(57)【要約】【課題】Ａｌ含有量が高い、高Ａｌ含有鋼を溶製するに際し、鋼中窒素含有量の低い高Ａｌ含有鋼の溶製方法を提供する。【解決手段】質量％で０．０５％以上のＡｌ、０．５％以上のＳｉを含有する鋼を、減圧手段を用いずに溶製するにあたり、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行い、処理開始時の前記フラックスの配合は質量％で、    ２０％≦ＣａＯ≦４５％、    ４０％≦ＳｉＯ2≦７０％、    ０≦Ａｌ2Ｏ3≦２０％、    ０≦ＭｇＯ≦２０％、その他の酸化物と弗化物成分が合計１０％未満であることを特徴とする高Ａｌ含有鋼の溶製方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で０．０５％以上のＡｌおよび０．５％以上のＳｉを含有する鋼を、減圧手段を用いずに精錬炉で溶製するにあたり、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行い、処理開始時の前記フラックスの配合は質量％で、
２０％≦ＣａＯ≦４５％、
４０％≦ＳｉＯ2≦７０％、
０≦Ａｌ2Ｏ3≦２０％、
０≦ＭｇＯ≦２０％、
その他の酸化物と弗化物成分が合計１０％未満であることを特徴とする高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【請求項２】
狙い組成に対してＳｉ量が低く、Ａｌ量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することを特徴とする請求項１に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【請求項３】
溶製時のＳｉ濃度増加とＡｌ濃度減少を組成変化速度式から予測することを特徴とする請求項２に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【請求項４】
処理開始時のフラックス中のＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で、
０．４≦ＣａＯ／ＳｉＯ2＜０．７
であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【請求項５】
鋼原料が溶解する前にフラックスを添加しておくことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【請求項６】
前記フラックスの添加量を、溶鋼１ｔｏｎあたり１ｋｇ以上３０ｋｇ以下とすることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高Ａｌ含有鋼の溶製方法に関するものであり、特に、鋼中窒素含有量の低い高Ａｌ含有鋼の溶製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼品質の高品質化に伴い、鋼中の窒素（Ｎ）濃度の低減が求められている。
【０００３】
アーク炉や高周波誘導溶解炉を用いて鋼を溶製する場合には、原料中のスクラップに窒素を多く含有しており、これが鋼中の窒素源となる。特に、高周波誘導溶解炉によって鋼を溶製する方法においては、雰囲気の減圧手段や不活性ガスの吹込み手段を持たないため、大気中の主成分Ｎ2が溶鋼と接触してガス成分／溶鋼間の吸窒反応（いわゆる窒素ピックアップ）が起きやすい。窒素ピックアップを防止することを目的に、湯面への不活性ガス（Ａｒ）フローや湯面上にフラックスを形成させる手法がとられる。この場合、断気効果によって大気／溶鋼間の接触機会が著しく減じるため窒素ピックアップを抑制することができる。しかしながら、減圧手段を用いないため窒素ピックアップを完全になくすことはできない。
【０００４】
転炉精錬によって鋼を溶製する場合、転炉内においては吹き止め段階で低窒素溶鋼が溶製されるものの、転炉から取鍋に溶鋼を出鋼するに際して大気との接触で窒素ピックアップが起こり、取鍋内溶鋼中の窒素濃度が上昇する。
【０００５】
特許文献１においては、転炉で精錬した溶鋼の出鋼に際して、Ｓｉ脱酸を行うとともに、ＣａＯ−ＳｉＯ2系フラックスを添加して取鍋に受鋼し、低Ａｌ鋼を製造する方法が開示されている。出鋼時にＣａＯ−ＳｉＯ2系フラックスを添加することにより、添加されたフラックスは、出鋼中の溶鋼表面を溶融状態で被覆し、これによって出鋼中の吸窒を防止できるとしている。
【０００６】
非特許文献１〜３においては、溶鋼からの効率的な脱窒素のため、ガス−スラグ−メタル各相間の窒素の移動挙動について考察している。効率的な脱窒素を実現するため、ガス相の酸素分圧を高く、またスラグ−メタル界面での酸素ポテンシャルを低く保つことが重要であり、そのため、溶鋼中の酸素ポテンシャルを低下させ、溶鋼中窒素を還元してスラグへ移行できる元素を添加することが有効であるとしている。そして、溶鋼表面にＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系スラグを形成し、還元剤としてＡｌを添加して所要時間経過後の溶鋼中窒素濃度の挙動を調査したところ、添加したＡｌの濃度の増加に対応して窒素濃度の減少が見られている。
【０００７】
非特許文献４では、溶融ケイ酸塩スラグ（ＣａＯ−ＳｉＯ2、ＣａＯ−ＭｇＯ−ＳｉＯ2、ＢａＯ−ＭｇＯ−ＳｉＯ2各系）の窒素溶解挙動について、気相中の窒素分圧、酸素分圧との関係として測定している。そして、ＣａＯ−ＳｉＯ2系スラグを用いた場合、ＳｉＯ2濃度が高くなるほど、あるいは気相中の窒素分圧が高くなるほど、スラグ中の％Ｎ３−が増大することを明らかにしている。ただし、溶鋼とスラグ間の窒素の挙動については何ら示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１１０４１３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】CAMP-ISIJ Vol.13(2000)-966
【非特許文献２】H.ONO-NAKAZATO et.al. ISIJ International, Vol.40(2000), Supplement, pp.S106-S109
【非特許文献３】H.ONO-NAKAZATO et.al. ISIJ International, Vol.42(2002), No.1, pp.109-111
【非特許文献４】E.MARTINEZ et.al. Metallurgical Transactions B Vol.21B, February 1990 pp.97103
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、Ａｌ含有量が高い、高Ａｌ含有鋼を溶製するに際し、鋼中窒素含有量の低い高Ａｌ含有鋼の溶製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、窒素吸収能の高いスラグ相（ＣａＯ−ＳｉＯ2系フラックス）を高Ａｌ含有溶鋼と気相（≒大気）の間に介在させて、酸素ポテンシャルとして、気相／スラグ相界面≧スラグ相＞スラグ相／溶鋼界面の状態として、溶鋼からスラグ相に窒素を移動させ、溶鋼を脱窒する。その際、溶鋼中の溶存Ａｌが酸化によりＡｌ2Ｏ3としてスラグへ移行するとともに、スラグ相中のＳｉＯ2が還元により溶鋼中に溶存Ｓｉとして溶鋼中に移行するため、溶鋼成分のＡｌ量が減少しＳｉ量が増加する。この酸化還元による成分変化を予め反応速度から考慮して、Ｓｉ量とＡｌ量を決定する。
【００１２】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］質量％で０．０５％以上のＡｌ、０．５％以上のＳｉを含有する鋼を、減圧手段を用いずに精錬炉で溶製するにあたり、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行い、処理開始時の前記フラックスの配合は質量％で、
２０％≦ＣａＯ≦４５％、
４０％≦ＳｉＯ2≦７０％、
０≦Ａｌ2Ｏ3≦２０％、
０≦ＭｇＯ≦２０％、
その他の酸化物と弗化物成分が合計１０％未満であることを特徴とする高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
［２］狙い組成に対してＳｉ量が低く、Ａｌ量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することを特徴とする［１］に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
［３］溶製時のＳｉ濃度増加とＡｌ濃度減少を組成変化速度式から予測することを特徴とする［２］に記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
［４］処理開始時のフラックス中のＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で、
０．４≦ＣａＯ／ＳｉＯ2＜０．７
であることを特徴とする［１］から［３］までのいずれか１つに記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
［５］鋼原料が溶解する前にフラックスを添加しておくことを特徴とする［１］から［４］までのいずれか１つに記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
［６］前記フラックスの添加量を、溶鋼１ｔｏｎあたり１ｋｇ以上３０ｋｇ以下とすることを特徴とする［１］から［５］までのいずれか１つに記載の高Ａｌ含有鋼の溶製方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、質量％で０．０５％以上のＡｌおよび０．５％以上のＳｉを含有する高Ａｌ含有鋼を、減圧手段を用いずに溶製するにあたり、処理開始時に所定の配合成分を有するフラックスを精錬炉中に添加して処理を行うことにより、脱窒素または吸窒素防止の効果を得ることができ、鋼中窒素含有量の低い高Ａｌ含有鋼の溶製方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
前述のように、非特許文献１〜３によると、溶鋼表面にＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系スラグを形成し、還元剤としてＡｌを添加すると、所要時間経過後において、添加したＡｌの濃度に対応して溶鋼中の窒素濃度の減少が見られている。そこで、高周波誘導溶解炉によって鋼を溶製するに際し、溶鋼表面にＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系スラグを形成し、還元剤としてＡｌを添加したところ、溶鋼中窒素濃度の減少を観察することができなかった。
【００１５】
一方、非特許文献４によると、溶融ケイ酸塩スラグと気相中窒素分との相互作用において、ＳｉＯ2濃度が高くなるほど、あるいは気相中の窒素分圧が高くなるほど、スラグ中の％Ｎ３−が増大することを明らかにしている。ただし、あくまでスラグ中の窒素溶解度（ナイトライドキャパシティー）が評価されているのであって、ガス−スラグ−メタル各相間で、溶鋼から気相への窒素の移動挙動が評価されているわけではない。
【００１６】
そこで、大気雰囲気中において、溶鋼表面に形成するスラグを、非特許文献１〜３のＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系から、酸素ポテンシャルの高いＣａＯ−ＳｉＯ2系に変更し、さらに溶鋼中に高い濃度でＡｌを含有させ、窒素の還元剤とするとともに溶鋼側の酸素ポテンシャルを低下させて、スラグ相＞スラグ相／溶鋼界面の酸素ポテンシャル差を生じさせることで、溶鋼からスラグへと窒素がより効率的に移動できるのではないかと着想した。
【００１７】
《溶鋼中のＡｌとＳｉの濃度変化の挙動》
ＣａＯ−ＳｉＯ2系フラックスは酸素ポテンシャルが高いため、溶鋼中のＡｌが還元剤として働き、フラックス中のＳｉＯ2が還元されて溶鋼中に溶存Ｓｉとして溶け込むと同時に、溶鋼中の溶存Ａｌが酸化して溶融フラックス中にＡｌ2Ｏ3として移行する。その結果、溶鋼のＳｉ濃度は増加しＡｌ濃度は低下する。
【００１８】
そこでまず、高周波誘導溶解炉に溶鋼と溶融スラグを形成し、溶鋼表面に形成するスラグをＣａＯ−ＳｉＯ2系とし、溶鋼中にＡｌを高濃度で含有させた上で所定時間保持したときに、鋼中のＡｌが酸化され、スラグ中のＳｉＯ2が還元される反応がどのような比率で進行するのかを実験によって確かめるため、ＣａＯ−ＳｉＯ2系フラックス共存時のＳｉ，Ａｌの濃度変化を調査することとした。
【００１９】
初期濃度０．０１％Ｃ−３．０％Ｓｉ−０．３％Ｍｎ−０．５％Ａｌの１ｔｏｎの溶鋼について、後記表３に示すＦ７と同組成のフラックス１５ｋｇと共存した状態で高周波誘導加熱により１６００℃で３０分間保持した。溶鋼試料は、保持の前後で各々採取しＳｉ量およびＡｌ量を分析した。
濃度変化を表１中の△Ｓｉ，  △Ａｌ（質量％）で示す。
△Ｓｉ＝（３０ｍｉｎ後のＳｉ濃度）−（初期Ｓｉ濃度）
△Ａｌ＝（３０ｍｉｎ後のＡｌ濃度）−（初期Ａｌ濃度）
【００２０】
【表１】
2020111773.tif 000002
【００２１】
このような溶鋼組成の変化は、溶鋼とスラグ（溶融フラックス）及び大気の間での酸化還元反応によるものであり、以下の化学式で表される。[]は溶鋼成分、()はスラグ成分を意味する。
(ＳｉＯ2)＝[Ｓｉ]＋２[Ｏ]          ・・・（１）
２[Ａｌ]＋３[Ｏ]＝(Ａｌ2Ｏ3)    ・・・（２）
Ｏ2（ｇａｓ）＝２[Ｏ]                ・・・（３）
式（１）はスラグ中ＳｉＯ2が還元され溶存Ｓｉとして溶鋼中Ｓｉが増加する反応を示す。式（２）は溶鋼中Ａｌが酸化されＡｌ2Ｏ3としてスラグに吸収される反応を示す。また、式（３）は雰囲気から混入した酸素ガスがスラグまたは溶鋼に吸収される反応を示し、式（３）右辺のＯは、式（２）左辺のＯの一部として消費される。表１に示すΔＳｉとΔＡｌのバランスからは、上記式（１）による[Ｏ]の供給と式（３）による[Ｏ]の供給の合計により、式（２）の反応が進行していることがわかる。
【００２２】
《溶鋼中Ｓｉの増加速度とＡｌの減少速度》
一方、上記の実験結果からＳｉ，Ａｌの組成変化は、溶鋼／スラグ間の界面反応として以下の一次反応速度式で記述される。
−ｄ[Ｓｉ]／ｄｔ＝（Ａ／Ｖ）ＫSi（[Ｓｉ]−[Ｓｉ]ｅ）    ・・・（４）
−ｄ[Ａｌ]／ｄｔ＝（Ａ／Ｖ）ＫAl（[Ａｌ]−[Ａｌ]ｅ）    ・・・（５）
ここでＡは溶鋼／スラグ間の界面積（ｍ2）、Ｖは溶鋼体積（ｍ3）、ＫSiおよびＫAlは組成変化の速度係数、[Ｓｉ]ｅおよび[Ａｌ]ｅは溶鋼中の平衡濃度である。
ここで、[Ｓｉ]＜＜[Ｓｉ]ｅ、[Ａｌ]＞＞[Ａｌ]ｅより簡便に以下の式で表す。
−ｄ[Ｓｉ]／ｄｔ≒Ｋ'Si [Ｓｉ]        ・・・（６）
−ｄ[Ａｌ]／ｄｔ≒Ｋ'Al [Ａｌ]        ・・・（７）
実験結果から、式（６），（７）の見かけの速度係数Ｋ'Si、Ｋ'Alを求めれば、経過時間ごとにＳｉ，Ａｌの組成変化を記述できる。
表１の実験結果からは、Ｋ'Si＝１．０×１０−３ｍｉｎ−１およびＫ'Al＝１．０×１０−２ｍｉｎ−１が得られた。なお、Ｋ'Si、Ｋ'Alは、溶解炉容積、溶鋼湯面の面積（溶鋼／スラグ界面積）、フラックスの組成・量等により変化するが、溶鋼量１０ｋｇ〜１０ｔｏｎの溶解炉において溶鋼１ｔｏｎあたり１ｋｇ以上３０ｋｇ以下のフラックスを用いる場合、見かけの速度係数Ｋ'Si、Ｋ'Alは次の範囲にある。
Ｋ'Si：５×10−５〜５×１０−３（ｍｉｎ−１）
Ｋ'Al：３×10−４〜５×１０−２（ｍｉｎ−１）
【００２３】
《フラックス組成の影響》
以上の結果から、高周波誘導溶解炉を用い、溶鋼表面にＣａＯ−ＳｉＯ2系スラグを形成し、溶鋼中にＡｌを高濃度で含有させた上で所定時間保持したときに、溶鋼中Ａｌ濃度の減少とＳｉ濃度の増加の挙動が明らかとなったので、次に、溶融フラックスを雰囲気ガス／溶鋼間の反応を遮断するシールに用い、溶鋼の吸窒素の防止効果を実験で調査した。高周波誘導溶解炉を用い、高Ａｌ含有溶鋼の表面に種々の成分組成のスラグを形成し、所定時間保持したときに、溶鋼中の窒素がどのように挙動するかの評価を行った。
【００２４】
高周波誘導溶解炉を用い、表２の組成を目標成分とする１ｔｏｎの鋼を溶解するに際し、表３の組成からなるフラックス１５ｋｇを添加し、１６００℃で１時間保持した。溶鋼の目標Ａｌ含有量は０．５％であり、前述の実験結果により、フラックスと共存して所定時間保持したときの鋼中Ａｌ減少量が把握できているので、保持中のＡｌ減少量を考慮して、処理後のＡｌ含有量が０．５％となるよう、処理開始時の鋼中Ａｌ含有量を定めている。１時間保持した後、溶鋼試料を採取し組成を調査した。誘導炉で加熱溶解中は炉の上方からＡｒガスを流量１０ＮＬ／ｍｉｎで流した。なお、表中のＦ１４ではフラックスを用いなかった。
【００２５】
フラックス添加前、添加後の溶鋼試料を採取し窒素濃度を調査した。フラックス添加前の溶鋼中の窒素量は、３５〜６０ｐｐｍであり、各フラックス使用時の濃度変化を表３中の△Ｎ（質量ｐｐｍ）で示す。
△Ｎ＝（６０ｍｉｎ後の窒素濃度）−（フラックス添加前の窒素濃度）
【００２６】
【表２】
2020111773.tif 000003
【００２７】
【表３】
2020111773.tif 000004
【００２８】
フラックスを用いなかったＦ１４では窒素量が５５ｐｐｍ増加した。
Ｆ４、Ｆ５、Ｆ９、Ｆ１０、Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３では、Ｆ１４に比べて窒素増加が軽減されたが、脱窒には至らなかった。この内Ｆ４、Ｆ５、Ｆ９、Ｆ１０は窒素増加量が１４ｐｐｍ以下となり、Ｆ１４に比べて１／３未満の窒素吸収抑制効果が認められる。
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８では窒素が低下し、溶鋼脱窒作用が確認された。
本検討においては、Ｆ１４をベースとして、窒素ピックアップの低減量が４０ｐｐｍ以上であるＦ１〜Ｆ１０が良好であり、いずれも窒素含有量５０ｐｐｍ未満にまで低窒素化することができた。
【００２９】
以上の実験の結果、溶鋼とスラグを共存させ、高周波誘導溶解炉で所定時間の保持を行うことにより、溶鋼の吸窒防止、さらには溶鋼の脱窒が進行すること、スラグ組成によって吸窒、脱窒の挙動が影響を受けることが判明した。そして、フラックス組成を以下の組成とすることにより、溶鋼の低窒素化が有効に得られることが確認された。ここで、フラックスとは、所定の成分を含有する酸化物を主成分とする添加剤を意味し、溶鋼表面に添加したフラックスが溶融した状態をスラグと称している。
処理開始時のフラックスの配合は質量％で
２０％≦ＣａＯ≦４５％、
４０％≦ＳｉＯ2≦７０％、
０≦Ａｌ2Ｏ3≦２０％
０≦ＭｇＯ≦２０％
その他の酸化物または弗化物成分の合計１０％未満である。なお、前記表３において、上記フラックス組成範囲から外れる数値に下線を付している。
【００３０】
処理開始時のフラックスの主成分はＣａＯ−ＳｉＯ2系（ＣａＯ＋ＳｉＯ2：６０〜１００％）である。この成分系のフラックス組成であれば、溶鋼と平衡させたときの鋼中平衡酸素［％Ｏ］＝４０〜１１０ｐｐｍ程度となり、Ａｌ2Ｏ3が最大２０％入っても影響は小さい。また、Ａｌ2Ｏ3あるいはＭｇＯが単独で最大２０％入ってもフラックスの融点が１５００℃以下であり、溶鋼上での溶融性も問題ない。
【００３１】
ＣａＯが２０％未満であると融点が高くなり溶鋼湯面のシール効果が損なわれる。ＣａＯが４５％を越えると窒素吸収能が低下する。そこで、フラックスのＣａＯ配合を上記範囲とした。溶鋼脱窒作用を高めるより好ましい範囲は２５％≦ＣａＯ≦４０％である。
【００３２】
ＳｉＯ2が４０％未満では窒素吸収能が低下する。ＳｉＯ2が７０％を越えると融点が高くなり溶鋼湯面のシール効果が損なわれる。そこで、フラックスのＳｉＯ2配合を上記範囲とした。溶鋼脱窒作用を高めるより好ましい範囲は４５％≦ＳｉＯ2≦６５％である。
【００３３】
Ａｌ2Ｏ3が２０％を越えるとフラックスの塩基度を高め酸素ポテンシャルを低下させ溶鋼脱窒作用が損なわれる。そこで、フラックスのＡｌ2Ｏ3配合を上記範囲とした。Ａｌ2Ｏ3は初期フラックス成分として添加しなくともよいが、溶解中には溶鋼中Ａｌの一部が酸化しＡｌ2Ｏ3として溶融フラックスに吸収され不可避に増加する。
【００３４】
ＭｇＯはフラックスの融点を低下させ溶鋼湯面のシール効果を高める。ＭｇＯが２０％を越えると融点低下の効果は飽和し、固相ＭｇＯを形成する。ＭｇＯは含有しなくても良い。そこで、フラックスのＭｇＯ配合を上記範囲とした。
【００３５】
その他成分の酸化物または弗化物成分（ＢａＯ，Ｎａ2Ｏ，ＣａＦ2等）はフラックスの融点を低下させ溶鋼湯面のシール効果を高める。その他成分の合計が１０％以上とすると、フラックスの溶鋼脱窒作用が低減する。そこで、フラックスのその他成分の酸化物または弗化物成分配合を上記範囲とした。なお、その他成分の酸化物または弗化物成分は含有しなくても良い。
【００３６】
前記表３に示す結果から、フラックスの塩基度の指標となるＣａＯとＳｉＯ2の配合比ＣａＯ／ＳｉＯ2について、以下に示す範囲が好適範囲であることがわかった。
０．４≦ＣａＯ／ＳｉＯ2＜０．７
ＣａＯ／ＳｉＯ2が０．４未満または０．７以上では溶鋼脱窒作用が低減する。
【００３７】
《溶鋼成分の影響》
本発明においては、高Ａｌ含有溶鋼とＣａＯ−ＳｉＯ2系スラグを形成し、溶鋼中のＡｌが酸化してスラグ中のＳｉＯ2が還元することにより、溶鋼の窒素低減が実現する。溶製する溶鋼については目標成分が定められ、Ａｌ含有量も品種ごとに目標含有量が定められる。ここでは、目標Ａｌ含有量によって本発明の低窒素化挙動がどのような影響を受けるのかについて評価を行った。
【００３８】
高周波誘導溶解炉を用い、表４の組成を狙いとして１ｔｏｎの鋼を溶解し、前記表３中のＦ７の組成からなるフラックス１５ｋｇを添加し、１６００℃で１時間保持した後、溶鋼試料を採取し組成を調査した。誘導炉で加熱溶解中は炉の上方からＡｒガスを流量１０ＮＬ／ｍｉｎで流した。
【００３９】
フラックス添加前、添加後の溶鋼試料を採取し窒素濃度を調査した。フラックス添加前の溶鋼中の窒素量は、３５〜６０ｐｐｍである。Ｓｉ、Ａｌ濃度およびＮ濃度変化△Ｎの結果を同じ表４に示す。
【００４０】
【表４】
2020111773.tif 000005
【００４１】
Ｓ１〜Ｓ９では窒素が低下し溶鋼脱窒作用が確認されるとともに、Ｓｉ、Ａｌいずれも狙い組成の溶製が達成された。Ｓ１は狙いＡｌ量が０．０５％と比較的低位であったが、溶製中のＡｌ濃度低下に応じて高い初期Ａｌ含有量とすることで狙いＡｌ量に調整できた。
【００４２】
Ｓ１０は狙いＡｌ量が０．０３％と低く、溶製中のＡｌ量低下が生じてしまい、脱窒作用も低減し窒素ピックアップを１８ｐｐｍに抑制するに留まった。
Ｓ１１は溶製中の脱窒作用が認められたものの、溶製中のＳｉ量増加が生じたため、狙いＳｉ量の０．３％に対し、Ｓｉが過剰となった。
Ｓｉが０．５％未満であるとフラックスと溶鋼間の反応による溶鋼中Ｓｉの増加に対応できず成分外れとなるおそれがある（特に上限は設けない）。
【００４３】
狙いとするＡｌが０．０５％未満であるとフラックスの脱窒作用が著しく損なわれる。Ａｌが０．０５％未満であると溶鋼中の酸素ポテンシャルが上昇し、溶融フラックス（スラグ）／メタル界面の酸素ポテンシャル差が小さくなり、溶鋼中のＡｌ酸化とフラックス中のＳｉＯ2還元が十分に起こらず、フラックスによる窒素吸収が進行しないためである。更に、ＣａＯ−ＳｉＯ2系フラックスと共存させると溶鋼中のＡｌ濃度が低下していくが、０．０５％未満の低Ａｌ濃度領域では、Ａｌ濃度の低下代が目標Ａｌ濃度に対して相対的に大きいので、目標Ａｌ濃度に対して許容される範囲内に維持するのが難しい。
【００４４】
以上の結果から、本発明において、製造する溶鋼の目標とするＡｌ含有量を０．０５質量％以上、Ｓｉ含有量を０．５質量％以上に限定することとした。なお、ＡｌとＳｉ含有量の上限は特に設けないが、Ａｌ：５質量％、Ｓｉ：７質量％までであれば本発明を好適に用いて、Ｎ：５０質量ｐｐｍ未満の鋼を溶製できる。
【００４５】
Ａｌ、Ｓｉ以外の鋼成分については、ＭｎおよびＣｒは添加すると溶鋼の窒素吸収能を高めるため含有量が低位であることが好ましい。Ｍｎが１．５％を越えるとフラックスの脱窒作用が著しく損なわれる。また、Ｃｒが１．０％を越えるとフラックスの脱窒作用が著しく損なわれる。Ｍｎ、Ｃｒは含有しなくても良い。
【００４６】
そこで、本発明の対象となる鋼の好ましい成分組成は以下の通りとなる。
Ａｌ≧０．０５％
Ｓｉ≧０．５％
さらに好ましくは
Ｍｎ≦１．５％
Ｃｒ≦１．０％
その他、低合金レベルの合金元素成分してもよい。また、他の成分は、たとえばＣ：０．００１〜１．０％（極低炭〜高炭）、Ｐ：０．０１〜０．２０％、Ｓ：０．０００５〜０．０１％の範囲を選択することができる。
【００４７】
《処理前の溶鋼成分》
前述のように、本発明の組成を有するフラックスを精錬炉中に添加して高Ａｌ含有鋼の溶製を行うに際し、溶鋼中のＡｌ濃度が減少し、Ｓｉ濃度が増加する。そこで、事前の実験結果から、処理中における鋼中Ａｌ減少量とＳｉ増加量を予測し、狙い組成に対してＳｉ量が低く、Ａｌ量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することとすると好ましい。また、前述のように、実験結果から、前記式（６），（７）の見かけの速度係数Ｋ'Si、Ｋ'Alを求めれば、経過時間ごとにＳｉ，Ａｌの組成変化を記述できる。従って本発明でより好ましくは、溶製時のＳｉ濃度増加とＡｌ濃度減少を組成変化速度式から予測し、狙い組成に対してＳｉ量が低く、Ａｌ量が高い初期成分の溶鋼を用いて溶製することにより、狙い通りのＳｉ濃度とＡｌ濃度を有する溶鋼を溶製することが可能となる。
【００４８】
例えば、目標窒素量が５０質量ｐｐｍ未満の高Ａｌ含有鋼を溶製する場合、溶製に用いる鋼原料中の窒素含有量は、処理後の窒素量が５０質量ｐｐｍ未満となるよう、フラックスの脱窒作用を考慮して決定すればよい。フラックスによる脱窒作用が十分に得られる場合、処理前の鋼原料中の窒素含有量は、５０質量ｐｐｍを越えてもよいが、好ましくは６０質量ｐｐｍ以下である。フラックスによる脱窒作用が十分でなく僅かな窒素ピックアップが生じる場合、あるいは、更に低窒素の鋼（４０質量ｐｐｍ以下の鋼）を得たい場合、処理前の鋼原料中の窒素含有量を４０質量ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。
【００４９】
《フラックス添加時期変更実験》
溶解の初期段階から窒素吸収を抑制することを狙い、溶解以前に炉内に装入した鋼原料の周囲に予めフラックスを添加して鋼原料とフラックスを共存させ、溶解過程で一部湯面形成した後、更にフラックス添加し、溶鋼試料中の窒素量を調査した。
溶融時に前記表３のＦ７と同等となるよう配合したフラックス５ｋｇ（ＣａＯ：１．４５ｋｇ、ＳｉＯ2：２．９ｋｇ、Ａｌ2Ｏ3：０．３５ｋｇ、ＭｇＯ：０．３０ｋｇ）を初装フラックスとして、炉内に装入した概略１ｔｏｎの鋼原料の周囲に置いて、鋼原料とフラックス材料を共存させたまま鋼原料を高周波誘導加熱し溶解した。その際、初期段階で母材表面の一部が溶融して溶融プールが形成するが、溶鋼で加熱されて融解したフラックスが溶融プールを覆っていた。原料に用いた鋼は、予め低Ｎのスクラップを選定し、その窒素含有量は４０ｐｐｍである。鋼材料の溶解後、Ｆ７と同等となるよう配合したフラックス５ｋｇを追装フラックスとして添加した。その結果、溶鋼中の窒素量は原料の４０ｐｐｍより更に低位の２５ｐｐｍまで低減し、初期原料からの脱窒作用が確認された。
【００５０】
《フラックスの添加》
フラックスは、予め所定の配合比で混合したフラックス原料を１５００℃で加熱して溶融し粉砕し、粉体あるいは顆粒としたものを添加剤として用いるのが望ましい。このような予備溶融を行わず、たとえば生石灰と珪砂等フラックス原料単体を直接溶鋼湯面上に添加してもよい。溶鋼の輻射熱によりフラックス原料が反応して溶融フラックスを形成するためである。
【００５１】
フラックスは、炉内に添加して溶鋼湯面を覆うことで、溶鋼と雰囲気ガス間を遮断し、雰囲気からの酸素および窒素の吸収を抑制するとともに、高Ａｌ含有溶鋼に含有する窒素を吸収する作用を有する。
【００５２】
フラックスの添加時期は、鋼原料が溶解して所定温度に達した後でもよい。しかし、溶鋼と雰囲気ガスが直接接触すると溶鋼が窒素を徐々に吸収するため、添加時期はできるだけ早い方がよい。早期に添加すれば溶鋼と雰囲気ガスの直接接触時間が短縮し、窒素吸収を抑制した上、効果的に溶鋼脱窒作用を高められる。
【００５３】
更に窒素吸収を抑制し脱窒作用を高めるには、溶解以前に炉内に装入した鋼原料の周囲に予めフラックスを添加して鋼原料とフラックスを共存させておき、溶解過程で一部湯面形成した後、更にフラックス添加するのがよい。溶解の初期段階から継続して溶鋼と雰囲気ガスの接触を抑制できるため、顕著な窒素低減効果が得られる。
【００５４】
フラックスの添加量は、溶鋼１ｔｏｎあたり１ｋｇ以上３０ｋｇ以下とするのが好ましい。１ｋｇ／ｔｏｎ未満では溶融フラックスが湯面を覆うのに不十分であり、溶鋼が雰囲気ガスから直接窒素を吸収するおそれがある。３０ｋｇ／ｔｏｎを越えても吸窒素抑制および脱窒作用の効果が飽和する。
【００５５】
《精錬炉》
以上説明したように、本発明の高Ａｌ含有鋼を溶製するに当たり、減圧手段を用いずに精錬炉で溶製し、精錬炉中にフラックスを添加して処理を行う。これにより、脱窒素または吸窒素防止の効果を得ることができる。
本発明の高Ａｌ含有鋼の溶製方法を適用する精錬炉としては、高周波誘導溶解炉を好適に用いることができる。高周波誘導溶解炉は、短時間で溶解可能かつ合金成分の微調整が容易である。溶鋼湯面上に被覆する溶融スラグ層を薄くすることができるので使用するフラックスは比較的少量でよい。
アーク炉において用いることもできる。アーク炉では、脱硫後に一旦完全除滓を行った後、所定組成のフラックスを添加して溶鋼を保持することにより脱窒作用を得ることができる。この際に、ＣａＯを主成分とするスラグを完全除滓せずに一部スラグを残し、珪石、珪砂等のＳｉＯ2成分を添加して所定組成の溶融スラグとしてもよい。
【実施例】
【００５６】
《本発明例》
鋼スクラップおよび合金鉄からなる溶解原料７ｔｏｎを高周波誘導溶解炉内に装入し、更にＣａＯ：３０％、ＳｉＯ2：６０％、Ａｌ2Ｏ3：５％、ＭｇＯ：５％から成るフラックスを８０ｋｇ添加した。溶解原料の鋼スクラップ中に含有するＮ量は４０ｐｐｍである。炉上にＡｒガスを１０Ｌ／ｍｉｎの供給速度で流し、高周波誘導加熱により溶解原料を溶解し、溶解過程で一部湯面形成した後、更にＣａＯ：３０％、ＳｉＯ2：６０％、Ａｌ2Ｏ3：５％、ＭｇＯ：５％から成るフラックスを１２０ｋｇ添加した。その後、溶鋼総量が１０ｔｏｎとなるよう鋼スクラップを追装し、鋼原料の全量が溶解する際、速度式（６）および（７）による組成変化を考慮し、表５に示す目標組成に対し、Ｓｉを低めの２．７％、Ａｌを高めの１．１％に調整した。その後、１６００℃で１時間保持した後、溶鋼試料を採取し１６５０℃に昇温し取鍋に出鋼した。
【００５７】
【表５】
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【００５８】
溶鋼試料の分析の結果、溶鋼中窒素は２８ｐｐｍであり、フラックスによる脱窒作用が認められた。また、Ｓｉは表５の目標組成±０．１％以内、Ａｌは表５の目標組成±０．０５％以内が各々得られ、成分的中した。
【００５９】
《比較例》
鋼スクラップおよび合金鉄からなる溶解原料７ｔｏｎを高周波誘導溶解炉内に装入した。溶解原料の鋼スクラップ中に含有するＮ量は４０ｐｐｍである。炉上にＡｒガスを１０Ｌ／ｍｉｎの供給速度で流し、高周波誘導加熱により溶解原料を溶解し、溶解過程で一部湯面形成した後、更にＣａＯ：４０％、ＳｉＯ2：１０％、Ａｌ2Ｏ3：４０％、ＭｇＯ：１０％から成るフラックスを１２０ｋｇ添加した。その後、溶鋼総量が１０ｔｏｎとなるよう鋼スクラップを追装し、１６００℃で１時間保持し、表５の鋼組成となるよう合金元素を添加調整した後、溶鋼試料を採取し１６５０℃に昇温し取鍋に出鋼した。溶鋼試料の分析の結果、溶鋼中窒素は６５ｐｐｍであり、２５ｐｐｍの窒素ピックアップが生じた。
【００６０】
上記と同様の条件で、フラックスを添加せず溶製を行い、１６００℃で１時間保持した後、溶鋼試料を採取し１６５０℃に昇温し取鍋に出鋼した。溶鋼試料の分析の結果、溶鋼中窒素は８５ｐｐｍであり、４５ｐｐｍの窒素ピックアップが生じた。