(57)【要約】【課題】電気炉から取鍋精錬炉に溶鋼を出鋼するに際し、溶鋼の成分分析を行うことなく、溶鋼中の炭素濃度が高い領域でも、その炭素濃度を高精度に推定することができる精錬方法を提供する。【解決手段】電気炉から取鍋精錬炉に、Ｆｅと、Ｃと、少なくとも１種の添加金属元素を含有する溶鋼を出鋼するに際し、凝固温度測定工程と、炭素濃度推定工程と、を実行する。凝固温度測定工程においては、出鋼前に、電気炉中の溶鋼の凝固温度を測定する。炭素濃度推定工程においては、添加金属元素の少なくとも一部よりなる考慮元素を含有するＦｅ合金についての、炭素濃度と温度の相関を示す平衡状態図において、液相線上で凝固温度に対応する炭素濃度を、溶鋼中の炭素濃度であると推定する。【選択図】図５
2019199632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気炉から取鍋精錬炉に、Ｆｅと、Ｃと、少なくとも１種の添加金属元素を含有する溶鋼を出鋼するに際し、
出鋼前に、前記電気炉中の前記溶鋼の凝固温度を測定する凝固温度測定工程と、
前記添加金属元素の少なくとも一部よりなる考慮元素を含有するＦｅ合金についての、炭素濃度と温度の相関を示す平衡状態図において、液相線上で前記凝固温度に対応する炭素濃度を、前記溶鋼中の炭素濃度であると推定する炭素濃度推定工程と、を実行することを特徴とする精錬方法。
【請求項２】
前記液相線は、Ｆｅ、Ｃ、および前記考慮元素のそれぞれの含有量に応じて算出される固相と液相の自由エネルギーの和が、最小になるように、計算によって作成されることを特徴とする請求項１に記載の精錬方法。
【請求項３】
前記取鍋精錬炉での二次精錬を経て製造される鋼材は、前記添加金属元素としてＣｒを含有するステンレス鋼または耐熱鋼の成分組成を有し、
前記考慮元素は、少なくともＣｒを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の精錬方法。
【請求項４】
前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Ｃｒと、ＭｏおよびＳｉの２種より選択される少なくとも１種よりなる第一種添加元素と、を含有し、
前記考慮元素は、Ｃｒと前記第一種添加元素よりなることを特徴とする請求項３に記載の精錬方法。
【請求項５】
前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Ｃｒと、ＭｏおよびＳｉの２種より選択される少なくとも１種よりなる第一種添加元素と、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの３種より選択される少なくとも１種よりなる第二種添加元素と、を含有し、
前記考慮元素は、Ｃｒと前記第一種添加元素と前記第二種添加元素よりなることを特徴とする請求項３に記載の精錬方法。
【請求項６】
前記溶鋼における炭素濃度は、０．１５質量％以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精錬方法に関し、さらに詳しくは、電気炉から取鍋精錬炉に溶鋼を出鋼する際に、溶鋼中の炭素濃度を推定する工程を含んだ精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気炉で一次製錬した溶鋼に対して二次精錬を行うのに、取鍋精錬炉（ｌａｄｌｅ  ｆｕｒｎａｃｅ；ＬＦ）が用いられる。ＬＦでは、脱炭を行わないため、二次精錬を経て、所望の濃度の炭素を含有する溶鋼を製造するためには、電気炉からＬＦに出鋼する段階で、炭素濃度を正確に見積もっておくことが重要となる。ＬＦへの出鋼時の炭素濃度の正確な見積もりは、溶鋼の溶製コスト抑制の観点でも重要である。出鋼時の炭素濃度が低すぎると、ＬＦで炭素を含む原料を多量に投入する必要が生じ、その溶融に大きな電力が必要となる。また、電気炉において、溶鋼の酸化が進行し、材料歩留が低下しやすくなる。一方、炭素濃度が高すぎると、ＬＦにおいて、Ｃｒ等の添加金属成分の濃度を調整する際に、炭素含有量の少ない高価な合金材料を使用する必要が生じる。また、ＬＦを用いた二次精錬ではなく、実施コストの高い、脱炭を伴う二次精錬に切り替える必要が生じる場合もある。このように、電気炉から出鋼される溶鋼中において、炭素濃度が高すぎても低すぎても、溶製コストの上昇が起こり、電気炉から出鋼される溶鋼中の炭素濃度として、二次精錬を経て製造すべき溶鋼の炭素濃度に応じて、溶製コストを最小にできる濃度が存在する。
【０００３】
従って、電気炉からＬＦに出鋼する前に、溶鋼中の炭素濃度を正確に見積もったうえで、炭素濃度を所定の値に調整しておくことが重要である。溶鋼中の炭素濃度の検出に従来用いられてきた方法の１つに、溶鋼を採取し、その成分分析を行って、炭素濃度を直接的に測定する方法がある。
【０００４】
また、溶鋼中の炭素濃度を見積もる別の方法として、溶鋼中の溶存酸素濃度と炭素濃度の間に高い相関があることを利用して、溶存酸素濃度から炭素濃度を推定する方法が用いられている。例えば、特許文献１に、予め、溶鋼中の炭素濃度と溶鋼中の溶存酸素濃度と真空脱ガス設備から排出される排ガス中のＣＯガス濃度の３者の関係を求め、精錬中に計測される溶鋼中の溶存酸素濃度と排ガス中のＣＯ濃度とから、前記３者の関係に基づいて溶鋼中炭素濃度を推定することが、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６９７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
溶鋼中の炭素濃度を見積もるのに、採取した溶鋼の成分分析による直接測定を用いる場合には、高い測定精度を達成することができる。しかし、分析結果を得るのに、典型的には５〜１０分程度の時間を要し、電気炉の運転効率を低下させることになる。
【０００７】
一方、溶存酸素濃度に基づいて炭素濃度を推定する場合には、炭素濃度の推定に要する時間は、成分分析を行う場合よりも、短くて済む。しかし、この方法の場合は、炭素濃度が低い領域では、炭素濃度を精度良く推定できるものの、炭素濃度が高い領域では、溶存酸素濃度が低く、溶存酸素濃度の測定値に誤差が生じやすいため、炭素濃度の推定値に大きな誤差が伴う。典型的には、炭素濃度がおおむね０．２質量％以上の領域で、推定値に誤差が生じやすい。特に、二次精錬をＬＦによって行う場合には、上記のように、電気炉からＬＦに出鋼される溶鋼中の炭素濃度を正確に見積もることが重要であるが、ＬＦを用いた二次精錬は、炭素濃度の高い鋼種が対象となることが多く、溶存酸素濃度に基づいてその高い炭素濃度を正確に推定することは、困難となる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、電気炉から取鍋精錬炉に溶鋼を出鋼するに際し、溶鋼の成分分析を行うことなく、溶鋼中の炭素濃度が高い領域でも、その炭素濃度を高精度に推定することができる精錬方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる精錬方法は、電気炉から取鍋精錬炉に、Ｆｅと、Ｃと、少なくとも１種の添加金属元素を含有する溶鋼を出鋼するに際し、出鋼前に、前記電気炉中の前記溶鋼の凝固温度を測定する凝固温度測定工程と、前記添加金属元素の少なくとも一部よりなる考慮元素を含有するＦｅ合金についての、炭素濃度と温度の相関を示す平衡状態図において、液相線上で前記凝固温度に対応する炭素濃度を、前記溶鋼中の炭素濃度であると推定する炭素濃度推定工程と、を実行するものである。
【００１０】
ここで、前記液相線は、Ｆｅ、Ｃ、および前記考慮元素のそれぞれの含有量に応じて算出される固相と液相の自由エネルギーの和が、最小になるように、計算によって作成されるとよい。
【００１１】
また、前記取鍋精錬炉での二次精錬を経て製造される鋼材は、前記添加金属元素としてＣｒを含有するステンレス鋼または耐熱鋼の成分組成を有し、前記考慮元素は、少なくともＣｒを含むとよい。
【００１２】
この場合に、前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Ｃｒと、ＭｏおよびＳｉの２種より選択される少なくとも１種よりなる第一種添加元素と、を含有し、前記考慮元素は、Ｃｒと前記第一種添加元素よりなるとよい。あるいは、前記溶鋼は、前記添加金属元素として、Ｃｒと、ＭｏおよびＳｉの２種より選択される少なくとも１種よりなる第一種添加元素と、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの３種より選択される少なくとも１種よりなる第二種添加元素と、を含有し、前記考慮元素は、Ｃｒと前記第一種添加元素と前記第二種添加元素よりなるとよい。
【００１３】
また、前記溶鋼における炭素濃度は、０．１５質量％以上であるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
上記発明にかかる精錬方法においては、状態図における溶鋼の凝固温度と溶鋼中の炭素濃度の関係性に基づき、凝固温度から炭素濃度を推定するため、炭素濃度が高い領域でも、溶鋼中の炭素濃度を正確に推定することができる。特に、溶鋼中に含まれる添加金属元素の影響を考慮した状態図を利用して、凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うため、炭素以外に添加金属元素を含む溶鋼において、炭素濃度を正確に推定することができる。
【００１５】
ここで、液相線が、Ｆｅ、Ｃ、および考慮元素のそれぞれの含有量に応じて算出される固相と液相の自由エネルギーの和が、最小になるように、計算によって作成される場合には、考慮元素の種類や含有量の組み合わせが多様に変化する場合に、それぞれの組み合わせに応じた多様な状態図を、予めデータベース等から全て準備しておかなくても、計算によって状態図を作成し、凝固温度に基づく炭素濃度の推定に利用することができる。よって、精錬の対象となる鋼種が多様に変化することがあっても、炭素濃度の推定を、正確に、また簡便に行うことが可能となる。
【００１６】
また、取鍋精錬炉での二次精錬を経て製造される鋼材が、添加金属元素としてＣｒを含有するステンレス鋼または耐熱鋼の成分組成を有し、考慮元素が、少なくともＣｒを含む場合には、種々の添加金属元素の中で、ステンレス鋼や耐熱鋼に比較的多く含まれ、凝固温度と炭素濃度の関係に大きな影響を与えやすいＣｒの含有を考慮した状態図を用いて、溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うことにより、炭素濃度を正確に推定しやすくなる。
【００１７】
この場合に、溶鋼が、添加金属元素として、Ｃｒと、ＭｏおよびＳｉの２種より選択される少なくとも１種よりなる第一種添加元素と、を含有し、考慮元素が、Ｃｒと第一種添加元素よりなれば、種々の添加金属元素の中で、ステンレス鋼や耐熱鋼に比較的多く含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉの影響を取り込んだ状態図を用いて、溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うことにより、Ｃｒのみを考慮する場合よりもさらに、炭素濃度を正確に推定することができる。
【００１８】
あるいは、溶鋼が、添加金属元素として、Ｃｒと、ＭｏおよびＳｉの２種より選択される少なくとも１種よりなる第一種添加元素と、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの３種より選択される少なくとも１種よりなる第二種添加元素と、を含有し、考慮元素が、Ｃｒと第一種添加元素と第二種添加元素よりなれば、種々の添加金属元素の中で、ステンレス鋼や耐熱鋼に比較的多く含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉのみならず、それらよりは含有量が少ない場合が多いＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎの含有まで考慮した状態図を用いて、溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定を行うことにより、Ｃｒのみ、またＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉのみを考慮する場合よりもさらに、炭素濃度を正確に推定することができる。
【００１９】
また、溶鋼における炭素濃度が、０．１５質量％以上である場合には、炭素濃度がそのように高い領域では、溶存酸素濃度に基づく炭素濃度の推定では、誤差が大きくなりやすいが、状態図を利用して、溶鋼の凝固温度に基づいて炭素濃度を推定することで、炭素濃度推定の誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】溶鋼冷却時の温度変化を示す図である。
【図２】Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの含有を考慮した状態図の一例と、凝固温度に基づく炭素濃度の推定方法を説明する図である。
【図３】Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの含有量が異なる場合について、溶鋼の凝固温度と炭素濃度の関係を示す図である。
【図４】種々の鋼種について、炭素濃度の推定値と実測値の関係を示す図である。ここでは、炭素濃度の推定において、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの含有を考慮している。
【図５】種々の鋼種について、炭素濃度の推定値と実測値の関係を示す図である。ここでは、炭素濃度の推定において、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉに加え、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの含有を考慮している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態にかかる精錬方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
［精錬方法の概要］
本発明の一実施形態にかかる精錬方法においては、電気炉を用いて、溶鋼の一次製錬を行った後に、電気炉から取鍋精錬炉（ＬＦ）に出鋼し、さらに、ＬＦで二次精錬を行う。この際、電気炉での一次精錬が完了した後、ＬＦへと出鋼する前に、電気炉内の溶鋼に対して、（１）凝固温度測定工程と、（２）炭素濃度推定工程とを、順に実行することで、電気炉内の溶鋼における炭素濃度を推定する。そして、推定した炭素濃度に基づいて、適宜、（３）調整工程を実施する。
【００２３】
本実施形態にかかる精錬方法において、精錬の対象とする溶鋼は、Ｆｅと、Ｃを含有し、さらに、少なくとも１種の添加金属元素を含有している。添加金属元素は、特に限定されるものではないが、少なくともＣｒを含有していることが好ましい。Ｃｒに加え、ＭｏおよびＳｉの少なくとも１種よりなる第一種添加元素も含有しているとよい。さらに、Ｃｒおよび第一種添加元素に加え、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏの少なくとも１種よりなる第二種添加元素も含有しているとよい。
【００２４】
各成分元素の含有量は、特に限定されるものではないが、炭素濃度は、電気炉からＬＦに出鋼される溶鋼における濃度で、０．１５質量％以上であることが好ましい。また、Ｃｒ濃度は、電気炉からＬＦに出鋼される溶鋼における濃度で、７．０質量％以上であることが好ましい。溶鋼に対応する具体的な鋼種も、特に限定されるものではないが、ＬＦでの二次精錬を経て製造される鋼材の鋼種として、ステンレス鋼または耐熱鋼に対応するものであることが好ましい。特に、マルテンサイト系ステンレス鋼に対応するものであることが好ましい。
【００２５】
（１）凝固温度測定工程
まず、凝固温度測定工程において、電気炉内で、所定の成分組成を目標とした一次製錬を完了し、出鋼される前の溶鋼に対して、凝固温度を実測する。
【００２６】
凝固温度の測定には、例えば、凝固温度測定用プローブを用いることができる。プローブの先端部近傍には、熱電対を備え、溶鋼を保持できる空間として、凝固室が形成されており、凝固室内に採取した溶融金属の温度変化を記録することができる。そのようなプローブの先端を、電気炉内の溶鋼中に浸漬して、凝固室内に溶鋼を採取する。そして、プローブを溶鋼から抜き取り、凝固室に採取した溶鋼を、大気中で冷却する。大気中で冷却が進行する間、溶鋼の温度変化を、時間に対して記録する。溶鋼冷却時の温度の時間変化の一例を、図１に示す。時間の経過に伴い、初期には温度が急激に低下するが、その後、温度が実質的に変化しない平坦域が出現する。この平坦域において、溶鋼の凝固が起こっており、平坦域の温度が、溶鋼の凝固温度となる。
【００２７】
この種の凝固温度測定用プローブを用いた溶鋼の凝固温度の測定は、典型的には、２０〜３０秒程度の所要時間で行うことができる。これは、溶鋼を採取して、成分分析によって炭素濃度を直接測定するのに要する典型的な時間である５〜１０分に比べて、短いものである。凝固温度の測定は、できる限り、電気炉からＬＦへの出鋼の直前に行うことが好ましく、例えば、電気炉における一次製錬の最終工程として行うスラグの還元を実施した後に、凝固温度の測定を行えばよい。
【００２８】
（２）炭素濃度推定工程
炭素濃度推定工程においては、上記凝固温度測定工程において測定された溶鋼の凝固温度に基づき、その溶鋼中の炭素濃度を推定する。推定に際し、炭素濃度と温度との相関を示す平衡状態図（以下、単に状態図と称する場合がある）を利用する。
【００２９】
この炭素濃度推定工程においては、炭素濃度を推定するための平衡状態図として、ＦｅとＣのみを含有するＦｅ合金についての、Ｆｅ−Ｃ二元系状態図ではなく、Ｃ以外の考慮元素も含有するＦｅ合金についての状態図を利用する。ここで、考慮元素は、溶鋼に含有される添加金属元素のうち、少なくとも一部よりなる。考慮元素は、全ての添加金属元素であっても、そのうち主要な金属元素を１種または複数種選択したものであってもよい。例えば、考慮元素がＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉの３種である場合には、所定の濃度のＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉに加えてＣを含有するＦｅ合金について、温度と炭素濃度の相関を示す状態図を利用する。炭素濃度推定工程において、状態図を準備する方法、およびその状態図を利用して炭素濃度を推定する方法の詳細については、後に説明する。
【００３０】
（３）成分調整工程
上記のように、ＬＦによる二次精錬を経て、できる限り低コストで、所望の炭素濃度を有する鋼材を製造する観点から、電気炉からＬＦに出鋼する溶鋼における炭素濃度は、製造すべき鋼種に応じて、所定の範囲に収まっていることが重要となる。もし、炭素濃度推定工程で推定された炭素濃度が、その所定の範囲に収まっている場合には、電気炉において、それ以上に溶鋼の成分調整を行う必要はなく、炭素濃度推定工程の後、直接、ＬＦに出鋼すればよい。
【００３１】
一方、推定された炭素濃度が、所定の範囲に収まっていない場合には、成分調整工程を実施して、炭素濃度がその所定範囲に収まるようにすることが好ましい。推定された炭素濃度が、所定範囲に対して高すぎる場合には、電気炉中に酸素を導入する等して、脱炭を進めればよい。逆に、推定された炭素濃度が、所定範囲に対して低すぎる場合には、電気炉中に炭素を多く含む原料を投入して溶融させればよい。
【００３２】
［炭素濃度推定工程における状態図の準備および炭素濃度の推定］
上記のように、炭素濃度推定工程においては、溶鋼の状態図を利用して、先立つ凝固温度測定工程で得られた溶鋼の凝固温度に基づいて、溶鋼中の炭素濃度を推定する。具体的には、状態図中の液相線上で、凝固温度測定工程で得られた凝固温度に対応する炭素濃度を見積もり、その炭素濃度をもって、電気炉中の溶鋼に含有されるＣの濃度であると推定する。例えば、図２に、次に説明する方法で計算によって作成した状態図を示すが、凝固温度測定工程において、１４７７℃の凝固温度が観測された場合に、太線で示す液相線上で、その温度に対応する炭素濃度は、０．５０質量％であり、溶鋼中の炭素濃度を、０．５０質量％と推定することができる。溶鋼の温度は熱電対等、既存の測定手段を用いてかなり高精度に測定できるうえ、図１に示すように、溶鋼冷却時の温度変化において、溶鋼の凝固に対応する平坦域が明確に観測されるため、凝固温度は、精度良く測定できるパラメータである。よって、炭素濃度の推定を凝固温度に基づいて行うことで、溶存酸素濃度に基づいて行う場合とは異なり、炭素濃度が高い領域を含め、炭素濃度を高精度に推定することができる。
【００３３】
本実施形態にかかる精錬方法の炭素濃度推定工程においては、上記のように状態図を用いて、凝固温度から炭素濃度を推定する際に、状態図として、Ｃだけでなく、添加金属元素より選択される考慮元素を含有するＦｅ合金の状態図を利用する。Ｃを含有するＦｅ合金の相状態は、Ｃ以外の添加元素の濃度よりも、Ｃの濃度に大きく依存するため、Ｃ以外に添加元素を含有する場合でも、Ｃのみを含有するＦｅ−Ｃ二元系状態図を用いて炭素濃度の推定を行う方法が考えうる。しかし、正確には、Ｆｅ合金がＣ以外にも添加金属元素を含有する場合には、Ｃのみを含有する場合と比較して、状態図における液相線の位置が変化する。状態図における液相線の位置の変化は、凝固温度に基づいて推定される炭素濃度の不正確性につながりうる。
【００３４】
例えば、上記で炭素濃度推定の例として用いた図２において、実線で示す状態図は、Ｃに加え、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉを含有するＦｅ合金の状態図である。ここでは、Ｃｒが１２．０質量％、Ｍｏが０．１５質量％、Ｓｉが０．１０質量％含有されている。図中には、Ｆｅ合金におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉの含有を考慮せず、Ｃのみを含有するＦｅ−Ｃ合金の二元系状態図における液相線を、破線にて併せて表示する。
【００３５】
これによると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉを考慮した場合（太い実線）と考慮しない場合（破線）で、液相線が大きくずれていることが分かる。例えば、炭素濃度が０．５０質量％である場合の液相線上の温度、つまり溶鋼の凝固温度は、それら３種の金属元素を含有しない場合には、１５００℃であるのに対し、含有する場合には、１４７７℃まで下がっている。また、凝固温度が１５００℃である場合の炭素濃度は、上記３種の金属元素を含有しない場合には、０．５０質量％であるのに対し、含有する場合には、０．２５質量％と、半分になっている。つまり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉをそれぞれ上記濃度で含有する溶鋼に対して、凝固温度測定工程において、１５００℃との凝固温度が測定された場合に、Ｃのみの含有を考慮した二元系状態図を用いて炭素濃度を推定するとすれば、上記３種の添加金属元素を用いた状態図を用いる場合と比べて、２倍の値で推定することになる。
【００３６】
このように、Ｃ以外に溶鋼に含有される添加金属元素を考慮した状態図を用いることで、Ｃのみの含有を考慮した二元系状態図を用いる場合よりも、炭素濃度を正確に推定することができるが、その場合には、溶鋼に含有される添加金属元素の種類や量に応じて、合金組成ごとに、状態図を準備する必要が生じる。精錬の対象となる溶鋼の成分組成が多様に変化する場合には、正確に炭素濃度を見積もるためには、状態図において考慮の対象とする添加金属元素の種類や量の組み合わせの数だけ、状態図を準備することになる。多様な成分組成に対する状態図を、実測やデータベースの参照によって全て準備することには、困難と労力が伴う。
【００３７】
そこで、計算を用いて状態図を作成することで、多様な成分組成に対応して、簡便に状態図を準備することができる。合金において、自由エネルギー（ギブズの自由エネルギー）に基づいて、状態図を計算によって見積もることができる。そのような方法は、計算状態図（ＣＡＬＰＨＡＤ）法として知られている。
【００３８】
系内に存在する各相の自由エネルギーの和が極小値をとる時に、それらの相が平衡状態にあると見積もることができる。溶鋼の凝固現象の場合、液相と固相の自由エネルギーの和が最小になった状態で、液相と固相が平衡になったと見積もることができ、そのように自由エネルギーの和が最小になる温度を、炭素濃度の変化に対してプロットすることで、液相線が得られる。
【００３９】
多元系合金の自由エネルギーは、各元素の含有量に応じて算出することができる。つまり、各元素の含有量（モル分率）に応じて、各元素の各相における標準生成自由エネルギーの総和を、活量を考慮して計算することで、系の全自由エネルギーを算出することができる。溶鋼の凝固現象において、Ｃと考慮元素を含有するＦｅ合金を状態図算出の対象とする場合、ＦｅとＣと考慮元素のそれぞれについて、含有量に応じて、液相および固相の標準自由エネルギーの総和を、活量を考慮して計算することで、全自由エネルギーを算出することができる。計算式の一例を、下の式（１）に示す。
【００４０】
【数１】
2019199632.tif 000003
【００４１】
平衡状態においては、系の自由エネルギーが極小値をとるので、上記式（１）において、全自由エネルギーＧが極小値をとる際の、温度Ｔおよび各相における各元素のモル分率ｎｉｊの組み合わせを、演算によって求めることで、状態図における各境界線を作成することができる。溶鋼の凝固現象において、Ｃと考慮元素を含有するＦｅ合金を状態図算出の対象とする場合、ある温度において、全自由エネルギーＧが極小値（最小値）をとるように、各元素の液相および固相のモル分率の組み合わせを求めればよい。そして、液相におけるＣのモル分率を質量分率に変換して、温度との関係をプロットすることで、液相線を得ることができる。
【００４２】
ＦｅおよびＣ、さらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ等、考慮元素のそれぞれについて、液相および固相における標準生成自由エネルギーと、活量を、データベース等から取得しておけば、電気炉中の溶鋼における各考慮元素の含有量が変化しても、それぞれの含有量に応じて、計算によって、状態図を作成することができる。よって、溶鋼の成分組成において、それら考慮元素の含有量が多様に変化しても、その成分組成に対応した状態図を作成し、測定した凝固温度から、炭素濃度を推定することができる。なお、溶鋼中における考慮元素の含有量は、電気炉に投入して溶融させた原料の成分組成および量から見積もることができる。
【００４３】
例えば、下の表１に示す量のＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉを含有する３種のＦｅ合金について、式（１）に基づいて液相線を算出した結果、つまり凝固温度と炭素濃度の関係を、図３に示す。
【００４４】
【表１】
2019199632.tif 000004
【００４５】
図３によると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの含有量が異なる各鋼種において、液相線の位置が異なっていることが分かる。例えば、１４７４℃の凝固温度に対応する炭素濃度が、鋼種Ａでは０．４７質量％、鋼種Ｂでは０．５０質量％、鋼種Ｃでは０．５７質量％となっている。このことは、対象としている鋼種に対応する量のＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉを含有するＦｅ合金の液相線を適切に用いなければ、炭素含有量の推定値に、２０％程度の誤差が生じうることを示している。
【００４６】
実際の製造設備において、溶鋼の溶製を行う際には、溶製の対象となる可能性のある鋼種に対して、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ等の考慮元素を、その鋼種における含有量に即した量で含有するＦｅ合金を想定し、状態図を作成しておけばよい。そして、得られた状態図に基づき、図３のような、液相線を抜き出した検量線、あるいは、凝固温度と炭素濃度の関係を、例えば１℃刻みに表示した換算表を作成しておけばよい。製造設備の電気炉において、凝固温度測定工程を実施して、溶鋼の凝固温度を実測したうえで、対象としている鋼種に対応する検量線または換算表を選択して用い、その凝固温度を、炭素濃度に変換すればよい。
【００４７】
［炭素濃度推定の精度と考慮元素の種類］
溶鋼の凝固温度に基づく炭素濃度の推定に用いる状態図を作成する際に、Ｆｅ合金への含有を考慮する考慮元素は、対象とする溶鋼に含有される添加金属元素の少なくとも一部として選択される。全添加金属元素のうち、考慮元素として取り込む金属元素の種類が多くなるほど、状態図の作成、および状態図を用いた炭素濃度の推定を、高精度に行うことができる。一方で、考慮元素が多くなるほど、１つの状態図の作成に要する労力および時間が増大するとともに、例えば、一部の添加金属元素の含有量がわずかに変化するのみの鋼種の変更があった場合等にも、状態図を作成し直す必要が生じ、多数の状態図を準備することになる。
【００４８】
そこで、全添加金属元素のうち、一部の金属元素を選択して、考慮元素とすればよい。この際、溶鋼の凝固温度と炭素濃度の関係性に大きな影響を与える金属元素を、優先的に考慮元素として選択すれば、過剰に考慮元素の種類を多くすることなく、凝固温度と炭素濃度の関係性を高精度に与える状態図を作成することができる。溶鋼中の含有量が多い金属元素ほど、溶鋼の凝固温度と炭素濃度の関係性に大きな影響を与える場合が多いため、優先的に考慮元素とすればよい。
【００４９】
例えば、Ｃｒは、ステンレス鋼および耐熱鋼をはじめ、多くの鋼種において、各添加金属元素の中で含有量が多い元素であり、考慮元素として、少なくともＣｒを選択することが好ましい。また、ＭｏやＳｉも、比較的多量に含有される元素であり、それらのうち溶鋼に含有されるもの（第一種添加元素）については、Ｃｒとともに、考慮元素として選択し、状態図の作成において考慮することが好ましい。それにより、Ｃｒのみを考慮元素とする場合よりも、炭素濃度を高精度で推定することができる。上記図２、３に示した形態においても、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの３種を考慮元素としている。
【００５０】
図４に、上記鋼種Ａ〜Ｃを含む様々な鋼種に対して、炭素濃度の推定値（横軸）と、実測値（縦軸）の関係を示す。ここで、炭素濃度の推定値は、各鋼種に対応して、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉを考慮元素として作成した状態図を利用して、溶鋼の凝固温度の測定値に基づいて推定されたものである。炭素濃度の実測値は、溶鋼を採取して、成分分析により、直接測定したものである。なお、ここで行っている炭素濃度の実測は、推定値の正確性の検証のためのものであり、本実施形態にかかる精錬工程において、炭素濃度の実測を行うものではない。
【００５１】
図４において、炭素濃度の推定値が実測値と一致する場合を実線で表示している。また、破線で、実測値からのずれが±０．０５質量％および±０．１０質量％の範囲を示している。炭素濃度の推定値は、０．９質量％以下の領域で、実測値に対して、−０．０８質量％〜＋０．０７質量％の領域、幅にして０．１５質量％の領域に分布している。実測値の上下両側に、推定値がほぼ均等に分布しており、炭素濃度を、±０．０８質量％程度のばらつきの範囲内で、正確に推定できていると言える。一方、０．９質量％以上の領域では、推定値は、実測値に対して、−０．２１質量％〜＋０．１１質量％の領域、幅にして０．１０質量％の領域に分布している。つまり、推定値のばらつきは小さいものの、実測値に対して低濃度側に推定値がずれてしまっている。ずれの程度は、実測値に対する割合として、１０％程度となっている
【００５２】
このように、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの３種を考慮元素として状態図を作成し、凝固温度に基づいて炭素濃度を推定することで、比較的推定の精度が高い場合には、±０．０８質量％程度のばらつきで、炭素濃度を推定することができる。ただし、推定の精度が低くなる場合も生じるが、そのような場合にも、実測値からの推定値のずれを、実測値に対する割合で、１０％程度に抑えることができる。なお、図４では、炭素濃度の高い領域で実測値からのずれが大きくなっているが、その傾向は本質的なものではなく、偶然に対象とした鋼種における、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ以外の添加元素の含有量等に起因するものであり、炭素濃度の高低とずれの大きさの間には、明確な相関はない。
【００５３】
ステンレス鋼や耐熱鋼をはじめとする多くの鋼種において、Ｃｒと、Ｍｏおよび／またはＳｉに加え、それらよりは含有量が少ないものの、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの少なくとも１種を含有する場合が多い。そのように、溶鋼にＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎの少なくとも１種が含有される場合には、それらのうち溶鋼に含有されるもの（第二種添加元素）については、上記Ｃｒ、Ｍｏおよび／またはＳｉとともに、考慮元素として選択し、状態図の作成において考慮することが好ましい。それによって、Ｃｒのみ、またＣｒと、Ｍｏおよび／またはＳｉのみを考慮元素とする場合よりも、炭素濃度推定の精度を向上させることができる。
【００５４】
図５に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの６種を考慮元素とした場合について、炭素濃度の推定値と実測値の関係を示す。ここで、各プロット点に対応する鋼種は、図４の各プロット点に対応する鋼種と同じものであり、炭素濃度の実測値も、図４と同一の値を用いている。
【００５５】
図５によると、図４のＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉの３種のみを考慮元素とした場合と比較して、炭素濃度の推定値が、全濃度領域で、実測値に近接して分布するようになっている。つまり、推定値の実測値からのずれが低減されている。また、全濃度領域で、推定値が、実測値の上下両側に、ほぼ均等に分布している。全濃度領域における実測値からの推定値のずれは、−０．０６質量％〜＋０．０６質量％、幅にして０．１２質量％となっている。つまり、実測値を中心とした推定値のばらつきも、低減されている。
【００５６】
このように、比較的含有量の多いＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉに加え、それらよりも含有量が少ない場合が多いＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎまで考慮した状態図を用いて、炭素濃度の推定を行うことで、推定の精度を高めることができ、±０．０６質量％程度のばらつきで、正確な炭素濃度を推定することができる。なお、図５に示した結果では、図４の場合から、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎを考慮するようにしたことに加え、電気炉でのスラグの還元による溶鋼中のＣｒおよびＳｉの濃度変化を考慮するようにしている。炭素濃度の実測値の測定は、スラグ還元前に行っており、推定値の推定に用いている凝固温度の測定は、スラグ還元後に行っているからである。しかし、炭素濃度の推定における精度向上の大部分は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎを考慮したことの寄与によっている。
【００５７】
上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの他にも、溶鋼の凝固温度に有意な影響を与えうる添加元素があれば、状態図を作成する際に考慮すればよい。そのような添加元素として、Ｐ、Ｓ、Ａｌ等を例示することができる。不可避的不純物として溶鋼に含有される元素については、凝固点への影響はほとんどなく、あるとしても炭素濃度の見積もりにおいて無視しうる程度であるため、状態図の作成において、考慮する必要はない。ある元素の影響を考慮しない場合に生じる、炭素濃度の推定値の実測値からのずれが、概ね±０．０６質量％未満の範囲に収まる場合には、その元素の影響は無視しうる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。なお、本発明においては、炭素濃度推定の精度向上の重要性から、一次精錬を電気炉で行い、二次精錬をＬＦで行う形態を扱っているが、一次精錬および二次精錬をそれら以外の形態の炉を用いて行う場合にも、同様の方法を採用することで、成分分析によらず、炭素濃度が高い領域でも、炭素濃度の推定を高精度で行うことができる。鋼種についても、ステンレス鋼や耐熱鋼に限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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