CN101583447A - 钢的连续铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钢的连续铸造方法，其具有从中间包的上水口经由滑动水口到浸入式水口的钢水路径，钢水路径的整体或一部分构成一电极，对钢水路径的内表面与通过钢水路径的内部的钢水之间施加电位差地通电，其中，在除了构成上述一电极的耐火物之外的其他部位设有相反电极，该相反电极与钢水路径之间构成通电电路，钢水路径的极性和相反电极的极性以1～100ms的周期转换，而且以由平均电流或平均电压所定义的钢水路径的极性为阴极的方式控制电流或电压地进行通电。由此，能防止从中间包到浸入式水口的钢水路径的堵塞，能进行稳定的连续铸造。在上述铸造方法中，优选平均电流密度是3～200A/m2，极性以脉冲状的波形变化而进行转换。

Description

钢的连续铸造方法
技术领域
本发明涉及防止浸入式水口等钢水路径的堵塞的连续铸造方法。更详细地说，涉及通过在钢水路径的内表面与通过路径内部的钢水之间通电来降低非金属夹杂物向钢水路径的内表面附着的附着量、防止钢水路径堵塞的钢的连续铸造方法。
背景技术
在钢的连续铸造中，防止以氧化铝(Al2O3)等为代表的非金属夹杂物向从中间包(tundish)到浸入式水口的钢水路径的内表面的附着所导致的钢水路径的堵塞是重要的课题。以往，以防止钢水路径的堵塞为目的而研究了很多对策。在以往的防止钢水路径的堵塞对策方面，例如，设有引流口，其通过改善构成钢水路径的材料的材质以及它们的形状、对附着物吹气来防止附着、以及通过采用电化学的手段等来防止堵塞。
作为从钢水路径构成材料面来考虑的引流口，公知有将不含有低级氧化物的SiO2、成为CO气体源的碳的耐火物配置到路径的内表面、通过抑制耐火物和钢水之间的反应来抑制作为反应生成物的Al2O3的生成及其附着的技术。而且，公知有将与Al2O3反应来降低熔点的含有CaO的耐火物配置在钢水路径的内表面来冲走Al2O3的方法。
这些材质方面的改善具有这样的问题：其效果存在局限，或者，被冲走的粗大的夹杂物被卷进钢水中，进入到铸片中。
而且，作为从形状改善方面来考虑的引流口，公知有如日本特开平05-318057号公报、日本特开平11-123509号公报或日本特开2001-129645号公报所公开那样的通过防止水口内的钢水的流动的停滞来抑制非金属夹杂物的附着的技术。例如，日本特开平05-318057号公报和日本特开2001-129645号公报中公开了一种连续铸造用浸入式水口的内部的流路截面积和排出孔截面积之比处于恒定的范围内的浸入式水口。而且，日本特开平11-123509号公报中公开了一种在水口的内孔部上具有一级或多级台阶构造的连续铸造用浸入式水口。
这些形状的改善多是只在钢水的流量和惰性气体的吹入量满足特定的条件的情况发挥效果，在广泛的铸造条件下难以防止夹杂物的附着。
作为向水口内吹入气体的方法，公知有如日本特开平04-319055号公报所公开那样的从中间包的注口、滑动水口、浸入式水口等吹入惰性气体和还原性气体的方法。
这些气体吹入技术随着吹入量的增加，在铸片上被吸入形成铸孔的气泡的量也增加，具有因此所导致的铸片的质量变差这样的问题。
作为出于电化学方面的对策，公知有如日本特开2001-170742号公报和日本特开2001-170761号公报所公开那样的通过由氧离子传导体的固体电解质构成与熔融金属相接触的冶金容器、流路的内表面，在流路和熔融金属之间施加直流电流来防止夹杂物的附着的技术。而且，公知有本发明人例如在日本特开2003-200242号公报和日本特开2005-66689号公报所提出那样的连续铸造方法：与钢水接触的内表面的至少一部分由石墨为主要成分之一的耐火物构成，对内表面和钢水之间施加电压而通电，从而防止夹杂物的附着。
这些出于电化学方面的改善技术发挥了优良的防止夹杂物的附着的效果，但这些技术中的使用固体电解质的方法具有固体电解质价格较高而且固体电解质耐热冲击性差的问题，难以广泛地适用于连续铸造工艺。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而做成的，其目的在于提供一种防止从中间包到浸入式水口的钢水路径堵塞的连续铸造方法。本发明特别适用于通过上述的电化学的改善来防止夹杂物的附着的铸造方法中的、将平常广泛采用的铝石墨等含碳耐火物用于钢水路径的铸造方法。本发明的目的在于提供一种钢的连续铸造方法，通过使施加电压或电流的波形合理化来发挥优良的防止夹杂物附着的效果。
本发明人对如上述的日本特开2003-200242号公报和日本特开2005-66689号公报所述的铸造方法那样的、通过对钢水和构成钢水路径的耐火物的内壁面通电来防止夹杂物向钢水路径的内表面附着的铸造方法进一步进行了研究开发。结果得到了如下(a)～(d)所示的见解或假设。
(a)通过将构成钢水路径的耐火物作为阴极来通电，能防止作为耐火物的熔损反应的一过程的CO气体产生反应。其结果，该通电方法具有防止如下反应的优点：CO气体成为氧来源而钢水中的Al被氧化，生成Al2O3。
(b)不过，通过使耐火物成为阴极来通电，具有如下缺点：氧离子的熔出同时进行，这成为氧来源而使钢水中的Al被氧化，生成Al2O3。
(c)上述优点和缺点共存的结果，仅将耐火物作为阴极来通电，在效果方面存在极限。例如，随着电压或电流的增大，缺点占的比率相对地增加，而产生了促进夹杂物的附着这样的现象。
(d)不管通电时的耐火物的极性(耐火物为阴极，或为阳极)，增加电压或电流时，通过界面中的离子和电子的移动，耐火物和钢水的润湿性良好。其结果，夹杂物在来自钢水中的排斥力的作用下被挤出到耐火物侧的作用降低，夹杂物与耐火物的内壁面接触的频率降低，因此夹杂物向耐火物的附着被抑制。
本发明人通过反复进行试验和考察，在最大限度地保有上述(a)所示的优点和(d)所示的效果、并且使抑制(b)所示的缺点的方法更清楚的过程中，完成了本发明。
本发明是基于上述见解和假设而做成的，其主旨在于下述(1)～(3)所示的钢的连续铸造方法。
(1)一种钢的连续铸造方法，其具有从中间包的上水口经由滑动水口到浸入式水口的钢水路径，钢水路径的整体或一部分构成一电极，而且对上述钢水路径的内表面与通过钢水路径的内部的钢水之间施加电位差地通电，其中，在中间包内的除了构成上述一电极的耐火物之外的其他部位设有相反电极，该相反电极与上述钢水路径之间构成通电电路，上述钢水路径的极性和相反电极的极性以1～100ms(毫秒)的周期阴/阳反复转换，而且上述钢水路径是阴极而相反电极是阳极的时间比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的时间长，或/和上述钢水路径是阴极而相反电极是阳极的期间内的平均电位差比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的期间内的平均电位差大，从而以由平均电流或平均电压所定义的上述钢水路径的极性为阴极、相反电极为阳极的方式进行通电(下面也称为“第1技术方案”)。
(2)根据上述(1)所述的钢的连续铸造方法，其中，平均电流密度是3～200A/m2(下面也称为“第2技术方案”)。
(3)根据上述(1)或(2)所述的钢的连续铸造方法，其中，上述一电极的极性和相反电极的极性以脉冲状的尖顶波形变化而进行转换(下面也称为“第3技术方案”)。
在本发明中，所谓“平均电位差”是指在对象期间内将电位差的瞬时值的绝对值用时间平均的数值。
所谓“上述钢水路径是阴极而相反电极是阳极的期间内的平均电位差比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的期间内的平均电位差大”是指，对钢水路径是阴极而相反电极是阳极的期间的电位差的瞬时值的绝对值用该期间内的时间进行平均的数值、比相反电极是阴极而钢水路径是阳极的期间的电位差的瞬时值的绝对值用该期限内的时间进行平均了的数值大。这个含义与例如在电压波形为正弦波的情况下，“钢水路径是阴极而相反电极是阳极的时间比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的时间长”相同。但是，电压波形为脉冲波、方波等情况下含义未必相同，因此将“钢水路径是阴极而相反电极是阳极的时间比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的时间长”作为独立的要件。
而且，所谓“平均电流或平均电压”是在对象期间内将电流或电压的瞬时值用时间平均的数值，并且，所谓“平均电流密度”是指在对象期间内对电流密度的瞬时值的绝对值用时间平均的数值。
本发明的连续铸造方法在从中间包的上水口经由滑动水口到浸入式水口的钢水路径的内表面和通过钢水路径内部的钢水之间周期性地转换极性、并且以钢水路径是阴极的时间比是阳极的时间长、或/和由平均电流或平均电压所定义的钢水路径的极性为阴极的方式控制电流或电压的波形地进行通电，因此能防止Al2O3的生成，并且能有效利用通电所导致的润湿性的变化，能抑制夹杂物的附着。因此，本发明的方法与以往一边通电一边铸造的连续铸造方法相比，发挥更加优异的防止夹杂物附着的效果。
附图说明
图1是示意性地表示用于实施本发明的连续铸造方法的装置构成的一个例子的图。
图2是表示在本发明中施加的电流和电压波形的例子的图，图2的(a)表示电流波形，图2的(b)表示电压波形。
图3是表示在本发明中施加的另一电流和电压波形的例子的图，图3的(a)表示电流波形，图3的(b)表示电压波形。
图4是表示成为本发明的对象之外的施加电流和电压波形的例子的图，图4的(a)表示电流波形，图4的(b)表示电压波形。
图5是表示成为本发明的对象之外的另一施加电流和电压波形的例子的图，图5的(a)表示电流波形，图5的(b)表示电压波形。
具体实施方式
本发明的钢的连续铸造方法如上所述，从中间包的上水口到浸入式水口的钢水路径的整体或一部分构成一电极，而且在上述钢水路径的内表面和通过钢水路径的内部的钢水之间施加电位差地进行通电，其中，在除了构成上述一电极的耐火物之外的其他部位设有相反电极，该相反电极与上述钢水路径之间构成电流电路，上述钢水路径的极性和相反电极的极性以1～100ms的周期转换，而且以由平均电流或平均电压所定义的上述钢水路径的极性为阴极、相反电极为阳极的方式进行通电。
图1是示意性表示用于实施本发明的连续铸造方法的装置构成的一个例子的图。从省略了图示的钢包供给到中间包1的钢水2通过上水口3而由滑动水口4控制其流量之后，经由浸入式水口5从水口排出孔6被注入到铸模7内。钢水2利用来自铸模7的排热作用，自与铸模的接触部形成凝固壳8，向下方拔出而成为铸片9。另外，图1中的附图标记10表示保护渣。
在本发明的方法中，从中间包的上水口3经由滑动水口4到浸入式水口5的钢水路径的整体或一部分为一电极，从中间包1内的上水口3除了滑动水口4之外的其他部位设有相反电极。在图1中表示了在浸入式水口5上设置一电极11、从中间包1的上部经由由绝缘体构成的电极支承构件15而将相反电极12浸渍在钢水2中地设置的例子。从电源部13所供给的电由电压电流控制部14控制成所期望的电压和电流波形，通过电气配线16而对各电极通电。
下面，对将本发明如上所述那样规定的理由和优选的方式进行说明。
(1)第1技术方案
第1技术方案的钢的连续铸造方法如上所述，在从中间包的上水口到浸入式水口的钢水路径的内表面与通过钢水路径的内部的钢水之间，极性以1～100ms的周期进行更换，而且以由平均电流或平均电压所定义钢水路径的极性为阴极的方式控制电流或电压波形地进行通电。
在第1技术方案中，对钢水路径的极性和相反电极的极性更换进一步说明如下。
为了得到上述(a)的优点，即，为了得到“通过将耐火物作为阴极来通电，能防止作为耐火物的熔损反应的一过程的CO气体产生反应，能防止钢水中的Al被氧化而生成Al2O3”这样的优点所需要的电压或电流是较小的数值。而且，将电压或电流限制在小的数值也对将上述(b)的缺点抑制在最低限度有效。
另一方面，为了得到上述(d)所述的效果需要施加极高的电压或电流。
因此，作为施加高的有效电压或有效电流并且将平均电压或平均电流抑制在低位的方法，发现了如下所述的通电方法：极性周期性地阴/阳反复转换并且由平均电压或平均电流定义了极性时，钢水路径的极性为阴极。即，如上所述，通过采用钢水路径为阴极的时间变长的波形或、或/和采用钢水路径为阴极的期间的平均电位差变大的波形，能使钢水路径的极性为阴极。
在此，钢水路径的极性和相反电极的极性的转换周期的适当范围为1～100ms。该周期不足1ms就不能充分地产生上述(d)所述的界面中的离子和电子等移动，因此不能认为夹杂物的附着抑制效果充分。另一方面，极性的转换周期超过100ms地变长时，因上述(b)所述的氧离子的熔出，夹杂物的附着抑制效果被降低。另外，上述极性的转换周期的更优选范围是3～50ms。
(2)第2技术方案
第2技术方案是上述(1)所述的钢的连续铸造方法，平均电流密度是3～200A/m2。优选平均电流密度是3～200A/m2的理由如下。
平均电流密度不足3A/m2就降低作为上述(a)的优点的CO气体产生反应的抑制效果，因此不佳。而且，平均电流密度超过200A/m2而变高时，因上述(b)所述的氧离子的熔出，降低夹杂物的附着抑制效果。平均电流密度更优选的范围是5A/m2～100A/m2。
(3)第3技术方案
第3技术方案是根据上述(1)或(2)所述的钢的连续铸造方法，其特征在于，一电极的极性和相反电极的极性以脉冲状的尖顶波形变化而进行转换。在第3技术方案中，优选从中间包的上水口到浸入式水口的钢水路径的极性和相反电极的极性按照脉冲状的尖顶波形变化而进行转换的理由如下所述。
钢水路径的极性从阳极变化到阴极时，由存在于耐火物中或耐火物表面的防氧化剂等构成的熔渣层中，自由电子和阳离子或氧离子等电荷载体开始移动。此时，电压或电流以尖顶波形变化时，其他电荷载体比离子半径大而难以移动的氧离子优先移动，因此能抑制氧离子向钢水侧移动。钢水路径的极性从阴极变化为阳极时，并不特别需要尖顶波形的变化，但是由于极性变化的方向的不同而难以选择性地改变波形，因此实际上在两个方向采用尖顶的脉冲状波形的电压或电流的变化。
本发明使电压或电流周期性变化这一点，类似于本发明人于日本特开2005-66689号公报中提出的方法。但是，在本发明中，为了发现该作用，在电压的波形中不需要设有大致0V的电压施加时间。同样为了发现本发明的作用，也不需要设有电极间的断电时间或电极间的短路时间。在这些点中，本发明与本发明人于日本特开2005-66689号公报提出的方法不同。
而且，本发明的第1基本思想在于提高有效电流或有效电压来最大限度地充分利用界面中的离子等移动的效果。而且，第2基本思想在于由平均电流或平均电压定义了极性时，钢水路径的极性为阴极，而且控制平均电流或平均电压使得得到上述(a)的优点而抑制上述(b)的缺点，并且第3基本思想在于上述结果是将有效电流提高到平均电流的3倍以上或5倍以上那样的点。另外，在本说明书的记载中，所谓“有效电流”或“有效电压”是指在一个周期中对电流或电压的瞬时值的平方用时间进行平均所得到的数值的平方根。
即，本发明是能同时实现上述第1～第3基本思想的铸造方法，与现有技术存在本质差别。
有效电流越高越期待增加本发明的效果。不过，有效电流过大时，通电用电缆就变得过粗，难以进行处理。因此，实际的有效电流的上限值为300A左右。而且，有效电流密度过小时，就有损本发明的效果，因此要求至少100A/m2以上，更优选200A/m2以上的有效电流密度。另外，在本发明中，有效电流密度比平均电流密度高。
实施例
为了确认本发明的钢的连续铸造方法的效果，进行了如下所示的试验，评价了其结果。
(1)施加的电流和电压波形对夹杂物的防止附着效果的影响
图2是表示在本发明中施加的电流和电压的例子的图，图2的(a)表示电流波形，图2的(b)表示电压波形。图2是将频率50Hz、即通电周期为20ms、电流的最大值为+50A且最小值为-50A的正弦波形的交流以钢水路径的极性为阴极的方式而向负侧偏移20A来对上述图1所示的连续铸造装置通电的例子，是满足本发明的第1技术方案中规定的条件的电流和电压波形。另外，上述连续铸造装置的通电电路的电阻是0.1Ω。
在图2的例子中，示出了平均电流是-20A、钢水路径的极性为阴极。电流波形的负侧的电流峰值是-70A，正侧的电流峰值是+30A。而且，电压波形的负侧的电压峰值是-7V，正侧的电压峰值是+3V。并且，负侧的平均电流是-43A，正侧的平均电流是+20A。而且，有效电流根据上述定义为41A。因而，有效电流为平均电流的绝对值的大约2倍。
图3是表示在本发明中施加的另一电流和电压波形的例子的图，图3的(a)表示电流波形，图3的(b)表示电压波形。图3是将极性以脉冲状尖顶波形变化而进行转换的矩形波形的交流通电到上述图1所示的连续铸造装置的例子，是满足在第1技术方案中规定的条件和在第3技术方案中规定的条件的电流和电压波形。
在图3的例子中，电流波形的负侧的电流是-100A，其通电时间是2.2ms，而且，正侧的电流是+100A，其通电时间是1.8ms。并且，电压波形的负侧的电压是-10V，正侧的电压是+10V。将这些合并后的通电周期是4ms。平均电流是-10A，而且，有效电流是100A。其结果，有效电流为平均电流的绝对值的10倍。
图4是表示成为本发明的对象之外的比较例子的施加电流和电压波形的图，图4的(a)表示电流波形，图4的(b)表示电压波形。图4的例子是这样的例子：钢水路径为阴极的期间是20ms，不流过电流的停止期间为20ms，以通电周期40ms反复这两者的波形的例子。
在图4的例子中，电流波形的负侧的电流是-40A，平均电流是-20A。有效电流是20A，与平均电流的绝对值相同。
图5是表示成为本发明的对象之外的另一比较例的施加电流和电压波形的图，图5的(a)表示电流波形，图5的(b)表示电压波形。图5的例子是以钢水路径为阴极的方式以-20A连续地通电恒定的负的直流电流时的电流和电压的图形。
(2)通过连续铸造试验确认效果
将本发明的连续铸造方法适用于使用了上述图1所示的连续铸造装置的钢块的连续铸造，确认了本发明的效果。
连续铸造试验使用了铸模尺寸是0.3m×0.4m、中间包的容量为15吨(t)的垂直弯曲型钢块连续铸造装置，对通电电路施加了具有上述图3所示的电压波形的交流的情况、施加了具有上述图5所示的电压图形的直流的情况以及完全不通电的情况分别测量了附着在铸造后的浸入式水口5的内表面上的非金属夹杂物的厚度并进行了比较。
进行施加了具有图3和图5所示的电压波形的电力的连续铸造试验时，从中间包1的上方经由绝缘体构成的电极支承构件15将直径100mm和长度800mm的铝石墨制的相反电极12下垂地浸在钢水2中。构成相反电极12的铝石墨的石墨含有率为33质量％，具有导电性。浸入式水口5的主体是铝石墨制的，熔渣管线的外周部是锆石墨制的，主体的铝石墨的石墨含有率为28质量％，具有导电性。浸入式水口5的通电部位的面积是0.25m2，因此在施加了图3所示的交流的铸造试验中，平均电流密度为10A/0.25m2＝40A/m2，满足了第1技术方案和第2技术方案中规定的条件。
在钢块的连续铸造试验中，使用了如下的普通钢的钢水：钢成分组成以质量％计、C：0.07～0.5％，Si：0.02～0.5％，Mn：0.5～1.5％，P：0.01～0.03％，S：0.01～0.08％，Al：0.02～0.05％的Al镇静钢或Si-Al镇静钢。铸造速度为0.6～0.7m/min，铸造时的钢水过热度(从液相线温度减去钢水温度的温度差)是20～45℃。
以上述条件每个浸入式水口1连续铸造大约80t的钢水之后，用下列方法测量了附着在浸入式水口5的内表面上的氧化铝主体的非金属夹杂物的厚度。
在相当于铸造中的铸模内液面高度的位置，沿与浸入式水口的中心轴垂直的方向切断铸造结束后的浸入式水口，在圆周方向的4处测量了该切断面(横截面)上的夹杂物的附着厚度，求出它们的平均值而作为非金属夹杂物的附着厚度。这些夹杂物的主体是白色的氧化铝，在其内部含有了铁素体。
表1示出了施加的电流电压条件和非金属夹杂物的厚度的测量结果。
表1
  试验编号   1   2   3
  区分   本发明例   比较例   比较例
  施加的电流电压条件   图3的条件   图5的条件   未通电
  非金属夹杂物的附着厚度   5.5   7.5   10.0(基准)
在表1中，非金属夹杂物的附着厚度是以浸入式水口内未通电的试验编号3的情况的非金属夹杂物的附着厚度作为基准(10)而示出为相对厚度。
在一边施加了满足第1技术方案、第2技术方案和第3技术方案中规定的任一条件的图3所示的电流和电压波形的交流一边进行了铸造的本发明例的试验编号1中，非金属夹杂物的相对附着厚度降低为5.5。
相对于此，在施加了不满足本发明中规定的条件的图5所示的直流的比较例的试验编号2中，非金属夹杂物的相对附着厚度是7.5，与不通电的试验编号3的情况相比，附着厚度虽降低，但不满足夹杂物的防止附着效果。
产业上的可利用性
采用本发明的钢的连续铸造方法，在从中间包的上水口经由滑动水口到浸入式水口的钢水路径的内表面与通过钢水路径内部的钢水之间，极性以1～100ms的周期变化而进行转换，而且以由平均电流或平均电压所定义的钢水路径的极性为阴极的方式控制电流或电压地进行通电，因此防止以氧化铝为主体的附着物的生成，并且能有效利用通电所导致的耐火物和钢水的润湿性的变化来抑制夹杂物的附着。
因而，本发明的方法与以往一边通电一边铸造的连续铸造方法相比，发挥更优异的夹杂物的防止附着效果，能作为在稳定操作的基础上能制造高品质的铸片的连续铸造方法而广泛地使用。

Claims (3)

1.一种钢的连续铸造方法，其具有从中间包的上水口经由滑动水口到浸入式水口的钢水路径，该钢水路径的整体或一部分构成一电极，而且对上述钢水路径的内表面与通过钢水路径的内部的钢水之间施加电位差来进行通电，其特征在于，
在中间包内的除了构成上述一电极的耐火物之外的其他部位设有相反电极，该相反电极与上述钢水路径之间构成通电电路，
上述钢水路径的极性和相反电极的极性以1～100m s(毫秒)的周期反复进行阴/阳转换，而且上述钢水路径是阴极而相反电极是阳极的时间比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的时间长，
或/和上述钢水路径是阴极而相反电极是阳极的期间内的平均电位差比相反电极是阴极而上述钢水路径是阳极的期间内的平均电位差大，
从而以由平均电流或平均电压所定义的上述钢水路径的极性为阴极、相反电极为阳极的方式进行通电。
2.根据权利要求1所述的钢的连续铸造方法，其特征在于，
平均电流密度是3～200A/m2。
3.根据权利要求1或2所述的钢的连续铸造方法，其特征在于，
上述一电极的极性和相反电极的极性以脉冲状的尖顶波形变化而进行转换。
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