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技術 製鋼用Fe−La−Al合金および溶鋼へのLa添加方法

出願人 日新製鋼株式会社
発明者 飯田輝義山内隆長谷川守弘
出願日 1997年10月13日 (23年1ヶ月経過) 出願番号 1997-293165
公開日 1999年4月27日 (21年7ヶ月経過) 公開番号 1999-117015
状態 特許登録済
技術分野 連続鋳造 溶融状態での鋼の処理
主要キーワード 原料投入ホッパ 真空タンク内 小割り カットサンプル 耐高温酸化特性 Al鋼 落下投入 重研削
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年4月27日)のものです。
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課題

溶鋼へのLa添加を歩留り良く、かつ作業性良く実施できる手段を提供する。

解決手段

La:30〜70質量%,Al:5〜20質量%を含有し、必要に応じて残部Feおよび不可避的不純物からなる製鋼用Fe−La−Al合金をLa添加材として用いる。適当なサイズに小割りした上記Fe−La−Al合金塊を湯面上に落下投入することによって溶鋼にLaを添加する。適用鋼種として、特にCr:15〜26質量%,Al:2〜6質量%を含有するフェライト系ステンレス鋼が挙げられる。この場合、添加材投入時の溶鋼温度は1570〜1620℃とするのが望ましい。

概要

背景

Laは高Al含有フェライト系ステンレス鋼耐高温酸化性を向上させる元素として知られ、また鉄鋼精錬においては優れた脱酸脱硫能を発揮することから、溶鋼に添加して使用される機会が増えつつある。通常、溶鋼に希土類元素を添加する場合、Ce,La,Nd等を主成分とするミッシュメタルとして添加することが多いが、希土類元素のうち特にLaを選択的に添加する場合には、従来M−La(=メタルLa;純La)を添加していた。

概要

溶鋼へのLa添加を歩留り良く、かつ作業性良く実施できる手段を提供する。

La:30〜70質量%,Al:5〜20質量%を含有し、必要に応じて残部Feおよび不可避的不純物からなる製鋼用Fe−La−Al合金をLa添加材として用いる。適当なサイズに小割りした上記Fe−La−Al合金塊を湯面上に落下投入することによって溶鋼にLaを添加する。適用鋼種として、特にCr:15〜26質量%,Al:2〜6質量%を含有するフェライト系ステンレス鋼が挙げられる。この場合、添加材投入時の溶鋼温度は1570〜1620℃とするのが望ましい。

目的

そこで本発明は、溶鋼にLaを添加するに際し、特殊な設備を必要とせず、Laの歩留りが高くかつ安定し、添加材の準備や保存も容易となるLa添加技術を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

La:30〜70質量%,Al:5〜20質量%を含有する製鋼用Fe−La−Al合金

請求項2

La:30〜70質量%,Al:5〜20質量%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる製鋼用Fe−La−Al合金。

請求項3

溶鋼にLaを添加するに際し、La:30〜70質量%,Al:5〜20質量%を含有するFe−La−Al合金塊を湯面上に落下投入することを特徴とする歩留りの良いLa添加方法

請求項4

溶鋼にLaを添加するに際し、La:30〜70質量%,Al:5〜20質量%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるFe−La−Al合金塊を湯面上に落下投入することを特徴とする歩留りの良いLa添加方法。

請求項5

溶鋼は、Cr:15〜26質量%,Al:2〜6質量%を含有するフェライト系ステンレス鋼の溶鋼である、請求項3または4に記載の歩留りの良いLa添加方法。

請求項6

溶鋼温度が1570〜1620℃の範囲でFe−La−Al合金塊を湯面上に落下投入する、請求項5に記載のLa添加方法。

技術分野

特に本発明は、非常に優れた耐高温酸化特性を有しているにもかかわらず安定した製造が難しかった「La入り高Al含有フェライト系ステンレス鋼」の製造を容易にし、その普及に大きく寄与するものである。

背景技術

0001

本発明は、鉄鋼を溶製する際に合金添加材あるいは精錬添加材として用いるFe−La−Al合金、および、その合金を用いた溶鋼への歩留りの良いLa添加方法に関するものである。

発明が解決しようとする課題

0002

Laは高Al含有フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化性を向上させる元素として知られ、また鉄鋼精錬においては優れた脱酸脱硫能を発揮することから、溶鋼に添加して使用される機会が増えつつある。通常、溶鋼に希土類元素を添加する場合、Ce,La,Nd等を主成分とするミッシュメタルとして添加することが多いが、希土類元素のうち特にLaを選択的に添加する場合には、従来M−La(=メタルLa;純La)を添加していた。

0003

しかし、M−Laは極めて活性であり、しかも融点が918℃と溶鋼温度よりかなり低いこともあって、そのまま溶湯上から添加するとスラグ大気中の酸素と反応して急速に酸化される。このため、溶鋼への歩留りは低くなり、かつ安定しない。したがって、多量のM−Laの使用が避けらないうえに、Laの「成分外れ」も生じ易い。また、M−Laは保存も難しい。すなわち、大気中で表面が酸化するとともに湿分とも反応し、水素吸蔵するという問題がある。さらに、多量のM−La添加は、精錬容器取鍋のMgO耐火物から溶出したスラグ中のMgOの還元反応次式)を促し、鋼中のMg濃度を高める。
3(MgO)+2La → (La2O3)+3Mg
その結果、凝固時に過飽和になったMgは気泡を生成し、特にスラブ表層付近に生成した管状気泡は熱延時にヘゲ疵となって製品品質劣化させる。このためスラブ重研削を余儀なくされ、これが製品歩留りを著しく低下させる要因となっている。

0004

一方、希土類元素等の易酸化性元素を歩留り良く溶鋼中に添加する方法として、例えば特開平8−332551号公報に示されるように、易酸化性元素を鉄シース被覆したワイヤ竪型タンディシュ内に送給して添加する「ワイヤフィード法」や、易酸化性元素を含む粉粒状合金鉄不活性ガスキャリアで吹き込む「インジェクション法」がある。しかし、これらの方法は特別な設備を必要とし、また添加材の形態をワイヤ状あるいは粉粒状にしなくてはならないという欠点がある。

課題を解決するための手段

0005

そこで本発明は、溶鋼にLaを添加するに際し、特殊な設備を必要とせず、Laの歩留りが高くかつ安定し、添加材の準備や保存も容易となるLa添加技術を提供することを目的とする。

0006

上記目的は、La添加材として、30〜70質量%のLaと、5〜20質量%のAlを含有するFe−La−Al合金を用いることによって達成される。特に、種々の鋼種幅広く適用できる「汎用性」の高いLa添加材として、上記含有量範囲のLa,Alの残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成のFe−La−Al合金を提供する。

0007

また本発明では、溶鋼にLaを添加するに際し、上記Fe−La−Al合金の「合金塊」を湯面上に落下投入することを特徴とする歩留りの良いLa添加方法を提供する。ここで、合金塊は、鋼の成分調整を行うための量ができ、かつ落下投入するのに適したものであればよく、特にサイズ・形状・数を規定するものではない。その具体例としてはインゴットミルハンマー等で砕いたもの、あるいはインゴット自体などが挙げられる。

発明を実施するための最良の形態

0008

さらに、上記La添加方法が効果的に適用できる態様として、溶鋼を特に、15〜26質量%のCrと、2〜6質量%のAlを含有するフェライト系ステンレス鋼の溶鋼に規定した発明を提供する。この場合において、Fe−La−Al合金塊を投入する時の溶鋼温度は特に1570〜1620℃の範囲とすることができる。

0009

前述のようにLaは極めて活性度が高く、また融点も溶鋼温度よりかなり低い。ところが、LaはFeと合金化することによって融点が上昇し、しかもLaとFeは約1600℃付近の製鋼温度において均一融体を形成することが知られている。すると、Fe−La合金を添加材として使用すれば、M−Laよりも活性度を下げた状態でLaを溶鋼中に添加できるものと考えられ、効率の良いLa添加の実現が期待される。

0010

しかしながら、本発明者らがFe−La合金の使用を試みたところ、そのインゴットは容易に小割りすることができず、実作業においては極めて扱いにくいものであることが判った。つまり、Fe−La合金は比較的靭性に富んでおり、ミルやハンマー等で破砕して用いることができないのである。通常、製鋼工場で副原料を添加する場合、合金バンカー等から所定量を取り出して、コンベア等で精錬容器近くまで搬送し、ホッパ等の送給装置にて溶湯に投入する。その際、投入原料は小割りされていないと円滑に供給することができないばかりでなく、秤量も精度良くできない。また大きいままでは溶鋼中への溶解性も悪くなる。一方、Fe−La合金インゴット小球状に鋳造して用いる方法も考えられるが、Fe−La合金は真空タンク内で溶製されるため、小球状に鋳造することは設備的に困難である。このように、Fe−La合金はLa添加材として必ずしも適していないことが明らかになった。

0011

本発明者らは、Fe−La合金ではなく、Fe−La−Al合金を採用することによって、このような問題を解消するに至った。種々の試験の結果、特定組成のFe−La−Al合金は小割りが容易であること、そして、Laの活性度が低減され、溶鋼へ落下投入して用いるLa添加材として適していることが判明したのである。以下に、本発明を特定するための事項について説明する。

0012

Fe−La−Al合金中Al含有量を5質量%以上とすることにより、合金は適度に脆化し、ミルやハンマー等を用いて破砕することが可能になる。さらにAl含有量を10質量%以上とすれば一層容易に破砕できるようになり、投入量を微調整するうえで便利となる。一方、Al含有量が20質量%を超えると合金の比重が小さくなりすぎて溶鋼中に沈みにくくなり、落下投入にて高いLa歩留りを得ることが難しくなる。また、Al添加を要しない鋼にも適用できる「汎用性」を持たせるためにも合金のAl含有量は20質量%以下とするのがよい。さらに、合金のAl含有量を15質量%以下にとどめるとAl濃度を低減すべき鋼にも適用できるようになり、汎用性は一層高まる。以上のように、本発明のFe−La−Al合金ではAl含有量を5〜20質量%に規定するが、破砕性重視する場合はAl含有量の下限を10質量%に、また、鋼中のAl濃度増加防止を重視する場合はAl含有量の上限を15質量%にそれぞれ制限することが望ましい。

0013

Fe−La−Al合金中のLa含有量を70質量%以下にするとLaの活性度が低下する効果が顕著に現れ、鋼中へのLa歩留りが急激に向上する。同時に、スラグ中のMgOと反応するLa量が少なくなるため鋼中のMg濃度の増加が抑制され、その結果、スラブ中の管状気泡の生成が防止されるようになる。合金のLa含有量が減少するほどLaの活性度は低下すると考えられ、La含有量を70質量%からさらに低減していくと鋼中へのLa歩留りは緩やかに向上する。しかし、合金のLa含有量の減少に伴って、必要となる合金の量は増加する。合金投入量の増加は溶鋼温度の低下を招き、好ましくない。本発明者らの調査の結果、合金のLa含有量を30質量%以上にしておけば比較的小ロット生産においても問題なく使用できることが確認された。したがって、本発明のFe−La−Al合金におけるLa含有量は30〜70質量%に規定する。なお、溶鋼中へのLa歩留りのチャージ間変動をより安定化させるには、La含有量を30〜50質量%の範囲とすることが望ましい。

0014

本発明のFe−La−Al合金は、必要に応じてFe,La,Al以外の他の元素を適宜含有してもよい。ただし、Feは少なくとも5質量%以上含有することが望ましい。また、実質的にFe,La,Alだけからなる合金、すなわち上記所定量のLa,Alと残部Feおよび不可避的不純物からなるFe−La−Al3元合金は、多くの鋼種に適用できる汎用性の高いものである。

0015

このようなFe−La−Al合金は、例えば真空誘導溶解炉を用いてAr雰囲気下で成分元素を含む原料を溶解する方法等により得ることができる。得られたインゴットは適度な靭性と脆性を兼ね備えているため、鋳型から取り出す際や運搬時の取り扱いも比較的容易であり、かつ、破砕機やハンマー等を用いて小割りすることができる。小割りするサイズは、秤量ができ、湯面上(通常はスラグの湯面上)から落下投入して溶鋼中へ沈めることができ、かつ短時間で溶解するサイズとすればよい。すなわち、例えば粉粒状のようにあまり小さいものを落下投入するとスラグ中にトラップされて溶鋼中に十分入らず、逆にあまり大きな塊(かたまり)では精度良い秤量ができないばかりか、溶解に時間がかかりすぎることになる。適切な小割りサイズは一概には言えないが、例えば1チャージが数十トン規模大量生産現場では30〜50mm程度に小割りした合金塊が好適に使用できる。もっとも、インゴット自体が小さければそのまま投入してもよい。

0016

本発明のFe−La−Al合金は種々の鋼種に適用できるが、なかでも特に高Al含有フェライト系ステンレス鋼の製造に適用すれば非常に効果的である。すなわち、Cr:約15〜26質量%,Al:約2〜6質量%を含有するフェライト系ステンレス鋼は耐高温酸化性に優れる材料として周知であり、これに微量のLaを含有させることによって酸化スケール耐剥離性等が著しく向上することが知られている。しかし、そのLa含有量の適正範囲は例えば0.05〜0.2質量%、あるいは0.02〜0.15質量%というように狭いにもかかわらず、Laの歩留りは低くかつ安定しないため、ロット間の品質バラツキや「成分外れ」が出やすいという製造上の問題を抱えている。したがって、このような鋼種に本発明を適用する意義は大きい。

0017

Cr:15〜26質量%,Al:2〜6質量%を含有するフェライト系ステンレス鋼の溶鋼に上記したFe−La−Al合金塊を落下投入する際、溶鋼温度が1570〜1620℃の範囲で投入することが望ましい。1570℃未満ではLa歩留りに若干の向上がみられるものの、出鍋温度が低くなりすぎるため何らかの方法により溶鋼温度を上昇させる必要が生じる。逆に、1620℃を超えるとLa歩留りが下がるとともに、出鍋温度まで溶鋼温度を下げるために静置させる等の処置が必要となり、作業時間のロスにもなる。

0018

〔実施例1〕La添加材として、表1に示す7種類のFe−La−Al合金、および2種類のFe−La合金を真空誘導溶解炉を用いて溶製した。原料としては電解鉄,M−La,電解Alを用い、これらをAr雰囲気下のマグネシアルツボ中で溶解し、鉄鋳型に鋳造して約12kgの鋳塊を得た。分析の結果、これらの合金中へのLa歩留りはほぼ100%であった。

0019

まず各鋳塊およびM−Laについてハンマーによる小割りを試み、破砕が可能であるか否かを評価した。その結果、表1中に示すとおり、Alを含有しないFe−La合金およびAl含有量が5質量%未満のFe−La−Al合金は破砕することができなかったが、Alを5質量%以上含有するFe−La−Al合金は全て破砕可能であった。また、M−Laも破砕可能であった。

0020

次に、破砕が可能であったFe−La−Al合金およびM−LaをLa添加材として用いて、18Cr−3Al鋼にLaを添加する実験を行った(表1の実験No.1〜7)。各チャージとも、マグネシアルツボ中で12kgの18Cr−3Al鋼を溶解し、CaO−MgO−Al2O3系スラグを溶鋼上に添加した後、溶鋼温度を1600℃に保持し、溶鋼中のLa含有量がおおよそ0.03〜0.1質量%程度になることを目標に、適当量のLa添加材をスラグの湯面上から落下投入した。その際、添加材投入前および投入後(添加材溶解後)の溶鋼温度を測定した。そして、La添加後の溶鋼を鉄鋳型に鋳造し、鋳塊を切断・研削して気泡の有無を調査するとともに、鋳塊中のLa濃度を分析して添加材から鋼中へのLa歩留りを求めた。

0021

その結果、表1中に示すように、La含有量:80質量%の添加材を用いた場合(実験No.5)のLa歩留りは、M−Laを用いた場合(実験No.7)と比べてほとんど改善されなかったのに対し、La含有量:70質量%の添加材を用いると(実験No.2)とLa歩留りは急激に向上した点が注目される。また、添加材のAl含有量が30%と高かった場合(実験No.6)は、比重が小さすぎて溶鋼中に十分沈まず、La歩留りはむしろ低下した。

0022

また、La歩留りが高かったもの(実験No.1,2,3,4)は、いずれも鋳塊中に気泡の生成が見られなかった。これは、スラグ中のMgOとの反応に消費されるLaが少なく、溶鋼中のMg濃度の増加が低く抑えられたために、凝固時にMgがガスとして放出されるに至らなかったものと考えられる。

0023

0024

〔実施例2〕1チャージ;80トン規模の製鋼ラインにおいて、本発明のFe−La−Al合金を使用し、高Al含有フェライト系ステンレス鋼(20%Cr−5%Al鋼)にLaを添加した。まず予め、添加材として用いるFe−50%La−10%Al合金300kgを実施例1と同様の方法で溶製し、破砕機を用いておおよそこぶし大程度に小割りした。溶鋼へのLa歩留りを50%と予測し、鋼のLa含有量の目標値;0.08質量%に対して必要となる投入量を算出して、小割りした合金塊を秤量した。一方、ステンレス鋼の溶鋼(80トン)は、電気炉転炉真空脱ガスの工程を経てLa以外の成分調整を既に終えたものを用いた。

0025

溶鋼温度が1585℃の時、秤量した上記Fe−La−Al合金塊を副原料投入ホッパから送給して、溶鋼の上に浮いているスラグの湯面上から落下投入した。投入による溶鋼温度の低下は約3℃と小さく、全く問題にならない程度であった。その後、連続鋳造してスラブを得た。スラブからカットサンプル採取し、冷却後に表面を研削して管状気泡の生成を調べた。その結果、管状気泡は見られなかった。また、スラブの成分分析を行った結果、La含有量は0.085質量%であった。すなわち、ほぼ目標どおりのLa含有量となり、実績歩留りも53%とほぼ予測値に近く、良好な結果であった。

0026

本発明のFe−La−Al合金を用いれば、活性度を低減した状態で溶鋼にLaを添加できるので、溶鋼中へのLa歩留りは高くかつ安定する。このため、La使用量が少なくて済み、節約になると同時に、鋼中Mg濃度の増加が抑えられ、その結果、従来La添加鋼で問題となっていた気泡の生成が防止され、高品質のLa添加鋼が容易に得られる。また「成分外れ」の出現頻度は著しく減少し、ロット間の品質のバラツキも抑制される。
また当該合金は小割りが容易であるため作業性は高く維持され、しかも「落下投入」という簡単な手段で添加できるため特殊な設備は不要である。したがって本発明の現場への適用可能性は極めて高い。
さらに当該合金はM−Laに比べ酸化や水素吸蔵の程度が軽いため、保管が容易となる。

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