JP5590056B2 - 清浄性の高い鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の製造段階において、製品段階で製品性能を低下させる要因となり得る粗大な非金属介在物を低減させるとともに、製品性能を向上させることができる微細な非金属介在物を増加させることができる、清浄性の高い鋼材の製造方法に関する。

鋼材中の非金属介在物（以下、「介在物」という）は、製品段階で製品性能を低下させる要因となり得ることが知られている。特に、Ａｌキルド鋼中に存在するアルミナ系酸化物は硬質であり、クラスタを形成して粗大化することもある。例えば、最も清浄性を要求される軸受鋼といった清浄鋼では、鋼材中の酸化物が破壊の起点となり、転動疲労寿命を低下させることが知られている。また、大型構造物として用いられる厚板鋼においては、粗大酸化物が溶接時の靱性を低下させる場合がある。さらに、自動車用鋼板等に使用される薄板鋼では、粗大酸化物がスラブの表層欠陥であるふくれ疵の要因となり、鋼板表面の美麗さを損なう場合もある。上記に示した以外にも、加工性、強度、寿命といった製品性能が低下することから、溶鋼段階でこれら大型介在物を低減する対策が行われている。

例えば、溶鋼中の酸化物を低減させるため、これまでに取鍋底部からの不活性ガス吹込みによる溶鋼撹拌、ＲＨ真空脱ガス装置における長時間環流処理といった技術が適用されている。

その一例として、特許文献１には、「溶鋼撹拌のみからなる非金属介在物の浮上・分離工程」を「２０ｍｉｎ以上継続して行うこと」を特徴とする高清浄度鋼の溶製方法が開示されている。この手法は生成した非金属介在物を物理的に溶鋼から除去する技術に分類できる。この技術は、介在物を効率良く凝集させて見かけの介在物径を大きくして除去速度を増大させ、かつ、長時間処理することで鋼の清浄性を向上させるものである。

また、ＲＨ真空脱ガス装置を用いた処理において、その目的の多くは溶鋼からの脱ガスであるが、溶鋼を減圧処理することで脱炭反応、またそれに伴う脱酸反応を生じさせている。すなわち、未脱酸溶鋼を減圧処理することで脱炭脱酸反応を生じさせ、極低炭素鋼を溶製している。脱炭脱酸反応はＣＯガス発生を伴うため、溶鋼からは炭素と同時に酸素も除去されることになる。ただし、脱炭を目的とする場合、多くは反応速度を高めるために溶存酸素濃度が高い状態で減圧処理し、脱炭終了後にＡｌ等により残存する溶存酸素を低減する処理を行っている。

このＲＨでの減圧処理に関して、例えば、特許文献２には、「転炉から溶鋼を末脱酸出鋼し」、「溶鋼中酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になるまで炭素含有物を溶鋼に添加し、結果として溶鋼中酸素濃度を１００ｐｐｍ以下とした後にＡｌを添加する」ことを特徴とする高清浄鋼の溶製方法が開示されている。この手法は、炭素含有物を添加することで、溶鋼中の酸素をＣＯガスとして除去し、清浄性を高める技術である。しかしながら、この技術はＲＨでのＡｌ添加時のＡｌ_２Ｏ_３生成量を低減する技術であり、Ａｌ添加後に脱炭脱酸反応を活用する技術ではない。

また、特許文献３には、「減圧処理により溶鋼を脱ガスする際、取鍋内の溶鋼にＭｇ系脱酸剤を添加し、脱酸生成物ＭｇＯを溶鋼とともに取鍋から真空容器に上昇させ、真空容器内で脱酸生成物ＭｇＯを鋼中炭素［Ｃ］と反応させ、反応生成物であるＣＯおよびＭｇガスを系外に気化分離する」ことを特徴とする技術が開示されている。この技術は、酸化物をＭｇＯ系に制御した上で、ＣＯとして脱酸して清浄性を向上させる技術である。しかしながら、この技術を用いて溶鋼を清浄化させるには大量のＭｇ系脱酸材が必要であることに加え、真空槽での処理条件が明確に示されていない。このため、たとえ脱酸生成物としてＭｇＯが生成したとしても、ＭｇＯが還元されずに溶鋼中に残存してしまう可能性がある。

一方、特許文献４には、「低炭素成分組成の溶鋼に、Ａｌ、ＲＥＭおよびＺｒを使用して複合脱酸処理を行うこと」を特徴とする、アルミナクラスターを低減した高清浄鋼の製造方法が開示されている。この手法は、生成した酸化物よりも強い脱酸元素を加えることで、生成した酸化物を還元、分解する技術に分類できる。この技術は介在物を物理的に除去する技術とは異なり、化学反応を介して介在物を低減する技術である。しかしながら、これらの強脱酸元素を添加する技術においては、クラスタを形成するアルミナ系酸化物は低減するものの、添加した強脱酸元素との酸化物に置き換わるため、強脱酸元素の添加に伴う酸化物低減効果は不十分であると考えられる。

また、粗大な酸化物は鋼材中で悪影響を及ぼす可能性がある一方、微細な酸化物を積極的に利用して鋼材の性能を向上させる技術も提案されている。
その一例として、特許文献５では、「溶鋼に脱酸剤を添加した後に、脱酸剤を添加した溶鋼よりも溶存酸素濃度が高い他の溶鋼を添加することを特徴とする溶鋼中の酸化物微細分散方法」が開示されている。この手法は、酸素供給速度を抑制しつつ、電圧印加や酸化性ガス吹込みに比べて多量の酸素を供給することにより、粗大な酸化物の生成を抑制しながら、酸化物を微細化する技術である。

しかしながら、上記特許文献１〜５に記載された発明に共通した技術的特性として、酸化物の分散量を増加させるために酸素濃度を増加させた場合、酸化物が粗大化してしまい、微細化効果が低下してしまうことがある。

特開２００１−２６２２１８号公報 特開平１０−３１７０４９号公報 特開平７−２０７３２９号公報 特開平１１−３２３４２６号公報 特開２００２−２５６３３０号公報

近年の製鋼技術の進歩に伴い、鋼材の清浄度は大幅に向上した。しかしながら、同時に製品性能の要求水準も高くなっていることから、更なる鋼材の清浄度向上が求められている。また、鋼材特性を向上させるための、酸化物微細化技術も求められている。近年、清浄鋼を溶製するにはＲＨに代表される環流型脱ガス装置を用いる場合が殆どである。これは、環流型脱ガス装置を用いることで、昇温、成分調整、介在物除去などの複数処理を同一装置で実現できるためと考えられる。しかしながら、環流型脱ガス装置を用いた溶鋼清浄化手法は既に数多く報告されており、環流処理の最適化といった従来技術の延長では大幅な清浄度向上は望めないのが現状である。

また、強脱酸元素を添加することで酸化物は微細分散できたとしても、製品性能を低下させる粗大介在物の低減との両立はできていない。強脱酸元素を利用した酸化物微細化技術に関しても、従来とは異なる切り口が必要である。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、環流型脱ガス装置を用いて、鋼材中の粗大酸化物を低減して清浄度を向上させるとともに、微細酸化物を確実に分散させる手法を提供することである。

本発明者らは、脱炭反応を積極的に活用することで、従来よりも清浄度の高い鋼が得られると考えた。すなわち、真空脱ガス装置を用いた減圧精錬において、真空槽内の溶鋼表面近傍では、下記（５）式で表される脱炭反応が生じている。自動車外装用の極低炭素鋼を溶製するにあたり、製鋼炉から未脱酸出鋼した溶鋼に対して真空脱ガス装置で減圧処理する際にこの反応を活用している。近年では、脱炭反応を活用することで、１０ｐｐｍを下回るような極低炭素鋼の溶製も可能となっている。しかしながら、炭素濃度が低下してくる脱炭末期では脱炭反応が停滞することに加え、脱炭終了後にＡｌを多量添加して脱酸した後の溶鋼では、脱炭反応が生じないことから、通常のＡｌキルドを対象に考えた場合、脱炭反応を活用することはできない。

Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ｇ） ・・・（５）
しかしながら、本発明者らは、完全にＡｌで脱酸されていない溶鋼、あるいは、一度Ａｌを添加して溶鋼を昇熱させる操作を行った状況においても、送酸によりＡｌ濃度が低減し、酸素が溶存している溶鋼では、減圧下での脱炭反応を積極的に活用できることを着想した。

すなわち、通常のＡｌキルド鋼では、減圧下であっても、溶鋼中のＡｌと溶存酸素が反応し、（６）式に示す反応式に従ってＡｌ_２Ｏ_３が生成される。Ａｌキルド鋼の平衡酸素濃度は、Ｃ脱酸における平衡酸素濃度と同水準であることから、Ａｌキルド鋼を減圧処理したとしても、Ａｌ_２Ｏ_３の生成が続き、鋼中にはＡｌ_２Ｏ_３が多量に生成していることになる。

Ａｌ_２Ｏ_３（ｓ）＝２Ａｌ＋３Ｏ ・・・（６）
一方、低Ａｌ状態での減圧処理を考えた場合、低Ａｌ状態での平衡到達酸素濃度は、減圧処理時のＣ脱酸における平衡酸素濃度よりも高く、溶鋼中の酸素濃度はＣ脱酸平衡に従って低下する。脱炭反応下での平衡酸素濃度は非常に低位であり、真空槽内は強還元状態となることから、低Ａｌ状態で減圧処理を行っている間は、溶存酸素が溶鋼中炭素と反応することで減少し、一時的にＡｌ_２Ｏ_３の生成速度が極端に低い状態が作られることになる。さらに、溶鋼中酸素濃度が低位になってくると、酸化物として懸濁したＡｌ_２Ｏ_３の分解反応が生じるようになる。

上述したように、通常のＡｌキルド鋼と脱炭反応を活用した低Ａｌ鋼を比較した場合、同じ酸素濃度の溶鋼を溶製するのであっても、溶存酸素の低減プロセスが異なり、Ａｌキルド鋼ではＡｌ_２Ｏ_３が生成されながら低減していくのに対し、低Ａｌ鋼ではＡｌ_２Ｏ_３が分解されながら低減してくことになる。このため、低Ａｌ鋼を減圧処理した場合、製品段階で同じ酸素濃度であっても、通常のＡｌキルド鋼よりも粗大な酸化物が極めて少ない、清浄度の高い鋼が得られることになる。この方法は、従来と同じ処理装置を使って溶製できることから、環流処理に伴う介在物の凝集、浮上除去といった溶鋼清浄化手法は、従来と何の変わりもなく活用できる。

また、微細酸化物を確実に得るためには、凝固段階で生成する微細酸化物を活用する手法が最適である。凝固段階で溶存酸素が高い状況を作ることができれば、凝固過程ではより多くの微細酸化物を分散できる。この手法は、溶鋼段階で酸化物を微細化する手法よりも効果が大きく、安定している。このためには、凝固段階、すなわち、溶鋼段階末期で溶存酸素濃度が高い状態を作る必要がある。

脱炭反応を活用して脱酸した溶鋼の溶存酸素濃度は、減圧精錬時の真空度に依存することになる。このため、一度高真空精錬で溶存酸素濃度を低減した後に真空槽内圧力を高めて環流させると、溶存酸素濃度はその真空度に合わせて増加することになる。この時の酸素供給源は、取鍋スラグや耐火物内壁であり、過剰な酸素供給を回避できる。溶存酸素濃度のみを高くした状態で鋳込んだ場合、凝固過程で溶鋼中に溶け切れなくなった酸素が溶鋼成分と反応して生成する、いわゆる二次脱酸生成物が大量に生成することになる。仮に、同じ減圧操作を通常のＡｌキルド鋼に適用したとしても、溶存酸素濃度はＡｌ濃度によって決まっている。Ａｌキルド鋼において、同様に真空槽内圧力を高める操作を行い、酸素濃度が増加したとしても、増加した溶存酸素とＡｌが反応してＡｌ_２Ｏ_３を形成することから、それは溶存酸素濃度ではなく、酸化物が増大することを意味する。一方、減圧処理を経ずにＡｌで弱脱酸しただけでは、溶鋼中に粗大な酸化物が多数生成してしまうことになる。

このような状況を踏まえて本発明者らが検討した結果、減圧処理を行う際、その時点でのＡｌ濃度で決まる溶存酸素濃度よりも、炭素濃度と真空槽の圧力で決まる溶存酸素濃度が低くなる条件で減圧精錬を行うことで脱炭反応が生じ、粗大な酸化物を低減できることを知見した。さらに、この状態から真空槽内圧力を高くして環流させることで、溶存酸素濃度のみを増加できることを知見した。

ＣとＡｌの酸化反応はそれぞれ（５）式、（６）式で表すことができ、それらを酸素濃度で整理すると（７）式、（８）式の形になる。（８）式で決まる酸素濃度が（７）式で決まる酸素濃度よりも低くなる条件は（９）式に示す形となる。

％Ｏ_{_Ａｌ}＝（Ｃ_{_７}（定数）／％Ａｌ^２）^^1／3 ・・・（７）
％Ｏ_{_Ｃ}＝Ｃ_{_８}（定数）×Ｐ_{_ＣＯ}／％Ｃ ・・・（８）
％Ａｌ＜Ｃ_{_９}（定数）×（％Ｃ／Ｐ）^^3／2 ・・・（９）
ここで、％Ｏ_{_Ａｌ}：Ａｌの酸化反応から求まる溶鋼中Ｏ濃度、％Ｏ_{_Ｃ}：Ｃの酸化反応から求まる溶鋼中Ｏ濃度、Ｃ_{_７}：定数、％Ａｌ：Ｓｏｌ．Ａｌ濃度、Ｃ_{_８}：定数、Ｐ_{_ＣＯ}：ＣＯ分圧、％Ｃ：Ｃ濃度、Ｃ_{_９}：定数、Ｐ：ＣＯ分圧と相関関係にある真空槽内の圧力である。

本発明者らは、上記検討を踏まえ、真空脱ガス装置で溶鋼を処理する際のＡｌ、Ｃ濃度および真空度、ならびに、その処理時間を明確化することで、本発明を完成するに至った。

本発明は、以下の通りである。
（１）製鋼炉から取鍋に出鋼した、質量％でＳｏｌ．Ａｌ：０．００５％以下、Ｓｉ：０．００５〜０．３％、Ｏ（全酸素濃度）：０．０２％以下を含有する溶鋼を、減圧清浄化処理として、環流型脱ガス装置において、（１）式を満たすＡｌ濃度、Ｃ濃度および真空槽内圧力で１０分間以上環流処理し、該還流処理中および処理後は、炭素以外の脱酸材を添加しないこと、すなわち、脱酸剤は炭素を含めて一切添加しないか、または、脱酸剤を添加するなら炭素に限ることを特徴とする、清浄性の高い鋼材の製造方法。

Ａｌ＜０．０００８×（（１０１．３２５×Ｃ）／Ｐ_{０_former}）^1.5 ・・・（１）
Ａｌ：溶鋼中Ｓｏｌ．Ａｌ濃度（ｍａｓｓ％）
Ｃ：溶鋼中Ｃ濃度（ｍａｓｓ％）
Ｐ_{０_former}：減圧清浄化処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）
（２）前記減圧清浄化処理を施した後、後環流処理として、質量％でＳｏｌ．Ａｌ：０．００５％以下、Ｓｉ：０．００５〜０．３％、Ｏ（全酸素濃度）：０．００５％以下を含有する溶鋼を、（４）式を満たす範囲の真空槽内圧力Ｐ_{０_latter}で、３分間以上環流処理し、該環流処理中および処理後は炭素以外の脱酸剤を添加しないこと、すなわち、脱酸剤は炭素を含めて一切添加しないか、または、脱酸剤を添加するなら炭素に限ることを特徴とする、請求項１に記載した清浄性の高い鋼材の製造方法。

５＜Ｐ_{０_latter}＜１５・・・・・（４）
Ｐ_{０_latter}：後環流処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）

本発明によれば、環流型脱ガス装置を用いて、鋼材中の粗大酸化物を低減して粗大な酸化物量が極めて少なく清浄度が高い鋼材を効率良く製造できるとともに、従来よりも微細酸化物を確実に分散させ微細酸化物の分散量が大きい鋼材を効率良く製造できる。このよう鋼材を溶製することで、粗大酸化物による鋼材への悪影響を低減するとともに、鋼材に、高強度化、加工性向上といった新たな付加価値を付与することができる。これらは、既存の製鋼プロセスを大きく変更することなく溶製可能であることから、製造コストの増大を抑制可能であり、本発明の社会的貢献度は非常に大きい。

図１は、本発明の範囲を示すグラフである。

１．本発明における用語の定義
「製鋼炉」とは、転炉または電気炉を指し、製鋼炉から出鋼された「溶鋼」とは、脱硫、脱りんもしくは脱炭といった一次精錬処理が実施された状態であるものとする。

「環流型脱ガス装置」とは、真空槽を要する溶鋼処理装置であって、代表的な装置としてＲＨがある。「環流処理」とは、環流型脱ガス装置を用いて、取鍋に溶鋼を受鋼している状態で、真空槽内圧力を低下させることで溶鋼を真空槽に吸い上げ、環流ガスを流すことで、溶鋼を取鍋と真空槽との間で環流させる操作を指す。環流中の溶鋼では、溶鋼が減圧雰囲気にさらされることから脱ガス反応が促進されるとともに、介在物の凝集、浮上除去が促進される。

「脱炭脱酸反応」とは、（５）式で示されるように、炭素と酸素から一酸化炭素が生成する反応を示す。
「環流時間」とは、真空脱ガス装置で溶鋼を処理するに当たり、真空槽内が所定の圧力に到達した後、環流ガスを流して、溶鋼を、真空槽内と取鍋との間で循環させている間の時間を指す。

「脱酸剤」とは、鉄以外の合金元素のうち、酸化物を形成する元素を含む金属単体もしくはその化合物を指し、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａが含まれる。
本発明において、環流脱ガス装置における精錬処理を、脱炭脱酸反応を生じさせて溶存酸素濃度を低減、並びに粗大酸化物を低減させることを目的とした「減圧清浄化処理」、溶存酸素濃度のみを増加させることを目的とした「後環流処理」と呼称する。また、減圧清浄化処理時の真空槽内圧力をＰ_{０_former}、減圧清浄化処理後、すなわち、後環流処理時の真空槽内圧力をＰ_{０_latter}と呼称する。

２．溶鋼組成
本発明を実施するに当たって、溶鋼段階の鋼に含まれる元素について説明する。以下、断りが無い限り全てｍａｓｓ％とする。

［Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．００５％以下］
本発明は、環流型脱ガス装置において、脱炭脱酸反応を活用して酸化物の分解反応を生じさせる。このため、減圧清浄化処理の前段階において、溶存酸素が完全に低減されていないことが必要である。このため、脱炭脱酸反応中は終始、溶鋼中のＳｏｌ．Ａｌ濃度は０．００５％以下である必要がある。この時、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度は低位であるほうが脱炭脱酸反応を効率的に活用できる。

減圧清浄化処理を行う前段階として、Ａｌの酸化反応を利用した溶鋼昇熱処理を実施してもよい。昇温に必要な温度が高い場合、溶鋼中のＡｌ濃度は一時的に０．００５％を超える場合もあるが、昇熱操作に伴う酸素吹きによりＡｌ濃度を０．００５％以下に制御し、脱炭脱酸反応が生じるのに必要な酸素量を確保すればよい。Ｓｏｌ．Ａｌ濃度が低い場合、溶存酸素濃度は高くなり、脱炭脱酸反応を効率的に活用できる。一方で、Ａｌを完全に低減することは困難であることから、減圧清浄化処理中および後環流中の望ましいＳｏｌ．Ａｌ濃度は、０．０００５〜０．００２０％である。

［Ｓｉ濃度：０．００５〜０．３％］
Ｓｉは、溶鋼中で脱酸元素として働き、鋼材中では焼き入れ性を高める。脱酸成分が低位過ぎると、溶鋼中酸素濃度が過度に高くなってしまう可能性があることから、Ｓｉは０．００５％以上含有されることが必要である。一方、Ｓｉが０．３％を超えて含有されると、溶存酸素濃度が低くなり過ぎ、脱炭脱酸反応が停滞する可能性がある。このことから、減圧清浄化処理中および後環流処理中は終始、Ｓｉ濃度は０．００５〜０．３％であることが必要である。

［Ｏ濃度：０．０２％以下］
Ｏは、鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素であり、溶存、もしくは酸化物として存在する。両者を明確に分離することは困難であり、かつ脱炭脱酸反応では溶存酸素とともに酸化物としての酸素も酸素源に成り得ると考えられることから、本発明でのＯ濃度は両者を合わせた全酸素濃度とする。本発明の対象鋼は清浄性の高い鋼であり、減圧清浄化処理後は脱酸材を新たに添加しなくても酸素濃度が低い状態にする必要がある。減圧清浄化処理する前の段階でＯ濃度が０．０２％を超えると、脱炭脱酸反応によって脱酸するのに長時間要し、生産性が低下することから、減圧清浄化処理する前の段階で、溶鋼中のＯ濃度は０．０２％以下であることが必要である。また、極端にＯ濃度が低い場合、脱炭脱酸反応を効率的に活用できないことから、減圧清浄化処理する前の段階ではＯ濃度が０．００３％以上であることが望ましい。

減圧清浄化処理後は、酸化物としてのＯ濃度、および溶存酸素両者ともに低いことが望ましい。このため、減圧清浄化処理後のＯ濃度は０．００５％以下であることが望ましい。一方で、二次脱酸生成物を有効活用することを考えると、溶存酸素濃度が高いことが望ましい。しかしながら、過度にＯ濃度が高くなると、鋳造時に鋳型内で溶鋼が沸き、鋳込めなくなる可能性が高くなる。このことから、後還流処理後のＯ濃度は０．００８％以下であることが望ましい。

［Ｃ濃度：０．０３〜１．２％］
Ｃは、鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素であり、脱炭脱酸反応を効率的に生じさせるためには、溶鋼中のＣ濃度が一定量以上含有されていることが望ましい。減圧清浄化処理する前の段階で０．０３％を下回ると、溶存酸素濃度が低い状況において脱炭脱酸反応が停滞することになる。脱炭脱酸反応を促進する点から、減圧清浄化処理する前の段階はＣ濃度が高いほうが望ましい。一方、製品性能の面からは、１．２％を超えてＣが含有されると過度に硬くなり過ぎることに加え、１．２％を超えてＣが含有されていても脱炭脱酸反応の効率は飽和している。このため、減圧清浄化処理する前の段階のＣ濃度は０．０３〜１．２％であることが望ましい。

［Ｍｎ濃度：０．３〜２．５％］
Ｍｎは、鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素であり、脱酸剤として有用であるとともに、鋼材中でＭｎＳを形成して赤熱脆性を防止する作用もある。左記の効果を得るにはＭｎが０．３％を超えて含有されることが望ましい。一方、Ｍｎが２．５％を超えて含有されても効果が飽和してしまうことから、減圧清浄化処理中および後環流処理中は終始Ｍｎ濃度は０．３〜２．５％であることが望ましい。

本発明で溶製する清浄性の高い鋼には、上記したＡｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｏ以外に、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．５５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物で構成される。また、上記以外に、製品に必要な機能を付加する目的で、Ｆｅの一部に換えて、さらに、Ｔｉ：０．００５％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．３％以下、Ｂ：０．００４％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｓｎ：１．０％以下、Ｍｇ：０．００２％以下、Ｃａ：０．００２％以下、Ｎ：０．０２％以下を含有させても良い。

３．溶製時の溶鋼成分測定方法
本発明において、脱炭脱酸反応を生じさせるには、脱炭脱酸反応を生じさせる前段階において、Ａｌ脱酸で決まる溶鋼中の酸素濃度よりも、溶鋼中の炭素濃度と真空槽内圧力から求まる酸素濃度が低い状態を構築する必要がある。

溶鋼中のＣ、Ｓｉ、Ａｌ濃度は、取鍋から採取したサンプルを分析することで測定できる。溶鋼中の全酸素濃度は特許第４８８８５１６号明細書（鉄鋼中酸素の分析方法）に基づき迅速分析できる。また、酸素濃淡電池を原理とする酸素濃度プローブで直接溶鋼の溶存酸素濃度を測定することができる。

所定のｓｏｌ．Ａｌ、Ｓｉ濃度を満たすように溶鋼組成が調整されている場合、減圧清浄化処理前に全酸素濃度が０．０２％以下になっていることは容易に推定可能であることから、常に全酸素濃度を確認する必要はない。また、後環流処理前は、全酸素濃度に占める酸化物としての酸素量は僅かであることから、酸素濃度プローブの測定値が０．００５％以下であれば、常に全酸素濃度を確認する必要はない。

４．処理手順
本発明において、溶鋼は製鋼炉から取鍋に出鋼された後、環流型脱ガス装置にて減圧処理される。取鍋に出鋼された後、環流型脱ガス装置まで搬送される間に、合金等を添加して成分調整してもよい。

環流型脱ガス装置にて、脱炭脱酸反応を生じさせる前段階で、Ａｌの酸化反応を利用した溶鋼昇熱処理を行ってもよい。その場合、一時的にＳｏｌ．Ａｌ濃度が０．００５％を超えてもよい。ただし、脱炭脱酸反応が生じる溶存酸素を確保し、反応中のＡｌ_２Ｏ_３生成を抑制するため、Ａｌ濃度が０．００５％以下になるまで送酸処理を行ってＡｌ濃度を低減させる必要がある。

減圧清浄化処理を行うに当たり、真空槽内圧力を低下させ、溶鋼中の酸素濃度よりも、溶鋼中の炭素濃度と真空槽内圧力から求まる酸素濃度を低い状態にすることで脱炭脱酸反応を生じさせる。溶鋼中の炭素濃度と真空槽内圧力から求まる酸素濃度は、処理温度によっても変化するが、環流型脱ガス装置での処理中の溶鋼温度では、真空槽内圧力Ｐ_{０_former}を、（１）式を満たす範囲とすることで、確実に脱炭脱酸反応を生じさせることができる。脱炭脱酸反応は、溶鋼中酸素濃度と平衡酸素濃度の差異が大きいほど効果が大きいことから、真空槽内圧力はより低位であることが望ましい。

脱炭脱酸反応は、真空槽内の溶鋼面で生じる反応であるため、脱酸効果を得るためには、ある程度の反応時間が必要である。脱酸効果を確実に得るためには、減圧清浄化処理時の環流時間が１０分間以上であることが必要である。この環流時間が１０分間より短い場合、溶存酸素濃度を十分低下させることができない。一方、環流時間が２５分間を超えても脱酸効果は既に飽和しており、これ以上の処理時間増加は処理費用の増大を招くことになるため、環流時間は２５分間以内であることが望ましい。

上記減圧清浄化処理終了時点で、溶鋼は脱炭脱酸反応により溶存酸素が低下し、溶鋼中の酸化物は還元されて粒径が小さくなっている。さらに、従来の環流操作と同様に、介在物の凝集と浮上の効果も相まって、脱炭脱酸反応を活用していない状態と比較して、溶鋼中の酸化物は低減できており、清浄性の高い状態になっている。

このとき、溶存酸素と酸化物を形成するようなＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａといった脱酸材を添加してしまうと、僅かに残存している溶存酸素と反応して粗大な酸化物を形成してしまう可能性があるため、炭素以外の脱酸材は添加してはならない。但し、炭素は、炭素を添加した場合、溶鋼中に溶解するか、ＣＯガスとして気相に排出され、粗大な酸化物は形成されないため、減圧処理中もしくは処理後であっても添加してもよい。

ここで、二次脱酸生成物を活用して鋼材の特性を向上させることを考えた場合、上記減圧清浄化処理の後、真空槽内圧力を意図的に増加させることで、溶存酸素濃度を高めることができる。

後環流処理を行うに当たり、溶鋼中Ａｌ濃度が低位である状態で、かつ、溶存酸素濃度よりも、溶鋼中の炭素濃度と真空槽内圧力から求まる酸素濃度の方が高い状態にして環流処理を行うことで、溶存酸素濃度のみを増加できる。溶鋼中の溶存酸素濃度は、処理前半の真空槽内圧力Ｐ_{０_former}と釣り合っていることから、真空槽内の圧力を高くしてＰ_{０_latter}とした場合、Ｐ_{０_latter}に見合った量の酸素が溶存酸素として溶鋼に入ることになる。この時、真空槽内圧力は（４）式を満たす範囲とすることで、確実に溶存酸素濃度を増加させることができる。

上記した操作は、ＲＨ真空脱ガス装置を用いた溶鋼処理においては、脱ガス終了後の溶鋼成分調整時などに行われてきている。しかしながら、従来は溶鋼中に脱酸元素としてＡｌやＳｉが多量添加された溶鋼を処理していたため、真空槽内圧力を高くして環流させたとしても、酸素はＡｌやＳｉの酸化に消費されるため、本発明の効果として得られる、溶存酸素のみが増加することが知見されなかったと考えられる。

溶存酸素濃度を増加させるには、（４）式に示すように、Ｐ_{０_latter}を５ｋＰａよりも高く設定する必要がある。Ｐ_{０_latter}が５ｋＰａよりも低い場合、溶存酸素濃度の上昇速度が遅く、生産性が低下してしまう。一方、真空槽内の圧力を高くして、Ｐ_{０_latter}が１５ｋＰａを超える場合、浸漬管からの溶鋼吸い上げ高さが低位となり、環流操作に支障が現れ始めることから、Ｐ_{０_latter}は１５ｋＰａ以下であることが必要である。

溶存酸素濃度を増加させる効果を確実に得るには、後環流処理時の環流時間が３分間以上であることが必要である。環流時間が３分間より短い場合、溶存酸素濃度を増加させる効果は限定的である。一方、環流時間が１０分間を超えても、効果が既に飽和していることから、これ以上の処理時間増加は処理費用の増大を招くことになる。このため、溶存酸素濃度を増加させるための環流時間は３分間以上必要であり、１０分間以内であることが望ましい。

このとき、溶存酸素と酸化物を形成するようなＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａといった脱酸材を添加してしまうと、後還流処理によって増加させた溶存酸素と反応して粗大な酸化物を形成してしまう。このため、後還流処理中もしくは処理後は、炭素を除く脱酸材は添加してはならない。炭素を添加した場合、炭素は溶鋼中に溶解するか、ＣＯガスとして気相に排出され、粗大な酸化物は形成されないため、減圧処理中であっても添加してもよい。また、溶存酸素を効率的に増加させるため、真空槽内で送酸処理を行ってもよい。この時、送酸する時期は後環流処理開始直後が良く、送酸する時間は１分間以内であることが望ましい。

５．効果の確認方法
本発明の効果を確認するため、減圧清浄化処理前、減圧清浄化処理後、加えて、溶存酸素濃度を増加させる処理を行った場合、後環流処理後の溶存酸素濃度を測定した。

また、減圧清浄化処理後および後環流処理後に採取した溶鋼のボンブサンプルの切断面を光学顕微鏡で観察し、測定視野面積２００ｍｍ^２に存在する５．０μｍ以上２０μｍ以下の酸化物の個数を調査した。酸化物とは、ＥＤＳ付属の走査電子顕微鏡で測定した際、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃａ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｍ％以上である介在物を指す。Ｓが１０ａｔｍ％以上含まれる介在物は、酸化物として計数しない。

表１に示す組成の鋼を溶製した。精錬段階において、高炉から出銑された溶銑を、溶銑予備処理で脱硫処理し、転炉型精錬容器（ＣＶ、Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）にて脱Ｐおよび脱Ｃ処理した後、取鍋に受鋼した。出鋼の際、Ｓｉ、Ｍｎを含む合金元素を添加し、保温用のカバースラグを添加した。Ｈｅａｔ７，８，２１，２２の溶鋼量は８０ｔｏｎ規模であり、その他は２５０ｔｏｎ規模である。

取鍋内の溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置にて、表２に示す条件で減圧清浄化処理を行った。Ｈｅａｔ１から６、Ｈｅａｔ１１から１５は、減圧清浄化処理後に、真空槽内圧力を高くした条件で後環流処理を行った。また、Ｈｅａｔ４，１６，１７では減圧清浄化処理末期に、Ｈｅａｔ４，５，１４，１５では後環流中に脱酸剤を添加した。この時、脱酸剤を添加してから環流時間を３分間以上確保した。さらに、Ｈｅａｔ１，３では後環流開始時に１分間以内で真空槽内で送酸処理を行った。

減圧清浄化処理前後、および、後環流処理後には酸素濃度プローブで溶鋼中酸素濃度を測定するとともに、溶鋼サンプルを採取し、迅速酸素濃度分析装置で全酸素濃度を得るとともに、化学分析に供して溶鋼成分を得た。さらに、減圧清浄化処理後に採取した溶鋼サンプルから検鏡用のミクロサンプルを切り出し、検鏡法にて５．０μｍ以上の酸化物個数を計数した。ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼温度は、Ｈｅａｔ７，８，２１，２２ではおよそ１５４０℃から１５５０℃で推移し、その他は１５５０℃から１５８０℃で推移したが、溶鋼昇熱処理直後は一時的に１６００℃を超える温度となった。ＲＨ真空脱ガス装置で処理した後は、連続鋳造法によって、スラブあるいはブルームといった半製品を得た。

減圧清浄化処理前後の本発明および比較鋼それぞれの酸素濃度および酸化物個数を表３に示す。また、図１にＣ、Ａｌ濃度および真空槽内圧力から求めた請求項１中のＡｌ濃度および（１）式が示す範囲をグラフで示す。図１のグラフの横軸は減圧清浄化処理前のＡｌ濃度、縦軸は（１）式によってＣ濃度とＰ_{０_former}から求まる値である。

図１のグラフにおいて○印は減圧清浄化処理後の酸化物個数が１０個／２００ｍｍ^２以下であったものであり、全て請求項１中のＡｌ濃度および（１）式が示す範囲内にある。図１のグラフにおいて×印で示すＡｌ濃度が０．００５％よりも高いＨｅａｔ１０，１１，１８，２１，２２では減圧清浄化処理後も酸化物個数が多く、減圧清浄化処理前Ａｌ濃度は０．００５０％以下であることが必要であることが分かる。また、同じく×印で示すＣ濃度とＰ_{０_former}から求まる値が減圧清浄化処理前Ａｌ濃度よりも低位であったＨｅａｔ９，１９では減圧清浄化処理後の酸化物個数が多く、Ｃ濃度とＰ_{０_former}から求まる値が減圧清浄化処理前Ａｌ濃度よりも高い条件で処理することが必要であることが分かる。

図１のグラフにおいて△印（Ｈｅａｔ１２，１３）のＡｌ、Ｃ、Ｐ_{０_former}は、請求項１中のＡｌ濃度および（１）式が示す範囲を満たすものの、環流時間が足りないため、減圧清浄化処理後の酸化物個数が多い。また、図１のグラフにおいて＊印（Ｈｅａｔ１６，１７）のＡｌ、Ｃ、Ｐ_{０_former}は請求項１中のＡｌ濃度および（１）式が示す範囲を満たすものの、減圧清浄化処理末期にに脱酸剤を添加したことによって酸化物個数が増加している。

さらに、図１のグラフにおいて＋印で示す減圧清浄化処理前のＳｉ濃度が本発明範囲を超える条件であったＨｅａｔ２０は、Ｓｉによって強脱酸されたことから脱炭脱酸反応が生じていないと考えられ、減圧清浄化処理後の酸化物個数が低減できていない。このため、減圧清浄化処理前Ｓｉ濃度は０．３％以下である必要がある。

表１に示したＨｅａｔ１から６およびＨｅａｔ１１から１５に対して、減圧清浄化処理後に溶存酸素濃度を増加させることを意図して後環流処理を行った。表４に後環流処理時の環流条件および処理後の酸素濃度をまとめて示す。

表４に示すように、真空槽内圧力を高くして環流することで、後環流処理後の溶存酸素濃度は、減圧清浄化処理後の溶存酸素よりも高くなっている。このため、真空槽内圧力を高くして後環流処理することで、溶存酸素濃度を高くできることが分かる。

Claims (2)

1. 製鋼炉から取鍋に出鋼した、質量％でＳｏｌ．Ａｌ：０．００５％以下、Ｓｉ：０．００５〜０．３％、Ｏ（全酸素濃度）：０．０２％以下を含有する溶鋼を、減圧清浄化処理として、環流型脱ガス装置において、（１）式を満たすＡｌ濃度、Ｃ濃度および真空槽内圧力で１０分間以上環流処理し、該還流処理中および処理後は炭素以外の脱酸材を添加しないことを特徴とする、清浄性の高い鋼材の製造方法。
   Ａｌ＜０．０００８×（（１０１．３２５×Ｃ）／Ｐ_{０_former}）^1.5 ・・・（１）
   Ａｌ：溶鋼中Ｓｏｌ．Ａｌ濃度（ｍａｓｓ％）
   Ｃ：溶鋼中Ｃ濃度（ｍａｓｓ％）
   Ｐ_{０_former}：減圧清浄化処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）
2. 前記減圧清浄化処理を施した後、後環流処理として、質量％でＳｏｌ．Ａｌ：０．００５％以下、Ｓｉ：０．００５〜０．３％、Ｏ（全酸素濃度）：０．００５％以下を含有する溶鋼を、（４）式を満たす範囲の真空槽内圧力Ｐ_{０_latter}で、３分間以上環流処理し、該環流処理中および処理後は炭素以外の脱酸剤を添加しないことを特徴とする、請求項１に記載した清浄性の高い鋼材の製造方法。
   ５＜Ｐ_{０_latter}＜１５・・・・・（４）
   Ｐ_{０_latter}：後環流処理時の真空槽内圧力（ｋＰａ）

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