(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を０．５質量％以上含有する高炭素鋼用の溶鋼の処理方法において、前記溶鋼を取鍋に入れ、該取鍋内の溶鋼中にＺｒを添加してＺｒ酸化物を生成させた後、該溶鋼にＭｇを添加してＭｇ硫化物を生成させ、しかも前記溶鋼中に含まれるＺｒ質量％、酸素質量％、Ｍｇ質量％が式（１）を満たし、Ｍｇ質量％とＳ質量％が式（２）を満たすことを特徴とする高炭素鋼用溶鋼の処理方法。
（２．８４×酸素質量％）＜Ｚｒ質量％＜
（２．８４×酸素質量％＋０．９×Ｍｇ質量％）      ・・・・・（１）
（Ｍｇ質量％）×（Ｓ質量％）＞４×１０-5        ・・・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼の凝固組織を微細にして鋳片の品質を向上することができる高炭素鋼用溶鋼の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶鋼を凝固させた鋳片には、中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等の内部欠陥が発生する場合がある。この内部欠陥を抑制するため、鋳造時の溶鋼の温度を低くする低温鋳造を行ったり、鋳型や支持セグメントに電磁攪拌装置を設置して凝固しつつある溶鋼を攪拌する等により、溶鋼が凝固した鋳片の等軸晶の形成を促進し、凝固組織を微細化することが行われている。
しかし、低温鋳造を行うと、溶鋼を鋳型に注湯する浸漬ノズルの詰まりが生じる。その結果、溶鋼湯面や鋳造速度が変動して操業が不安定になり、場合によっては鋳造作業の中断を招く。
一方、電磁攪拌装置を用いて溶鋼を攪拌する場合は、攪拌力を付与した近傍の溶鋼の凝固組織を微細にできるが、鋳片の全体に攪拌力を付与できないため、全体を等軸晶の微細な凝固組織にすることができない。しかも、鋳片の全体を等軸晶にするには、電磁攪拌装置を多段に配置する必要があり、設備費用や電力コストが増大したり、設備制約から設置することが困難となる。
この対策として、特開平７−６２４１７号公報に記載されているように、金属ＭｇやＭｇ合金に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃの一種以上を混合して溶鋼に添加し、生成する酸化物のサイズを小さくし、しかも、Ｍｇの添加コストを低減することが行われている。
更に、特開平９−２８７０１５号公報に記載されているように、溶鋼に、金属ＡｌあるいはＡｌ合金を添加してＡｌ脱酸処理を行った後に、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの一種以上を添加して脱酸を行い、溶鋼中の粗大なアルミナクラスター（酸化物）の個数を低減して製品の表面品質を改善することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−６２４１７号公報に記載された方法では、Ｍｇを添加した際に、ＳｉＯ2、ＭｎＯ、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物が同時に生成して、酸化物の量が増加し、この酸化物が脱酸過程で生成したＭｇＯと結合して低融点の酸化物を形成し、溶鋼の凝固時に接種核として作用しなくなる。しかも、凝固時の初晶がオーステナイト組織である溶鋼に対して、接種核として作用する酸化物を優先的に生成させることができない。
しかも、この溶鋼を凝固させた鋳片は、凝固組織が粗大化しており、中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等の内部欠陥が発生し、鋳片の品質を著しく阻害する。
更に、特開平９−２８７０１５号公報に記載された方法では、溶鋼をＡｌ脱酸した後に、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの一種以上を添加しているので、脱酸によって生成する酸化物としては、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2等の単体、あるいはこれ等が結合した複合の酸化物が生成する。
しかし、この方法は、粗大なアルミナクラスターを低減するものであって、凝固時の初晶がオーステナイトである溶鋼の接種核の生成を意図するものでない。
従って、生成したＺｒＯ2の単体の酸化物を溶鋼の接種核として活用できるが、ＭｇＳ等の接種核を形成することができず、有効な接種核が不足して鋳片の凝固組織を微細にすることができない。
更に、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等の単体の酸化物及びこれ等とＺｒＯ2の結合した複合酸化物は、オーステナイトの凝固組織になる溶鋼に対して、接種核として作用しないため、前述した特開平７−６２４１７号公報に記載された方法と同様に、凝固組織が粗大化し、中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等の内部欠陥が発生し、鋳片の品質が著しく悪化する。
このように、従来の溶鋼の処理方法では、中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等の内部欠陥を防止できず、鋳片品質が悪化し、これを用いた鋼材の溶接部の靱性の低下を抑制できない等の解決できない問題がある。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶鋼中に、凝固時の接種核として有効な酸化物や硫化物を生成させ、凝固した鋳片の凝固組織を微細にして内部欠陥等の発生を防止し、この鋳片を加工した鋼材の品質を向上することができる高炭素鋼用溶鋼の処理方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る高炭素鋼用溶鋼の処理方法は、炭素を０．５質量％以上含有する高炭素鋼用の溶鋼の処理方法において、前記溶鋼を取鍋に入れ、該取鍋内の溶鋼中にＺｒを添加してＺｒ酸化物を生成させた後、該溶鋼にＭｇを添加してＭｇ硫化物を生成させ、しかも前記溶鋼中に含まれるＺｒ質量％、酸素質量％、Ｍｇ質量％が式（１）を満たし、Ｍｇ質量％とＳ質量％が式（２）を満たす。
（２．８４×酸素質量％）＜Ｚｒ質量％＜
（２．８４×酸素質量％＋０．９×Ｍｇ質量％）      ・・・・・（１）
（Ｍｇ質量％）×（Ｓ質量％）＞４×１０-5        ・・・・・（２）
この方法により、溶鋼中に含まれる酸素（Ｏ）をジルコニウム（Ｚｒ）と反応させてＺｒ酸化物（ＺｒＯ2）を生成させ、同時に溶鋼中の酸素濃度を低くしておき、この後にマグネシウム（Ｍｇ）を添加して溶鋼中の硫黄（Ｓ）と反応させてＭｇ硫化物（ＭｇＳ）を形成させることができ、溶鋼が凝固する際にＺｒＯ2、ＭｇＳを接種核として有効に活用することができる。
なお、添加するＺｒとしては、Ｆｅ−Ｚｒ合金、金属Ｚｒ、Ｍｇとしては、金属Ｍｇ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇを含む。
【０００６】
ここで、前記溶鋼中に含まれるＺｒ質量％、酸素質量％、Ｍｇ質量％が式（１）を満たすように調整する。
（２．８４×酸素質量％）＜Ｚｒ質量％＜
（２．８４×酸素質量％＋０．９×Ｍｇ質量％）      ・・・・・（１）
これにより、溶鋼中のＯがＺｒと反応してＺｒＯ2を安定して生成することができ、しかも、後から添加するＭｇがＯと反応するのを抑制してＭｇＯの生成を防止することができる。
更に、前記溶鋼中に含まれるＭｇ質量％とＳ質量％が式（２）を満たす。
（Ｍｇ質量％）×（Ｓ質量％）＞４×１０-5        ・・・・・（２）
これにより、Ｍｇを添加した際に、ＭｇＳが溶鋼中に生成し易くなり、溶鋼が凝固する際にＭｇＳを接種核として有効に活用することができる。
【０００７】
上記式（１）、式（２）に示す条件は実験により求めた値であり、式（１）においてＺｒ質量％を溶鋼中の酸素質量％の２．８４倍より大きくしたのは、Ｚｒと酸素が反応してジルコニア（ＺｒＯ2）を生成する際に、酸素質量に対して化学量論より多くＺｒを添加して、溶鋼中の酸素を略ＺｒＯ2として固定するためである。Ｚｒの原子量を９１、酸素の原子量を１６とすると、化学量論的にＺｒＯ2が生成するときのＺｒと酸素の質量比は、９１／（１６×２）＝２．８４となる。この結果、引き続き溶鋼中にＭｇを添加した際に、Ｍｇが溶鋼中の酸素と反応しオーステナイト初晶の接種核として作用しないＭｇＯの生成に消費されることが抑制され、Ｍｇは溶鋼中のＳと反応しオーステナイト初晶の接種核として有効なＭｇＳを効率的に生成できることになる。
さらに、Ｚｒ質量％を（２．８４×酸素質量％＋０．９×Ｍｇ質量％）未満にした理由は、これ以上のＺｒ質量％になると、ＭｇＳの生成よりもＺｒＳの生成が優先されるため、ＺｒＳの生成に溶鋼中のＳが消費されＭｇ添加時にＭｇＳが効率的に生成しなくなるからである。
また、式（２）においてＭｇ質量％とＳ質量％の積を４×１０-5より大きくした理由は、４×１０-5以下の場合オーステナイト初晶の接種核として有効なＭｇＳを凝固開始前に溶鋼中に安定して生成できないためである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明の一実施の形態に係る高炭素鋼用溶鋼の処理方法に適用される溶鋼の処理装置の全体図、図２は本発明の一実施の形態に係る鋳片を鋳造する連続鋳造装置の全体図である。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る高炭素鋼用溶鋼の処理方法に適用される溶鋼の処理装置１０は、溶鋼１１を貯留可能な取鍋１２と、取鍋１２の上方に、Ｚｒの一例であるＺｒ合金の表面を薄鋼板で覆ったＺｒ合金ワイヤ、及びＭｇの一例である金属Ｍｇの表面を薄鋼板で覆ったＭｇワイヤを案内するガイドパイプ１３を備え、Ｚｒ合金ワイヤ、及びＭｇワイヤを送り出して取鍋１２内のスラグ１４を貫通して溶鋼１１に供給するドラム式供給装置１５とを有している。
なお、ドラム式供給装置１５は、図示しない駆動源に接続し、しかも、クイックチェンジすることができるドラムを内蔵しており、容易にワイヤの種類を取り替えることができる。
【００１０】
次に、本発明の一実施の形態に係る高炭素鋼用溶鋼の処理方法について説明する。炭素を０．５質量％含む高炭素鋼用の溶鋼１１を取鍋１２に入れ、Ｚｒ合金ワイヤをドラム式供給装置１５から２ｋｇ／分の速度で送り出し、ガイドパイプ１３で案内しながら溶鋼１１に装入して、添加されたＺｒ合金中のＺｒにより溶鋼１１に含まれるＯの脱酸を行った。
このＺｒは、溶鋼１１に含まれるＳよりもＯとの結合力が強いため、溶鋼１１中のＯと反応してＺｒＯ2を生成し、溶鋼１１が凝固する際に接種核として有効に作用する。
Ｚｒを添加した後に、ドラム式供給装置１５のドラムを金属Ｍｇワイヤを巻いたドラムに交換する。
そして、ドラム式供給装置１５から２ｋｇ／分の速度で金属Ｍｇワイヤを送り出してガイドパイプ１３で案内しながら溶鋼１１内に装入する。
添加された金属Ｍｇは、溶鋼１１中に含まれるＳと反応してＭｇＳを生成し、溶鋼１１が凝固する際の接種核として有効に作用する。
【００１１】
なお、Ｚｒ及びＭｇの添加前に、溶鋼１１をサンプリングして、分析を行って酸素質量％を求めておき、Ｚｒ、Ｍｇ歩留りの過去の実績等を用いて、溶鋼中に含まれるＺｒ質量％、酸素質量％、Ｍｇ質量％が下式の関係を満たすようにＺｒ及びＭｇを添加する。
（２．８４×酸素質量％）＜Ｚｒ質量％＜（２．８４×酸素質量％＋０．９×Ｍｇ質量％）
その結果、溶鋼１１中に添加するＺｒの量が多くなるのを抑制し、ＺｒＯ2を安定して生成させることができる。
そして、ＺｒＯ2が生成された溶鋼１１にＭｇを添加することにより、溶鋼１１中のＯとの反応によるＭｇＯの生成を抑制することができ、溶鋼１１中のＳと反応させてＭｇＳの生成を促進できる。
特に、Ｚｒの添加量が過剰になる場合は、Ｚｒの一部が溶鋼１１中に含まれるＳと反応してＺｒＳ2が生成し、接種核として作用しなくなり、しかも、溶鋼１１中のＳがＺｒとの反応に消費されて、ＭｇＳの生成が阻害される。
従って、更に溶鋼１１中に効率良くＭｇＳを生成するために、Ｍｇの添加を下式を満たすように行う。
（Ｍｇ質量％）×（Ｓ質量％）＞４×１０-5
Ｍｇ質量％とＳ質量％を所定の範囲にすることにより、金属Ｍｇを添加した際に、ＭｇＳが溶鋼中に安定して生成される。
生成したＺｒＯ2、ＭｇＳは、オーステナイトとの結晶格子歪みが小さいため、溶鋼１１内に分散して炭素を０．５質量％含む凝固時の初晶がオーステナイト相の溶鋼の接種核として作用する。
その結果、これ等の接種核を起点に凝固が開始され、ピンニング作用との相乗した働きによって、凝固組織を非常に微細な等軸晶にすることができる。
【００１２】
次に、本発明の一実施の形態に係る鋳片２５を鋳造する連続鋳造装置２０について説明する。
図２に示すように、連続鋳造装置２０は、溶鋼１１を貯湯するタンディッシュ２１と鋳型２２を有し、タンディッシュ２１の底部に鋳型２２に注湯する浸漬ノズル２３と、溶鋼１１に図示しない冷却ノズルから散水して溶鋼１１の凝固殻１１ａの成長を促進する支持セグメント２４を備えており、図示しないピンチロールによって鋳片２５を一定の速度で引き抜きながら鋳造を行う装置である。
本実施の形態に係る鋳片２５は、前記連続鋳造装置２０によって以下のように連続鋳造される。まず、炭素を０．５質量％含んだ溶鋼１１に、Ｚｒ合金ワイヤを２ｋｇ／溶鋼トン添加して脱酸を行い、その後に金属Ｍｇを２ｋｇ／溶鋼トン添加して、ＺｒＯ2、ＭｇＳを生成させて、この溶鋼１１をタンディッシュ２１に貯湯して浸漬ノズル２３から鋳型２２に注湯した。
そして、鋳型２２による冷却と支持セグメント２４に配置した冷却ノズルからの散水により、溶鋼１１が凝固して凝固殻１１ａを形成し、更に冷却ノズルからの散水によって、凝固殻１１ａの成長が促進され、完全に凝固したものをピンチロールで０．６ｍ／分の速度で引き抜きながら鋳片２５を鋳造した。
この鋳片２５を切断し、その断面の凝固組織を調査した結果、全体が微細な等軸晶であり、凝固過程で内部に形成される内部割れや中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥が無く、優れた凝固組織を備えていることが確認された。
更に、この鋳片２５に圧延等の加工を施した鋼材には、内部欠陥が無く、鋼材を溶接した際の溶接部における靱性が低下するのを防止することができた。
【００１３】
【実施例】
次に、本発明に係る高炭素鋼用溶鋼の処理方法によって連続鋳造した鋳片の調査結果について説明する。
炭素を０．７９質量％含み表１に示す組成の高炭素鋼用の溶鋼３５０トンを取鍋に入れ、この溶鋼中にＺｒ合金ワイヤによりＺｒを添加して脱酸を行った後、金属ＭｇワイヤによりＭｇを添加して、溶鋼中のＺｒ質量％、Ｍｇ質量％を所定の濃度に調整して、溶鋼中にＺｒＯ2、ＭｇＳを生成させた。
この溶鋼を内寸が厚み３６０ｍｍ、幅４８０ｍｍの鋳型に注湯し、支持セグメントでの散水による冷却によって凝固殻の成長を促進して凝固させ、０．８ｍの速度でピンチロールにより引き抜いて鋳片を鋳造した。
この鋳片を切断してピクリン酸でエッチングを行い、電子顕微鏡により切断面の凝固組織の結晶の大きさ及び中心偏析等の内部欠陥を観察した。そして、Ｚｒ添加質量％、Ｍｇ添加質量％、鋳片の凝固組織、内部品質、鋼材の溶接部靱性、総合評価について表２に示す。
実施例１及び実施例２は、Ｚｒを添加した後にＭｇを添加し、しかも、ＺｒとＭｇの添加濃度が本発明の範囲を満足した場合であり、溶鋼の凝固前に細かなＺｒＯ2、ＭｇＳが多数生成しており、鋳片の凝固組織が微細な等軸晶になり、内部品質は中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等が無く非常に良好になり、各鋳片から製造した鋼材のサンプルを測定した場合溶接部の靱性も良好であり、総合評価として良い（○）結果になった。
【００１４】
【表１】
0004264189.tif 000002
【００１５】
【表２】
0004264189.tif 000003
【００１６】
これに対し、比較例１は、Ｚｒ添加質量％、Ｍｇ添加質量％は本発明の範囲を満足しているが、Ｍｇを最初に添加し、その後にＺｒを添加した場合であり、溶鋼中にＭｇＯやＺｒＳ2が生成して凝固組織が粗大になり、中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等の欠陥が生じて内部品質が不良であり、鋼材の溶接部の靱性も不良になり、総合評価として悪い（×）結果になった。
比較例２は、溶鋼にＺｒのみを添加した場合、比較例３は、溶鋼にＭｇのみを添加した場合であり、いずれとも鋳片の一部しか凝固組織を等軸晶にできず、内部品質及び鋼材の溶接部の靱性はやや改善したものの総合評価としてやや悪い（△）結果になった。
比較例４は、溶鋼にＭｇのみを添加し、しかも、Ｍｇ添加質量％が０．００４１質量％と低い場合であり、ＭｇＯが生成して接種核として作用せず、鋳片の凝固組織が粗大になり、内部品質及び鋼材の溶接部の靱性が不良であり、総合評価として悪い（×）結果になった。
比較例５は、溶鋼に何も添加しなかった場合であり、接種核が生成されず、鋳片の凝固組織が粗大になり、内部品質及び鋼材の溶接部の靱性が不良であり、総合評価として悪い（×）結果になった。
【００１７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、ＺｒあるいはＭｇの添加方法としては、ワイヤ添加の他に、先端に吹き込み孔を有する浸漬ランスを用いて、Ｆｅ−Ｚｒ合金、金属Ｚｒ、金属Ｍｇ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等の粉、又は粒を溶鋼中に吹き込んで添加することができる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の高炭素鋼用溶鋼の処理方法は、炭素を０．５質量％以上含有する高炭素鋼用溶鋼の処理方法において、溶鋼中にＺｒを添加してＺｒ酸化物を生成させた後、溶鋼にＭｇを添加してＭｇ硫化物を生成させるので、溶鋼中に、接種核として有効な酸化物や硫化物を生成させて、鋳片の凝固組織を微細にして、中心偏析やセンターポロシティ、内部割れ等の内部欠陥を防止して鋳片品質及び鋼材の品質を向上することができる。
更に、接種核としてのＭｇの歩留りを高め、使用するＭｇ合金等を節減してコストを低減することができる。
【００１９】
特に、請求項１記載の高炭素鋼用溶鋼の処理方法は、溶鋼中に含まれるＺｒ質量％、酸素質量％、Ｍｇ質量％を所定の範囲に調整するので、ＺｒＯ2を安定して生成し、その後に、ＭｇＳの生成を促進して、鋳片の凝固組織を安定して微細にすることができる。
【００２０】
請求項１記載の高炭素鋼用溶鋼の処理方法は、溶鋼中に含まれるＭｇ質量％とＳ質量％を所定の範囲にしているので、溶鋼中にＺｒＯ2及びＭｇＳを安定して形成し、鋳片の凝固組織を極めて微細にすることができ、内部欠陥を確実に無くし、鋳片の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高炭素鋼用溶鋼の処理方法に適用される溶鋼の処理装置の全体図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る鋳片を鋳造する連続鋳造装置の全体図である。
【符号の説明】
１０：溶鋼の処理装置、１１：溶鋼、１１ａ：凝固殻、１２：取鍋、１３：ガイドパイプ、１４：スラグ、１５：ドラム式供給装置、２０：連続鋳造装置、２１：タンディッシュ、２２：鋳型、２３：浸漬ノズル、２４：支持セグメント、２５：鋳片
【図１】
0004264189.tif 000004
【図２】
0004264189.tif 000005