JP4231397B2 - 鋳造用モールドパウダー - Google Patents

Description

本発明は鉛含有鋼鋳造時に鋳型内の溶鋼に添加されるモールドパウダー(以下、単にパウダーという)に関するものであり、特に、操業の安定ならびに鋳片の表面品質の向上を求められる鉛含有鋼に好適なパウダーに関する。

鉛含有鋼の鋳造においてパウダーは、溶鋼上面において溶鋼の酸化を防止し、溶鋼面の保温をする作用がある。溶鋼に添加されたパウダーは、まず溶鋼面で溶融しスラグになる。更にこのスラグは、湯面に浮上して来た介在物を吸収する作用がある。

また、スラグは鋳型と鋳片間に流入してスラグフィルム層を形成し、鋳型と鋳片間の潤滑剤として作用すると共に、鋳片から鋳型への熱移動(以下、抜熱と呼ぶ）を制御している。

特に鉛を含有する鋼は、鉛の蒸気圧が高く、成分中から鉛が蒸発する。その際に気化熱を奪う為、溶鋼表面の温度は低下する。この結果、抜熱が過大となり、鋳片の凝固速度が大きくなりすぎて、鋳片表面品質の悪化が著しくなってしまうという問題があった。

「また上記の場合、溶鋼表面温度が低くなることから、・・」を「また上記の場合、溶鋼表面温度が低くなることから、」に訂正した。

このような鉛含有鋼のように抜熱が大きくなる場合でも、表面品質を改善し生産性向上を計ることが可能なモールドパウダーが要求されている。

ところで従来の技術では、表面品質の向上のためには、鋳型内の冷却速度を抑えることが求められていた。このような思想で開発したモールドパウダーは、一般的に高いパウダースラグの凝固温度を持つものである。しかし、パウダースラグの凝固温度を高くすることは抜熱量の低減に効果的であるものの、流入したスラグフィルム内の液相厚みが減少し、潤滑不良を伴う問題が発生する虞が大きくなり、操業自体に不備が生じるという問題がある。この潤滑不良に対する対策としては、パウダースラグの粘度を低下させるか、もしくは凝固温度を低下させて潤滑を確保する手法が考えられる。しかしながら、それだけでは操業の安定化及び鋳片の表面品質向上の両方を同時に満足させることができなかった。

また、上記以外の抜熱が大きくなる場合の対策手段として、溶鋼上面の温度を保温するためにモールドパウダーを低嵩比重とする手段が考えられる。しかしながら、それだけでは、問題を解決できなかった。

また、溶湯の温度を保持するために、モールドパウダー加熱時の燃焼熱を得る目的でパウダー中に炭素を添加する手段が考えられる。しかしながら実際には、添加する炭素が7質量％以上になると、モールドパウダーの溶融が過小となり、パウダースラグの供給不足が発生し、潤滑に不備が生じてしまうことが判った。

潤滑を改良する手段としてパウダースラグの粘度を設定することが、他からも提案されている。例えば、パウダースラグの粘度を0.3から6Pa・s程度としたモールドパウダーが公知である(例えば特許文献1〜3参照)。

特開平10-263767号公報(請求項1、2) 特開2000-158107号公報(請求項1、5) 特開2001-334351号公報(請求項1)

上記特許文献1には、1573Kでの粘度が0.3〜1.5Pa・s、凝固温度が1323〜1393Kのモールドパウダーを用いた極低炭素鋼の連続鋳造法が記載されている。また特許文献2には、1573Kでの粘度が0.8〜6Pa・s、凝固温度が1373〜1568Kとし、溶融特性を上げるために炭素含有量を5質量％以下としたオープン鋳造用モールドパウダーが記載されている。また特許文献3には1573Kにおける粘度が0.5Pa・s以上であり、パウダー中のトータルカーボン量と粘度が特定の関係式を満足する連続鋳造用モールドパウダーが記載されている。

上記特許文献1〜3に記載された粘度の設定を行なったモールドパウダーは、それを実際に利用する際は、鋳造速度や鋳造装置などが特定の用途に限定されている。例えば、特許文献1に記載のモールドパウダーは極低炭素鋼に限定されて用いられる。また、特許文献2は、保温特性の向上や、鋳型内の緩冷却を目的としたものではない。また特許文献3は、鋳片品質と安定潤滑を計ることができない。このように、モールドパウダーの粘度やカーボン量だけを規定しても、鉛含有鋼のように抜熱が大きい場合に、最適なモールドパウダーは得られないことが判った。

一般的に、潤滑の安定を目的とする場合、パウダースラグを低融点化する手法で消費原単位を確保する手段は存在する。これに対し、パウダースラグを高粘度化することは、鋳型内の潤滑として一般的に評価される消費量(以下、消費原単位と呼ぶ）が少なくなるため、保温効果ならびに抜熱に対応を目的としてパウダースラグを高粘度化することは、従来行われていなかった。また、抜熱の増加に対応するために凝固温度を高くした場合、消費原単位を合せるのに、低粘度化することにより対応するのが主流であった。

このように従来の技術では、鋳型内の抜熱を制御することにより表面品質を良好に維持するという課題と、パウダースラグの安定潤滑を確保するという課題を同時に解決することはできなかった。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであり、鉛含有鋼のように抜熱が大きく鋳片の凝固速度が大きい場合でも、鋳片表面品質が良好であり、生産性向上が可能である鋳造用モールドパウダーを提供することを目的とする。

本発明は、品となるモールドパウダー中の炭素含有量が７〜１４質量％、アルカリ及びアルカリ土類の金属イオン含有量がカルシウムを除いたイオン換算で１０質量％以下、フッ素イオン含有量が２．５〜１２質量％、及び塩基度〔Ｃａ／ＳｉＯ _２ 〕(質量比)が０．３〜１．５であることを特徴とする鉛含有鋼鋳造用モールドパウダー、
を要旨とするものである。

本発明は上記構成を採用したことにより、鉛含有鋼のように抜熱が大きく鋳片の凝固速度が大きい場合でも、鋳片表面品質が良好であり、生産性向上が可能である鋳造用モールドパウダーが得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。本発明製品となるモールドパウダー中の炭素含有量(分析の上でT.Cと言うこともある)が７〜１４質量％、アルカリ及びアルカリ土類の金属イオン含有量がカルシウムを除いたイオン換算で１０質量％以下、フッ素イオン含有量が２．５〜１２質量％、及び塩基度〔Ｃａ／ＳｉＯ _２ 〕(質量比)が０．３〜１．５であり、
かつモールドパウダーの緩充填における嵩比重が０．７以下、１５７３Kにおける粘度が０．５〜５Pa・s、凝固温度が１１７３〜１４２３Kであり、これらの構成要件を全て満足するものである。すなわち本発明では炭素含有量、嵩比重、１５７３Kにおける粘度、凝固温度を特定の範囲としたことに大きな特徴がある。これらの構成要件のうちいずれか一つが欠けていても所定の効果が得られない。上記構成要件に対し、一般的な認識や技術的な意味は、従来は下記の様なものであった。

炭素含有量がモールドパウダー中の7質量％以上の場合、溶融量が過小となり、鋳型上部からのスラグ供給の不足が生じる傾向がある。そのため通常のモールドパウダーは炭素含有量が7質量％未満に構成されていた。またモールドパウダーの嵩比重が0.7以下の場合には、通常のモールドパウダーの炭素含有量である7質量％未満では、加熱された際に焼結の過程が長いため、溶湯の保温という観点から「低嵩比重は保温性が良好である」という一般論は適用できなかった。

また一般に、モールドパウダーの1573Kにおける粘度を0.5Pa・s以上とした場合、パウダースラグの粘性は流入抵抗として作用するために、通常は潤滑能力が低下しすぎる。またモールドパウダーの凝固温度が1423K以下の場合、鋳型内の抜熱量が増大しすぎて、品質低下の虞があると認識されていた。以上のことは、一般的によく知られている。つまり、この範囲を単独もしくは組合わせて利用することは、実際の操業では極めて困難であった。

これに対し本発明では、従来の技術とは異なる発想で課題を解決した。まず溶湯表面温度の低下を防止するために、モールドパウダーに添加する炭素含有量を7質量％以上とした。なお炭素含有量が高くなると溶融量が減少するが嵩比重により対応できる。例えば、燃焼炭素含有量の上限である14質量％では、パウダーの嵩比重を0.7以下に抑えることで、炭素による溶融過小を防ぎつつ燃焼熱量を高めることができる。しかも一般的な原則である、低嵩比重＝保温性良好の概念を適用可能となるよう、焼結を抑えた溶融の制御が可能となる。この結果、スラグの供給を確保した上で、従来の保温断熱効果が更に向上することを見いだした。

さらに、本発明は凝固温度及び粘度を特定範囲に規定したことで、鋳型内での安定した低抜熱化を図り潤滑を確保することができた。なお従来は、モールドパウダーの凝固温度を1423K以下にすることは、品質上好ましくないことが知られていた。又、モールドパウダーの粘度を0.5Pa・s以上とすることは、操業上経験的に好ましくないことが知られていた。更に、鉛含有鋼では、鋼種特徴から溶鋼表面の温度低下が著しい為、これらの条件を満たすことは操業上の観点から困難と見られていた。これに対し、本発明では、温度補償に着目することで課題を解決できた。

従来の品質向上の為に行なう鋳型内の緩冷却の手段としては、モールドパウダーの塩基度を上昇させ、パウダースラグの凝固温度を上げることで、冷却時の結晶析出の増大を図り、伝熱抵抗を増大させて冷却速度を低下させることにより、温度低下を抑制する方法が採られていた。

これに対し本発明では、モールドパウダーの凝固温度と粘度を特定の範囲とすることによって、潤滑に必要な液相厚みを確保した上で、炭素含有量と緩充填における嵩比重を特定することで、鋳型内スラグ流入の最適化を計るようにした。その結果、鋳型と凝固シェルの間隔を十分確保してなおかつ緩冷却を可能とすることができた。

本発明モールドパウダーを用いた場合の鋳型内部のメカニズムを図1を用いて説明する。図1は鋳型内メニスカス近傍の模式図であり、図中1は鋳型、2はモールドパウダー、3はスラグプール、4は溶湯、5は固相スラグである。

まず凝固温度と液相厚みの関係について説明する。図1に示すように、メニスカス6近傍のスラグフィルム(鋳型1と溶湯4との間に存在するスラグ)は、スラグの凝固温度で規定された液相厚み(a2)を持つ。鋳型1と凝固シェル8の間隔は、溶鋼の凝固収縮に伴い、下部に行くほど増大する。すなわち、a2＜b2となり、下部にはエアギャップ7と呼ばれる空隙が形成される。

ここで、スラグの粘度が低すぎる場合には流入抵抗が小さい為、スラグはエアギャップ7に流れ込む。その結果、上部より下部にかけてスラグが充填され、鋳型冷却面の熱伝導面積が増大する。従って、鋳型内抜熱が大きくなり、冷却過剰となり鋳片品質が悪化する虞が出てくる。

一方上記とは反対にスラグの粘度が高過ぎた場合には、スラグの流入抵抗が大きい為に、液体の流入が停滞し、スラグフィルムは薄くなる。その結果、鋳型内の熱抵抗が低下することで鋳型内抜熱が大きくなり、冷却過剰から鋳片品質が悪化する虞が出てくる。

図1に示すように鋳型内における熱伝導は、抵抗となるスラグフィルムの厚みと接触面積に依存する。スラグフィルムの厚みが薄く接触面積が大きければ、熱移動が大きくなり鋳型内の抜熱は増大する。すなわち図1の上部スラグフィルムの狭小厚みがa2からa1に薄くなれば、熱抵抗が小さくなって抜熱が増大する。

一方、モールドパウダーの1573Kにおける粘度が0.5Pa・s未満に低下すると、流れ込みが大きくなり下部スラグフィルム厚みはb1からb2のように厚くなる。凝固シェルの界面の位置S2では、エアギャップ7生成位置が下に移動することにより、鋳型とスラグフィルムとの接触面積が増大することになる。

またモールドパウダーの1573Kにおける粘度が5Pa・sを超えて高くなりすぎると、パウダースラグの流入が不足するから、図1の超高粘度時の凝固シェル界面の位置S1は鋳型1側に近づき、スラグフィルムと鋳型との間隔が狭くなる。下部スラグフィルムの厚みがb2からb1に減少し、熱抵抗が小さくなる。

モールドパウダーの凝固温度は、鋳型内に流入したスラグフィルム中の潤滑に寄与する液相厚みを確保する観点から1173〜1423Kとしたものである。好ましい凝固温度は1223〜1403Kであり、更に好ましくは1253〜1403Kである。

また同様にモールドパウダーの1573Kにおける粘度は、好ましくは1.0〜3.5Pa・sである。

またモールドパウダーの緩充填における嵩比重は、0.7以下であればよいが、好ましくは0.65以下であり、さらに好ましくは、0.6以下である。また嵩比重の下限は、輸送に有利であるという理由から、0.4以上であるのが好ましい。

本発明鋳造用モールドパウダーの原料としては、モールドパウダーに一般に使用されているものが利用できる。このような原料として例えば、合成ケイ酸カルシウム、ポルトランドセメント、リンスラグ、合成スラグ、ワラストナイト、ダイカルシウムシリケート、珪石、Al₂O₃、CaO、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃、CaCO₃、SrCO₃、MnCO₃、BaCO₃、NaF、Na₃AlF₅、珪藻土、CaF₂、MgOなどが挙げられる。

また炭素原としては、コークス、カーボンブラック、リン状黒鉛に代表される黒鉛形やセルロース形に代表される有機体など(加熱時に炭化するものを含む)が挙げられる。

これらの原料の粒度については、平均粒径が100μm以下であるのが好ましい。ただし、炭素原の粒度は、平均粒径が10〜500μmであることが望ましい。

モールドパウダーの化学組成は、以下の要因があることから、適切な成分範囲が存在する。例えば、塩基度〔CaO/SiO₂〕(質量比)が0.3未満であると、溶鋼と反応しやすくなり汚染の虞がある。また塩基度が1.5を超えると凝固温度が高いために鋳型内の潤滑に不備を生じる虞がある。そのため、モールドパウダーの塩基度は0.3〜1.5であるのが好ましい。

モールドパウダー中のアルミナの含有量は、1573Kにおける粘度が0.5〜5Pa・sになる範囲であれば、特に限定されるものではない。

モールドパウダー中のフッ素の含有量は、介在物の吸収能力を確保するために、少なくとも2.5質量％以上であるのが望ましく、又、スラグの粘度が低下しすぎて、巻き込みが発生するのを防止する点から、12質量％以下であるのが望ましい。

アルカリならびにアルカリ土類については、使用量が多くなると粘度が低下しすぎる虞が出てくる。又、これらが多くなりすぎると、介在物とスピネル構造の高融点物を形成し、介在物吸収を妨げる虞があることから、カルシウムを除いたイオン換算で、10質量％以下とするのが好ましい。

実施例1〜4、比較例1〜6
表1に示す組成及び物性を有するモールドパウダーを使用し、垂直型連続鋳造機を用いて鉛含有鋼を鋳造速度が5×10^-3〜10×10^-3m/secで操業を行い、鋳片幅0.490m、鋳片厚み0.380mの鋳片を得た。さらに得られた鋳片について、表面の割れ、及び拘束痕について目視で観察して下記の基準により評価した。評価結果を表2に示す。

〔割れ〕
鋳造した鋳片を目視判定した際に、割れの発生した鋳片が、0本の場合は○とし1本以上は×とした。
〔拘束痕〕
鋳造した鋳片を目視した際に、拘束した痕が確認できなかった場合は○とし、確認できた場合には×とした。

なお、鋳造に用いた鉛含有鋼の代表成分は、C:0.17質量％、Mn:1.15質量％、P：0.04質量％以下、S:0.10質量％、Pb：0.22質量％である。

表2に示すように、比較例1は嵩比重が、比較例2は炭素含有量及び嵩比重が、比較例3は炭素含有量が、比較例4は炭素含有量と粘度が、比較例5は粘度が、比較例6は1573Kにおける凝固温度が、それぞれ本願発明の構成要件から外れるものであり、いずれも本発明の構成要件を全て備えるものではない。その結果、表3に示すように、本発明の構成要件を全て備えていない比較例1〜7の場合は、割れ及び拘束痕の評価を満足することができなかった。これに対し本発明のモールドパウダーを用いた場合には、実施例1〜4に示すように、割れ及び拘束痕のいずれの特性も満足することができ、連続操業において問題は発生しなかった。

鋳型内のメニスカス近傍を示す模式図である。

符号の説明

1 鋳型
2 モールドパウダー
3 スラグプール
4 溶湯
5 固相スラグ
6 メニスカス
7 エアギャップ
8 凝固シェル
S1 スラグが適正ならびに低粘度時の凝固シェル界面の位置
S2 スラグが高粘度時の凝固シェル界面の位置

Claims (1)

1. 製品となるモールドパウダー中の炭素含有量が７〜１４質量％、アルカリ及びアルカリ土類の金属イオン含有量がカルシウムを除いたイオン換算で１０質量％以下、フッ素イオン含有量が２．５〜１２質量％、及び塩基度〔Ｃａ／ＳｉＯ _２ 〕(質量比)が０．３〜１．５であり、
   かつモールドパウダーの緩充填における嵩比重が０．７以下、１５７３Kにおける粘度が０．５〜５Pa・s、凝固温度が１１７３〜１４２３Kであることを特徴とする鉛含有鋼鋳造用モールドパウダー。

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