JP2020011247A - モールドパウダー及びそれを用いた連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い鋳造速度において潤滑性と巻き込み防止性能とを両立できるモールドパウダーおよびそれを用いた連続鋳造方法を提供する。【解決手段】Ｎａ2Ｏの含有量が５質量％以下、Ｂ2Ｏ3の含有量が１．５質量％以下であり、塩基度（Ｔ．ＣａＯ）／（ＳｉＯ2）が１．１〜１．４で、かつ１３００℃における粘度が２．０ｐｏｉｓｅ以下であり、（（Ｔ．ＣａＯ）−１．４７×ｆ）／ｆ＜３．５、かつｆ＝（Ｆ）−０．６１×（Ｎａ2Ｏ）を満たすモールドパウダーとする。ここで、（Ｔ．ＣａＯ）、（ＳｉＯ2）、（Ｎａ2Ｏ）、（Ｆ）は、それぞれの成分の濃度（質量％）を表す。【選択図】なし

Description

本発明は、特に、鋳造速度の大きい条件で用いて好適なモールドパウダー及びそれを用いた連続鋳造方法に関する。

溶融金属の連続鋳造において、鋳型内の溶融金属表面を被覆するように連続鋳造用モールドパウダーが供給される。以下、このような連続鋳造用モールドパウダーを単に「モールドパウダー」と呼ぶ。鋳型内に供給されたモールドパウダーは、溶融金属からの加熱によって溶融金属表面に溶融層を形成し、溶融したモールドパウダーは溶鋼のメニスカスから鋳型内壁に沿って鋳型と凝固シェルとの間隙へ流入し、フィルムを形成する。

モールドパウダーは、溶融金属の連続鋳造において以下のような特性を具備することが要求される。
まず、第１に、溶鋼湯面上にてモールドパウダーが溶融して形成された溶融モールドパウダー層およびその上の未溶融のモールドパウダー層が溶鋼湯面を被覆することにより、空気との接触を遮断するため、溶鋼の再酸化を防止して保温する効果が得られる。
第２に、溶融したモールドパウダーは、鋳型と凝固シェルとの間に流入して潤滑剤として働く必要があるため、モールドパウダーが常に適当量供給され、モールドパウダーの消費速度に合わせて、適正量の溶融モールドパウダープール厚となる溶融速度を有していることが要求される。
第３に、溶融モールドパウダー層が溶鋼中を浮上してきた非金属介在物を吸収し、非金属介在物を吸収することによって溶融モールドパウダーの物性（粘度、溶融温度、凝固温度など）の変化が小さいことが要求される。
第４に、溶融したモールドパウダーが鋳型と凝固シェルとの間に流れ込み、均一なパウダーフィルムを形成して、パウダーフィルムが鋳型と凝固シェルとの間で潤滑作用を有するとともに、鋳造する鋼の特性によっては凝固シェルの緩冷却化特性が要求されることもある。
第５に、溶融したモールドパウダーが適度な粘度、界面張力を持ち、溶融したモールドパウダーが溶鋼中へ巻き込まれないことが必要である。

近年、電磁ブレーキ装置の普及に伴い、鋳造速度が２．０ｍ／ｍｉｎを超えることも珍しくなくなってきた。それに従い、モールドパウダーに求められる巻き込み防止性能と潤滑性との双方について要求レベルが高まっている。

また、鋳辺表層の気泡欠陥や介在物欠陥などを防止するために、連続鋳造プロセスにおいて電磁撹拌装置を使用すると、溶鋼表面の流速が大きくなり、モールドパウダーがより溶鋼に巻き込まれやすい。さらに、電磁ブレーキ装置を用いる場合であって、電磁ブレーキ装置が左右分離型であり、かつ互いの極性が逆である場合は、浸漬ノズルの吐出孔近傍で制動力がかかりにくく、上昇流が発生しにくい。この条件だと、浸漬ノズル近傍で下降流が大きくなるため、モールドパウダーが巻き込まれやすくなってしまう。

そこで、非特許文献１には、モールドパウダーの成分に着目し、塩基度（Ｔ．ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）を上げることによりモールドパウダーの巻き込みが減少することが開示されている。ところが、塩基度を上げると凝固温度が高くなり、結晶析出が過多になりやすく潤滑性が低下する。鋳型内で潤滑性を高めるためには、モールドパウダーの粘度が低く、かつモールドパウダーの凝固温度が低く凝固しにくいことの２種類の特性が求められる。

高塩基度のモールドパウダーはそのままでは凝固温度が高すぎるため、Ｎａ₂Ｏが通常は添加されている。Ｎａ₂Ｏは結晶化を抑制する効果を発揮しつつモールドパウダーの粘度を下げて潤滑性を高める機能を有する。一方、Ｎａ₂Ｏ自体は反応性が高いため、モールドパウダーの巻き込みの原因になる。したがって、Ｎａ₂Ｏが多すぎると、高塩基度のモールドパウダーであっても、溶鋼に巻き込まれやすくなる。

特許文献１に記載の技術では、モールドパウダー中のＳ量を低減することで界面反応を抑制し、溶鋼中にモールドパウダーが巻き込まれにくくなるようにしている。ただし、この技術ではＳ量の低減および塩基度を１．０以上とすることのみを規定しており、条件としては不十分である。特許文献２に記載の技術では、高塩基度のモールドパウダーにＢ₂Ｏ₃を添加することで潤滑性を担保している。ところが、Ｂ₂Ｏ₃自体が巻き込みの原因になるため、鋳造速度が大きく、さらに左右分離型の電磁ブレーキ装置を用いるような過酷な条件下では、十分にモールドパウダーの巻き込みを防止できない。

特開２００３−１７０２５４号公報 国際公開第２０１１／０９０２１８号

花尾方史，川本正幸，鉄と鋼 Vol.93(2007) No.5 22-26

以上のように従来の技術では、鋳造速度が大きい過酷な条件下で連続鋳造を行う場合に、モールドパウダーの巻き込み防止性能および潤滑性が不十分である。

本発明は前述の問題点を鑑み、高い鋳造速度において潤滑性と巻き込み防止性能とを両立できるモールドパウダーおよびそれを用いた連続鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下のとおりである。
（１）Ｎａ₂Ｏの含有量が５質量％以下、Ｂ₂Ｏ₃の含有量が１．５質量％以下であり、塩基度（Ｔ．ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）が１．１〜１．４で、かつ１３００℃における粘度が２．０ｐｏｉｓｅ以下であり、以下の式（１）および式（２）を満たすことを特徴とするモールドパウダー。
（（Ｔ．ＣａＯ）−１．４７×ｆ）／ｆ＜３．５ ・・・（１）
ｆ＝（Ｆ）−０．６１×（Ｎａ₂Ｏ） ・・・（２）
ここで、（Ｔ．ＣａＯ）、（ＳｉＯ₂）、（Ｎａ₂Ｏ）、（Ｆ）は、それぞれの成分の濃度（質量％）を表す。
（２）上記（１）に記載のモールドパウダーを用い、鋳造速度が１．８ｍ／ｍｉｎ以上の条件で連続鋳造を行うことを特徴とする連続鋳造方法。
（３）鋳型内で浸漬ノズルから吐出する溶融金属の流れを制動する電磁ブレーキ装置を使用することを特徴とする上記（２）に記載の連続鋳造方法。

本発明によれば、高い鋳造速度において潤滑性と巻き込み防止性能とを両立できるモールドパウダーおよびそれを用いた連続鋳造方法を提供することができる。

本発明者らは、広範囲の組成におけるモールドパウダーの試作と物性測定とを繰り返した結果、巻き込み防止性能と潤滑性との二律背反を解決すべく、高塩基度のモールドパウダーであり、かつＮａ₂Ｏの含有量が少なくても潤滑性と巻き込み防止性能とを両立できる成分系を見出した。以下、本発明のモールドパウダーの成分について詳細に説明する。以下の説明では、式中の（Ｘ成分）はモールドパウダー中のＸの質量％を表すものとする。

［（（Ｔ．ＣａＯ）−１．４７×ｆ）／ｆ＜３．５（式（１））、但し、ｆ＝（Ｆ）−０．６１×（Ｎａ₂Ｏ）（式（２））］
まず、Ｆの含有量を多くしてＮａ₂Ｏの含有量を少なくする。ＦはＣａＦ₂としてパウダー主結晶であるＣｕｓｐｉｄｉｎｅ（３ＣａＯ・２ＳｉＯ₂・ＣａＦ₂）を構成する成分である。そこで、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの純組成におけるＣａＯとＣａＦ₂のモル比よりもさらにＣａＦ₂すなわちＦ量を多くすることで、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅが析出しにくい状態となり、凝固温度が低下するとともに粘度も低下し、さらに高Ｔ．ＣａＯ組成を実現することができる。前述の式（１）および式（２）は、Ｆ量を規定する条件である。

Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの純組成から外れるような成分とする場合に、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの析出を防止するには、Ｆ量を多くすることが最も効果的である。その理由は、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの他の構成成分であるＣａＯおよびＳｉＯ₂の量を変更すると塩基度が変わり、高塩基度ではＣｕｓｐｉｄｉｎｅに限らず多くの結晶が析出するようになるため潤滑性を保つことが困難になり、また低塩基度では巻き込みが発生しやすくなるからである。また、Ｆ量を少なくしても、ＣｕｓｐｉｄｉｎｅはＦが不足している際にも析出しやすい特性があるためＣｕｓｐｉｄｎｉｅの析出抑制が困難だからである。

Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの純組成はモル比で（ＣａＯ）：（ＣａＦ₂）＝３：１である。一方、スラグ中のＦはＮａＦとして存在する場合が最も安定しており、ＣａＦ₂はその次に安定している。そのため、スラグ組成中のＦのうち、Ｎａ₂ＯをＮａＦに換算した分を差し引いた残りのＦがＣａＦ₂になると考えられる。また、Ｔ．ＣａＯのうち、ＣａＦ₂にならなかった分がＣａＯと考えられる。

Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの純組成は（３ＣａＯ・２ＳｉＯ₂・ＣａＦ₂）であるため、ｍｏｌ％換算でＣａＯ（ｍｏｌ％）／ＣａＦ₂（ｍｏｌ％）＜３であれば、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの純組成よりもＦ量を多く含有することになる。つまり、質量％に変換すると、
（ＣａＯ）／（ＣａＦ₂）＜２．１５となるため、以下の式（３）が導き出される。
（ＣａＯ）／（ＣａＦ₂中のＦ量）＜４．４２ ・・・（３）

ＣａＦ₂の実質的な含有量は、前述したように、全ＦのうちＮａＦとして存在する量を除いたものをＣａＦ₂に換算した値であると考えられる。つまり、ＣａＦ₂中のＦ量をｆ（質量％）とすると、以下の式（４）が導き出される。
ｆ＝（Ｆ）−２×１９／６２×（Ｎａ₂Ｏ）
＝（Ｆ）−０．６１×（Ｎａ₂Ｏ） ・・・（４）

一方、ＣａＯの含有量は、前述したように、Ｔ．ＣａＯからＣａＦ₂として存在するＣａ分を除いたものであるため、以下の式（５）が導き出される。
（ＣａＯ）＝（Ｔ．ＣａＯ）−５６／１９／２×ｆ
＝（Ｔ．ＣａＯ）−１．４７×ｆ ・・・（５）

以上より、式（３）に式（４）および式（５）を代入すると、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの純組成よりもＦを多く含む条件は、以下の式（６）となる。
（（Ｔ．ＣａＯ）−１．４７×ｆ）／ｆ＜４．４２ ・・・（６）

式（６）の左辺の値が小さいほどＦが過剰となり、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅが晶出しにくくなって凝固温度が下がり、潤滑性が向上する。本発明においては試行錯誤を繰り返した結果、式（６）（式（１））の左辺が３．５未満であれば、十分な潤滑性が得られることを見出した。好ましくは、式（６）（式（１））の左辺が２．０未満である。

［塩基度］
モールドパウダーの塩基度（Ｔ．ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）は、１．１〜１．４とする。塩基度が１．１未満では、巻き込み防止効果が得られず、塩基度が１．４超では潤滑不良に陥りやすくなる。好ましくは、１．２〜１．３の範囲である。

［Ｎａ₂Ｏ］
前述したように、本発明のモールドパウダーは、Ｆの含有量を多くしてＮａ₂Ｏの含有量を少なくしている。具体的には、Ｎａ₂Ｏは５質量％以下とする。Ｎａ₂Ｏが５質量％を超えると、モールドパウダーが溶鋼に巻き込まれやすくなる。好ましくは４質量％以下である。なお、下限については特に規定しないが、潤滑性を確保するために、０．１質量％以上含有することが好ましい。

［その他の成分］
本発明のモールドパウダーの主成分は、Ｔ．ＣａＯおよびＳｉＯ₂である。モールドパウダーの本来の機能が十分に発揮されるようにするためには、Ｔ．ＣａＯ＋ＳｉＯ₂が合計で４０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは合計で６０質量％以上である。

ＳｒＯは、Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅの析出抑制効果を持つため、ＳｒＯは０．５質量％以上含有することが好ましい。但し、ＳｒＯは高価であることからコスト面を考慮し、１０質量％以下とすることが好ましい。
ＭｇＯは多く含まれていると、Ａｋｅｒｍａｎｉｔｅなどの結晶が副次的に析出しやすくなる。したがって、ＭｇＯは８質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは６質量％以下である。

Ａｌ₂Ｏ₃は多く含まれていると、Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅなどの結晶が副次的に析出しやすくなる。したがって、Ａｌ₂Ｏ₃は８質量％以下であることが好ましい。より好ましくは６質量％以下である。
Ｂ₂Ｏ₃は潤滑性を向上させる成分であるが、多く含まれているとモールドパウダーが溶鋼に巻き込まれやすくなる。したがって、Ｂ₂Ｏ₃は１．５質量％以下とする。好ましくは０．５質量％以下である。

Ｌｉ₂Ｏは、Ｎａ₂Ｏと同様に巻き込み防止効果を有する成分であり、過剰に含有しても巻き込みやすくならないため、０．１質量％以上含有することが好ましい。但し、Ｌｉは高価であるため、コスト面を考慮し、１質量％以下とすることが好ましい。

［物性範囲］
本発明のモールドパウダーは、１３００℃における粘度は２．０ｐｏｉｓｅ以下とする。粘度は振動片式粘度計により１３００℃にて測定することができる。なお、粘度は塩基度やＦ量、ＳｉＯ₂濃度などによって決まるものであるが、粘度が２．０ｐｏｉｓｅよりも大きいと、潤滑性が不足してしまう。なお、粘度が低すぎると巻き込みが多発しやすくなるため、粘度は０．５ｐｏｉｓｅ以上であることが好ましい。また、前述の式（１）によりＦ量が規定されると凝固温度が決まるが、凝固温度は１２００℃以下が好ましい。凝固温度は２℃／ｍｉｎで降温させて測定することができる。

［鋳造条件］
次に、本発明のモールドパウダーを用いた連続鋳造方法について説明する。モールドパウダーの巻き込み防止性能と潤滑性との双方が高レベルで求められる、鋳造速度（Ｖｃ）が１．８ｍ／ｍｉｎ以上の条件で本発明のモールドパウダーを用いると、効果が顕著となるため、好ましい。

特に、電磁撹拌装置を用いる連続鋳造方法では、モールドパウダーがより巻き込まれやすい条件となるが、本発明のモールドパウダーを用いると、効果をより享受することができる。また、浸漬ノズルから吐出した溶鋼流動を制動する電磁ブレーキ装置を用いる場合は、浸漬ノズル近傍の下降流などにより湯面近傍の溶鋼流動が強くなるため、モールドパウダーが巻き込まれやすい条件となるが、本発明のモールドパウダーを用いると、効果がより顕著になる。

本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（第１の試験）
鋳型サイズは、幅１３００〜１７００×厚み２３０ｍｍとし、浸漬ノズルから溶鋼（低炭素鋼で［Ｃ］＝０．０５質量％）を吐出し、総鋳造トン数が２０００トン以上の量を連続鋳造した。このとき、モールドパウダーは表１に示すものを用い、鋳造速度（Ｖｃ）をサンプルごとに変えた。なお、電磁撹拌装置を用いる場合は、溶鋼湯面における流速最大値が０．２ｍ／ｓ以上の溶鋼流動を形成する電磁撹拌を加えた。

試験結果を表１に示す。モールドパウダーの巻き込み防止性能については、コイルをアンコイルし、モールドパウダーに起因すると考えられる疵の個数を目視確認して評価した。また、潤滑性については、ＢＯ（Break Out）警報頻度で評価した。ＢＯ警報は鋳型内に設置した熱電対の温度が急上昇したことを検知するものであり、その発生回数をカウントした。なお、巻き込み防止性能は疵個数が２個以下、潤滑性はＢＯ警報頻度が１．５以下で効果が得られたものとして評価した。

実施例１〜７は、いずれもＢＯ警報頻度およびモールドパウダーに起因する疵の個数が少なかった。特に、実施例２および４は塩基度が高かったため、モールドパウダーに起因する疵の個数が少なかった。また、実施例２はＦ量も多かった（式（１）の左辺の値が小さかった）ため、ＢＯ警報頻度も少なかった。

一方、比較例１および２は塩基度が低すぎたため、モールドパウダーに起因する疵の個数が多かった。特に、比較例１はＦ量も少なかった（式（１）の左辺の値が大きかった）ため、ＢＯ警報頻度も多かった。比較例３〜５、８、９はそれぞれＢ₂Ｏ₃またはＮａ₂Ｏの含有量が多かったため、モールドパウダーに起因する疵の個数が多かった。比較例６および７はＦ量が少なかった（式（１）の左辺の値が大きかった）ため、ＢＯ警報頻度が多かった。比較例６および１０は、１３００℃での粘度が大きかったため、ＢＯ警報頻度が多かった。さらに比較例１１は塩基度が高かったため、ＢＯ警報頻度が高かった。

（第２の試験）
さらに、表１の実施例４，５および比較例２，８について、追加の試験として電磁ブレーキ装置を印加し、それ以外の条件は同じにして鋳造を行った（実施例４′，５′および比較例２′，８′）。電磁ブレーキ装置は複数の鉄心を有し、鋳型の幅方向の左右に並べて２つの鉄心が配置され、さらに該２つの鉄心のそれぞれと鋳型を挟んで対向するように２つの鉄心が配置されており、これらの鉄心に励磁される電磁石の極性は、対向、幅方向で互いに逆とする配置とし、磁束密度が２５００ｇａｕｓｓ以上５０００ｇａｕｓｓ以下となるように印加した。この際、電磁撹拌も同時に印加した。結果を表２に示す。

表２に示す結果から、実施例４および５の条件では、電磁ブレーキ装置を使用した場合でも、モールドパウダーに起因する疵の個数がほとんど増えなかった。一方、比較例２および８の条件では、電磁ブレーキ装置を使用すると、モールドパウダーに起因する疵の個数が大幅に増加した。以上の結果から、本発明のモールドパウダーは、電磁ブレーキ装置を使用するような条件であっても、巻き込み防止性能および潤滑性の双方が優れていることが確認できた。

Claims (3)

1. Ｎａ₂Ｏの含有量が５質量％以下、Ｂ₂Ｏ₃の含有量が１．５質量％以下であり、塩基度（Ｔ．ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）が１．１〜１．４で、かつ１３００℃における粘度が２．０ｐｏｉｓｅ以下であり、以下の式（１）および式（２）を満たすことを特徴とするモールドパウダー。
   （（Ｔ．ＣａＯ）−１．４７×ｆ）／ｆ＜３．５ ・・・（１）
   ｆ＝（Ｆ）−０．６１×（Ｎａ₂Ｏ） ・・・（２）
   ここで、（Ｔ．ＣａＯ）、（ＳｉＯ₂）、（Ｎａ₂Ｏ）、（Ｆ）は、それぞれの成分の濃度（質量％）を表す。
2. 請求項１に記載のモールドパウダーを用い、鋳造速度が１．８ｍ／ｍｉｎ以上の条件で連続鋳造を行うことを特徴とする連続鋳造方法。
3. 鋳型内で浸漬ノズルから吐出する溶融金属の流れを制動する電磁ブレーキ装置を使用することを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造方法。