(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱ガス処理前または真空度１ｔｏｒｒ以上である脱ガス処理初期における溶鋼中の硫黄含有量を質量比で３０〜７０ｐｐｍとして溶鋼を脱ガス処理する溶製方法において、鋼中の介在物の予測最大介在物径ｒを（１）式に基づき溶鋼の脱ガス時間ｔの変化に関して溶鋼中の硫黄含有量の−１／２乗に比例させて制御することを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法。
【数１】
0003742013.tif 000003
ただし、ｄｒ／ｄｔ：最大介在物径変化量、Ｓ：溶鋼中の硫黄含有量、脱ガス時間ｔ：
３０〜５０分とする。
【請求項２】
請求項１に記載の高清浄度鋼の溶製方法において、鋼中の非金属介在物の予測最大介在物径ｒを５０μｍ以下とすることを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高清浄度鋼の溶製方法において、１４０ｍｍ角以上の大断面をもつ鋳片を鋳造することにより鋼中の非金属介在物ｒの最大径を４０μｍ以下とすることを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高清浄度鋼の製造に関し、特に転炉、電気炉による溶製あるいは取鍋精錬における溶鋼中の硫黄含有量を調整し、脱ガス処理を行い、大断面をもつ鋳片を鋳造する高清浄度鋼の溶製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ころ、ベアリング、ハブなどに使用されるＳＵＪ鋼、ＳＣＭ鋼などの軸受鋼その他の疲労寿命特性に優れた鋼材に見られる非金属介在物（以下、単に「介在物」という。）は、アルミナ単体あるいはマグネシア−アルミナスピネルのような高融点のものと鋼の凝固点より比較的低位な複合系の介在物がある。このような介在物は鋼の機械的性質、例えばねじり疲労、回転曲げ疲労などに悪影響を及ぼす。
【０００３】
ところで、このような介在物の鋼中における量はその鋼中のトータル酸素量と比例的な関係があり、トータル酸素量が少なければ少ないほど介在物は少なくなり、かつ介在物の径も小さくなり、鋼の機械的性質も改善される。
【０００４】
このような介在物を低減して小径化する手段として、溶鋼の溶製時の脱ガス時間を長くして介在物の浮上分離を促す手段［文献：ＩＳＩＪ  ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ，Ｖｏｌ．３６（１９９６），Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，ｐｐ．ｓ８９−ｓ９２］がある。凝固過程において、このような介在物の浮上分離にはある大きさ以上の径が必要であり、かつ、径が大きければ大きいほどその浮力により分離し易くなる。従って、このような介在物の生成挙動において、より短時間に溶鋼中で介在物を複合して合体させることは、介在物の除去に好影響を及ぼす。
【０００５】
最近の研究では、溶鋼中の酸素、介在物（酸化物系介在物）の種類によってその界面張力が異なり、介在物の凝集する速度が異なることが分かってきた。ただし、その中ではＳの影響については触れられていない［ふぇらむ：Ｖｏｌ．６（２００１）Ｎｏ７：ＩＳＩＪ  Ｉｎｔ．３７（１９９７），９３６］。
【０００６】
また、鋳片について、鋳片外側は、速やかに冷却されるため介在物の凝集は少なく介在物径は比較的小さい。一方、鋳片中心部は、比較的ゆるやかに冷却されるため介在物が凝集しやすいが、十分に浮上しないうちに凝固してしまい、鋳片中心部の介在物は径が大きく清浄度は外側に比べ悪くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、溶鋼の溶製時に、より短時間に溶鋼中で機械的性質に悪影響を及ぼす介在物を複合合体させて浮上分離することにより、溶鋼の清浄化を図る方法を提供することであり、特に清浄度の高い鋼の溶製方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
出願人の種々の実験の中で、発明者らは、酸素と同様に表面活性元素であるＳは介在物を速やかに凝集して比較的浮上しやすい球形にする性質を有することを見いだした。すなわち、Ｓは非常に界面活性な元素であり、ある範囲の下では非常に短時間に介在物を凝集せしめる。精錬工程において、特に真空脱ガス時に、溶鋼中の介在物は還流による相互衝突により次第に大きな介在物となり、溶鋼中より浮上してスラグ中に取り込まれる。脱ガスの処理時間が同一であれば、溶鋼中の硫黄含有量がより高い方が、介在物が凝集浮上しやすくなり、その結果製品鋼材の介在物の径が比較的小さくなる。また、溶製後鋳造の凝固過程においても最終的に中心部に集まった介在物も同様に凝集して大きな介在物となって浮上する。さらに、比較的緩やかに冷却される連続鋳造における鋳片の中心部分に介在物は凝集しやすいが、この鋳片の中心部分についても同様の効果を生じさせ、その結果、鋳片全体にわたり最大介在物径の小さな清浄度鋼を得ることができる。
【０００９】
しかし、浮上のために十分な時間がないと、介在物は溶鋼中にトラップされる。このときＳが存在し、比較的硫黄含有量が高ければ高いほど介在物は比較的短時間に凝集し浮上して最終的に介在物の少ない鋼を得ることができる。浮上分離の観点からいえば、Ｓは３０ｐｐｍ以上溶鋼中に存在することが望ましく、一方、Ｓの含有量がある範囲を超えると、ＭｎＳの介在物が鋼の機械強度に悪影響を与えるので、機械強度、曲げ疲労特性からはＳは７０ｐｐｍ以下溶鋼中に存在することが望ましい。さらにＲＨ脱ガスにおける予測最大介在物径はＳの−１／２乗に比例し、次の（１）式により示される。
【００１０】
【数２】
ｄｒ／ｄｔ∝Ｓ-1/2・・・・・（１）
ただし、ｄｒ／ｄｔ：最大介在物径変化量、Ｓ：溶鋼中の硫黄含有量、脱ガス時間ｔ：３０〜５０分とする。
【００１１】
さらに、鋳片中心部の冷却を十分ゆるやかにし、鋳片中心部の介在物を同様の効果により凝集浮上させ小径化させるには、１４０ｍｍ角以上の大断面をもつ鋳片であることが望ましい。
【００１２】
発明者らは以上のことを見出し、本発明を得た。すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、脱ガス処理前または真空度１ｔｏｒｒ以上である脱ガス処理初期における溶鋼中の硫黄含有量を質量比で３０〜７０ｐｐｍとして溶鋼を脱ガス処理する溶製方法において、鋼中の介在物の予測最大介在物径ｒを（１）式に基づき溶鋼の脱ガス時間ｔの変化に関して溶鋼中の硫黄含有量の−１／２乗に比例させて制御することを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法ある。
【００１３】
【数３】
ｄｒ／ｄｔ∝Ｓ-1/2・・・・・（１）
ただし、ｄｒ／ｄｔ：最大介在物径変化量、Ｓ：溶鋼中の硫黄含有量、脱ガス時間ｔ：３０〜５０分とする。
【００１４】
請求項２の発明では、請求項１の手段の高清浄度鋼の溶製方法において、鋼中の非金属介在物の予測最大介在物径ｒを５０μｍ以下とすることを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法。
【００１５】
請求項３の発明では、請求項１または２の手段の高清浄度鋼の溶製方法において、１４０ｍｍ角以上の大断面をもつ鋳片を鋳造することにより鋼中の非金属介在物ｒの最大径を４０μｍ以下とすることを特徴とする高清浄度鋼の溶製方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明する。電気炉にて溶製したＪＩＳ  ＳＵＪ鋼あるいはＳＣＭ鋼における溶鋼を取鍋に受鋼した後、取鍋精錬に続いてＲＨ真空脱ガス処理するものであるが、上記の電気炉による溶製あるいはそれに続く取鍋精錬において、溶鋼中の硫黄含有量を質量比で７０ｐｐｍ以下に脱硫精錬した後にＲＨ真空脱ガス処理をする。あるいはＲＨ真空脱ガス処理する溶鋼の硫黄含有量が７０ｐｐｍより高い場合には、ＲＨ真空脱ガス処理における真空度１ｔｏｒｒ以上である脱ガス処理初期の溶鋼中の硫黄含有量を７０ｐｐｍ以下となるように脱硫処理した後、脱ガス処理を引き続き行う。上記の脱硫処理の方法は特に問うものでない。
【００１７】
ところで、上記の脱硫処理において、硫黄含有量が３０ｐｐｍ未満となるようであれば、速やかに精錬工程中あるいはＲＨ真空脱ガス処理初期においてＳを添加して加硫し、ＲＨ真空脱ガス処理の溶鋼の硫黄含有量を３０〜７０ｐｐｍに調整した後、ＲＨ真空脱ガス処理する。上記において添加するＳの形態は、ＭｅｔＳ、ＦｅＳあるいは他の硫化物で、その形態は問わない。このＲＨ真空脱ガス処理の際、鋼中の介在物の予測最大介在物径ｒを（１）式に基づき溶鋼の脱ガス時間ｔの変化に関して溶鋼中の硫黄含有量の−１／２乗に比例させて制御して、脱ガス処理することにより、鋼中の非金属介在物の予測最大介在物径を５０μｍ以下とする。
【００１８】
図１に最大介在物径ｒと脱ガス処理時間ｔとの関係を示し、この関係から鋼中の介在物の最大介在物径ｒは、溶鋼の脱ガス時間ｔの変化に関して溶鋼中の硫黄含有量の−１／２乗に比例することがわかり、（１）式が得られる。そして、図１から最大介在物径が５０μｍ以下とする鋼中の硫黄含有量が高ければ高いほど介在物は比較的短時間に凝集し浮上して最終的に介在物の少ない鋼を得ることができることが分かる。すなわち、５０分以内の短時間で最大介在物径が５０μｍ以下となるように浮上分離するためには、硫黄含有量は３０ｐｐｍ以上溶鋼中に存在することが望ましいことが分かる。
【００１９】
さらに、図２に鋳片中心部の最大介在物径ｒと鋳片断面サイズとの関係を示す。図２から鋳片の中心部分が比較的ゆるやかに冷却されるようにし、鋳片中心部分についても介在物の凝集浮上効果を生じさせ、鋳片全体にわたり最大介在物径４０μｍ以下となるようにするためには、１４０ｍｍ角以上の大断面をもつ鋳片を鋳造することが望ましいことが分かる。
【００２０】
【実施例】
次いで、ＳＣＭ４３５鋼について、電気炉にて１５０トン出鋼した後、取鍋精錬（表１において、「ＬＦ」と表記する。）を行い、取鍋精錬に続き、さらにＲＨ脱ガス処理して清浄度鋼を溶製した実施例１〜５および比較例１〜３を表１により示す。この表１に示す各実施例および比較例における鋼はＳＣＭ４３５鋼であり、鋼中に含有される基本成分は、全て質量％で、Ｃ：０．３５％、Ｓｉ：０．２０％、Ｍｎ：０．８０％、Ｍｏ：０．１５％であり、残部Ｆｅと不可避不純物からＳＣＭ４３５鋼はなっている。
【００２１】
【表１】
0003742013.tif 000002
【００２２】
なお、表１において、ＬＦ塩基度（Ｃ／Ｓ）はＣａＯ／ＳｉＯ2で定義するものであり、脱ガス処理１０分での硫黄含有量は真空度０．１ｔｏｒｒの脱ガス処理初期におけるサンプルの硫黄含有量を示し、最大介在物径はＲＨ脱ガス処理終了時の真空にて採取したサンプルを顕微鏡により測定した介在物径を示す。
【００２３】
実施例１〜５はいずれも脱ガス処理初期における硫黄含有量が３０〜７０ｐｐｍにあり、得られた鋼の最大介在物径はいずれも５０μｍ以下である。これに対し比較例１〜３は脱ガス処理初期における硫黄含有量がいずれも３０ｐｐｍ未満であり、溶鋼中の硫黄含有量が低いので十分に介在物が凝集して浮上することができなかったので、得られた鋼の最大介在物径は５０μｍを超えている。
【００２４】
次に実施例１および実施例２の溶鋼を実験用に用意した深さが２０００ｍｍで、それぞれ断面の異なる鋳型により鋳造した鋳片を顕微鏡により測定した鋳片中心部の最大介在物径ｒを図２に示す。実施例１および実施例２の鋳片はいずれも断面１４０ｍｍ角以上で、鋳片中心部の最大介在物径ｒは４０μｍ以下である。これに対し断面１４０ｍｍ角未満の鋳片では、鋳片中心部の冷却が速やかで十分に介在物が凝集して浮上することができなかったので、得られた鋳片の中心部の最大介在物径ｒは４０μｍを超えている。他の実施例についても同様の結果を得た。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本願発明は、溶鋼の真空脱ガス処理において、脱ガス処理前あるいは真空度１ｔｏｒｒ以上である脱ガス処理初期における溶鋼中の硫黄含有量を質量比で３０〜７０ｐｐｍとして溶鋼を脱ガス処理することにより、比較的短時間で溶鋼中の機械的性質に悪影響を及ぼす介在物を複合合体させ凝集浮上させることができ、特に（１）式に基づき、脱ガス処理時間を溶鋼中の硫黄含有量の−１／２乗に比例させて制御することにより、容易に最大介在物径が５０μｍ以下の清浄度鋼を得ることができる。さらに、１４０ｍｍ角以上の大断面をもつ鋳片を鋳造することにより、鋳片の中心部分が比較的ゆるやかに冷却されるようにし、鋳片中心部分についても同様の効果を生じさせ、鋳片全体にわたり最大介在物径４０μｍ以下の清浄度鋼を得ることができるなど、特に高清浄度が要求される軸受などに使用する優れた疲労寿命特性を有する鋼の溶製において、従来にない優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  最大介在物径ｒと脱ガス処理時間ｔとの関係を示すグラフである。
【図２】  鋳片中心部の最大介在物径ｒと鋳片断面サイズとの関係を示すグラフである。
【図１】
0003742013.tif 000004
【図２】
0003742013.tif 000005