JP2011011227A

JP2011011227A - 鋼の下注造塊方法

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Publication number: JP2011011227A
Application number: JP2009157006A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Nishino; 和久西野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: JP5458701B2

Abstract

【課題】鋳込み中に反応したH₂ガスやCOガスに起因するブローホール性表面欠陥の発生を防止する。
【解決手段】鋳型３の底部から溶鋼４ａを注入する鋼の下注造塊方法である。鋳型内部への溶鋼４ａの注入前に、鋳型上部に蓋７をして鋳型内部を大気と遮断した後、鋳型内部に不活性ガスまたは窒素ガスを吹き込んで鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下にしておく。その後の鋳型内部への溶鋼注入中も、必要に応じて鋳型内部に不活性ガスまたは窒素ガスを吹き込んで鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に維持する。鋳型内に注入された溶鋼表面に添加する鋼塊被覆剤６におけるH₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量を１質量％以下とする。
【効果】鋳込み中に反応したガスに起因して形成されるブローホール性表面欠陥を防止でき、その欠陥を起源とした製品の外面における線状疵や表面直下の空隙欠陥を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インゴットの表皮下に、ブローホール性の表面欠陥を生成することの少ない、鋼の下注造塊方法に関するものである。

下注造塊方法は、例えば図２に示すように、定盤１の上面に設置した注入管２から、定盤１の内部に形成された湯道１ａ及び湯上り１ｂを介して、同じく定盤１の上面に配した鋳型３内に溶鋼を注入することによりインゴット４を製造する方法である。なお、図２中の５は押湯スリーブ、６は鋼塊被覆剤を示す。

前記下注造塊方法によるインゴットの造塊時、溶鋼が大気と接触するのを避け、溶鋼の酸化、窒化、あるいは水素のピックアップの発生を防止するために、取鍋と注入管の間をアルゴンガスによってシールしている。

このシールをより完全なものとするために供給するアルゴンガス量が多すぎると、アルゴンガスが溶鋼に混入することになって、凝固時、インゴットの表面の凝固前面のデンドライトアーム間にアルゴンガス気泡として捕捉され、欠陥となる場合がある。

このようなインゴットの表皮下に生成するブローホール性の欠陥は、圧延や鍛造により圧着されることがないので、製品の外面における線状疵や表面直下の空隙欠陥として残存する有害な欠陥である。

前記ブローホール性欠陥の原因となる、溶鋼へのアルゴンガスの溶け込みや、水素の吸収を防止するため、注入管と注入管煉瓦の間を真空ポンプで吸引しながら、減圧鋳造する方法が開示されている（特許文献１）。

しかしながら、この特許文献１で開示された技術では、鋳型の内面で反応したH₂ガスやCOガス等の鋳込み中に反応したガスに起因するブローホール性表面欠陥に対する改善効果を得ることができない。

特開平５−３１８０２７号公報

本発明が解決しようとする問題点は、注入管と注入管煉瓦の間を真空ポンプで吸引しながら減圧鋳造する技術では、鋳込み中に反応したガスに起因するブローホール性表面欠陥に対する改善効果も得ることができないという点である。

本発明の鋼の下注造塊方法は、
鋳型の内面で反応したH₂ガスやCOガス等の鋳込み中に反応したガスに起因するブローホール性表面欠陥の発生を防止するために、
鋳型の底部から溶鋼を注入する鋼の下注造塊方法であって、
鋳型内部への溶鋼の注入前に、鋳型上部に蓋をして鋳型内部を大気と遮断した後、鋳型内部に不活性ガスまたは窒素ガスを吹き込んで鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下にしておき、
その後の鋳型内部への溶鋼注入中も、必要に応じて鋳型内部に不活性ガスまたは窒素ガスを吹き込んで鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に維持し、
かつ、鋳型内に注入された溶鋼表面に添加する鋼塊被覆剤におけるH₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量を１質量％以下とすることを主要な特徴としている。

本発明では、不活性ガスまたは窒素ガスにより、鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に保持したまま鋳込を実施するので、大気の侵入を抑制でき、大気中酸素と造塊被覆剤中Cや鋼中Cとの反応によるCOガスの発生を抑制できる。

また、H₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量が１質量％以下の鋼塊被覆剤を使用することにより、鋼塊被覆剤からのH₂ガスやCOガスの混入を防止できる。

本発明によれば、鋳込み中に反応したガスに起因してインゴットに形成されるブローホール性の表面欠陥を防止でき、その欠陥を起源とした製品の外面における線状疵や表面直下の空隙欠陥を低減できる。

本発明方法の概略説明図である。下注造塊方法の概略説明図である。

本発明では、鋳込み中に反応したガスに起因するブローホール性表面欠陥の発生を防止するという目的を、不活性ガスまたは窒素ガスにより、鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に保持したまま鋳込を実施し、また、H₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量が１質量％以下の鋼塊被覆剤を使用することによって実現した。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に本発明を実施するための最良の形態について、図１を用いて説明する。
発明者は、２程度の鍛造比で鋼塊を鍛伸した後、欠陥の位置を超音波検査で特定し、鋼塊の表面付近に存在していたと推定される空隙性欠陥に、真空中で特殊なドリルで穴を開け、放出したガスの分析を行った。その結果を下記表１に示すが、H₂ガスならびCO₂ガスが検出された。

このうちのH₂ガスは、鋼材中のHの拡散により空隙部に集積したものが主因と考えられるが、CO₂ガスは拡散により生成するとは考え難く、外部から混入したものと考えられる。

そこで、外部から混入したと考えられるCOガス、CO₂ガスの混入原因について検討したところ、大気と、鋼中あるいは鋼塊被覆剤の主成分であるCとの反応により混入する場合と、鋼塊被覆剤からの供給により混入する場合の２つの要因が推定された。

〔大気と、鋼中あるいは鋼塊被覆剤の主成分であるCとの反応による混入について〕
鋳込が開始されて鋳型内に溶鋼が注がれると、溶鋼の熱により鋳型内の中央に大気の上昇流が生じ、外周部からそれを補うため外気が流入して、空気の対流が生じる。この対流によって、鋳型内の溶鋼表面に酸素が供給され、この酸素が鋼中あるいは鋼塊被覆剤の主成分であるCと反応することでCOガスが発生する。

これが、湯面の躍動によって鋼中に巻き込まれ、ブローホールとして存在することが判明した。また、ブローホールばかりでなく、酸化物化して介在物として鋼中に捕捉されることもある。

以上の検討結果より、前者によるCOガスの混入を抑制するには、大気との反応を抑制する必要があり、鋳型の上部に蓋を設置し、上昇流によって外部から大気が巻き込まれることを防止することが効果的であることが分かった。

〔鋼塊被覆剤からの供給について〕
鋼塊被覆剤は、SiO₂，Al₂O₃，CaO，Na₂O，K₂O，CaF₂，Cを主成分とし、所定の組成になるように原料を配合して製造されるが、H₂O，CO₂を化合物として含んだ原料（例えばフライアッシュ、ポルトランドセメント）を使用する場合もある。

なお、フライアッシュとは、シリカ（SiO₂）とアルミナ（Al₂O₃）を主成分とし、少量の酸化第２鉄（Fe₂O₃）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化カルシウム（CaO）等を含むものである。また、ポルトランドセメントとは、ケイ酸三カルシウム（エーライト、3CaO・SiO₂）、ケイ酸二カルシウム（ビーライト、2CaO・SiO₂）、カルシウムアルミネート（アルミネート、3CaO・Al₂O₃）、カルシウムアルミノフェライト（フェライト、4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃）、硫酸カルシウム（石膏、CaSO₄・2H₂O）の混合物である。

そして、大気中の酸素と反応してCOを生成するCのうち、粒径が小さいものは、基材を覆って溶融速度を制御する効果や、潤滑性が良くなるために安息角が低下して鋼塊被覆剤を均一に広がらせる効果がある。これらは、鋼塊肌を著しく改善する効果を有しているので、Cは適度に添加しなければならず、鋼塊被覆剤から排除することはできない。

以上より、COガスの発生を抑制するには、鋼中のCを下げる、鋼塊被覆剤中のC含有量を下げる、或いは雰囲気中の酸素を低減することにより可能であるものの、鋼中Cの低減は材料性能への影響があるため採用することはできない。また、鋼材被覆剤中のCの低減も鋼塊肌の悪化を招くことからできる限り避けることが望ましい。

従って、COガスの発生を抑制するために採用できる第１の手段は、雰囲気中の酸素を低減することであり、そのためには、鋳型内への大気侵入を防ぐために鋳型内を大気から遮断し、不活性ガスまたは窒素ガスで置換することが有効であることが判明した。

次に、鋼塊被覆剤自体からの気体供給であるが、鋳型内に吊り下げる方法と二重定盤上に入れ置く方法が一般的である。

何れの方法も、鋳型内への溶鋼の流入時、鋼塊被覆剤を二重以上で梱包しているビニール袋及び紙袋が、湯上りから鋳型内に跳ね上がった溶鋼の熱によって燃焼し、鋼塊被覆剤が溶鋼上に広がって溶融することで、溶鋼への外気の接触を断絶する。

この溶融する段階で鋼塊被覆剤自体にH₂O，CO₂分が含有されている場合、これらが外気側に放出されず溶鋼中に捕捉される可能性がある。また、多数回使用した鋳型の場合、鋳型に溶融して凹んだ部分が存在する。湯面上昇と共にこのような部位に鋼塊被覆剤が捕捉されると、H₂O，CO₂分は外気へ抜けることなく、溶鋼中に捕捉される可能性が高くなる。従って、鋼塊被覆剤中のH₂O，CO₂はできる限り低減することが必要である。

本発明の鋼の下注造塊方法は、以上の知見に基づいてなされたものであり、例えば以下のようにして鋼の造塊を行う。

先ず、溶鋼４ａの流入により発生する大気の対流を抑制するため、鋳型３の内部への溶鋼４ａの注入前に、図１のように、鋳型３の上部に、中央に孔を開けた鉄製の蓋７を載せて鋳型３の内部を大気と遮断する。その際、蓋７と鋳型３の隙間に耐火性の布を置いて密閉性を高めることが望ましい。

そして、蓋７の前記孔からArガスを吹き込む直径１０mmのゴムホース８と、鋼塊被覆剤６を吊り下げる荒縄、ならびに本発明方法の効果を確認するための酸素濃度分析用のガス吸引用の直径１０mmのシリカチューブを差し込む。

その後、鋳型３の内部にArガスを吹き込み、鋳型３の内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下にする。

この１質量％の酸素濃度は、一般的な測定で時間の経過と酸素濃度の変化を見た場合に、酸素濃度低減速度の変化が１分当り０質量％前後となる酸素濃度であり、ほぼ鋳型内の大気（酸素）が排出されたと考えられる酸素濃度である。

この鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度が１質量％以下かどうかは、実際に酸素濃度を測定しなくても、ガス投入時間と酸素濃度の関係を事前に調査して両者の相関を把握し、所定の時間が経過したことで酸素濃度が１質量％以下となったと判断しても良い。

次に、注入管２から鋳型３の内部に溶鋼４ａを注入する。その際、溶鋼４ａの注入中も、必要に応じて鋳型３の内部にArガスを吹き込んで鋳型３内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に維持する。また、鋳型３内の溶鋼４ａ表面に添加する鋼塊被覆剤６は、H₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量が１質量％以下のものを使用する。

H₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量が１質量％以下の鋼塊被覆剤６を採用するのは、ブローホール性表面欠陥の発生原因となるH₂ガスやCOガスの発生を抑制するためである。

また、原料を厳選した鋼塊被覆剤でも０．３質量％程度のH₂Oがやむを得ず含まれている。一方で原料を厳選しない鋼塊被覆剤の場合は、０．５質量％程度の付着水・結晶水に加えて１質量％以上のCO₂が含まれている。さらに数か月の保管によって付着水が増加する。防湿梱包の実績では、一か月に０．１質量％程度付着水が増加する。

従って、鋼塊被覆剤中のH₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量を１質量%以下としたのは、鋼塊被覆剤の原料対策と、数カ月の保管を考慮したためでもある。

発明者は、前記鋼塊被覆剤に含有されるH₂O，CO₂のうち、H₂Oはカール・フィッシャー法により、またCO₂はTDS（昇温脱離ガス分析）法によって測定したが、H₂OはTDS法によっても測定できる。

上記の本発明では、大気と遮断した鋳型に例えばArガスを吹き込み、大気の侵入を抑制しつつ雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に保持したまま鋳込を実施し、大気中酸素と造塊被覆剤中Cや鋼中Cとの反応によるCOガスの発生を抑制する。

その際、H₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量が１質量％以下の鋼塊被覆剤を使用して、鋼塊被覆剤からのガスの混入を防止する。
これにより、ブローホール性の表面欠陥を生成することの少ない鋼材を溶製することができる。

以下、本発明方法の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
試験に使用した鋳型は１０トン鋼塊用の、内接円の直径が約１１００mm、高さが約２３００mmの、水平断面が八角形の鋳型で、２本同時に鋳込を実施した。

下記表２に示す化学成分の溶鋼を注入して製造した鋼塊を自由鍛造して外径が６００mmの丸棒に仕上げた後、表面を黒皮がなくなる程度までピーリングし、その後、その表面から空隙性欠陥の分布状況を超音波探傷することで表面疵の評価をした。なお、探傷条件は、表面から５mmの深さまでは１５Ｑ１０Ｎ、表面から５〜１５mmの深さまでは１０Ｑ１０Ｎ、表面から１５〜４０mmの深さまでは５Ｑ１５Ｎの超音波探触子を用いて行なった。

試験条件を下記表３に、欠陥の発生個数を下記表４に示す。下記表３中の鋼塊被覆剤は下記表５に示した成分組成を有するもので、種類AはH₂O，CO₂の少ない原料を厳選配合して原料中のH₂O，CO₂分析量をそれぞれ１質量％以下としたもの、種類Bは原料中のH₂O，CO₂分析量が１質量％を超えるものである。

表４より明らかなように、本発明方法（番号１、２、４、６、１３、１４、１６、１７）は、本発明の要件を満たさない比較例（番号３、５、７〜１２、１５）に比べて欠陥の低減効果は明白である。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

以上の本発明は、二相ステンレス鋼、高炭素鋼、Ｓ４５Ｃに限らず、インゴットの表面にH₂ガスやCOガス等の鋳込み中に反応したガスに起因するブローホール性表面欠陥が発生するものであれば、他の鋼種の造塊にも適用できる。

１定盤
２注入管
３鋳型
４ａ溶鋼
５押湯スリーブ
６鋼塊被覆剤
７蓋
８ゴムホース

Claims

鋳型の底部から溶鋼を注入する鋼の下注造塊方法であって、
鋳型内部への溶鋼の注入前に、鋳型上部に蓋をして鋳型内部を大気と遮断した後、鋳型内部に不活性ガスまたは窒素ガスを吹き込んで鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下にしておき、
その後の鋳型内部への溶鋼注入中も、必要に応じて鋳型内部に不活性ガスまたは窒素ガスを吹き込んで鋳型内部の雰囲気中の酸素濃度を１質量％以下に維持し、
かつ、鋳型内に注入された溶鋼表面に添加する鋼塊被覆剤におけるH₂OおよびCO₂のそれぞれの含有量を１質量％以下とすることを特徴とする鋼の下注造塊方法。