JP2011152588A

JP2011152588A - 下注ぎ鋳造方法

Info

Publication number: JP2011152588A
Application number: JP2011082822A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Nishino; 和久西野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP5287920B2

Abstract

【課題】外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合、鋳造時の天候状態が良くない場合であっても、水素性表面欠陥の発生を防止する。
【解決手段】外気温、露点温度、および、鋳型温度の変化を計測し、凝固シェル内にトラップされ、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分をなくすように鋳型の予熱を行う、初晶がγ相で凝固する鋼種の下注ぎ鋳造方法である。
【効果】外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合に、鋳造時の天候状態が良くない場合であっても、インゴットの水素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２

Description

本発明は、水素性表面欠陥の少ない下注ぎ鋳造方法に関するものである。

例えば図３に示すように、定盤１上に設置した注入管２から、同じく定盤１上に配した鋳型３内に溶鋼４を注入する下注ぎ鋳造法によって製造されたインゴットには、その表皮下に水素性欠陥が生成される場合がある。なお、図３中の２ａは注入管２の内壁面を形成する注入管煉瓦、５は注入管２と鋳型３間を繋ぐべく定盤１内に設けられた湯道の内壁面を形成する湯道煉瓦（湯道煉瓦５のうち、鋳型３への上昇部分を湯上り煉瓦５ａと言う）、６は押湯ボードである。

前記インゴットの表皮下に生成された水素性欠陥は、圧延や鍛造によって圧着されることがなく、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ことになるので、有害な欠陥である。

そこで、鋳造時における溶鋼への水素の吸収による水素欠陥やアルゴンガス巻き込みによる表層のブローホールを防止するため、注入管と注入管煉瓦との間を真空ポンプで吸引しながら，減圧鋳造する方法が特許文献１で開示されている。

ところで、例えば鍛鋼品の場合、その用途専用の鋳型がある場合もある。このような時には１箇月の鋳型使用回数が数度といった場合も多々あり、前回鋳造後、次回鋳造までに比較的長い時間が経過し、鋳型温度が外気の温度に近い状態になっている。

このような外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合、鋳造時の天候（気温や湿度）状態によっては、前記特許文献１で開示された技術でも、水素性表面欠陥を防止することができない。

特開平５−３１８０２７号公報

本発明が解決しようとする問題点は、外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合、鋳造時の天候状態によっては、特許文献１で開示された技術でも、水素性表面欠陥を防止することができないという点である。

本発明の下注ぎ鋳造方法は、
外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合、鋳造時の天候状態が良くない場合であっても、水素性表面欠陥の発生を防止するために、
予熱手段を用いて鋳型を加熱することにより、外気温近傍の温度まで低下した鋳型の内表面温度を、結露によって鋳型内表面に水分が形成されないように、露点温度以上とした後に、
該鋳型内に溶湯を注入する初晶がγ相で凝固する鋼種の下注ぎ鋳造方法において、
外気温の変動が大きい日で、かつ露点温度が高くなった場合に、熱容量が大きく、外気温の変化に対しすぐに追従しない鋳型の温度を露点温度が上回る場合に備え、外気温、露点温度、および、鋳型温度の変化を計測し、
凝固シェル内にトラップされ、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分をなくすように該鋳型の予熱を行い、鋼塊を自由鍛造した丸棒の表面から４０mmの表面疵欠陥個数を１個／m²以下としたことを主要な特徴としている。

本発明の下注ぎ鋳造方法における前記予熱手段としては、温風送風機を用いて発生させた温風を、注入管上部の注入口から鋳型内面に向かって送風するものを使用することが、後述する理由により望ましい。

本発明の下注ぎ鋳造方法における鋳型の加熱は、鋳型の内表面を直接加熱するものに限らず、鋳型の外表面を加熱して鋳型の内表面温度を露点温度以上とするものでもよい。

本発明によれば、外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合に、鋳造時の天候状態が良くない場合であっても、インゴットの水素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。

ある１日の外気温、露点温度、鋳型温度の変化を示した図である。本発明方法の概略説明図である。下注ぎ鋳造方法の概略説明図である。

本発明では、外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造を行う場合、鋳造時の天候状態が良くない場合でも、水素性表面欠陥の発生を防止するという目的を、外気温、露点温度、および、鋳型温度の変化を計測し、凝固シェル内にトラップされ、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分をなくすように鋳型の予熱を行うことで実現した。

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及び図２を用いて説明する。
発明者は、高炭素鋼の鋼塊を２程度の鍛造比で鍛伸した後、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あけ、放出されたガスを分析した。その結果を下記表１に示すが、その大半が水分から分離したＨ₂ガスであり、一部Ｈ₂Ｏ（水蒸気）としても検出された。

これより、前記の空隙性欠陥は水素に起因して生成されるものであることが判明した。また、この空隙性欠陥は、インゴットの押湯で採取した溶鋼の水素値とは無関係で、水素分析値と空隙性欠陥に相関はないことも分かった。すなわち、特許文献１で開示された方法のように、注入管や湯道煉瓦を減圧保持して鋳造し、水素の吸収を抑え、溶鋼の水素分析値を下げたとしても、鋼塊の表面付近に生成される空隙性欠陥の防止効果が得られないことが判明した。

更に、５月のある１日に調査を行なった結果、露点温度、鋳型温度と空隙性欠陥に相関があることが判明した。この調査を行なった日の外気温、露点温度、鋳型温度を図１に示すが、外気温の変動が大きい日で、かつ雨天などによって露点温度が高くなった場合に、温度変化の小さな鋳型温度を露点温度が上回る場合があった。

これは、鋳型は熱容量が大きく、外気温の変化に対し、すぐに鋳型の温度が追従しないためである。そして、このような条件で、鋳型の内面に結露が観察された。更に、この鋳型を使用して溶製したインゴットを鍛造して丸棒に仕上げた後、超音波探傷により欠陥調査をすると、表面近辺に微小な空隙が多数観察された。

これは、鋳型の表面の水分が溶鋼と接触した際、溶鋼に吸収される水分もあるものの、鋳型表面では冷却速度が速いので、水分の一部は凝固シェル内にトラップされて、固相の水素飽和溶解度を超えた分がブローホール化していることが判明した。

これより、発明者は、インゴットの表面に発生する水素性欠陥を防止するには、鋳型を結露しない温度まで昇温しておく、つまり鋳型を露点以上に予熱すれば良いことを見出した。

すなわち、本発明の下注ぎ鋳造方法は、予熱手段を用いて鋳型を加熱することにより、外気温近傍の温度まで低下した鋳型の内表面温度を、結露によって鋳型内表面に水分が形成されないように、露点温度以上とした後に、該鋳型内に溶湯を注入する初晶がγ相で凝固する鋼種の下注ぎ鋳造方法において、外気温の変動が大きい日で、かつ露点温度が高くなった場合に、熱容量が大きく、外気温の変化に対しすぐに追従しない鋳型の温度を露点温度が上回る場合に備え、外気温、露点温度、および、鋳型温度の変化を計測し、凝固シェル内にトラップされ、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分をなくすように該鋳型の予熱を行い、鋼塊を自由鍛造した丸棒の表面から４０mmの表面疵欠陥個数を１個／m²以下としたものである。

このように、本発明の下注ぎ鋳造方法では、凝固シェル内にトラップされ、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分をなくすように、外気温近傍の温度まで低下した鋳型の内表面の温度を上げることで、水素性表面欠陥を防止するのである。

鋳型の内表面の温度を上げる手段としては、図２に示すように、注入管２より温風を吹き込む方法が、溶鋼と接する部分（注入管煉瓦２ａ、湯道煉瓦５、湯上り煉瓦５ａ、鋳型３、押湯ボード６）全ての温度を露点温度以上とすることができ、また、燃焼により水分を生成しないので最も優れている。

この温風を吹き込んで予熱する場合、温風の温度は高いほうが良いが、鋳型内にパウダーを設置したり、押湯ボードを設置する必要があるため、温風温度はそれらの資材が燃焼する温度以下に抑えなければならないことは言うまでもない。具体的には、温風の温度は２５０℃以下である。

しかしながら、図２に示したように、ガスバーナーで鋳型５の外表面を直接炙る方法や、鋳型５の周りで蒔きや炭を焚いて鋳型５の温度を上げる方法も有効である。また、チューブの中でバーナーを焚き、チューブを予熱したい場所に通すことで、予熱したいものに直接炎があたらないで予熱するラジアントチューブ方式も採用可能である。このラジアントチューブ方式の場合、燃焼で生成したＨ₂Ｏが付着しない利点がある。

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。
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を、２本を同時に予熱した。

前記予熱は、温風送風機で発生した温風を注入管から投入した場合、バーナーにより鋳型の側面から炙った場合、鋳型の周囲を囲うように木炭を置いて連続的に燃焼させた場合の三種類で行なった。

温風送風機は、電気ヒーター式で、容量は２００KW、風量は最大５０Nm³／分、風圧は６．５KPa（at ５０Nm³／分）のものを使用したが、予熱する鋳型の総重量と予熱時間によって、使用する温風送風機の容量や風量を変化させることは言うまでもない。なお、温風の熱源としては、電気、ＬＮＧ燃焼、石油燃焼などがあり、特に限定されないが、電気加熱を熱源とする温風が望ましく、その場合の電気ヒーターの容量は、実用的な範囲では５０〜５００KW程度と考えられる。また、風量最適範囲は１００Nm³／分以下であれば大抵の条件は網羅されると考えられる。

また、バーナーによる予熱は、鋳型の高さの半分の位置における同一水平断面の均等角度位置の３箇所から、３０万kcal／hのバーナーを使用して行った。使用した燃料はＬＮＧであるが、ブタン、Ａ重油、Ｃ重油、ＣＯガスを使用してもよい。なお、使用するバーナーの容量は、必要な熱量から逆算して決めるが、一般的には１０万〜５０万kcal／hのバーナーを使用すれば良い。なお、風量は燃焼量によって決定される。

比較として、予熱なしで、鋳型の温度が略露点温度となる場合についても実験を行なった。
その結果を、実験条件と共に下記表２に示す。なお、表２中における鋳型温度は、熱源から一番遠く、温度が上がりにくい場所である内壁面の上端の温度であり、熱電対により計測した。

表面疵の評価は、下記表３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、その表面から超音波探傷して空隙性欠陥の分布状況を調査した。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。

表２より明らかなように、鋳型を予熱して、露点温度以上とした場合の欠陥低減効果は明白である。但し、予熱効果は初晶がγ相で凝固する鋼種（表２では高炭素鋼）より、初晶がδ相である鋼種（表２では二相ステンレス鋼）で欠陥低減効果が大きい。これは、γ相に比べδ相の水素溶解度が低いため、固溶しなかった水素がよりブローホールとして排出されるためである。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、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、Ｓ５５Ｃに限らず、インゴットの表面に水素性表面欠陥が発生するものであれば、他の鋼種の鋳造にも適用できる。

１定盤
２注入管
２ａ注入管煉瓦
３鋳型
４溶鋼
５湯道煉瓦
５ａ湯上り煉瓦
６押湯ボード

Claims

予熱手段を用いて鋳型を加熱することにより、外気温近傍の温度まで低下した鋳型の内表面温度を、結露によって鋳型内表面に水分が形成されないように、露点温度以上とした後に、
該鋳型内に溶湯を注入する初晶がγ相で凝固する鋼種の下注ぎ鋳造方法において、
外気温の変動が大きい日で、かつ露点温度が高くなった場合に、熱容量が大きく、外気温の変化に対しすぐに追従しない鋳型の温度を露点温度が上回る場合に備え、外気温、露点温度、および、鋳型温度の変化を計測し、
凝固シェル内にトラップされ、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分をなくすように該鋳型の予熱を行い、鋼塊を自由鍛造した丸棒の表面から４０mmの表面疵欠陥個数を１個／m²以下としたことを特徴とする下注ぎ鋳造方法。