(57)【要約】【課題】電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制して、低炭素高合金鋼を容易かつ確実に得られる低炭素高合金鋼の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、電極加熱を行う精錬設備を用い、Ｃ：０．０２質量％以下、Ｐ：０．０１質量％以下、Ｎｉ：８質量％以上、Ｃｒ：１０質量％以上、Ｍｎ：２０質量％以上を含む低炭素高合金鋼の製造方法であって、未脱酸溶鋼にＮｉ合金を投入する工程と、Ｎｉ合金投入工程後に溶鋼の炭素量が８０質量ｐｐｍ以下となるように脱炭する工程と、脱炭工程後に溶鋼のフリー酸素濃度が５００質量ｐｐｍ以上の状態で溶鋼にＣｒ合金及びＭｎ合金を投入する工程と、脱炭工程後に溶鋼表面のスラグの平均厚さが４５０ｍｍ以上になるように溶鋼へフラックスを添加する工程と、Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程並びにフラックス添加工程の後にフリー酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以下となるように溶鋼を脱酸する工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極加熱を行う精錬設備を用いた、
Ｃ：０．０２質量％以下、
Ｐ：０．０１質量％以下、
Ｎｉ：８質量％以上、
Ｃｒ：１０質量％以上、
Ｍｎ：２０質量％以上
を含む低炭素高合金鋼の製造方法であって、
未脱酸溶鋼にＮｉ合金を投入する工程と、
上記Ｎｉ合金投入工程後に、上記溶鋼の炭素量が８０質量ｐｐｍ以下となるように脱炭する工程と、
上記脱炭工程後に、上記溶鋼のフリー酸素濃度が５００質量ｐｐｍ以上の状態で上記溶鋼にＣｒ合金及びＭｎ合金を投入する工程と、
上記脱炭工程後に、上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが４５０ｍｍ以上になるように上記溶鋼へフラックスを添加する工程と、
上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程並びに上記フラックス添加工程の後に、フリー酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以下となるように上記溶鋼を脱酸する工程と
を備えることを特徴とする低炭素高合金鋼の製造方法。
【請求項２】
上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程が、
Ｃｒ合金を投入する工程と、
このＣｒ合金投入工程後にＭｎ合金を投入する工程と
を有する請求項１に記載の低炭素高合金鋼の製造方法。
【請求項３】
上記Ｃｒ合金投入工程後に上記溶鋼のフリー酸素濃度が１００質量ｐｐｍ以上の状態でＭｎ合金投入工程を行う請求項２に記載の低炭素高合金鋼の製造方法。
【請求項４】
上記フラックス添加工程が、上記Ｃｒ合金投入工程前に上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが２５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する第一添加工程を有する請求項３に記載の低炭素高合金鋼の製造方法。
【請求項５】
上記フラックス添加工程が、上記Ｃｒ合金投入工程後かつＭｎ合金投入工程前に上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが３５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する第二添加工程を有する請求項３又は請求項４に記載の低炭素高合金鋼の製造方法。
【請求項６】
上記フラックス添加工程が、上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程の後に、上記溶鋼にフラックスを添加する第三添加工程を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の低炭素高合金鋼の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の低炭素高合金鋼の製造方法により製造された低炭素高合金鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低炭素高合金鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型伝導マグネットを利用した核融合炉では、超伝導マグネットが４Ｋまで冷却された状態で運転されるため、核融合炉を構成する鋼材は、同様の温度まで冷却され、強磁場中に晒された状態で高い荷重を加えられる。このため、核融合炉を構成する鋼材には、極低温での高強度、高靱性等が必要とされる。これを実現する鋼材としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の含有量が高く、Ｃの含有量が低い低炭素高合金鋼が挙げられる。
【０００３】
このような高合金鋼は、一般に電極加熱を行う精錬設備を用いて行われる。その際、Ｃｒ、Ｍｎ等の金属が酸化され鋼材に含有されなくなる酸化ロスが発生し易い。このため、これらの合金を溶鋼に投入する前に溶鋼の脱酸を行い、溶鋼のフリー酸素濃度を５０質量ｐｐｍ以下とすることが一般的である。ところが、フリー酸素濃度を低くすることで、電極加熱を行っている電極から溶鋼への炭素混入（Ｃピックアップ）が発生しやすくなり、溶鋼の炭素含有量を低く抑え難くなる。
【０００４】
この溶鋼の炭素含有量を低く抑える方法として、Ｃｒ、Ｍｎ等の合金を投入した後に溶鋼の温度を１６５０℃以下とし、溶存酸素量（フリー酸素濃度）を４００質量ｐｐｍ以上の状態として撹拌し、溶鋼の炭素を酸素と反応させＣＯとして排出することで、炭素含有量を低く抑える方法が開示されている（特開平５−２５５７２９号公報）。しかしながら、この従来技術の方法は、電極加熱を行っている電極から溶鋼への炭素混入自身を抑止するものではない。また、出鋼後の溶鋼を高いフリー酸素濃度にするため、酸化され易いＣｒ、Ｍｎ等の金属元素の含有量が酸化により減少し、所望の低炭素高合金鋼が得られないおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２５５７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の事情に基づいてなされたものであり、電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制して、低炭素高合金鋼を容易かつ確実に得られる低炭素高合金鋼の製造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】
【０００７】
本発明者は、鋭意検討した結果、溶鋼の脱炭を行った後、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の投入を行う際に、溶鋼のフリー酸素濃度を高め、かつ溶鋼表面のスラグの平均厚さを大きくすることで、電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
上記課題を解決するためになされた発明は、電極加熱を行う精錬設備を用い、Ｃ：０．０２質量％以下、Ｐ：０．０１質量％以下、Ｎｉ：８質量％以上、Ｃｒ：１０質量％以上、Ｍｎ：２０質量％以上を含む低炭素高合金鋼の製造方法であって、未脱酸溶鋼にＮｉ合金を投入する工程と、上記Ｎｉ合金投入工程後に、上記溶鋼の炭素量が８０質量ｐｐｍ以下となるように脱炭する工程と、上記脱炭工程後に、上記溶鋼のフリー酸素濃度が５００質量ｐｐｍ以上の状態で上記溶鋼にＣｒ合金及びＭｎ合金を投入する工程と、上記脱炭工程後に、上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが４５０ｍｍ以上になるように上記溶鋼へフラックスを添加する工程と、上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程並びに上記フラックス添加工程の後に、フリー酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以下となるように上記溶鋼を脱酸する工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
当該低炭素高合金鋼の製造方法は、脱炭工程後に、溶鋼のフリー酸素濃度が上記下限以上の状態でＣｒ合金及びＭｎ合金を投入するので、電極加熱を行っている電極から溶鋼に混入した炭素を酸素と反応させることにより、溶鋼中の炭素量の増加を抑止することができる。また、脱炭工程後に、溶鋼表面のスラグの平均厚さが上記下限以上になるように上記溶鋼へフラックスを添加するので、上記電極と溶鋼との距離が大きく、電極から溶鋼への炭素混入を抑制することができる。従って、当該低炭素高合金鋼の製造方法は、電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制し、容易かつ確実に低炭素高合金鋼が溶製できる。
【００１０】
上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程が、Ｃｒ合金を投入する工程と、このＣｒ合金投入工程後にＭｎ合金を投入する工程とを有するとよい。Ｍｎ合金の方がＣｒ合金よりも酸化され易いので、Ｍｎ合金を先に入れるとＭｎの酸化により溶鋼が脱酸されＣｒ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度が減少し易い。そのため、このようにＣｒ合金投入工程を先に行うことで、Ｃｒ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度を確保できるとともに、Ｍｎ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度を維持できる。従って、Ｍｎ合金投入時の電極加熱時の電極からの炭素混入による炭素量の増加の抑止効果をさらに高めることができる。
【００１１】
上記Ｃｒ合金投入工程後に上記溶鋼のフリー酸素濃度が１００質量ｐｐｍ以上の状態でＭｎ合金投入工程を行うとよい。Ｃｒ合金投入工程後、溶鋼のフリー酸素濃度が上記下限以上の状態でＭｎ合金投入工程を行うことにより、電極加熱を行っている電極から溶鋼に混入した炭素が酸素と反応するため、溶鋼中の炭素量の増加をさらに抑止することができる。
【００１２】
上記フラックス添加工程が、上記Ｃｒ合金投入工程前に上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが２５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する第一添加工程を有するとよい。このように上記Ｃｒ合金投入工程前に、スラグの平均厚さを上記下限以上となるようにフラックスの添加を行うことで、Ｃｒ合金投入を行う際、電極加熱時の電極からの炭素混入による炭素量の増加の抑止効果をさらに高めることができる。
【００１３】
上記フラックス添加工程が、上記Ｃｒ合金投入工程後かつＭｎ合金投入工程前に上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが３５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する第二添加工程を有するとよい。このように上記Ｃｒ合金投入工程後かつＭｎ合金投入工程前に、スラグの平均厚さを上記下限以上となるようにフラックスの添加を行うことで、Ｍｎ合金投入を行う際、電極加熱時の電極からの炭素混入による炭素量の増加の抑止効果をさらに高めることができる。
【００１４】
上記フラックス添加工程が、上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程の後に、上記溶鋼にフラックスを添加する第三添加工程を有するとよい。このように上記Ｃｒ合金及びＭｎ合金投入工程の後に、フラックスの添加を行うことで、上記第三添加工程後に行う脱酸工程において、電極加熱時の電極からの炭素混入による炭素量の増加の抑止効果をさらに高めることができる。
【００１５】
本発明は、当該低炭素高合金鋼の製造方法によって製造された低炭素高合金鋼を含む。当該低炭素高合金鋼は、上記低炭素高合金鋼の製造方法によって製造されているので、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の金属を所望量含有しつつ、Ｃの含有量が低い。従って、当該低炭素高合金鋼は、極低温で高強度、高靱性が必要とされる核融合炉等の鋼材として好適に用いることができる。
【００１６】
なお、「フリー酸素濃度」は、ジルコニア固体電解質を内蔵する消耗型のプローブを溶鋼中に浸漬し、発生した起電力から換算した溶存酸素濃度を意味する。また、「炭素量」は、溶鋼をレンガ型サンプラーでサンプル採取し、燃焼赤外線吸収法により分析して得られる炭素量を意味する。ただし、「フリー酸素濃度」及び「炭素量」は上記の測定方法に限定されるものではない。また、「合金」は、元素単体からなる金属を含む概念である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の低炭素高合金鋼の製造方法は、電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制することができるので、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の含有量が高く、Ｃの含有量が低い低炭素高合金鋼が容易かつ確実に得られる。従って、当該低炭素高合金鋼の製造方法で製造された低炭素高合金鋼は、極低温で高強度、高靱性が必要とされる核融合炉等の鋼材として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の低炭素高合金鋼の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】実施例におけるＣｒ合金投入前のフリー酸素濃度とＣｒ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を示すグラフである。
【図３】実施例におけるＭｎ合金投入前のフリー酸素濃度とＭｎ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を示すグラフである。
【図４】実施例におけるＣｒ合金投入前のスラグ厚みとＣｒ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を示すグラフである。
【図５】実施例におけるＭｎ合金投入前のスラグ厚みとＭｎ合金投入前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を示すグラフである。
【図６】実施例における脱酸工程前のスラグ厚みと脱酸工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の低炭素高合金鋼の製造方法及び低炭素高合金鋼の実施の形態について図を参照しつつ説明する。
【００２０】
＜低炭素高合金鋼の製造方法＞
図１に示す低炭素高合金鋼の製造方法は、電極加熱を行う精錬設備を用い、Ｃ：０．０２質量％以下、Ｐ：０．０１質量％以下、Ｎｉ：８質量％以上、Ｃｒ：１０質量％以上、Ｍｎ：２０質量％以上を含む低炭素高合金鋼を製造する方法である。当該低炭素高合金鋼の製造方法は、電気炉での一次精錬が終了した後、溶鋼を取鍋内に装入し二次精錬を行う製造方法であり、溶鋼準備工程（Ｓ１）、Ｎｉ合金投入工程（Ｓ２）、脱炭工程（Ｓ３）、第一フラックス添加工程（Ｓ４）、Ｃｒ合金投入工程（Ｓ５）、第二フラックス添加工程（Ｓ６）、Ｍｎ合金投入工程（Ｓ７）、第三フラックス添加工程（Ｓ８）、脱酸工程（Ｓ９）及び造塊工程（Ｓ１０）を備える。
【００２１】
（溶鋼準備工程）
溶鋼準備工程（Ｓ１）は、溶解原料から溶鋼を得る工程である。
【００２２】
まず、溶解原料を電気炉に装入し、電極を近接させアーク加熱により溶解原料を溶解し、１６５０℃以上１７５０℃以下に加熱する。溶解原料としては、特に限定されないが、例えば製鉄所内外からの屑鋼（スクラップ）等を用いることができる。また、装入する溶解原料の質量としては、電気炉の容量以内であれば、特に限定されないが、例えば容量が２０ｔｏｎの電気炉の場合、１５ｔｏｎ以上１７ｔｏｎ以下とできる。溶解原料の質量が上記下限未満である場合、電極と溶解原料との距離が離れすぎ通電できなくなるおそれがある。一方、溶解原料の質量が上記上限を超える場合、二次精錬工程で投入される合金やフラックスにより取鍋の容量を超えてしまうおそれがある。
【００２３】
次に、酸素吹き込みランスを用いて酸素吹き込みを行うことでＣ、Ｐ等の不純物除去（酸素吹精）を行う。この時、酸化された物質の一部が溶鋼の表面に酸化物層（スラグ）を形成する。
【００２４】
上記酸素吹精によりＰ等の濃度が所望の値以下となった後、上記スラグの除去（除滓）を行い、１６５０℃以上１７５０℃以下に加熱し、スラグの除去された溶鋼を取鍋に出鋼し、二次精錬設備に搬入される。なお、取鍋に出鋼される溶鋼（出鋼溶鋼）の質量としては、溶鋼中の鉄分が酸化される量等にも依存するが、２０ｔｏｎの電気炉の場合、１３ｔｏｎ以上１５ｔｏｎ以下程度である。
【００２５】
上記二次精錬設備は、上記取鍋と、底部から溶鋼内にガスを吹き込むポーラスと、電極加熱を行うための複数の電極とを備えている。上記取鍋の容量としては、特に限定されないが、上記電気炉から出鋼する溶鋼量の２倍程度とするとよい。上記取鍋の容量を電気炉から出鋼する溶鋼量の２倍程度とすることで、二次精錬において多量の合金を投入することができる。また、取鍋の内面に施工する耐火物の材質としては、Ｃピックアップが発生し難いことから、ドロマイト煉瓦が好ましい。
【００２６】
上記電極は、アーク放電により溶鋼を加熱溶解した溶湯状態に保持する。上記電極は、炭素製である。このため、Ｎｉ合金、Ｃｒ合金、Ｍｎ合金等を大量に投入する際の電極加熱により、電極から溶鋼へのＣピックアップが発生しやすい。
【００２７】
（Ｎｉ合金投入工程）
Ｎｉ合金投入工程（Ｓ２）は、未脱酸の上記溶鋼にＮｉ合金を投入する工程である。Ｎｉ合金は、酸化ロスがほとんどないため、未脱酸の溶鋼に投入することができる。このため、Ｎｉ合金の投入は取鍋に出鋼する前に電気炉内で行うこともできる。電気炉内でＮｉ投入を行う場合、Ｎｉ含有量を高くし過ぎると、後工程で所望の含有量を超えるおそれがあるため、所望の含有量よりも少なく投入することが一般的である。この場合、取鍋に出鋼後にさらにＮｉ合金の投入を行い溶鋼中のＮｉの含有量が調整される。
【００２８】
Ｎｉ合金の投入量は、Ｎｉを８質量％以上含む低炭素高合金鋼の場合、１５ｔｏｎ程度の出鋼溶鋼に対して２ｔｏｎ程度である。
【００２９】
また、このＮｉ合金投入工程（Ｓ２）は、上記ポーラスより例えば不活性ガスであるＡｒガスを溶鋼内に吹き込むことで、溶鋼を撹拌しながら行う。このように溶鋼を撹拌しながらＮｉ合金を投入することで、溶鋼内のＮｉ濃度が均一化できる。上記撹拌のために溶鋼内に吹き込むＡｒガスの流量は、１５〜２５ｔｏｎ程度の溶鋼に対して１０Ｌ／分以上４０Ｌ／分以下程度とできる。
【００３０】
（脱炭工程）
脱炭工程（Ｓ３）は、上記溶鋼の炭素量が８０質量ｐｐｍ以下となるように脱炭を行う工程である。また、脱炭後の上記溶鋼の炭素量の上限としては、６０質量ｐｐｍがより好ましい。脱炭後の上記溶鋼の炭素量が上記上限を超える場合、製造される低炭素高合金鋼の炭素量が所望の値を超えるおそれがある。
【００３１】
脱炭は、例えばＡｒガスを上記ポーラスから溶鋼に吹き込みながら、溶鋼中の酸素と反応させることで行う。溶鋼に吹き込むＡｒガスの流量は、１５〜２５ｔｏｎ程度の溶鋼に対して１０Ｌ／分以上４０Ｌ／分以下程度とできる。
【００３２】
上記脱炭は、真空度１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）未満の真空雰囲気下で行うとよい。脱炭反応は、真空度が高いほど促進され易いため、真空度を１Ｔｏｒｒ未満とすることで、溶鋼の炭素量を容易に上記下限以下とすることができる。一方、上記真空度が上記下限以上である場合、脱炭反応が促進されず、目標とする値まで炭素濃度が下がらないおそれがある。
【００３３】
（第一フラックス添加工程）
第一フラックス添加工程（Ｓ４）は、脱炭素工程（Ｓ３）の後に上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが２５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する。上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後のスラグの平均厚さの下限としては、２７０ｍｍがより好ましい。また、上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後のスラグの平均厚さの上限としては、１０００ｍｍが好ましく、４００ｍｍがより好ましい。上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後のスラグの平均厚さが上記下限未満である場合、Ｃｒ合金投入を行う際、Ｃピックアップが発生し、溶鋼中の炭素量が増加するおそれがある。一方、上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後のスラグの平均厚さが上記上限を超える場合、スラグが不要に厚くなり、通電加熱に必要なエネルギーが増大し、製造コストが高くなるおそれがある。
【００３４】
添加するフラックスの種類としては、特に限定されないが、例えばＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦ２等を用いることができる。中でもＣａＯとＣａＦ２とを共に用いるとよい。ＣａＯは脱硫を促進できる。また、ＣａＦ２を使用することでスラグの融点を低下させ、特にＣｒ合金投入後のスラグの硬化を抑止できる。
【００３５】
フラックス添加によるスラグの平均厚みの制御方法としては、特に限定されないが、例えば予めフラックス添加量から総スラグ量を計算し、その際のスラグ平均厚みを鉄の棒等をスラグに差し込み実測することで、スラグ量とスラグ平均厚みとの関係式を導いておくとよい。このようにスラグ量とスラグ平均厚みとの関係式を予め導いておくことで、フラックス添加量から総スラグ量を計算し、スラグ平均厚みに換算することができる。
【００３６】
（Ｃｒ合金投入工程）
Ｃｒ合金投入工程（Ｓ５）は、上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後の溶鋼のフリー酸素濃度が５００質量ｐｐｍ以上の状態でＣｒ合金を投入する工程である。上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後の溶鋼のフリー酸素濃度の下限としては、６００質量ｐｐｍがより好ましい。また、上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後の溶鋼のフリー酸素濃度の上限としては、１０００質量ｐｐｍが好ましく、８００質量ｐｐｍがより好ましい。上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後の溶鋼のフリー酸素濃度が上記下限未満である場合、電極から溶鋼へ混入した炭素をＣＯとして十分に排出できないため、溶鋼中の炭素量が増え易くなり、低炭素高合金鋼のＣ含有量が多くなる。一方、上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後の溶鋼のフリー酸素濃度が上記上限を超える場合、Ｃｒ合金等の酸化ロスが多くなるため、原料追加を行う必要があり生産性が阻害されるおそれがある。また、追加原料を加熱することによるＣピックアップが発生し、溶鋼中の炭素量が増加するおそれがある。
【００３７】
上記第一フラックス添加工程（Ｓ４）後の溶鋼のフリー酸素濃度の調整方法としては、特に制限されないが、例えば脱炭工程（Ｓ３）後に溶鋼を脱酸しない手法が挙げられる。または、上記下限以上のフリー酸素濃度を維持する範囲で脱酸を行ってもよい。また、不足する酸素は溶鋼への酸素吹付け等により溶鋼中に加えてもよい。
【００３８】
Ｃｒ合金の投入量は、Ｃｒを１０質量％以上含む低炭素高合金鋼の場合、１５ｔｏｎ程度の出鋼溶鋼に対して３ｔｏｎ程度である。また、このＣｒ合金投入工程（Ｓ５）は、Ｎｉ合金投入工程（Ｓ２）と同様に撹拌しながら行う。
【００３９】
（第二フラックス添加工程）
第二フラックス添加工程（Ｓ６）は、Ｃｒ合金投入工程（Ｓ５）後に上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが３５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する。上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後のスラグの平均厚さの下限としては、４５０ｍｍがより好ましい。また、上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後のスラグの平均厚さの上限としては、１０００ｍｍが好ましく、６００ｍｍがより好ましい。上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後のスラグの平均厚さが上記下限未満である場合、Ｍｎ合金投入を行う際、Ｃピックアップが発生し、溶鋼中の炭素量が増加するおそれがある。一方、上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後のスラグの平均厚さが上記上限を超える場合、スラグが不要に厚くなり、通電加熱に必要なエネルギーが増大し、製造コストが高くなるおそれがある。
【００４０】
なお、上記フラックスの種類及びスラグの平均厚みの制御方法としては、第一フラックス添加工程（Ｓ４）と同様のものを用いることができる。
【００４１】
（Ｍｎ合金投入工程）
Ｍｎ合金投入工程（Ｓ７）は、上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後の溶鋼のフリー酸素濃度が１００質量ｐｐｍ以上の状態でＭｎ合金を投入する工程である。上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後の溶鋼のフリー酸素濃度の下限としては、２００質量ｐｐｍがより好ましい。また、上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後の溶鋼のフリー酸素濃度の上限としては、１０００質量ｐｐｍが好ましく、３００質量ｐｐｍがより好ましい。上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後の溶鋼のフリー酸素濃度が上記下限未満である場合、電極から溶鋼へ混入した炭素をＣＯとして十分に排出できないため、溶鋼中の炭素量が増え易くなり、低炭素高合金鋼のＣ含有量が多くなる。一方、上記第二フラックス添加工程（Ｓ６）後の溶鋼のフリー酸素濃度が上記上限を超える場合、Ｃｒ、Ｍｎ合金等の酸化ロスが多くなるため、原料追加を行う必要があり生産性が阻害されるおそれがある。また、追加原料を加熱することによるＣピックアップが発生し、溶鋼中の炭素量が増加するおそれがある。
【００４２】
Ｍｎ合金の投入量は、Ｍｎを２０質量％以上含む低炭素高合金鋼の場合、１５ｔｏｎ程度の出鋼溶鋼に対して５．５ｔｏｎ程度である。また、このＭｎ合金投入工程（Ｓ７）は、Ｎｉ合金投入工程（Ｓ２）と同様に撹拌しながら行う。
【００４３】
（第三フラックス添加工程）
第三フラックス添加工程（Ｓ８）は、上記溶鋼表面のスラグの平均厚さが４５０ｍｍ以上となるように上記溶鋼にフラックスを添加する。上記第三フラックス添加工程（Ｓ８）後のスラグの平均厚さの下限としては、５３０ｍｍがより好ましい。また、上記第三フラックス添加工程（Ｓ８）後のスラグの平均厚さの上限としては、１０００ｍｍが好ましく、７００ｍｍがより好ましい。上記第三フラックス添加工程（Ｓ８）後のスラグの平均厚さが上記下限未満である場合、脱酸を行う際、Ｃピックアップが発生し、溶鋼中の炭素量が増加するおそれがある。一方、上記第三フラックス添加工程（Ｓ８）後のスラグの平均厚さが上記上限を超える場合、スラグが取鍋から溢れ出てしまうおそれがある。また、スラグが不要に厚くなり、通電加熱に必要なエネルギーが増大し、製造コストが高くなるおそれがある。
【００４４】
なお、上記フラックスの種類及びスラグの平均厚みの制御方法としては、第一フラックス添加工程（Ｓ４）と同様のものを用いることができる。
【００４５】
（脱酸工程）
脱酸工程（Ｓ９）は、フリー酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以下となるように上記第三フラックス添加工程（Ｓ８）後の溶鋼を脱酸する。上記脱酸工程（Ｓ９）後のフリー酸素濃度の上限としては、５質量ｐｐｍがより好ましい。上記脱酸工程（Ｓ９）後のフリー酸素濃度が上記上限を超える場合、スラグ中のＣｒ及びＭｎが溶鋼中に十分に還元されず、製造される低炭素高合金鋼の金属元素の含有量が所望の値を下回るおそれがある。
【００４６】
脱酸工程（Ｓ９）は、脱酸剤を上記第三フラックス添加工程（Ｓ８）後の溶鋼中に投入し、強撹拌することで行われる。この脱酸工程（Ｓ９）では、溶鋼中のフリー酸素を投入した脱酸剤により除去するとともに、酸化されスラグ中に存在するＣｒ２Ｏ３及びＭｎＯを還元する。強撹拌を行うことでこの還元反応が促進され、Ｃｒ及びＭｎを溶鋼中に還元できる。
【００４７】
上記脱酸剤としては、特に制限されないが、金属Ａｌ、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ等を挙げることができる。中でも低炭素高合金鋼の特性への影響が低い金属Ａｌ、金属Ｓｉが好ましい。
【００４８】
上記強撹拌は、２００Ｔｏｒｒ程度の真空雰囲気下で行うとよい。このように真空雰囲気下で強撹拌を行うことで、投入した脱酸剤と酸素との反応が促進され、さらにスラグ層と溶鋼との反応も促進される。その結果、容易かつ確実にＣｒ及びＭｎを溶鋼に還元し、フリー酸素濃度を上記上限以下とすることができる。
【００４９】
また、脱酸工程（Ｓ９）において、溶鋼の撹拌を行いながら含有成分の調整を行う。例えばＣｒＮ（窒化クロム）を上記溶鋼に投入することによりＣｒやＮの含有量の調整ができる。
【００５０】
（造塊工程）
造塊工程（Ｓ１０）は、鋳造して鋼塊を作製する。鋼塊は、上注ぎや下注ぎ等の造塊方法によって鋳造できる。上記造塊工程によって得られた鋼塊は、丸棒等の中間製品の形状に成型され、機械加工による仕上げをして最終製品となる。
【００５１】
＜利点＞
当該低炭素高合金鋼の製造方法は、脱炭工程（Ｓ３）後に、溶鋼のフリー酸素濃度が５００質量ｐｐｍ以上の状態でＣｒ合金を投入するので、電極加熱を行っている電極から溶鋼に混入した炭素を酸素と反応させることにより、溶鋼中の炭素量の増加を抑止することができる。また、Ｍｎ合金投入工程（Ｓ７）後に、溶鋼表面のスラグの平均厚さが４５０ｍｍ以上になるように上記溶鋼へフラックスを添加するので、上記電極と溶鋼との距離が長く、電極から溶鋼への炭素混入を抑制することができる。従って、当該低炭素高合金鋼の製造方法は、電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制し、容易かつ確実に低炭素高合金鋼の溶製できる。
【００５２】
また、当該低炭素高合金鋼の製造方法は、Ｃｒ合金投入工程（Ｓ５）後にＭｎ合金投入工程（Ｓ７）を行う。Ｍｎ合金の方がＣｒ合金よりも酸化され易いので、Ｍｎ合金を先に入れるとＭｎの酸化により溶鋼が脱酸されＣｒ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度が減少し易い。そのため、このようにＣｒ合金投入工程を先に行うことで、Ｃｒ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度を確保できるとともに、Ｍｎ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度を維持できる。従って、Ｍｎ合金投入時のフリー酸素濃度が容易に調整でき、得られる低炭素高合金鋼の炭素含有量をより低減できる。
【００５３】
さらに、当該低炭素高合金鋼の製造方法では、Ｃｒ合金投入前、Ｍｎ合金投入前及び脱酸前に、それぞれフラックスの添加が行われる。このため、Ｃｒ合金投入工程（Ｓ５）、Ｍｎ合金投入工程（Ｓ７）及び脱酸工程（Ｓ９）を行う際のスラグの平均厚みを個別に制御でき、それぞれの工程に好適なスラグの平均厚みでＣピックアップを抑止しながら、電極加熱を効率的に行うことができる。また、各フラックス添加工程（Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８）で、順に好適なスラグの平均厚みが大きくなるため、フラックスを追加投入することで容易にスラグの平均厚みを調整できる。
【００５４】
＜低炭素高合金鋼＞
当該低炭素高合金鋼は、当該低炭素高合金鋼の製造方法を用いて製造される。このため、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の金属を所望量含有しつつ、Ｃの含有量が低い。従って、当該低炭素高合金鋼は、極低温で高強度、高靱性が必要とされる核融合炉等の鋼材として好適に用いることができる。
【００５５】
［その他の実施形態］
本発明の低炭素高合金鋼の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、取鍋に出鋼した溶鋼に対して、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の合金の投入工程、フラックスの添加工程等を行ったが、これらの工程は電気炉（一次精錬）で行ってもよい。
【００５６】
上記実施形態では、第一フラックス添加工程、第二フラックス添加工程及び第三フラックス添加工程を備える低炭素高合金鋼の製造方法の例を示したが、脱酸工程の前にスラグの平均厚さが４５０ｍｍ以上である限り、フラックス添加は、どの工程の前に行ってもよい。例えば、上記フラックス添加工程の一部を省略してもよい。また、フラックスの添加をＮｉ合金投入工程前にさらに行ってもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、Ｃｒ合金投入工程及びＭｎ合金投入工程をこの順で行う低炭素高合金鋼の製造方法の例を示したが、これらの順序は異なっていてもよい。例えばＭｎ合金投入工程後、Ｃｒ合金投入工程を行ってもよい。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１〜４）
まず、電気炉に１５．５ｔｏｎ以上１６．５ｔｏｎ以下の溶解原料を装入し、アーク熱による溶解を行った。使用した電気炉としては、エルー式電気炉でトランス容量が１２．５ＭＶＡであり、容量が２０ｔｏｎのものを用いた。次に酸素吹精により脱炭及び脱燐を実施した。その後、１６５０℃以上１７５０℃以下に溶鋼を加熱し、スラグの除去された溶鋼を取鍋に出鋼した。取鍋は、鍋耐火物の材質がドロマイト煉瓦であり、容量が２０ｔｏｎのものを用いた。出鋼した溶鋼の重量は１３．５ｔｏｎ以上１５．２ｔｏｎ以下であった。
【００６０】
取鍋に出鋼した溶鋼にフラックスとしてＣａＯを添加し、約２ｔｏｎのＮｉ合金を取鍋に投入した。その後、電極加熱により溶鋼温度を１６５０℃以上１６７０℃以下とし、脱炭のための真空処理を行った。真空処理は、脱炭工程後の炭素量が８０質量ｐｐｍ以下となるように１Ｔｏｒｒ未満の真空度で１５分程度実施した。これにより溶鋼の炭素量を１００質量ｐｐｍ未満まで低減した。
【００６１】
次に、フラックスを追加投入しスラグ平均厚さを調整した後、約３ｔｏｎのＣｒ合金を投入した。さらにフラックスを追加投入しスラグ平均厚さを調整した後、約５．５ｔｏｎのＭｎ合金を投入した。
【００６２】
次に、Ｓｉ合金を投入し、２００Ｔｏｒｒ程度の真空処理を行い、上記溶鋼の撹拌を促進しながら、脱酸工程後のフリー酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以下となるように溶鋼の脱酸とスラグ中のＣｒ及びＭｎの還元とを実施した。最後に溶鋼の成分を調整し、造塊にて鋳込みを行い、鋼塊（低炭素高合金鋼）を得た。
【００６３】
上記試料作成工程において、フラックスの投入によるスラグ平均厚さの調整としては、スラグ量とスラグ平均厚みとの関係式を予め導いておくことで、フラックス添加量から総スラグ量を計算し、スラグ平均厚みに換算する方法を用いた。本試料作成における換算式は、スラグ平均厚みをＤ（ｍｍ）、スラグ量をＭ（ｋｇ）とする時、
Ｄ＝Ｍ×０．１１９＋１３３  ・・・（１）
であった。
【００６４】
上述の手順において、Ｃｒ合金投入前のスラグ厚み、Ｍｎ合金投入前のスラグ厚み及び脱酸前のスラグ厚みをフラックスの投入量を変えることで表１のように調整して、実施例１〜４の低炭素高合金鋼を作製した。
【００６５】
（比較例１〜５）
上記実施例１〜４の試料作成工程の脱炭工程後Ｃｒ合金投入工程前にフリー酸素濃度を表１のように調整した。また、Ｃｒ合金投入前のスラグ厚み、Ｍｎ合金投入前のスラグ厚み及び脱酸前のスラグ厚みをフラックスの投入量を変えることで表１のように調整し、比較例１〜５の低炭素高合金鋼を得た。
【００６６】
［測定］
上記実施例１〜４及び比較例１〜５について、Ｃｒ合金投入前、Ｍｎ合金投入前及び脱酸処理工程後のフリー酸素濃度と、Ｃｒ合金投入工程前後、Ｍｎ合金投入工程前後及び脱酸処理工程前後の溶鋼のＣピックアップ量と、造塊後の鋼塊のＣ含有量とを測定した。
【００６７】
（フリー酸素濃度）
フリー酸素濃度は、ジルコニア固体電解質を内蔵する消耗型のプローブを溶鋼中に浸漬し、発生した起電力から換算した。結果を表１に示す。
【００６８】
（溶鋼のＣピックアップ量）
溶鋼のＣピックアップ量は、Ｃｒ合金投入工程、Ｍｎ合金投入工程及び脱酸処理工程において、各工程の前後で溶鋼をレンガ型サンプラーでサンプル採取し、燃焼赤外線吸収法により分析して得た炭素量の増分から算出した。結果を表１に示す。
【００６９】
（鋼塊のＣ含有量）
鋼中のＣ含有量は、鋳造中の溶鋼の注入流からディスク状のサンプルを採取し、燃焼赤外線吸収法により分析して得た。結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
2015196865.tif 000003
【００７１】
［測定結果］
実施例１〜４と比較例１〜５との造塊工程後の鋼塊のＣ含有量を比較すると、実施例１〜４はＣ含有量が低炭素鋼の基準値である０．０２質量％以下であるのに対し、比較例１〜５のＣ含有量は０．０２質量％を超えている。つまり、本発明の低炭素高合金鋼の製造方法により低炭素高合金鋼の溶製が可能であることが分かる。
【００７２】
さらに詳細に見ると、実施例１〜４はＣｒ合金投入前の溶鋼のフリー酸素濃度が５００質量ｐｐｍ以上であり、かつ脱酸工程前のスラグ厚みが４５０ｍｍ以上である。これに対し、比較例１〜５では、上記いずれか又は両方の条件が満足されない。従って、Ｃｒ合金投入前のフリー酸素濃度が上記下限以上であり、脱酸工程前のスラグ厚みが上記下限以上であることで、低炭素高合金鋼の溶製が可能であることが分かる。
【００７３】
また、実施例２及び実施例３は、実施例１及び実施例４に比べてさらに鋼塊のＣ含有量が低い。実施例２及び実施例３は、Ｍｎ合金投入工程前のフリー酸素濃度が１００ｐｐｍ以上であり、Ｃｒ合金投入前のスラグ平均厚みが２５０ｍｍ以上であり、かつＭｎ合金投入前のスラグ平均厚みが３５０ｍｍ以上である。従って、これらの条件を満たすことでさらにＣ含有量の低い低炭素高合金鋼の溶製が可能であることが分かる。
【００７４】
次に、Ｃｒ合金投入前のフリー酸素濃度とＣｒ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を図２に示す。図２よりＣｒ合金投入前のフリー酸素濃度を５００質量ｐｐｍ以上とすることで、Ｃｒ合金投入工程前後のＣピックアップ量を３０質量ｐｐｍ以下とすることができる。このことからＣｒ合金投入前のフリー酸素濃度を上記下限以上とすることで、Ｃピックアップによる炭素量の増加を効果的に抑止することができることが分かる。
【００７５】
次に、Ｍｎ合金投入前のフリー酸素濃度とＭｎ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を図３に示す。図３よりＭｎ合金投入前のフリー酸素濃度を１００質量ｐｐｍ以上とすることで、Ｍｎ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量を６０質量ｐｐｍ以下とすることができる。このことからＭｎ合金投入前のフリー酸素濃度を上記下限以上とすることで、Ｃピックアップによる炭素量の増加を効果的に抑止することができることが分かる。
【００７６】
次に、Ｃｒ合金投入前のスラグ厚みとＣｒ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を図４に示す。図４よりＣｒ合金投入前のスラグ厚みを２５０ｍｍ以上とすることで、Ｃｒ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量を６０質量ｐｐｍ以下とすることができる。このことからＣｒ合金投入前のスラグ厚みを上記下限以上とすることで、Ｃピックアップによる炭素量の増加を効果的に抑止することができることが分かる。
【００７７】
次に、Ｍｎ合金投入前のスラグ厚みとＭｎ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を図５に示す。図５よりＭｎ合金投入前のスラグ厚みを３５０ｍｍ以上とすることで、Ｍｎ合金投入工程前後の溶鋼のＣピックアップ量を６０質量ｐｐｍ以下とすることができる。このことからＭｎ合金投入前のスラグ厚みを上記下限以上とすることで、Ｃピックアップによる炭素量の増加を効果的に抑止することができることが分かる。
【００７８】
次に、脱酸工程前のスラグ厚みと脱酸工程前後の溶鋼のＣピックアップ量との関係を図６に示す。図６より脱酸前のスラグ厚みを４５０ｍｍ以上とすることで、脱酸工程前後の溶鋼のＣピックアップ量を３０質量ｐｐｍ以下とすることができる。このことから脱酸工程前のスラグ厚みを上記下限以上とすることで、Ｃピックアップによる炭素量の増加を効果的に抑止することができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の低炭素高合金鋼の製造方法は、電極加熱時の電極からの炭素混入を抑制することができるので、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の含有量が高く、Ｃの含有量が低い低炭素高合金鋼が容易かつ確実に得られる。従って、当該低炭素高合金鋼の製造方法で製造された低炭素高合金鋼は、極低温で高強度、高靱性が必要とされる核融合炉等の鋼材として好適に用いることができる。
【図１】
2015196865.tif 000004
【図２】
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【図３】
2015196865.tif 000006
【図４】
2015196865.tif 000007
【図５】
2015196865.tif 000008
【図６】
2015196865.tif 000009