(57)【要約】      （修正有）【課題】真空脱炭処理法によって低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、マンガンの酸化を抑えて効率良く脱炭し、安価に且つ容易に低炭素高マンガン鋼を溶製できる低炭素高マンガン鋼の溶製方法を提供する。【解決手段】１つ目の手段は、真空脱炭処理前の溶鋼中溶存酸素濃度を０．０１質量％以下とし、２つ目の手段は、真空脱炭処理時の酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスの濃度比を真空脱炭処理中に変更し、３つ目の手段は、真空脱炭処理時の上吹きランスからの酸素ガスの供給量（ＦO2）と（１）式で定義される溶鋼の環流量（Ｑ）とを、（２）式の範囲内とする。但し、Ｑは溶鋼の環流量、Ｇは環流用Ａｒガス流量、ｄは浸漬管内径、Ｐ１は環流用Ａｒガス吹き込み点の圧力、Ｐ２は真空槽内圧力、ＦO2は上吹きランスからの酸素ガスの供給量である。Q=11.4×G1/3×d4/3×[ln(P1/P2)]1/3…(1)0.15≦FO2/Q≦0.30…(2)【選択図】図１
2008150710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に酸素源を供給しつつ、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、真空脱炭処理前の溶鋼中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下とすることを特徴とする、低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項２】
前記酸素源の供給量を、溶鋼中の炭素濃度の減少に伴って連続的又は段階的に低減することを特徴とする、請求項１に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項３】
前記酸素源の供給量を、溶鋼中の炭素濃度が０．０４質量％以下になった時点から低減することを特徴とする、請求項２に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項４】
前記酸素源として酸素ガスを用いることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項５】
前記酸素ガスに不活性ガスを混合することを特徴とする、請求項４に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項６】
真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付け、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、前記混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を真空脱炭処理中に変更することを特徴とする、低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項７】
前記混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で高くすることを特徴とする、請求項６に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項８】
真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に上吹きランスから酸素ガスを吹き付け、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、下記の（１）式で定義される溶鋼の環流量（Ｑ）と、上吹きランスからの酸素ガスの供給量（ＦO2）とが、下記の（２）式の範囲内であることを特徴とする、低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
Q=11.4×G1/3×d4/3×[ln(P1/P2)]1/3…(1)
0.15≦FO2/Q≦0.30 …(2)
但し、（１）式及び（２）式において、Ｑは溶鋼の環流量（ｔ／ｍｉｎ）、Ｇは環流用Ａｒガス流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）、ｄは浸漬管内径（ｍ）、Ｐ１は環流用Ａｒガス吹き込み点の圧力（ｋＰａ）、Ｐ２は真空槽内圧力（ｋＰａ）、ＦO2は上吹きランスからの酸素ガスの供給量（Ｎｍ3／ｍｉｎ）である。
【請求項９】
上吹きランスからの酸素ガスの供給量（ＦO2）と溶鋼の環流量（Ｑ）との比（ＦO2／Ｑ）を、溶鋼中の炭素濃度の減少に伴って連続的又は段階的に低減することを特徴とする、請求項８に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項１０】
前記酸素ガスに、不活性ガスを混合することを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項１１】
酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で高くすることを特徴とする、請求項１０に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項１２】
前記混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半では０．１〜１．０とし、真空脱炭処理の後半では０．３〜３．０とすることを特徴とする、請求項７又は請求項１１に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項１３】
真空脱炭処理前の溶鋼中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下とすることを特徴とする、請求項６ないし請求項１２の何れか１つに記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【請求項１４】
真空脱炭処理前の溶鋼中炭素濃度を０．２質量％以下とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項１３の何れか１つに記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に酸素ガス等の酸素源を供給し、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する方法に関し、詳しくは、マンガンの酸化を抑え、効率良く脱炭することによって安価に低炭素高マンガン鋼を溶製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄鋼材料は、その用途の多様化に伴い、より苛酷な環境下で使用されることが多くなり、材料特性の高性能化が従来にも増して求められている。このような状況下、構造物の軽量化を目的として、高い引張強さと高い加工性とを両立させた低炭素高マンガン鋼が開発され、ラインパイプ用鋼板や自動車用鋼板等として使用されるようになった。ここで、低炭素高マンガン鋼とは、炭素濃度が０．０５質量％以下で、マンガン濃度が１．０質量％以上の鋼のことである。
【０００３】
溶鋼中のマンガン濃度を調整するために用いる安価なマンガン源は、マンガン鉱石や高炭素フェロマンガンであり、低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、転炉での溶銑の脱炭精錬時に転炉内にマンガン鉱石を投入してマンガン鉱石を還元したり、転炉からの出鋼時に高炭素フェロマンガンを溶鋼に添加することによって、溶鋼中のマンガン濃度を所定値まで上昇させることは可能であるが、これらの安価なマンガン源を使用した場合には、転炉出鋼時点で十分に炭素濃度を低減させることができず、溶鋼中炭素濃度が高くなる、或いは、高炭素フェロマンガン等に含有される炭素に起因して溶鋼中炭素が上昇する等により、低炭素高マンガン鋼の炭素濃度の上限値を超えるため、炭素を溶鋼から除去する必要がある。
【０００４】
溶鋼中の炭素を効率良く除去する方法として、ＲＨ真空脱ガス装置等の真空脱ガス設備を用いて、未脱酸状態の溶鋼を高真空処理して脱炭する、或いは、真空処理下で酸素ガス等の酸素源を溶鋼に添加して脱炭する真空脱炭処理が知られている。しかしながら、低炭素高マンガン鋼を真空脱炭処理した場合には、マンガンが多量に含有されているため、酸素は溶鋼中の炭素と反応するのみならず、マンガンとも反応し、マンガンが酸化ロスしてマンガンの歩留まりが悪化するばかりでなく、溶鋼中のマンガン濃度の制御が非常に困難となる。
【０００５】
従って、この問題を避けるために、低炭素高マンガン鋼の溶製においては、マンガン源を脱ガス処理中に添加する方法が行われており、この場合、低炭素高マンガン鋼の炭素濃度の許容範囲が低く且つ狭いこともあって、炭素含有量の少ない電解マンガン等のマンガン源を使用せざるを得ず、これらのマンガン源は非常に高価であるため、溶製コストの上昇を余儀無くされていた。
【０００６】
この問題点を解消すべく、特許文献１には、マンガン濃度が１質量％以上の極低炭素高マンガン鋼を真空脱ガス設備により真空脱炭処理する際に、真空脱ガス設備の真空槽内の圧力を５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下に保持し、且つ溶鋼表面に上吹きランスから不活性ガスを吹き付けて真空脱炭処理する方法が提案されており、又、特許文献２には、真空脱ガス設備の真空槽内の圧力を２．５ｋＰａ〜１４ｋＰａに調整しつつ、上吹きランスから吹き付ける酸素ガスが溶鋼に当たる火点近傍にＣａＯ、ＣａＣＯ3、或いはＣａ（ＯＨ）2の何れか１種以上を吹き付ける又は添加して高マンガン鋼を真空脱炭処理する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平５−１８６８１８号公報
【特許文献２】特開２００２−２５６３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２には以下の問題点がある。即ち、特許文献１の方法では、脱炭のための酸素源は、溶鋼中の溶存酸素だけのため、炭素濃度の高い領域では酸素の供給律速となり、脱炭速度が遅くなるために処理時間が長くなり、効率的に処理することができない。ここで、溶鋼中の溶存酸素とは、溶解酸素とも呼び、溶鋼中の酸素の中で酸化物等の化合物になっていない酸素であり、溶鋼中の全酸素量から酸化物等の化合物形態の酸素量を差し引いたものである。
【０００８】
又、特許文献２では、粉体切り出し装置等のＣａＯ、ＣａＣＯ3 等を供給するための専用の装置が必要であり、設備コストが上昇する。更に、ＣａＯ、ＣａＣＯ3等を添加することにより、処理中の溶鋼の温度低下が大きくなり、それを補償するために転炉終点温度を上昇させる等の対策が必要であり、これに伴う製造コストの上昇を余儀無くされる。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、真空脱ガス設備を用いて溶鋼に真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、マンガンの酸化を抑えて効率良く脱炭し、安価に且つ容易に低炭素高マンガン鋼を溶製することのできる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討・研究を重ねた。以下に、検討・研究結果を説明する。
【００１１】
安価マンガン源を使用し、真空脱炭処理を施すことによって低炭素高マンガン鋼を溶製する場合には、脱炭すべき溶鋼中の炭素量が多いため、溶鋼中の溶存酸素だけでは効率的に脱炭することができない。従って、効率的に脱炭処理するためには、真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に酸素ガス等の酸素源を供給しつつ脱炭する必要がある。酸素源としては、処理中の溶鋼温度を低下させないことから判断して酸素ガスが好ましい。
【００１２】
真空槽内の溶鋼に酸素ガスを供給して溶鋼を真空脱炭する場合、マンガンを含有しない溶鋼或いはマンガンの含有量が少ない溶鋼では、供給した酸素ガスは溶鋼中に溶解する以外は主に炭素と反応するだけであるため、酸素ガスの供給速度を高めることによって脱炭速度を高めることができる。しかしながら、マンガンを１質量％以上含有する溶鋼の場合には、供給した酸素ガスは炭素以外にマンガンとも反応するため、脱炭速度を高めて脱炭を効率的に行うためには、酸素とマンガンとの反応を抑制しなければならない。酸素と炭素との反応式を下記の（３）式に、又、酸素とマンガンとの反応式を下記の（４）式に示す。
【００１３】
【数１】
2008150710.tif 000003
【００１４】
【数２】
2008150710.tif 000004
【００１５】
これらの式からも分かるように、溶鋼中の炭素濃度が高い領域では（３）式の反応が優先的に起こり、マンガンはさほど酸化されないが、炭素濃度が低い領域ではマンガンの酸化が進行する。これは試験でも確認された。更に、本発明者等は、試験を重ねることによって、炭素濃度が同一であっても、溶鋼中の溶存酸素濃度に依存してマンガンの酸化速度が異なることを見出した。即ち、同じ炭素濃度から酸素ガスの供給を開始して脱炭処理しても、溶存酸素濃度に依存してマンガンの酸化速度が異なることが分かった。溶存酸素濃度が低い場合にはマンガンの酸化速度が遅く、一方、溶存酸素濃度が高い場合にはマンガンの酸化速度が速くなり、その臨界となる溶存酸素濃度は０．０１質量％であることを見出した。これは、溶存酸素濃度が０．０１質量％より高い場合には、Ｍｎ−Ｏ平衡が支配的になってマンガンが酸化されやすくなり、一方、溶存酸素濃度が０．０１質量％以下の場合には、Ｃ−Ｏ平衡が支配的になって炭素の酸化が優先するためであり、この現象は溶鋼中の炭素、マンガン、酸素の挙動から確認されている。
【００１６】
又、炭素濃度の減少に伴い、酸素ガスの供給量に対して炭素の供給が追いつかなくなり、溶鋼中炭素の物質移動律速領域となることが分かった。更に、物質移動律速となる炭素濃度領域は、溶鋼中炭素濃度が０．０４質量％以下の範囲であることを定量化することができた。従って、溶鋼中炭素濃度が０．０４質量％以下の範囲では、酸素ガス供給量を低下させることにより、マンガンの酸化を一層抑制することができることが分かった。
【００１７】
酸素とマンガンとの反応を抑制する第２の方法として、上記（３）式及び（４）式からも類推されるように、酸素ガスにＡｒガス等の不活性ガスを加えることによって真空槽内雰囲気のＣＯガス分圧（以下「Ｐco」と記す）を低下させることで、（４）式に対して（３）式が優先的に進行し、マンガンの酸化を抑制可能であることが分かった。実際、溶鋼中炭素濃度が低下した真空脱炭処理後半に、不活性ガスとしてＡｒガスを加えた酸素ガス−Ａｒガスの混合ガスを真空槽内の溶鋼に吹き付けたところ、マンガンの酸化が抑制された。このＰcoの低下に起因するマンガン酸化の抑制効果は、真空脱炭処理の後半ほど顕著であることを確認した。不活性ガスとしては、Ａｒガス等の希ガスの他に窒素ガス等の非酸化性のガスを用いることができる。但し、窒素ガスを用いた場合には、溶鋼中の窒素濃度が上昇するので、溶製する低炭素高マンガン鋼の窒素濃度規格によって使用量の制限や使用の可否等を考慮する必要がある。
【００１８】
この場合、真空脱炭処理の処理前半では、混合ガス濃度比が０．１〜１．０の範囲で脱炭効率が良く、更に混合ガス濃度比が０．２〜０．５のときに最も効率良く脱炭することができた。この理由として、混合ガス濃度比が０．１未満の場合には、Ｐcoの低減効果が小さくなるためにマンガンの酸化を抑制する効果が小さくなり、逆に、混合ガス濃度比が１．０を越える範囲では、酸素ガス供給量が不足して脱炭反応が遅くなってしまうため、好ましくない。ここで、混合ガス濃度比とは、不活性ガス濃度／酸素ガス濃度である。
【００１９】
又、真空脱炭処理の処理後半では、混合ガス濃度比が０．３〜３．０の範囲で脱炭効率が良く、更に混合ガス濃度比が０．５〜２．０のときに最も効率良く脱炭することができた。この理由として、処理前半と同様に、混合ガス濃度比が０．５未満の場合には、Ｐcoの低減効果が小さくなるためにマンガンの酸化を抑制する効果が小さくなり、逆に、混合ガス濃度比が３．０を越える範囲では、酸素ガス供給量が不足して脱炭反応が遅くなってしまうため、好ましくない。尚、真空脱炭処理の処理前半と処理後半とは、真空脱炭処理の正確な１／２の期間を意味するものではなく、前半部及び後半部を意味するものである。
【００２０】
酸素とマンガンとの反応を抑制する第３の方法として、真空脱ガス設備の真空槽内への酸素ガスの供給量と、取鍋から真空槽内へ環流する溶鋼量（以下、「環流量」と記す）との比を適正値に制御することで、マンガンの酸化を抑制可能であることが分かった。具体的には、下記の（１）式で定義される環流量（Ｑ：ｔ／ｍｉｎ）に対する酸素ガス供給量（ＦO2：Ｎｍ3 ／ｍｉｎ）の比（ＦO2／Ｑ）を０．１５〜０．３０の範囲内とすること、即ち、環流量（Ｑ）と、上吹きランスからの酸素ガス供給量（ＦO2）とを、下記の（２）式の範囲内とすることによって、効率良く脱炭することが可能であることが分かった。但し、（１）式及び（２）式において、Ｑは溶鋼の環流量（ｔ／ｍｉｎ）、Ｇは環流用Ａｒガス流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）、ｄは浸漬管内径（ｍ）、Ｐ１は環流用Ａｒガス吹き込み点の圧力（ｋＰａ）で、通常は１気圧（１０１．３ｋＰａ）、Ｐ２は真空槽内圧力（ｋＰａ）、ＦO2は上吹きランスからの酸素ガスの供給量（Ｎｍ3／ｍｉｎ）である。
【００２１】
【数３】
2008150710.tif 000005
【００２２】
【数４】
2008150710.tif 000006
【００２３】
比（ＦO2／Ｑ）が０．１５未満の場合には、脱炭速度が遅くなって効率的でなく、一方、比（ＦO2／Ｑ）が０．３０を越える場合には、酸素ガス供給量が過剰になり、酸素が炭素以外にマンガンとも反応するため、好ましくない。この場合、溶鋼中の炭素濃度の低下に伴って比（ＦO2／Ｑ）を小さくすることで、効率良く脱炭できることも確認した。
【００２４】
又、当然ではあるが、上述した脱炭処理開始時の溶存酸素濃度の制御、Ａｒガス等の不活性ガスの混合による真空槽内雰囲気ガスのＰcoの低減、及び、比（ＦO2／Ｑ）の制御の３つの手段を組み合わせることで、マンガンの酸化がより一層抑制されることも確認した。
【００２５】
本発明は、上記検討・研究結果に基づきなされたもので、第１の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に酸素源を供給しつつ、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、真空脱炭処理前の溶鋼中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下とすることを特徴とするものである。
【００２６】
第２の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第１の発明において、前記酸素源の供給量を、溶鋼中の炭素濃度の減少に伴って連続的又は段階的に低減することを特徴とするものである。
【００２７】
第３の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第２の発明において、前記酸素源の供給量を、溶鋼中の炭素濃度が０．０４質量％以下になった時点から低減することを特徴とするものである。
【００２８】
第４の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記酸素源として酸素ガスを用いることを特徴とするものである。
【００２９】
第５の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第４の発明において、前記酸素ガスに不活性ガスを混合することを特徴とするものである。
【００３０】
第６の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付け、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、前記混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を真空脱炭処理中に変更することを特徴とするものである。
【００３１】
第７の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第６の発明において、前記混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で高くすることを特徴とするものである。
【００３２】
第８の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、真空脱ガス設備の真空槽内の溶鋼に上吹きランスから酸素ガスを吹き付け、溶鋼に対して真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、上記の（１）式で定義される溶鋼の環流量（Ｑ）と、上吹きランスからの酸素ガスの供給量（ＦO2）とが、上記の（２）式の範囲内であることを特徴とするものである。
【００３３】
第９の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第８の発明において、上吹きランスからの酸素ガスの供給量（ＦO2）と溶鋼の環流量（Ｑ）との比（ＦO2／Ｑ）を、溶鋼中の炭素濃度の減少に伴って連続的又は段階的に低減することを特徴とするものである。
【００３４】
第１０の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第８又は第９の発明において、前記酸素ガスに、不活性ガスを混合することを特徴とするものである。
【００３５】
第１１の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第１０の発明において、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で高くすることを特徴とするものである。
【００３６】
第１２の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第７又は第１１の発明において、前記混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半では０．１〜１．０とし、真空脱炭処理の後半では０．３〜３．０とすることを特徴とするものである。
【００３７】
第１３の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第６ないし第１２の発明の何れかにおいて、真空脱炭処理前の溶鋼中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下とすることを特徴とするものである。
【００３８】
第１４の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第１ないし第１３の発明の何れかにおいて、真空脱炭処理前の溶鋼中炭素濃度を０．２質量％以下とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、真空脱ガス設備を用いた真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、溶鋼中のマンガンの酸化を抑制しつつ効率良く脱炭することが可能となり、その結果、安価なマンガン源を原料として使用することが可能となり、製造コストが削減されるのみならず、従前の真空脱ガス設備であっても容易に低炭素高マンガン鋼を溶製することができ、工業上有益な効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。高炉から出銑された溶銑を溶銑鍋やトーピードカー等の溶銑保持・搬送用容器で受銑し、次工程の脱炭精錬を行う転炉に搬送する。通常、この搬送途中で、溶銑に対して脱硫処理や脱燐処理等の溶銑予備処理が施されており、本発明においては、低炭素高マンガン鋼の成分規格上からは溶銑予備処理が必要でない場合でも、安価なマンガン源としてマンガン鉱石を転炉内に添加するため、転炉脱炭精錬におけるマンガン鉱石の歩留まりを上昇させる観点から、溶銑予備処理を実施することが好ましい。
【００４１】
転炉精錬はマンガン源としてマンガン鉱石を添加しつつ、必要に応じて少量の生石灰等を媒溶剤として用い、酸素を上吹き又は底吹きして溶銑の脱炭精錬を行う。転炉内に添加したマンガン鉱石のみでは、溶鋼のマンガン濃度が目的とする低炭素高マンガン鋼の成分規格範囲に不足する場合には、転炉から取鍋等の溶鋼保持容器への出鋼時に高炭素フェロマンガン等の安価な合金鉄系マンガン源を所定量添加し、溶鋼のマンガン濃度を成分規格と同等のレベルまで上昇させる。この場合、安価マンガン源を使用することによるコストメリットを十分に発揮させるため、出鋼後の溶鋼保持容器内の溶鋼中のマンガン濃度を、少なくとも低炭素高マンガン鋼の成分規格値の９０％以上まで確保することが好ましい。
【００４２】
マンガン鉱石や高炭素フェロマンガン等の安価なマンガン源を使用するため、溶鋼中の炭素濃度は必然的に高くなるが、それでも、マンガン濃度を調整した後の出鋼後の溶鋼中の炭素濃度を０．２質量％以下に抑えることが好ましい。溶鋼の炭素濃度が０．２質量％を越えると、次工程の真空脱ガス設備における真空脱炭処理に長時間を費やし、真空脱ガス設備の生産性の低下のみならず、真空脱炭処理時間の延長による温度補償として出鋼時の溶鋼温度を高くする必要が生じ、これに起因する鉄歩留まりの低下や耐火物損耗量の増大等によって製造コストが上昇するため、好ましくない。
【００４３】
次いで、この溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置又はＤＨ真空脱ガス装置、ＶＯＤ炉等の真空脱ガス設備に搬送し、真空脱炭処理を実施する。真空脱ガス設備の代表的な設備はＲＨ真空脱ガス装置であり、以下、真空脱ガス設備としてＲＨ真空脱ガス装置を用いて精錬する例で説明する。
【００４４】
図１に、本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の例を示す。図１はＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図であり、図１において、１はＲＨ真空脱ガス装置、２は取鍋、３は溶鋼、４はスラグ、５は真空槽、６は上部槽、７は下部槽、８は上昇側浸漬管、９は下降側浸漬管、１０は環流用ガス吹き込み管、１１はダクト、１２は原料投入口、１３は上吹きランスであり、真空槽５は上部槽６と下部槽７とから構成され、又、上吹きランス１３は上下移動が可能となっており、この上吹きランス１３からは酸素ガス及びＡｒガス等の不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスが真空槽５内の溶鋼３の湯面に吹き付けられるようになっている。
【００４５】
ＲＨ真空脱ガス装置１では、搬送された取鍋２を昇降装置（図示せず）にて上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２内の溶鋼３に浸漬させる。そして、環流用ガス吹き込み管１０から上昇側浸漬管８内に環流用Ａｒガスを吹き込むと共に、真空槽５内をダクト１１に連結される排気装置（図示せず）にて排気して真空槽５内を減圧する。真空槽５内が減圧されると、取鍋２内の溶鋼３は、環流用ガス吹き込み管１０から吹き込まれるＡｒガスと共に上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５内に流入し、その後、下降側浸漬管９を経由して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。
【００４６】
溶鋼３の環流が形成され、溶鋼３に対してＲＨ真空脱ガス精錬が施されると、真空槽５内では溶鋼３中の炭素と溶存酸素との反応が生じ、溶鋼３中の炭素はＣＯガスとなって排ガスと共に真空槽５からダクト１１を介して排出され、溶鋼３は真空脱炭処理される。更に、上吹きランス１３から酸素ガス或いは不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスが吹き込まれ、溶鋼３の脱炭反応が促進される。
【００４７】
この真空脱炭処理中に溶鋼３中のマンガンの酸化を抑制して脱炭反応を行うために、（１）：真空脱炭処理前の溶鋼３中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下に調整する、（２）：上吹きランス１３から吹き付ける酸素ガスとＡｒガス等の不活性ガスとの混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で高くする、（３）：前述した（１）式で定義される溶鋼３の環流量（Ｑ）と上吹きランス１３からの酸素ガス供給量（ＦO2）とが前述した（２）式の範囲内となるように、溶鋼３の環流量（Ｑ）又は上吹きランス１３からの酸素ガス供給量（ＦO2）を調整する、の３種類の内の少なくとも１つを実施する。
【００４８】
この場合、真空脱炭処理前の溶鋼３中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下に調整するために、溶鋼３にＡｌ等の脱酸剤を添加してもよい。但し、溶存酸素濃度が低下し過ぎると脱炭反応が起こらず、Ａｌが無駄になるため、溶存酸素濃度が０．００３質量％よりも低下しないように、Ａｌ等の脱酸剤の添加量を調整することが好ましい。
【００４９】
又、上吹きランス１３からの酸素ガスの供給量を、溶鋼３中の炭素濃度の減少に応じて連続的又は段階的に低減することが好ましい。換言すれば、上吹きランス１３からの酸素ガス供給量（ＦO2）と環流量（Ｑ）との比（ＦO2／Ｑ）を、溶鋼３中の炭素濃度の減少に伴い、連続的又は段階的に低減することが好ましい。脱炭反応が進行して溶鋼３中の炭素濃度が低下すると、酸素ガスの供給量に対して炭素の供給が追いつかなくなり、溶鋼３中の炭素の物質移動律速領域となり、マンガンの酸化が起こるが、溶鋼３中の炭素濃度の減少に応じて酸素ガスの供給量を減じることで、マンガンの酸化を抑制することができる。炭素の物質移動律速となる炭素濃度領域は、溶鋼３中の炭素濃度が０．０４質量％以下の範囲であるので、特に、溶鋼中炭素濃度が０．０４質量％以下の範囲で、酸素ガスの供給量を低下させることが好ましい。
【００５０】
又、酸素源として溶鋼３に吹き付けるガスは酸素ガス単体ではなく、酸素ガスにＡｒガス等の不活性ガスを混合することが好ましい。不活性ガスを混合することによって真空槽５内の雰囲気ガスのＰcoが低下し、脱炭反応が優先的に起こり、マンガンの酸化を抑制することができる。
【００５１】
酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き込む場合には、混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）を、溶鋼３中の炭素濃度が高い真空脱炭処理の前半では０．１〜１．０とし、炭素濃度が低下する真空脱炭処理の後半では０．３〜３．０とすることが好ましい。真空脱炭の後半では炭素の物質移動律速になりやすいが、不活性ガス濃度を高めて真空槽５内の雰囲気ガスのＰcoを低下させることにより、炭素の物質移動律速に移行する時期を遅らせ、マンガンの酸化を抑制することができる。
【００５２】
このようにして真空脱炭処理を施しつつ、溶鋼３中の炭素濃度が、目的とする低炭素高マンガン鋼の成分規格値以下になるまで真空脱炭処理を継続し、溶鋼３の炭素濃度が成分規格値以下の所定の値になったなら、上吹きランス１３からの酸素ガスの吹き込みを停止すると共に原料投入口１２から溶鋼３にＡｌ等の強脱酸剤を添加して溶鋼３を脱酸処理する。Ａｌ等の強脱酸剤の添加により溶鋼３中の溶存酸素濃度は急激に低下し、真空脱炭処理が終了する。
【００５３】
真空脱炭処理の終了後も更に数分間程度の環流を継続し、必要に応じてＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔｉ等の成分調整剤を原料投入口１２から溶鋼３に投入して溶鋼３の成分を調整した後、真空槽５を大気圧に戻してＲＨ真空脱ガス精錬を終了し、低炭素高マンガン鋼を溶製する。ここで、低炭素高マンガン鋼とは、炭素濃度が０．０５質量％以下で、マンガン濃度が１．０質量％以上の鋼のことである。
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、真空脱ガス設備を用いた真空脱炭処理を施して低炭素高マンガン鋼を溶製する際に、溶鋼３中のマンガンの酸化を抑制しつつ効率良く脱炭することが可能となり、その結果、マンガン鉱石や高炭素フェロマンガン等の安価なマンガン源を原料として使用することが可能となり、製造コストが削減されるのみならず、従前の真空脱ガス設備であっても容易に低炭素高マンガン鋼を溶製することが可能となる。
【００５５】
尚、上記説明ではＲＨ真空脱ガス装置１について説明したが、上記に準じて実施することにより、ＤＨ真空脱ガス装置やＶＯＤ炉等の他の真空脱ガス設備にも適用することができる。
【実施例１】
【００５６】
高炉から出銑された溶銑に対して脱硫処理、脱燐処理の溶銑予備処理を施し、この溶銑を用いて転炉精錬し、低炭素高マンガン鋼を溶製する試験（試験番号１〜３１）を実施した。転炉ではマンガン源としてマンガン鉱石を添加してマンガン濃度を上昇させ、得られた２５０トンの溶鋼を未脱酸のまま取鍋に出鋼した。出鋼時の溶鋼成分は、炭素が０．１５〜０．２０質量％、珪素が０．０５質量％以下、マンガンが１．２〜１．５質量％、燐が０．０１質量％以下、硫黄が０．００３質量％以下であった。この溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置に搬送し、真空脱炭処理条件を種々変更して低炭素高マンガン鋼を溶製した。
【００５７】
ＲＨ真空脱ガス装置では、環流用Ａｒガス流量を１５００〜５５００Ｎｌ／ｍｉｎ、真空槽の到達真空度を０．７〜６．７ｋＰａ、上吹きランスからの酸素ガス供給量（「送酸速度」と呼ぶ）を４００〜３０００Ｎｍ3 ／ｈ、上吹きランスからの酸素ガスに混合する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、このＡｒガス流量を０〜１５００Ｎｍ3／ｈの範囲で変更し、酸素ガス吹き込み時間（「送酸時間」と呼ぶ）を２０分（試験番号１〜８、試験番号２０〜３１）及び２５分（試験番号９〜１９）の２水準とした。用いたＲＨ真空脱ガス装置の浸漬管の内径（ｄ）は０．６ｍである。一部の試験では、真空脱炭処理の途中で上吹きランスからの吹き込み条件（「送酸条件」と呼ぶ）を変更した。真空脱炭処理の途中で送酸条件を変更した試験では、変更時期に溶鋼から分析試料を採取し、溶鋼成分を分析した。又、真空脱炭処理開始前の溶鋼中溶存酸素濃度を０．０１質量％以下にした試験では、真空脱炭処理に先立ち、Ａｌを添加して溶鋼を脱酸した。表１に各試験操業における送酸条件、環流条件及び試験結果を示す。表１に示す環流量は前述の（１）式を用いて算出した数値である。
【００５８】
【表１】
2008150710.tif 000007
【００５９】
表１に示すように、本発明に係る溶製方法である、（１）：真空脱炭処理前の溶鋼中の溶存酸素濃度が０．０１質量％以下であること、（２）：上吹きランスから吹き付ける酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスの混合ガス濃度比（不活性ガス濃度／酸素ガス濃度）が真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で高くなること、（３）：溶鋼の環流量（Ｑ）に対する上吹きランスからの酸素ガス供給量（ＦO2）の比（ＦO2／Ｑ）が０．１５以上０．３０以下の範囲内であること、の３種類の溶製方法の何れをも満足しない試験（試験番号６〜８、試験番号１５〜１９、試験番号２７〜３１）では、脱Ｍｎ量が多く、脱Ｍｎ量／脱炭量の値が１．０以上であり、２．０を越える試験も発生した。
【００６０】
これに対して、上記３種類の溶製方法の内の少なくとも１種類以上を満足する試験（試験番号１〜５、試験番号９〜１４、試験番号２０〜２６）では、脱Ｍｎ量が少なく、脱Ｍｎ量／脱炭量の値が１．０未満であり、０．５未満の試験も発生した。即ち、本発明方法によってマンガンの酸化を抑制しつつ溶鋼中の炭素を効率良く除去できることが確認された。又、真空脱炭処理前の溶鋼中の溶存酸素濃度を０．０１質量％以下に調整した試験では、真空脱炭処理後まで溶存酸素濃度は０．０１質量％以下の範囲に維持されていた。尚、表１の備考欄には、本発明方法の範囲内の試験には本発明例と表示し、それ以外の試験には比較例と表示した。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  ＲＨ真空脱ガス装置
２  取鍋
３  溶鋼
４  スラグ
５  真空槽
８  上昇側浸漬管
９  下降側浸漬管
１０  環流用ガス吹き込み管
１３  上吹きランス
【図１】
2008150710.tif 000008