(57)【要約】【課題】高価な不活性ガスを使用することなく、安価な製造コストのもとに、高品質の鋳塊を得ることのできるエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法を提供する【解決手段】溶解用素材により構成された電極の溶解中に鋳型内を大気雰囲気から遮断するシールガスとしてドライエアを使用するとともに、電極の溶解開始から溶解終了までの間、鋳型内のスラグへＡｌを連続的に添加することを特徴とするエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法である。前記の鋳塊製造方法において、ドライエアとして、露点温度を−４０℃以下とした空気を１０〜７０Ｎｍ3／ｈの流量で供給するとともに、溶解速度をＭＲ（ｋｇ／ｈ）とし、Ａｌの添加速度をＷ（ｇ／ｈ）としたとき、Ａｌの添加速度が、２００≦Ｗ≦０．３７５×ＭＲ＋５１２．５  により表される関係を満足するように、Ａｌを添加することが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解用素材により構成された電極の溶解中に鋳型内を大気雰囲気から遮断するシールガスとしてドライエアを使用するとともに、電極の溶解開始から溶解終了までの間、鋳型内のスラグへＡｌを連続的に添加することを特徴とするエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法。
【請求項２】
前記のドライエアとして、露点温度を−４０℃以下とした空気を１０〜７０Ｎｍ3／ｈの流量で供給するとともに、溶解速度をＭＲ（ｋｇ／ｈ）とし、前記のＡｌの添加速度をＷ（ｇ／ｈ）としたとき、Ａｌの添加速度が下記（１）式で表される関係を満足するように、Ａｌを添加することを特徴とする請求項１に記載のエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法。
２００≦Ｗ≦０．３７５×ＭＲ＋５１２．５  ・・・（１）
【請求項３】
直径が２０００ｍｍ以下であり、質量が１００トン（ｔ）以下の鋳塊を製造することを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法に関し、特に、エレクトロスラグ溶解法おけるガスシール方法を改善し、安価な製造コストのもとに、高品質の鋼塊を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロスラグ溶解法（以下、「ＥＳＲ法」とも記す）は、再溶解凝固法の一種であり、大気中または不活性ガス雰囲気下で、溶融スラグの抵抗発熱（ジュール発熱）により、再溶解用の金属により構成された消耗電極を溶解し、水冷鋳型内に連続的に滴下させて積層凝固させる方法である。この溶解方法によれば、表面肌が平滑で成分偏析などの少ない高品質の鋳塊を得ることができる。
【０００３】
このＥＳＲ法においては、溶融金属による大気中湿分の吸収や酸素の混入による介在物の生成の防止が重要であり、そのためには、水素（Ｈ）および酸素（Ｏ）の混入を抑制できるガスシール対策を講じることが不可欠である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、溶解原材料の溶解時にモールド内に不活性ガスであるＡｒガスを注入してスラグ表面を大気から遮蔽するに際して、Ａｒガスを溶解原材料の周りを旋回させながら上昇させるエレクトロスラグ溶解方法が開示されている。そして、同文献では、この方法により、モールド内への大気の侵入が阻止され、スラグの表面が大気から良好に遮断された結果、鋼塊の水素吸収量を大幅に低減することができたとしている。
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１に開示された方法をはじめとして、従来技術の多くは、シールガスとしてＡｒガスのような高価な不活性ガスを使用しており、これが製造コストを上昇させる大きな要因となっていた。上述したように、エレクトロスラグ溶解法により、安価な製造コストのもとに、高品質の鋳塊を製造するためには、なお解決されねばならないガスシール上の問題が残されていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２３８３０号公報（特許請求の範囲、段落［００１４］、図１〜図５など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、高価な不活性ガスを使用することなく、鋳塊への水素および酸素の侵入を防止し、安価な製造コストのもとに、高品質の鋳塊を得ることのできるエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、高価な不活性ガスを使用することなく、鋳塊への水素および酸素の侵入を防止し、高品質の鋳塊を安価に製造することのできるエレクトロスラグ溶解法について検討を重ね、下記の（ａ）および（ｂ）の知見を得て本発明を完成させた。
【０００９】
（ａ）電極の溶解中に鋳型内を大気雰囲気から遮断するシールガスとして、ドライエアを使用するとともに、エアによる溶融金属の酸化を防止するために、鋳型内のスラグへＡｌを脱酸剤として連続的に添加することにより、金属鋳塊内への水素（Ｈ）および酸素（Ｏ）の侵入を抑制することができる。ここで、「ドライエア」とは、露点温度を−１０℃以下に低下させた乾燥空気を意味する。
【００１０】
（ｂ）前記（ａ）のドライエアとしては、露点温度が−４０℃以下の空気を使用し、これを１０〜７０Ｎｍ3／ｈの流量で供給することが好ましい。また、溶融金属によるＡｌピックアップ量を許容範囲内とするためには、前記の添加Ａｌの供給速度を２００ｇ／ｈ以上かつ（０．３７５×ＭＲ＋５１２．５）ｇ／ｈ以下の範囲とすることが好ましい。ここで、ＭＲは溶解速度（ｋｇ／ｈ）を意味する。
【００１１】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示すエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法にある。
【００１２】
（１）溶解用素材により構成された電極の溶解中に鋳型内を大気雰囲気から遮断するシールガスとしてドライエアを使用するとともに、電極の溶解開始から溶解終了までの間、鋳型内のスラグへＡｌを連続的に添加することを特徴とするエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法。
【００１３】
（２）前記のドライエアとして、露点温度を−４０℃以下とした空気を１０〜７０Ｎｍ3／ｈの流量で供給するとともに、溶解速度をＭＲ（ｋｇ／ｈ）とし、前記のＡｌの添加速度をＷ（ｇ／ｈ）としたとき、Ａｌの添加速度が下記（１）式で表される関係を満足するように、Ａｌを添加することを特徴とする前記（１）に記載のエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法。
【００１４】
２００≦Ｗ≦０．３７５×ＭＲ＋５１２．５  ・・・（１）
（３）直径が２０００ｍｍ以下であり、質量が１００トン（ｔ）以下の鋳塊を製造することを特徴とする前記（１）または（２）に記載のエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のエレクトロスラグ溶解法を用いた鋳塊の製造方法によれば、鋳型内を大気雰囲気から遮蔽するシールガスとしてドライエアを使用し、かつ、鋳型内の溶融スラグへＡｌを脱酸剤として添加するので、高価な不活性ガスを使用することなく、鋳塊中への水素および酸素の侵入を防止し、安価な製造コストのもとに、高品質の鋳塊を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
１．発明の基本構成
本発明は、電極の溶解中に鋳型内を大気雰囲気から遮蔽するシールガスとしてドライエアを使用し、かつ、鋳型内のスラグへＡｌを連続的に添加するエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法である。なお、以下の説明では、対象金属として主として鋼を用いた場合を例にとり記述する。
【００１７】
図１は、本発明のエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法を実施するために用いる移動鋳型タイプの装置構成の一例を模式的に示す図である。
【００１８】
溶解用素材である所定の種類の金属により構成された消耗電極１をスタブ２の下部に設置し、冷却水５により冷却された水冷定盤６とスタブ２との間に、電源装置１３から電気配線を通して通電する。水冷鋳型４内の溶融スラグ３の抵抗発熱（ジュール発熱）により消耗電極１が溶解し、溶解した金属の液滴は、溶融スラグ３内を降下する過程で非金属介在物などが分離除去されて精錬され、水冷鋳型４内の下部において、清浄な溶融金属からなるメタルプール７を形成する。このようにして形成されたメタルプール７は、順次下部から、積層的に凝固して品質の改善された金属鋳塊８となる。このとき、金属鋳塊８の形成の進行に応じて水冷鋳型４を上部に移動させながら、上記の消耗電極１を連続的に再溶解し、積層凝固させることにより、金属鋳塊の形成量を増加させてゆく。
【００１９】
上記の溶解用素材金属の溶解中は、水冷鋳型４内を大気雰囲気から遮断するため、水冷鋳型４の上部をシールカバー１２により遮蔽するとともに、シールガス配管１０を通して、水冷鋳型４内にシールガス１０としてドライエアを供給する。また、消耗電極１の溶解開始から溶解終了までにわたり、水冷鋳型４内の溶融スラグ３へ、Ａｌ添加孔１１よりＡｌを連続的に添加する。
【００２０】
２．ガスシール方法の改善
エレクトロスラグ溶解法（ＥＳＲ法）では、水分を含有しない精錬環境において溶解凝固させることが好ましい。その理由は、水分を含有する精錬環境で溶解が行われると、得られた鋳塊の酸化や、水分に由来する水素の鋳塊中への侵入などが起こり、その結果、不純物含有量の増加や、水素に起因する欠陥が発生し、清浄で欠陥のない金属鋳塊を製造することが難しくなるからである。このため、ＥＳＲ法は不活性ガス雰囲気下で行われることが多い。
【００２１】
しかし、不活性ガス雰囲気とするために使用されるアルゴンガス（Ａｒガス）は、空気中における含有量が少ない上に、液体空気を分留後、水素との反応により酸素を除去して精製することにより製造されることから、ガスの価格が非常に高い。そこで、Ａｒガスの使用を必要としないＥＳＲ法におけるガスシール方法を検討した。
【００２２】
シール用に使用するガスの種類としては、空気を使用するのが最も安価である。しかし、この空気を使用するにあたっては、下記の３つの問題が存在する。
【００２３】
第一の問題は、水素（Ｈ）に起因する欠陥を発生する可能性が高いことである。すなわち、空気は水分を含有しており、この水分に由来する水素が鋳塊中に侵入し、水素に起因するヘアクラックなどの欠陥を発生させる可能性がある。第二の問題は、非金属介在物の分離機能を損なう可能性のあることである。すなわち、空気中の主成分である酸素（Ｏ）が、鋼などの溶融金属中の活性元素であるＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどと反応して、酸化物を生成し、鋳塊中に残留すると、これが非金属介在物となるため、ＥＳＲ法が本来有する非金属介在物の分離機能を損なう可能性がある。そして、第三の問題は、空気中の主成分である窒素（Ｎ）が鋼中に侵入することである。
【００２４】
ここで、第一の問題については、前記のとおり、シールガスとしてドライエアを使用し、鋳塊中への水素の侵入を防止することにより解決を図った。本発明において、ドライエアとはその露点温度を−１０℃以下に低下させた乾燥空気をいう。このドライエアを用いることにより、ＥＳＲにおける雰囲気ガス中の水素分圧を低減し、溶解過程にある溶融金属の水素吸収を防止することができた。
【００２５】
３．スラグへのＡｌの添加など
第二の問題である酸素の侵入については、鋳塊および溶融メタルプールを被覆しているＥＳＲスラグ中にＡｌを連続的に添加することにより解決を図った。すなわち、エアからスラグ中に侵入した酸素と添加Ａｌとをスラグ内において反応させ、Ａｌ2Ｏ3を生成させて、これをスラグ中に捕捉させることにより、溶鋼などの溶融金属中への酸素の侵入を防止することができた。ここで、上記スラグ自身が、ドライエアと溶鋼との接触を抑制するシール効果を有する可能性もあるが、酸素は鋼中の合金元素との酸化物を生成し、鋼中欠陥の原因となることが明らかであることから、スラグ中へのＡｌの連続的な添加による脱酸処理は不可欠である。
【００２６】
第三の問題である窒素の侵入については、ドライエアの供給量を好ましい上限値以下に制限することにより、鋼質に殆ど影響を与えない程度の侵入量に抑制することができた。すなわち、ドライエアの供給量を７０Ｎｍ3／ｈ以下に制限すれば、鋼中における窒素含有率の上昇量は３０ｐｐｍ程度以内に抑制され、鋼質に殆ど影響を与えなくなるので、好ましい。これは、ＥＳＲ法による溶解自体が溶融スラグ中で行なわれるため、溶融スラグが溶融金属とドライエアとの接触を抑制するシール材としての効果を発揮していることによる。
【００２７】
４．構成要件の規定理由および好ましい範囲
本発明において、シールガスとしてドライエアを使用し、スラグ中へＡｌを連続的に添加する理由については、すでに述べたとおりである。以下では、ドライエアの使用条件およびスラグへのＡｌの添加条件についてさらに説明する。
【００２８】
４−１．ドライエアの露点温度およびその供給量
鋳型内を大気雰囲気からシールするために供給するドライエアとしては、露点温度を−４０℃以下に低下させた乾燥空気を使用するのが好ましい。露点温度が−４０℃を超えて高いと、ドライエア中に含有される湿分量が多くなり、ＥＳＲ法におけるシールガスとして使用した場合に、鋳型内雰囲気ガス中の水素分圧が高くなって、溶解過程にある溶融金属の水素吸収を抑制することが難しくなるからである。
【００２９】
ドライエアの供給量は、１０〜７０Ｎｍ3／ｈの範囲とすることが好ましい。その供給量が１０Ｎｍ3／ｈ未満では、ＥＳＲ法におけるガスシールの効果が得られにくく、一方、７０Ｎｍ3／ｈを超えて多くなると、鋼中への窒素の侵入量が増加し、鋼中の窒素ピップアップ量が３０ｐｐｍを超えて多くなるからである。
【００３０】
４−２．スラグへのＡｌの添加速度および鋳塊のサイズ
ドライエアによる溶融金属の酸化を防止するために鋳型内のスラグに脱酸剤として添加するＡｌの添加速度は、素材金属の溶解速度により影響される可能性がある。そこで、Ａｌの好ましい添加速度について調査試験を行った。
【００３１】
図２は、鋳塊のＡｌピックアップ量に及ぼす溶解速度とＡｌ添加速度との関係を示す図である。この試験は、直径が６００ｍｍのＳ４５Ｃ鋼からなる鋳塊を電極として溶解し、直径が８５０ｍｍの水冷鋳型を用いて再凝固させて、１５ｔの鋳塊としたものである。その際、シールガスとして露点温度が−４０℃以下のドライエアを４０Ｎｍ3／ｈの流量で流した。
【００３２】
同図の結果から、下記のことが判明した。すなわち、鋳塊のＡｌピックアップ量が正の値、つまり、少なくともＡｌによる脱酸効果を得るためには、溶解速度によらず、Ａｌ添加速度を２００ｋｇ／ｈ以上とすることが好ましい。
【００３３】
一方、鋳塊のＡｌピックアップ量が０．０５質量％を超えて高くならないようにするには、Ａｌ添加速度：Ｗ（ｇ／ｈ）は、溶解速度：ＭＲ（ｋｇ／ｈ）に応じて変化させるのが好ましく、下記（１Ａ）式で表される関係を満足する範囲とすることが望ましい。
【００３４】
Ｗ≦０．３７５×ＭＲ＋５１２．５  ・・・（１Ａ）
したがって、上記の結果から、Ａｌの添加速度は、前記（１）式により表される範囲内に調整することが好ましいことが明らかとなった。
【００３５】
製造する鋳塊のサイズは、直径が２０００ｍｍ以下とし、かつ鋳塊の質量が１００ｔ以下とすることが好ましい。鋳塊の直径が２０００ｍｍを超えて大きくなると、シール構造が複雑となり、外気の侵入を抑制するのが難しくなるので好ましくないからである。また、鋳塊の質量が１００ｔを超えて増大すると、鋳塊の表面積が増加することに起因してスケールが生成し、持ち込まれる酸素量のバラツキが増大することから、Ａｌの添加速度を適正に制御することが難しくなり好ましくない。
【実施例】
【００３６】
１．試験方法  
本発明のＥＳＲ法による鋳塊の製造方法の効果を確認するため、以下に示す試験を行い、その結果を評価した。
【００３７】
前記の図１に示されたＥＳＲ装置を用いて、直径が５００ｍｍで鋼成分組成が表１に示されるＳ４５Ｃの鋳塊を電極として溶解し、直径が７００ｍｍのＥＳＲ鋳型を使用して再凝固させて、８ｔの鋳塊を製造した。
【００３８】
【表１】
2009078273.tif 000003
【００３９】
溶解速度を７００ｋｇ／ｈとし、シールガスとして、Ａｒガス、露点温度が１０℃の通常の空気、および露点温度が−４０℃のドライエアをそれぞれ用いた溶解試験を行い、シール性、製造された鋳塊の品質、ならびにシールおよびＡｌ添加の合計コストの比較を行った。
【００４０】
そして、試験結果の評価は、ＥＳＲ前後における鋳塊中の酸素、窒素およびＡｌの各成分のピックアップ量、ならびに鋳塊の超音波探傷試験（ＵＳＴ）により行った。
【００４１】
各成分のピックアップ量は、ＥＳＲ終了後における各成分の含有率からＥＳＲ開始前における各成分含有率を減じた値により求めた。また、ＵＳＴについては、ＥＳＲにより得られた鋳塊を直径３００ｍｍの鋼塊に鍛造した後、外削を行い、これを試料として、ＪＩＳ  ５８７に規定された方法に準拠して、探傷試験を行い、その結果により評価した。
【００４２】
特に、水素については、ＥＳＲ前後における成分分析値による評価が難しいため、水素含有率が高い場合に発生する水素性欠陥（白点）をＵＳＴにより検出することにより評価した。また、酸素についても、溶鋼中に侵入して非金属介在物を形成した場合には、ＵＳＴにより評価できることから、ＵＳＴにより水素および酸素の侵入を同時に評価した。
【００４３】
２．鋳塊の製造試験効果
表２に、試験条件および試験結果を示した。
【００４４】
【表２】
2009078273.tif 000004
【００４５】
同表において、ＥＳＲ前後の成分濃度差は、各成分についての、(ＥＳＲ終了後の濃度（ｐｐｍ）−ＥＳＲ開始前の濃度（ｐｐｍ）)を表す。また、コストは、試験番号１におけるコストを基準（１．０）として相対値により表した。
【００４６】
試験番号１〜４は、前記請求項１で規定する本発明の条件を満たさない比較例についての試験であり、試験番号５〜９は、本発明で規定する条件を満足する本発明についての試験である。
【００４７】
試験番号１では、シールガスとしてＡｒガスを使用しているので、ＵＳＴ欠陥のない高品質の鋳塊が得られているが、シールガスとして使用するＡｒのコストが高いことから、コストは最も高くなっている。試験番号２は、シールガスとして通常のエアを用い、かつスラグにＡｌを添加しなかったので、ＵＳＴ欠陥として、水素（Ｈ）性欠陥である白点および酸素（Ｏ）性欠陥である非金属介在物が検出された。
【００４８】
また、試験番号３は、スラグにＡｌを添加したものの、シールガスとして通常のエアを用いたので、水素性欠陥である白点が検出された。そして、試験番号４では、シールガスとして、露点温度が−４０℃のドライエアを使用したものの、スラグにＡｌを添加しなかったことから、酸素性欠陥である非金属介在物が検出された。
【００４９】
これらの比較例に対して、本発明例である試験番号５〜９では、いずれも、ＵＳＴ欠陥が検出されない高品質の鋳塊が得られ、しかも、そのコストは、シールガスとしてＡｒガスを使用した試験番号１の場合の１／１３〜１／１７であり、極めて経済性に優れていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のＥＳＲ法を用いた鋳塊の製造方法によれば、鋳型内を大気雰囲気から遮蔽するシールガスとしてドライエアを使用するとともに、鋳型内の溶融スラグへ適正量のＡｌを脱酸剤として添加するので、高価な不活性ガスを使用することなく、鋳塊への水素および酸素の侵入を防止し、安価な製造コストのもとに、高品質の鋳塊を製造するこができる。したがって、本発明の方法は、高級で清浄な金属鋳塊を低コストで製造できる再溶解凝固法として、広範に活用できる実用的価値の高い鋳塊の製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のエレクトロスラグ溶解法による鋳塊の製造方法を実施するために用いる装置構成の一例を模式的に示す図である。
【図２】鋳塊のＡｌピックアップ量に及ぼす溶解速度とＡｌ添加速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：消耗電極（溶解用素材金属）、  ２：スタブ、  ３：溶融スラグ、  ４：水冷鋳型、５：冷却水、  ６：水冷定盤、  ７：メタルプール、  ８：金属鋳塊（鋼塊）、  
９：シールガス配管、  １０：シールガス、  １１：Ａｌ添加孔、  １２：シールカバー、１３：電源装置、  １４：電気配線
【図１】
2009078273.tif 000005
【図２】
2009078273.tif 000006