JP2007111761A - 合金溶湯の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝固鋼塊の偏析の防止と組織の微細化を達成するとともに、鋼塊肌を改善できる新しい合金溶湯の鋳造方法を提供する
【解決手段】 合金溶湯を保持するタンディッシュより、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へスラグを介して、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、鋳型下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く合金溶湯の鋳造方法であって、前記タンディッシュからの合金溶湯の供給は、１本または複数本のノズルを用い、かつ前記スラグ上面の供給位置を移動させながら行う合金溶湯の鋳造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中心偏析、逆Ｖ偏析等の偏析を防止し、微細組織を形成することができる合金溶湯の鋳造方法である。

従来、偏析が少なく、微細組織が得られる合金溶湯の鋳造方法として、真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）が良く用いられている。これらの方法は、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間において、溶湯プールを形成させつつ、凝固させるものであり、凝固空間が小さく、積み上げるように凝固させる一般に積層凝固と呼ばれる凝固形態となる。
この積層凝固の形態は、凝固空間が小さいことに起因して、インゴット鋳造で発生する中心偏析や、逆Ｖ偏析といった偏析の発生を緩和することができる。また、水冷モールドの使用により、冷却速度を高めることができるため、組織が微細均一になるという利点もある。

このように、有効な特徴をもつ再溶解法であるが、ＶＡＲ，ＥＳＲともに、再溶解用電極を製造する必要があり、多くの工数と、再溶解のためのエネルギーを必要とするものであった。
この様な問題を解決しようとする方法として、スラグ反応により精錬効果が期待できるＥＳＲ法を起源として、電極を使わず細滴化した溶湯を、加熱溶融したスラグ層中を通過させ、精錬槽底部から鋳塊を引き抜く技術が、特許文献１に示されている。
特開昭６２−４８４０号公報

上述した特許文献１に記載される具体的な方法は、溶鋼を精錬槽中に保持し、溶鋼を別に設けた水冷モールドから引き出すという連続鋳造法を開示するものである。特許文献１では、これを積層凝固と称しているが、ＥＳＲやＶＡＲ法における技術分野における積層凝固は、上述した通り、積み上げるように凝固させるものであって、特許文献１に開示される方法とは異なるものである。
そのため、特許文献１においては、スラグの精錬効果を発揮させるのには有効であるが、表層部のみが凝固した状態で引き抜かれざるを得ない連続鋳造法を適用しているため、特に高合金鋼における中心偏析やセンターポロシティという欠陥の発生が問題となる。

そのため、本発明者等が研究を続けたところ、溶湯を、水冷モールドに向けてスラグを介して溶湯を供給することでも、ＥＳＲに近似する凝固空間の小さな溶湯プールが形成できることを見出し、さらに、スラグによる、溶湯プール表面の断熱及び外気遮断の作用によって、微細均一組織をもった鋳塊を得ることができることを見出した。
しかしながら、鋼塊径が大きくなるに従ってＥＳＲに近似する溶湯プール形状を形成することが困難になってくる。つまり、溶湯供給位置のみに深いプールが形成され、その外周部はモールド面に向かって急激にプール深さが浅くなる三次曲線様のプール形状になるという問題がある。深いプールが形成されるということは冷却速度の低下を意味する。これは、冷却速度の低下のみならず積層凝固という凝固形態がくずれることになり、前述の様々な特徴が失われることになる。

プール形状の不具合は凝固界面の不具合に等しい。凝固界面が前記状態で進展するならば凝固組織均一化の程度が低下する。特に溶湯が集中的に滴下しプールが深く発達した領域においては凝固速度が低下しており、成分による晶出速度違いの影響に敏感となり偏析等の欠陥発生の原因となる。
本発明の目的は、凝固鋼塊の偏析の防止と組織の微細化を達成するとともに、鋼塊肌を改善できる新しい合金溶湯の鋳造方法を提供することである。

本発明者らは、溶湯の供給位置を移動させながら行うことにより、上記課題が解決できることを見出し本発明に到達した。
すなわち本発明は、合金溶湯を保持するタンディッシュより、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へスラグを介して、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、鋳型下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く合金溶湯の鋳造方法であって、前記タンディッシュからの合金溶湯の供給は、１本または複数本のノズルを用い、かつ前記スラグ上面の供給位置を移動させながら行う合金溶湯の鋳造方法である。

本発明によれば、溶湯から直接に、鋼塊径の大きい積層凝固鋼塊を得ることができるため、低コストかつ高い生産性を確保できる。また、本発明は、偏析の発生、鋳肌の劣化しやすい高合金の製造に適用すれば、工数を飛躍的に低減できるため、特に有効なものとなる。

本発明において、再溶解法のような電極を使わず、積層凝固するためには、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下という低速の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ供給した溶湯を速やかに凝固させることが必要であり、そのために水冷モールド壁で囲まれた凝固空間とすることが必要である。そして、本発明では合金溶湯の注入速度に応じて、鋳型下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く。これにより、一定形状のメニスカスを形成し、ＥＳＲと同様な、微細均一組織の積層凝固鋳塊を得ることができるものである。

上述した基本的な工程に加えて、本発明が採用する重要な特徴は、タンディッシュからの合金溶湯の供給を、スラグ上面の供給位置を移動させながら行うことである。
本発明のように非常に低速で鋳造する場合においては注入溶湯による適正プール形状の確保が重要である。合金溶湯の供給は、スラグ上面の供給位置を移動させることにより、溶湯を供給する位置を固定してしまうことによって、溶湯供給位置のみに非常に深いプールが形成され、その外周部はモールド面に向かって急激にプール深さが浅くなる三次曲線様のプール形状になるのを防ぐことができ、冷却速度の低下を防止することができるものとなる。

また、溶湯の供給位置を水冷モールドの中心位置に固定せず、移動させるようにすると溶湯から供給される熱によるスラグの均熱化が可能となり、水冷モールド近傍でスラグが広い範囲で固化することによる鋼塊肌の劣化を防止することができる。具体的には、引き抜き動作時の固化スラグの同時降下が抑制されるため、スラグのクラックあるいは未発達の凝固シェルのクラックによる溶鋼の滲み出しの防止ができ、鋼塊肌を改善することができる。またスラグの固化を抑制する事は、鋳塊の冷却速度を向上することが可能となる。

本発明における溶湯滴下位置の移動に関しては、タンディッシュ位置を移動させる機構を設けることが好ましい。タンディッシュを水平２軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なテーブルの上に設置し、Ｘ方向とＹ方向の移動を独立して、かつ関連付けながら制御することにより所望の滴下位置プロフィルを描くことができる。すなわち、例えば円運動、方形運動、正弦波運動等が可能である。

また、本発明において使用するノズルは、１本または複数本のノズルとすることができる。複数本のノズルを使用することは、スラグの均熱化にとっては有利である。しかし、タンディッシュの構造の複雑化やノズルが閉塞しやすいという問題もあり、１本ノズルが現実的には有利である。
なお、本発明においてタンディッシュとは、溶湯を保持する容器であればどのようなものでもかまわず、たとえば必要に応じて加熱手段を持つものでも良い。
また、水冷モールドによって形成される鋳型の形状は、凝固形態の均一性からは円形が好ましいが、鋳塊形状と製造性等を考慮し、楕円や矩形としても良い。

本発明において、スラグは、溶湯の脱硫といった精錬作用に加えて、溶湯プール表面の断熱及び外気遮断にとって重要である。
鋼の溶湯の場合、１４００℃を超える融点を有するスラグでは、溶湯からの伝熱だけでは、十分に液化できない場合があり、溶湯プールを囲むスラグ固化層シェルが発達しすぎて、鋳塊外層に異常組織が深く形成する場合がある。これに対して、１４００℃以下のスラグでは、溶鋼からの熱を受けてスラグの固化が抑制され鋳塊外層の異常組織形成が著しく抑制される。また、このような低融点スラグは、粘性も低く鋼塊表面に不必要に厚いスラグスキンが形成されないという効果もある。

さらに、このような低融点スラグの適用により、適度なスラグ固化層が形成され、鋳塊と水冷モールドの間に殆どスラグが侵入せず、かつ凝固シェルにクラックの発生を抑制できる。これにより、溶湯と水冷モールドとの直接接触が回避され、良好な鋳肌のまま水冷モールドに沿って引き抜くことができるため、好ましいものとなる。
なお、スラグとして融点５００℃以下のものは、現実的ではなく、５００〜１４００℃の低融点スラグを使用するのが望ましい。
スラグ融点は、たとえばスラグを構成するＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＦ_２−ＳｉＯ_２の含有比率を変えることで調整することができる。

また、本発明は、ＥＳＲのような電極からのジュール熱による熱エネルギーの供給ではなく、あらかじめ溶けた溶湯を使用するため、スラグへの特別な加熱手段は必ずしも必要ではない。しかし、スラグの温度コントロールのために、別途加熱手段を設けることもできる。加熱手段としてはスラグ通電で得られるジュール熱の利用が簡便で有効な手段である。スラグ全体の温度を上げず、保温部材内面でのスラグ固化成長を抑えるには、スラグ外周部に集中して電気が流れるように通電用電極を設置することが好ましい。スラグを加熱することで、表層異常組織の生成を抑制することができ、融点の高いスラグの有害性を緩和することができる。過度に高温までスラグを加熱すると、スラグから溶鋼への熱移動がおこるため、冷却速度が遅くなる。加熱する場合のスラグ温度としては鋳込み温度以下が好ましい。

溶湯滴下位置を制御するにおいて、スラグ加熱を用いる場合と用いない場合では制御プロフィルを調整することが好ましい。たとえばスラグ加熱により熱エネルギーが供給される領域には、スラグへの熱エネルギーの供給の目的では溶湯を滴下する必要はない。このとき、均熱手段としてスラグ加熱が主である領域と溶湯滴下による熱が主である領域での溶湯プール形状が不連続とならないように、溶湯滴下位置を制御すると良い。
滴下位置制御は、簡易的には滴下位置のプール溶湯量に比例するように制御することができる。これは、滴下溶湯からの熱移動は滴下位置鉛直方向のみに発生する考えに基づく。

また、本発明において、合金溶湯の注入速度を凝固空間への合金溶湯の積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下としたのは、速すぎると、積層凝固の目的とする偏析の少ない均質な組織が得にくくなること、溶湯中へのスラグ巻き込みのおそれがあるためである。より好ましくは０．１ｍ／分以下、さらに望ましくは０．０５ｍ／分以下である。生産性を考慮すれば、０．００５ｍ／分以上とすることが望ましい。

本発明において特に有効なのは、固液共存温度幅が大きく湯流れ性が不十分、かつ凝固収縮が大きい領域を持つ合金の鋳造である。たとえば、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ以外の金属元素を５質量％以上含有するか、もしくはＣを０．１〜３．０質量％含有する鉄基材料の鋳造に有効である。たとえばＪＩＳ ＳＫＤ１１やＳＫＨ５１といった工具鋼、あるいは高速度工具鋼への適用が可能である。

本発明を実施する装置を使用した本発明の鋳造工程の一例を図１に示す。図１は装置断面を示すものであり、合金溶湯１１を保持するタンディッシュ１０，水冷モールド２，鋳塊の引き抜きを行う昇降装置２０を具備する装置である。タンディッシュ１０はモーター駆動式Ｘ−Ｙテーブル４０の上に設置し、プログラム制御により水平方向に任意のプロフィルで移動が可能である。そして、水冷モールド上部には、保温部材として黒鉛スリーブ３を配置している。水冷モールド下方には２次冷却帯３０を配置している。
また、付加装置として、合金溶湯と外気を遮断するシールド１４およびスラグ通電電極１５を配置可能としている。

図１に示す装置において、合金溶湯１１を保持したタンディッシュ１０の底部に設けたノズル１２から溶湯流１３として、スラグ１を介して水冷モールド２に注入する。注入位置はＸ−Ｙ運動の組み合わせで円運動とし、かつ一周毎に運動半径を変化させて円面全体に溶湯を滴下させる。
たとえば溶湯滴下位置は中心から始め、一周毎に半径を漸増させる。具体的には半径を１０、２０、４０、８０、１６０ｍｍと変化させ、一周に要する時間を１０秒とするといった制御を行うことが有効である。
そして、合金溶湯１１の注入量に合わせて、昇降装置２０を降下して鋳塊５を引き抜くことで、一定のメニスカス位置を保ちつつ、積層凝固を進行させる。また、水冷モールドから抜け出た鋳塊は２次冷却帯３０でミスト冷却する。

これにより、水冷モールド２に内装した保温部材である黒鉛スリーブ３の下端より所定位置上方にメニスカス上面位置を有する下に、図２に示す如く凸の二次曲線プロフィルを有する溶湯プール４を形成でき、水冷モールド（保温部材）側にシェルを形成することができる。なお、溶湯の供給位置を中心に固定した場合に典型的に発生する溶湯プールのプロフィルを図３に示しておく。

本発明によれば、このような急冷凝固を行うことで金属組織の微細化が図られ低コストで鋼材性能に優れる鉄鋼材料を供給することでき、省資源・省エネルギーという観点でも広く需要が見込まれる。

本発明を適用する装置の一例を示す概念図である。 本発明で形成される溶湯プールのプロファイル例を示す図である。 本発明を適用しない場合で形成される溶湯プールのプロファイル例を示す図である。

符号の説明

１．スラグ、２．水冷モールド、３．黒鉛スリーブ、４．溶湯プール、５．鋳塊
１０．タンディッシュ、１１．合金溶湯、１２．ノズル、１３．溶湯流
１４．シールド、１５．スラグ通電電極、２０．昇降装置、３０．２次冷却帯
４０．モーター駆動式Ｘ−Ｙテーブル

Claims (1)

1. 合金溶湯を保持するタンディッシュより、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へスラグを介して、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、鋳型下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く合金溶湯の鋳造方法であって、前記タンディッシュからの合金溶湯の供給は、１本または複数本のノズルを用い、かつ前記スラグ上面の供給位置を移動させながら行うことを特徴とする合金溶湯の鋳造方法。