(57)【要約】  【課題】鉛を含有しない高硫黄含有鋼を安定した硫黄含有率のもとに安価に溶製する方法、およびＴｅを高歩留りで含有する高硫黄含有鋼の溶製方法を提供する。  【解決手段】（１）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％およびＯ：０．００８〜０．０２０％を含有する高硫黄含有鋼の製造方法であって、取鍋内スラグ精錬の際の溶鋼中のＭｎ含有率を１．５％以下およびスラグ中のＭｎＯ含有率を２５〜４０％とするとともに、前記精錬において、溶鋼の攪拌指数を１０〜１００（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）に調整する高硫黄含有鋼の製造方法。（２）前記の鋼に、さらにＴｅを０．００１〜０．０７％含有させ、Ｔｅの添加後において溶鋼の攪拌指数を１０（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）以上に調整する高硫黄含有鋼の製造方法。【選択図】  図１
2006028575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％およびＯ（酸素）：０．００８〜０．０２０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高硫黄含有鋼の製造方法であって、取鍋内においてスラグと接触させて精錬する際の溶鋼中のＭｎ含有率を１．５質量％以下およびスラグ中のＭｎＯ含有率を２５〜４０質量％とし、かつ、前記精錬において、溶鋼の単位質量当たりの攪拌エネルギーである溶鋼の攪拌指数の値を１０〜１００（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）の範囲に調整することを特徴とする高硫黄含有鋼の製造方法。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％、Ｏ（酸素）：０．００８〜０．０２０％およびＴｅ：０．００１〜０．０７％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高硫黄含有鋼の製造方法であって、Ｔｅを含有しない溶鋼を取鍋内においてスラグと接触させて精錬する際の溶鋼中のＭｎ含有率を１．５質量％以下およびスラグ中のＭｎＯ含有率を２５〜４０質量％とし、かつ、前記精錬において、溶鋼の単位質量当たりの攪拌エネルギーである溶鋼の攪拌指数の値を１０〜１００（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）の範囲に調整するとともに、精錬後期でのＴｅ添加後において、前記溶鋼の攪拌指数の値を１０（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）以上の範囲に調整することを特徴とする高硫黄含有鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境に負荷が大きい元素である鉛を実質的に含まない高硫黄含有快削鋼の製造に際して、硫黄およびＭｎ含有率が高く、かつ、酸素含有率を０．００８〜０．０２０質量％の範囲に確実かつ安定に制御し、さらに製鋼段階での硫黄歩留まりを高位かつ安定に制御することにより、安価で確実な高硫黄含有鋼を溶製する方法に関する。
【０００２】
さらに、より被削性を向上させるＴｅを含有する高硫黄含有快削鋼の製造に際して、高価なＴｅを可及的少量で有効に添加できる溶製方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の低炭素硫黄系快削鋼においては、その合金成分組成範囲は、一般に質量％でＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：≦０．０３％、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｓ：０．１５〜０．４０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％の範囲にあり、また、さらに被削性を高めるため、Ｐｂ：０．０５〜０．４％を含有し、残部が鉄からなるものも用いられていた。また、このような鋼成分組成を基本として、被削性を安定させるためにＭｎＳ系介在物を粗大化させることが有効とされており、そのためには、Ｏ（酸素）を０．００８〜０．０２０％の範囲で含有させることがよいとされてきた。
【０００４】
しかしながら、近年、環境への負荷を軽減する観点から、鉛を含有しない低炭素硫黄系快削鋼が求められるようになってきた。このような低炭素硫黄系快削鋼は、鉛を実質的に含有しない代わりに、硫黄（以下、「Ｓ」とも記す）含有率を高めることによって被削性を改善するものであり、従来の規格を超えた高Ｓ鋼およびその加工方法の開発が進められるようになってきた。
【０００５】
また、従来のＳ含有率を上回る低炭素Ｓ系快削鋼を安定かつ確実に製造するためには、溶鋼段階における製鋼法についても、従来の製鋼条件を見直し、最適化する必要に迫られてきた。
【０００６】
従来鋼の製造方法としては、例えば、特許文献１に、スラグ中のＭｎＯおよび鋼中のＭｎ量を制御することによって、鋼中の酸素量を調整する低炭素硫黄系快削鋼の製造方法が開示されている。しかし、特許文献１に示されている鋼中の酸素含有率とスラグ中のＭｎＯ濃度（ＭｎＯのモル分率）および鋼中のＭｎ含有率の関係式によれば、Ｍｎ含有率が１．５％の場合には、ＭｎＯのモル分率が０．３を超えなければ鋼中酸素濃度が８０ｐｐｍ以上を確保できないことになり、スラグ中に多量のＭｎＯを共存させる必要がある。さらには、従来の製鋼条件では、Ｓの増加に伴ってＳ歩留まりは悪化し、Ｓ含有率も不安定になると考えられるが、同文献においてはこのような点についても考慮がなされていない。
【０００７】
また、このような高Ｓ鋼を基本として、Ｔｅを添加する場合の鋼の製造方法については知られていないため、高価な添加元素であるＴｅを有効かつ高い制御性のもとに含有させる鋼の溶製方法は、全く未知の状態であった。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３１５２２号公報（特許請求の範囲および段落［０００６］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その課題は、鉛を実質的に含有せずに、従来の低炭素硫黄系快削鋼を上回る高いＳ含有率を有する鋼を製造するに際して、溶製段階において、目標の酸素含有率を得るとともに、所期のＳ含有率を安定かつ確実に得ることのできる安価で確実な高硫黄含有鋼の溶製方法を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の別の課題は、一層被削性を向上させるＴｅを含有する高硫黄含有快削鋼の製造に際して、高価なＴｅを高い歩留まりで有効に添加できる溶製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、従来の低炭素硫黄系快削鋼の実機製造プロセスにおける溶製過程を改めて検討し直し、下記の（ａ）〜（ｆ）の知見を得て、本発明を完成させた。
【００１２】
（ａ）低炭素Ｓ系快削鋼における酸素含有率は、転炉などの製鋼炉から取鍋への出鋼段階および取鍋内においてスラグと接触させて行う精錬（以下、「取鍋スラグ精錬」とも記す）の段階での諸条件により支配される。出鋼段階では、熱力学的平衡値よりも過剰な酸素が鋼中に過飽和状態または酸化物として懸濁した状態になっており、スラグ精錬段階では、これらの過剰な酸素が徐々に減少する状況にある。
【００１３】
（ｂ）硫黄含有率についても同様であり、出鋼段階において黄鉄鉱などの硫黄源が過剰に添加された後、スラグ精錬段階でこの過剰なＳが徐々に減少する過程において、所定のＳ含有率に到達させる操作がなされる。
【００１４】
（ｃ）本発明の対象鋼は、実質的に鉛を含まず、Ｓ含有率が０．４０〜０．７０質量％と従来鋼に比して高いので、硫黄源が添加された後のスラグ精錬におけるＳ含有率の低下速度はさらに大きくなる。また、被削性を改善するためのＭｎＳ系介在物を有効に形成させるためには、Ｓ含有率の増加分に見合ってＭｎ含有率を増加させる必要がある。
【００１５】
（ｅ）上記（ｃ）のように高いＭｎ含有率のもとでは、脱酸反応および脱硫反応がともに進行しやすいため、スラグ精錬段階での溶鋼中の酸素含有率およびＳ含有率の減少速度を、適切かつ確実に、制御する必要がある。これらの制御は、出鋼段階での主要成分組成およびスラグ精錬段階での攪拌強度を適正化することにより、可能である。
【００１６】
（ｆ）さらに、被削性向上元素のＴｅを添加する場合には、Ｔｅを鋼中に確実に溶解させる必要がある。スラグ精錬段階の後期にＴｅを添加し、かつ、攪拌強度を適正化することにより、Ｔｅの蒸発による損失を防止するとともに、スラグ中への移行による損失を防止し、溶鋼中にＴｅを確実に溶解させることができる。
【００１７】
本発明は、上記の知見に基いて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）および（２）に示す高硫黄含有鋼の製造方法にある。
【００１８】
（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％およびＯ（酸素）：０．００８〜０．０２０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高硫黄含有鋼の製造方法であって、取鍋内においてスラグと接触させて精錬する際の溶鋼中のＭｎ含有率を１．５質量％以下およびスラグ中のＭｎＯ含有率を２５〜４０質量％とし、かつ、前記精錬において、溶鋼の単位質量当たりの攪拌エネルギーである溶鋼の攪拌指数の値を１０〜１００（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）の範囲に調整する高硫黄含有鋼の製造方法（以下、「第１発明」とも称する）。
【００１９】
（２）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％、Ｏ（酸素）：０．００８〜０．０２０％およびＴｅ：０．００１〜０．０７％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高硫黄含有鋼の製造方法であって、Ｔｅを含有しない溶鋼を取鍋内においてスラグと接触させて精錬する際の溶鋼中のＭｎ含有率を１．５質量％以下およびスラグ中のＭｎＯ含有率を２５〜４０質量％とし、かつ、前記精錬において、溶鋼の単位質量当たりの攪拌エネルギーである溶鋼の攪拌指数の値を１０〜１００（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）の範囲に調整するとともに、精錬後期でのＴｅ添加後において、前記溶鋼の攪拌指数の値を１０（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）以上の範囲に調整する高硫黄含有鋼の製造方法（以下、「第２発明」とも称する）。
【００２０】
本発明において、「取鍋」とは、一般の取鍋はもちろんのこと、転炉形式の精錬容器など、本発明における取鍋スラグ精錬の目的のために使用できる精錬容器を意味する。
【００２１】
「攪拌指数」とは、溶鋼の単位質量当たりの攪拌エネルギーを意味し、例えば、下記（１）式により求められる量をいう。
【００２２】
Ｚ＝１０-3×∫εｄθ      ・・・・（１）
ここで、Ｚは攪拌指数（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）を、εは攪拌動力密度（Ｗ／ｔ−溶鋼）を、そして、θは取鍋精錬時間（ｓ）を、それぞれ表す。
【００２３】
上記（１）式における攪拌動力密度とは、溶鋼単位質量（１ｔ）当たり、単位時間（１ｓ）当たりの攪拌エネルギーを意味し、例えば、取鍋底部から不活性ガスを吹き込むことにより攪拌を行う場合には、後出の（２）式により算出される量をいう。
【００２４】
また、「精錬後期」とは、主要成分が目標の含有率になるように精錬操作が概ね終了し、Ｔｅを含む微量元素の含有量の調整や鋳造を実施するための温度調整を行う段階を意味する。
【００２５】
なお、明細書の以下の記載において、成分組成を表す含有率の「％」は「質量％」を意味するものとする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の方法によれば、高Ｓ含有鋼の製造において、取鍋スラグ精錬における溶鋼中Ｍｎ含有率およびスラグ中ＭｎＯ含有率ならびに溶鋼の攪拌指数を調整することにより、従来は制御が困難であった溶鋼中酸素含有率およびＳ含有率の制御性を高め、Ｓ歩留りの高い安定した品質の高Ｓ含有鋼を安価に製造できる。したがって、Ｐｂ快削鋼に替わる高Ｓ含有快削鋼を安価に供給でき、さらに、高いＴｅ歩留りと制御性のもとに安定した品質のＴｅ含有高Ｓ快削鋼を供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％およびＯ（酸素）：０．００８〜０．０２０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高硫黄含有鋼の製造方法であって、取鍋内においてスラグと接触させて精錬する際の溶鋼中のＭｎ含有率を１．５質量％以下およびスラグ中のＭｎＯ含有率を２５〜４０質量％とし、かつ、前記精錬において、溶鋼の単位質量当たりの攪拌エネルギーである溶鋼の攪拌指数の値を１０〜１００（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）の範囲に調整する高硫黄含有鋼の製造方法である。以下に、本発明の範囲を前記のとおり限定した理由および好ましい範囲について説明する。
【００２８】
（Ａ）高硫黄含有鋼の成分組成
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、鋼の強度および靱性を得るのに必要な元素である。快削性を最重要特性とする快削鋼にあって、必要な引張強度および疲労強度を得るには、Ｃ含有率を０．０１％以上とする必要がある。しかし、その含有率が０．１５％を超えて高くなると、快削鋼の基本的特性である母材の加工性が悪化する。そこで、Ｃ含有率の適正範囲を０．０１〜０．１５％とした。
【００２９】
Ｓｉ:≦０．０３％
Ｓｉは、鋼の脱酸作用および固溶強化作用を有する元素である。後述する範囲の鋼中の酸素含有率を確保するためには、Ｓｉ含有率を０．０３％以下とする必要がある。
【００３０】
Ｍｎ：０．９〜２．０％
Ｍｎは、鋼中においてＳと結合してＭｎＳを形成し、被削性を高める作用を有するとともに、脱酸元素としても機能する元素である。ＭｎＳを形成させることにより圧延時の脆性原因となるＦｅＳの生成を抑制するためには、Ｍｎを０．９％以上含有させることが必要である。一方、Ｍｎ含有率が２．０％を超えて高くなると、脱酸作用が強くなり本発明の要件である酸素含有率０．００８％以上を安定して確保することが難しくなる。そこで、Ｍｎ含有率の適正範囲を０．９〜２．０％とした。
【００３１】
Ｓ：０．４０〜０．７０％
鋼中のＳは、ＭｎＳを形成して、被削性を高めるために必須の元素である。Ｐｂを実質的に含有しない状態で、従来のＰｂを含有する快削鋼に匹敵する被削性の向上効果を得るためには、Ｓ含有率を０．４０％以上とする必要がある。しかし、その含有率が０．７０％を超えて高くなると、圧延時における割れの発生が顕著になり、また、鋼の機械的特性が著しく劣化する。そこで、Ｓ含有率の適正範囲を０．４０〜０．７０％とした。なお、
被削性向上と鋼材としての機械的特性の圧延方向の異方性とをバランスさせる観点から、好ましい含有率の範囲は０．５０〜０．６０％である。
【００３２】
Ｐ：０．０１〜０．２０％
Ｐは、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる作用があり、被削性の向上に効果を有する元素である。その効果を得るためには、０．０１％以上を含有させる必要がある。一方、Ｐの含有率が高くなると、鋼の靱性を劣化させ、また、延性を低下させるので、その含有率は０．２０％以下とする。Ｐは、その含有率が０．２０％以下の範囲であれば、固溶強化作用を有する元素であり、材料としての必要強度を考慮して、その含有率を決定することができる。また、Ｐは、鉄鉱石やスクラップに随伴して持ち込まれる場合が多く、脱燐あるいは加燐を行う場合には、これらが製造コストの増加要因となるので、この点を考慮して成分組成を決定する必要がある。上記の理由から、Ｐ含有率の適正範囲を０．０１〜０．２０％とした。
【００３３】
Ｎ：０．００３〜０．０３０％
Ｎは、鋼中では窒化物を形成して結晶粒界に偏在し、ＭｎＳとともに被削性の向上に寄与する元素である。その作用を確実なものとするためには、Ｎ含有率を０．００３％以上とする必要がある。一方、Ｎ含有率が０．０３０％を超えて高くなると、窒化物が粗大化し、かえって工具の摩耗を顕在化させる。そこで、Ｎ含有率の適正範囲を０．００３〜０．０３０％とした。
【００３４】
Ｏ（酸素）：０．００８〜０．０２０％
酸素は、鋼中では酸化物系介在物としてＭｎＳとともに存在し、被削性の向上に対して有用な効果をもたらす元素である。すなわち、酸素が酸化物系介在物としてＭｎＳと共存すると、ＭｎＳは比較的粗大な球状を呈し、鋼材の圧延時においてもＭｎＳはあまり伸展せず、孤立した厚みのある形状を保つ。このような形状の介在物は、切削時に脆化の起点となり、被削性に著しい改善をもたらす。また、切削工具先端での構成刃先の形成をＭｎＳが適度に抑制することにより、仕上げ面粗さの改善をもたらす。上記の効果は、酸素含有率が０．００８％以上において享受できる。しかし、酸素含有率が０．０２０％を超えて高くなると、酸化物系介在物の存在が、かえって鋼材表面の品質に悪影響をおよぼす。そこで、酸素含有率の適正範囲を０．００８〜０．０２０％とした。なお、被削性の改善効果と大型酸化物系介在物に起因する表面疵発生の抑制とをバランスさせる観点から、好ましい含有率の範囲は０．０１０〜０．０１８％である。
【００３５】
なお、本発明において、酸素含有率とは、鋼中の溶存酸素量および介在物中に含まれる酸素量の総和、すなわち、全酸素含有率を意味する。
【００３６】
ところで、前述の高いＭｎ含有率の範囲を考慮すれば、この有用な元素である酸素を従来の成分調整の方法により制御することは困難であった。本発明により享受できる効果の一つは、この有用な酸素を製鋼段階において安定かつ確実に制御することができることである。
【００３７】
Ｔｅ:０．００１〜０．０７０％
鋼中のＴｅは、ＭｎＳ介在物の周囲および内部にＭｎＴｅを形成することにより、被削性を改善する作用を有する元素である。このような被削性改善効果は、Ｔｅ含有率が０．００１％以上において得られる。一方、Ｔｅが０．０７０％を超えて多量に含有されると、熱間において、ＭｎＳ介在物の周囲のＭｎＴｅ相を起点として脆化が生じる。そこで、Ｔｅ含有率の適正範囲を０．００１〜０．０７０％とした。被削性改善および熱間における脆化抑制の双方を両立させることができる好適なＴｅ含有率の範囲は０．００４〜０．０５０％である。
【００３８】
（Ｂ）取鍋スラグ精錬における溶鋼中Ｍｎおよびスラグ中ＭｎＯ組成
本発明の高硫黄含有鋼の製造方法においては、転炉などの製鋼炉から取鍋への出鋼段階および取鍋でのスラグ精錬段階での状態の規定が重要である。出鋼段階では、一般に酸化精錬後に、新たな合金鉄や造滓剤などの原料および副原料を添加する操作があり、炉の形態に応じて出鋼時間や攪拌状態が相違する。そこで、この出鋼段階における状態を規定する状態量として、取鍋スラグ精錬時の示強変数である溶鋼中Ｍｎ含有率およびスラグ中ＭｎＯ含有率を規定した。この場合の取鍋スラグ精錬時とは、取鍋に溶鋼が収容されてスラグ精錬を行う期間を意味する。このスラグ精錬時における溶鋼の成分組成およびスラグの成分組成は、主として出鋼時において合金鉄や造滓剤が添加されることにより決定される。したがって、上記のような規定が有効になる。
【００３９】
本発明では、上記の取鍋精錬開始時における溶鋼中Ｍｎ含有率は１．５％以下である必要がある。その理由は、取鍋スラグ精錬の早い段階においてＭｎ含有率が１．５％を超えて高いと、たとえ、その後のスラグ精錬でＭｎ含有率が低下しても、初期の酸素含有率が低下しすぎることから、取鍋精錬段階において安定して０．００８％以上の酸素含有率を得ることが難しくなるからである。また、Ｍｎ含有率が１．５％を超えて高くなると、スラグによる脱硫も進行し、そのためにＳ含有率を都度調整する必要が生じるからでもある。好ましくは、Ｍｎ含有率を１．２％以下に保持し、合金鉄などを添加することにより、スラグ精錬の後半から末期に必要なＭｎ含有率に調整するのがよい。なお、Ｍｎ含有率は、好ましくは０．５％以上とするのがよい。
【００４０】
上記の精錬開始時におけるスラグ中ＭｎＯ含有率は、２５〜４０％の範囲とする必要がある。その理由は、ＭｎＯ含有率が２５％未満では、０．００８％以上の溶鋼中酸素含有率を安定して得ることが難しくなり、一方、ＭｎＯ含有率が４０％を超えて高くなると、安定して鋼中Ｍｎ含有率を維持することができなくなるからである。
【００４１】
（Ｃ）取鍋スラグ精錬時の攪拌条件
取鍋スラグ精錬時の溶鋼単位質量当たりの攪拌量について説明する。取鍋精錬時においては、溶鋼中の成分組成および温度を均一にするためにガス攪拌などにより溶鋼の攪拌操作が行われている。一般には、攪拌動力と呼ばれる溶鋼単位質量当たり、単位時間あたりの攪拌エネルギー（「攪拌動力密度」とも称する）（ε）によりで表されることが多く、その算出方法には特に限定されないが、例えば、取鍋底部から不活性ガスを吹き込むことによりガス攪拌を行う場合は、下記の（２）式により求めることができる。
【００４２】
ε＝(371×Ｑ×Ｔ／ｍ)×［ｌｎ｛1＋(9.8×7×103×ｈ)／ｐ｝＋(1−298／Ｔ)］    ・・・・（２）
ここで、εは攪拌動力密度（Ｗ／ｔ−溶鋼）、Ｑは吹き込みガス流量（Ｎｍ3／ｓ）、Ｔは溶鋼温度（Ｋ）、ｍは溶鋼質量（ｔ）、ｈは溶鋼の浴深さ（ｍ）、そしてｐは雰囲気の圧力（Ｐａ）をそれぞれ表す。
【００４３】
取鍋スラグ精錬の期間中は、ガス攪拌が行われているので、上記の攪拌動力密度をスラグ精錬時間（θ）について積分することにより、下記（１）式により示されるとおり、溶鋼単位質量（１ｋｇ）当たりの攪拌エネルギー（Ｚ）が得られる。
【００４４】
Ｚ＝１０-3×∫εｄθ      ・・・・（１）  
本発明では、攪拌指数として、上記（１）式により求められるＺを用いることができる。なお、吹き込みガス流量が精錬時間に対して一定の場合には、攪拌指数は下記（３）式のように表される。
Ｚ＝１０-3×ε×θ        ・・・・（３）
すなわち、上記の（１）式または（３）式におけるＺは（Ｊ／ｋｇ−溶鋼）の次元を有し、溶鋼単位質量当たりの攪拌エネルギーを表す指数である。したがって、この指数は、酸素含有率の減少速度やＳ含有率の減少速度を制御するための指標になり得る。
【００４５】
次に、攪拌指数の限定理由について説明する。鋼中の酸素含有率を制御するに当たり、上記の攪拌指数が臨界的な値を有することを下記の試験により確認した。
【００４６】
ＭｇＯ耐火物製容器中において鋼を溶解できる黒鉛発熱体抵抗加熱炉を用いて、Ｃ：０．０６〜０．１０％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：１．２〜１．５％、Ｓ：０．４０〜０．５５％、Ｐ：０．０５〜０．０７％を含有する溶鋼１０ｋｇを、１８７３Ｋの温度で、１．０１３×１０5ＰａのＡｒガス雰囲気中において保持した。鋼中酸素含有率を予め、０．０１５〜０．０２５％の範囲に予備調整した後に、ＣａＯ、ＳｉＯ2、ＭｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3からなるスラグ３００ｇを添加するとともに、鋼中のＭｎ含有率が１．５〜１．６％となるように金属Ｍｎを添加した。スラグの成分組成については、ＭｎＯ：３０〜３５％、ＭｇＯ：１０％、Ａｌ2Ｏ3：３％程度となるように配合率を調整し、また、残分については、ＣａＯおよびＳｉＯ2が同含有率とになるように調整した。
【００４７】
ＭｇＯ耐火物製保持容器の下部には、ガス攪拌用の多孔質レンガを設置し、０．２４〜０．４ＮＬ／分の流量でＡｒガスを供給して溶鋼を攪拌し、その時の溶鋼中の酸素含有率の推移を調査した。
【００４８】
図１は、溶鋼の攪拌指数と溶鋼中の全酸素含有率との関係を示す図である。同図において、縦軸の全酸素含有率は、鋼中の溶存酸素量および介在物中に含有させる酸素量の総和を意味する。
【００４９】
同図の結果によれば、溶鋼中の全酸素含有率は、攪拌指数の増加とともに低下する。この関係に基づき、攪拌指数を指標として溶鋼中の酸素含有率を制御できることがわかる。さらに、本発明で対象とする鋼種において鋼中の酸素含有率を確実に０．００８％以上とするためには、攪拌指数の値を１００以下にする必要のあることが判明した。一方、溶鋼の成分組成および温度を均一にするためには、最低限度の攪拌量が必要であり、攪拌指数の値にして１０以上が必要である。そこで、攪拌指数（Ｚ）の適正範囲を１０〜１００と
した。なお、長時間または強度の攪拌は、製鋼コストの増加を招くことから、好ましい攪拌指数の範囲は、１０〜８０である。
【００５０】
（Ｄ）Ｔｅ添加時の攪拌条件
Ｔｅを添加する場合の攪拌条件について説明する。Ｔｅは、鉄鋼用の合金元素としては極めて高価であり、鋼成分の調整用としては純金属が用いられることが多い。Ｔｅは融点が４４９．５℃、沸点は９８９．５℃であって、いずれも製鋼温度に比較して低く、したがって、鋼中への添加時における蒸発損失が多い。さらに、その化学的挙動は、同族元素のＳに類似しており、スラグへの吸収と分配があると考えられる。したがって、本発明で対象とする高硫黄含有鋼にさらにＴｅを添加するに当たっては、蒸発損失を可及的少量に抑え、かつスラグへの吸収を抑制するための適正な撹拌条件、すなわち、攪拌指数が存在すると推察した。
【００５１】
そこで、前述の溶鋼１０ｋｇを使用した酸素含有率の制御試験と同様の成分組成の溶鋼およびスラグを用いて、所定量のＴｅを添加し、その後のＴｅ含有率の減少挙動と攪拌条件との関連を調査した。
図２は、溶鋼中のＴｅ残留率およびスラグと溶鋼間のＴｅの分配比におよぼす溶鋼の攪拌指数の影響を示す図である。同図において、Ｔｅ残留率は、溶鋼中のＴｅ含有率（％）から算出した溶鋼中のＴｅ残留量をＴｅ添加量で除し、百分率（％）により表示した値である。また、（Ｔｅ）／［Ｔｅ］の値は、スラグ中のＴｅ含有率（％）（以下、（Ｔｅ）とも表示する）と溶鋼中のＴｅ含有率（％）（以下、［Ｔｅ］とも表示する）との比を表し、スラグと溶鋼間におけるＴｅの分配比（−）を意味する。
【００５２】
同図の結果から、Ｔｅ残留率は、攪拌時間とともに上昇し、攪拌指数が１０以上において、Ｔｅ残留率は３０％以上を確保できている。一方、スラグ中Ｔｅ含有率および溶鋼中Ｔｅ含有率は、攪拌時間の経過とともに、すなわち、攪拌指数の増加とともに低下するが、スラグと溶鋼間のＴｅの分配比、（Ｔｅ）／［Ｔｅ］の値は、攪拌指数が１０以上において、７０（−）以下にまで低下し、溶鋼中Ｔｅ含有率の確保が容易となる。そこで、Ｔｅ添加以降における攪拌指数の適正範囲を１０以上とした。
【００５３】
しかしながら、攪拌指数が１００を超えて高くなると、溶鋼中のＴｅ残留率は５０〜６０％で飽和し、また、スラグと溶鋼間のＴｅの分配比、（Ｔｅ）／［Ｔｅ］の値も２０（−）前後の一定値となるので、攪拌時間を長くすることによる精錬効果の増加はわずかとなり、かえって精錬コストを上昇させて好ましくない。したがって、攪拌指数は１００以下とすることが好ましい。
【００５４】
（Ｅ）実生産規模における本発明の実施形態および効果
転炉などの製鋼炉で酸素上吹きによって脱炭されて、Ｃ含有率が０．０３〜０．１３％程度となった溶鋼に対して、出鋼時に、Ｍｎ合金鉄、硫黄源としての黄鉄鉱石、Ｐ合金鉄などが添加される。ここで、Ｍｎ合金鉄は、取鍋に収容された段階での溶鋼中Ｍｎ含有率が１．５％以下、好ましくは１．２％以下、さらに好ましくは１．０％以下となるように添加される必要がある。その理由は、前述のとおり、出鋼時の溶鋼中酸素含有率を高く維持するためである。次に、転炉スラグを必要に応じて除滓した後、改めて、ＣａＯ源としての生石灰、ＳｉＯ2源としての珪砂などの造滓剤が添加される。この時、造滓剤は、取鍋に収容された段階でのスラグ中ＭｎＯ含有率が２５〜４０％の範囲となるように添加される必要がある。また、転炉出鋼時の溶鋼中の酸素とＭｎ合金鉄との反応によって、ＭｎＯが形成されるので、このＭｎＯならびにＣａＯおよびＳｉＯ2が転炉スラグにより希釈されることを勘案したうえで、目標ＭｎＯ含有率となるように、Ｍｎ合金鉄および各造滓剤の添加量が制御されなければならない。また、必要に応じて、ＭｎＯ源としてＭｎ鉱石などを添加することもできる。
【００５５】
次に、取鍋に収容された溶鋼は、取鍋精錬が行われる位置でガス攪拌などによる攪拌操を受ける。攪拌の動力は、例えば、前記の（２）式で示されるような攪拌動力密度の算出式により求めればよい。また、取鍋スラグ精錬時間とは、転炉などの精錬炉から取鍋に出鋼されて、取鍋精錬位置で攪拌などの処理を受ける時間を意味し、途中における電気的加熱や合金鉄の添加などの時間も含まれる。これに対して、攪拌などの操作を受けない鋳造までの待機時間、またはクレーンなどにより搬送される時間は含まれない。
【００５６】
本発明の取鍋スラグ精錬について、取鍋底部に設けたガス吹き込み羽口からガスを供給することによりガス撹拌を行う場合を例にとり説明する。取鍋に収容した段階で溶鋼中Ｍｎ含有率を１．５％以下にする必要がある。好ましくは、溶鋼中Ｍｎ含有率が１．２％以下、さらに好ましくは、１．０％以下で取鍋に収容し、攪拌指数の値を６以上に保持した後、取鍋精錬の後半から末期において、所期のＭｎ含有率である０．９〜２．０％に調整することが好ましい。
【００５７】
この時のスラグ成分組成としては、ＭｎＯ含有率を２５〜４０％の範囲となるように調整する。スラグのその他の主要成分は、ＣａＯ、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＦｅＯおよびＳである。スラグ量およびスラグ成分組成は、精錬時における外気との雰囲気の遮断、取鍋耐火物の損耗、溶鋼中Ｓ含有率の調整のしやすさなどを考慮して決定する。その好適条件を例示すれば、スラグ量は溶鋼１ｔあたり２ｋｇ〜２０ｋｇ、ＣａＯ：１５〜３５％、ＳｉＯ2：１５〜３５％、ＭｇＯ：５〜２０％、Ａｌ2Ｏ3：３〜１５％およびＦｅＯ：３〜８％の範囲である。
【００５８】
ガス吹き込み攪拌は、通常、スラグ精錬の処理位置に取鍋が設置された際に、ガスの吹き込みを開始し、合金鉄の添加および加熱精錬を経て、さらに必要に応じて造滓剤の追加などが行われる間も、その操作を継続する。したがって、攪拌指数は、前記の攪拌動力密度を取鍋精錬時間について積分することにより求めることができ、特に、攪拌ガス量が一定の場合は、攪拌動力密度と攪拌時間（すなわち、取鍋スラグ精錬時間）との積により算出することができる。
【００５９】
この攪拌指数の値を１０〜１００に調整することにより、非平衡状態で高い濃度にある溶鋼中酸素含有率を適度に低下させ、かつ、最終の酸素含有率が０．００８〜０．０２０％の範囲の高Ｓ含有鋼を得ることができる。さらには、このような制御を行うことにより、溶鋼中Ｓ含有率の過度の低下やＭｎ含有率の変動を抑制することが可能となり、取鍋スラグ精錬による安価で安定した品質の高Ｓ含有鋼の製造が可能となる。
【００６０】
また、鋼中のＦｅの一部に替えて、Ｔｅを０．００１〜０．０７０％添加する場合は、Ｔｅの蒸発損失が生じやすいことに鑑み、取鍋スラグ精錬の後半以降に添加する。この場合のＴｅの添加形態は特に制限されるものではないが、合金形態のＴｅを用いれば、添加初期における蒸発損失を防ぎやすいので好ましい。ここで、Ｔｅを添加する場合に、Ｔｅが極力溶鋼中に多く残留し、しかも安定した成分組成制御が可能な溶鋼の攪拌条件は、攪拌指数の値で１０以上である。一方、その上限は、Ｔｅ歩留まり向上の観点からは特に限定されないが、攪拌時間の増大は精錬コストの上昇を招くことから、攪拌指数を１００以下とすることが好ましい。
【００６１】
上述のようにして、取鍋スラグ精錬を経て溶製された安価でしかも安定した品質の高Ｓ含有鋼は、通常の連続鋳造および圧延行程を経て製品化される。
【実施例】
【００６２】
本発明の高硫黄含有鋼の製造方法の効果を確認するため、以下に述べる溶製試験を行い、その結果を評価した。
【００６３】
（実施例１）
１．試験方法
溶鋼量７８ｔの容量を有する転炉により脱炭吹錬して得た溶鋼を用いて取鍋スラグ精錬し、さらに連続鋳造を行った。目標とする鋼成分組成は、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ≦０．０３％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｓ：０．４０〜０．７０％、Ｐ：０．０１〜０．２０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％、Ｏ：０．００８〜０．０２０％の範囲である。また、Ｔｅを添加する鋼種については、Ｔｅ：０．００１〜０．０７０％の範囲である。
【００６４】
転炉吹錬によりＣ：０．０１〜０．１５％程度に脱炭された溶鋼は、取鍋底部にガス吹き込み羽口を有する取鍋に出鋼された。出鋼時にＭｎ合金鉄などの合金鉄および必要に応じてＰ合金鉄を添加して成分調整を行った。また、スラグ量および成分組成を調整するために、転炉から出鋼後に除滓した後、所定量の生石灰および珪砂を造滓剤として添加した。その後、溶鋼を収容した取鍋を電気加熱が可能な取鍋精錬位置に搬送し、Ａｒガス配管を接続して、取鍋スラグ精錬を実施した。
【００６５】
精錬時に、出鋼後の取鍋中の溶鋼成分組成および取鍋スラグの成分組成を確認するため、攪拌指数で５となる時間を経過する以前に、溶鋼およびスラグの分析サンプルを採取して成分組成を調査した。さらに、攪拌指数が１０〜１００の範囲となるように攪拌用Ａｒガス量および取鍋スラグ精錬時間を調整した後、適宜、溶鋼およびスラグの分析サンプルを採取した。途中、必要に応じて所期の組成となるように成分組成の調整を行い、また、所期の溶鋼温度となるように通電加熱を行って温度調整を実施した。そして、この後、溶鋼を収容した取鍋は連続鋳造機に搬送され、溶鋼は連続鋳造された。
【００６６】
２．試験結果  
上記の試験における試験条件および試験結果を表１に示した。なお、試験条件として、取鍋スラグ精錬における攪拌用Ａｒガス流量、攪拌動力密度、スラグ精錬時間、攪拌指数、溶鋼中Ｍｎ含有率：［Ｍｎ］、およびスラグ中ＭｎＯ含有率：（ＭｎＯ）を、また、試験結果として、精錬後における鋼中の全酸素含有率：［Ｏ］および硫黄含有率：［Ｓ］を示した。
【００６７】
【表１】
2006028575.tif 000003
【００６８】
同表において、精錬前の溶鋼中のＭｎ含有率およびスラグ中のＭｎＯ含有率は、いずれも、取鍋スラグ精錬中において、攪拌指数の値が５となる以前の時期に採取したサンプルの分析結果に基づいている。攪拌動力密度（ε）は前記（２）式により求めた値を、また、攪拌指数（Ｚ）は、前記（１）式または（３）式により求めた値を示した。
【００６９】
試験番号１〜１０は、第１発明において規定された条件を全て満足する本発明例についての試験であり、試験番号１１〜１６は、第１発明において規定された条件のうちの少なくとも１つを満足しない比較例についての試験である。
【００７０】
精錬前の溶鋼中Ｍｎ含有率、スラグ中ＭｎＯ含有率および取鍋スラグ精錬における攪拌指数がいずれも第１発明で規定する範囲内にある試験番号１〜１０では、精錬後の鋼中の酸素含有率はいずれも０．００８〜０．０２０％の範囲内に存在し、目標とする高硫黄含有鋼の成分組成を達成している。
【００７１】
これに対して、鋼中Ｍｎ含有率が１．５％を超えて高い試験番号１１、攪拌指数が１００を超えて高い試験番号１２および精錬後Ｍｎ含有率が２．０％を超えて高い試験番号１４は、精錬後の酸素含有率が低過ぎ、また、攪拌指数が１０未満の試験番号１３は、精錬後の酸素含有率が高過ぎ、いずれも、目標とする高硫黄含有鋼の成分組成から外れた結果となった。さらに、スラグ中ＭｎＯ含有率が２５％未満の試験番号１５は、精錬後の酸素含有率が低過ぎ、また、スラグ中ＭｎＯ含有率が４０％を超えて高い試験番号１６は、精錬後の酸素含有率が高過ぎ、いずれも、高硫黄含有鋼の成分組成から外れた結果となった。
【００７２】
（実施例２）
１．試験方法
実施例１の場合と同様に、溶鋼量７８ｔの容量を有する転炉により脱炭吹錬して得た溶鋼を用いて攪拌をともなう取鍋スラグ精錬を行い、精錬の後半にＴｅを添加してＡｒガスを所定の流量で所定時間吹き込み、さらに攪拌を継続実施した。Ｔｅ添加以降、溶鋼およびスラグ中のＴｅ含有率を調査するために、適宜経時的に、成分分析用の試料を採取した。精錬後の高Ｓ含有鋼は、連続鋳造工程に供した。
【００７３】
Ｔｅ添加量は、７８ｔの溶鋼に対して、名目上０．０３０〜０．０８５％となる量を添加しており、溶鋼中成分の実績値では０．０１１〜０．０５６％の範囲にあった。このように鋼中およびスラグ中Ｔｅの含有率を分析することにより、Ｔｅ残留率、およびスラグと溶鋼間のＴｅの分配比（（Ｔｅ）／［Ｔｅ］）を求めた。ここで、Ｔｅ残留率は、前記図２の説明において述べたとおり、溶鋼中のＴｅ含有率（％）から算出した溶鋼中のＴｅ残留量をＴｅ添加量で除し、百分率（％）により表示した。
【００７４】
２．試験結果
図３は、溶鋼中のＴｅ残留率およびスラグと溶鋼間のＴｅの分配比におよぼす溶鋼の攪拌指数の影響を示す図である。
【００７５】
同図の結果によれば、攪拌指数（Ｚ）の値が、第１発明で規定された攪拌指数の下限値である１０未満の場合には、Ｔｅ残留率は低く、また、Ｔｅの分配比（（Ｔｅ）／［Ｔｅ］）の値も高いことから、溶鋼中へのＴｅの歩留まりは低く、また、溶鋼中のＴｅ含有率も安定しない。
【００７６】
これに対して、攪拌指数（Ｚ）の値が１０を超えて高くなると、Ｔｅ残留率は上昇し、Ｔｅの分配比（（Ｔｅ）／［Ｔｅ］）の値も２０〜４０（−）前後の安定した値となり、成分組成の制御性も向上することが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の方法によれば、高Ｓ含有鋼の製造において、取鍋スラグ精錬における溶鋼中Ｍｎおよびスラグ中ＭｎＯ含有率ならびに溶鋼の攪拌指数を調整することにより、従来は制御が困難であった溶鋼中酸素含有率およびＳ含有率の制御性を高め、Ｓ歩留りの高い安定した品質の高Ｓ含有鋼を安価に製造できる。したがって、Ｐｂ快削鋼に替わる高Ｓ含有快削鋼を安価に提供でき、さらに、高いＴｅ歩留りと制御性のもとに安定した品質のＴｅ含有高Ｓ快削鋼も提供できる。よって、本発明の高Ｓ含有鋼の製造方法は、Ｐｂを含有しない高Ｓ含有快削鋼の製造分野において、溶鋼の溶製方法として広範に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】溶鋼の攪拌指数と溶鋼中の全酸素含有率との関係を示す図である。
【図２】溶鋼中のＴｅ残留率およびスラグと溶鋼間のＴｅの分配比におよぼす溶鋼の攪拌指数の影響を示す図である。
【図３】溶鋼中のＴｅ残留率およびスラグと溶鋼間のＴｅの分配比におよぼす溶鋼の攪拌指数の影響を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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