(57)【要約】【課題】エレクトロスラグ再溶解中に、インゴットの清浄化に影響を与えることなく効率よく脱窒素を行うことを可能にする。【解決手段】エレクトロスラグ再溶解法によってインゴット３を溶製する際に、非酸化性雰囲気下で脱酸材６ａとともに硫黄化合物７ａを添加して脱窒素を行う。界面活性元素である硫黄を積極的に利用でき脱窒素が促進され、電極から溶融離脱したドロップレットがメタルプール中に落下する間やメタルプールでの溶融金属とスラグとの短い反応時間でも、優れた脱窒素効果が得られるとともに、脱窒素に寄与した硫黄はスラグに捕捉されてメタルプールに移行することはなくインゴットの清浄度を損なわない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトロスラグ再溶解法によってインゴットを溶製する際に、非酸化性雰囲気下で脱酸材とともに硫黄化合物を添加して脱窒素を行うことを特徴とするエレクトロスラグ再溶解法。
【請求項２】
前記脱酸材が、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｙ、ＲＥＭの一又は二以上の成分で構成されるものであることを特徴とする請求項１記載のエレクトロスラグ再溶解法。
【請求項３】
前記硫黄酸化物が、Ｆｅ−Ｓ、Ｍｏ−Ｓ、Ｎｉ−Ｓの一種または二種以上からなることを特徴とする請求項１または２記載のエレクトロスラグ再溶解法。
【請求項４】
前記非酸化性雰囲気は、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気からなるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエレクトロスラグ再溶解法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定材料を電極にして再溶解させ材料の清浄化を図るエレクトロスラグ再溶解法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にＳ、Ｏ、Ｎなどの元素は金属材料の耐食性、特に応力腐食割れ感受性を悪化させることが知られている。またＢを添加した合金においてＮはＢと結合してＢＮとなり、これが機械的性質を悪化させるため、Ｎ量はできるだけ低い方が望ましいと言われている。ＥＳＲ（エレクトロスラグ再溶解）プロセスは使用するスラグの塩基度が高いために脱硫能に優れ、またＯも酸素ポテンシャルが低いスラグで溶解することによって低位に抑えることができ、かつ酸化物系非金属介在物も被溶解金属を液滴（ドロップレット）としてスラグ中を通過させることでスラグに効率よく吸収させることによって、その大半を除去できるといった優れた特徴を有する。このため、高清浄度が要求される高級工具鋼やＮｉ基超合金の製造にＥＳＲ法が広く使われている。しかしながら、従来、ＥＳＲ中に脱窒素を行うことはほとんど不可能であるとされており、そのためＥＳＲ電極製造をする際に取鍋精錬時に真空脱ガス法を行ったり、真空鋳造法によって真空下で脱ガスを行ったり、また真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）によって減圧下で溶解を行うなどして低窒素の電極を作る方法が一般的に用いられている。またこのようなプロセスを採用しても電極中の窒素量が高い場合にはＥＳＲで製造したインゴットを電極として真空アーク溶解炉で再溶解することによって脱ガスを実施しているのが現状である。
【０００３】
一方、脱窒素をＥＳＲ中で実施する方法として、Ｍｅｔａｌ  ｂｅａｒｉｎｇ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｒｅｆｉｎｉｎｇ  （ＭＳＲ）と呼ばれる方法が、特許文献１、非特許文献１、２などで報告されている。このＭＳＲ法は、一般にＥＳＲで使用されているＣａＯ−ＣａＦ２系スラグの代わりにＣａ−ＣａＦ２スラグを使用することでＥＳＲ中の脱窒素を可能とするものである。
しかしＭＳＲ法ではスラグ中のＣａをピックアップしてインゴット中のＣａ含有量が高くなるという問題がある。ＭＳＲで製造されたインゴット中のＣａ含有量はＣａＦ２融体中のＣａ濃度、鋼中のＮｉ、Ｓｉ濃度に依存するとされ、たとえば１８Ｃｒ−１３Ｎｉ鋼の場合にはインゴット中のＣａ濃度は０．０１〜０．０２％になる（非特許文献３参照）。また、Ｃａ−ＣａＦ２スラグは電気伝導度が高いために電力原単位が悪く、通常のＥＳＲに比べて製造コストが高くなる。
【特許文献１】特開昭５１−５９００２号公報
【非特許文献１】Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ＩＳＩＪ  ｖｏｌ．１６（１９７６）、ｐｐ．６２３−６２７
【非特許文献２】製鉄研究２８９号（１９７６）、ｐｐ．８５−９０
【非特許文献３】日本金属学会会報第１５巻第６号、１９７６、ｐｐ．３８７−３９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来のＥＳＲ法では、通常は、スラグのナイトライドキャパシティが小さいためにスラグによる脱窒素は認められず、また溶融金属表面がスラグで覆われているため、雰囲気を減圧しても真空アーク溶解法のような溶解中の脱窒素は不可能とされている。唯一ＥＳＲ中での脱窒素が報告されているＭＳＲ法ではインゴット中のＣａ含有量の増加や操業時の電力原単位の悪化という問題がある。  
【０００５】
この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、インゴット中への影響が殆どない状態でエレクトロスラグ再溶解中に脱窒素を行うことを可能にすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明のエレクトロスラグ再溶解法のうち、第１の本発明は、エレクトロスラグ再溶解法によってインゴットを溶製する際に、非酸化性雰囲気下で脱酸材とともに硫黄化合物を添加して脱窒素を行うことを特徴とする。
【０００７】
第２の本発明のエレクトロスラグ再溶解法は、前記第１の本発明において、前記脱酸材が、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｙ、ＲＥＭの一又は二以上の成分で構成されるものであることを特徴とする。
【０００８】
第３の本発明のエレクトロスラグ再溶解法は、前記第１または第２の本発明において、前記硫黄酸化物が、Ｆｅ−Ｓ、Ｍｏ−Ｓ、Ｎｉ−Ｓの一種または二種以上からなることを特徴とする。
【０００９】
第４の本発明のエレクトロスラグ再溶解法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記非酸化性雰囲気は、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気からなるものであることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明のエレクトロスラグ再溶解法によれば、雰囲気を非酸化性雰囲気にして脱酸剤による脱酸を行うことで、添加される脱酸材が雰囲気によって酸化されることを防ぐ。雰囲気下での残存酸素量は、０．１体積％以下であることが望ましい。
上記雰囲気は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気や真空雰囲気により得ることができる。不活性ガスとしては、脱窒素の妨げとなるので、窒素は除外する。
その際には、溶解中のモールドに蓋を設けてモールド内の雰囲気を維持することができ、スラグ脱酸元素を溶解中に添加して、さらに硫黄化合物を添加することができる。
【００１１】
スラグ脱酸元素はスラグの酸素ポテンシャルを低く維持し、溶融金属の酸素を低く抑える効果がある。またスラグ中に金属元素の形で入り込むことによって脱窒素を可能にする。硫黄化合物は、界面活性元素である硫黄を溶融金属とスラグに付与することで、脱窒素を促進する効果がある。これらを組み合わせることでエレクトロスラグ再溶解中での脱窒素を速やかに行うことができる。
【００１２】
なお、本発明のエレクトロスラグ再溶解法に用いるスラグとしては既知のものを用いることができる。Ｃａ−ＣａＦ２スラグは、前記したようにインゴットへのＣａの取り込みや操業時の電力原単位の悪化を招くため好ましくないが、高度に脱窒素を果たしたいなどの事情がある場合もあるため、本発明としては、Ｃａ−ＣａＦ２スラグの使用が除外されるものではない。
【００１３】
なお、本発明で用いる脱酸材としては、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｙ、ＲＥＭの一又は二以上の成分で構成されるものを例示することができる。本発明としては、脱酸材の種別が特定のものに限定をされるものではなく、脱酸作用を有する既知の材料などを適宜使用することができる。なお、脱酸材の量は、特に限定をされるものではなく、通常の量を用いるものであればよい。
【００１４】
また、上記脱酸材とともに用いられる硫黄化合物は硫黄の供給源となるものであればよく、適宜材料を使用することができ、例えばＦｅ−Ｓ、Ｍｏ−Ｓ、Ｎｉ−Ｓの一種または二種以上からなるものを用いることができる。硫黄化合物中の硫黄は、上記のようにエレクトロスラグ再溶解中に、溶湯の窒素をスラグに移行させる作用を果たし、溶湯中の窒素含有量を効果的に低減する。脱窒素に作用する硫黄は、ＥＳＲ鋳塊に取り込まれることなく、脱酸材の作用によって効果的にスラグに移行し、ＥＳＲ鋳塊の清浄度を損なうことはない。
【００１５】
硫黄化合物を構成する、その他の元素としては、ＥＳＲ鋳塊の主成分となる元素（鋼材に対するＦｅ、Ｎｉ基合金に対するＮｉなど）は鋳塊への悪影響を考慮することなく使用することができる。また、その他の成分は、ＥＳＲ中への移行が許容される場合にも硫黄化合物の構成元素として採択することができる。また、意図的にＥＳＲ鋳塊に取り込むことを目的として硫黄化合物の硫黄以外の構成元素を選定することも可能である。
なお、硫黄化合物の量は、特定の範囲に限定をされるものではないが、例えば、インゴット質量に対し、０．０１〜１．０質量％の範囲とすることができる。
【００１６】
本発明のエレクトロスラグ再溶解法は、脱窒素を効果的に行うことを目的としており、高清浄度が要求される高級工具鋼やＮｉ基超合金に好適である。ただし本発明としては、再溶解を行う材料が特定のものに限定をされるものではなく、種々の材料を対象にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、この発明によればエレクトロスラグ再溶解法によってインゴットを溶製する際に、非酸化性雰囲気下で脱酸材とともに硫黄化合物を添加して脱窒素を行うので、界面活性元素である硫黄を積極的に利用でき脱窒素が促進され、電極から溶融離脱したドロップレットがメタルプール中に落下する間やメタルプールでの溶融金属とスラグとの短い反応時間でも、優れた脱窒素効果が得られるとともに、脱窒素に寄与した硫黄はスラグに捕捉されてメタルプールに移行することはなくインゴットの清浄度を損なわない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
所定の成分に調製した消耗電極１をエレクトロスラグ再溶解するための水冷モールド４が用意され、該水冷モールド４には、上記電極１の挿入部を除いて上部を覆うシール蓋８が備えられている。また、水冷モールド４には、モールド内を不活性ガス雰囲気に調整するための不活性ガス導入管５が接続され、さらに、水冷モールド４内に脱酸材６ａを投入するための脱酸材添加装置６と、硫黄化合物７ａを投入するための硫黄化合物添加装置７を備えている。
【００１９】
通常のエレクトロスラグ再溶解法では、水冷モールド４内においてスラグ２に流した電流が発するジュール熱によって消耗電極１を溶解し、水冷モールド４内に下からインゴット３を逐次凝固させる。
本発明では、この際にシール蓋８により大気が水冷モールド４内に入るのを防止しつつ、不活性ガス導入管５から水冷モールド４内に不活性ガスを導入してスラグ２表面を不活性ガス雰囲気として溶解を行う。その際に、脱酸材添加装置６からは脱酸材６ａ、硫黄化合物添加装置７から硫黄化合物７ａを同時に添加しながら上記溶解を行う。これによりスラグ２中で脱酸反応および脱窒素反応を起こし、低窒素のインゴット３が溶製される。
なお、上記では、脱酸材と硫黄化合物を同時の添加するものとして説明をしたが、本発明としては、これら材料の添加時期が特定されるものではなく、時期をずらして添加するものであってもよい。
【実施例１】
【００２０】
次に、本発明の実施例について、比較例と比較しつつ以下に説明する。
表１に示す成分（残部Ｆｅおよび不可避不純物）の質量８ｔｏｎのＦｅ−Ｎｉ合金インゴットを電極に選定し、このインゴットを消耗電極として径７５０ｍｍモールドを用いてＥＳＲを行った。なお、雰囲気は、アルゴン雰囲気とし、その際の残留酸素量は、＜１．０体積％であった。このときに脱酸材としてＣａを添加し、硫黄化合物としてＦｅ−Ｓを添加した。Ｃａの添加量はインゴット質量に対し１．０ｗｔ％、Ｆｅ−Ｓの添加量はインゴット質量に対し０．５ｗｔ％とした。溶製したインゴットは鍛造後、各部位（ボトム（Ｂ）〜トップ（Ｔ））から試料を採取して成分分析（残部Ｆｅおよび不可避不純物）を行い、表１に示した。
【００２１】
表１には、溶解前の電極中窒素量とインゴット中の窒素量が示されている。電極中に３４質量ｐｐｍ含有していた窒素は、本発明のエレクトロスラグ再溶解法により、１２〜２０質量ｐｐｍに低減された。またエレクトロスラグ再溶解中にＦｅ−Ｓを添加しているにもかかわらず、添加したＳは脱硫され、インゴット中にはほとんど残存していなかった。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
次に、上記と同様にして表２に示す成分（残部Ｆｅおよび不可避不純物）の質量８ｔｏｎのＦｅ−Ｎｉ合金インゴットを電極に選定し、Ｆｅ−Ｓを添加しない以外は、上記と同様にしてエレクトロスラグ再溶解を行った。溶製したインゴットは鍛造後、各部位（ボトム（Ｂ）〜トップ（Ｔ））から試料を採取して成分分析（残部Ｆｅおよび不可避不純物）を行い、表２に示した。
【００２４】
表２には、溶解前の電極中窒素量とインゴット中の窒素量が示されている。この例では、インゴット中の窒素量は、電極に比べて僅かに減少しているにすぎず、脱窒素効果は殆ど得られなかった。したがって、Ｆｅ−Ｓを添加しなければエレクトロスラグ再溶解法のみによってはＮは殆ど減少しないことがわかる。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明はこれら実施形態および実施例の内容に限定をされるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは当然に適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１図はこの発明の一実施形態によるＥＳＲ装置を示す断面側面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    消耗電極
２    スラグ
３    インゴット
４    水冷モールド
５    ガス導入口
６    脱酸材添加装置
６ａ  脱酸材
７    硫黄化合物添加装置
７ａ  硫黄化合物
８    シール蓋
【図１】
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