(57)【要約】      （修正有）【課題】非金属介在物を低減させた高清浄鋼の製造方法であるＥＳＲ法により、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造する製造方法を提供する。【解決手段】添加元素若しくは不純物元素としてｓ−Ａｌを含み、少なくとも質量％で１．０〜２．０％のＳｉを含有する鋼種の製造方法であって、懸下した消耗電極５を金属鋳型２中の溶融スラグ６に上部から降下させていくとともに前記消耗電極５と前記金属鋳型２との間に通電し前記溶融スラグ６上面近傍で前記消耗電極５を溶解させこの溶滴を前記溶融スラグ６中を通過させてから前記金属鋳型２の底部近傍で捕捉して前記鋼種の鋼塊９を得るＥＳＲ法において、前記溶融スラグ６上面近傍を少なくとも酸素を含む不活性ガスからなる混合ガスで置換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
添加元素若しくは不純物元素としてｓ−Ａｌを含み、少なくとも質量％で０.７〜２．０％のＳｉを含有する鋼種の製造方法であって、
懸下した消耗電極を金属鋳型中の溶融スラグに上部から降下させていくとともに前記消耗電極と前記金属鋳型との間に通電し前記溶融スラグ上面近傍で前記消耗電極を溶解させこの溶滴を前記溶融スラグ中を通過させてから前記金属鋳型の底部近傍で捕捉して前記鋼種の鋼塊を得るＥＳＲ法において、前記溶融スラグ上面近傍を少なくとも酸素を含む不活性ガスからなる混合ガスで置換することを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記溶融スラグの上部に閉塞空間を形成し、前記閉塞空間内を前記混合ガスで置換することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記溶融スラグの上部を不活性ガスで置換するとともに前記閉塞空間内に酸素を与えることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項４】
前記溶融スラグの上部に気密空間を形成し、前記気密空間を真空引きした後に、前記混合ガスで置換することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項５】
前記鋼種は、質量％で、
Ｃ：０.３５〜０.４２％、
Ｓｉ：０.８０％〜１.２０％、
Ｍｎ：０.２５〜０.５０％、
Ｃｒ：４．８０〜５．５０％、
Ｍｏ：１.００〜１.５０％、
Ｖ：０.８０〜１.１５％、
ｓ−Ａｌ：０．００７％以下を含有し、これ以外の不可避的不純物元素と残部Ｆｅとを含む成分組成を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つからなる製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非金属介在物を低減させた高清浄鋼の製造方法に関し、特に、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非金属介在物を低減させた高清浄鋼を得る製鋼技術として、ＥＳＲ（Electro Slag Remelting）法が知られている。所定の成分組成を有する棒状の消耗電極を鍛造成形し、これを懸下して徐々に降下させながら金属鋳型中の溶融スラグの上部から浸漬させていく。このとき消耗電極と金属鋳型との間に通電すると、スラグ上面近傍で抵抗加熱により消耗電極の先端が溶解し、生じた溶滴が重力により溶融スラグ中を通過して金属鋳型の底部に堆積していく。溶滴は、溶融スラグ−溶融メタル反応により高清浄化されて堆積するため、高清浄鋼塊を得られるのである。
【０００３】
かかるＥＳＲ法では、一般的に、溶融スラグの酸化や、意図しないガス成分の溶融スラグへの取り込みを防止すべく、溶融スラグの上部に空気よりも重いアルゴンなどの不活性ガスを与えて、溶融スラグが直接、空気と接触しないようにしている。
【０００４】
また、ＥＳＲ法の１手法であるＶＳＲ（Vacuum electro Slag Remelting）法は、溶融スラグ上部を覆って外殻を形成し、これを気密空間にすることで該空間内の真空度を高められるように、若しくは、置換雰囲気を与えるとともにその雰囲気を精度良く制御できるようになっている。例えば、特許文献１にはこのような装置が開示されている。ここでは、真空度を１００〜６００Ｔｏｒｒの範囲内に制御できて、スラグのボイリングを実質上生じさせない圧力条件を維持しながら製鋼処理を行なうことを述べている。
【０００５】
ところで、製鋼技術においては脱酸工程が重要である。ＥＳＲ法における脱酸は、主として、消耗電極に脱酸剤として添加されているＳｉ成分の反応による。これについて特許文献２では、スラグ表面において、以下の溶融スラグ−溶融メタル反応：
【数１】
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が平衡することから説明をしている。すなわち、溶融メタルとして溶解した消耗電極の溶滴のうち、Ｓｉ成分は酸素と反応してＳｉＯ ２となって溶融スラグ側に取り込まれていく。すると、溶滴においては上記反応式が左方向に進み、脱酸が進行するのである。すなわち、Ｓｉ濃度が高い鋼種については比較的容易に低酸素化が達成可能である。他方、Ｓｉ濃度が低い鋼種については、逆に低酸素化が困難である。
【０００６】
これに対して、特許文献２では、低シリコン・低酸素鋼の製造方法について、ＥＳＲの装置全体を密封構造にしてその内部空間内を大気と遮断し、反応系の雰囲気を酸素遮断雰囲気にした上で、Ｓｉ濃度を０．３０重量％以下に調整した鋼種を消耗電極として再溶解し、Ｓｉ濃度を０．３０重量％以下、且つ、酸素濃度を０．００２重量％以下に清浄化した低シリコン・低酸素鋼を得られることを開示している。かかるＥＳＲ法は一種のＶＳＲ法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０２９５４号公報
【特許文献２】特開平７−２３３４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱間工具鋼の一種であり、Ｓｉ濃度を０．３質量％以下としたＤＨ３１（商品名）の如きは、上記したようなＥＳＲ法やＶＳＲ法により高清浄鋼塊を製造し得る。一方、ＤＨ３１（商品名）よりもＳｉ濃度を約１．０質量％と高くした鋼種では、同様にＥＳＲ法やＶＳＲ法によって高清浄鋼塊を製造しようとしても、機械的特性にムラが生じ易く、特に、衝撃値についてのばらつきが大きくなり易かった。
【０００９】
本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、非金属介在物を低減させた高清浄鋼の製造方法であるＥＳＲ法により、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造する製造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】
本発明者は、機械的特性のムラの原因が鋼塊中の粗大なアルミナ粒であることを突き止めた。鋼塊中のアルミニウムは目的をもって添加される以外にもスクラップを用いた場合にあっては不可避的に含まれてしまう。そこで、かかるアルミニウムによる粗大なアルミナ粒の生成を抑止するための方法を発案し、製造方法に導入した。
【００１１】
すなわち、本発明による製造方法は、添加元素若しくは不純物元素としてｓ−Ａｌを含み、少なくとも質量％で０．７〜２．０％のＳｉを含有する鋼種の製造方法であって、懸下した消耗電極を金属鋳型中の溶融スラグに上部から降下させていくとともに前記消耗電極と前記金属鋳型との間に通電し前記溶融スラグ上面近傍で前記消耗電極を溶解させこの溶滴を前記溶融スラグ中を通過させてから前記金属鋳型の底部近傍で捕捉して前記鋼種の鋼塊を得るＥＳＲ法において、前記溶融スラグ上面近傍を少なくとも酸素を含む不活性ガスからなる混合ガスで置換することを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、スラグ上面近傍を少なくとも酸素を含む不活性ガスからなる混合ガスで置換することで、添加元素若しくは不純物元素として含まれるｓ−Ａｌを酸化させて溶融スラグ側に取り込み得るのである。故に、鋼塊中の粗大なアルミナ粒を抑制できて、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【００１３】
上記した発明において、前記溶融スラグの上部に閉塞空間を形成し、前記閉塞空間内を前記混合ガスで置換することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、スラグ上面近傍の不活性ガス中の酸素量を安定させ得るため、鋼塊中の粗大なアルミナ粒を確実に抑制でき、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【００１４】
上記した発明において、前記溶融スラグの上部を不活性ガスで置換するとともに前記閉塞空間内に酸素を与えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、スラグ上面近傍の不活性ガス中の酸素量を容易に調整できて、鋼塊中の粗大なアルミナ粒を確実に抑制でき、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【００１５】
上記した発明において、前記溶融スラグの上部に気密空間を形成し、前記気密空間を真空引きした後に、前記混合ガスで置換することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、スラグ上面近傍の不活性ガス中の酸素量を容易に調整できて、鋼塊中の粗大なアルミナ粒を確実に抑制でき、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【００１６】
上記した発明において、前記鋼種は、質量％で、Ｃ：０.３５〜０.４２％、Ｓｉ：０.８０％〜１.２０％、Ｍｎ：０.２５〜０.５０％、Ｃｒ：４．８０〜５．５０％、Ｍｏ：１．００〜１．５０％、Ｖ：０.８０〜１．１５％、ｓ−Ａｌ：０．００７％以下を含有し、これ以外の不可避的不純物元素と残部Ｆｅとを含む成分組成を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、ｓ−Ａｌを確実に酸化させて溶融スラグ側に取り込み得て、鋼塊中の粗大なアルミナ粒を抑制できて、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の製造方法で使用される製造装置を示す図である。
【図２】本発明の製造方法を示すフロー図である。
【図３】本発明の製造方法で使用される他の製造装置を示す図である。
【図４】本発明の製造方法を示す他のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
〔実施例１〕
本発明の１つの実施例による非金属介在物を低減させた高清浄鋼の製造方法であって、特に、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼の製造方法について説明する。まず、かかる製造方法において使用されるＥＳＲ装置１（図１参照）について説明する。
【００１９】
図１に示すように、ＥＳＲ装置１は、水冷式の金属鋳型２と、これに接続される電源３と、電源３に接続される電極保持部４と、不活性ガス源１０からバルブ１１を介して金属鋳型２内の空間の上部に通じる不活性ガス供給路１２とを備える。ＥＳＲ装置１は、さらに、金属鋳型２の内部に消耗電極５を囲むように仕切板７を備えている。仕切板７によって、金属鋳型２の内部の空間は、上部の空間２ａと下部の閉塞空間２ｂとに仕切られている。金属鋳型２には、さらに、酸素源１３からバルブ１４を介して閉塞空間２ｂに通じる酸素供給路１５が接続されている。つまり、上記したように、ＥＳＲ装置１は、通常のＥＳＲ装置に仕切板７を新たに設け、これにより分割された上部の空間２ａと下部の閉塞空間２ｂとに酸素の供給を可能としたものである。
【００２０】
次に、上記したＥＳＲ装置１を使用した高清浄鋼の製造方法について説明する。なお、本実施例での製造に適した鋼種は、添加元素若しくは不純物元素としてｓ−Ａｌを質量％で０．００７％以下の範囲内で含むとともに、少なくとも質量％で０．７〜２．０％のＳｉを含む鋼である。例えば、質量％で、Ｃ：０.３５〜０.４２％、Ｓｉ：０.８０％〜１.２０％、Ｍｎ：０.２５〜０.５０％、Ｃｒ：４．８０〜５．５０％、Ｍｏ：１.００〜１.５０％、Ｖ：０.８０〜１.１５％の成分組成を有するＤＨＡ１−Ａ（商品名）などの鋼である。
【００２１】
消耗電極５として使用する鋼は、上記した鋼種と同様の成分組成であり、精錬時の脱酸等の効果を考慮して微調整を行うことが好ましい。消耗電極５は、このような鋼からなる鍛造丸棒であるが、スクラップを原料として用いているため、不可避的にアルミニウムを含有している。そこで、得られる鋼塊の粗大なアルミナ粒の生成を容易に抑制できるよう、消耗電極５においてｓ−Ａｌの含有量は質量％で０．０１０％以下とすることが好ましい。また、スラグには、例えば、ＣａＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯなどを主成分とする一般的な塩基性スラグを用いることができる。本実施例においては、質量％で、ＣａＦ2：７０％、Ａｌ2Ｏ3：３０％のスラグを用いた。
【００２２】
図２に図１を併せて参照すると、金属鋳型２の底部にスラグを載置する（Ｓ１）。電極保持部４から消耗電極５を懸下させ、その下端をスラグに接触させるように位置させる（Ｓ２）。
【００２３】
これとともにバルブ１１を開いて、金属鋳型２内の空間２ａ及び閉塞空間２ｂを不活性ガスでパージする。本実施例において、不活性ガスはアルゴンガスである。仕切板７と消耗電極５の間には隙間があるため閉塞空間２ｂ内も不活性ガスによりパージされる。さらに、バルブ１４を開いて、酸素を閉塞空間２ｂ内に供給する。すなわち、閉塞空間２ｂを不活性ガスと所定の分圧を有する酸素との混合ガスでパージする（Ｓ３）。このように、仕切板７を設けることで閉塞空間２ｂ内の酸素量を安定させ、酸素量の調整を容易とすることができる。なお、不活性ガス供給路１２を閉塞空間２ｂに通じるようにして、閉塞空間２ｂに不活性ガスを供給してもよい。
【００２４】
電源を投入して所定の電圧を消耗電極５とスラグとの間に印加させ、スラグをその抵抗加熱により溶融させる（Ｓ４）。これによって溶融した溶融スラグ６の抵抗加熱により消耗電極５の下端が溶解される。消耗電極５の溶解に伴い、消耗電極５を上部から徐々に降下させて、消耗電極５の先端を常に溶融スラグ６の表層近傍に浸漬させるように電極保持部４の位置を制御する（Ｓ５）。消耗電極５の溶解に伴い生成した溶滴は溶融スラグ６内を通過しつつ精錬される。精錬された溶滴は、溶融スラグ６の下側に形成される溶融プール８に捕捉され、その下端及び周囲から金属鋳型２に冷却されて凝固し、鋼塊９を徐々に形成する（Ｓ６）。
【００２５】
かかる精錬において、空間２ａは不活性ガスで満たされて大気に対して金属鋳型２内を遮断し、また閉塞空間２ｂは所定の分圧で酸素を含む混合ガスで満たされて溶融スラグ６の上面に所定量の酸素を供給できる。
【００２６】
溶融スラグ６は、混合ガスから酸素を供給され、通過する溶滴に含まれるｓ−Ａｌを酸化させて取込むことができる。これにより、不活性ガスでパージされている場合に比べて、より多くのｓ−Ａｌを溶融スラグ６に取込むことができるので、鋼塊９の粗大なアルミナ粒の生成を抑制することができる。よって、鋼塊９の機械的特性、特に衝撃値を安定させることができて、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【００２７】
〔実施例２〕
続いて、本発明の他の実施例による非金属介在物を低減させた高清浄鋼の製造方法において使用されるＶＳＲ装置２１について説明する。
【００２８】
図３に示すように、ＶＳＲ装置２１は、水冷式の金属鋳型２２と、これに接続される電源２３と、電源２３に接続される電極保持部２４と、金属鋳型２２の内部に密閉空間２２ａを形成するようその上部に固定されつつ電極保持部２４の上下動を可能とする炉体上部２２’とを備える。また、不活性ガス源３０からバルブ３１を介して密閉空間２２ａに通じるよう炉体上部２２’に接続されるガス供給路３２と、油回転ポンプ４０及びルーツ形真空ポンプ４１によりコントロールバルブ４２及びダストセパレータ４３を介して密閉空間２２ａを減圧する真空経路４４を備える。ガス供給路３２には、さらにバルブ３４を介して酸素源３３が接続されている。つまり、上記したように、ＶＳＲ装置２１は、減圧下でＥＳＲを行う通常のＶＳＲ装置において、酸素の供給を可能としたものである。
【００２９】
次に、ＶＳＲ装置２１による鋼の製造方法について説明する。なお、本実施例での製造に適した鋼種は、添加元素若しくは不純物元素としてｓ−Ａｌを質量％で０．００７％以下の範囲内で含むとともに、少なくとも質量％で０．７〜２．０％のＳｉを含む鋼である。例えば、実施例１と同様にＤＨＡ１−Ａ（商品名）などの高清浄鋼である。
【００３０】
消耗電極２５として使用する鋼は、上記した鋼種と同様の成分組成であり、精錬時の脱酸等の効果を考慮して微調整を行うことが好ましい。消耗電極２５は、このような鋼からなる鍛造丸棒である。また、実施例１と同様に、消耗電極２５においてｓ−Ａｌの含有量は質量％で０．０１０％以下とすることが好ましい。また、実施例１と同様に、スラグには、例えば、ＣａＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯなどを主成分とする一般的な塩基性スラグを用いることができる。本実施例においては、質量％で、ＣａＦ2：７０％、Ａｌ2Ｏ3：３０％のスラグを用いた。
【００３１】
図４に図３を併せて参照すると、まず、金属鋳型２２の底部にスラグを載置する（Ｓ１）。炉体上部２２’をその内部を密閉するように金属鋳型２２に固定した上で、電極保持部２４から消耗電極２５を懸下させ、その下端をスラグに接触させるように位置させる（Ｓ２）。
【００３２】
続いて、コントロールバルブ４２を通して油回転ポンプ４０によって金属鋳型２２の内部の密閉空間２２ａから空気を排出して減圧し、ルーツ形真空ポンプ４１によりさらに減圧する（Ｓ３ａ）。
【００３３】
続いてバルブ３１を開いて、金属鋳型２２内の密閉空間２２ａを不活性ガスでパージする。本実施例において、不活性ガスはアルゴンガスである。さらに、バルブ３４を開いて、酸素を密閉空間２２ａ内に供給し、密閉空間２２ａを不活性ガスと所定の分圧を有する酸素との混合ガスでパージする（Ｓ３ｂ）。このように、一旦真空を引いた後に混合ガスでパージすることで、密閉空間２２ａ内の酸素量の調整を容易とする。
【００３４】
続いて、電源を投入して消耗電極２５を溶解させて溶滴を生成させ、溶融スラグ２６を通過する溶滴の精錬を行いつつ鋼塊２９を形成させる（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）。詳細については実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【００３５】
かかる精錬において、密閉空間２２ａは酸素を含む混合ガスで満たされて溶融スラグ２６の上面に所定量の酸素を供給できる。
【００３６】
溶融スラグ２６は、混合ガスから酸素を供給され、通過する溶滴に含まれるｓ−Ａｌを酸化させて取込むことができる。これにより、不活性ガスのみによりパージされている場合に比べて、より多くのｓ−Ａｌを溶融スラグ２６に取込むことができるので、鋼塊２９において粗大なアルミナ粒の生成を抑制することができる。よって、鋼塊２９の機械的特性、特に衝撃値を安定させることができて、比較的Ｓｉ濃度の高い高清浄鋼を安定して製造できるのである。
【００３７】
上記したような、比較的Ｓｉ濃度の高い鋼種においては、溶融スラグ中において脱酸を速やかに進行できるが、これにより溶融スラグ中の溶融スラグ−溶融メタル反応に使用できる酸素が不足しがちである。混合ガスから積極的に溶融スラグに酸素を供給することで、不足しがちな溶融スラグ中の酸素を補い、溶融スラグを通過する溶滴中のｓ−Ａｌを積極的に酸化させることができると考えられる。このようにして生成したアルミナはサイズが大きく、浮上しやすいため、溶融スラグに容易に取込むことができたものと考えられる。
【００３８】
なお、溶融スラグに過剰に酸素を供給すると得られる鋼塊において酸化物を過剰に生成してしまい、一方で、少な過ぎるとｓ−Ａｌを溶融スラグへ取り込む効果を得られなくなると考えられるため、混合ガスの酸素量は、適宜、調整される。
【００３９】
また、酸素は予め不活性ガスと混合させた上で、閉塞空間２ｂ又は密閉空間２２ａに供給するようにすることもできる。
【００４０】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００４１】
１          ＥＳＲ装置
５、２５    消耗電極
６、２６    溶融スラグ
９、２９    鋼塊
１３、３３  酸素源
２１        ＶＳＲ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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