(57)【要約】【課題】粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの発生を抑制することができるとともに、靭性が大幅に向上した炭素鋼鋳片、炭素鋼鋳片の製造方法およびこの炭素鋼鋳片からなる鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ；０．０１％以上０．３０％以下、Ｓｉ；０．００１％以上１．５％以下、Ｍｎ；０．０１％以上３．０％以下、Ｐ；０．００１０％以上０．０５０％以下、Ｓ；０．０００１％以上０．００３％以下、Ａｌ；０．０１％以上１．５％以下、ｔ．Ｏ；０．０００１％以上０．００４％以下、ｔ．Ｎ；０．０００１％以上０．０１％以下、ｔ．Ｚｒ；０．０００３％以上０．００４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物とされた組成を有し、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物が１ｍｍ２あたり５０個以上存在するとともに、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスターが１ｍｍ２あたり５個以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ；０．０１％以上０．３０％以下、Ｓｉ；０．００１％以上１．５％以下、Ｍｎ；０．０１％以上３．０％以下、Ｐ；０．００１０％以上０．０５０％以下、Ｓ；０．０００１％以上０．００３％以下、Ａｌ；０．０１％以上１．５％以下、ｔ．Ｏ；０．０００１％以上０．００４％以下、ｔ．Ｎ；０．０００１％以上０．０１％以下、ｔ．Ｚｒ；０．０００３％以上０．００４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物とされた組成を有し、
円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物が１ｍｍ２あたり５０個以上存在するとともに、
円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスターが１ｍｍ２あたり５個以下であることを特徴とする炭素鋼鋳片。
【請求項２】
請求項１に記載の炭素鋼鋳片を製造する炭素鋼鋳片の製造方法であって、
容器内に貯留された溶鋼に、Ａｌ添加後にＺｒを添加するＺｒ添加工程を有しており、
前記Ｚｒ添加工程では、Ｚｒ添加部の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加することを特徴とする炭素鋼鋳片の製造方法。
【請求項３】
前記容器内の前記溶鋼の平均還流時間が１２０秒以上３６０秒以下とされていることを特徴とする請求項２に記載の炭素鋼鋳片の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の炭素鋼鋳片を加工して成形されたことを特徴とする鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製品欠陥の原因となる粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターが少なく、かつ、靭性に優れた炭素鋼鋳片、炭素鋼鋳片の製造方法、及び、この炭素鋼鋳片からなる鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、厚板等の鋼材の素材として、溶鋼に脱酸剤としてＡｌを添加したアルミキルド鋼からなる炭素鋼鋳片が用いられている。溶鋼にＡｌを添加して脱酸を行った際には、溶鋼中にＡｌ２Ｏ３が生成する。このＡｌ２Ｏ３はクラスター化しやすいことから、炭素鋼鋳片の内部には、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターが存在することがある。
【０００３】
ここで、厚板等の鋼材においては、上述の粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターに起因した製品欠陥が発生することが知られている。
従来、製品欠陥の原因となる粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターを低減する手段として、例えば特許文献１には、希土類元素（ＲＥＭ）を添加するとともに固溶ＲＥＭを１ｐｐｍとすることが提案されている。
【０００４】
一方、厚板等の鋼材には、その使用用途に応じて優れた低温靭性が求められている。低温靭性を向上させるためには、破壊起点となる粗大な介在物を除去し、微細な介在物を分散させることにより、結晶粒の粗大化を抑制する方法がある。
ここで、例えば特許文献２には、Ｚｒ及びＲＥＭを複合添加して酸化物（Ｚｒ、ＲＥＭ、及びＣａを含有する酸化物）を生成させるとともに、この酸化物の大きさと個数を制御することにより、靭性を向上させた鋼材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−００２４２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０９４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１では、ＲＥＭの添加によりＡｌ２Ｏ３クラスターの発生を抑制しているが、介在物サイズは数μｍのＡｌ２Ｏ３であり、靭性等の材質特性を向上させることはできなかった。
また、特許文献２で生成した介在物は、円相当径が０．１〜２．０μｍの比較的粗大な酸化物であり、靭性の向上が不十分であった。
【０００７】
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの発生を抑制することができるとともに、微細な介在物を分散生成させることで、靭性が大幅に向上された炭素鋼鋳片、炭素鋼鋳片の製造方法、及び、この炭素鋼鋳片からなる鋼材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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、微量のＺｒ元素を溶鋼中に存在させることにより、Ａｌ２Ｏ３クラスターの生成原因となるＦｅＯを還元して粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの生成を抑制できるとともに、ＦｅＯと未反応のＺｒ粒子が微細なＺｒ酸化物となって数多く存在し、炭素鋼鋳片の靭性を大幅に向上させることが可能であるとの知見を得た。
【０００９】
本発明は上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明に係る炭素鋼鋳片は、質量％で、Ｃ；０．０１％以上０．３０％以下、Ｓｉ；０．００１％以上１．５％以下、Ｍｎ；０．０１％以上３．０％以下、Ｐ；０．００１０％以上０．０５０％以下、Ｓ；０．０００１％以上０．００３％以下、Ａｌ；０．０１％以上１．５％以下、ｔ．Ｏ；０．０００１％以上０．００４％以下、ｔ．Ｎ；０．０００１％以上０．０１％以下、ｔ．Ｚｒ；０．０００３％以上０．００４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物とされた組成を有し、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物が１ｍｍ２あたり５０個以上存在するとともに、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスターが１ｍｍ２あたり５個以下であることを特徴としている。
【００１０】
この構成の炭素鋼鋳片によれば、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスターが１ｍｍ２あたり５個以下に抑えられていることから、この炭素鋼鋳片を用いた場合に、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターに起因する製品不良の発生を抑制することが可能となる。
また、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の比較的微細なＺｒ酸化物が１ｍｍ２あたり５０個以上存在しているので、炭素鋼鋳片の靭性を大幅に向上させることができる。
【００１１】
また、本発明に係る炭素鋼鋳片の製造方法は、上述の炭素鋼鋳片を製造する炭素鋼鋳片の製造方法であって、容器内に貯留された溶鋼に、Ａｌ添加後にＺｒを添加するＺｒ添加工程を有しており、前記Ｚｒ添加工程では、Ｚｒ添加部の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加することを特徴としている。Ｚｒは、Ｚｒ添加時、表面張力により一時的に溶鋼の湯面表層部にとどまるため、湯面〜湯面より５０ｃｍ深さまでの溶鋼中のＺｒ濃度が最も高い。したがって、溶鋼サンプルが湯面の影響を受けて、成分の変動等が起きないように、Ｚｒ添加部の湯面直下５０ｃｍの溶鋼を採取して成分の測定を行うこととした。
【００１２】
この構成の炭素鋼鋳片の製造方法によれば、容器内に貯留された溶鋼にＺｒを添加するＺｒ添加工程において、Ｚｒ添加部の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加する構成としているので、溶鋼中には微量のＺｒ元素が存在することになる。このＺｒ元素により、Ａｌ２Ｏ３クラスター生成の原因となるＦｅＯを還元することができ、Ａｌ２Ｏ３のクラスター化（粗大化）を抑制することが可能となる。
【００１３】
また、Ｚｒの添加から３０秒後にＺｒ濃度が１５ｐｐｍ以下の微量とされていることから、ＦｅＯと未反応のＺｒが成長せず、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細なＺｒ酸化物を数多く存在させることが可能となり、靭性に優れた炭素鋼鋳片を製造することが可能となる。なお、Ｚｒの添加から３０秒後にＺｒ酸化物の生成量が増大することから、本発明では、Ｚｒの添加から３０秒後のＺｒ濃度を１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒの添加を制御している。Ｚｒの添加を分割して少量ずつ実施したり、容器内の溶鋼を撹拌して平均還流時間を変更したりすることにより、Ｚｒの添加から３０秒後のＺｒ濃度を１５ｐｐｍ以下に制御することが可能となる。
【００１４】
ここで、本発明の炭素鋼鋳片の製造方法においては、前記容器内の前記溶鋼の平均還流時間が１２０秒以上３６０秒以下とされていることが好ましい。平均還流時間とは、容器中の溶鋼成分が均一になるまでの時間を示す。平均還流時間は容器のサイズや溶鋼撹拌機能の有無等によって決定される。
この構成の炭素鋼鋳片の製造方法によれば、前記容器内の前記溶鋼の平均還流時間を１２０秒以上としているので、撹拌によって酸素が溶鋼中に巻き込まれることが少なく、粗大な酸化物の発生を抑制することができる。一方、前記溶鋼の平均還流時間が３６０秒以下とされているので、撹拌力が十分に確保されており、局所的にＺｒ濃度が高い領域が存在することがなく、Ｚｒ酸化物の粗大化を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明に係る鋼材は、上述の炭素鋼鋳片を加工して成形されたことを特徴としている。
この構成の鋼材は、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物が１ｍｍ２あたり５０個以上存在するとともに、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスターが１ｍｍ２あたり５個以下である炭素鋼鋳片を用いているので、靭性を大幅に向上させることができるとともに粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターに起因する製品不良の発生を抑制することができる。なお、鋼材としては、炭素鋼鋳片に対して熱間圧延を行った厚板材や冷延加工を実施した薄板材等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述のように、本発明によれば、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの発生を抑制することができるとともに、靭性が大幅に向上した炭素鋼鋳片、炭素鋼鋳片の製造方法、及び、この炭素鋼鋳片からなる鋼材を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態である炭素鋼鋳片の製造方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の実施形態である炭素鋼鋳片の製造方法におけるＺｒ添加工程の説明図である。
【図３】Ｚｒ添加工程において、Ｚｒ添加部の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加した場合の作用を示す説明図である。
【図４】Ｚｒ添加工程において、Ｚｒ添加部の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍを超えるように、Ｚｒを添加した場合の作用を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態である炭素鋼鋳片、炭素鋼鋳片の製造方法、及び、鋼材について、添付した図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態である炭素鋼鋳片は、その組成が、質量％で、Ｃ；０．０１％以上０．３０％以下、Ｓｉ；０．００１％以上１．５％以下、Ｍｎ；０．０１％以上３．０％以下、Ｐ；０．００１０％以上０．０５０％以下、Ｓ；０．０００１％以上０．００３％以下、Ａｌ；０．０１％以上１．５％以下、ｔ．Ｏ；０．０００１％以上０．００４％以下、ｔ．Ｎ；０．０００１％以上０．０１％以下、ｔ．Ｚｒ；０．０００３％以上０．００４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物とされている。
以下に、各成分を規定した理由について説明する。
【００２０】
（Ｃ：炭素）
Ｃは、炭素鋼鋳片の強度を向上させる作用効果を有する元素である。ここで、Ｃの含有量が０．０１％未満では、上述の作用効果を奏功せしめることができない。一方、Ｃの含有量が０．３０％を超えると、ＨＡＺ靭性が劣化するとともに、溶接性も低下してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ｃの含有量を０．０１％以上０．３０％以下の範囲内に限定している。
【００２１】
（Ｓｉ：ケイ素）
Ｓｉは、溶鋼１０の脱酸を促進するとともに、炭素鋼鋳片の強度を向上させる作用効果を有する元素である。ここで、Ｓｉの含有量が０．００１％未満では、上述の作用効果を奏功せしめることができない。一方、Ｓｉの含有量が１．５％を超えると、ＨＡＺ靭性が劣化するとともに、溶接性も低下してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ｓｉの含有量を０．００１％以上１．５％以下の範囲内に限定している。
【００２２】
（Ｍｎ：マンガン）
Ｍｎは、炭素鋼鋳片の強度及び靭性を向上させる作用効果を有する元素である。ここで、Ｍｎの含有量が０．０１％未満では、上述の作用効果を奏功せしめることができない。一方、Ｍｎの含有量が３．０％を超えると、溶接性が低下してしまう。
以上のことから、本実施形態では、Ｍｎの含有量を０．０１％以上３．０％以下の範囲内に限定している。
【００２３】
（Ｐ：リン）
Ｐは、炭素鋼鋳片の靭性に影響を与える元素であるが、不可避的に０．００１０％は含有される。ここで、Ｐの含有量が０．０５０％を超えると、粗大な介在物が生成し、炭素鋼鋳片の靭性が劣化してしまう。
以上のことから、本実施形態では、Ｐの含有量を０．００１０％以上０．０５０％以下の範囲内に限定している。
【００２４】
（Ｓ：硫黄）
Ｓは、炭素鋼鋳片の靭性に影響を与える元素であるが、不可避的に０．０００１％は含有される。ここで、Ｓの含有量が０．００３％を超えると、粗大な介在物が生成し、炭素鋼鋳片の靭性が劣化してしまう。
以上のことから、本実施形態では、Ｓの含有量を０．０００１％以上０．００３％以下の範囲内に限定している。
【００２５】
（Ａｌ：アルミニウム）
Ａｌは、溶鋼１０の脱酸を促進するために添加される元素である。ここで、Ａｌの含有量が０．０１％未満では、十分に脱酸をすることができない。一方、Ａｌの含有量が１．５０％を超えると、粗大な介在物（Ａｌ２Ｏ３クラスター２０）が発生しやすくなり、炭素鋼鋳片の品質が劣化するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ａｌの含有量を０．０１％以上１．５０％以下の範囲内に限定している。
【００２６】
（ｔ．Ｏ：酸素）
Ｏは、不可避的に０．０００１％は含有される。ここで、Ｏの含有量が０．００４％を超えると、粗大な酸化物等が生成し、炭素鋼鋳片の品質が劣化してしまう。
以上のことから、本実施形態では、Ｏの含有量を０．０００１％以上０．００４％以下の範囲内に限定している。なお、ｔ．Ｏ（トータル酸素量）は、化合物の状態で炭素鋼鋳片に分散しているＯを含む合計量である。
【００２７】
（ｔ．Ｎ：窒素）
Ｎは、不可避的に０．０００１％は含有される。ここで、Ｎの含有量が０．０１％を超えると、粗大な窒化物等が生成し、炭素鋼鋳片の品質が劣化してしまう。
以上のことから、本実施形態では、Ｎの含有量を０．０００１％以上０．０１％以下の範囲内に限定している。なお、ｔ．Ｎ（トータル窒素量）は、化合物の状態で炭素鋼鋳片に分散しているＮを含む合計量である。
【００２８】
（ｔ．Ｚｒ：ジルコニウム）
Ｚｒは、Ａｌ２Ｏ３クラスター２０の生成原因となるＦｅＯを還元する作用効果を有する。また、微細なＺｒ酸化物２７を形成して靭性を向上させる作用効果を有する。ここで、Ｚｒの含有量が０．０００３％未満では、上述の作用効果を奏することができないおそれがある。一方、Ｚｒの含有量が０．００４％を超えると、粗大な炭窒化物が生成するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ｚｒの含有量を０．０００３％以上０．００４％以下の範囲内に限定している。なお、ｔ．Ｚｒ（トータルＺｒ量）は、化合物の状態で炭素鋼鋳片に分散しているＺｒを含む合計量である。
【００２９】
そして、本実施形態である炭素鋼鋳片においては、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物２７が１ｍｍ２あたり５０個以上存在するとともに、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスター２０が１ｍｍ２あたり５個以下とされている。
すなわち、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスター２０の個数が少なく、比較的微細なＺｒ酸化物２７が多く分散されている。
【００３０】
次に、本実施形態である炭素鋼鋳片の製造方法について、図１および図２を参照して説明する。
まず、質量％で、Ｃ；０．０１％以上０．３０％以下、Ｓｉ；０．００１％以上１．５％以下、Ｍｎ；０．０１％以上３．０％以下、Ｐ；０．００１０％以上０．０５０％以下、ｔ．Ｎ；０．０００１％以上０．０１％以下を含む溶鋼１０を準備する（溶製工程Ｓ０１）。
【００３１】
そして、溶鋼１０にＡｌ等の脱酸剤および脱硫剤を添加し、溶存酸素濃度が０．０００１％以上０．００４％以下になるように脱酸処理するとともに、Ｓ濃度が０．０００１％以上０．００３％以下になるまで脱硫処理を行う（脱酸処理及び脱硫処理工程Ｓ０２）。このとき、Ａｌの含有量を０．０１％以上１．５％の範囲内とする。
【００３２】
次に、Ａｌを添加して望ましくは２分以上経過後にＺｒを添加する（Ｚｒ添加工程Ｓ０３）。ここで、Ｚｒ添加工程Ｓ０３においては、Ｚｒの添加量を、トータルＺｒ濃度が０．０００３％以上０．００４％以下の範囲内となるように調整する。
そして、このＺｒ添加工程Ｓ０３では、図２に示すように、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加する。すなわち、Ｚｒを添加してから３０秒後においてＺｒ濃度が最も高いＺｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍにおけるＺｒ濃度が１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加している。なお、３０秒後のＺｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度を１５ｐｐｍ以下にするためには、溶鋼１０の平均還流時間をｔ秒、溶鋼質量をＭとした場合、Ｚｒの１回当たりの添加量を、Ｚｒ添加量≦０．００００１５×Ｍ×３０／ｔになるように調整して、３０秒間隔で添加するとよい。
【００３３】
本実施形態では、Ｚｒの添加を複数回に分割して１回のＺｒ添加量を少なくすること  および、溶鋼１０を撹拌して平均還流時間を制御することにより、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度を１５ｐｐｍ以下としている。
なお、Ｚｒ添加工程Ｓ０３においては、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度を１０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】
このＺｒ添加工程Ｓ０３により、円相当径１０μｍを超える粗大なＡｌ２Ｏ３クラスター２０の生成が抑制されるとともに、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細なＺｒ酸化物２７が数多く生成される。
詳述すると、図３に示すように、添加されたＺｒ２６ａ（２６）の一部は、Ａｌ２Ｏ３粒子２１、２１同士を結合しているＦｅＯバインダー２３と反応することにより、Ａｌ２Ｏ３クラスター２０の生成を抑制する。ＦｅＯバインダー２３と未反応のＺｒ２６ｂ（２６）は溶鋼１０中で酸化してＺｒ酸化物となる。このＺｒ酸化物の生成は、Ｚｒ添加から３０秒後に増大する。ここで、本実施形態では、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度がＺｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下とされており、未反応のＺｒ２６ｂが少ないため、Ｚｒ酸化物が粗大化せずに、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細なＺｒ酸化物２７が数多く生成される。
【００３５】
一方、Ｚｒ添加工程Ｓ０３において、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度がＺｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍを超えるように添加した場合には、図４に示すように、未反応のＺｒ２６ｂが多く存在するため、円相当径５００ｎｍ以上の比較的粗大なＺｒ酸化物２８が生成し、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細なＺｒ酸化物２７の個数が減少することになる。よって、本実施形態では、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍの領域ＡのＺｒ濃度を上述の範囲となるようにＺｒの添加を実施している。
【００３６】
また、本実施形態では、溶鋼１０の平均還流時間を１２０秒以上３６０秒以下の範囲内としている。
溶鋼１０の平均還流時間が１２０秒未満である場合には、撹拌力が強すぎて酸素が溶鋼１０中に巻き込まれて粗大な酸化物が発生するおそれがある。一方、溶鋼１０の平均還流時間が３６０秒を超える場合には、撹拌力が弱く、局所的にＺｒ濃度が高い領域が存在し、Ｚｒ酸化物が粗大化してしまい、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物２７を十分に存在させることができなくなるおそれがある。よって、本実施形態では、溶鋼１０の平均還流時間を上述のように規定している。
【００３７】
このようにして得られた溶鋼１０を連続鋳造機によって鋳造する（鋳造工程Ｓ０４）。
これにより、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物２７が１ｍｍ２あたり５０個以上存在するとともに、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスター２０が１ｍｍ２あたり５個以下とされた炭素鋼鋳片が得られる。
また、この炭素鋼鋳片に対して熱間圧延等の加工を施すことにより、厚板材等の鋼材が製造される。
【００３８】
以上のような構成とされた本実施形態である炭素鋼鋳片によれば、円相当径１０μｍを超えるＡｌ２Ｏ３クラスター２０が１ｍｍ２あたり５個以下に抑えられていることから、この炭素鋼鋳片を加工して得られた鋼材において、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスター２０に起因する製品不良の発生を抑制することが可能となる。
また、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の比較的微細なＺｒ酸化物２７が１ｍｍ２あたり５０個以上と数多く存在しているので、炭素鋼鋳片の靭性を大幅に向上させることができる。
【００３９】
また、本実施形態である炭素鋼鋳片の製造方法においては、溶鋼１０にＺｒを添加するＺｒ添加工程Ｓ０３において、Ｚｒ添加部１２の湯面直下５０ｃｍのＺｒ濃度が、Ｚｒの添加から３０秒後に１５ｐｐｍ以下となるように、Ｚｒを添加する構成としているので、Ｚｒ元素により、Ａｌ２Ｏ３クラスター２０の生成原因となるＦｅＯを還元することができ、Ａｌ２Ｏ３のクラスター化（粗大化）を抑制することが可能となる。また、未反応のＺｒが酸化することによって生成するＺｒ酸化物が微細化され、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細なＺｒ酸化物２７を多く存在させることが可能となり、靭性に優れた炭素鋼鋳片を製造することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、溶鋼１０の平均還流時間が１２０秒以上３６０秒以下とされているので、撹拌によって酸素が溶鋼１０中に巻き込まれることが少なく、粗大な酸化物の発生を抑制することができるとともに、撹拌力が十分に確保されており、局所的にＺｒ濃度が高い領域が存在することがなく、Ｚｒ酸化物の粗大化を抑制することができる。これにより、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細なＺｒ酸化物２７を数多く存在させることが可能となる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態である炭素鋼鋳片、炭素鋼鋳片の製造方法および鋼材について具体的に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、脱酸処理及び脱硫処理工程Ｓ０２において、Ａｌ等の脱酸剤および脱硫剤を添加することによって溶存酸素濃度及びＳ濃度を調整するものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他の手段によって溶存酸素濃度及びＳ濃度を調整してもよい。
【実施例】
【００４２】
以下に、本発明の効果を確認すべく、実施した実験結果について説明する。
まず、表１に示す量の溶鋼を、質量％で、Ｃ；０．１２％、Ｓｉ；０．２％以下、Ｍｎ；１．５％以下、Ｐ；０．００１０％、Ｓ；０．０００７％、Ａｌ；０．０３％の成分に調整した。
この溶鋼に、全Ｚｒ添加量と１回当たりのＺｒ添加量、添加間隔を設定し、Ｚｒの添加を行った。
また、容器内における溶鋼の平均還流時間が表１に示す数値となるように、溶鋼の撹拌を実施した。
【００４３】
次に、Ｚｒ添加してから３０秒後にＺｒ添加箇所を中心に半径５０ｃｍ、深さ５０ｃｍの範囲の溶鋼中より分析サンプルを採取し、Ｚｒ濃度を測定した。結果を表１に示す。
【００４４】
この溶鋼を鋳造して得られた炭素鋼鋳片の断面観察を行い、１ｍｍ２中の円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物の個数を測定した。なお、観察試料は鋳片の１／４厚部から採取した。測定結果を表１に示す。
【００４５】
また、得られた炭素鋼鋳片を１１５０℃にて、２５ｍｍまで圧延した。圧延後、９４０℃〜９５０℃で１時間熱処理を実施し、これを供試材とした。
得られた供試材に対して、ｖＴｒｓ（シャルピー破面遷移温度）、１ｍｍ２中の円相当径１０μｍ以上の粗大なアルミナクラスターの個数について評価した。評価結果を表１に示す。
【００４６】
ｖＴｒｓ（シャルピー破面遷移温度）は、板厚１／２厚部から採取した試験片を用いて試験を行い、その結果を各鋼板の代表値とした。試験は、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００５年）の「金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に準拠し、１温度につき各３本を５温度で試験し、５０％脆性破面率のときの温度を測定した。
Ａｌ２Ｏ３クラスターの個数は、得られた炭素鋼鋳片から観察用サンプルを採取し、光学顕微鏡を用いて４００倍で観察し、視野数４０以上で確認した。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
実施例１〜５においては、１ｍｍ２中の円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物の個数がいずれも１００個以上とされており、数多くの微細なＺｒ酸化物が分散していることが確認された。また、シャルピー破面遷移温度が低く靭性が十分であった。
一方、比較例１〜５においては、１ｍｍ２中の円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物の個数がいずれも５０個未満であった。また、シャルピー破面遷移温度が実施例に比べて高く、靭性が不十分であった。
なお、１０μｍ以上の粗大なアルミナクラスターの個数については、実施例１〜５及び比較例１〜５で大きな差は認められなかった。
【００４９】
このように、Ｚｒの添加量が同一であった場合でも、１回当たりのＺｒの添加量を調整することにより、円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物の個数を増大できることが確認された。
【００５０】
次に、実施例１のＺｒ添加方法によりＺｒの添加を実施して表２に示す成分の溶鋼を溶製した。この溶鋼２５ｋｇを鋳造し、幅１００ｍｍ、厚さ１００ｍｍ、高さ３００ｍｍの鋳片を製造した。得られた鋳片を１１５０℃にて、２５ｍｍまで圧延した。圧延後、９４０℃〜９５０℃で１時間熱処理を実施し、これを供試材とした。
【００５１】
得られた供試材に対して、ｖＴｒｓ（シャルピー破面遷移温度）、１ｍｍ２中の円相当径１０μｍ以上の粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの個数、１ｍｍ２中の円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物の個数について評価した。評価結果を表２に示す。
【００５２】
ｖＴｒｓ（シャルピー破面遷移温度）は、板厚１／２厚部から採取した試験片を用いて試験を行い、その結果を各鋼板の代表値とした。試験は、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００５年）の「金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に準拠し、１温度につき各３本を５温度で試験し、５０％脆性破面率のときの温度を測定した。
Ａｌ２Ｏ３クラスターの個数及びＺｒ酸化物の個数は、得られた炭素鋼鋳片から観察用サンプルを採取し、光学顕微鏡を用いて４００倍で観察し、視野数４０以上で確認した。
【００５３】
【表２】
2015232162.tif 000003
【００５４】
Ａｌ量が本発明の範囲よりも少ない比較例１１においては、脱酸が不十分となり、Ｚｒ酸化物が粗大化した。このため、微細なＺｒ酸化物の個数が少なく、シャルピー破面遷移温度が高く靭性が不十分であった。
Ａｌ量が本発明の範囲よりも多い比較例１２においては、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの個数が多かった。
【００５５】
Ｚｒ量が本発明の範囲よりも少ない比較例１３においては、Ａｌ２Ｏ３クラスターの生成を抑制することができず粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの個数が多かった。
Ｚｒ量が本発明の範囲よりも多い比較例１４においては、粗大なＺｒ炭窒化物が生成しており、シャルピー破面遷移温度が高く靭性が不十分であった。
酸素量が本発明の範囲よりも多い比較例１５においては、粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの個数が多かった。
【００５６】
これに対して、実施例１１−２８においては、１ｍｍ２中の円相当径１０μｍ以上の粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの個数が５個以下と少なく、かつ、１ｍｍ２中の円相当径５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｒ酸化物の個数が５０個以上と多くなっている。また、シャルピー破面遷移温度が−５５℃以下となっており、靭性が大幅に向上していた。
【００５７】
以上のことから、本発明によれば、Ｚｒを適正に添加することによって粗大なＡｌ２Ｏ３クラスターの生成を抑制することができるとともに、微細なＺｒ酸化物を多く存在させることで靭性を大幅に向上させることが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００５８】
１  溶鋼鍋もしくは溶解炉（容器）
１０  溶鋼
１２  Ｚｒ添加部
２０  Ａｌ２Ｏ３クラスター
２７  Ｚｒ酸化物
Ｓ０３  Ｚｒ添加工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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