(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素成分が０．４〜１．０％となる高清浄度鋼を製造する高清浄度鋼の製造方法において、
予め転炉から二次精錬の処理までの間に溶銑又は溶鋼に投入するＳｉ及びＭｎの全投入量を、二次精錬後のＳｉ及びＭｎの目標成分値から定めておき、
脱炭処理を行う転炉に対して装入する溶銑のＰ濃度を０．００４％〜０．０１２％とし、前記転炉にて脱炭処理を行う際は、Ｓｉ及びＭｎを少なくとも前記全投入量の１５％以上溶銑に投入し、
前記転炉から溶鋼を出鋼する際は、Ｓｉ及びＭｎを、前記脱炭処理時に投入した投入量と合わせて前記全投入量の８５％以上９５％以下の範囲で溶鋼に投入し、
前記二次精錬の際には、残りのＳｉ及びＭｎを溶鋼に投入することを特徴とする高清浄度鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ばね用の鋼などを製造する高清浄度鋼の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、溶鋼中の非金属介在物を低減することで、清浄度の高い高清浄度鋼の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の高清浄度鋼の製造方法には、転炉から溶鋼の出鋼以前に非金属介在物の低減や成分調整のための合金添加を終了して、非金属介在物の浮上や分離を二次精錬で行うことが開示されている。
このような、高清浄度鋼の製造方法においては、溶鋼への成分調整の他に非金属介在物の低減のためにＳｉ及びＭｎを含む合金が添加されることがあり、溶鋼に添加されたＳｉやＭｎは溶鋼中の酸素と反応してシリケートやマンガンオキサイドといった非金属介在物となる。高清浄度鋼の製造法において、Ｓｉ及びＭｎにより生成された非金属介在物が十分に分離浮上しない場合には、製品に悪影響を及ぼすことが知られている。
【０００３】
さて、ばね用などの鋼は高炭素（炭素成分が０．４〜１．０％）となることが必要とされており、特に、ばね用の鋼については清浄度が高いことが望まれている。高炭素の溶鋼を製造する方法として特許文献２や３に開示されているものがある。
特許文献１の高炭素溶鋼の精錬方法では、予め脱りん処理した溶銑を金属マグネシウム含有物質によって脱硫処理したのち除滓し、底吹転炉に装入して脱炭精錬して製品最終目標炭素濃度近傍の炭素濃度で吹止している。
特許文献２の高強度極細線用高炭素鋼の製造方法では、溶銑予備処理を施して、Ｐ：＜０．０２０％、Ｓ：＜０．０２０％に低減した溶銑を転炉にて吹錬し、出鋼時にＳｉ，Ｍｎを含む合金を投入している。
【特許文献１】特開２００１−２６２２１８号公報
【特許文献２】特開平１１−３４３５１４号公報
【特許文献３】特許第３２８２８６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や特許文献２に示すように、高炭素の溶鋼を製造するにあたっては、鋼の靭性などを向上させたり脱酸するために、製造時に溶鋼にＳｉ，Ｍｎを投入することが必要とされている。溶鋼にＳｉ，Ｍｎを投入すると、溶鋼中の酸素とＳｉ，Ｍｎとが反応して非金属介在物が生成するが、この非金属介在物が溶鋼から分離浮上せず、大きな非金属介在物が溶鋼中に残留すると、ばね鋼などの寿命が非常に低下するという問題がある。
そこで、本発明は、炭素成分が０．４〜１．０％を鋼を製造するにあたって、大きな非金属介在物の低減を十分に行うことができる高清浄度鋼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】
【０００５】
前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明は、炭素成分が０．４〜１．０％となる高清浄度鋼を製造する高清浄度鋼の製造方法において、予め転炉から二次精錬の処理までの間に溶銑又は溶鋼に投入するＳｉ及びＭｎの全投入量を、二次精錬後のＳｉ及びＭｎの目標成分値から定めておき、脱炭処理を行う転炉に対して装入する溶銑のＰ濃度を０．００４％〜０．０１２％とし、前記転炉にて脱炭処理を行う際は、Ｓｉ及びＭｎを少なくとも前記全投入量の１５％以上溶銑に投入し、前記転炉から溶鋼を出鋼する際は、Ｓｉ及びＭｎを、前記脱炭処理時に投入した投入量と合わせて前記全投入量の８５％以上９５％以下の範囲で溶鋼に投入し、前記二次精錬の際には、残りのＳｉ及びＭｎを溶鋼に投入する点にある。
【０００６】
発明者は、溶鋼にＳｉ，Ｍｎを投入する方法について様々な角度から検証を行った。
例えば、転炉の精錬中にＳｉやＭｎの成分調整を完了させるとした場合（転炉での精錬中に溶鋼中の必要な全てのＳｉやＭｎを投入する）、投入時にＳｉやＭｎと精錬の際に吹き込む酸素とが反応し易くＳｉやＭｎの歩留が低くなり、大量のＳｉやＭｎが必要となり、且つ、歩留がチャージによってばらつくことから、転炉の精錬際にＳｉやＭｎの成分調整を完了することは事実上不可能である。転炉の出鋼時にＳｉやＭｎの成分調整を完了させるとした場合、投入する際にＳｉやＭｎと溶鋼内の多くの酸素とが結合して、取鍋内に多量の大きな非金属介在物が一斉に生成される要因になると共に、二次精錬の際に成分調整を行うことができない。
【０００７】
そこで、まず、発明者は、溶鋼にＳｉやＭｎを投入して一度に成分調整をすることは、大きな非金属介在物を増加させたり操業上なすことができないため、転炉での脱炭処理時、溶鋼を出鋼時、二次精錬時の３つに分けてＳｉやＭｎを投入することとした。
その上で、発明者は、大きな非金属介在物の発生を極力抑えることができるＳｉやＭｎの投入方法について、様々な実験により検証した。
その結果、転炉にて脱炭処理を行う際には、Ｓｉ及びＭｎを少なくとも全投入量の１５％以上溶鋼に投入し、転炉から溶鋼を出鋼する際は、Ｓｉ及びＭｎを脱炭処理時に投入した投入量と合わせて全投入量の８５％以上９５％以下の範囲で溶鋼に投入し、二次精錬時には、残りのＳｉ及びＭｎを溶鋼に投入するのが最適であることを見出した。これに加え、ばね用の鋼などを製造する高清浄度鋼においては、溶鋼のＰ濃度が重要であるため当該Ｐ濃度を０．００４％〜０．０１２％とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明における高清浄度鋼の製造方法によれば、炭素成分が０．４〜１．０％で清浄度の高い鋼を製造するにあたって、大きな非金属介在物の低減を十分に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の高清浄度鋼の製造方法について説明する。
以下、本発明の高清浄度鋼の製造方法は、図１に示すように、脱りん後の溶銑を転炉１に装入して、転炉１にて吹錬（脱炭処理）を行った後、脱炭処理後の溶鋼を取鍋２へ出鋼する際に合金投入を行い、この溶鋼が装入された取鍋２を二次精錬装置３に搬送して当該二次精錬装置３で精錬することで、高清浄度鋼の製造をするものである。
転炉１は、転炉１の上側から上吹きランス４を介して酸素を吹きつけ且つ、転炉１の底部からガスを吹き込むことができる上底吹き転炉であり、転炉１の炉体５内に溶銑（溶鋼）や合金及びスクラップ等が収容可能となっている。炉体５には精錬した溶鋼を出鋼する出鋼口６が設けられている。
【００１０】
二次精錬装置３は、例えば、取鍋精錬装置から構成されている。この取鍋精錬装置３は、電極加熱式の精錬装置であって、溶鋼が装入された取鍋２と、溶鋼を加熱する電極式加熱装置１０と、溶鋼を電磁攪拌等により攪拌する攪拌装置１１と、フラックスや合金等を投入するための供給装置１２とを有している。
以下、本発明の高清浄度鋼の製造方法について詳しく説明する。図１は、本発明の高清浄度鋼の製造方法の過程を示したものである。
高清浄度鋼の製造方法では、まず、予め転炉１から二次精錬の処理までに溶銑又は溶鋼に投入するＳｉ及びＭｎの純分の全投入量（Ｓｉの純分の全投入量とＭｎの純分の全投入量とを加算したもの）を、二次精錬後のＳｉ及びＭｎの目標成分値から定めておく。
【００１１】
Ｓｉ及びＭｎの全投入量を求めるにあたっては、二次精錬後の溶鋼に含まれるＳｉ及びＭｎの目標成分値を決め、この目標成分値から逆算することで全投入量を求める。当然の如く、Ｓｉ及びＭｎの純分の全投入量を求める際は、転炉１での脱炭処理における歩留や二次精錬処理での歩留も考慮する。
図１に示すように、溶銑のＰ濃度[Ｐ]が０．００４％〜０．０１２％となる溶銑を脱炭処理を行う転炉１に装入する。例えば、脱りん処理を行う転炉や混銑車（トピートカー）にて脱りん処理後の溶銑のＰ濃度が０．００４％〜０．０１２％となるように溶銑の脱りん処理を行った後に、この溶銑を脱炭処理を行う転炉１に装入する。
【００１２】
次に、上吹きランス４にて溶銑内に酸素を吹き込み、吹錬、即ち、脱炭処理を行う。脱炭処理の際は、転炉１の炉口側に設けた供給装置（例えば、ホッパー）１３からＳｉやＭｎを含有する合金Ｍを投入する。合金Ｍを投入する際は、Ｓｉ及びＭｎの純分の投入量が、Ｓｉ及びＭｎの純分の全投入量の１５％を超えるように、Ｓｉを含む合金ＭとＭｎを含む合金Ｍとのそれぞれを投入する。
例えば、転炉１での精錬から二次精錬終了までに投入するＳｉの純分の全投入量とＭｎの純分の全投入量とを加算した全投入量をＡｋｇ、脱炭処理の際に転炉１に投入するＳｉ及びＭｎの純分の合計をαｋｇとしたとき、α≧Ａ×０．１５となるように、Ｓｉを含む合金Ｍを投入すると共に、Ｍｎを含む合金Ｍを投入する。
【００１３】
転炉１にて脱炭処理が終了した後に溶鋼を出鋼する。即ち、転炉１を出鋼側に傾動させて出鋼口６から溶鋼を取鍋２へ向けて出鋼する。溶鋼を取鍋２へ出鋼する際は、出鋼側に配置した供給装置１４（例えば、ホッパー）を用いてＳｉやＭｎを含有する合金Ｍを投入する。合金Ｍを投入する際は、転炉１にて投入したＳｉ及びＭｎの純分を合わせ、出鋼時に投入するＳｉ及びＭｎの純分の投入量がＳｉ及びＭｎの全投入量の８５％以上９５％以下の範囲となるように合金Ｍを投入する。
例えば、出鋼の際に溶鋼に投入するＳｉ及びＭｎの合計の純分をβｋｇとしたとき、Ａ×０．８５≦α＋β≦Ａ×０．９５を満たすように、Ｓｉを含む合金Ｍを投入すると共に、Ｍｎを含む合金Ｍを投入する。
【００１４】
溶鋼を出鋼後、取鍋精錬装置３にて精錬を行う際に、残りのＳｉ及びＭｎを溶鋼に投入する。具体的には、電極式加熱装置１０で溶鋼を所定温度まで上げて、攪拌装置１１により取鍋２内の溶鋼を攪拌しながら、供給装置１２により溶鋼に合金Ｍを投入して溶鋼の成分調整を行う。
例えば、二次精錬時に投入する全てのＳｉ及びＭｎの純分をγｋｇとしたとき、γ＝Ａ−（α＋β）を満たすようにＳｉを含む合金Ｍを投入すると共に、Ｍｎを含む合金Ｍを投入する。なお、この高清浄度鋼の製造方法においては、溶鋼の炭素成分が０．４〜１．０％となるように転炉１での処理や取鍋精錬での処理を行う。
【実施例】
【００１５】
表１〜８は高清浄度鋼の製造方法をまとめたものであって、表１、２、５、７は各処理における溶銑又は溶鋼の各種成分を示し、表３、４、６は合金投入量を示し、表８は本発明の高清浄度鋼の製造方法を実施した実施例と、本発明の高清浄度鋼の製造方法を実施しなかった比較例とを示したもので、表９は各種条件と実施例及び比較例をまとめたものである。
脱炭処理前、即ち、吹錬前の溶銑の各種成分は表１の範囲に入るように脱りん処理及び脱けい処理を行った。また、脱炭処理後、即ち、吹錬停止後の溶鋼の各種成分は表２の範囲に入るように転炉１にて脱炭処理を行った。
【００１６】
【表１】
0005005476.tif 000002
【００１７】
【表２】
0005005476.tif 000003
【００１８】
転炉１での脱炭処理の際に投入した合金Ｍの投入量は、表３に示す範囲とした。
【００１９】
【表３】
0005005476.tif 000004
【００２０】
脱炭処理時でのＳｉの投入量と、Ｍｎの投入量との比率については、Ｓｉ＋Ｍｎ全投入量に対しＳｉ＝０〜５％、Ｍｎ＝５〜２１％とし、Ｓｉ＋Ｍｎ＝１０〜２６％の範囲とした。
【００２１】
【表４】
0005005476.tif 000005
【００２２】
転炉１から溶鋼を出鋼する際に溶鋼に添加した合金Ｍの投入量は表４に示す範囲とした。即ち、Ｓｉを含むＦｅＳｉ合金Ｍは、Ｓｉの純分が７６％、残りはＦｅ及び不純分（Ｃａ、Ｔｉなど）が含まれるものとした。Ｍｎを含むＦｅＭｎ合金Ｍは、Ｍｎ純分が７４．５％、残りはＦｅ及び不純分（Ｃ、Ｓなど）が含まれるものとした。なお、溶鋼を出鋼する際には、ＦｅＳｉ合金ＭやＦｅＭｎ合金Ｍの他に、Ｃｒが含まれるＦｅＣｒ合金Ｍを投入した。ＦｅＣｒ合金Ｍは、Ｃｒの純分が６９％、残りはＦｅ及び不純分が含まれるものとした。
【００２３】
出鋼時でのＳｉの投入量と、Ｍｎの投入量との比率については、Ｓｉ＋Ｍｎ全投入量に対しＳｉ＝４８〜７３％、Ｍｎ＝１０〜２４％とし、Ｓｉ＋Ｍｎ＝５８〜８２％の範囲とした。
【００２４】
【表５】
0005005476.tif 000006
【００２５】
【表６】
0005005476.tif 000007
【００２６】
【表７】
0005005476.tif 000008
【００２７】
二次精錬時（取鍋精錬時）の溶鋼の成分は表５の範囲に入るようにした。取鍋精錬の際には、溶鋼に添加した合金Ｍの投入量は表６に示す範囲とした。
二次精錬時でのＳｉの投入量と、Ｍｎの投入量との比率については、Ｓｉ＋Ｍｎ全投入量に対しＳｉ＝０〜７％、Ｍｎ＝０〜１５％とし、Ｓｉ＋Ｍｎ＝０〜２２％の範囲とした。
取鍋精錬時には脱酸処理は略完了しているが、溶鋼を目標とする温度とするためにアーク放電により溶鋼を加熱しながら成分調整を行った。その際、電磁攪拌等により溶鋼の攪拌を行った。合金投入による成分調整を行った後、溶鋼の攪拌を少なくとも１０分確保した。取鍋精錬後の溶鋼の成分は表７の範囲に入るようにした。
【００２８】
【表８】
0005005476.tif 000009
【００２９】
【表９】
0005005476.tif 000010
【００３０】
表８に示すように、実施例や比較例においては、転炉１の脱炭処理時に溶銑に投入する合金量、出鋼時に溶鋼に投入する合金量、二次精錬時に溶鋼に投入する合金量をそれぞれ変化させた。表９に示すように、各種条件を満たしているものを「○」、条件を満たしていないものを「×」とした。
図２は実施例及び比較例において、全投入量に対して、転炉１の脱炭処理時に溶銑に投入した合金量、出鋼時に溶鋼に投入する合金量、二次精錬時に溶鋼に投入する合金量の割合をそれぞれ示したものである。
【００３１】
上述した実施例及び比較例においては、二次精錬終了後、連続鋳造機で溶鋼を鋳造して圧延機を介してφ８ｍｍの線材を製造した。この線材からサンプル（５０ｇ）を採取して、サンプルを酸溶解にて溶解した後、サンプルに含まれる非金属介在物の大きさを測定した。実施例及び比較例において、非金属介在物の大きさが３０μｍ以下である場合には良好（表８、評価「○」）とし、３０μｍよりも大きい場合には不良（表８、評価「×」）とした。非金属介在物の評価としてその大きさが３０μｍで閾値としたのは、中村式回転曲げ疲労試験においての知見に基づくものである（出典：社団法人  日本ばね工業会  発刊の「ばね論文集  第３７号」内、「中村式回転曲げ疲労試験における荷重と応力とたわみの解析」、綾田  倫彦，高村  典利  著）。
【００３２】
即ち、図３に示すように、中村式回転曲げ疲労試験において、非金属介在物の大きさが３０μｍ以上になると飛躍的に線材の疲労寿命が上昇し、非金属介在物の大きさが３０μｍよりも大きくなると線材の疲労寿命が数百万回程度に低下する。
以上、本発明の高清浄度鋼の製造方法において、溶銑又は溶鋼に投入するＳｉ及びＭｎの純分の全投入量をＡとし、転炉１での脱炭処理時に投入するＳｉ及びＭｎの純分の合計投入量をα，とし、出鋼時に投入するＳｉ及びＭｎの純分の合計投入量をβとし、二次精錬時に投入するＳｉ及びＭｎの純分の合計投入量をγとすると、転炉１から二次精錬までの処理工程においては、式（１）〜式（３）を満たすことになる。
【００３３】
【数１】
0005005476.tif 000011
【００３４】
これによれば、非金属介在物の大きさを小さくして線材の疲労寿命を飛躍的に向上させることができる。
本発明の高清浄度鋼の製造方法は上記に示した実施形態に限定されない。上記の実施の形態では、二次精錬装置は取鍋精錬装置３で構成されているとしたが、これに限らず、二次精錬装置は、溶鋼を還流させることで当該溶鋼の脱ガスを行う還流式真空脱ガス装置であってもよいし、取鍋精錬装置３と還流式真空脱ガス装置との両方を有するものであってもよい。この場合、取鍋精錬装置３又は還流式真空脱ガス装置で精錬する際に残りのＳｉ及びＭｎを溶鋼に投入することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】高清浄度鋼の製造の工程を示した図である。
【図２】各処理においてＳｉ及びＭｎの純分投入の割合を示した図である。
【図３】中村式回転曲げ疲労試験において非金属介在物の大きさと線材の疲労寿命との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  転炉
２  取鍋
３  二次精錬装置
【図１】
0005005476.tif 000012
【図３】
0005005476.tif 000013
【図２】
0005005476.tif 000014