JP2019515797A - モールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、モールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法を提供する。【解決方法】鋳造時にモールド内の溶鋼の上部に注入されるモールドフラックスであって、モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％のＣａＳｉと、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物とを含んで、モールドと溶鋼の凝固層との間の熱伝達率を低減して、急激な凝固収縮を抑制することにより、鋳片の品質及び生産性を向上させることを特徴とする。【選択図】図３
Description
本発明は、モールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法に係り、より詳しくは、鋳片の品質及び生産性を向上させることができるモールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法に関する。
一般的に、鋳片は、モールドに収容された溶鋼が冷却帯を通り冷却されて製造される。例えば、連続鋳造工程は、一定の内部形状を有するモールドに溶鋼を注入し、モールド内で半凝固された鋳片を連続的にモールドの下側に引抜きして、スラブ、ブルーム、ビレット、ビームブランク等の様々な形状の半製品を製造する工程である。
このような連続鋳造工程において、鋳片は、モールド内で１次冷却され、モールドを通過した後、鋳片に水が噴射されて２次冷却される過程を経て凝固が行われる。溶鋼は、モールドの縁から凝固が行われ、この時、モールドが周期的に振動しながら摩擦を発生させ、これより連続的な溶鋼注入とモールドでの凝固が行われる。また、モールドの振動時に、潤滑がスムーズに行われることができるように、モールド内の溶鋼の上部にモールドフラックスを塗布し、モールドフラックスは、溶鋼の顕熱により粉末層、焼結層及び液状層を形成するようになる。
このような連続鋳造工程において、鋳片は、モールド内で１次冷却され、モールドを通過した後、鋳片に水が噴射されて２次冷却される過程を経て凝固が行われる。溶鋼は、モールドの縁から凝固が行われ、この時、モールドが周期的に振動しながら摩擦を発生させ、これより連続的な溶鋼注入とモールドでの凝固が行われる。また、モールドの振動時に、潤滑がスムーズに行われることができるように、モールド内の溶鋼の上部にモールドフラックスを塗布し、モールドフラックスは、溶鋼の顕熱により粉末層、焼結層及び液状層を形成するようになる。
溶鋼の上部に注入されたモールドフラックス中の液状層は、溶鋼の凝固層とモールドとの間に流入されて、摩擦を最小限にする機能をするようになる。また、液状層は、モールド壁から再び凝固して熱伝達率の制御に重要な役割を果たす。
一方、鋼の炭素含有量に応じて、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼等に区分され、それぞれの鋼を利用して鋳造された鋳片は、お互いに異なる表面品質を示す。その中、鋼中の炭素含有量が０．０７〜０．２質量％である中炭素鋼は、低炭素鋼や高炭素鋼に比べて凝固中に急激な相変態を伴って、収縮量が著しく大きく、これにより、表面形状が不均一になる。これは、中炭素鋼の相変態時に、液状が固相に変態する凝固と一緒に包晶点を通りながら、固相内で急激な変態が起こるためである。このような中炭素鋼の急激な凝固収縮と変態は、鋳片に不均一な凝固層を形成させ、深刻な表面凹凸により表面クラック等の大きな表面欠陥を誘発する問題点があった。
一方、鋼の炭素含有量に応じて、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼等に区分され、それぞれの鋼を利用して鋳造された鋳片は、お互いに異なる表面品質を示す。その中、鋼中の炭素含有量が０．０７〜０．２質量％である中炭素鋼は、低炭素鋼や高炭素鋼に比べて凝固中に急激な相変態を伴って、収縮量が著しく大きく、これにより、表面形状が不均一になる。これは、中炭素鋼の相変態時に、液状が固相に変態する凝固と一緒に包晶点を通りながら、固相内で急激な変態が起こるためである。このような中炭素鋼の急激な凝固収縮と変態は、鋳片に不均一な凝固層を形成させ、深刻な表面凹凸により表面クラック等の大きな表面欠陥を誘発する問題点があった。
このような問題点を解決するために、モールドの少なくとも一部を熱伝導度の高い材料で構成したり、モールドフラックスの塩基度を増加させて熱伝達効率の良い液状層の比率を減少させることによって、モールドで熱伝達率を減少させて、溶鋼の急激な凝固による不均一性を最小化する等の様々な技術が提案されている。
しかし、前者の場合には、モールドの耐久性が低下して鋳造鋳型として長期間使用することが困難になる問題点がある。そして、後者の場合には、モールドフラックスの塩基度の増加に応じて、液状層の比率が減少し、粘度が増加してモールドと凝固層との間にモールドフラックスがスムーズに流入されなくなり、モールドフラックスの基本的な役割である潤滑の機能が大幅に低下して、これにより、溶鋼の凝固層がモールドに拘束される操業事故が頻繁に発生する虞がある。
しかし、前者の場合には、モールドの耐久性が低下して鋳造鋳型として長期間使用することが困難になる問題点がある。そして、後者の場合には、モールドフラックスの塩基度の増加に応じて、液状層の比率が減少し、粘度が増加してモールドと凝固層との間にモールドフラックスがスムーズに流入されなくなり、モールドフラックスの基本的な役割である潤滑の機能が大幅に低下して、これにより、溶鋼の凝固層がモールドに拘束される操業事故が頻繁に発生する虞がある。
本発明の目的は、鋳造効率を向上させることができるモールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、鋳片の品質を向上させることができるモールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、鋳片の品質を向上させることができるモールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法を提供することにある。
本発明の実施形態に係るモールドフラックスは、鋳造時にモールド内の溶鋼の上部に注入されるモールドフラックスであって、モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％のＣａＳｉと、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物を含むことを特徴とする。
モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦをさらに含み、ＣａＯとＳｉＯ２は、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が、０．８超〜１．５未満であることが好ましい。
遷移金属酸化物は、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくとも一つを含むことができる。
ＦｅＯは、モールドフラックス１００質量％に対して、４．４〜１６．４質量％含まれることがよい。
遷移金属酸化物は、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくとも一つを含むことができる。
ＦｅＯは、モールドフラックス１００質量％に対して、４．４〜１６．４質量％含まれることがよい。
ＮｉＯは、モールドフラックス１００質量％に対して、４．７〜１７．５質量％含まれることがよい。
Ｃｒ２Ｏ３は、モールドフラックス１００質量％に対して、１２．５〜４６．１質量％含まれることができる。
モールドフラックスは、溶融温度１３００℃での粘度が０．５〜３．０ポアズ（ｐｏｉｓｅ、ｇ／ｃｍ．ｓ）の範囲であることが好ましい。
Ｃｒ２Ｏ３は、モールドフラックス１００質量％に対して、１２．５〜４６．１質量％含まれることができる。
モールドフラックスは、溶融温度１３００℃での粘度が０．５〜３．０ポアズ（ｐｏｉｓｅ、ｇ／ｃｍ．ｓ）の範囲であることが好ましい。
本発明の実施形態に係る鋳造方法は、発熱剤と遷移金属酸化物を添加したモールドフラックスを用意する段階と、モールドに溶鋼を注入する段階と、溶鋼の上部にモールドフラックスを供給する段階と、溶鋼を凝固させて鋳片を鋳造する段階と、を含み， 鋳片を鋳造する段階において、発熱剤が酸化するにつれて発生する酸化熱を利用して、溶鋼の凝固速度を遅延させることを特徴とする。
溶鋼は、溶鋼１００質量％に対して、０．０７〜０．２質量％の炭素を含有する中炭素鋼を含むことがよい。
モールドフラックスを用意する段階において、モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％の発熱剤と、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物が混合されたモールドフラックスを用意することができる。
モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦをさらに含み、ＣａＯとＳｉＯ２は、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が０．８超〜１．５未満であることが好ましい。
発熱剤は、ＣａＳｉを含むことがよい。
モールドフラックスを用意する段階において、モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％の発熱剤と、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物が混合されたモールドフラックスを用意することができる。
モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦをさらに含み、ＣａＯとＳｉＯ２は、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が０．８超〜１．５未満であることが好ましい。
発熱剤は、ＣａＳｉを含むことがよい。
遷移金属酸化物は、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくとも一つを含むことができる。
遷移金属酸化物の含有量は、下記の数学式１〜３によって算出することが好ましい。
数学式１：ＦｅＯ［質量％］＝１．５（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．４
数学式２：ＮｉＯ［質量％］＝１．６（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．５
数学式３：Ｃｒ２Ｏ３［質量％］＝４．２（ＣａＳｉ［質量％］）＋４．１
発熱剤は、酸素と遷移金属酸化物中の少なくとも一種と酸化反応を起こし酸化熱を発生することがよい。
遷移金属酸化物は、発熱剤と反応して、モールドフラックス内で金属粒子として存在することができる。
金属粒子は、モールドと溶鋼との間の輻射熱を遮断または散乱させることが好ましい。
遷移金属酸化物の含有量は、下記の数学式１〜３によって算出することが好ましい。
数学式１：ＦｅＯ［質量％］＝１．５（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．４
数学式２：ＮｉＯ［質量％］＝１．６（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．５
数学式３：Ｃｒ２Ｏ３［質量％］＝４．２（ＣａＳｉ［質量％］）＋４．１
発熱剤は、酸素と遷移金属酸化物中の少なくとも一種と酸化反応を起こし酸化熱を発生することがよい。
遷移金属酸化物は、発熱剤と反応して、モールドフラックス内で金属粒子として存在することができる。
金属粒子は、モールドと溶鋼との間の輻射熱を遮断または散乱させることが好ましい。
本発明よれば、本発明の中炭素鋼を用いて鋳片を鋳造する過程で、モールドフラックスによる発熱機能と熱遮断機能を用いて溶鋼の凝固時に伝達される熱伝達率を低下させて、溶鋼を均一に凝固させることができる。
このため、鋳造時、急激な凝固収縮と変態によって、鋳片に不均一な凝固層が発生することを抑制または防止することができるので、鋳片表面に大きな表面欠陥が発生することを防止することができる。
このため、鋳造時、急激な凝固収縮と変態によって、鋳片に不均一な凝固層が発生することを抑制または防止することができるので、鋳片表面に大きな表面欠陥が発生することを防止することができる。
以下、添付した図面を基にして、本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下で開示する実施例に限定されるものではなく、異なる多様な形態で具現化できるものであり、本発明の実施例は、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に理解させるために提供されるものである。
図１は、本発明の実施例に係る鋳造設備を概略的に示す図であり、図２は、図１に示した鋳造設備の要部構成を示す図である。
図１に示したとおり、本発明の実施例に係る鋳造設備は、製鋼工程で製錬された溶鋼が盛られる取鍋１０と、取鍋１０に接続された注入ノズル（図示せず）を介して溶鋼の供給を受け、これを一時貯蔵してモールド３０に供給するタンディッシュ２０と、タンディッシュ２０に接続された浸漬ノズル２２を介して溶鋼を伝達して受け、一定な形状に初期凝固層Ｍｃにさせるモールド３０と、モールド３０の下部に設けられ、モールド３０から引き抜かれた未凝固鋳片１を冷却しながら、一連の成形作業を実行するように、複数のセグメントが連続的に配列される冷却ライン４０を含む。
図１に示したとおり、本発明の実施例に係る鋳造設備は、製鋼工程で製錬された溶鋼が盛られる取鍋１０と、取鍋１０に接続された注入ノズル（図示せず）を介して溶鋼の供給を受け、これを一時貯蔵してモールド３０に供給するタンディッシュ２０と、タンディッシュ２０に接続された浸漬ノズル２２を介して溶鋼を伝達して受け、一定な形状に初期凝固層Ｍｃにさせるモールド３０と、モールド３０の下部に設けられ、モールド３０から引き抜かれた未凝固鋳片１を冷却しながら、一連の成形作業を実行するように、複数のセグメントが連続的に配列される冷却ライン４０を含む。
図２に示したとおり、鋳造が始まってタンディッシュ２０内の溶鋼Ｍが浸漬ノズル２２によってモールド３０に注入されると、モールド３０に注入された溶鋼の上部には、モールドフラックスを供給することができる。モールドフラックスは、固相、例えば、粉末状態で溶鋼の上部に供給され、溶鋼の顕熱により溶解されて、一部は液状層Ｃを形成し、その上部には焼結層Ｂを形成し、最上層には粉末層Ａを形成する。そして、モールド３０に隣接する付近にはモールド３０に供給される冷却水によってモールドフラックスが凝固されてスラグリムＤが形成される。ここでは、モールドフラックスがモールド３０内の溶鋼に固相で供給されることを例に説明するが、別の溶解炉で溶解させて液状で供給することもできる。
このように形成される液状層Ｃは、モールド３０に付与される振動によってモールド３０と溶鋼との間に流入して潤滑作用により、鋳片をスムーズに鋳造することができる。モールドフラックスは、潤滑作用に加えて、溶鋼中の介在物を吸収除去し、溶鋼の保温及びモールド３０への熱伝達率の制御等の機能を有する。
このように形成される液状層Ｃは、モールド３０に付与される振動によってモールド３０と溶鋼との間に流入して潤滑作用により、鋳片をスムーズに鋳造することができる。モールドフラックスは、潤滑作用に加えて、溶鋼中の介在物を吸収除去し、溶鋼の保温及びモールド３０への熱伝達率の制御等の機能を有する。
一方、溶鋼中の炭素含有量が０．０７〜０．２質量％程度含有する中炭素鋼は、低炭素鋼や高炭素鋼に比べて、凝固中に急激な相変態を伴い、収縮量が著しく増加する。このため、溶鋼が不均一な凝固層を形成するようになり、鋳造される鋳片は、不均一な表面形状を有する。そこで、本発明においては、モールドフラックスの成分を制御して、鋳造時、モールドでの熱伝達率を低減させることによって、溶鋼、即ち、中炭素鋼の不均一な凝固を最小限にすることができる。このため、本発明は、モールドフラックスに発熱機能と熱遮断機能を付与してモールドで熱伝達率を低減させることができる。
本発明の実施例に係るモールドフラックスは、発熱機能を付与するために、発熱剤として、ＣａＳｉを含み、発熱剤を酸化させるための酸化剤機能と、熱遮断機能を付与するために、遷移金属酸化物とを含む。
本発明の実施例に係るモールドフラックスは、発熱機能を付与するために、発熱剤として、ＣａＳｉを含み、発熱剤を酸化させるための酸化剤機能と、熱遮断機能を付与するために、遷移金属酸化物とを含む。
モールドフラックスは、モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％の発熱剤と、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物とを含む。この時、発熱剤としては、ＣａＳｉを含み、電位遷移金属酸化物としては、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくとも一つを含むことが好ましい。そして、モールドフラックスは、溶融温度１３００℃での粘度が０．５〜３．０ポアズ（ｐｏｉｓｅ、ｇ／ｃｍ．ｓ）の範囲を持つことがよい。
これ以外にも、モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦを含むメインモールドフラックスを含むことができる。
これ以外にも、モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦを含むメインモールドフラックスを含むことができる。
ＣａＯとＳｉＯ２は、モールドフラックス１００質量％で、発熱剤、遷移金属酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦを除いて、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が０．８超〜１．５未満になるように含有されることが好ましい。この時、ＣａＯとＳｉＯ２は、モールドフラックス１００質量％に対して、ＳｉＯ２を７．２質量％超〜３１．４質量％未満、ＣａＯを５．７質量％超〜４７質量％未満である範囲で、モールドフラックス１００質量％を満足するとともに、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が０．８超〜１．５未満になるように含有されることが好ましい。
ＣａＯとＳｉＯ２の比が、０．８以下である場合には、モールドフラックスの粘度が急激に増加してモールドと凝固層との間に均一に流入されず、潤滑機能が低下する虞がある。一方、ＣａＯとＳｉＯ２の比が、１．５以上である場合には、モールドフラックスの溶融温度が高くなって、適切な溶融が難しくなり、これにより、溶融されないモールドフラックスが溶鋼内へ流入されて、鋳片の表面欠陥を誘発する虞がある。また、モールドフラックスが溶融されても、モールドフラックスが溶融された液状層が凝固時に固相比率が高くなり、スムーズな潤滑効果を期待することができなくなり、ブレイクアウト等の操業事故が発生する虞がある。
ＣａＯとＳｉＯ２の比が、０．８以下である場合には、モールドフラックスの粘度が急激に増加してモールドと凝固層との間に均一に流入されず、潤滑機能が低下する虞がある。一方、ＣａＯとＳｉＯ２の比が、１．５以上である場合には、モールドフラックスの溶融温度が高くなって、適切な溶融が難しくなり、これにより、溶融されないモールドフラックスが溶鋼内へ流入されて、鋳片の表面欠陥を誘発する虞がある。また、モールドフラックスが溶融されても、モールドフラックスが溶融された液状層が凝固時に固相比率が高くなり、スムーズな潤滑効果を期待することができなくなり、ブレイクアウト等の操業事故が発生する虞がある。
メインモールドフラックス中のＡｌ２Ｏ３は、モールドスラグの粘度と融点を上昇させる。Ａｌ２Ｏ３は、モールドフラックス全体の質量に対して、３〜７質量％を含有されることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３が、３質量％未満である場合、充分な粘度と融点を維持し、過度に溶融されるため、以後、凝固層とモールドとの間に過剰流入されて、スラブの表面欠陥を誘発させる虞がある。Ａｌ２Ｏ３が、７質量％を超えるて含まれる場合には、モールドフラックスの融点が高くなって充分に溶融されなくなり、このため、溶融されないモールドフラックスが流入して、スラブの表面欠陥を誘発させる虞がある。また、モールドフラックス中の一部が溶融されて、液状層を形成しても、高い粘度によって充分な潤滑機能を発揮できないため、ブレイクアウト等の操業事故を引き起こす虞がある。
ＭｇＯは、モールドスラグの凝固時に、結晶相に影響を与える。ＭｇＯは、モールドフラックスの全体の質量に対して、２．０〜５質量％含まれることが好ましい。ＭｇＯの含有量が５質量％を超える場合には、モールドスラグの代表的な結晶相であるカスピディン（Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅ；３ＣａＯ２ ・ＳｉＯ２ ・ＣａＦ２）の生成を遅延させる。このため、中炭素鋼で急激な凝固収縮を抑制するための熱伝達制御の効果を発現することができなくなる。一方、ＭｇＯの含有量が２．０質量％未満である場合には、カスピディンの生成量が増加して液状層の比率が減るようになり、これにより潤滑機能に悪影響を与える。ここで、モールドスラグは、モールドフラックスをモールドに注入することを意味する。
Ｎａ２Ｏは、代表的なアルカリ系酸化物として、液状モールドスラグの粘度と融点を下げる役割をする。Ｎａ２Ｏは、モールドフラックス全体の質量に対して、２〜９質量％含有されることが好ましい。Ｎａ２Ｏの含有量が４質量％未満である場合には、モールドフラックスの融点が高くなり、充分に溶融されないため、モールドと凝固層との間にモールドフラックスが不均一に流入されて、鋳片の表面不良を引き起こす虞がある。そして、Ｎａ２Ｏの含有量が９質量％を超える場合には、融点の低下により、モールドフラックスが過剰に溶融されて、液状層の比率が高くなり、これにより、モールドと凝固層との間に過剰に流入することになる。このため、鋳片の表面に形成されるオシレーションマークの深さが深くなって、鋳片の表面不良を引き起こす虞があり、浸漬ノズルの溶損も増加する。
Ｆは、液状層の粘度と融点を下げる役割をして、これに加えて、モールドスラグの凝固時の主な結晶相であるカスピディン（３ＣａＯ２ ・ＳｉＯ２ ・ＳＣａＦ２）を形成させる。Ｆは、モールドフラックス全体の質量に対して、６〜１０質量％含有されることが好ましい。Ｆの含有量が６質量％未満である場合には、充分な結晶相の形成が困難で、モールドでの熱伝達の効果が低下する虞がある。このため、中炭素鋼では、不均一な伝熱挙動となり、鋳片表面欠陥が増加する問題点が発生する。一方、Ｆの含有量が１０質量％超える場合には、粘度と融点が過剰に低下して、液状層の量が増加し、モールドと凝固層との間にモールドフラックスが過剰に流入されて、鋳片表面に形成されるオシレーションマークの深さが深くなり、鋳片の表面不良を引き起こすとともに、浸漬ノズルの溶損も増加する虞がある。
ＣａＳｉを含む発熱剤は、鋳造時、下記の式１のとおり、空気中の酸素と反応して、酸化熱を発生することにより、断熱効果を発揮して、溶鋼が急激に凝固することを防止し、溶鋼の均一な凝固を可能にする。
式１
ＣａＳｉ＋Ｏ２→ＣａＯ＋ＳｉＯ２＋酸化熱
また、鋳造時、モールドフラックスの液状層の上部には焼結層と粉末層が存在するため、発熱剤と反応する酸素の量は非常に僅かである。このことから、発熱剤のスムーズな酸化のために、酸化剤として、遷移金属酸化物をモールドフラックスに添加する。発熱剤は、遷移金属酸化物と下記の式２と一緒に反応して酸化熱を発生させることができる。
式２
ＣａＳｉ＋遷移金属酸化物（ＦｅＯ、ＮｉＯ、Ｃｒ２Ｏ３）→ＣａＯ＋ＳｉＯ２＋金属粒子（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）＋酸化熱
発熱剤は、式１と式２の酸化反応により酸化熱を発生する。この発生する酸化熱は、モールドでの熱伝達率を抑制して、溶鋼の凝固速度を遅延させ、急激な凝固収縮を抑制または防止することができる。
式１
ＣａＳｉ＋Ｏ２→ＣａＯ＋ＳｉＯ２＋酸化熱
また、鋳造時、モールドフラックスの液状層の上部には焼結層と粉末層が存在するため、発熱剤と反応する酸素の量は非常に僅かである。このことから、発熱剤のスムーズな酸化のために、酸化剤として、遷移金属酸化物をモールドフラックスに添加する。発熱剤は、遷移金属酸化物と下記の式２と一緒に反応して酸化熱を発生させることができる。
式２
ＣａＳｉ＋遷移金属酸化物（ＦｅＯ、ＮｉＯ、Ｃｒ２Ｏ３）→ＣａＯ＋ＳｉＯ２＋金属粒子（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）＋酸化熱
発熱剤は、式１と式２の酸化反応により酸化熱を発生する。この発生する酸化熱は、モールドでの熱伝達率を抑制して、溶鋼の凝固速度を遅延させ、急激な凝固収縮を抑制または防止することができる。
発熱剤は、モールドフラックス全体の質量に対して、２〜１０質量％含まれることが好ましい。発熱剤の含有量が２質量％未満である場合には、モールドでの熱伝達率を制御する熱量を発生することができない。一方、発熱剤の含有量が１０質量％を超える場合には、発熱量が過度に多く、モールドフラックスの溶融速度が増加し、液状層が過剰に形成され、このため、モールドと凝固層との間への液状層の流入量が増加して鋳片の表面欠陥を増加させる虞がある。また、モールドフラックスの液状層の温度を過剰に上昇させるが、モールドフラックスの粘度は、温度と反比例するので、モールドフラックスの粘度が低下されてモールド湯面でモールドフラックスが溶鋼中に混入され、鋳片の表面欠陥を引き起こす虞がある。このような発熱剤含有量による温度の測定は、高温発熱測定（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＤＴＡ）に行われた。
遷移金属酸化物は、発熱剤をスムーズに酸化させて酸化熱を発生させることができる。遷移金属酸化物は、発熱剤を酸化させるための酸化剤としての役割をし、発熱剤との反応を介して還元されて金属粒子を形成する。モールドと凝固層との間で輻射熱を散乱及び遮断させる遮断材の役割をする。遷移金属酸化物は、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくとも一つを用いることができ、発熱剤の含有量が２〜１０質量％の範囲内で適切に調整されることが好ましい。また、遷移金属酸化物の添加量は、遷移金属酸化物の種類に応じて、下記の式３ないし式５によって算出することができる。
式３
ＦｅＯ［質量％］＝１．５（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．４
式４
ＮｉＯ［質量％］＝１．６（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．５
式５
Ｃｒ２Ｏ３［質量％］＝４．２（ＣａＳｉ［質量％］）＋４．１
式３
ＦｅＯ［質量％］＝１．５（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．４
式４
ＮｉＯ［質量％］＝１．６（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．５
式５
Ｃｒ２Ｏ３［質量％］＝４．２（ＣａＳｉ［質量％］）＋４．１
式３ないし式５によると、ＦｅＯは、モールドフラックス全体の質量に対して、４．４〜１６．４質量％、ＮｉＯは、モールドフラックス全体の質量に対して、４．７〜１７．５質量％、Ｃｒ２Ｏ３は、１２．５〜４６．１質量％含まれることが好ましい。遷移金属酸化物の含有量が提示された範囲、即ち、遷移金属酸化物の種類に応じた範囲より少ない場合、例えば、ＦｅＯでは４．４質量％、ＮｉＯでは４．７質量％またはＣｒ２Ｏ３では１２．５質量％未満では発熱剤であるＣａＳｉの充分な酸化反応に寄与できず、酸化されないＣａＳｉ粒子がモールドスラグ内に残留し、これにより、充分な溶融がされず、モールドフラックスの粘度を急激に上昇させる。これにより、モールドフラックスがモールドと凝固層との間に充分に流入されず、ブレイクアウト等の操業事故を誘発する虞がある。一方、遷移金属酸化物の含有量が提示された範囲、即ち、遷移金属酸化物の種類に応じる範囲より多い場合には、発熱剤であるＣａＳｉを充分に酸化させてもモールドフラックス内に遷移金属酸化物として残るので、モールドフラックスの融点を上昇させる。これにより、モールドフラックスが充分に溶融されず、このように溶融されないモールドフラックスが凝固層とモールドとの間に流入されると、鋳片表面に欠陥を発生させる原因として作用する虞がある。また、潤滑機能に悪影響を与えてブレイクアウト等の操業事故を誘発する虞がある。
遷移金属酸化物は、発熱剤を酸化させながら還元されて、モールドフラックス内で金属粒子として存在することができる。Ｆｅ、Ｎｉ又はＣｒのような金属粒子、即ち、遷移金属粒子は、モールドフラックスの融点より高い融点を持つため、モールドフラックス内で溶融されず、図２に示したような粒子の状態を維持することがある。このような金属粒子は、モールドフラックス内で輻射熱がモールドへ伝達されることを遮断、例えば、輻射熱を散乱させて熱伝達率を低下させる働きがある。
以下では、本発明の実施例に係る鋳造方法について説明する。
図３は、本発明の実施例に係るモールドフラックスの構成を概略的に示すブロック図である。
本発明の実施例に係る鋳造方法は、モールドフラックスを用意する段階と、溶鋼を用意する段階と、取鍋１０、タンディッシュ２０を通った溶鋼をモールド３０に注入する段階と、モールド３０内に注入された溶鋼の上部に、モールドフラックスを注入する段階と、溶鋼を凝固させて、鋳片を鋳造する段階とを含み、鋳片を鋳造する過程で溶鋼の凝固速度を遅延させることができる。
図３は、本発明の実施例に係るモールドフラックスの構成を概略的に示すブロック図である。
本発明の実施例に係る鋳造方法は、モールドフラックスを用意する段階と、溶鋼を用意する段階と、取鍋１０、タンディッシュ２０を通った溶鋼をモールド３０に注入する段階と、モールド３０内に注入された溶鋼の上部に、モールドフラックスを注入する段階と、溶鋼を凝固させて、鋳片を鋳造する段階とを含み、鋳片を鋳造する過程で溶鋼の凝固速度を遅延させることができる。
モールドフラックスを用意する段階は、図３に示したとおり、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦを含むメインモールドフラックスと、発熱剤と及び遷移金属酸化物とを混合したモールドフラックスを用意することがで好ましいる。この時、モールドフラックス１００質量％に対して、発熱剤は、２〜１０質量％含有されることがよく、遷移金属酸化物の含有量は、発熱剤の含有量に応じて式３ないし式５によって算出することができる。そして、モールドフラックス中のメインモールドフラックスの含有量は、モールドフラックス１００質量％に対して、発熱剤と遷移金属酸化物と、不可避の不純物を除いた量で使用することができる。
溶鋼を用意する段階は、転炉精錬などの精錬過程を介して炭素含有量が０．０７〜０．２質量％に制御された溶鋼を用意することが好ましい。
モールドフラックスと溶鋼が用意されると、取鍋１０、タンディッシュ２０を通って浸漬ノズル２２を用いてモールド３０に溶鋼を注入する。
そして、モールド３０に溶鋼が注入された後、または溶鋼を注入する過程で、溶鋼の上部にモールドフラックスを供給する。
溶鋼の上部に供給されたモールドフラックスは、溶鋼の顕熱によって少なくとも一部が溶解されて溶鋼の上部で液状層Ｃを形成する。この時、液状層Ｃの上部には焼結層Ｂと粉末層Ａが形成さてる。
モールドフラックスと溶鋼が用意されると、取鍋１０、タンディッシュ２０を通って浸漬ノズル２２を用いてモールド３０に溶鋼を注入する。
そして、モールド３０に溶鋼が注入された後、または溶鋼を注入する過程で、溶鋼の上部にモールドフラックスを供給する。
溶鋼の上部に供給されたモールドフラックスは、溶鋼の顕熱によって少なくとも一部が溶解されて溶鋼の上部で液状層Ｃを形成する。この時、液状層Ｃの上部には焼結層Ｂと粉末層Ａが形成さてる。
モールドフラックスの液状層Ｃでは、発熱剤が空気中の酸素と、モールドフラックス内に投入された遷移金属酸化物と反応が行われ、これによる反応熱、即ち、酸化熱が発生する。また、液状層Ｃでは、発熱剤と遷移金属酸化物との間の反応によって、反応熱、即ち、酸化熱が発生し、発熱剤と遷移金属酸化物との間の反応によって、遷移金属酸化物は、液状層Ｃで金属粒子として存在する。このように発生する酸化熱は、断熱効果を発揮して、モールドでの熱伝達により溶鋼が急速に凝固されることを防止する。これは、酸化熱によってモールドでの熱伝達率が低減されるためであり、これにより、均一な凝固層の形成が可能になる。そして、液状層Ｃに存在する金属粒子は、溶鋼の顕熱によって溶解されなく、液状層Ｃ内で溶鋼の輻射熱がモールドに伝達されることを遮断または散乱させて、溶鋼の急速な凝固を抑制することができる。
以下、本発明に係る鋳造方法で鋳片を鋳造する実験例について説明する。
図４は、本発明の実施例に係る鋳造方法で鋳片を鋳造する時、発生する熱流束の変化を測定した実験結果を示すグラフである。
本実験例においては、０．０７〜０．２質量％の炭素を含有する中炭素鋼を利用した鋳造時の炭素含有量に応じた熱伝達率の変化を観察した。この時、実施例では、本発明の実施例に係るモールドフラックス、即ち、メインモールドフラックスと、発熱剤と、遷移金属酸化物とを含むモールドフラックスを利用し、比較例では、発熱剤と遷移金属酸化物とを含有しないモールドフラックス、例えば、メインモールドフラックスを利用して実験を実施した。また、実施例においては、モールドフラックスに、モールドフラックス１００質量％に対して、発熱剤として、ＣａＳｉを５質量％使用し、遷移金属酸化物として、ＦｅＯを８．９質量％使用した。
図４は、本発明の実施例に係る鋳造方法で鋳片を鋳造する時、発生する熱流束の変化を測定した実験結果を示すグラフである。
本実験例においては、０．０７〜０．２質量％の炭素を含有する中炭素鋼を利用した鋳造時の炭素含有量に応じた熱伝達率の変化を観察した。この時、実施例では、本発明の実施例に係るモールドフラックス、即ち、メインモールドフラックスと、発熱剤と、遷移金属酸化物とを含むモールドフラックスを利用し、比較例では、発熱剤と遷移金属酸化物とを含有しないモールドフラックス、例えば、メインモールドフラックスを利用して実験を実施した。また、実施例においては、モールドフラックスに、モールドフラックス１００質量％に対して、発熱剤として、ＣａＳｉを５質量％使用し、遷移金属酸化物として、ＦｅＯを８．９質量％使用した。
図４に示したとおり、溶鋼中の炭素質量が０．０７質量％である場合、比較例では、約１．５ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定され、実施例では、約１．３ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定された。
そして、溶鋼中の炭素質量が０．１２質量％である場合、比較例では、約１．６ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定され、実施例では、約１．４ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定された。
溶鋼中の炭素質量が０．２質量％である場合、比較例では、約１．７ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定され、実施例では、約１．５ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定された。
そして、溶鋼中の炭素質量が０．１２質量％である場合、比較例では、約１．６ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定され、実施例では、約１．４ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定された。
溶鋼中の炭素質量が０．２質量％である場合、比較例では、約１．７ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定され、実施例では、約１．５ＭＷ／ｍ２ｓ程度の熱伝達率が測定された。
結果を見ると、比較例と実施例では、溶鋼中の炭素質量が増加するにつれて熱伝達率は次第に増加することが分かる。また、本発明に係るモールドフラックス、即ち、発熱剤と遷移金属酸化物とを含むモールドフラックスを利用して鋳造を実施した実施例の場合、発熱剤と遷移金属酸化物とを含まないモールドフラックスを利用して鋳造を実施した比較例に比べて、熱伝達率が０．２ＭＷ／ｍ２ｓ程度減少したことが分かる。これは、発熱剤と遷移金属酸化物との反応によって発生する反応熱、例えば、酸化熱による発熱機能と、反応してから生成される金属粒子による熱遮断機能によるものと推測することができる。したがって、中炭素鋼を用いて鋳片を鋳造する時、発熱剤と遷移金属酸化物とを用いてモールドフラックスに、発熱機能と熱遮断機能とを付与すると、モールドと溶鋼との間の熱伝達率を低下させることができるので、溶鋼の急激な凝固収縮を抑制して、鋳片の品質を向上させることができる。
以上、本発明の詳細な説明として、具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。したがって、本発明の範囲は、説明した実施例に限定されず、後述する特許請求の範囲及び、この特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならない。
本発明の実施形態に係るモールドフラックス及びこれを利用した鋳造方法は、鋳造時、急激な凝固収縮と変態によって不均一な凝固層が発生することを抑制または防止して、鋳片の品質及び生産性を向上させることができる。
１：鋳片
１０：取鍋
２０：タンディッシュ
２２：浸漬ノズル
３０：モールド
４０：冷却ライン
Ａ：粉末層
Ｂ：焼結層
Ｃ：液状層
Ｄ：スラグリム
Ｍ：溶鋼
Ｍｃ：初期凝固層
１０：取鍋
２０：タンディッシュ
２２：浸漬ノズル
３０：モールド
４０：冷却ライン
Ａ：粉末層
Ｂ：焼結層
Ｃ：液状層
Ｄ：スラグリム
Ｍ：溶鋼
Ｍｃ：初期凝固層
Claims (17)
- 鋳造時にモールド内の溶鋼の上部に注入されるモールドフラックスであって、
前記モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％のＣａＳｉと、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物を含むことを特徴とするモールドフラックス。 - 前記モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦをさらに含み、
前記ＣａＯとＳｉＯ２は、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が、０．８超〜１．５未満であることを特徴とする請求項１に記載のモールドフラックス。 - 前記遷移金属酸化物は、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項２に記載のモールドフラックス。
- 前記ＦｅＯは、前記モールドフラックス１００質量％に対して、４．４〜１６．４質量％含まれることを特徴とする請求項３に記載のモールドフラックス。
- 前記ＮｉＯは、前記モールドフラックス１００質量％に対して、４．７〜１７．５質量％含まれることを特徴とする請求項３に記載のモールドフラックス。
- 前記Ｃｒ２Ｏ３は、前記モールドフラックス１００質量％に対して、１２．５〜４６．１質量％含まれることを特徴とする請求項３に記載のモールドフラックス。
- 前記モールドフラックスは、溶融温度１３００℃での粘度が０．５〜３．０ポアズ（ｐｏｉｓｅ、ｇ／ｃｍ．ｓ）の範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のモールドフラックス。
- 鋳造方法であって、
発熱剤と遷移金属酸化物を添加したモールドフラックスを用意する段階と、
モールドに溶鋼を注入する段階と、
前記溶鋼の上部に前記モールドフラックスを供給する段階と、
前記溶鋼を凝固させて鋳片を鋳造する段階と、を含み、
前記鋳片を鋳造する段階において、前記発熱剤が酸化するにつれて発生する酸化熱を利用して、前記溶鋼の凝固速度を遅延させることを特徴とする鋳造方法。 - 前記溶鋼は、前記溶鋼１００質量％に対して、０．０７〜０．２質量％の炭素を含有する中炭素鋼を含むことを特徴とする請求項８に記載の鋳造方法。
- 前記モールドフラックスを用意する段階において、
前記モールドフラックス１００質量％に対して、２〜１０質量％の発熱剤と、４．４〜４６．１質量％の遷移金属酸化物が混合された前記モールドフラックスを用意することを特徴とする請求項９に記載の鋳造方法。 - 前記モールドフラックスは、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＦをさらに含み、
前記ＣａＯとＳｉＯ２は、ＣａＯとＳｉＯ２の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が０．８超え且１．５未満であることを特徴とする請求項１０に記載の鋳造方法。 - 前記発熱剤は、ＣａＳｉを含むことを特徴とする請求項１１に記載の鋳造方法。
- 前記遷移金属酸化物は、ＦｅＯ、ＮｉＯ及びＣｒ２Ｏ３中の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の鋳造方法。
- 前記遷移金属酸化物の含有量を、下記の数学式１〜３によって算出することを特徴とする
請求項１３に記載の鋳造方法。
数学式１：ＦｅＯ［質量％］＝１．５（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．４
数学式２：ＮｉＯ［質量％］＝１．６（ＣａＳｉ［質量％］）＋１．５
数学式３：Ｃｒ２Ｏ３［質量％］＝４．２（ＣａＳｉ［質量％］）＋４．１ - 前記発熱剤は、酸素と前記遷移金属酸化物中の少なくともいずれか一種と酸化反応を起こし酸化熱を発生することを特徴とする請求項１４に記載の鋳造方法。
- 前記遷移金属酸化物は、前記発熱剤と反応して、前記モールドフラックス内で金属粒子として存在することを特徴とする請求項１５に記載の鋳造方法。
- 前記金属粒子は、前記モールドと前記溶鋼との間の輻射熱を遮断または散乱させることを特徴とする請求項１６に記載の鋳造方法。
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