(57)【要約】【課題】二次精錬の全工程を減圧下で行うことにより、生産性を阻害することなく、容易に酸素含有量の極めて低い清浄鋼を得ることのできる清浄鋼の製造方法を提供する。【解決手段】溶鋼の二次精錬を第１工程および第２工程に分離し、前記第１工程では取鍋内に収容した溶鋼に対して減圧下でスラグを用いた精錬および溶鋼の昇熱処理を行い、続く第２工程では取鍋内と減圧槽内との間で溶鋼を環流させることにより介在物の分離除去処理を行う清浄鋼の製造方法である。溶鋼と接する雰囲気の真空度を１．３３×１０4Ｐａ以下とし、取鍋底部からの不活性ガスの供給量を１．２５Ｌ／分／ｔ以下とし、溶鋼の昇熱のための投入電力を５０ｋＷ以下とし、溶鋼の環流時間を１０分以上とすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼の二次精錬を第１工程および第２工程に分離し、前記第１工程では取鍋内に収容した溶鋼に対して減圧下でスラグを用いた精錬および溶鋼の昇熱処理を行い、続く第２工程では取鍋内と減圧槽内との間で溶鋼を環流させることにより介在物の分離除去処理を行うことを特徴とする清浄鋼の製造方法。
【請求項２】
前記の溶鋼の二次精錬を行うにあたり、溶鋼と接する雰囲気の真空度を１．３３×１０4Ｐａ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の清浄鋼の製造方法。
【請求項３】
前記のスラグを用いた精錬を行うにあたり、取鍋底部から不活性ガスを溶鋼１トン（ｔ）当たり１．２５リットル（Ｌ）／分以下の流量で供給することを特徴とする請求項１または２に記載の清浄鋼の製造方法。
【請求項４】
前記の溶鋼の昇熱を行うにあたり、昇熱のために投入する電力量を溶鋼１トン（ｔ）当たり５０ｋＷ以下とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の清浄鋼の製造方法。
【請求項５】
前記の溶鋼の環流による介在物の分離除去において、溶鋼の環流時間を１０分以上とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の清浄鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非金属介在物の含有量の少ない清浄鋼の製造方法に関し、さらに詳しくは、溶鋼の二次精錬に際し、真空アーク脱ガス炉および環流式真空脱ガス装置を用いて清浄鋼を安定して溶製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、軸受鋼などに代表される清浄鋼では、より高い清浄性が要求されており、その実現のために疲労強度や冷間加工性に大きく影響を及ぼす非金属介在物の含有量を低減させ、鋼の清浄性の指針となる酸素含有量を低下させることが求められている。これに対応して、従来より清浄鋼の製造には、真空アーク脱ガス法（以下、「ＶＡＤ法」とも記す）や取鍋精錬（ＬＦ）−環流式真空脱ガス（ＲＨ）プロセス法（以下、「ＬＦ−ＲＨ法」とも記す）が積極的に採用されてきた。しかしながら、上記ＶＡＤ法やＬＦ−ＲＨ法には以下に述べる問題がある。
【０００３】
ＶＡＤ法による清浄鋼の製造においては、精錬処理を減圧下で行うため、処理中に大気の侵入による溶鋼酸化の影響を受けないという利点があるが、脱ガス処理時における取鍋内のスラグの流動を制御することが困難であることから、鋼中にはスラグに起因する介在物、またスラグの流動による耐火物の溶損に起因する介在物が存在する。このような理由から、ＶＡＤ法により安定して製造することが可能な鋼中の酸素含有量は８ｐｐｍ程度であり、今日の清浄鋼に対する厳しい基準に対応するためには十分とはいえない。
【０００４】
この問題に対して、特許文献１には、底部に不活性ガス吹込み口を備えた溶鋼取鍋を収容する精錬炉容器と、アーク加熱用電極を有し、真空下で溶鋼の加熱または脱ガスを行う精錬炉であって、脱ガス時に溶鋼中に浸漬してその内側に溶鋼の露出部分を確保するための円筒型耐火物（シュノーケル）を有し、この円筒型耐火物の内径と取鍋内径との比が規定され、溶鋼中への円筒型耐火物の浸漬深さが調節可能とされた精錬炉が開示されている。この炉を使用すれば、溶鋼中に浸漬するシュノーケルの内径を適度に拡大することにより、取鍋内の溶鋼が攪拌されにくくなるので、スラグの巻き込みを抑制することは可能である。しかし、一方では、新たに耐火物を溶鋼中へ浸漬させることになるため、アーク加熱によって溶損する耐火物量が増大し、耐火物に起因する介在物量は逆に増加するおそれがある。
【０００５】
一方、ＬＦ−ＲＨ法による清浄鋼の製造では、スラグによる精錬および介在物の浮上分離機能がＬＦおよびＲＨプロセスにより分担されているので、スラグおよび溶損耐火物に起因する鋼中介在物量は、ＶＡＤ法による場合と比較して低水準である。しかし、ＬＦ処理は大気雰囲気中で行われるため、大気の巻き込みを完全に防止することはできず、これが鋼中の酸素含有量を上昇させる原因となる。
【０００６】
この問題に対して、特許文献２には、溶鋼を取鍋精錬炉に移注して精錬し、次いで環流式真空脱ガスを行う鋼の製造工程において、取鍋精錬炉における精錬を６０分以下とし、環流式真空脱ガス装置による溶鋼の環流量を全溶鋼の８倍以上として脱ガスを２５分以上行う高清浄度鋼の製造方法が開示されている。同文献に開示された方法によれば、耐火物あるいはスラグからの汚染による鋼中酸素含有量の上昇を防止するとともに、大型介在物の生成を防止することにより、清浄度の高い鋼を製造することができるとされている。
【０００７】
しかし、生産性および製造コストの観点から、環流式真空脱ガス装置において工業的に許容される環流時間は、通常、長くとも１５〜２０分程度が限界である。したがって、この方法を実操業に適用することによって安定的に酸素含有量の低い鋼を得ることは困難である。このような理由から、ＬＦ−ＲＨプロセス法により安定的に製造することが可能な鋼の酸素含有量は６ｐｐｍ程度であり、この精錬方法を用いたとしても、最近の厳しい清浄鋼の基準に対しては十分な対応ができない。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１７００１５号公報（特許請求の範囲および段落［００１０］）
【特許文献２】特開２００１−３４２５１６号公報（特許請求の範囲および段落［０００７］〜［００１２］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記した従来方法の問題点に鑑みてなされたものであり、減圧下において溶鋼を精錬することにより、生産性を阻害することなく、かつ容易に酸素含有量が４．５ｐｐｍ以下の清浄鋼を製造することのできる清浄鋼の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上述の課題を解決するために、大気による酸化を受けない状態でスラグおよび溶損耐火物に由来する鋼中の介在物を効果的に除去し、生産性の低下をともなうことなく、酸素含有量の低い清浄鋼を容易に溶製できる清浄鋼の製造方法を検討し、下記の（ａ）〜（ｄ）の知見を得て、上記の本発明を完成させた。
【００１１】
（ａ）溶鋼の二次精錬を、スラグを用いた溶鋼の精錬（以下、「スラグ精錬」ともいう）および溶鋼の昇熱工程、ならびに溶鋼の環流による溶鋼中介在物の分離除去工程に分離し、両工程を減圧下にて行うことにより、大気による溶鋼の酸化を防止し、かつ、鋼中の介在物を効率的に除去して、酸素含有量の極めて低い清浄鋼を製造することができる。
【００１２】
（ｂ）前記（ａ）の両工程において大気による溶鋼の酸化を十分に抑制するとともに溶鋼の攪拌を促進するためには雰囲気の真空度を１．３３×１０4Ｐａ以下（１００Ｔｏｒｒ以下）とすることが好ましい。また、溶鋼のスラグ精錬を行うに際しては、取鍋底部から攪拌ガスとして例えばアルゴンガスのような不活性ガスを供給し、その供給量は、溶鋼中へのスラグの巻き込みを助長しにくい範囲である溶鋼１トン（ｔ）当たり１．２５リットル（Ｌ）／分以下（以下、「１．２５Ｌ／分／ｔ以下」とも記す）とすることが好ましい。
【００１３】
（ｃ）溶鋼の昇熱に際しては、取鍋耐火物の溶損による溶鋼の清浄性の低下を抑制する観点から、昇熱のための投入電力量を溶鋼１トン（ｔ）当たり５０ｋＷ以下（以下、「５０ｋＷ／ｔ以下」とも記す）とすることが好ましい。
【００１４】
（ｄ）溶鋼の環流による溶鋼中介在物の分離除去工程では、溶鋼中の介在物を十分に分離除去するために、溶鋼の環流時間を１０分以上とすることが好ましい。
【００１５】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（５）に示される清浄鋼の製造方法にある。
【００１６】
（１）溶鋼の二次精錬を第１工程および第２工程に分離し、前記第１工程では取鍋内に収容した溶鋼に対して減圧下でスラグを用いた精錬および溶鋼の昇熱処理を行い、続く第２工程では取鍋内と減圧槽内との間で溶鋼を環流させることにより介在物の分離除去処理を行うことを特徴とする清浄鋼の製造方法（以下「第１発明」とも記す）。
【００１７】
（２）前記の溶鋼の二次精錬を行うにあたり、溶鋼と接する雰囲気の真空度を１．３３×１０4Ｐａ以下とすることを特徴とする前記（１）に記載の清浄鋼の製造方法（以下「第２発明」とも記す）。
【００１８】
（３）前記のスラグを用いた精錬を行うにあたり、取鍋底部から不活性ガスを溶鋼１トン（ｔ）当たり１．２５リットル（Ｌ）／分以下の流量で供給することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の清浄鋼の製造方法（以下「第３発明」とも記す）。
【００１９】
（４）前記の溶鋼の昇熱を行うにあたり、昇熱のために投入する電力量を溶鋼１トン（ｔ）当たり５０ｋＷ以下とすることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の清浄鋼の製造方法（以下「第４発明」とも記す）。
【００２０】
（５）前記の溶鋼の環流による介在物の分離除去において、溶鋼の環流時間を１０分以上とすることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の清浄鋼の製造方法（以下「第５発明」とも記す）。
【００２１】
本発明において、「二次精錬」とは、鋼の製鋼過程において、転炉またはアーク溶解炉から出鋼された鋼を、溶鋼中のガス成分量の調整、介在物量の減少などを目的として、減圧条件下、不活性ガス雰囲気下などの雰囲気中で処理する精錬を意味する。
【００２２】
「減圧下」とは、雰囲気圧力が１．６×１０4Ｐａ以下（１２０Ｔｏｒｒ以下）の場合を意味し、「清浄鋼」とは、酸素含有量すなわち、鋼中の溶存酸素および介在物中の酸素の合計量である全酸素含有量が４．５ｐｐｍ以下である鋼を意味する。
【００２３】
「不活性ガス」とは、周期律表１８族の元素を意味し、例えばアルゴン、ヘリウム、ネオンなどのガスが該当し、鋼の精錬工程では一般にアルゴンガスが使用される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の清浄鋼の製造方法によれば、溶鋼のスラグ精錬および昇熱工程ならびに介在物の分離除去工程を分け、それら一連の精錬工程における処理を減圧雰囲気中において行うので、大気酸化の影響を受けることなく、スラグおよび溶損耐火物に由来する鋼中介在物を効率的に分離除去することができる。その結果、本発明の方法によれば、ＲＨ脱ガス処理における環流時間の延長などによる生産性の低下をともなうことなく、鋼中酸素含有量の極めて低い清浄鋼を安定的に、かつ容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の方法は、前記のとおり、溶鋼の二次精錬を第１工程および第２工程に分離し、前記第１工程では取鍋内に収容した溶鋼に対して減圧下でスラグを用いた精錬および溶鋼の昇熱処理を行い、続く第２工程では取鍋内と減圧槽内との間で溶鋼を環流させることにより介在物の分離除去処理を行う清浄鋼の製造方法である。以下に、本発明の方法についてさらに詳しく説明する。
【００２６】
図１は、本発明の清浄鋼の製造方法を模式的に示す系統図であり、同図において、破線により囲まれた部分が本発明で対象とする工程範囲である。
【００２７】
１）アーク溶解炉または転炉により酸化精錬した溶鋼を、所望の成分組成および温度に調整した後、取鍋に注入する。
【００２８】
２）スラグストッパー、スラグドラッガーなどにより取鍋内のスラグを除去した後、取鍋を真空アーク脱ガス炉（ＶＡＤ）などの真空槽内に配置し、取鍋内の溶鋼の上部にスラグを添加する。
【００２９】
３）二次精錬の第１工程では、取鍋底部から攪拌ガスとしてアルゴンガスなどの不活性ガスを供給し、取鍋中の溶鋼を還元精錬する（図１中の（ａ）により示す処理）。還元精錬処理中の溶鋼と接する雰囲気の真空度は、大気による溶鋼の酸化を十分に防止するとともに溶鋼の攪拌を促進できる程度の真空度とすることが必要であり、１．３３×１０4Ｐａ以下とすることが好ましい。
【００３０】
なお、期待効果を得る上で真空度の下限値を特に規定する必要はないが、実際の操業においては、設定真空度が低すぎると、設定真空度に到達するまでの所要時間が長くなり、その結果、処理時間が延長されることとなる。したがって、操業能率の面から、上記真空度は１．３３×１０3Ｐａ以上とすることが好ましい。
【００３１】
４）上記３）の二次精錬第１工程において、取鍋底部から攪拌ガスとして供給する不活性ガスの好ましい流量の範囲を確認するため、不活性ガスの供給量が鋼中の酸素含有量に及ぼす効果について調査試験を行った。試験は、表１に示される成分組成を有する溶鋼を使用し、表２に示されるとおりの条件でＡｒガス供給量を変化させて行った。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
表２に示したとおり、上記の調査試験では、二次精錬の第１工程に用いたＶＡＤ法において、取鍋底部から溶鋼中に供給するＡｒガスの流量を変化させ、鋼中の酸素含有量に及ぼす効果を調査した。
【００３５】
図２は、本発明法による処理後の鋼中酸素含有量に及ぼす第１工程でのＡｒガス供給量の効果を示す図である。図２の結果によれば、鋼中酸素含有量はＡｒガス供給量が低下するにつれて低下し、鋼中酸素含有量を４．０ｐｐｍ以下とするためには、Ａｒガス供給量を１．２５Ｌ／分／ｔ以下とすることが好ましいことがわかる。この理由は、不活性ガスの流量が多すぎると溶鋼中へのスラグ巻き込みが助長されるからである。
【００３６】
なお、不活性ガスの流量が少なすぎると溶鋼の攪拌力が低下するので、還元精錬の効果を確保する観点から、Ａｒガス供給量は０．６３Ｌ／分／ｔ以上とすることが好ましい。
【００３７】
５）上記３）の二次精錬第１工程における還元精錬と並行して、溶鋼の昇熱処理を行う（図１中の（ｂ）により示す処理）。昇熱は、溶鋼中に挿入した電極を介して溶鋼に通電する一般的な昇熱方式によればよい。
【００３８】
溶鋼の昇熱処理のための投入電力量が鋼中の酸素含有量に及ぼす効果を調査するため、前記と同様に表１に示される成分組成を有する溶鋼を使用し、二次精錬第１工程のＶＡＤ法の条件を表３に示すとおり変化させて試験を行った。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
図３は、本発明法による処理後の鋼中酸素含有量に及ぼす第１工程での昇熱用投入電力原単位の効果を示す図である。図３の結果から、鋼中酸素含有量は昇熱用投入電力原単位の増加とともに上昇すること、および、鋼中酸素含有量を４．０ｐｐｍ以下とするためには、昇熱用投入電力原単位（溶鋼１ｔ当たりの昇温用投入電力量）を５０ｋＷ／ｔ以下とすることが好ましいことがわかる。その理由は、昇熱用投入電力原単位が５０ｋＷ／ｔを超えて高くなると、取鍋耐火物の溶損量が増大し、溶鋼の清浄性が低下しやすくなるからである。
【００４１】
６）さらに、上記３）〜５）の二次精錬第１工程における還元精錬および溶鋼の昇熱とともに、溶鋼の成分組成の粗調整を行ってもよい（同図中の（ｃ）により示す処理）。
【００４２】
７）還元精錬、溶鋼の昇熱および成分組成の粗調整が終了した溶鋼を、二次精錬の第２工程において、ＲＨ真空脱ガス装置などの環流式真空脱ガス装置を用いて環流させることにより溶鋼の脱ガス処理を行う（同図中の（ｄ）により示す処理）。上記の処理とともに溶鋼成分組成の最終調整を行うこともできる。二次精錬の第２工程において、溶鋼の環流時間が短いと介在物の十分な分離除去が行われない可能性があるので、環流時間は１０分以上とすることが好ましい。なお、生産性を確保し、製造コストを抑制する観点から、環流時間は１５分以下とすることが好ましい。
また、減圧槽内の真空度は、前記二次精錬の第１工程中の（ａ）の場合と同様に、１．３３×１０4Ｐａ以下とすることが好ましい。
【００４３】
上記の方法によれば、溶鋼のスラグ精錬機能および溶鋼中の介在物の分離除去機能を分離し、かつ一連の精錬処理を減圧下で行うので、大気による溶鋼酸化の影響を完全に排除した状態でスラグおよび溶損耐火物に起因する鋼中介在物を効率的に分離除去することができる。その結果、鋼中酸素含有率が４．５ｐｐｍ以下の清浄鋼を安定して、かつ簡便に製造することが可能である。
【実施例】
【００４４】
本発明に係る清浄鋼の製造方法の効果を確認するため、下記に示す鋼の製造試験を行い、その結果を評価した。
【００４５】
前記の表１に示す成分組成を有する溶鋼を用い、図１に示す工程にしたがって精錬を行った。表４に、本発明例および比較例の各試験条件を示した。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
同表において、試験番号１〜６は、本発明で規定する条件を満足する本発明例についての試験であり、二次精錬の第１工程としてＶＡＤ法を、また、同第２工程としてＲＨ真空脱ガス法を使用した。これに対して、試験番号７は、二次精錬第１工程のＶＡＤ法による処理のみを行い、同第２工程の処理を行わなかった比較例についての試験であり、試験番号８は、同第１工程として大気圧下での処理を行うＬＦ法を用い、また、同第２工程としてＲＨ法を用いるＬＦ−ＲＨ法を適用した比較例についての試験である。
【００４８】
図４は、本発明例および比較例についての試験における鋼中酸素含有量の低減状況を示す図である。
【００４９】
本発明で規定する条件を満足する本発明例の試験番号１〜６では、本発明例で規定する条件を満たさない比較例の試験番号７および８に比較して、鋼中酸素含有量が３．５〜４．５ｐｐｍ程度にまで低減されており、鋼の清浄性が著しく向上している。
【００５０】
試験番号１〜６のうちで、試験番号１および６の試験は、第２発明で規定する真空度、第３発明で規定する不活性ガス供給量、第４発明で規定する投入電力量および第５発明で規定する溶鋼の環流時間のいずれの条件をも満足する試験である。これらの試験番号１および６の試験では、上記の真空度の条件を満たさない試験番号２、不活性ガス供給量の条件を満たさない試験番号３、投入電力量の条件を満たさない試験番号４および溶鋼環流時間の条件を満たさない試験番号５のいずれの場合よりも、鋼中酸素含有量が低下しており、特に良好な清浄性が得られている。
【００５１】
上記の本発明例に対して、比較例についての試験である試験番号７および８では、鋼中酸素含有量が６〜８ｐｐｍ程度と高く、鋼の清浄性は劣ったものとなった。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の清浄鋼の製造方法によれば、溶鋼のスラグ精錬および昇熱工程ならびに介在物の分離除去工程を分け、それら一連の精錬工程における処理を減圧雰囲気中において行うので、大気酸化の影響を全く受けることなく、スラグおよび溶損耐火物に由来する鋼中介在物を効率的に分離除去することができる。その結果、本発明の方法によれば、ＲＨ脱ガス処理における環流時間の延長などによる生産性の低下をともなうことなく、鋼中酸素含有量の極めて低い清浄鋼を安定的に、かつ容易に製造することができる。したがって、本発明の方法は、酸素含有量が４．５ｐｐｍ以下の清浄鋼を、生産性を阻害することなく、かつ容易に製造できる清浄鋼の製造方法として、精錬技術分野において広範に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の方法を模式的に示す系統図である。
【図２】本発明法による処理後の鋼中酸素含有量に及ぼす第１工程でのＡｒガス供給量の効果を示す図である。
【図３】本発明法による処理後の鋼中酸素含有量に及ぼす第１工程での昇熱用投入電力原単位の効果を示す図である。
【図４】本発明法および比較法による鋼中の酸素含有量の低減状況を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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