JP6551626B2 - 高マンガン鋼の溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、高マンガン鋼の溶製方法に関する。

マンガンは、鋼中に添加することにより、鋼材料の強度を向上させる利点がある。また、マンガンは、不可避的不純物として鋼中に残留する硫黄と反応してＭｎＳを形成し、有害なＦｅＳの生成を防止して鋼材料における硫黄の影響を抑制するなどの利点がある。このことから、鋼材料の大半は、マンガンを含有している。近年では、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、炭素含有量が低く、マンガン含有量が高い、低炭素・高マンガン鋼が開発され、ラインパイプ用鋼板や自動車用鋼板などとして広く使用されている。

製鋼工程において、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、マンガン鉱石や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）などが一般的に用いられる。また、これらのマンガン源では、マンガン鉱石を除いて、炭素含有量が低くなるほどに高価となる。従って、製造コストの低減を目的として、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。

例えば、特許文献１には、高マンガン鋼を溶製する方法として、転炉の吹錬終了後、底吹きガスによるリンシング処理を行ってから取鍋へ出鋼する際に、炭素濃度が１．０質量％以上の高炭素フェロマンガンを投入した後にアルミニウムを投入して脱酸処理し、その後、ＲＨガス脱ガス処理を施す方法が提案されている。
また、特許文献２には、高マンガン鋼を溶製する方法として、マンガン鉱石を使用して、マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、脱炭終了後はアルミニウムによる溶鋼の脱酸処理を施さないまま溶鋼を真空脱ガス設備に搬送し、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて脱炭処理を施す溶製方法が提案されている。
さらに、特許文献３には、高マンガン鋼を溶製する方法として、マンガン濃度が８質量％以上の高Ｍｎ溶銑を、０．１質量％以下の炭素濃度になるまで減圧下で脱炭精錬する際に、精錬気体を搬送ガスとして、Ｍｎ酸化物を含有する粉体状の脱炭精錬用添加剤を溶銑に吹き付ける方法が提案されている。

特開２０１３−１１２８５５号公報 特許第４５３４７３４号公報 特開平５−１２５４２８号公報

ところで、特許文献１〜３の高マンガン鋼の溶製方法では、転炉での溶銑の脱炭吹錬時に転炉内に投入したマンガン鉱石を還元したり、転炉からの出鋼時や取鍋精錬時、真空脱ガス精錬時にマンガン源を溶鋼に添加したりすることによって溶鋼のマンガン濃度を上げている。
しかしながら、このような溶製方法において、脱炭吹錬時あるいは出鋼時にマンガン源を添加した場合、添加されたマンガン源の歩留りが低いため、多量のマンガン源を添加する必要があり、処理時間の増加とマンガンコストの増加が問題となる。また、出鋼時や取鍋精錬時、真空脱ガス精錬時にマンガン源を添加する場合、マンガン源の溶解による熱ロスが発生するため、転炉以降のプロセスにて溶鋼を昇熱させる必要が出てくる。しかし、取鍋精錬装置や真空脱ガス装置による溶鋼の昇熱処理は、転炉での昇熱処理に比べて効率が悪く処理に掛かるコストの増加が問題となる。特に、マンガン濃度が５質量％以上の高マンガン鋼では、これらの問題が顕著となる。

そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、マンガンを５質量％以上含む高マンガン鋼を溶製するに際に、高いマンガン歩留りを得ることができ、高効率で溶製をすることができる、高マンガン鋼の溶製方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、マンガンを５質量％以上含有する鋼を溶製する際に、転炉にて、溶銑に脱炭処理を施すことで、上記溶銑を炭素濃度の低い溶鋼とする脱炭工程と、この脱炭工程の後、上記転炉に収容された前記溶鋼に、マンガン源及びシリコン源を添加することで、上記溶鋼を還元処理する還元工程と、上記還元工程の後、真空脱ガス装置にて、上記溶鋼に真空脱ガス処理を行う脱ガス工程と、を備え、上記還元工程では、上記マンガン源の添加量に応じて、（１）式を満たすように上記シリコン源を添加することを特徴とする高マンガン鋼の溶製方法が提供される。

ｘ_Ｍｎ：マンガン源中のマンガン濃度（質量％）
ｘ_Ｓｉ：シリコン源中のシリコン濃度（質量％）
Ｗ_Ｍｎ：マンガン源の添加量（ｋｇ／ｔ）
Ｗ_Ｓｉ：シリコン源の添加量（ｋｇ／ｔ）

本発明の一態様によれば、マンガンを５質量％以上含む高マンガン鋼を溶製するに際に、高いマンガン歩留りを得ることができ、高効率で溶製をすることができる、高マンガン鋼の溶製方法が提供される。

本発明の一態様に係る高マンガン鋼の溶製方法を示すフローチャートである。 転炉を示す模式図である。 真空脱ガス装置を示す模式図である。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するように、本発明の実施形態を例示して多くの特定の細部について説明する。しかしながら、かかる特定の細部の説明がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、図面は、簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
＜高マンガン鋼の溶製方法＞
図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態に係る高マンガン鋼の溶製方法について説明する。本実施形態では、高炉から出銑された溶銑に対して、後述する精錬処理を施すことで、マンガンを５質量％以上含有する溶鋼である高マンガン鋼を溶製する。

まず、図１及び図２に示すように、転炉１に収容された溶銑である溶湯２（「溶鉄」ともいう。）に脱炭処理を施す脱炭工程を行う（Ｓ１００）。
溶湯２は、高炉から出銑された溶銑であり、高炉から出銑された後に溶銑鍋やトーピードカー等の溶銑を収容可能な搬送容器で次工程となる製鋼工場へと搬送される。なお、転炉１で使用される石灰源等の媒溶剤を少なくするためには、溶銑を転炉１に装入する前に、溶銑の燐濃度を低減させる脱燐処理が施されることが好ましい。脱燐処理では、溶銑搬送容器に収容された溶銑に対して、酸化鉄等の固体酸素や気体酸素といった酸素源と、石灰を含む媒溶剤とが添加され、溶銑が気体酸素や攪拌用の気体によって攪拌されることで脱燐反応が進む。なお、脱燐処理では、転炉１で使用される媒溶剤を最大限少なくするためには、溶銑の燐濃度を高マンガン鋼の最終的な成分規格の上限濃度よりも低くすることが好ましい。さらに、後工程において添加されるマンガン源からの溶銑への燐ピックアップや、スラグからの復燐による燐濃度の上昇が懸念されるため、溶銑の燐濃度が成分規格の上限値よりも０．０５ｍａｓｓ％程度低くなるまで脱燐処理を行い、その後、処理により生じたスラグを取り除く（「除滓する」ともいう。）ことがより好ましい。さらに、溶銑の燐濃度を成分規格の上限値よりも低くするためには、脱燐処理の前に脱珪処理が施され、効率的な脱燐反応を阻害する珪素を予め除去しておくことが好ましい。

脱炭工程では、脱炭処理を行う前に、搬送容器で搬送された溶銑である溶湯２を、溶銑鍋に移注した後に、一次精錬炉である転炉１に装入する。なお、溶湯２を装入する前に、鉄源となるスクラップが炉体１０に装入されてもよい。
転炉１は、慣用的な転炉設備であり、図２に示すように、炉体１０と、上吹きランス１１と、複数の底吹きノズル１２と、シュート１３とを備える。炉体１０は、上部に開口部である炉口を有する樽型または西洋梨型の精錬炉であり、内部に耐火物が設けられる。上吹きランス１１は、炉体１０の上方に配され、鉛直方向（図２の上下方向）に昇降可能に構成される。上吹きランス１１は、下端に複数のノズル孔が形成され、この複数のノズル孔から、不図示の供給設備から供給される少なくとも酸素を含む酸化性ガスを、炉体１０に収容された溶湯２に噴射する。複数の底吹きノズル１２は、炉体１０の底部に設けられ、不図示の供給装置から供給されるアルゴンや窒素等の不活性ガスである攪拌ガスを炉体１０に収容された溶湯２に吹き込むことで、溶湯２を攪拌させる。シュート１３は、炉体１０の上方に配され、石灰を含む媒溶剤や合金鉄等の各種副原料を貯蔵する不図示の複数の炉上ホッパーに接続され、各炉上ホッパーから切り出される副原料を炉体１０内部へと添加する。

脱炭工程では、底吹きノズル１２から吹き込まれる攪拌ガスで炉体１０に収容された溶湯２を攪拌させながら、上吹きランス１１から溶湯２に酸化性ガスを噴射（「送酸」ともいう。）し、溶湯２に酸素を供給することで、大気圧下で脱炭処理（「脱炭吹錬」ともいう。）を行う。脱炭吹錬では、上吹きランス１１により溶湯２に吹き込まれる酸素と、溶湯２中の炭素とが反応することで、脱炭反応が進行する。なお、高マンガン鋼の成分規格にＣｒやＮｉが含まれる場合（添加が必須である場合）には、脱炭吹錬中に、ＣｒやＮｉを含有する合金鉄等の副原料を、シュート１３を介して溶湯２に添加する。脱炭工程では、溶湯２の炭素濃度が所定の範囲となるまで脱炭吹錬が行われ、溶湯２が炭素濃度の高い溶銑から炭素濃度の低い溶鋼となる。このときの、炭素濃度の所定の範囲は、０．０５質量％以上０．２質量％以下であることが好ましい。これは、脱炭工程後の溶湯２の炭素濃度が０．０５質量％未満となる場合、溶湯２の酸素ポテンシャルが高くなり、マンガン源の歩留が低下してしまうからである。一方、脱炭工程後の溶湯２の炭素濃度が０．２質量％より大きくなる場合、二次精錬工程での脱炭処理が必要となり、処理コストが増加する。そして、溶湯２の炭素濃度が所定の範囲となると、炉体１０内への酸化性ガスの供給を停止し、脱炭工程が終了する。

脱炭工程の後、溶湯２が収容された炉体１０内に、マンガン源とシリコン源とを添加し、溶鋼である溶湯２を還元処理する還元工程を行う（Ｓ１０２）。マンガン源は、マンガンを含有する鉱石や合金、金属である。マンガン源には、例えば、マンガン鉱石や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、金属マンガン等を用いることができる。シリコン源は、シリコン（珪素）を含有する鉱石や合金、金属である。シリコン源には、例えば、フェロシリコンやシリコマンガン等を用いることができる。マンガン源及びシリコン源は、シュート１３を介して炉口から添加されてもよく、また、スクラップの装入に用いられるスクラップシュート（不図示）を用いて炉体１０の炉口から添加されてもよい。さらに、マンガン源とシリコン源とを添加する際には、複数の底吹きノズル１２から攪拌ガスを吹き込んで溶湯２を攪拌させながら添加させる。

還元工程では、高マンガン鋼の成分規格である、目標とするマンガン濃度に応じた添加量でマンガン源を添加する。つまり、マンガン源の添加量は、目標とするマンガン濃度に応じて、マンガン源のマンガン含有量や溶湯２の炭素濃度等によって決定される。この際、マンガン源の歩留りの実績が考慮されてもよい。また、還元工程では、溶湯２のマンガン濃度を目標とする濃度にする必要はなく、後述する脱ガス工程にて調整可能なように、溶湯２のマンガン濃度を目標とする濃度よりも低い濃度にしてもよい。なお、熱効率の観点からは、脱ガス工程でのマンガン源の添加量に対して、還元工程でのマンガン源の添加量をできるだけ多くすることが好ましい。さらに、処理に掛かるコストを低減する観点からは、炭素等のマンガン以外の成分調整に影響がなければ、マンガン鉱石や炭素濃度の高い安価なマンガン源をできるだけ使用することが好ましい。

シリコン源は、下記（１）式を満たす添加量で添加される。（１）式において、ｘ_Ｍｎはマンガン源中のマンガン濃度（質量％）、ｘ_Ｓｉはシリコン源中のシリコン濃度（質量％）、Ｗ_Ｍｎはマンガン源の添加量（ｋｇ／ｔ）、Ｗ_Ｓｉはシリコン源の添加量（ｋｇ／ｔ）をそれぞれ示す。つまり、シリコン源は、添加するマンガン源の添加量に応じた量だけ添加される。

また、還元工程では、マンガン源及びシリコン源を添加した後、複数の底吹きノズル１２から攪拌ガスを吹き込んで、所定の時間、溶湯２を攪拌させる。
ここで、脱炭工程後の溶湯２は酸素ポテンシャルが高いため、この溶湯２にマンガン源を添加すると、マンガン源中のマンガンは溶湯２内に歩留らずに、酸化されて酸化マンガン（ＭｎＯ）となってスラグ３に含まれる。しかし、本実施形態では、マンガン源に加えてシリコン源を添加するため、マンガン源中のマンガンや脱炭工程によって生じたスラグ３中の酸化マンガンが、下記（２）式で示される反応によって還元されることで、溶湯２のマンガン濃度が高くなる。また、シリコン源中のシリコンが優先的に酸化されることで、溶湯２の酸素ポテンシャルが下がる。これにより、マンガン源中のマンガンが溶湯２に歩留り易くなり、溶湯２のマンガン濃度が高くなる。
２（ＭｎＯ）＋［Ｓｉ］＝（ＳｉＯ_２）＋２［Ｍｎ］ ・・・（２）

さらに、還元工程では、スラグ３中のＳｉＯ_２の濃度（質量％）に対するＣａＯの濃度（質量％）の比で定義される、スラグ３の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、１．６以上２．４以上となるように、炉体１０内に石灰を添加することが好ましい。これにより、スラグ３の滓化及び下記（３）式で示される溶湯２の脱硫が促進される。
２［Ｓ］＋［Ｓｉ］＋２（ＣａＯ）＝２（ＣａＳ）＋（ＳｉＯ_２） ・・・（３）

なお、シリコン源の添加量が（１）式の範囲よりも低くなる場合、つまりシリコン源の添加量が少ない場合、酸化マンガンの還元反応が進まなくなるため、溶湯２のマンガン濃度を高くすることができなくなる。一方、シリコン源の添加量が（１）式の範囲よりも高くなる場合、つまりシリコン源の添加量が多い場合、塩基度を調整するための石灰の添加量が多くなりすぎるため、精錬処理に掛かるコストが嵩む。また、シリコン源の添加量が多い場合、溶湯２のシリコン濃度が高くなり、成分規格値の上限を超える可能性がある。このような場合、次工程において溶湯２のシリコン濃度を低減させる脱シリコン処理を行う必要が生じるため、好ましくない。

さらに、還元工程では、還元処理が終了すると、炉体１０の溶湯２を取鍋に移注（「出鋼」ともいう。）する。この際、予め、溶湯１ｔ当たりに対する量で、５ｋｇ／ｔ以上１０ｋｇ／ｔ以下の石灰を取鍋内に前置きすることが好ましい。取鍋に石灰を前置きすることで、出鋼時の白煙の発生を防止するとともに、スラグ３からの復硫による溶湯２の硫黄濃度の上昇を抑えることができる。

還元工程の後、真空脱ガス装置５にて溶鋼である溶湯２に、真空脱ガス処理を施す脱ガス工程を行う（Ｓ１０４）。真空脱ガス装置５は、ＶＯＤ方式の脱ガス装置であり、取鍋４に収容された溶湯２を、減圧下で攪拌処理することで脱ガス処理を施す。真空脱ガス装置５は、真空槽５０と、排気管５１と、攪拌ガス供給経路５２と、上吹きランス５３と、供給口５４とを有する。真空槽５０は、取鍋４を内部に収容可能な容器であり、取鍋４を内部に出し入れ可能なように着脱式の上蓋５００を有する。排気管５１は、真空槽５０の側面に設けられ、不図示の排気装置に接続される。攪拌ガス供給経路５２は、真空槽５０の外部から内部に配され、真空槽５０の内部側の先端が取鍋４の吹き込み口４０に接続される。また、攪拌ガス供給経路５２は、真空槽５０の内部側の先端が不図示の攪拌ガス供給装置に接続され、攪拌ガス供給装置から供給されるアルゴンガスなどの攪拌ガスを取鍋４の吹き込み口４０に供給する。上吹きランス５３は、上蓋５００の中央に挿通して、鉛直方向（図３の上下方向）に昇降可能に構成される。また、上吹きランス５３は、下端にノズル孔が形成され、不図示の供給設備から供給される少なくとも酸素を含む酸化性ガスをノズル孔から、取鍋４に収容された溶湯２に酸化性ガスを噴射する。供給口５４は、上蓋５００に形成され、石灰を含む媒溶剤や合金鉄等の各種副原料を貯蔵する不図示の複数の炉上ホッパーに接続され、各炉上ホッパーから切り出される副原料を取鍋４に収容された溶湯２へと添加する投入口である。

脱ガス工程では、取鍋４を真空槽５０内に収容した後、吹き込み口４０から攪拌ガスを吹き込むことで溶湯２を攪拌させながら、排気装置を用いて排気管５１から排気を行い、真空槽５０内を減圧することで真空脱ガス処理を行う。このような真空脱ガス処理をすることで、溶湯２中のガス成分（窒素や水素等）の除去や、溶湯２の成分の均一化、溶湯２の介在物等の除去、溶湯２の温度の調整等を行う。また、脱ガス工程では、真空脱ガス処理を行う際に、真空脱ガス処理の処理前あるいは処理途中の溶湯２の成分に応じて、目標とする成分範囲になるように、成分調整用の副原料を、供給口５４を通じて溶湯２に添加する。この際、真空脱ガス処理前の溶湯２のマンガン濃度が目標濃度よりも低い場合には、金属マンガンや高炭素フェロマンガン、低炭素フェロマンガン等のマンガン源を、成分調整のために必要な量だけ溶湯２に添加する。また、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃａ、Ｂ等の成分調整が必要な場合には、各成分を含有する副原料を溶湯２に添加する。さらに、脱硫等を目的に、ＣａＯ含有物質やＭｇＯ含有物質、アルミニウム含有物質、Ａｌ_２Ｏ_３含有物質、ＳｉＯ_２含有物質等の、スラグ３の組成の調整や脱硫反応の促進に用いられる副原料を溶湯２に添加してもよい。

また、脱ガス工程では、下記（４）式で示される攪拌動力ε（Ｗ／ｔ）が、３００Ｗ／ｔ以上、１３００Ｗ／ｔ以下となる条件で溶湯２を攪拌することが好ましい。攪拌動力εが３００Ｗ／ｔ未満となる場合、攪拌力が小さくなるため、脱窒処理や脱水素処理に時間を要し、真空脱ガス処理の処理時間が延長するため好ましくない。また、攪拌動力εが１３００Ｗ／ｔよりも大きい場合、溶湯２へのスラグ３の巻き込み量が多くなり、スラグ系介在物に起因した不良率が増加するため好ましくない。なお、（４）式において、Ｑ_ｎは攪拌ガスの流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）、Ｔ_ｌは溶湯２の温度（Ｋ）、Ｗ_ｍは溶湯２の重量（ｔ）、ρ_ｌは溶湯２の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｈは取鍋４内の溶湯２の深さである湯面高さ（ｍ）、Ｐ_１は雰囲気圧力（Ｔｏｒｒ）、ηはエネルギー伝達効率（−）、Ｔ_ｎは攪拌ガスの温度（Ｋ）をそれぞれ示す。また、１Ｔｏｒｒは（１０１３２５／７６０）Ｐａである。

さらに、脱ガス工程では、溶湯２の温度が脱ガス工程終了後の目標とする温度よりも低い場合には、真空脱ガス処理中に溶湯２の温度を上げる昇温処理を行ってもよい。昇温処理では、供給口５４から溶湯２にアルミニウムを添加した後、上吹きランス５３から酸素を含有した酸化性ガスを溶湯２に噴射する。これにより、溶湯２内のアルミニウムと、酸化性ガスの酸素とが反応することで、溶湯２の温度を上昇させることができる。なお、昇温処理では、（５）式及び（６）式から計算される、上吹きランス５３から噴射される酸化性ガスの噴流の動圧Ｐ（ｋＰａ）を、１０ｋＰａ以上、５０ｋＰａ以下となるように制御することが好ましい。動圧Ｐを上記範囲に制御することで、溶湯２からのマンガンの蒸発を最低限に抑えながらも、効率よく溶湯２を昇熱させることができる。なお、（５）式において、ρ_ｇは酸化性ガスの密度（ｋｇ／Ｎｍ^３）、Ｕは上吹きランス５３のノズルから噴出される酸化性ガスのノズル先端での流速（ｍ／ｓｅｃ）をそれぞれ示す。また、（６）式において、Ｆは酸化性ガスの流量（Ｎｍ^３／ｈ）、Ｓは上吹きランス５３のノズルの断面積（ｍ^２）を示す。

脱ガス工程を経ることで、目標とする所定の成分濃度の溶鋼が溶製される。なお、脱ガス工程の後は、溶製された溶鋼を連続鋳造することで、スラブ等の所定の形状の高マンガン鋼の鋳片が製造される。

＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。

例えば、上記実施形態では、真空脱ガス装置５がＶＯＤ方式の精錬装置としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、真空脱ガス装置５は、ＲＨ方式の脱ガス装置やＤＨ方式の脱ガス装置であってもよい。なお、真空脱ガス装置がＲＨ方式の脱ガス装置である場合、マンガンの蒸発を抑えるため、真空槽の槽内空間圧力が５０Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒとなる条件において、下記（７）式で示される溶鋼の還流量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）を１５０ｔ／ｍｉｎ以上、２００ｔ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。なお、溶鋼の脱窒素や脱水素が必要な場合には、５０Ｔｏｒｒ未満の槽内空間圧力で処理を行ってもよいが、脱窒素及び脱水素後は５０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下の槽内空間圧力で処理を行うことが好ましい。（７）式において、Ｋは定数、Ｇは浸漬管から吹き込む環流用の吹込みガスの流量（ＮＬ／ｍｉｎ）、Ｄは浸漬管の内径（ｍ）、Ｐ_２は外部圧力（Ｔｏｒｒ）、Ｐ_３は真空槽の槽内空間圧力（Ｔｏｒｒ）をそれぞれ示す。

また、上記実施形態では、転炉１で製造された溶鋼である溶湯２のみを、真空脱ガス装置５で処理する溶湯２として用いるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、転炉１で製造された溶鋼に、別の精錬炉で溶製した溶鋼を合わせた合わせ湯を、真空脱ガス装置５で処理する溶湯２として用いてもよい。この場合、別の精錬炉で溶製した溶鋼のマンガン濃度を高くすることで、転炉１で製造される溶鋼のマンガン濃度を低くすることができる。

さらに、上記実施形態では、還元工程には、マンガン源及びシリコン源を添加した後、複数の底吹きノズル１２から攪拌ガスを吹き込んで、所定の時間、溶湯２を攪拌させるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。還元工程では、撹拌ガスの吹き込みに加えて、上吹きランス１１からの酸化性ガスを噴射してもよい。特に、溶湯２の温度を上昇させる必要がある場合には、酸化性ガスによる酸化反応によって昇熱処理を行ってもよい。

さらに、上記実施形態では、脱炭処理の前に溶銑に脱燐処理を施すとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、脱炭処理の前に、脱燐処理に加えて、溶銑中の硫黄濃度を低減する脱硫処理が行われてもよい。脱硫処理は、設備構成に応じて、脱燐処理の前あるいは脱燐処理の後に行われてもよい。
さらに、上記実施形態では、溶銑搬送容器に収容された溶銑に対して脱燐処理を施すとしたが、本発明はかかる例に限定されない。脱燐処理は、例えば、転炉型精錬炉に収容された溶銑に対して、上吹きランスから酸化性ガスを噴射することで処理を行う方法であってもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係る高マンガン鋼の溶製方法は、マンガンを５質量％以上含有する鋼を溶製する際に、転炉１にて、溶銑（溶湯２）に脱炭処理を施すことで、溶銑を炭素濃度の低い溶鋼（溶湯２）とする脱炭工程（ステップＳ１００）と、脱炭工程の後、転炉１に収容された溶鋼に、マンガン源及びシリコン源を添加することで、溶鋼を還元処理する還元工程（ステップＳ１０２）と、還元工程の後、真空脱ガス装置５にて、溶鋼に真空脱ガス処理を行う脱ガス工程（ステップＳ１０４）と、を備え、還元工程では、目標とする鋼のマンガン濃度に応じてマンガン源を添加し、（１）式を満たすようにシリコン源を添加する。

上記（１）の構成によれば、（２）式の還元反応を促進させることができるため、添加されたマンガン源中のマンガンが溶湯２中に歩留り易くなる。また、マンガン源の添加を転炉１内で行うため、マンガン源の添加による熱ロス（溶湯２の温度の低下）を抑えることができる。さらに、マンガン源の添加後に、転炉１内で溶湯２を昇熱処理することができるため、効率よく昇熱処理を行うことができる。さらに、還元反応の促進に十分な量以上の過剰なシリコン源の添加を抑えることができ、脱ガス工程において脱シリコン処理をする必要がなくなるため、短い処理時間で効率よく脱ガス処理を行うことができる。脱ガス処理時間が長くなると、処理に係るコストが増大することに加え、生産能率の低下することとなる。つまり、上記（１）の構成によれば、マンガンを５質量％以上含む高マンガン鋼を溶製するに際に、高いマンガン歩留りを得ることができ、高効率で高マンガン鋼を溶製することができる。

（２）上記（１）の構成において、真空脱ガス装置５として、溶鋼を収容する取鍋の底から攪拌ガスを吹き込むことで溶鋼を攪拌する装置を用い、脱ガス工程では、（４）式で示される攪拌動力εが、３００Ｗ／ｔ以上、１３００Ｗ／ｔ以下となる条件で、溶鋼を攪拌しながら真空脱ガス処理を行う。
上記（２）の構成によれば、脱窒処理や脱水素処理に要する時間を短くすることができ、さらに溶湯２へのスラグ３の巻き込みを抑えることができる。このため、真空脱ガス処理の処理時間を短くするができる。

次に、本発明者らが行った実施例１について説明する。実施例１では、高炉から出銑された溶銑に対して、脱珪処理及び脱燐処理の溶銑予備処理を施し、燐濃度を０．０１０質量％とした。この溶銑に対して、上記実施形態と同様に、脱炭工程、還元工程及び脱ガス工程を行うことで、マンガン濃度が５質量％以上の高マンガン鋼を溶製した。なお、溶製された高マンガン鋼の成分は、炭素濃度：０．１４５質量％以上０．１５５質量％以下、マンガン濃度：２４質量％以上２５質量％以下、シリコン濃度：０．１質量％以上０．２質量％以下、硫黄濃度：０．００２質量％以下、窒素濃度：１００ｐｐｍ以下、水素濃度：５ｐｐｍ以下であった。

脱炭工程では、上記実施形態と同様に、溶銑予備処理を施した溶銑である溶湯２に脱炭処理を施し、炭素濃度が０．０５質量％になるまで脱炭吹錬を施し溶鋼とした。
還元工程では、脱炭処理を施した溶鋼である溶湯２に、高炭素フェロマンガンと金属マンガンとをマンガン源として添加し、フェロシリコンをシリコン源として添加した。そして、攪拌ガスで溶湯２を攪拌させながら、さらに上吹きランス１１からの送酸を継続して行い還元処理を施すことで、マンガン源を溶解させ、溶湯２のマンガン濃度を上昇させた。シリコン源の添加量は、（１）式を満たすものとした。また、還元工程では、マンガン源と共に、石灰を添加した。還元処理終了時の溶湯２のマンガン濃度は、およそ２４質量％であった。さらに、還元工程では、転炉１から取鍋４へ溶湯２を移注（出鋼）する際、出鋼される溶湯２に対して、金属アルミニウムを溶鋼１トン当たりに約０．８ｋｇ添加した。

脱ガス工程では、還元工程を経た１５０トンの溶鋼である溶湯２に対して、上記実施形態と同様に、ＶＯＤ方式の真空脱ガス装置５を用いて脱ガス処理を行った。脱ガス工程では、取鍋４の吹き込み口４０から、２０００Ｎｌ／ｍｉｎの流量のＡｒガスを溶湯２に吹き込み攪拌させながら、真空槽５０の槽内空間圧力を２Ｔｏｒｒにして脱ガス処理を行った。また、脱ガス工程では、脱ガス処理中に、溶湯２に金属マンガン及び高炭素フェロマンガンを添加し成分調整を行った。

また、実施例１では、比較として、還元工程においてシリコン源の添加量が（１）式を満たさない条件でも高マンガン鋼の溶製を行った（比較例１）。なお、比較例１では、還元工程におけるシリコン源の添加量以外の条件については、実施例１と同様とした。
表１に実施例１の結果として、還元工程におけるシリコン源の添加量、Ｍｎ歩留り、出鋼時の溶湯２のシリコン濃度及び脱ガス工程における脱ガス処理に要した時間を示す。なお、表１において、０．０１３×Ｗ_Ｍｎ×ｘ_Ｍｎ／ｘ_Ｓｉは（１）式に示す範囲の下限値、０．１５０×Ｗ_Ｍｎ×ｘ_Ｍｎ／ｘ_Ｓｉは（１）式に示す範囲の上限値をそれぞれ示す。表１に示すように、実施例１では、シリコン源の添加量Ｗ_Ｓｉが（１）式の範囲内となる実施例１−１〜１−６の６条件、及びシリコン源の添加量Ｗ_Ｓｉが（１）式の範囲外となる比較例１−１〜１−４の４条件の計１０条件で高マンガン鋼を溶製した。また、表１におけるＭｎ歩留りは、還元工程において用いられたマンガン源に含まれるマンガンが溶湯２にどれだけ添加されたか、つまり、マンガン源に含まれるマンガン分が、還元工程前後での溶湯２のマンガン濃度の増加にどれだけ寄与したかを示すものである。

表１に示すように、比較例１−１，１−２の条件では、他の条件に比べてマンガン歩留りが４６％以下と低位となった。これは、シリコン源の添加量が少なかったために、（２）式で示されるスラグ３の還元反応が十分に進行しなかったことが原因であると考えられる。比較例１−１，１−２では、Ｍｎ歩留りが低かったため、脱ガス工程においてシリコン源を添加して還元処理を行い、その後成分及び温度の調整を行う必要があり、脱ガス工程に要した時間が実施例１−１〜１−６に比べ長くなった。

また、比較例１−３，１−４の条件では、マンガン歩留りは高くなったものの、出鋼時のシリコン濃度が規格上限値である０．２０質量％を超えてしまった。これは、（２）式で示されるスラグ３の還元反応や（３）式で示される脱硫反応で消費される量以上のシリコンが溶湯２に供給されたためであると考えられる。比較例１−３，１−４では、出鋼時のシリコン濃度が高かったため、脱ガス処理工程において脱シリコン処理を行う必要があり、脱ガス工程に要した時間が実施例１−１〜１−６に比べ長くなった。なお、脱シリコン処理では、上吹きランス５３から酸化性ガスを溶湯２に噴射することで、溶湯２に含まれるシリコンが酸化除去される。
一方、実施例１−１〜１−６の条件では、還元工程において高いマンガン歩留りを得られ、さらに必要以上にシリコン源が添加されなかったことで出鋼時のシリコン濃度を低くすることができた。このため、脱ガス工程に要する時間を短くすることができた。

次に、本発明者らが行った実施例２について説明する。実施例２では、実施例１−４と同様な溶製方法で、脱ガス工程での攪拌動力εを変更した複数の条件で高マンガン鋼の溶製を行った。なお、溶製された高マンガン鋼の成分は、炭素濃度：０．１４５質量％以上０．１５５質量％以下、マンガン濃度：２４質量％以上２５質量％以下、シリコン濃度：０．１質量％以上０．２質量％以下、硫黄濃度：０．００２質量％以下、窒素濃度：１００ｐｐｍ以下、水素濃度：５ｐｐｍ以下であった。

具体的には、脱炭工程として、実施例１−４と同様に、転炉１にて溶銑予備処理を施した溶銑である溶湯２に脱炭処理を施し、炭素濃度が０．０５質量％になるまで脱炭吹錬を施し溶鋼とした。次いで、還元工程として、実施例１−４と同様に、３５ｋｇ／ｔのシリコン源を添加して溶湯２に還元処理を施した。還元処理終了時の溶湯２のマンガン濃度は、およそ２４質量％であった。さらに、脱ガス工程として、実施例１−４と同様に、真空脱ガス装置５にて溶湯２に脱ガス処理を施した。脱ガス工程では、取鍋４の吹き込み口４０から吹き込むＡｒガスの流量を調整することで、攪拌動力εを任意に変更した複数の条件で脱ガス処理を行った。

表２に実施例２の結果として、還元工程におけるシリコン源の添加量、Ｍｎ歩留り、出鋼時の溶湯２のシリコン濃度、脱ガス工程における攪拌動力及び脱ガス工程における脱ガス処理に要した時間を示す。表２に示すように、実施例２では、脱ガス工程における攪拌動力が異なる実施例２−１〜２−１０の１０条件で高マンガン鋼を溶製した。なお、実施例１−４における脱ガス工程での攪拌動力εは、実施例２−１に相当する。また、実施例２−１〜２−１０において、上記以外の溶製条件については、実施例１−４と同じとした。

表２に示すように、攪拌動力εが３００Ｗ／ｔ以上、１３００Ｗ／ｔ以下となる実施例２−３〜２−８の条件では、攪拌動力εが３００Ｗ／ｔ未満となる実施例２−１，２−２や攪拌動力εが１３００Ｗ／ｔ超となる実施例２−９，２−１０に比べ、脱ガス処理に要する時間が短くなることが確認できた。これは、溶湯２に適切な攪拌動力を与えて攪拌を行うことで、真空脱ガス処理での脱水素、脱窒素及び介在物の浮上が促進されたためであると考えられる。

これに対して、攪拌動力εが３００Ｗ／ｔ未満となる実施例２−１，２−２の条件では、攪拌が弱かったため、脱水素や脱窒素に時間を要したため、脱ガス処理に要する時間が長くなる結果となった。また、攪拌動力εが１３００Ｗ／ｔ超となる実施例２−９，２−１０の条件では、攪拌が強過ぎたため、溶湯２へのスラグ３の巻き込み量が多くなり、溶湯２中のスラグ系介在物を浮上させるのに時間を要したため、脱ガス処理に要する時間が長くなる結果となった。

１ 転炉
１０ 炉体
１１ 上吹きランス
１２ 底吹きノズル
１３ シュート
２ 溶湯
３ スラグ
４ 取鍋
４０ 吹き込み口
５ 真空脱ガス装置
５０ 真空槽
５１ 排気管
５２ 攪拌ガス供給経路
５３ 上吹きランス
５４ 供給口

Claims (2)

1. マンガンを５質量％以上含有する鋼を溶製する際に、
   転炉にて、溶銑に脱炭処理を施すことで、前記溶銑を炭素濃度の低い溶鋼とする脱炭工程と、
   該脱炭工程の後、前記転炉に収容された前記溶鋼に、マンガン源及びシリコン源を添加することで、前記溶鋼を還元処理する還元工程と、
   前記還元工程の後、真空脱ガス装置にて、前記溶鋼に真空脱ガス処理を行う脱ガス工程と、
   を備え、
   前記還元工程では、前記マンガン源の添加量に応じて、（１）式を満たすように前記シリコン源を添加することを特徴とする高マンガン鋼の溶製方法。
   

   

   ｘ_Ｍｎ：マンガン源中のマンガン濃度（質量％）
   ｘ_Ｓｉ：シリコン源中のシリコン濃度（質量％）
   Ｗ_Ｍｎ：マンガン源の添加量（ｋｇ／ｔ）
   Ｗ_Ｓｉ：シリコン源の添加量（ｋｇ／ｔ）
2. 前記真空脱ガス装置として、前記溶鋼を収容する取鍋の底から攪拌ガスを吹き込むことで前記溶鋼を攪拌する装置を用い、
   前記脱ガス工程では、（４）式で示される攪拌動力εが、３００Ｗ／ｔ以上、１３００Ｗ／ｔ以下となる条件で、前記溶鋼を攪拌しながら真空脱ガス処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の高マンガン鋼の溶製方法。
   

   

   Ｑ：攪拌ガスの流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）
   Ｔ_ｌ：溶鋼の温度（Ｋ）
   Ｗ_ｍ：溶鋼の重量（ｔ）
   ρ_ｌ：溶鋼の密度（ｋｇ／ｍ^３）
   ｈ：湯面高さ（ｍ）
   Ｐ_２：雰囲気圧力（Ｔｏｒｒ）
   η：エネルギー伝達効率（−）
   Ｔ_ｎ：攪拌ガスの温度（Ｋ）

Images