JP2006152368A - 低炭素高マンガン鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比べてはるかに安価に且つ効率良く低炭素高マンガン鋼を溶製することのできる方法を提供する。
【解決手段】 転炉を用いて大気圧下で溶銑に脱炭精錬を施し、次いで前記脱炭精錬によって得られた溶鋼を真空脱ガス設備を用いて減圧下で真空脱炭精錬して炭素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が１．０質量％以上の低炭素高マンガン鋼を溶製するに際し、転炉では、脱燐処理の施された溶銑を使用すると共にマンガン鉱石を使用して、マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、当該脱炭精錬終了後はアルミニウムによる溶鋼の脱酸処理を施さないまま溶鋼を真空脱ガス設備に搬送し、真空脱ガス設備では、大気圧よりも低い雰囲気下において溶鋼表面に向けて酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて、溶鋼の炭素濃度が０．０５質量％以下になるまで脱炭処理を施す。
【選択図】 なし

Description

本発明は、低炭素高マンガン鋼の溶製方法に関し、詳しくは転炉による一次精錬と真空脱ガス設備などによる二次精錬とを組み合せ、高品質の低炭素高マンガン鋼を効率良く且つ安価に溶製する方法に関するものである。

近年、鉄鋼材料は、その用途の多様化に伴い、より苛酷な環境下で使用されることが多くなり、材料特性の高性能化が従来にも増して求められている。このような状況下、構造物の軽量化を目的として、高い引張強さと高い加工性とを両立させた低炭素高マンガン鋼が開発され、ラインパイプ用厚鋼板や自動車用薄鋼板などとして使用されるようになった。ここで、低炭素高マンガン鋼とは、炭素濃度が０．０５質量％以下で、マンガン濃度が１．０質量％以上の鋼のことである。また、用途上、硫黄濃度を０．００３質量％以下に規定した低炭素高マンガン鋼も存在する。

溶鋼中のマンガン量を調整するために用いられる安価なマンガン源としては、マンガン鉱石及び高炭素フェロマンガンが知られている。しかし、マンガン鉱石を使用した場合には、マンガン鉱石の還元を促進させる必要性から転炉脱炭精錬では十分に溶鋼中炭素濃度を低下させることができないことから、脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を高くせざるを得ず、また、高炭素フェロマンガンを使用した場合には、高炭素フェロマンガンに含有される炭素によって必然的に溶鋼中炭素濃度が上昇してしまうなどにより、これらの安価なマンガン源を使用した場合には、溶鋼中炭素濃度が低炭素高マンガン鋼の炭素濃度の上限値を超えてしまうため、転炉から出鋼後の溶鋼に対して脱炭処理を行なう必要が生ずる。

出鋼後の溶鋼を効率良く脱炭処理する方法としては、ＲＨ真空脱ガス装置などの真空脱ガス設備を用い、未脱酸状態の溶鋼を高真空下で処理して脱炭する方法、或いは、減圧下で酸素ガスなどの酸素源を溶鋼に添加して脱炭する方法（これらをまとめて「真空脱炭処理」という）が知られている。しかしながら、低炭素高マンガン鋼を真空脱炭処理した場合には、マンガンは蒸気圧が高く、蒸発・損失するばかりでなく、マンガンが多量に含有されているため、酸素は、溶鋼中の炭素と反応すると同時にマンガンとも反応してマンガンの酸化ロスが発生し、マンガンの歩留まりが悪化するのみならず、溶鋼中のマンガン濃度の制御が非常に困難となるという問題が発生する。従って、この問題を避けるために低炭素高マンガン鋼の溶製においては、従来、マンガン源を脱ガス処理の後半或いは終了直前に添加する方法が行なわれており、この場合、低炭素高マンガン鋼の炭素濃度の許容値が低く且つ許容範囲が狭いこともあって、炭素含有量の少ない電解マンガンなどのマンガン源を使用せざるを得ず、これらのマンガン源は非常に高価であるため、溶製コストの上昇を余儀無くされていた。

この問題点を解消すべく、特許文献１には、マンガン源として高炭素フェロマンガンを使用し、ＲＨ真空脱ガス装置では、真空槽内の圧力を５ｋPa（３８torr）以上４０ｋPa（３００torr）以下の比較的高い範囲に制御し、且つ酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを上吹きすることで、真空脱炭処理におけるマンガンの酸化ロスを抑えた溶製方法が提案されている。また、特許文献２には、真空脱炭処理前の溶鋼中炭素濃度を０．０６質量％以下とし、酸素ガスを上吹きして行なう真空脱炭処理中の溶鋼中酸素濃度を０．０２〜０．０４質量％の範囲に制御することで、マンガンの酸化ロス並びに蒸発ロスを抑えた溶製方法が提案されている。
特開平５−１９５０４６号公報 特開平９−１７００１３号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２には以下の問題点がある。即ち、特許文献１では、マンガン源として高炭素フェロマンガンを使用しており、高炭素フェロマンガンは合金鉄の中では安価ではあるものの、高炭素フェロマンガンの原料であるマンガン鉱石に比べると極めて高価であり、製造コストを更に低減する余地がある。特許文献２では、真空脱炭処理前の溶鋼中炭素濃度を０．０６質量％以下にする必要があり、これを満足するには、安価なマンガン源であるマンガン鉱石及び高炭素フェロマンガンを十分に活用することができず、製造コストを低減する余地が十分にある。

また、近年、硫黄濃度を０．００３質量％以下の極低硫レベルに規定された低炭素高マンガン鋼の要求されることがあるが、特許文献１及び特許文献２は、硫黄濃度の低い低炭素高マンガン鋼については何ら記載しておらず、いわんやその製造方法については何ら開示していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来の溶製方法に比べてはるかに安価に且つ効率良く低炭素高マンガン鋼を溶製することのできる方法を提供することであり、併せて、硫黄濃度が０．００３質量％以下に規定された硫黄濃度の低い低炭素高マンガン鋼を効率良くしかも安価に溶製することのできる方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、転炉を用いて大気圧下で溶銑に脱炭精錬を施し、次いで前記脱炭精錬によって得られた溶鋼を真空脱ガス設備を用いて減圧下で真空脱炭精錬して炭素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が１．０質量％以上の低炭素高マンガン鋼を溶製するに際し、転炉では、脱燐処理の施された溶銑を使用すると共にマンガン鉱石を使用して、マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、当該脱炭精錬終了後はアルミニウムによる溶鋼の脱酸処理を施さないまま溶鋼を真空脱ガス設備に搬送し、真空脱ガス設備では、大気圧よりも低い雰囲気下において溶鋼表面に向けて酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて、溶鋼の炭素濃度が０．０５質量％以下になるまで脱炭処理を施すことを特徴とするものである。

第２の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、転炉を用いて大気圧下で溶銑に脱炭精錬を施し、次いで前記脱炭精錬によって得られた溶鋼を真空脱ガス設備を用いて減圧下で真空脱炭精錬し、その後更に前記真空脱炭精錬によって得られた溶鋼を脱硫処理設備を用いて脱硫処理して炭素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が１．０質量％以上、硫黄濃度が０．００３質量％以下の低炭素高マンガン鋼を溶製するに際し、転炉では、脱燐処理の施された溶銑を使用すると共にマンガン鉱石を使用して、マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、当該脱炭精錬終了後はアルミニウムによる溶鋼の脱酸処理を施さないまま溶鋼を真空脱ガス設備に搬送し、真空脱ガス設備では、大気圧よりも低い雰囲気下において溶鋼表面に向けて酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて、溶鋼の炭素濃度が０．０５質量％以下になるまで脱炭処理を施し、脱硫処理設備では、転炉から取鍋への出鋼時または取鍋への出鋼直後に溶鋼上に予め添加したＣａＯ系の脱硫剤と溶鋼とを攪拌して脱硫処理を施すことを特徴とするものである。

第３の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第１または第２の発明において、転炉での脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を０．１質量％以上０．２質量％以下とすることを特徴とするものである。

第４の発明に係る低炭素高マンガン鋼の溶製方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記混合ガス中の酸素ガスの濃度を１０〜５０体積％とすることを特徴とするものである。

本発明によれば、マンガン源として安価なマンガン鉱石を使用し、また、真空脱炭処理では酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて脱炭するのでマンガンの酸化ロスが抑制され、低炭素高マンガン鋼を従来に比較して大幅に安い製造コストで溶製することができる。また、硫黄濃度が０．００３質量％以下の低いレベルに規定された低炭素高マンガン鋼を溶製する際には、脱硫剤として安価なＣａＯ系脱硫剤を使用し、この脱硫剤を転炉から取鍋への溶鋼の出鋼時または出鋼直後に溶鋼上に添加するので、ＣａＯ系脱硫剤は溶鋼の熱によって十分に加熱され、脱硫剤中の付着水分及び結晶水が除去され、脱硫処理後に脱ガス処理をしなくても、脱硫剤からの溶鋼中への水素のピックアップが防止され、高品質の低炭素高マンガン鋼を安価に溶製することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。

高炉から出銑された溶銑を溶銑鍋やトーピードカーなどの溶銑保持・搬送用容器で受銑し、次工程の脱炭精錬を行なう転炉に搬送する。通常、この搬送途中で、溶銑に対して脱硫処理及び脱燐処理などの溶銑予備処理が施されており、本発明においては、低炭素高マンガン鋼の成分規格上からは溶銑予備処理が必要でない場合でも、安価なマンガン源としてマンガン鉱石を転炉内に添加し、このマンガン鉱石を高い歩留まりで溶鋼中に還元させるために、脱硫処理及び脱燐処理の溶銑予備処理を実施する。これは、溶銑予備処理を施すことによって転炉精錬で必要とする媒溶剤を少なくすることができ、また、転炉内に装入する媒溶剤の量が少ないほどマンガン鉱石の還元が促進されるからである。転炉で使用する媒溶剤を最大限少なくするためには、溶銑の燐濃度を溶製する低炭素高マンガン鋼の成分規格よりも低くなるまで予備脱燐処理することが好ましい。溶銑の燐濃度を成分規格よりも低くなるまで下げるためには、脱燐処理の前に脱珪処理を行ない、効率的な脱燐反応を阻害する珪素を予め除去しておくことが好ましい。

このようにして得た溶銑を一次精錬炉である転炉に装入して大気圧下で脱炭精錬を行なう。この転炉脱炭精錬では、マンガン源としてマンガン鉱石を添加しながら必要に応じて少量の生石灰などを媒溶剤として用い、酸素ガスを上吹きまたは底吹きして溶銑の脱炭精錬を行なう。添加されたマンガン鉱石は送酸脱炭中に溶銑中の炭素によって還元され、還元されたマンガンは溶湯中に移行し、溶湯中のマンガン濃度が上昇する。転炉内に添加したマンガン鉱石のみでは、溶鋼のマンガン濃度が目的とする低炭素高マンガン鋼の成分規格範囲に不足する場合には、転炉から取鍋などの溶鋼保持容器への溶鋼の出鋼時に高炭素フェロマンガンを所定量添加し、溶鋼のマンガン濃度を上昇させる。この場合、安価マンガン源の使用によるコストメリットを十分に発揮させるために、出鋼後の溶鋼保持容器内の溶鋼中マンガン濃度は、少なくとも低炭素高マンガン鋼の成分規格値の９０％以上を確保することが好ましく、望ましくは、成分規格と同等或いは次工程の真空脱炭処理でロスする分を考慮して成分規格よりも高くすることが好ましい。尚、用いる転炉設備は特別な設備は必要とせず、慣用のものでよい。

マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、溶銑から溶鋼へと脱炭精錬された溶湯中の炭素濃度が所定濃度の範囲まで脱炭精錬されたなら、転炉内への酸素ガスの供給を停止して脱炭精錬を終了する。このときの所定炭素濃度は０．１〜０．２質量％の範囲であることが好ましい。転炉での大気圧下における脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度の好ましい範囲を０．１〜０．２質量％の範囲とする理由は以下の通りである。

即ち、溶鋼中炭素濃度を０．１質量％未満まで脱炭精錬した場合には、転炉内の酸素ポテンシャルが高くなり、マンガン鉱石の還元率が低下し、その分、マンガン鉱石に比べれば高価な高炭素フェロマンガンの使用量が増加し、製造コストが上昇してしまうからである。一方、溶鋼中炭素濃度が０．２質量％を超える範囲で転炉脱炭精錬を終了した場合には、次工程の真空脱炭精錬における脱炭量が多くなり、その分だけ脱炭処理時間が延長し、真空脱ガス装置の生産性が低下し、製造コストの上昇を招くからである。また、処理時間が延長することから、真空脱炭処理時間の延長による温度補償として出鋼時の溶鋼温度を高くする必要が生じ、これに起因する鉄歩留まりの低下や耐火物損耗量の増大などによって製造コストが上昇し、好ましくないからである。

前述したように、転炉内に添加したマンガン鉱石だけでは、溶鋼のマンガン濃度が目的とする低炭素高マンガン鋼の成分規格範囲に不足する場合には、転炉から溶鋼保持容器への出鋼時に高炭素フェロマンガンを添加して溶鋼のマンガン濃度を上昇させるが、高炭素フェロマンガンを添加することによっても溶鋼中の炭素濃度は上昇する。次工程の真空脱炭処理を効率的に行なうためには、前述したように、真空脱炭処理前の溶鋼中炭素濃度を０．２質量％以下とすることが好ましく、従って、出鋼時に添加する高炭素フェロマンガンによる炭素濃度の上昇分を考慮して、転炉脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を決めることが好ましい。例えば、出鋼時に添加する高炭素フェロマンガンによって０．０４質量％の炭素濃度の上昇が見込める場合には、転炉脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を０．１０〜０．１６質量％の範囲にすればよい。

ここで、溶製対象である低炭素高マンガン鋼の硫黄濃度の上限値が０．００３質量％以下である場合には、溶銑予備処理の脱硫処理だけでは溶鋼中硫黄濃度を安定して０．００３質量％以下とすることができないので、転炉から出鋼された溶鋼段階でも脱硫処理を実施する。従って、硫黄濃度の上限値が０．００３質量％以下である低炭素高マンガン鋼の溶製の場合には、転炉から出鋼後の溶鋼に脱炭処理と脱硫処理とを施す必要がある。それ以外の場合には、脱炭処理のみを実施する。

二次精錬炉として最も一般的なＲＨ真空脱ガス装置などの真空脱ガス設備では、脱炭処理と脱硫処理の双方を実施することは可能であるが、脱炭処理は酸化反応であり、一方、脱硫処理は還元反応であることから、双方を同時に行なうことはできず、それぞれ個別に行なうために、真空脱ガス設備における処理時間が延長する。低炭素高マンガン鋼は大量生産品種であり、溶製された溶鋼を鋳造する連続鋳造機では、連続鋳造機の生産性を高める観点から、複数のヒートを連続して鋳造する連続連続鋳造（「連々鋳」という）を行なうことが好ましい。しかしながら、真空脱ガス設備で真空脱炭処理と脱硫処理の双方を行なって低炭素高マンガン鋼を溶製した場合には、真空脱ガス設備における処理時間が長くなり過ぎ、連々鋳を実施する上で、リードタイムを長くする或いは２ヒートの連々鋳に限るなどの不都合が発生する。そこで本発明では、真空脱炭処理と脱硫処理とをそれぞれ別の二次精錬炉で実施することとした。即ち、真空脱炭処理を真空脱ガス設備で行ない、脱硫処理を脱硫処理設備で実施することとした。真空脱炭処理と脱硫処理とを別々に処理することで、各設備における処理時間がおおよそ均等になり、多数ヒートの連々鋳が可能になる。

転炉から出鋼された溶鋼において、真空脱炭処理と脱硫処理のどちらの処理を先に実施した方が効率的であるかを検討すると、脱炭処理は酸化反応であり、一方、脱硫処理は還元反応であり、また、転炉から出鋼された溶鋼は酸化された状態であることから、転炉から出鋼された溶鋼に脱酸処理を施さず、そのまま真空脱炭処理することが効率的であることが分かる。これに対して出鋼後に先ず脱硫処理する場合には、脱硫処理のために溶鋼をアルミニウムなどで脱酸処理しなければならず、一方、次工程となる真空脱炭処理では脱酸処理に使用したアルミニウムを完全に酸化除去しなければならず、脱酸用のアルミニウムが無駄になるからである。従って、本発明では、出鋼後の溶鋼に対して最初に真空脱炭処理を施すこととする。

ところで、溶鋼の脱硫処理方法としては、脱硫剤として金属マグネシウムを添加する方法、脱硫剤としてソーダ灰を添加する方法など多数の方法があるが、最も安価な方法は脱硫剤としてＣａＯを主成分とする安価なＣａＯ系脱硫剤を用い、この脱硫剤を溶鋼と攪拌する方法である。但し、この場合、効率的な脱硫反応を進行させるためにはＣａＯ系脱硫剤は他の脱硫剤に比較して添加量即ち原単位を多くする必要があることから、ＣａＯ系脱硫剤を使用して脱硫処理すると、ＣａＯ系脱硫剤の付着水分或いは結晶水などによって溶鋼中の水素濃度が上昇する恐れが発生する。脱硫処理後に真空脱ガス設備で再度精錬すれば何ら問題はないが、溶製工程が煩雑になり、連々鋳は不可能になる。

そこで、本発明では、硫黄濃度が０．００３質量％以下の低炭素高マンガン鋼を溶製する場合には、出鋼時または出鋼直後の溶鋼上にＣａＯ系の脱硫剤を添加することとする。添加されたＣａＯ系脱硫剤は溶鋼の熱によって加熱され、脱硫剤中の付着水分及び結晶水は除去される。ここで、ＣａＯを主成分とするＣａＯ系脱硫剤とは、ＣａＯを５０質量％以上含有するものであり、例えば、生石灰単独、或いは、生石灰に蛍石やアルミナなどの融点降下剤を添加した脱硫剤である。尚、ＣａＯ系脱硫剤の添加と同時に、スラグの酸素ポテンシャルを下げて溶鋼の清浄性を高めるためのスラグ改質剤をスラグ上に添加することが好ましい。スラグ改質剤の添加によってスラグの酸素ポテンシャルが低下することで、還元反応である脱硫反応も促進される。スラグ改質剤としては、金属アルミニウム、或いは、アルミニウムスクラップを溶解再生するときに発生するアルミドロス（金属Ａｌを３０〜５０質量％程度含有する）が適当である。脱硫剤を添加しないで溶製する場合、即ち、溶銑の脱硫処理のみで対処可能な低炭素高マンガン鋼を溶製する際も、スラグ改質剤を添加することが好ましい。

また、出鋼時、溶鋼にアルミニウム、チタン、カルシウム、ジルコニウムなどの強脱酸剤を添加せず未脱酸のまま転炉から溶鋼保持容器に溶鋼を出鋼する。出鋼後、溶鋼を収容した溶鋼保持容器を未脱酸のまま次工程であるＲＨ真空脱ガス装置、ＤＨ真空脱ガス装置、ＶＯＤ炉などの真空脱ガス装置に搬送する。

ＲＨ真空脱ガス装置、ＤＨ真空脱ガス装置、ＶＯＤ炉などの真空脱ガス設備では搬送された溶鋼に対して大気圧よりも減圧した雰囲気下で真空脱炭精錬を実施する。真空脱ガス設備の代表的な設備はＲＨ真空脱ガス装置であり、以下、真空脱ガス設備としてＲＨ真空脱ガス装置を用いて精錬する例で説明する。

図１に、本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の１例を示す。図１はＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図であり、図１において、１はＲＨ真空脱ガス装置、２は溶鋼保持容器としての取鍋、３は溶鋼、４はＣａＯ系の脱硫剤が添加されたスラグ、５は真空槽、６は上部槽、７は下部槽、８は上昇側浸漬管、９は下降側浸漬管、１０は環流用ガス吹き込み管、１１はダクト、１２は原料投入口、１３は上吹きランスであり、真空槽５は上部槽６と下部槽７とから構成され、また、上吹きランス１３は上下移動が可能となっており、この上吹きランス１３からは酸素ガスとＡｒガスなどの不活性ガスとの混合ガスが真空槽５の内部の溶鋼３の湯面に吹き付けられるようになっている。

ＲＨ真空脱ガス装置１では、搬送された取鍋２を昇降装置（図示せず）にて上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２に収容された溶鋼３に浸漬させる。そして、環流用ガス吹き込み管１０から上昇側浸漬管８に環流用Ａｒガスを吹き込むと共に、真空槽５の内部をダクト１１に連結される排気装置（図示せず）にて排気して真空槽５の内部を減圧する。真空槽５が減圧されると、取鍋２に収容された溶鋼３は、環流用ガス吹き込み管１０から吹き込まれるＡｒガスと共に上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５の内部に流入し、その後、下降側浸漬管９を経由して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。

溶鋼３の環流が形成され、溶鋼３に対してＲＨ真空脱ガス精錬が施されると、溶鋼３は未脱酸状態であるので、真空槽５の内部では溶鋼３に含有される炭素と酸素との反応が生じ、炭素はＣＯガスとなって排ガスと共に真空槽５からダクト１１を介して排出され、溶鋼３は真空脱炭処理される。更に、上吹きランス１３から酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスが吹き込まれ、溶鋼３の脱炭反応が促進される。

上吹きランス１３から酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き込む理由は、真空槽５の雰囲気ガスのＣＯガス分圧を下げ、溶鋼３に含有されるマンガンの酸化を抑制しながら炭素の酸化を促進させるためであるが、マンガンの酸化を更に抑制して脱炭反応を行なうために、上吹きランス１３から吹き付ける酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス中の酸素ガスの濃度を１０〜５０体積％に調整することが好ましく、また更に、混合ガス中の酸素ガスの濃度を１０〜５０体積％に調整した上で真空脱炭処理の前半に比較して真空脱炭処理の後半で酸素ガス濃度を低くすることが好ましい。脱炭反応が進行して溶鋼３に含有される炭素濃度が低下すると、酸素ガスの供給量に対して炭素の供給が追いつかなくなり、溶鋼中の炭素の物質移動律速領域となってマンガンの酸化が起こるが、溶鋼３の炭素濃度の減少に応じて酸素ガスの濃度を減じることで、マンガンの酸化を抑制することができる。炭素の物質移動律速となる炭素濃度領域は、溶鋼３の炭素濃度が０．０４質量％以下の範囲であるので、特に、溶鋼中炭素濃度が０．０４質量％以下の範囲で、酸素ガスの濃度を低下させることが好ましい。

このようにして真空脱炭処理を施しつつ、溶鋼３の炭素濃度が、目的とする低炭素高マンガン鋼の成分規格値になるまで真空脱炭処理を継続し、溶鋼３の炭素濃度が成分規格値になったなら、上吹きランス１３からの酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスの吹き込みを停止すると共に原料投入口１２から溶鋼３にＡｌなどの強脱酸剤を添加して溶鋼３を脱酸処理する。Ａｌなどの強脱酸剤の添加により溶鋼３の酸素濃度は急激に低下し、真空脱炭処理が終了する。

真空脱炭処理の終了後も更に数分間程度の環流を継続し、必要に応じてＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃａ、Ｂなどの成分調整剤を原料投入口１２から溶鋼３に投入して溶鋼３の成分を調整した後、真空槽５を大気圧に戻してＲＨ真空脱ガス精錬を終了する。硫黄濃度の規格が０．００３質量％を超える低炭素高マンガンの溶製の場合には、このＲＨ真空脱ガス装置１による精錬で溶製工程は終了し、次の連続鋳造機などの鋳造工程に溶鋼３を搬送する。一方、硫黄濃度の規格が０．００３質量％以下の低炭素高マンガンの溶製の場合には、このＲＨ真空脱ガス装置１による精錬の後に脱硫処理する必要があるので、溶鋼３に対して脱硫処理を実施するための脱硫処理設備へ溶鋼３を搬送する。

図２に、本発明を実施する際に脱硫処理設備として用いた取鍋精錬装置の１例を示す。図２は取鍋精錬装置の概略縦断面図であり、図２において、２１は取鍋精錬装置、２２は昇降式の蓋、２３はインジェクションランス、２４は通電用の電極、２５は蓋２２と取鍋２とで形成する空間に不活性ガスを供給するためのガス導入管である。図２において図１と同一のものには同一の符号を付している。この取鍋精錬装置２１においては、インジェクション２３から不活性ガスの他に不活性ガスを搬送用ガスとして粉体のフラックス及び金属を溶鋼中に吹き込むことができるようになっており、また、蓋２２を貫通して合金鉄及び造滓剤を添加するための投入シュートが蓋２２を貫通して設置されているが、図２ではこれらを省略している。

取鍋精錬装置２１では、台車（図示せず）に積載されて搬送された取鍋２を台車に積載したまま所定の位置に固定し、上方から蓋２２を取鍋２の上部に載せ、蓋２２と取鍋２とで密閉された空間を形成する。この空間にガス導入管２５を介してＡｒガスなどの不活性ガスを吹き込み、前記空間を不活性ガス雰囲気に維持しながら、インジェクションランス２３から不活性ガスを吹き込んで溶鋼３とスラグ４とを攪拌する。スラグ４には、ＣａＯ系脱硫剤が出鋼時或いは出鋼直後に予め添加してあるので、溶鋼３はこのＣａＯ系の脱硫剤によって脱硫処理される。溶鋼３の硫黄濃度が０．００３質量％以下の所定の値になったなら、インジェクションランス２３からの不活性ガス吹き込みを停止して、脱硫処理を終了する。溶鋼３の温度が所望する温度よりも低い場合、溶鋼３の成分濃度が所望する範囲にない場合には、電極２４による溶鋼３の加熱及び合金鉄の投入を実施して、硫黄濃度が０．００３質量％以下の低炭素高マンガン鋼の溶製を終了し、次の連続鋳造機などの鋳造工程に溶鋼３を搬送する。

このように、本発明では、マンガン源として安価なマンガン鉱石を使用すると共に、真空脱炭処理では酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて脱炭するのでマンガンの酸化ロスが抑制され、低炭素高マンガン鋼を従来に比較して大幅に安い製造コストで溶製することができる。また、硫黄濃度が０．００３質量％以下の低いレベルに規定された低炭素高マンガン鋼を溶製する際には、脱硫剤として安価なＣａＯ系脱硫剤を使用し、この脱硫剤を転炉から取鍋２への溶鋼３の出鋼時または出鋼直後に溶鋼上に添加するので、ＣａＯ系脱硫剤は溶鋼３の熱によって十分に加熱され、脱硫剤中の付着水分及び結晶水が除去され、脱硫処理後に脱ガス処理をしなくても、脱硫剤からの溶鋼中への水素のピックアップを防止することができ、高品質の硫黄濃度の低い低炭素高マンガン鋼を溶製することができる。ここで、低炭素高マンガン鋼とは、炭素濃度が０．０５質量％以下で、マンガン濃度が１．０質量％以上の鋼のことであるが、本発明は特に多量のマンガン源を必要とするマンガン濃度が１．５質量％以上の低炭素高マンガン鋼の溶製の際に、コスト削減の効果を発揮する。

尚、上記説明では、真空脱ガス装置としてＲＨ真空脱ガス装置１の例で説明したが、上吹きランス１３を有する真空脱ガス装置であるならば、ＤＨ真空脱ガス装置やＶＯＤ炉などの他の真空脱ガス装置においても、上記に準じて本発明を実施することができる。また、溶鋼３の脱硫処理設備としては、上記の取鍋精錬装置２１に限るものではなく、脱硫剤と溶鋼とを不活性雰囲気下で攪拌できる装置であるならば、どのような設備であってもよい。

高炉から出銑された溶銑に対して脱硫処理、脱珪処理、脱燐処理の溶銑予備処理を施し、この溶銑（Ｐ：０．００４質量％、Ｓ：０．００３質量％）を用いて転炉脱炭精錬、ＲＨ真空脱ガス精錬、及び、取鍋精錬装置による脱硫処理を施し、炭素濃度：０．０１５〜０．０２５質量％、マンガン濃度：１．５０〜１．６０質量％、硫黄濃度：０．００３質量％以下の低炭素高マンガン鋼を溶製した。

転炉ではマンガン源としてマンガン鉱石を添加してマンガン濃度を上昇させた。転炉脱炭精錬終了時の溶鋼中マンガン濃度はおよそ１．２５質量％であり、転炉から取鍋への出鋼時に高炭素フェロマンガン（Ｍｎ：８０質量％、Ｃ：７質量％）を添加して溶鋼中マンガン濃度を約１．７０質量％に調整した。溶鋼中の炭素濃度は、転炉脱炭精錬終了時が０．１３質量％、高炭素フェロマンガン添加後は約０．１８質量％であった。また、転炉から取鍋への出鋼時、ＣａＯ系の脱硫剤として生石灰を溶鋼トン当たり約８ｋｇ添加すると共に、スラグ改質剤として金属アルミニウムを溶鋼トン当たり約０．８ｋｇ添加した。

このようにして得られた２５０トンの溶鋼を未脱酸のまま図１に示すＲＨ真空脱ガス装置に搬送し、真空脱炭処理を実施した。ＲＨ真空脱ガス装置では、環流用Ａｒガス流量を２５００Ｎｌ／ｍｉｎ、真空槽の到達真空度を４０torr（５．３ｋPa）、上吹きランスからの酸素ガス供給量を１５００Ｎｍ³ ／ｈ、上吹きランスからの酸素ガスに混合する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、このＡｒガス流量を１５００Ｎｍ³ ／ｈとして真空脱炭処理を行なった。真空脱炭処理後の溶鋼成分は、炭素濃度が約０．０１８質量％、マンガン濃度が約１．５５質量％であった。その結果、新たにマンガン源を添加しなくてもマンガン濃度は目標範囲内になった。この溶鋼にアルミニウムを添加して脱酸し、脱酸後数分間環流してＲＨ真空脱ガス精錬を終了した。ＲＨ真空脱ガス装置における処理時間はおよそ４０分であった。

この溶鋼を図２に示す取鍋精錬装置に搬送して脱硫処理を施した。脱硫処理は、インジェクションランスから約１５００Ｎｌ／ｍｉｎのＡｒガスを吹き込み、予め取鍋内に添加しておいた生石灰と溶鋼とを攪拌して実施した。脱硫処理後の溶鋼中硫黄濃度は０．００１質量％以下であり、また、取鍋精錬装置における処理時間は約３０分間であった。取鍋精錬装置での脱硫処理終了後、溶鋼をスラブ連続鋳造機に搬送して鋳造した。

このようにして硫黄濃度の規格が０．００３質量％以下である低炭素高マンガン鋼を溶製することで、溶製工程では、マンガン源に費やすコストを大幅に低減することが可能となると同時に、連続鋳造機では、６ヒートの連々鋳で鋳造することができ、連続鋳造機の生産性を損なうことがなかった。

本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面図である。 本発明を実施する際に用いた取鍋精錬装置の概略縦断面図である。

符号の説明

１ ＲＨ真空脱ガス装置
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ スラグ
５ 真空槽
６ 上部槽
７ 下部槽
８ 上昇側浸漬管
９ 下降側浸漬管
１０ 環流用ガス吹き込み管
１１ ダクト
１２ 原料投入口
１３ 上吹きランス
２１ 取鍋精錬装置
２２ 蓋
２３ インジェクションランス
２４ 電極
２５ ガス導入管

Claims (4)

1. 転炉を用いて大気圧下で溶銑に脱炭精錬を施し、次いで前記脱炭精錬によって得られた溶鋼を真空脱ガス設備を用いて減圧下で真空脱炭精錬して炭素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が１．０質量％以上の低炭素高マンガン鋼を溶製するに際し、転炉では、脱燐処理の施された溶銑を使用すると共にマンガン鉱石を使用して、マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、当該脱炭精錬終了後はアルミニウムによる溶鋼の脱酸処理を施さないまま溶鋼を真空脱ガス設備に搬送し、真空脱ガス設備では、大気圧よりも低い雰囲気下において溶鋼表面に向けて酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて、溶鋼の炭素濃度が０．０５質量％以下になるまで脱炭処理を施すことを特徴とする、低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
2. 転炉を用いて大気圧下で溶銑に脱炭精錬を施し、次いで前記脱炭精錬によって得られた溶鋼を真空脱ガス設備を用いて減圧下で真空脱炭精錬し、その後更に前記真空脱炭精錬によって得られた溶鋼を脱硫処理設備を用いて脱硫処理して炭素濃度が０．０５質量％以下、マンガン濃度が１．０質量％以上、硫黄濃度が０．００３質量％以下の低炭素高マンガン鋼を溶製するに際し、転炉では、脱燐処理の施された溶銑を使用すると共にマンガン鉱石を使用して、マンガン鉱石を還元しながら溶銑の脱炭精錬を行ない、当該脱炭精錬終了後はアルミニウムによる溶鋼の脱酸処理を施さないまま溶鋼を真空脱ガス設備に搬送し、真空脱ガス設備では、大気圧よりも低い雰囲気下において溶鋼表面に向けて酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹き付けて、溶鋼の炭素濃度が０．０５質量％以下になるまで脱炭処理を施し、脱硫処理設備では、転炉から取鍋への出鋼時または取鍋への出鋼直後に溶鋼上に予め添加したＣａＯ系の脱硫剤と溶鋼とを攪拌して脱硫処理を施すことを特徴とする、低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
3. 転炉での脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を０．１質量％以上０．２質量％以下とすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。
4. 前記混合ガス中の酸素ガスの濃度を１０〜５０体積％とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の低炭素高マンガン鋼の溶製方法。

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