、Ｂ：０．００３５％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３５％以下、Ａｌ：０．００１％以上０．００７％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する低Ａｌ濃度鋼の製造方法。