(57)【要約】      （修正有）【課題】Mnを10質量%以上,炭素を0.1質量%以上,窒素を0.001質量%以上含有し残部鉄および不純物からなる高Mn含有溶融金属を脱炭および脱窒して,Mnが10質量%以上の高Mn含有金属を製造する。【解決手段】溶融金属を保持する取鍋を容器内に収容し該容器ごと減圧して精錬する減圧精錬設備を用いる場合にはその取鍋に,真空槽と浸漬管を有する還流型脱ガス設備を用いる場合には取鍋に,MgOを20質量%以上含有する耐火物を用い,高Mn含有溶融金属の温度が1500〜1650℃、かつ、真空槽内の雰囲気圧力が6000〜16000Paの条件で酸素を供給して脱炭および脱窒する。高Ｍｎ含有溶融金属が,Mnおよび鉄の一部に代えて,Siを1質量%以下,Pを0.5質量%以下,Sを0.5質量%以下,Crを20質量%以下,Cuを1質量%以下およびNiを10質量%以下からなる群から選ばれた一種以上をさらに含有してもよい。【選択図】図１
2010248536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属を保持する取鍋を容器内に収容し、該容器ごと減圧して取鍋内溶融金属を精錬する減圧精錬設備を用いて、
Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００１質量％以上含有し残部鉄および不純物からなる高Ｍｎ含有溶融金属からＭｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属を製造する方法であって、
前記取鍋にＭｇＯを２０質量％以上含有する耐火物を用い、
前記高Ｍｎ含有溶融金属の温度が１５００℃以上１６５０℃以下、かつ、
前記容器内の雰囲気圧力が６０００Ｐａ以上１６０００Ｐａ以下の条件下において
前記高Ｍｎ含有溶融金属に酸素を供給することにより脱炭および脱窒することを特徴とする、
Ｍｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属の製造方法。
【請求項２】
真空槽と浸漬管を有する還流型脱ガス設備を用い、
Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００１質量％以上含有し残部鉄および不純物からなる高Ｍｎ含有溶融金属からＭｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属を製造する方法であって、
前記高Ｍｎ含有溶融金属を保持する取鍋にＭｇＯを２０質量％以上含有する耐火物を用い、
前記高Ｍｎ含有溶融金属の温度が１５００℃以上１６５０℃以下、かつ、
前記真空槽内の雰囲気圧力が６０００Ｐａ以上１６０００Ｐａ以下の条件下において
前記高Ｍｎ含有溶融金属に酸素を供給することにより脱炭および脱窒することを特徴とする、
Ｍｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属の製造方法。
【請求項３】
前記高Ｍｎ含有溶融金属の化学組成が、Ｍｎおよび鉄の一部に代えて、Ｓｉを１質量％以下、Ｐを０．５質量％以下、Ｓを０．５質量％以下、Ｃｒを２０質量％以下，Ｃｕを１質量％以下およびＮｉを１０質量％以下からなる群から選ばれた一種または二種以上をさらに含有する、請求項１または請求項２に記載したＭｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００５質量％以上含有し残部鉄および不純物からなる溶融金属からＭｎを１０質量％以上含有する金属を製造する方法であって、より具体的には、前記溶融金属に対し減圧下で酸素を供給することにより脱炭および脱窒して、Ｍｎを１０質量％以上含有する金属を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｍｎを１０質量％以上含み、残部炭素、窒素および鉄からなる金属は、Ｍｎが１０〜３０質量％の高Ｍｎ鋼では、高強度および非磁性を有する鋼として有用であり、またＭｎが７５質量％程度を含むフェロマンガン合金鉄もこの範疇に含まれ、鉄鋼製造上の有用な合金源である。Ｍｎは遷移金属の中では精錬がなされる高温で蒸発し易い元素であるとともに、炭素および窒素との親和力が大きい。このため、高Ｍｎ濃度の溶融金属は、Ｍｎが容易に蒸発する一方で、減圧下での脱炭および脱窒が生じがたいことが知られている。さらに脱炭精錬の要件である酸素を供給すると、容易に酸化して酸化マンガンを生じてしまい、製造コストに大きく影響するＭｎ収率の悪化を生じる。
【０００３】
従来、高Ｍｎ鋼と表記される場合、（ｉ）Ｍｎを１０質量％以上含む鋼および溶融合金、（ｉｉ）Ｍｎを０．３質量％以上３質量％未満含む鋼、（ｉｉｉ）Ｍｎを３質量％以上１０質量％未満含む鋼、に概ね大別される。
【０００４】
特許文献１には、対象は（ｉ）または（ｉｉｉ）に分類される［Ｍｎ］≧８質量％の高Ｍｎ溶銑を脱炭精錬して、［Ｃ］≦０．１質量％に脱炭する方法が開示されている。この方法は、減圧下でＭｎ酸化物を含有する粉体状の脱炭精錬用添加剤を、精錬気体を搬送ガスに用いて吹き付ける方法が提案されている。これは減圧下で粉体状の精錬剤を溶鋼に吹き付ける装置を具備した設備に限られた方法である。
【０００５】
特許文献２には、対象は（ｉｉ）に分類されるＭｎが１質量％以上の高マンガン極低炭素鋼の溶製において、真空槽の雰囲気圧を５０００Ｐａ以上４００００Ｐａ以下に保持し、溶鉄表面に上吹きランスにより９５ｖｏｌ％までの酸素を含む不活性ガスと酸素の混合気体を吹き付け、ガス中の酸素濃度を連続的あるいは段階的に減少させることを特徴とする極低炭高マンガン鋼の製造方法が示されている。不活性ガス中の酸素濃度を連続的あるいは段階的に可変させる装置を特別な具備する必要がある。加えて実施例にはＭｎ濃度が１〜２質量％の溶鋼への適用が示されているのみである。
【０００６】
特許文献３には、対象は（ｉ）または（ｉｉｉ）に分類される［Ｍｎ］≧３質量％の高Ｍｎ溶鋼を減圧下で脱炭精錬する方法が開示されている。その方法は酸化性ガスを溶鋼表面に吹き付け、高速で脱炭しながら昇温させる第１脱炭工程と、Ｍｎ酸化物を含有する粉体状の脱炭精錬用添加剤をキャリアガスによって、前記添加剤が溶鋼中に充分侵入しうる速度で溶鋼表面に吹き付け、溶鋼を冷却しながら脱炭する第２脱炭工程とを備え、第１脱炭工程を昇温手段、第２脱炭工程を冷却手段として溶鋼温度を制御し、少なくとも、第１脱炭工程の後に第２脱炭工程を行うことを特徴とする高Ｍｎ鋼の脱炭精錬方法である。この方法は、減圧下で粉体状の精錬剤を溶鋼に吹き付ける装置を具備した設備に限られた方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１２５４２８号公報
【特許文献２】特開平５−２３０５１９号公報
【特許文献３】特開平７−９０３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００５質量％以上含有し残部鉄および不純物からなる高Ｍｎ含有溶融金属からＭｎを１０質量％以上含有する金属を製造する方法であって、溶融金属に対し減圧可能でかつ減圧下で酸素を供給できる真空精錬設備を用いて、Ｍｎを１０質量％以上含有する前記溶融金属に対し減圧下で酸素を供給することにより効率的に脱炭および脱窒して、Ｍｎを１０質量％以上含有する金属を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
Ｍｎは遷移金属の中では精錬がなされる高温で蒸発し易い元素であるとともに、炭素および窒素との親和力が大きい。さらには容易に酸化するため、酸化マンガンを生じてしまうことが知られている。このため、高いＭｎ濃度を含む溶鋼では、Ｍｎが容易に蒸発する一方で、減圧下での脱炭および脱窒が生じがたいことが知られている。さらに脱炭精錬を行うため溶鋼に酸素を供給すると、その酸素はマンガンと容易に反応して酸化マンガンを生じてしまい、この酸化マンガンは溶鋼表面上に浮遊するなどして、脱炭反応を阻害すると共に最終的なＭｎ収率の悪化を生じる。
【００１０】
すなわち、効率的にＭｎを１０質量％以上含有する溶融金属から脱炭を行うには、減圧や不活性ガス希釈といった方法でＣＯ分圧を下げて（１）式なる脱炭反応を促進しながら、その時に生じるＭｎ蒸発損失やＭｎ酸化損失を抑制することに尽きる。
【００１１】
Ｃ  ＋  Ｏ  ＝ＣＯ（ｇ）↑                                            （１）
そこで、Ｍｎを７５質量％、炭素を１質量％、窒素を０．０２質量％含み、残部鉄および不純物（Ｓｉが０．１質量％など）からなる溶融金属１３００ｋｇを、保持耐火物にＭｇＯを２５質量％含むマグネシアクロマイトレンガを使用して１４５０〜１７００℃に保持した。脱炭およびＭｎ蒸発を調査するために、溶融金属の保持温度、および雰囲気を種々の圧力に制御しながら、上方に設置した酸素上吹きランスよりその金属表面に向けて酸素を３００Ｎｌ／分で供給し、その時の炉内の溶融金属表面の様子を目視観察した。
【００１２】
その結果、Ｍｎ蒸発に由来するヒューム発生、脱炭によって生じるフォーミング（泡立ち）、酸素が溶融金属表面に衝突する領域、すなわち火点領域での発光などが、温度と圧力でかなり異なる様相を呈することがわかった。
【００１３】
溶融金属温度が１５００℃よりも低い場合、圧力が１０１ｋＰａから３ｋＰａ程度の減圧であっても火点が遮光ガラスをとおして比較的明瞭に観察され、酸化物形成の様子は観察されるものの、Ｍｎ蒸発に由来するヒュームや、脱炭によって生じるフォーミングも明瞭には認められなかった。一方、１５００℃よりも温度が５０℃ないし１００℃程度上昇すると、圧力の減少にしたがって、Ｍｎ蒸発に由来するヒュームや、脱炭によって生じるフォーミングやスピッティング（溶融金属飛散）が明確に認められ、大量のヒュームの発生によって火点付近での発光が僅かに認められる程度になった。さらに１５０℃程度上昇すると、さらに大量のヒュームが発生して炉内に充満し炉内は全く見えなくなったが、スピッティングの発生は余り変化がないように観察された。
【００１４】
さらにＭｎ蒸発に由来するヒュームは、酸素上吹きを実施していないときでも、溶融金属の温度が１６５０℃を超えた場合には圧力を１６ｋＰａ程度まで減圧すると明確に増大する様子が観察された。この炉は、溶融金属を撹拌するために不活性ガスを炉底および酸素上吹きランスから切り替えて導入することができるが、このガス量が増えた場合にも、ヒュームは顕著に増大した。
【００１５】
このような現象は、次のように理解される。実用的な減圧炉で生じるＭｎの蒸発は、より理想的な高真空下での自由蒸発よりは遙かに小さい。この理由は、Ｍｎ蒸発が、酸素が衝突する火点と、その周囲の溶融金属の表面、そして生成したＭｎＯ表面から生じるのに対して、ＣＯガス発生が火点、その周囲の溶融金属の表面、表面に存在するＭｎＯとの界面および溶融金属の撹拌のために導入した撹拌ガスによって生じる気液界面から生じる、すなわち反応サイトやその寄与が異なることに由来する。さらには、気相側の物質移動は、気相境膜の物質移動の他にその境膜直上の気相バルク物質移動があるが、ＣＯガスが元来２原子分子気体であるのに対して、Ｍｎ蒸気は高温無酸化雰囲気で安定な単原子分子であり、気相バルクでは容易に酸化あるいは凝縮して粒子となり、気相バルクでの移動が極端に遅くなることも影響していると考えられた。
【００１６】
したがって、このような反応機構下では、溶融金属の温度と雰囲気圧力に対して、炭素除去が可能で、かつＭｎ蒸発を抑制しうる好適な領域があるとの着想に至った。さらには炭素除去が可能な条件は、同じく気相を呈する二原子分子で除去される窒素についても同様に適用できるとの考えに至った。
【００１７】
溶融金属の温度については、溶融金属の温度は高いほど、炭素除去、Ｍｎ蒸発とも活発に反応する。一方、その温度は高いほど酸化性雰囲気ではＭｎの酸化反応も容易に生じるが、減圧雰囲気では火点で生成したＭｎＯの分解反応も活発に生じる。その際には酸素は脱炭反応に寄与する一方、Ｍｎの一部は蒸発し、残りは溶融金属側に吸収される。したがって、それらの均衡を考えれば、炭素除去には活発に生じる一方、Ｍｎ酸化は適度に生じ、Ｍｎ蒸発は穏やかな温度域が存在することが考えられた。またこの現象は、Ｍｎ蒸発が多い場合にはその蒸発潜熱で炭素除去が抑制される一方、Ｍｎ蒸発が少なくＭｎ酸化が生じる場合には炭素除去が助長されるとも理解された。さらにはその反応は保持容器である耐火物近傍で生じ、その際にはＭｎＯの反応性が最も高い、すなわち活量が１に近いような状態が好ましいことも理解された。
【００１８】
一方、雰囲気圧力は、溶融金属直上の圧力と、気相バルク側圧力の両方に関連しているので、その圧力を変化させた場合には以下のような現象が生じると考えられる。常圧、すなわち１０１ｋＰａから徐々に圧力を減じていくとともに、炭素除去およびＭｎ蒸発速度は上昇する。しかし炭素の除去速度は、圧力の低下とともに上昇するのに対して、Ｍｎ蒸発速度は、ある圧力まではその上昇は緩やかであった。この理由は、前述のようにＭｎ蒸発速度は、界面でのＭｎ蒸発、気相側境膜での物質移動だけでなく、気相側バルクでの物質移動も影響するためと推定される。なお雰囲気圧力は、いわゆる真空容器に取り付けられる指示圧力である。
【００１９】
したがって、Ｍｎを高濃度含有する溶融金属の温度と雰囲気圧力の範囲を満たす条件下では、炭素除去速度のみが速く、それに比してＭｎ蒸発速度が速くない条件があることを見出すに至った。さらにはこのような範囲を安定して得るには、火点よりむしろ遠方の耐火物近傍でＭｎＯの反応性が高い領域であることも重要であり、このような知見に基づき耐火物組成を限定するに至った。
【００２０】
さらには、このＭｎ蒸発と酸化にかかる現象は、Ｍｎを多く含有する溶融金属に広く成立することが考えられた。具体的には、遷移金属元素で、かつ周期律表でＭｎの近傍にあり、原子番号で１大きい鉄を含む溶融合金に適用可能であるとの結論に至った。
【００２１】
また、後述するように、Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００５質量％以上を含有し残部鉄および不純物からなる高Ｍｎ含有溶融金属の脱炭および脱窒処理において、Ｍｎおよび鉄の一部に代えて、Ｓｉを１質量％以下、Ｐを０．５質量％以下、Ｓを０．５質量％以下、さらには周期律表でＭｎの近傍にある遷移金属のＣｒを２０質量％以下，Ｃｕを１質量％以下およびＮｉを１０質量％以下からなる群から選ばれた一種または二種以上をさらに含有する場合にも、それらの元素の存在は、本発明に係るＭｎ蒸発および炭素除去には影響しない。
【００２２】
以上の知見に基づき得られた本発明は次のとおりである。
（１）溶融金属を保持する取鍋を容器内に収容し、該容器ごと減圧して取鍋内溶融金属を精錬する減圧精錬設備を用いて、Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００１質量％以上含有し残部鉄および不純物からなる高Ｍｎ含有溶融金属からＭｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属を製造する方法であって、前記取鍋にＭｇＯを２０質量％以上含有する耐火物を用い、前記高Ｍｎ含有溶融金属の温度が１５００℃以上１６５０℃以下、かつ、前記容器内の雰囲気圧力が６０００Ｐａ以上１６０００Ｐａ以下の条件下において前記高Ｍｎ含有溶融金属に酸素を供給することにより脱炭および脱窒することを特徴とする、Ｍｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属の製造方法。
【００２３】
（２）真空槽と浸漬管を有する還流型脱ガス設備を用い、Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００１質量％以上含有し残部鉄および不純物からなる高Ｍｎ含有溶融金属からＭｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属を製造する方法であって、前記高Ｍｎ含有溶融金属を保持する取鍋にＭｇＯを２０質量％以上含有する耐火物を用い、前記高Ｍｎ含有溶融金属の温度が１５００℃以上１６５０℃以下、かつ、前記真空槽内の雰囲気圧力が６０００Ｐａ以上１６０００Ｐａ以下の条件下において前記高Ｍｎ含有溶融金属に酸素を供給することにより脱炭および脱窒することを特徴とする、Ｍｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属の製造方法。
【００２４】
（３）前記高Ｍｎ含有溶融金属の化学組成が、Ｍｎおよび鉄の一部に代えて、Ｓｉを１質量％以下、Ｐを０．５質量％以下、Ｓを０．５質量％以下、Ｃｒを２０質量％以下，Ｃｕを１質量％以下およびＮｉを１０質量％以下からなる群から選ばれた一種または二種以上をさらに含有する、（１）または（２）に記載したＭｎを１０質量％以上含有する高Ｍｎ含有金属の製造方法。
【００２５】
なお、本発明において「高Ｍｎ含有溶融金属」とは、Ｍｎを１０質量％以上、炭素を０．１質量％以上、窒素を０．００１質量％以上含有し残部鉄および不純物で構成される溶融金属であって、Ｍｎを１０質量％以上含有する溶銑や溶鋼のほか、Ｍｎを７５質量％程度含有する溶融フェロマンガン合金鉄も含むものである。
【００２６】
また、本発明において「高Ｍｎ含有金属」とは、Ｍｎを１０質量％以上含有する金属であって、上記「高Ｍｎ含有溶融金属」から本発明に係る脱炭および脱窒方法により製造される金属を意味し、脱炭および脱窒処理後に該溶融金属に添加されることがあるＳｉやＮｂ，Ｖなどの合金元素やＡｌなどの脱酸元素を含んでもよい。
【００２７】
典型的には、Ｃ：０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：７３質量％以上９２質量％以下、Ｎ≦０．１質量％、残部Ｆｅおよび不純物からなるフェロマンガンや、Ｃ：０．０５質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：１０質量％以上３０質量％以下、Ｎ≦０．０５質量％、残部Ｆｅおよび不純物からなる高Ｍｎ鋼、またはそのＭｎおよび鉄の一部に代えて、Ｓｉを１質量％以下、Ｐを０．５質量％以下、Ｓを０．５質量％以下、Ｃｒを２０質量％以下，Ｃｕを１質量％以下およびＮｉを１０質量％以下からなる群から選ばれた一種または二種以上をさらに含有する高Ｍｎ鋼が例示されるが、それらに限られず、上記の「高Ｍｎ含有溶融金属」から本発明に係る脱炭および脱窒方法により得た全ての金属が対象に含まれる。
【００２８】
但し、精錬処理する意義を考えれば、脱炭量が０．０５質量％以上、かつ、脱窒量が０．００１質量％以上とすることが実際的である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、Ｍｎ濃度の高い溶融金属から量産可能な減圧精錬設備を使用して、Ｍｎの蒸発損失を可及的少量にしながら、効率よく炭素および窒素を除去することが可能となり、Ｍｎを高濃度含む金属を安価に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】炭素除去速度と溶融金属温度および圧力との関係を示すグラフである。
【図２】Ｍｎ蒸発速度と溶融金属温度および圧力との関係を示すグラフである。
【図３】溶融金属温度１５５０℃におけるＭｎ蒸発速度と圧力との関係を示すグラフである。
【図４】７５質量％Ｍｎにおける溶融金属温度が炭素除去速度とＭｎ蒸発速度との比に及ぼす影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の高Ｍｎ含有金属の製造方法について以下に詳しく説明する。なお、以下の記載は、発明の趣旨をより良く理解させるためのものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
【００３２】
１．炭素の除去速度およびＭｎの蒸発速度に精錬条件が与える影響
Ｍｎを１０質量％以上含有する溶融金属の精錬において炭素の除去速度およびＭｎの蒸発速度に精錬条件が与える影響を評価すべく、以下のような試験を行った。Ｍｎを７５質量％、炭素を１質量％、窒素を０．０２質量％含み、残部鉄および不純物（Ｓｉが０．１質量％など）からなる溶融金属１３００ｋｇを保持耐火物にＭｇＯを２５質量％含むマグネシアクロマイトレンガを使用して１４５０〜１７００℃に保持した。脱炭およびＭｎ蒸発を調査するために、溶融金属の保持温度、および雰囲気を種々の圧力に制御しながら、上方に設置した酸素上吹きランスよりその金属表面に向けて酸素を３００Ｎｌ／分で断続的に供給し、適宜試料を採取して溶融合金中の炭素濃度およびＭｎ濃度を求めた。試料採取間での条件における炭素およびＭｎの減少挙動から、炭素の除去速度およびＭｎの蒸発速度を算出し、それらと炉条件の関係を図示した。なお、いずれの除去速度も、溶融金属表面からの単位時間当たりの蒸発量（単位：ｋｇ／ｓ・ｍ２）として求めた。
【００３３】
はじめに、炭素除去速度と溶融金属温度および雰囲気圧力との関係を第１図に示す。炭素を除去するには、溶融金属温度が１５００℃以上、望ましくは１５５０℃以上必要であることがわかる。なお雰囲気圧力は低いことが望ましいが、溶融金属温度が１６５０℃を超えると炭素の除去速度の増大はさほど大きくはならない。
【００３４】
次に、Ｍｎ蒸発速度と溶融金属温度および圧力との関係を第２図に示す。Ｍｎ蒸発速度は、溶融金属温度が高いほど増大する。また雰囲気圧力が低下するほど増大する。雰囲気圧力が６ｋＰａ以上１６ｋＰａ以下の範囲では、溶融金属温度を１５００℃から１６５０℃の範囲にすると、Ｍｎ蒸発速度が０．０１ｋｇ／ｓ・ｍ２以下と比較的低位になることがわかる。特に１５００℃から１６００℃の範囲では、０．００６ｋｇ／ｓ・ｍ２以下にすることが可能である。
【００３５】
圧力の依存性をみるために、溶融金属温度を１５５０℃としたときのＭｎ蒸発速度を第３図に示す。図に示すように、６ｋＰａ以上でＭｎ蒸発速度が低くなっていることがわかる。
【００３６】
さらに溶融金属の温度に好適な領域が存在することを明確にするため、Ｍｎ含有量が７５質量％の溶融金属における溶融金属温度が炭素除去速度とＭｎ蒸発速度との比に及ぼす影響を第４図に示す。この比が大きいと、炭素除去速度の方が高く、脱炭に有利と理解できる。雰囲気圧力が４．０ｋＰａ以下の低い領域では、炭素除去、Ｍｎ蒸発とも活発でその比は小さいが、圧力が６ｋＰａを超えると炭素除去速度に比してＭｎ蒸発速度が減少しその比は大きくなり、１６ｋＰａまで顕著である。しかし１６ｋＰａを超えた２７ｋＰａでは炭素除去速度の低下も顕著となり、速度比も大きくはならないと理解される。
【００３７】
２．本発明に係る精錬方法に供されるＭｎを１０質量％以上含有する溶融金属の化学組成
（１）Ｍｎ：１０質量％以上
本発明に係る精錬方法が適用される溶融金属中のＭｎ濃度を１０質量％以上とする。その理由は、本発明はＭｎのような合金成分として有用な遷移金属元素でありながら、蒸気圧が高く、製鋼温度域で蒸発反応が容易に生じる元素であるためになされたものであり、Ｍｎ濃度が１０質量％を超えるとその蒸発反応における蒸発潜熱が脱炭反応のような他の製鋼反応にも影響を及ぼす濃度だからである。
【００３８】
（２）炭素：０．１質量％以上
本発明に係る精錬方法が適用される溶融金属中の炭素濃度を０．１質量％以上とする。その理由は、脱炭を開始する初期の一酸化炭素分圧が高い方が本発明の利点であるＭｎ蒸発によるＭｎ損失の抑制効果を享受しやすいからである。なお、脱炭を開始する初期の炭素濃度は望ましくは０．２質量％、さらに望ましくは０．５質量％であれば、本発明の利点をより充分に享受できる。上限は特に定めないが、コストを考慮すれば、減圧精錬を適用するので、１．５質量％以下、望ましくは１．０質量％以下に適用することが好適である。
【００３９】
（３）窒素：０．００１質量％以上
本発明に係る精錬方法が適用される溶融金属中の窒素濃度を０．００１質量％以上とする。その理由は、脱窒が脱炭と同時に進行する機構であって、窒素分圧が高い状態の方がその利点を享受しやすいからである。上限は特に定めないが、コストを考慮すれば、減圧精錬を適用するので、０．１質量％以下、望ましくは０．０５質量％以下に適用することが好適である。
【００４０】
（４）残部
本発明に係る精錬方法が適用される溶融金属の残部は、鉄および不純物である。
鉄は、周期律表においてＭｎよりも原子番号で１大きい遷移金属元素である。本発明の化学作用の根幹となる金属の蒸発や酸化挙動は鉄とＭｎは異なるものの、様々な化学的性質は類似し溶融金属にあって溶媒としての性質を示すものである。したがって、Ｍｎ蒸発および炭素除去に影響しない範囲であれば、Ｍｎおよび鉄の一部をその他の元素で置き換えることが許容される。以下、その元素と許容範囲について述べる。
【００４１】
ｉ）Ｓｉ：１質量％以下
Ｓiは、過剰に含まれると本発明で実施するような脱炭を阻害して本発明の効果を享受できなくなるから、１質量％以下であることが望ましい。より望ましくは０．５質量％以下である。
【００４２】
ｉｉ）Ｐ：０．５質量％以下
Ｐは、過剰に含まれると本発明を実施された後にさらにＰを除く処理を要することがあるので、０．５質量％以下が望ましい。
【００４３】
ｉｉｉ）Ｓ：０．５質量％以下
Ｓは、界面活性元素で過剰に含まれると本発明で実施するような脱炭を阻害して本発明の効果を享受できなくなるから０．５質量％以下であることが望ましい。
【００４４】
ｉｖ）Ｃｒ：２０質量％以下
Ｃｒは、周期律表にあってＭｎの近傍にある遷移金属元素であり、本発明の実施対象となるような合金の有用な添加元素であり、溶融金属にあっては溶媒としての性質を示す。一方、本発明を実施する際に脱炭を阻害する要因になるので２０質量％以下であることが望ましい。
【００４５】
ｖ）Ｃｕ：１質量％以下
Ｃｕは、周期律表にあってＭｎの近傍にある遷移金属元素であり、溶融金属にあっては溶媒としての性質を示す。本発明を実施するにあたり、１質量％まで許容される。１質量％を超えると、Ｃｕの蒸発も顕著になり、その影響を考慮する必要が生じる。
【００４６】
ｖｉ）Ｎｉ：１０質量％以下
Ｎｉは、周期律表にあってＭｎの近傍にある遷移金属元素であり、溶融金属にあっては溶媒としての性質を示す。本発明を実施するにあたり、１０質量％まで許容される。１０質量％を超えると、減圧での脱炭が生じやすくなるので、その影響を考慮する必要が生じる。
【００４７】
２．精錬方法
（１）雰囲気圧力
本発明に係る精錬方法における雰囲気圧力について述べる。本発明においては雰囲気圧力を６０００Ｐａ以上１６０００Ｐａ以下にする必要がある。雰囲気圧力が６０００Ｐａ未満ではＭｎ蒸発によるＭｎ収率の低下が著しい。また圧力が１６０００Ｐａを超えると脱炭に時間を要し処理コストの増加が生じる。望ましくは、６０００Ｐａ以上１３０００Ｐａ以下であれば炭素除去速度がより高い条件とすることができる。ここで雰囲気圧力とは、後述する減圧精錬設備の減圧容器の代表的な圧力を指す。
【００４８】
（２）溶融金属温度
本発明の精錬方法における溶融金属温度は１５００℃以上１６５０℃以下である必要がある。溶融金属温度が１５００℃未満では脱炭に時間を要し処理コストの増加が生じる。一方温度が１６５０℃を超えるとＭｎ蒸発によるＭｎ収率の低下が著しい。望ましい溶融金属温度は１５００℃以上１６００℃以下である。
【００４９】
（３）保持容器
その保持容器にはＭｇＯを２０質量％以上含有する耐火物を用いる必要がある。保持容器とは溶融金属を保持するために直接接触する耐火物およびその材質を意味する。ＭｇＯは塩基性酸化物であり、脱炭時に要求される充分な耐熱性と酸素上吹き時に不可避的に生成するＭｎ酸化物であるＭｎＯと接した際にも安定した耐食性を示し、そのＭｎＯの活量が１近傍で安定することに寄与する。そのような耐火物となり得る化合物を例示すれば、マグネシアクロマイト、ドロマイト、マグネシアスピネルなどであり、必要に応じて熱衝撃性を向上させる炭素を含有することも許容される。
【００５０】
（４）精錬設備
使用される減圧精錬設備について述べる。
本発明は、取鍋を容器内に収容して容器ごと減圧するとともに、上方より酸素ガスを供給することが可能な脱炭設備を具備した設備を想定している。すなわち、ＶＯＤ設備、それに電弧加熱設備を具備したＶＡＤ設備、誘導加熱および撹拌機構を具備した真空脱ガス設備等である。また、環流型脱ガス設備でも、酸素ガスを上方から供給する機能を有していれば、原理的に本発明を適用することが可能である。
【実施例】
【００５１】
本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
Ｍｎを１３質量％ないし７６質量％、炭素を０．３質量％ないし1質量％、窒素を０．００４質量％ないし０．０５質量％含み、残部にＳｉやＣｒなどを含むほか鉄および不純物からなる溶融金属１３００ｋｇを高周波誘導加熱真空炉にて溶解した。
【００５２】
保持耐火物にはＭｇＯを２５質量％含むマグネシアクロマイトレンガを使用した。この炉は、炉底部に設けた多孔質耐火物羽口を有するので、溶融金属を高周波誘導による撹拌、および羽口からの不活性ガス撹拌が可能である。
【００５３】
溶融金属の保持温度、および雰囲気圧力に制御するとともに、上方に設置した水冷型の酸素上吹きランスよりその溶融金属表面に向けて酸素を３００Ｎｌ／分で断続的に供給した。
【００５４】
脱炭のための減圧装置には、蒸気エジェクターポンプを使用した。
適宜試料を採取して溶融合金中の炭素濃度およびＭｎ濃度を求めた。試料採取間での条件における炭素、窒素およびＭｎの減少挙動を表１に示す。なお、表１における「処理後化学組成」の欄には、処理後の溶融金属の化学組成のうち、Ｍｎ，ＣおよびＮについての含有量のみを示した。
【００５５】
【表１】
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【００５６】
本発明に係る評価の判定基準として、１０分間あたりの減少量で、Ｍｎは０．４質量％以下、炭素は０．０５質量％以上、窒素は０．００１質量％以上を良好とした。
表１に示すように、本発明によれば、１０分間の減圧酸素上吹き処理で、Ｍｎ蒸発は抑制できると共に、脱炭および脱窒処理を効率的に行うことができた。一方、同表の比較例Ｄに示すように雰囲気圧力が高い場合には脱炭、脱窒が生じなかった。比較例Ｅに示すように雰囲気圧力が低い場合にはＭｎ蒸発が著しかった。比較例Ｆに示すように、溶融金属温度が低い場合には脱炭、脱窒が生じなかった。比較例Ｇに示すように、溶融金属温度が高い場合にはＭｎ蒸発が著しかった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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