JP2020075279A - 溶鋼への合金添加方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼の合金成分を金属ワイヤーとしてタンディッシュ内溶鋼に添加するに際し、添加する金属ワイヤーの酸化に起因する問題を発生させることのない、溶鋼への合金添加方法を提供する。【解決手段】タンディッシュ１を経由して溶鋼を連続鋳造するに際し、タンディッシュ内にＡｒガスを供給し、タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ3）あたりのＡｒガス供給速度を６００〜３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ3とし、タンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、タンディッシュ内の溶鋼中に金属ワイヤー１１を連続的に供給することによって溶鋼に合金成分を添加する。これにより、タンディッシュ内溶鋼へのワイヤー添加による添加歩留まりを８０％以上とし、鋳造した鋳片の表面性状を良好なものとしつつ、Ａｒガス供給による熱ロスをプラズマ加熱によって十分に補償することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、溶鋼への合金添加方法に関するものであり、特にタンディッシュを経由して溶鋼を連続鋳造するに際してタンディッシュ内の溶鋼中に金属ワイヤーを連続的に供給する、溶鋼への合金添加方法に関するものである。

溶鋼の連続鋳造においては、精錬を行って成分を調整した溶鋼を取鍋に収容し、取鍋からタンディッシュに移注し、さらにタンディッシュから鋳型内に溶鋼を注入して鋳片とすることにより、連続鋳造を行っている。

鋼成分は基本的に取鍋内の溶鋼段階で調整を行う。特許文献１には、溶鋼へのＣａワイヤー添加方法が記載されている。また、必要に応じて、タンディッシュ内溶鋼に対してワイヤー状の金属を連続的に供給し、これによってタンディッシュ内溶鋼の成分調整を行うことがある。Ｔｉを始めとして、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃ、Ｃｒなどの成分を添加する場合には、これら金属からなるワイヤーを用意し、タンディッシュ内溶鋼に供給する。Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌなどの酸化しやすい金属を添加する場合には、これら金属又は金属粉を鉄被覆したワイヤーを用意し、同じくタンディッシュ内溶鋼に供給する。

タンディッシュから鋳型に供給する溶鋼の温度は、操業の安定性や鋳片の品質に大きな影響を与えることから、連続鋳造において非常に重要な因子である。取鍋に収容された溶鋼をタンディッシュを経由して連続鋳造するに際し、取鍋からの供給初期から供給末期にかけて溶鋼温度が低下するので、取鍋からの供給全期間を通じて溶鋼温度を一定に保持するためには、タンディッシュ内での溶鋼加熱が有効である。また、取鍋毎の溶鋼温度もばらつきを有しているため、取鍋溶鋼温度実績が低い場合には、同じくタンディッシュ内で溶鋼加熱を行うことが有効である。タンディッシュ内の溶鋼加熱手段として、プラズマ加熱が有効に用いられている。特許文献２、３には、プラズマ加熱を用いたタンディッシュ溶鋼加熱方法が開示されている。特許文献３に記載のものは、タンディッシュの蓋部に設けた側壁部によって加熱室を画成し、加熱室の上部に円筒状の黒鉛電極を配置し、黒鉛電極の中空部がガス流路を形成している。容量３０ｔのタンディッシュを用い、ガス流路に供給するＡｒガスの流量を４００ＮＬ／ｍｉｎとしている。

また、特許文献４には、タンディッシュにおいて、プラズマ加熱装置の作動ガスを用いて、等軸晶化促進剤を溶鋼に吹きつける方法が開示されている。特許文献５には、タンディッシュ内溶鋼をプラズマ加熱しつつ、プラズマ加熱の中空カーボン電極の中空部を経由して、タンディッシュ内にＭｇワイヤーを添加する方法が開示されている。

タンディッシュ内での溶鋼再酸化を防止するため、タンディッシュは蓋を設けて極力外気から遮断するように処置し、さらにはタンディッシュ内にＡｒガスを供給してタンディッシュ内雰囲気のＡｒパージが行われている（非特許文献１）。

特開２０１６−０２３３４２号公報 特開２０１５−１９９０８３号公報 特開２０１８−０３４１８０号公報 特開２００１−２２５１５３号公報 特開２０１６−１９８７８７号公報

第５版鉄鋼便覧第１巻製銑・製鋼第４４０頁

溶鋼の合金成分を金属ワイヤーとしてタンディッシュ内溶鋼に添加する場合、添加する金属がＴｉのように酸化性が高い金属であると、溶鋼に侵入する直前において、タンディッシュ内雰囲気中の酸素によってワイヤー表面金属が酸化されて金属酸化物となり、金属成分としての合金添加歩留まりを低下させる要因となる。また、生成した金属酸化物が溶鋼中に侵入するため、金属成分によっては鋳造した鋳片の品質を低下させることとなる。金属ワイヤーを鉄被覆ワイヤーとすれば酸化を抑制することができるが、コストアップ要因となるため鉄被覆は避けたい。さらに酸化性が高いＣａなどを添加する場合には鉄被覆ワイヤーが用いられるが、鉄被覆を行ったとしてもＣａの酸化ロスを避けることができない。

前述のように、タンディッシュは蓋を設けて極力外気から遮断するように処置し、さらにはタンディッシュ内にＡｒガスを供給してタンディッシュ内雰囲気のＡｒパージが行われているものの、連続鋳造の作業性を確保するためには完全密閉構造とすることは困難であり、通常のＡｒパージではタンディッシュ内雰囲気を十分に非酸化性の雰囲気とすることが困難である。

本発明は、通常用いられる程度の密閉性を有しているタンディッシュを用い、溶鋼の合金成分を金属ワイヤーとしてタンディッシュ内溶鋼に添加するに際し、添加する金属ワイヤーの酸化に起因する問題を発生させることのない、溶鋼への合金添加方法を提供することを目的とする。

前述のように、通常用いられる程度の密閉性を有しているタンディッシュを用いた場合、従来から行われていたようなタンディッシュ内雰囲気のＡｒパージを行ったとしても、タンディッシュ内溶鋼に供給する金属ワイヤーの酸化を十分に防止することができなかった。それに対して、タンディッシュ内に供給するＡｒガス量を従来に比較して大幅に増大することにより、タンディッシュ内雰囲気を十分に非酸化性とすることができ、タンディッシュ内への金属添加歩留まりを十分に確保できることがわかった。

一方、タンディッシュ内へのＡｒ吹き込み量を増大すると、それによってタンディッシュ内溶鋼温度が大幅に低下することも判明した。タンディッシュ内の溶鋼に対してプラズマ加熱を行えば、溶鋼温度低下を補償することができる。ただし、Ａｒ吹き込みによる温度低下の度合いがプラズマ加熱での温度補償範囲を超えてしまうと、溶鋼温度を維持することができない。本発明においては、タンディッシュ内へのＡｒ吹き込み量範囲として、金属添加歩留まりを十分に確保しつつ、プラズマ加熱による温度補償範囲内とすることのできる、Ａｒ吹き込み量範囲が存在することを明らかにした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは、
タンディッシュを経由して溶鋼を連続鋳造するに際し、
タンディッシュ内にＡｒガスを供給し、タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を６００〜３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³とし、
タンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、
タンディッシュ内の溶鋼中に合金ワイヤーを連続的に供給することによって溶鋼に合金を添加することを特徴とする溶鋼への合金添加方法にある。
ここでタンディッシュの内容積Ｖとは、タンディッシュに溶鋼を受けた際の溶鋼湯面から上蓋までの溶鋼が入っていない空間の体積を意味する。

本発明は、タンディッシュを経由して溶鋼を連続鋳造するに際し、タンディッシュ内にＡｒガスを供給し、タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を６００〜３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³とし、タンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、タンディッシュ内の溶鋼中に合金ワイヤーを連続的に供給することによって溶鋼に合金を添加することにより、タンディッシュ内溶鋼へのワイヤー添加による添加歩留まりを高くすることができ、鋳造した鋳片の表面性状を良好なものとしつつ、Ａｒガス供給による熱ロスをプラズマ加熱によって十分に補償することができる。

本発明を適用する連続鋳造装置を示す模式図である。 模擬タンディッシュ実験における、Ａｒガス供給速度の影響を示す図であり、（Ａ）は縦軸が溶鋼温度降下量、（Ｂ）は縦軸が添加Ｔｉ歩留まりである。 実機連続鋳造装置における、Ａｒガス供給速度の影響を示す図であり、（Ａ）は縦軸が溶鋼温度降下量、（Ｂ）は縦軸が添加Ｔｉ歩留まりである。

４．８ｔの溶鋼を収容することのできる、模擬のタンディッシュを準備した。タンディッシュの内容積Ｖは０．４４９ｍ³であり、蓋を有する。タンディッシュと蓋の内張り耐火物については、通常用いられる連続鋳造用タンディッシュと蓋の構造を模しており、密閉性についても通常の連続鋳造用タンディッシュと同様とした。ただし、収容した溶鋼を連続鋳造することはしない。
タンディッシュ内溶鋼に金属ワイヤーを連続供給する金属ワイヤー供給装置を配置した。添加用のワイヤーとしてφ５ｍｍの金属Ｔｉワイヤーを用いた。当該ワイヤーを１００ｍｍ／秒の供給速度で４．８ｔの溶鋼に歩留まり１００％で添加したとき、５分後に溶鋼中Ｔｉ濃度を０．０５質量％まで上昇させることができる。
タンディッシュにはタンディッシュ内溶鋼を加熱するプラズマ加熱装置を配置している。電極には黒鉛電極を用いている。プラズマ加熱装置の最大加熱能力は、４０００Ａ、３００Ｖにおいて、４．８ｔの溶鋼の温度を５分間で６０℃上昇させる能力を有している。
タンディシュ内にＡｒガスを吹き込むＡｒガス供給装置を配置している。タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を０〜４０１３ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³の範囲で調整することができる。

最初に、タンディッシュ内に、表１に示す成分を有し、所定温度の溶鋼４．８ｔを収容し、金属ワイヤー供給は行わず、プラズマ加熱も行わず、０〜４０１３ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³の範囲内のＡｒガス供給速度でＡｒガスのみを５分間供給する試験を行い、５分間での溶鋼温度低下量（℃）を評価した。結果を図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）の横軸はタンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度、縦軸は溶鋼温度低下量である。Ａｒガス供給速度が増大するほど、溶鋼温度低下量が増大することが判明した。

次に、同じ成分と温度の溶鋼４．８ｔをタンディッシュ内に収容し、プラズマ加熱を実施し、φ５ｍｍの金属Ｔｉワイヤーを１００ｍｍ／秒の供給速度で供給しつつ、０〜４０１３ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³の範囲内のＡｒガス供給速度でＡｒガスを５分間供給する試験を行った。ワイヤー供給とＡｒガス供給によって溶鋼から熱が奪われるので、溶鋼温度を一定に保持するよう、プラズマ加熱出力を調整した。ただし、Ａｒガス供給速度が高すぎると、プラズマ加熱では温度を補償しきれず、５分経過後において溶鋼温度が低下することとなるが、Ａｒガス供給速度が３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³以下であれば、プラズマ加熱で温度を補償できる。

以上のように、金属Ｔｉワイヤーを溶鋼中に５分間供給し、溶鋼サンプルを採取し、溶鋼サンプルにおける固溶Ｔｉ量を分析した。固溶Ｔｉ量の増加量と添加したＴｉ量との比から、Ｔｉ添加歩留まりを算出した。結果を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）の横軸はタンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度、縦軸はＴｉ歩留まりである。Ａｒガスを供給しない場合にはＴｉ歩留まりが７０％に留まっているのに対し、Ａｒガス供給速度を増大するほどＴｉ歩留まりが向上し、Ａｒガス供給速度が６００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³以上であれば、Ｔｉ歩留まりが８０％以上となることがわかった。Ｔｉ歩留りが８０％未満となると、合金コストが高くなることに加えて、介在物が多くなりスラブ割れの原因となるので望ましくない。

以上の結果より、タンディッシュ内の溶鋼中に合金ワイヤー（特に、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌなどの酸化しやすい金属の合金ワイヤー）を連続的に供給するに際し、タンディッシュ内にＡｒガスを供給し、タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を６００〜３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³とすることにより、ワイヤー添加した合金の添加歩留まりを高い値に維持しつつ、Ａｒガス供給によって奪われた溶鋼の熱を、プラズマ加熱によって補償可能であることがわかった。

次に、図１に示すような実際の連続鋳造装置を用い、本発明の効果を確認した。
取鍋５の溶鋼量は３００ｔである。タンディッシュ１の内容積は２．９６ｍ³であり、タンディッシュ内の溶鋼収容量は３０ｔであり、蓋９を有する。タンディッシュ１と蓋９の内張り耐火物については、通常用いられる連続鋳造用タンディッシュ１と蓋９の構造を有しており、密閉性についても通常の連続鋳造用タンディッシュのままである。取鍋５の溶鋼はロングノズル６を経由してタンディッシュ１に移注され、タンディッシュ内の溶鋼は浸漬ノズル８を経由して１ストランドの鋳型７に注入され、１．０ｍ／ｍｉｎの鋳造速度で鋳造する。溶鋼１２のスループットは２．５ｔ／ｍｉｎである。

タンディッシュ内溶鋼に金属ワイヤー１１を連続供給する金属ワイヤー供給装置３を配置した。添加用の金属ワイヤーとしてφ１２ｍｍの金属Ｔｉワイヤーを用いた。２．５ｔ／ｍｉｎのスループットで溶鋼を連続鋳造中に、当該ワイヤーを４０ｍｍ／秒の供給速度で歩留まり１００％で添加したとき、溶鋼中Ｔｉ濃度を０．０５質量％まで上昇させることができる。鋳造開始時においては、鋳造開始前に１００ｍｍ／秒の供給速度でワイヤーをタンディッシュ内に５分間供給し、その後、取鍋からタンディッシュへの溶鋼移注を開始した。これにより、タンディッシュ内溶鋼量が３０ｔになったとき、溶鋼中Ｔｉ濃度を０．０５質量％とすることができる。

タンディッシュにはタンディッシュ内溶鋼を加熱するプラズマ加熱装置４を配置している。電極には黒鉛電極を用いている。プラズマ加熱装置４の最大加熱能力は、４０００Ａ、３００Ｖにおいて、２．５ｔ／ｍｉｎのスループットで連続鋳造中に溶鋼温度を２３．０℃上昇させる能力を有している。

タンディシュ内にＡｒガスを吹き込むＡｒガス供給装置２を配置している。タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を０〜４０５４ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³の範囲で調整することができる。

最初に、表１に示す成分の溶鋼を２．５ｔ／ｍｉｎのスループットで連続鋳造しつつ、定常状態において、タンディッシュ内に０〜４０５４ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³の範囲内のＡｒガス供給速度でＡｒを供給した。供給開始から５分経過後において、Ａｒ供給開始前に対する溶鋼温度低下量を計測した。結果を表２と図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）の横軸はタンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度、縦軸は溶鋼温度低下量である。前述の模擬タンディッシュを用いた実験と同様、Ａｒガス供給速度が増大するほど、溶鋼温度低下量が増大することが判明した。

次に、同じ成分と温度の溶鋼を同じスループットで連続鋳造するに際し、プラズマ加熱を実施し、φ１２ｍｍの金属Ｔｉワイヤーを４０ｍｍ／秒の供給速度で供給しつつ、タンディッシュ内に０〜４０５４ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³の範囲内のＡｒガス供給速度でＡｒを供給した。ワイヤー供給とＡｒガス供給によって溶鋼から熱が奪われるので、溶鋼温度を一定に保持するよう、プラズマ加熱出力を調整した。実機実験においても、Ａｒガス供給速度が高すぎると、プラズマ加熱では温度を補償しきれず、溶鋼温度が低下することとなるが、Ａｒガス供給速度が３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³以下であれば、プラズマ加熱によって温度低下を補償することができた。

鋼成分サンプルは、同じＡｒガス供給速度で５分間の鋳造を行った時点において、鋳造後の鋳片から採取し、固溶Ｔｉ量を分析した。前記と同様にＴｉ歩留まりを算出した。結果を表２と図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）の横軸はタンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度、縦軸はＴｉ歩留まりである。Ａｒガスを供給しない場合にはＴｉ歩留まりが７１％に留まっているのに対し、Ａｒガス供給速度を増大するほどＴｉ歩留まりが向上し、Ａｒガス供給速度が６００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³以上であれば、Ｔｉ歩留まりが８０％以上となることがわかった。

鋳造した鋳片について表面性状を検査し、表面割れの有無を確認した。表面割れが確認できたときは表面手入れを実施した。Ａｒガス供給速度の水準ごとに、表面手入れがほとんど必要ない状況であれば「○」、表面割れが存在するものの表面手入れによって品質水準を満たすものを「△」、表面割れが存在し表面手入れによっても品質水準を満たさないものを「×」と判定した。結果を表２に示す。表２から明らかなように、Ｔｉ歩留まりが８０％以上となる水準（Ａｒガス供給速度が６００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³以上）においてはいずれも、表面性状が「○」であることが判明した。

以上の結果に鑑み、本発明においては、タンディッシュを経由して溶鋼を連続鋳造するに際し、タンディッシュ内にＡｒガスを供給し、タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を６００〜３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³とし、タンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、タンディッシュ内の溶鋼中に合金ワイヤーを連続的に供給することによって溶鋼に合金を添加することとした。これにより、タンディッシュ内溶鋼へのワイヤー添加による添加歩留まりを８０％以上とし、鋳造した鋳片の表面性状を良好なものとしつつ、Ａｒガス供給による熱ロスをプラズマ加熱によって十分に補償することができる。

なお、プラズマ加熱を行う際、プラズマを発生させるために溶鋼とプラズマ電極間の雰囲気にＡｒガスを用いる。さらにプラズマ加熱電極に黒鉛を用いると、黒鉛電極が加熱中に酸化して消耗するため、ＣＯガスが発生する。このような、プラズマ加熱に付随してタンディッシュ内に供給されるＡｒガスやＣＯガスなどの非酸化性ガスも、本発明でＡｒガス供給装置から供給するＡｒガスに加算することとする。タンディッシュ内雰囲気を非酸化雰囲気とするためのガスとしてカウントすることができるからである。

タンディッシュ内に供給する金属ワイヤーの種類としては、Ｔｉに限定されず、以下のような金属を用いることができる。Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃ、Ｃｒなどの成分を添加する場合には、これら金属からなるワイヤーを用意し、タンディッシュ内溶鋼に供給する。Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌなどの酸化しやすい金属を添加する場合には、これら金属又は金属粉を鉄被覆したワイヤーを用意し、同じくタンディッシュ内溶鋼に供給する。

１ タンディッシュ
２ Ａｒガス供給装置
３ 金属ワイヤー供給装置
４ プラズマ加熱装置
５ 取鍋
６ ロングノズル
７ 鋳型
８ 浸漬ノズル
９ 蓋
１１ 金属ワイヤー
１２ 溶鋼

Claims (1)

1. タンディッシュを経由して溶鋼を連続鋳造するに際し、
   タンディッシュ内にＡｒガスを供給し、タンディッシュ内容積Ｖ（ｍ³）あたりのＡｒガス供給速度を６００〜３７００ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ³とし、
   タンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、
   タンディッシュ内の溶鋼中に合金ワイヤーを連続的に供給することによって溶鋼に合金を添加することを特徴とする溶鋼への合金添加方法。

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