JP2004306142A - 鋼の連続鋳造用パウダー - Google Patents

Abstract

【課題】難巻き込みで、かつ潤滑性に優れており、パウダー性欠陥の無い高品位の製品を得ることができる、鋼の連続鋳造用パウダーを提供すること。
【解決手段】ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、フッ化物、アルカリ金属酸化物のうち２種以上の物質を主成分とし、１３００℃で２液相または固液共存相を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋼の連続鋳造において鋳型内に添加して使用される鋼の連続鋳造用パウダーに関する。

溶鋼の連続鋳造に使用される従来の鋳造用パウダー（モールドパウダー）には、以下のような特性が要求される。

（１）溶鋼面をパウダーが溶融して形成されたスラグとその上の未溶融層とで被覆することにより、空気による溶鋼酸化を防止し、保温効果を持つ。
（２）溶融スラグは鋳型と鋳片との間に入って潤滑剤になるため、常に適当量供給される必要がある。このため、消費速度に合いかつ適正スラグプール厚となる溶融速度を有する。
（３）溶融したスラグ層が鋼中より浮上した非金属介在物を吸収し、その物性（粘性、溶融温度）の変化が小さいこと。
（４）溶融スラグは鋳型と凝固シェル間に流れ込み均一なスラグフィルムを形成し、その間で潤滑作用があること。
（５）溶融スラグが適度の粘度、表面張力を持ち、溶鋼へ巻き込まれないこと。

これらの中で、特に鋼へのパウダーの巻き込みは、鋳造速度が１．５ｍ／ｍｉｎよりも大きくなるような高速鋳造や、中、低速鋳造でもブリキ材、自動車用鋼板等の品質要求が厳格な鋼に対し問題となることが多い。

このため、高粘性、高表面張力の難巻き込みタイプのパウダーが開発されてきた（特許文献１等）。

しかし、近年さらなる高速鋳造化やさらなる品質の向上が要求されているが、巻き込みを防止するためにパウダーの組成を変更して高粘性とすると、鋳型と凝固シェル間の十分な潤滑性を維持することができなくなってしまう。
特公平４−４０１０３号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、難巻き込みで、かつ潤滑性に優れており、パウダー性欠陥の無い高品位の製品を得ることができる、鋼の連続鋳造用パウダーを提供することを目的とする。

本発明者らは、各種実験および検討を重ね、実鋳造でのパウダーの流れ込み条件を推測した。その結果、高速鋳造においても鋳片への巻き込みが極めて少なく、かつ潤滑性が優れるパウダーが存在することを知見した。

すなわち、実機に使用される温度条件で２液相または固液混合状態になるパウダーとすることで、鋳型近傍の剪断速度が大きな部分においては粘度を小さく、それ以外の剪断速度が小さい巻き込み部分においては粘度を大きくすることにより、鋼に対するパウダーの巻き込みを減少させることができることを知見した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、フッ化物、アルカリ金属酸化物のうち２種以上の物質を主成分とし、１３００℃で２液相または固液共存相を有することを特徴とする鋼の連続鋳造用パウダーを提供するものである。

また、本発明は、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、フッ化物、アルカリ金属酸化物のうち２種以上の物質を主成分とし、さらにＮを含有することを特徴とする鋼の連続鋳造用パウダーを提供するものである。このような構成においては、プリメルト基材を含み、Ｎの一部または全部が該プリメルト基材に含まれていることが好ましい。また、Ｎの含有量は０．２〜５ｍａｓｓ％が好ましい。

このような連続鋳造用パウダーにおいて、ＣａＯ／ＳｉＯ_２の値を０．５〜１．５の範囲とすることが好ましい。また、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃｒの窒化物および炭化物のうち１種以上を含有してもよい。

本発明によれば、鋳型近傍の剪断速度が大きな部分においては粘度が小さく、それ以外の剪断速度が小さい巻き込み部分においては粘度が大きい、難巻き込みで、かつ潤滑性に優れた鋼の連続鋳造用パウダーを得ることができ、これによりパウダー性欠陥の無い高品位の製品を得ることができる。

以下、本発明について具体的に説明する。
前述のように、パウダーを用いた鋼の連続鋳造法では、パウダーの巻き込みが大きな問題となる。そのため、巻き込みを防止し、しかも潤滑性を確保するための種々検討を行った。

まず、一般的に用いられる連続鋳造用パウダーについて説明する。
一般的な連続鋳造用パウダーは、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＢａＯ、Ｂ_２Ｏ_３等の酸化物を母材とし、その他に物性調製剤としてＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ，Ｌｉ_２Ｏ等のアルカリ金属酸化物、ＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＡｌＦ_３、Ｎａ_３ＡｌＦ_６等のフッ化物およびそれら金属の炭酸化物、硝酸化物が添加されている。

熱処理基材としては、電気炉やキュポラで溶解されたプリメルト基材、また既存の熱処理原料として、高炉滓やガラス粉末、ポルトランドセメント、天然のものとして玄武岩、ワラストナイト、シラス等がある。

副原料としては、フッ化ナトリウム、水晶石、炭酸ソーダ、炭酸リチウム、蛍石のフラックス、およびＳｉＯ_２源としてガラス粉、珪藻土等、ＣａＯ源として、炭酸カルシウム、蛍石等が添加される。

溶融速度調整剤としては、カーボンブラック、天然および人造黒鉛、コークス粉、石炭粉等の炭素質、あるいは、窒化ホウ素等の窒化物を０．５〜１５ｍａｓｓ％配合した紛状のもの、あるいはこれにバインダーを添加し、顆粒状にしたものが一般的である。従来は炭素質粉として、平均粒径３０ｍｍのカーボンブラック、４０μｍのコークス粉、１００μｍの木粉が使用されている。

このような一般的なパウダーに対し、本発明では、以下の観点から検討を行った。
図１に鋳型内のようすを示す。図中、符号１は鋳型であり、鋳型１内に浸漬ノズル２から溶鋼が供給される。鋳型１内の溶鋼３の上にはパウダーが供給され、粉末層４と、溶鋼３と粉末層４との間の溶融層５とが形成される。潤滑に影響するのは、鋳型１の内壁近傍上部の図中Ａの部分であり、その部分のパウダーの粘性が潤滑を大きく支配することが知られている。パウダーの巻き込みは、溶鋼によるパウダーの削り込みや、渦による巻き込み、Ａｒガスが溶融層５を通過する時の巻き込み等が考えられているが、図中Ｂの部分、すなわち溶融層５の浸漬ノズル２近傍部分で主に生じていると考えられる。本発明のパウダーは、上記部分Ａでは粘度が低く高潤滑であり、上記部分Ｂでは粘度が高く巻き込みにくい特徴を有する。

上記部分Ａは鋳型１がオッシレーションと呼ばれる振動を繰り返すことから、その部分のパウダーにかかる剪断速度は約８０〜１６０（１／秒）である。また、部分Ｂが溶鋼流動により１０〜４０（１／秒）の剪断速度がかかるものと考えられる。

図２の（ａ）に示すように、一般的にモールドパウダーはその粘度が剪断速度に依存性を示さないニュートン流体であることが多いが、成分を最適化することにより、図２の（ｂ）に示すように、粘度が剪断速度に依存する非ニュートン流体となることを見出した。

図２の（ｂ）に示すような挙動は擬塑性流動といわれるものであるが、これは、流体の変形力が大きくなると流体の構造が壊れ、流れの方向に形がそろって応力が小さくなると考えられている現象であり、高分子の融体や溶液、エマルジョンなどで多数知られている。スラグでこのような挙動を取ることも最近知られてきており、例えば、白石らは、日本金属学会講演概要、１０９回（１９９１年）において、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓｉ_３Ｎ_４系において、擬塑性流動をすることを示している。これは、このスラグにおいては、均一なＳｉＯ_４ ^４−ネットワークだけからなるのではなく、

のような純粋なシリケートネットワークから見ればヘテロな結合を持っていることが推定され、このような結合を持つものは素直な粘性挙動を示さないものと推定している。

本発明者らは、モールドパウダーのような粘性の低いものにおいてもＮを含有することで擬塑性化することを見出した。また、エマルジョンで擬塑性化することを参考にし、スラグにおいても２液相の場合の挙動を把握したところ、やはり擬塑性化すること、またスラグの溶融マトリックス中に高融点微粒子が懸濁するような場合も擬塑性化することも見出した。

そして、このような非ニュートン流体で低剪断速度域で高粘度となるパウダーを使用することで、高速鋳造においても潤滑性を十分に確保することができ、鋳片の表面疵を大幅に減少させることが可能となる。

本発明では、一般的なパウダーとして用いられるＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、フッ化物、アルカリ金属酸化物のうち２種以上の物質を主成分とし、パウダーの使用温度である１３００℃で２液相または固液共存相を有するようにすることにより、溶融パウダーを擬塑性化させ、非ニュートン流体とする。または、上記主成分にＮを含有させて非ニュートン流体とする。この際のＮの含有量は０．２〜５ｍａｓｓ％が好ましい。また、Ｎは、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌＮ等をパウダー原料に添加混合してもよいが、プリメルト基材にＮを含有させ、それをパウダー原料の少なくとも一部として用いることが好ましい。プリメルト基材にＮを含有させる方法としては、プリメルトする際にＡｌＮ等を固体の状態で添加して溶解させるかまたはＮを含有する気体を吹き込む方法が例示されるが、これらに限定されるものではない。このようにパウダー原料の少なくとも一部としてＮを含むプリメルト基材を用いることにより、パウダーをより非ニュートン化しやすくすることができる。また、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌＮ等を単にパウダー原料と混合しただけでは鋳型内でこれらが溶解せずに残存するおそれがあるが、Ｎを含有するプリメルト基材を用いた場合にはそのような問題が生じ難い。この場合、パウダー原料中のＮがプリメルト基材に一部含まれていてもよいし、全部含まれていてもよい。

パウダーの使用温度である１３００℃において２液相領域を有する組成は、既存の状態図から見出すことができる。例えば、図３はＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＣａＦ_２の三元状態図、図４は１６００℃におけるＣａＦ_２−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３の三元状態図、図５はＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３の三元状態図であるが、いずれも斜線で示した部分が２液相領域である。

上記主成分となる成分において、必ずしもＣａＯ、ＳｉＯ_２の両方を含有している必要はないが、これらの両方が含まれている場合には、ＣａＯ／ＳｉＯ_２の値が０．５〜１．５の範囲であることが好ましい。ＣａＯ／ＳｉＯ_２の値が０．５未満の場合には、粘度が高すぎるため、鋳型と凝固シェルとの間の潤滑が不十分になり、拘束性ブレークアウト等のトラブルが生じる可能性があり好ましくない。一方、ＣａＯ／ＳｉＯ_２の値が１．５を超える場合には、粘度が低下するために、パウダーの巻き込みを抑制することが困難である。したがって、ＣａＯ／ＳｉＯ_２の値の好ましい範囲を０．５〜１．５とした。

また、上記主成分の他に、溶融速度調整剤等として、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃｒの窒化物および炭化物のうち１種以上を含有させてもよい。

表１に示す特性を有し、表２に示す組成を有するパウダーを使用して、実機試験を行い、パウダーの潤滑性と鋳片疵を評価した。実施例１は２液相となる領域であることにより、実施例２，３はＮを含有することにより、実施例４はＮを含有することに加え溶融パウダー中にＳｉＣが懸濁することにより、いずれも非ニュートン挙動を呈するものであり、比較例１，２は粘度が剪断速度に依存しないニュートン流体のものである。なお、実施例２および比較例１のパウダーにおける剪断速度と１３００℃での粘度との関係を図６示す。

表１の比較例１のパウダーを使用した場合、高速鋳造においては潤滑性の問題はなかったが、鋳片疵が多数存在していた。また、より高速で鋳造するために粘度を低下させた比較例２のパウダーを使用した場合、さらに、鋳片疵が発生する傾向が認められた。

これに対して、本発明を満たす実施例１、２、４においては、潤滑性、パウダー巻き込みともに問題なく、良好な結果が得られることが確認された。また、実施例３のように２ｍ／ｍｉｎの高速鋳造においても、同じ速度の鋳造である比較例２よりも大幅にパウダー欠陥が低減されていることが確認された。

鋳型内の状態を模式的に示す図。 パウダーの剪断速度と１３００℃における粘度との関係を従来のパウダーと本発明のパウダーと比較して示す図。 ＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＣａＦ_２の三元状態図。 １６００℃におけるＣａＦ_２−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３の三元状態図。 ＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３の三元状態図。 パウダーの剪断速度と１３００℃における粘度との関係を実施例２と比較例１と比較して示す図。

符号の説明

１……鋳型
２……浸漬ノズル
３……溶鋼
４……粉末層
５……溶融層

Claims (5)

1. ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、フッ化物、アルカリ金属酸化物のうち２種以上の物質を主成分とし、１３００℃で２液相または固液共存相を有することを特徴とする鋼の連続鋳造用パウダー。
2. ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、フッ化物、アルカリ金属酸化物のうち２種以上の物質を主成分とし、さらにＮを含有することを特徴とする鋼の連続鋳造用パウダー。
3. プリメルト基材を含み、Ｎの一部または全部が該プリメルト基材に含まれていることを特徴とする請求項２に記載の鋼の連続鋳造用パウダー。
4. ＣａＯ／ＳｉＯ_２の値が０．５〜１．５の範囲であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造用パウダー。
5. Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃｒの窒化物および炭化物のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造用パウダー。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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