(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸漬管を介して真空槽と取鍋の間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置にて、昇熱操作前の酸素濃度が０．０１０〜０．０７０質量％の範囲の溶鋼に対してＡｌ添加および真空槽内溶鋼表面に酸素ガスの吹き付けを行って酸素ガスとＡｌとを反応させて溶鋼を加熱する方法であって、
酸素ガスを供給する工程の間にＡｌ添加操作を１回のみ行うこととし、
当該Ａｌ添加操作におけるＡｌ添加量が溶鋼１ｔあたり０．１ｋｇ以上０．５ｋｇ以下であり、
前記Ａｌ添加操作は、酸素ガスの供給開始から少なくとも下記式(I)で表される時間τ経過した後に行われる
ことを特徴とする溶鋼の加熱方法。
τ(s)=0.3W/Q          (I)
ここで、Wは溶鋼量(t)、Qは下記式(II)を満たす環流量(t/s)である。
Q=K・B1/3D4/3{ln[P1/P2]}1/3              (II)
なお、定数K=0.19、B：ガス流量(Nl/min)、D：浸漬管管径(m)、P1：ガス吹き込み点の圧力(torr)、およびP2：真空槽圧力(torr)である。
【請求項２】
浸漬管を介して真空槽と取鍋の間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置にて、昇熱操作前の酸素濃度が０．０１０〜０．０７０質量％の範囲の溶鋼に対してＡｌ添加および真空槽内溶鋼表面に酸素ガスの吹き付けを行って酸素ガスとＡｌとを反応させて溶鋼を加熱する方法であって、
酸素ガスを供給する工程の間にＡｌ添加操作を複数回行うこととし、
当該Ａｌ添加操作における各回のＡｌ添加量が溶鋼１ｔあたり０．１ｋｇ以上０．５ｋｇ以下であり、
前記Ａｌ添加操作の第１回目は酸素ガスの供給開始から少なくとも下記式(I)で表される時間τ経過した後に行われ、第２回目以降は直前の添加からの時間間隔を前記時間τ以上とする
ことを特徴とする溶鋼の加熱方法。
τ(s)=0.3W/Q          (I)
ここで、Wは溶鋼量(t)、Qは下記式(II)を満たす環流量(t/s)である。
Q=K・B1/3D4/3{ln[P1/P2]}1/3              (II)
なお、定数K=0.19、B：ガス流量(Nl/min)、D：浸漬管管径(m)、P1：ガス吹き込み点の圧力(torr)、およびP2：真空槽圧力(torr)である。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載される溶鋼の加熱方法を用いることを特徴とする、
ｓｏｌ．Ａｌ≦０．００３質量％、かつ、Ｏ：０．００２〜０．００８質量％、Ｓｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｍｎ：０．１０〜２．０質量％を基本成分として含有し、
さらに、Ｔｉ≦０．０５質量％、Ｎｂ≦０．２０質量％およびＺｒ≦０．００３０質量％からなる群から選ばれる一種または二種以上を含有するとともに、Ｔｉ≧０．０１質量％、Ｎｂ≧０．０２質量％およびＺｒ≧０．０００１質量％の少なくとも一条件を満たす化学組成を備える圧延鋼材の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載される方法を用いて溶鋼の加熱を行い、ｓｏｌ．Ａｌ≦０．００３質量％、かつ、Ｏ：０．００２〜０．００８質量％、Ｓｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｍｎ：０．１０〜２．０質量％を基本成分として含有し、介在物中のＡｌ２Ｏ３含有率が５０％以下であることを特徴とする、圧延鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環流型真空脱ガス装置にて溶存酸素を一定量含有する溶鋼をＡｌ添加および酸素ガス供給により溶鋼加熱を行う方法において、溶鋼に残留するＡｌ２Ｏ３系介在物量を減じることにより、溶鋼およびそれから得られる鋼材に含まれるＡｌ２Ｏ３系介在物量を可及的少量にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
転炉等の製鋼炉から出鋼して取鍋へ収容された溶鋼を精錬するいわゆる二次精錬の目的の一つに、溶鋼温度の調整がある。その理由は二次精錬の次工程である連続鋳造等の鋳造工程のために適正な温度に調整するためである。
【０００３】
鋳造に適正な温度よりも高い場合には、精錬時間延長や冷鉄材の投入等で溶鋼温度を容易に下げることは可能であるが、そのコストが嵩む。一方、鋳造に適正な温度よりも低い場合には最悪の場合鋳造が不可能なこともあり、溶鋼温度を上昇させなければならない。
【０００４】
一方、鋼中の酸素濃度を低減し、酸素の親和力のある合金成分による効果を得るために、一般的に溶鋼段階で酸素と強い親和力を有するＡｌを添加し鋼中酸素濃度を低減させた鋼、いわゆるＡｌ脱酸鋼が広く実用されている。例えば、薄板として広く用いられる極低炭素鋼では、転炉等の製鋼炉を未脱酸で出鋼し、真空脱ガス装置でさらに脱炭を行った後に、適宜Ａｌ等の脱酸剤が添加されてＡｌ脱酸鋼として鋳造される。
【０００５】
近年Ａｌ脱酸以外のより弱い脱酸状態の脱酸を行うことによって、Ａｌ脱酸鋼とは異なる鋼材特性を得る鋼種が増えてきている。このような鋼種では、製鋼工程で不可避的に含まれる非金属介在物のうち、Ａｌ２Ｏ３酸化物を主体とする介在物（以下Ａｌ２Ｏ３系介在物ともいう）が、圧延鋼材の表面疵の原因となったり、所望の鋼質に対して有害であったりする場合があり、このＡｌ２Ｏ３系介在物を残存させない製鋼方法が求められている。
【０００６】
特許文献１には、アルミニウムレスの高品質溶鋼への昇熱法として、アルミニウムと酸化鉄からなる昇熱剤による方法が示されている。これは、１５〜２５重量%のアルミニウムと６５〜８５重量%の酸化鉄を主成分とする昇熱剤を溶鋼に添加して、溶鋼昇熱とともに生成したＡｌ２Ｏ３の速やかな除去を期待するものである。しかしながら、この技術は酸化鉄の分解によって昇熱効率が低いと推定される。また、生成したＡｌ２Ｏ３の除去機構には触れられていない。
【０００７】
特許文献２には、取鍋精錬装置で浸漬管内に底部より導入する不活性ガス量を制限し、かつ酸化反応するＡｌまたはSiを連続的に添加する昇熱方法が開示されている。この方法は、吹き付けた酸素が溶鋼表面近傍で酸化するＡｌ等の金属と反応させることにより、溶鋼中の有価金属の反応を抑え処理時間の短縮を図るものである。しかしこの方法は、Ａｌキルド鋼およびＡｌ−Ｓｉキルド鋼を前提としており、また清浄化に関しても昇熱操作後に溶鋼撹拌操作を行うことを触れているに過ぎない。
【０００８】
特許文献３には、ＡｌレスＴｉ脱酸鋼の製造に際して、介在物組成を確実に制御して薄板材の表面欠陥の発生を防止し、かつ脱酸剤のコストの低減とＴｉの添加歩留まりの安定化を図るために、少量のＡｌを用いて先行脱酸を行い、溶鋼中のフリー酸素の濃度を予め下げてからＴｉを添加する方法を開示している。すなわち、重量比でＣ：０．０６％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．４０％を含む溶鋼を製造するに際して、未脱酸またはＳｉのみで脱酸した溶鋼に該溶鋼中のフリー酸素濃度に対して定める所定量のＡｌを添加し、該溶鋼中のトータルＡｌ濃度を１０〜８０ｐｐｍとした後ＴｉまたはＴｉ合金を添加する方法である。この方法は、Ａｌ２Ｏ３系介在物をＴｉＯｘ系介在物に確実に変化させることを目的とするものであるが、Ａｌによる溶鋼昇熱についてはなんら触れられていない。
【０００９】
一方、大規模製鉄所における低炭素および極低炭素の弱脱酸鋼の製造方法は、通常の製鋼法と比較して、精錬工程で以下のような特徴がある。転炉など製鋼炉で炭素を除く粗脱炭を行い、炭素濃度が０．０３質量％から０．０７質量％を含む低炭素溶鋼として、未脱酸あるいは弱脱酸の状態で出鋼する。出鋼された溶鋼は、さらに真空脱ガス装置を有する精錬工程で必要に応じて真空脱炭処理が行われ、さらに炭素濃度を０．０２５質量％以下含有する低炭素溶鋼となる。この際の脱炭反応には溶鋼に炭素と反応する酸素を含有していることが必要であり、この時の酸素濃度を示せば０．０３質量％から０．０８質量％程度含まれている。
【００１０】
近年の大規模製鉄所においては、真空脱ガス装置は二本の浸漬管を有し、真空槽と取鍋の間で溶鋼を環流させる環流型真空脱ガス装置（以下「ＲＨ装置」ともいう。）で行われることが多い。この装置の特徴は、溶鋼に対して強攪拌を付与する精錬装置であることである。
【００１１】
ところで、この装置を用いて溶鋼温度を上げるには、金属Ａｌを添加するとともに酸素ガスを供給し、その酸化反応によって生じる熱を溶鋼に付与する方法が一般的に用いられる。このような方法を用いると、その酸化反応によって直径が数μmから数百μｍのＡｌ２Ｏ３を含有する非金属介在物が懸濁することになる。この非金属介在物がＡｌ２Ｏ３系である場合には、前述のごとく所望の鋼質に対して悪影響を及ぼす場合が生じる。
【００１２】
このようなＡｌ２Ｏ３系介在物の生成を避ける方法としては、黒鉛電極から電弧を発生させて溶鋼に通電して、そのジュール熱により熱を供給する電気加熱方法がある。この方法は前述のようなＡｌ２Ｏ３系介在物の多量の懸濁は生じないものの、電力費や電極といったコストや全精錬時間の長時間化といった問題が生じる。さらには、電弧加熱時に取鍋スラグの影響を強く受けることから弱脱酸または未脱酸状態での成分制御が困難となったり、スラグそのものの巻き込みによって生成するスラグ系介在物が生じたりするなどの問題が生じることが考えられた。
【００１３】
そこで、この環流型脱ガス装置を前提にして、最終的にＡｌを含有しない未脱酸または弱脱酸鋼において、一時的にＡｌを添加して溶鋼を昇熱しても、最終的には鋼材本来有する性質を発揮できるようにＡｌ２Ｏ３系属介在物を残存させない要件について鋭意研究し、その条件を見出すに至った。さらには、その条件を実現する鉄鋼量産製造方法を前提とした製鋼条件も確立するに至り、本発明を完成した。
【００１４】
さらには上記方法を用いて、［ｓｏｌ．Ａｌ］≦０．００３質量％かつ［Ｏ］＝０．００２〜０．００８質量％、［Ｓｉ］＝０．０１〜０．０５質量％、［Ｍｎ］＝０．１０〜２．０質量％を基本成分として含む弱脱酸鋼で、さらに弱脱酸成分および濃度であるＴｉ≦０．０５質量％、Ｎｂ≦０．２０質量％およびＺｒ≦０．００３０質量％からなる群から選ばれる一種または二種以上を含有するとともに、Ｔｉ≧０．０１質量％、Ｎｂ≧０．０２質量％およびＺｒ≧０．０００１質量％の少なくとも一条件を満たす化学組成を備え、鋼中Ａｌ２Ｏ３量を０．００１質量％以下、その他不純物を含み残部Ｆｅからなる圧延鋼材の製造方法技術を完成するに至った。
【特許文献１】特開平７−２５２５１８号公報
【特許文献２】特開平９−３５２３号公報
【特許文献３】特開平１０−２１９３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、鉄鋼量産製造法で製造可能で、実質Ａｌを含有しない弱脱酸鋼または未脱酸鋼であって、環流型の真空脱ガス装置を用いて、Ａｌ添加と酸素ガス供給を行う溶鋼加熱法を実施しても、残留するＡｌ２Ｏ３系介在物量が可及的少量にすることを可能にする溶鋼の加熱方法、およびその加熱方法を用いる圧延鋼材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】
【００１６】
上記課題を解決するために提供される本発明は次のとおりである。
（１）浸漬管を介して真空槽と取鍋の間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置にて、昇熱操作前の酸素濃度が０．０１０〜０．０７０質量％の範囲の溶鋼に対してＡｌ添加および真空槽内溶鋼表面に酸素ガスの吹き付けを行って酸素ガスとＡｌとを反応させて溶鋼を加熱する方法であって、酸素ガスを供給する工程の間にＡｌ添加操作を１回のみ行うこととし、当該Ａｌ添加操作における１回あたりのＡｌ添加量が溶鋼１ｔあたり０．１ｋｇ以上０．５ｋｇ以下であり、前記Ａｌ添加操作は、酸素ガスの供給開始から少なくとも下記式(I)で表される時間τ経過した後に行われることを特徴とする溶鋼の加熱方法。
τ(s)=0.3W/Q              (I)
ここで、Wは溶鋼量(t)、Qは下記式(II)を満たす環流量(t/s)である。
Q=K・B1/3D4/3{ln[P1/P2]}1/3            (II)
なお、定数K=0.19、B：ガス流量(Nl/min)、D：浸漬管管径(m)、P1：ガス吹き込み点の圧力(torr)、およびP2：真空槽圧力(torr)である。
【００１７】
なお、加熱される溶鋼は、Ａｌ添加前のＡｌ濃度で０．００３質量％以下であることが好ましい。また、ＳｉおよびＭｎをＳｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｍｎ：０．１０〜２．０質量％の範囲で含有することが好ましい。
【００１８】
（２）浸漬管を介して真空槽と取鍋の間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置にて、昇熱操作前の酸素濃度が０．０１０〜０．０７０質量％の範囲の溶鋼に対してＡｌ添加および真空槽内溶鋼表面に酸素ガスの吹き付けを行って酸素ガスとＡｌとを反応させて溶鋼を加熱する方法であって、酸素ガスを供給する工程の間にＡｌ添加操作を複数回行うこととし、当該Ａｌ添加操作における各回のＡｌ添加量が溶鋼１ｔあたり０．１ｋｇ以上０．５ｋｇ以下であり、前記Ａｌ添加操作の第１回目は酸素ガスの供給開始から少なくとも下記式(I)で表される時間τ経過した後に行われ、第２回目以降は直前の添加からの時間間隔を前記時間τ以上とすることを特徴とする溶鋼の加熱方法。
τ(s)=0.3W/Q            (I)
ここで、Wは溶鋼量(t)、Qは下記式(II)を満たす環流量(t/s)である。
Q=K・B1/3D4/3{ln[P1/P2]}1/3              (II)
なお、定数K=0.19、B：ガス流量(Nl/min)、D：浸漬管管径(m)、P1：ガス吹き込み点の圧力(torr)、およびP2：真空槽圧力(torr)である。
【００１９】
（３）上記（１）または（２）に記載される溶鋼の加熱方法を用いることを特徴とする、ｓｏｌ．Ａｌ≦０．００３質量％、かつ、Ｏ＝０．００２〜０．００８質量％、Ｓｉ＝０．０１〜０．０５質量％、Ｍｎ＝０．１０〜２．０質量％を基本成分として含有し、さらに、Ｔｉ≦０．０５質量％、Ｎｂ≦０．２０質量％およびＺｒ≦０．００３０質量％からなる群から選ばれる一種または二種以上を含有するとともに、Ｔｉ≧０．０１質量％、Ｎｂ≧０．０２質量％およびＺｒ≧０．０００１質量％の少なくとも一条件を満たす化学組成を備える圧延鋼材の製造方法。
【００２０】
（４）上記（１）から（３）のいずれかに記載される方法を用いて溶鋼の加熱を行い、ｓｏｌ．Ａｌ≦０．００３質量％、かつ、Ｏ：０．００２〜０．００８質量％、Ｓｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｍｎ：０．１０〜２．０質量％を基本成分として含有し、介在物中のＡｌ２Ｏ３含有率が５０％以下であることを特徴とする、圧延鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、実質的にＡｌを含有しない弱脱酸鋼または未脱酸鋼に対して、鋼量産製造法における製造設備である環流型の真空脱ガス装置を用いて、Ａｌ添加と酸素ガス供給を行う溶鋼加熱法を実施しても、残留するＡｌ２Ｏ３系介在物量を可及的少量にすることが可能となる。
【００２２】
また残留するＡｌ２Ｏ３濃度を減少させた弱脱酸の圧延鋼材を得ることにより、弱脱酸鋼の性質を享受しつつ、圧延鋼材の表面品質を従来と同等にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の最良の形態や製造条件の範囲およびこれらの設定理由について説明する。
１．Ａｌ２Ｏ３源についての検討
大規模製鉄所での低炭素および極低炭素の弱脱酸鋼または未脱酸鋼の製造方法において、転炉など製鋼炉で炭素を除く粗脱炭を行い、炭素濃度が０．０３質量％から０．０７質量％を含む低炭素溶鋼として、未脱酸のまま取鍋などの容器に出鋼する。出鋼された溶鋼は、さらにＲＨ装置等の真空脱ガス装置に搬送されて真空脱炭処理が行われ、必要に応じて炭素濃度を０．０２５質量％以下含有する低炭素溶鋼とする。この際の脱炭反応には溶鋼に炭素と反応する酸素を含有していることが必要であり、脱炭処理前でその酸素濃度は０．０３質量％から０．０８質量％程度含まれている。
【００２４】
この真空脱炭およびその後の成分調整等に要する処理時間の溶鋼の温度低下を補償するために、溶鋼の加熱処理が真空脱炭処理の前後に行われる。この加熱処理には、溶鋼をＡｌ等の金属と酸素ガスとの酸化反応による加熱を行う。しかしながら、この方法ではＡｌの燃焼によって生じるＡｌ２Ｏ３系介在物の多量の懸濁を生じることになる。一旦生成したＡｌ２Ｏ３系介在物は除去されがたい。しかも、除去するためには長時間のRH装置による環流操作といった方法が必要で、さらにコストが嵩み、溶鋼の清浄性が悪化する蓋然性が高まる。
【００２５】
初めに溶鋼昇熱のために添加する金属Ａｌ以外のＡｌ２Ｏ３系介在物が生成する可能性をもたらすＡｌ２Ｏ３源について検討を行った。
第一には、ＦｅＳｉ等の合金鉄中に含まれる金属Ａｌ分である。第二には、取鍋スラグに含有されるＡｌ２Ｏ３分である。そして第三には、前の溶鋼処理から持ち来された取鍋内壁に付着したＡｌ２Ｏ３源、および前の溶鋼処理から持ち来された真空脱ガス装置内部に付着したＡｌ２Ｏ３源である。
【００２６】
第一については、ＦｅＳｉやＦｅＮｂ中に含まれるＡｌ濃度は高々１〜３質量％程度であり、大きな影響を受けないと考えられた。一方第二については、転炉等の脱炭炉および電気炉では異なるが、多くはＣａＯ等の塩基性成分と共存した溶滓になっており、単独のＡｌ２Ｏ３系介在物を形成する要因にはなり得ないと考えられた。第三については、相当量のＡｌ２Ｏ３源と考えられ、またバラツキの幅も大きいことが考えられた。しかしこれらのＡｌ２Ｏ３源は耐火材壁面に大きく付着しており、これらが剥離して一旦溶鋼に懸濁しても、浮上分離してスラグ等に吸収されるものと考えられた。また、第二および第三のＡｌ２Ｏ３源については、未脱酸や弱脱酸の溶鋼とは反応するものではなく、大きな要因にはならないと結論した。
【００２７】
したがって、実質Ａｌを最終的に含有しない未脱酸鋼または弱脱酸鋼において、Ａｌ２Ｏ３系介在物が残留する主要因は、Ａｌ添加と酸素上吹きによる溶鋼昇熱に起因するＡｌ２Ｏ３の生成によるものと考えられる。なおＡｌ添加は、溶鋼昇熱のみならず、溶鋼の真空（脱炭）処理後の溶鋼に残存する溶鋼中酸素濃度の迅速な除去にも有用であり、この際にもＡｌ２Ｏ３系介在物の多量の懸濁が不可避である。
【００２８】
２．Ａｌ２Ｏ３系介在物の残留を抑制する方法の検討
一方、環流型真空脱ガス装置における溶鋼中に一旦懸濁したＡｌ２Ｏ３系介在物は、弱脱酸状態、すなわち酸素を含む溶鋼中にあっては、溶鋼中の弱脱酸元素であるＳｉやＭｎの酸化物と融体を形成する場合もあり、このようなＭｎＯ-ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３系酸化物が形成されれば、溶鋼への強攪拌により介在物の凝集を促進し、分離除去を可能にするものと考えられる。
【００２９】
また上記酸化物系介在物であれば、さらに弱脱酸状態にした場合にも、それらと速やかに反応して所望の鋼質を得られるような脱酸状態になることが期待される。
ここでその弱脱酸状態を例示すれば、［ｓｏｌ．Ａｌ］≦０．００３質量％、［Ｏ］：０．００２〜０．００８質量％、［Ｓｉ］：０．０１〜０．０５質量％、および［Ｍｎ］：０．１０〜２．０質量％を含有し、さらに［Ｔｉ］：０．０１〜０．０５質量％、［Ｎｂ］：０．０２〜０．２０質量％、および［Ｚｒ］：０．０００１〜０．００３０質量％からなる群から選ばれる一種または二種以上を含有するものである。
【００３０】
このような機能に着目して、Ａｌ添加と酸素上吹きの方法と、さらには介在物の生成反応を考慮した検討を行った。
その基本的な着想は、溶鋼が酸素を含有する状態でのＡｌ昇熱で生成したＡｌ２Ｏ３を極力溶鋼に残留させないためには、（１）酸素が高い状態の溶鋼表面にＡｌを接触させる、および（２）Ａｌ２Ｏ３の生成は真空槽内で行う、すなわち真空槽内で生成したＡｌ２Ｏ３は真空槽から溶鋼が排出される下降管を通過する際に凝集肥大し、取鍋内での反転流で取鍋上面へ容易に分離される、という２点にある。これを言い換えれば、真空槽内でＡｌ濃度が高い状態を形成し、このＡｌ濃度が高い溶鋼が取鍋内の酸素の高い溶鋼と取鍋バルク内で混合・反応すればそのバルク内でＡｌ２Ｏ３が形成され、これは凝集肥大による浮上促進や反転流によって取鍋溶鋼上面へ分離させる機会がないということである。
【００３１】
ここで、上述の着想を検討するために真空槽に約２０ｔ、取鍋溶鋼に約２５０ｔの溶鋼が収容された環流型脱ガス装置について考えた。溶存酸素濃度が０．０５０質量％から０．０６０質量％の溶鋼に対して、含有される酸素の脱酸に必要量の約１／２程度の１００ｋｇのＡｌ添加を行い、溶鋼中の酸素濃度およびＡｌ濃度がどのように変化するかを考えた。ここで、溶鋼環流量Ｑｓ：１．６７ｔ／ｓ、Ａｌはホッパーを介して徐々に添加し溶鋼に拡散溶解されるとして、３０秒間に渡って濃度が上昇していくものとした。
【００３２】
このとき、Ａｌ２Ｏ３の生成反応は２Ａｌ＋３Ｏ＝Ａｌ２Ｏ３(s)で表されるが、前掲した着想にしたがって、真空槽内で形成されたＡｌ２Ｏ３は系外に除くとした。これによって真空槽内のＡｌ濃度は取鍋バルク内で生成するＡｌ２Ｏ３量と関連づけられることになる。
【００３３】
そのときの真空槽中のＡｌ濃度および酸素濃度の挙動を模式的に第１図に示す。ＲＨ型脱ガス装置は真空槽中の溶鋼は全体に対して少ないので、一時的に多量のＡｌを添加すると、槽内の溶鋼中Ａｌ濃度は一次的に非常高くなる。すなわちＡｌ脱酸状態となって真空槽内では酸素の高い溶鋼が真空槽内に入ることによって、また取鍋内ではＡｌの高い溶鋼が取鍋内に入ることによって、またＡｌ２Ｏ３系介在物の生成が生じるものと考えられた。すなわち、系内で酸素が過剰な状態で添加されたＡｌは全て溶鋼内部でＡｌ２Ｏ３となるので、第１図のＸ軸と曲線で囲まれた面積がＡｌ２Ｏ３系介在物の生成量に相関するものと考えた。
【００３４】
そこで、同じ未脱酸溶鋼に対して、予め酸素上吹き等による酸素ガスを０．２１ｋｇ／ｔ・ｓを実施しながら同様に１００ｋｇのＡｌ添加をした場合の、真空槽中のＡｌ濃度および酸素濃度の挙動を模式的に第２図に示す。この際の真空槽中酸素濃度は酸素ガスを予め付与しているので当然のことながら高くなるが、その後にＡｌ添加を行っても真空槽中のＡｌ濃度が高くなる時間は短くなり、その濃度は低下する。すなわち、この真空槽中の高いＡｌ濃度を含有する溶鋼が後に未脱酸溶鋼と接してＡｌ２Ｏ３系介在物として生成するならば、Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成量は第２図のＸ軸と曲線で囲まれた面積に相関する量減少すると考えた。
【００３５】
第３図にＡｌ添加開始時間を同じにして酸素ガスを付与した場合と付与しなかった場合の真空槽中のＡｌ濃度の挙動を示すと、同一Ａｌ量１００ｋｇを添加しても、酸素ガスを付与した場合の方が真空槽中のＡｌ濃度には低く維持されると考えられた。
【００３６】
この検討では、Ａｌおよび酸素の質量保存を考えただけで、実際の介在物生成挙動は調査する必要がある。そこで、真空槽に約２０ｔ、取鍋溶鋼に約２２０〜２５５ｔの溶鋼が収容された環流型脱ガス装置を用いて以下のような調査を行った。溶存酸素を含有する溶鋼に対して、酸素ガスの吹き付けを行った。酸素ガスの吹き付け速度Gは0.20〜0.2２ｋｇ／ｔ・ｓである。溶鋼に含有される酸素と吹き付けた酸素を除くために必要な化学量論比よりも１／３〜１／２程度であり、最終的に溶存酸素濃度で０．００５質量％から０．０２０質量％が残るようにＡｌ添加を行った。酸素ガスおよびＡｌ添加が完了してから約１２０秒後に溶鋼サンプルを採取した。昇熱処理によりＡｌ２Ｏ３系介在物が取鍋内で生成しているかどうかは、鋼中介在物組成で判断することとした。すなわち、そのサンプル中に含まれる酸化物系介在物をＸ線マイクロアナライザーが付属した走査型電子顕微鏡で調べた。介在物は数μｍから数十μｍ程度のものを無作為にｎ＝１０〜２０程度選び、その中のＡｌ２Ｏ３濃度の平均値をとった。溶鋼組成にもよるが、溶存酸素を含有する溶鋼であれば、いわゆる弱脱酸元素と呼ばれるＭｎやＳｉは少量含まれている場合がある。その濃度範囲を例示すれば、［Ｍｎ］：０．１０〜２．０質量％、［Ｓｉ］：０．０１〜０．０５質量％程度である。観察される介在物は、Ａｌ２Ｏ３系の場合、Ａｌ２Ｏ３に少量のＭｎＯ、ＳｉＯ２が含まれる場合、ＭｎＯとＡｌ２Ｏ３からなる場合、ＭｎＯ、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３からなる場合等があるが、介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度の平均値を平均値を用いることで、真空槽のＡｌ濃度の高い溶鋼が取鍋の酸素濃度の高い溶鋼中へ流入することによってＡｌ２Ｏ３系介在物が生成したかどうかを把握できるものと考えた。ここで、Ａｌ２Ｏ３−ＭｎＯ−ＳｉＯ２系状態図で考えると、Ａｌ２Ｏ３相と平衡する酸化物は、Ａｌ２Ｏ３−ＭｎＯ−ＳｉＯ２液相でありＡｌ２Ｏ３濃度で約５０質量％の付近となる。したがって、平均Ａｌ２Ｏ３濃度が５０質量％を臨界的な指標として本発明技術を検討した。
【００３７】
ここで、ＲＨ装置における溶鋼環流量Ｑ(ｔ／ｓ)および環流による均一混合に関連づけられる時間τについて説明する。
ＲＨ装置における溶鋼環流量Ｑ(ｔ／ｓ)はいくつかの研究者による式が既に公知となっているが、本発明では次式(II)を用いた。
【００３８】
Q=K・B1/3D4/3{ln[P1/P2]}1/3          (II)
ここで定数Ｋ＝０．１９、Ｂはガス流量(Ｎｌ／ｍｉｎ)、Ｄは浸漬管管径(ｍ２)、Ｐ１およびＰ２は、それぞれガス吹き込み点および真空槽の圧力(ｔｏｒｒ)である。
【００３９】
次に均一混合に関連づける時間τについては、次式を用いた。
τ(s)=0.3W/Q              (I)
ここでＷ：溶鋼量(ｔ)、Ｑ：環流量(ｔ／ｓ)である。
【００４０】
第４図には酸素上吹き時間開始からＡｌ添加までの時間τと介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度の平均値の関係を示す。誤差範囲は１σである。この試験は、溶鋼量Wが２４２t〜２７４t、環流量Ｑ＝１．６７t／s一定の条件で行った。したがって、上式から計算されるτの値は４３．５〜４９．２である。図に示すように、ここで介在物中の平均Ａｌ２Ｏ３濃度を５０質量％を読みとると、４８(ｓ)となる。酸素上吹き開始時間からτ=４８秒後以降にＡｌ添加時期を設定することにより、介在物中の平均Ａｌ２Ｏ３濃度を５０質量％未満にすることができた。すなわちこのような介在物はＳｉＯ２−ＭｎＯ−Ａｌ２Ｏ３系の比較的低融点の液相介在物が主体であることがわかる。
【００４１】
第５図には、酸素上吹きを実施し、かつ時間τ秒後以降にＡｌを一回添加した時の溶鋼１ｔあたりのＡｌ添加量と介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度平均値の関係を示す。図に示すように、Ａｌ添加量が０．５ｋｇ／ｔ以下であれば、介在物中の平均Ａｌ２Ｏ３濃度を５０質量％未満にすることができた。
【００４２】
第６図には、酸素上吹きを実施し、かつ時間τ秒後以降にＡｌ添加０．３〜０．４ｋｇ／ｔを二回行った際の添加間隔時間と介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度平均値の関係を示す。ここで時間０(ｓ)は０．７２ｋｇ／ｔを一括して添加したものである。図に示すように、Ａｌ添加間隔時間をτ秒以上取ることにより、介在物中の平均Ａｌ２Ｏ３濃度を５０質量％未満にすることができた。
【００４３】
３．本発明の適用範囲
本発明の適用範囲の限定を以下に説明する。
本発明における溶存酸素を含有する溶鋼とは、取鍋内に収容された溶鋼における酸素濃度でＡｌ昇熱操作前に０．０１０質量％〜０．０７０質量％の範囲にあるものである。昇熱前の酸素濃度をこの範囲に限定する理由は、酸素濃度が０．０１０質量％未満であるということは既に何らかの脱酸元素が含有されている状態であり、本発明の適用外の状態と考えられるからである。さらに酸素濃度が０．０７０質量％を上回る場合には、共存する製鋼スラグ等が極めて過酸化な状態であって、本発明の安定した効果を得難くなると考えられるからである。この酸素濃度を溶鋼中Ａｌ濃度に関連づけていえば、Ａｌ昇熱操作前にＡｌ濃度で０．００３質量％以下である。なお酸素ガス供給時には真空槽内の溶鋼は一時的にこれを上回る場合がある。
【００４４】
溶鋼量は特に限定されないがＲＨ処理が実施される大量溶鋼処理プロセスが前提であり、その量は５０ｔから４００ｔ程度である。ＲＨ槽内の溶鋼量は装置構成に依存して特に限定されないが、３ｔから３０ｔ程度である。環流速度Ｑは、その算出式の例を前述したが、その範囲を例示すれば０．５ｔ／ｓから４．０ｔ／ｓである。酸素の供給速度Ｇは、酸素供給能力やランス・ガス羽口形状等に依存するが、その範囲を例示すれば０．００１０Ｎｍ３／ｔ・ｓから０．００４０Ｎｍ３／ｔ・ｓである。
【００４５】
添加するＡｌについては、製鋼工程で使用される金属Ａｌおよびそれを含む合金、金属Ａｌ含有物を意味する。合金や金属Ａｌ含有物の場合、金属Ａｌ純分で換算すれば良い。溶鋼との速やかな反応を考慮すれば、金属Ａｌ純分が９５質量％以上のいわゆる製鋼用金属Ａｌの使用が望ましい。
【００４６】
なお、本発明において、Ａｌ添加量は、少なくとも０．１ｋｇ／ｔ以上を添加する必要がある。Ａｌ添加量が０．１ｋｇ／ｔ未満では、Ａｌを添加して昇温する効果に乏しいからである。
【００４７】
本発明の前提となるＲＨ型真空脱ガス装置について述べる。この装置の概要は、真空槽を減圧にすることにより槽内に溶鋼を吸い上げ、溶鋼を吸い上げるための二本の浸漬管の片側に不活性ガスを流すことにより上昇流を形成し、反対側に下降流を形成することによって、溶鋼を真空槽と取鍋の間で環流させることを特徴とするものである。この溶鋼の環流によって溶鋼は強く撹拌され、脱炭反応や脱酸反応が促進される。
【００４８】
４．鋼材
次にこのような操作で得られる鋼材について説明する。本発明は、鋼中［Ａｌ］濃度が０．００３質量％以下の鋼に適用できるもので、実質Ａｌ濃度が非常に低い弱脱酸鋼となる。その酸素濃度は、全酸素濃度で０．００２〜０．００８質量％の範囲である。強脱酸の状態にしないので、典型的には０．００３〜０．００５質量％の酸素が含まれる。
【００４９】
本発明の操作により、Ａｌ昇熱を実施してもＡｌ２Ｏ３系介在物量が少なくなり、Ａｌ２Ｏ３量は０．００１質量％以下となる。このＡｌ２Ｏ３量は常法で求めたもので良く、例えば一般的に行われる酸不溶性Ａｌ濃度から化学組成がＡｌ２Ｏ３を仮定して求めた値をもちいることができる。
【００５０】
このようにＡｌ２Ｏ３量が低い圧延鋼材では、酸素濃度が高くても、鋼材表面の品質が良好である。すなわち冷間圧延鋼帯においてはスリバー疵が減少し、厚板鋼材においては、介在物性表面欠陥を抑制することができる。
【００５１】
鋼中［ｓｏｌ．Ａｌ］濃度が０．００３質量％以下でかつ全酸素濃度が０．００２質量％以上０．００８質量%以下を得るためには、ＳｉおよびＭｎについては以下に規定される範囲の含有量で、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒについては、これらの１種または２種以上を以下に規定される範囲の含有量で、含有する必要がある。
【００５２】
「Ｓｉ」：０．０１〜０．０５質量％
Ｓｉは酸素と親和力があるので、Ａｌを用いずに脱酸することを可能にする。全酸素濃度を０．００８質量％以下にするためには、［Ｓｉ］は０．０１質量％以上必要である。［Ｓｉ］が０．０５質量％を超えると酸素濃度が０．００２質量％未満となる。
【００５３】
「Ｍｎ」：０．１０〜２．０質量％
Ｍｎは酸素と親和力があるとともに、鋼の固溶強化を可能にする元素である。特にＳｉと共存することで弱いながら安定した脱酸を可能とする。全酸素濃度を０．００８質量％以下にするためには、［Ｍｎ］は０．１０質量％以上必要である。［Ｍｎ］が２．０質量％を超えると酸素濃度が０．００２質量％未満となる。
【００５４】
［Ｔｉ］：０．０１〜０．０５質量％
Ｔｉは酸素と親和力があるとともに、圧延温度域では炭素や窒素と親和力があるので、鋼材強度や伸びを改善するために添加する元素である。
【００５５】
全酸素濃度を０．００８質量％以下にするためにＴｉを添加する場合であって、［Ｎｂ］及び［Ｚｒ］を不純物濃度を超えて含まない場合には、［Ｔｉ］は０．０１質量％以上必要である。但し、［Ｔｉ］が単独でも０．０５質量％を超えると酸素濃度が０．００２質量％未満となる。
【００５６】
［Ｎｂ］：０．０２〜０．２０質量％
Ｎｂ圧延温度域では炭素や窒素と親和力があるので、鋼材強度や伸びを改善するために添加する元素である。
【００５７】
Ｎｂは溶鋼にあっては、ＳｉやＴｉよりもさらに酸素と親和力の小さい元素であるが、本発明のような弱脱酸鋼においては酸素濃度に関与する。全酸素濃度を０．００８質量％以下にするためにＮｂを添加する場合であって、［Ｔｉ］及び［Ｚｒ］を不純物濃度を超えて含まない場合には、［Ｎｂ］は０．０２質量％以上必要である。但し、［Ｎｂ］が単独でも０．２０質量％を超えると、炭化物、窒化物等の析出物等により鋼質が著しく変化し、所望の圧延材には適さなくなる。
【００５８】
［Ｚｒ］：０．０００１〜０．００３０質量％
Ｚｒは反対に強脱酸元素であるが、微量添加すること鋼材に有効な性質を得られる場合がある。
【００５９】
Ｚｒは溶鋼にあっては、Ａｌと同等の酸素と親和力を示す元素であるので、本発明のような弱脱酸鋼においては微量で酸素濃度に関与する。全酸素濃度が０．００８質量％以下にするためにＺｒを添加する場合であって、［Ｔｉ］及び［Ｎｂ］を不純物濃度を超えて含まない場合には、［Ｚｒ］は０．０００１質量％以上必要である。但し、［Ｚｒ］が単独でも０．００３質量％を超えると酸素濃度が０．００２質量％未満となる。
【００６０】
このような条件を満たし、かつ前述のＡｌ昇熱の諸要件を満たすことにより、Ａｌ昇熱を実施して、かつ［ｓｏｌ.Ａｌ］≦０．００３質量％、［％Ｏ］＝０．００２〜０．００８質量％の範囲の鋼材を安定して製造することができ、かつその鋼材中に残留するＡｌ２Ｏ３量は０．００１質量％以下にすることが可能となる。残留するＡｌ２Ｏ３量が０．００１％を超えると、弱脱酸鋼であってもＡｌ２Ｏ３介在物に起因する表面疵等が発生し、弱脱酸鋼の利点の一つを享受できなくなる。
【００６１】
本発明に好適な［Ｃ］濃度を例示すると、［Ｃ］：０．００１〜０．０２５％の範囲である。この範囲が好適な理由は、［Ｃ］が０．０２５％を超えると、弱脱酸鋼では鋳片にブローホールが生成する等の製造上の課題が生じる。［Ｃ］が０．００１％未満では炭素を除くための製造コストがかさむ。
【実施例】
【００６２】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
溶鋼２７０ｔｏｎを転炉で脱炭精錬し、その未脱酸溶鋼を収容した取鍋をＲＨ装置へ移送し、ＲＨ装置で真空脱炭処理を行った。
【００６３】
ＲＨ装置は真空槽に約２０ｔの溶鋼が収容され、その環流速度は吹き込みＡｒガス量と真空度を調整することにより１．６〜２．０ｔ／ｓの範囲とした。ＲＨ装置に真空脱炭が終了した後、未脱酸溶鋼の予備脱酸と溶鋼の昇温操作を兼ねてそれに必要な量の金属Ａｌを添加した。このＡｌ添加に先立って予め昇熱および溶鋼に残存させる酸素として必要量の酸素ガスをＲＨ装置の真空槽上方に備えたランスから真空槽内の溶鋼に向かって吹き付け添加した。上吹きランスから酸素ガスは３８Ｎｍ３／ｍｉｎで４〜１０ｍｉｎ間上吹きを行った。このような操作によって必要な熱量および過剰な溶鋼中酸素濃度を除去するとともに、０．０１０〜０．０７０質量％の酸素濃度を含有する溶鋼とした。
【００６４】
なおその後さらに必要に応じて各種合金を添加し、所定の成分に調整した。その時の主要溶鋼成分を記載すれば、［Ｃ］＝０．００２〜０．００４質量％、［Ｓｉ］＝０．０１〜０．０２質量％、［Ｍｎ］＝０．３６〜０．４４質量％、［Ｐ］＝０．０１２〜０．０１８質量％、［Ｓ］＝０．００２〜０．００５質量％、［Ｔｉ］＝０．０１〜０．０１４質量％、［Ｎｂ］＝０．０１〜０．０２質量％であった。
なお、Ａｌ添加および酸素上吹き実施して酸素上吹きを停止後、約１２０秒から２４０秒後に溶鋼試料を採取し、その中に含まれる直径５μｍから２０μｍの酸化物系介在物を無作為に１０ないし２０個程度選び、そのＡｌ２Ｏ３濃度の平均値を得た。Ａｌ２Ｏ３濃度が５０質量％以下のものを○、３０質量％以下のものを◎とし、一方５０質量％を上回るものを×とした。
【００６５】
本発明の実施例の諸条件とその結果、および本発明の条件から外れた比較例とその結果を表１に示す。
【００６６】
【表１】
0005131827.tif 000002
【００６７】
表１の実施例１および２に示すように、請求項１に記載の方法で介在物中（％Ａｌ２Ｏ３）濃度の平均組成を５０％以下にすることにより、Ａｌの酸化反応を利用した溶鋼昇熱を行ってもＡｌ２Ｏ３系介在物の生成を抑制できていることがわかる。さらには表１の実施例３に示すように、Ａｌを複数回添加し、Ａｌ添加量の総計が０．５０ｋｇ／ｔを超えた場合でも、請求項２に記載の方法により所定時間間隔でＡｌを添加すると、介在物中（％Ａｌ２Ｏ３）濃度の平均組成が５０％以下となり、Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成を抑制できていることがわかる。
【００６８】
一方比較例４および５に示すようにＡｌ添加時間を充分に確保しない場合、比較例６，７に示すように一回のＡｌ添加量を０．５ｋｇ／ｔを超える場合には、いずれもＡｌ２Ｏ３系介在物が残留して、介在物中の平均（％Ａｌ２Ｏ３）濃度が５０％を上回ってしまう。また比較例８からは、１回目のＡｌ添加は本発明の範囲であっても２回目の添加間隔が短ければＡｌ２Ｏ３系介在物の残留が生じてしまうことがわかる。
【００６９】
さらに上記実施例で得た請求項１または請求項２に記載の本発明を用いて、Ａｌ昇熱を実施し、その後ＲＨ装置での溶鋼処理中に不足のＣ、Ｓｉ、Ｍｎを調整し、さらに必要に応じてＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒを合金成分として添加して濃度を調整し、常法に従って連続鋳造法によってスラブを製造した。このスラブを素材として、熱間圧延および冷間圧延を実施し冷延鋼帯を得た。その結果を表２に示す。なお、表２における酸素濃度要件とは弱脱酸鋼の範疇にあるかどうかであり、鋼中の酸素含有量が０．００２〜０．００８質量％にあることであり、これを充足する場合には○、充足しない場合には×とした。
【００７０】
【表２】
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【００７１】
実施例１１から１５では、弱脱酸鋼で酸素濃度が０．００２〜０．００８質量％の状態で、なおかつ表３に示す本発明のＡｌ昇熱を実施することにより、Ａｌ２Ｏ３も残留しない圧延鋼材が得られた。
【００７２】
一方比較例１６は、Ｓｉ濃度が本発明の範囲を超え、比較例１７はＭｎ濃度が本発明の範囲を超え、比較例１８はＴｉ濃度が本発明の範囲を超え、比較例１９はＺｒ濃度が本発明の範囲を超えたため、強脱酸状態となり弱脱酸鋼としての要件を満たさなくなった。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】未脱酸溶鋼にＡｌ添加した場合の真空槽内Ａｌ濃度および酸素濃度の経時変化を示すグラフである。
【図２】未脱酸溶鋼に酸素上吹きをしながらＡｌ添加した場合の真空槽内Ａｌ濃度および酸素濃度の経時変化を示すグラフである。
【図３】真空槽内Ａｌ濃度挙動の酸素上吹きをした場合としなかった場合の比較を示すグラフである。
【図４】介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度に及ぼす酸素上吹き開始からＡｌ添加までの時間の関係を示すグラフである。
【図５】介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度に及ぼす酸素上吹き中のＡｌ添加量の関係を示すグラフである。
【図６】介在物中Ａｌ２Ｏ３濃度に及ぼす酸素上吹き時に２回Ａｌ添加量をしたときの添加時間間隔の関係を示すグラフである。
【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】
0005131827.tif 000008
【図６】
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