JP4629461B2 - 連続鋳造用ノズル - Google Patents

Description

本発明は溶鋼の連続鋳造に際して使用される連続鋳造用ノズル、とくに、ノズル本体の内孔にドロマイトクリンカーを配合した内孔体を配置した連続鋳造用ノズルに関する。

近年、とくに、薄板等の高級鋼として鋳造されるアルミキルド鋼は鋼材品質の厳格化に伴い、連続鋳造においてタンディッシュからモールドに注入する際に使用する連続鋳造用ノズルの内孔へのアルミナ付着を防止することに多くの努力が払われている。

連続鋳造用ノズルに付着したアルミナは合体して大型の介在物になり、それが溶鋼流と共に鋳片内に取り込まれて鋳片の欠陥となり品質を低下させる。

この連続鋳造用ノズルの内孔へのアルミナ付着を防止する対策の一例として、ノズルの内面からアルゴンガスを溶鋼中に吹き込んで物理的にアルミナの付着を防止する手法が採られている。しかし、この手法はアルゴンガスの吹き込み量が多すぎると気泡が鋳片内に取り込まれてピンホールとなり、鋳片欠陥となる。したがって、ガスの吹き込み量には制約があるため必ずしも十分な対策とはなり得ない。

アルミナ付着防止対策のその他の有効な手段として、ＣａＯを含有する耐火物の適用が挙げられる。ＣａＯは付着したアルミナと反応して低融点物質を形成し、この反応物は容易に溶鋼流によって流されるためアルミナの付着を抑制することができる。ＣａＯを含有する代表的な耐火性骨材としてドロマイトクリンカーがあり、ドロマイトクリンカーを含有する耐火物をノズルの内孔に内孔体として配置することでアルミナの付着を抑制することができる。しかしながら、ドロマイトクリンカーは熱膨張が非常に大きいという問題と、連続鋳造用ノズルとして一般的に使用されているアルミナと反応して低融点物質を生成するという２つの大きな問題がある。

これに対して、特許文献１には、ドロマイトクリンカーと黒鉛とからなる内孔体をモルタルを介して内孔へ配置した浸漬ノズルが記載されている。これは、黒鉛を使用することで耐スポーリング性を向上させ、内孔体をモルタルを介して配置することでノズル本体との反応を抑制したタイプである。しかしながら、ドロマイトクリンカーの特徴は、溶鋼中のアルミナと反応して低融点物質を形成し溶鋼中に融けていくことでアルミナ付着を防止することにある。このため、内孔体の溶損は非常に大きく、取鍋１杯分の鋳造が完了する前に溶損して内孔体がなくなることもあり、とくに、特許文献１のように黒鉛を多く使用したタイプでは、溶損が大きいという問題がある。

溶損を防止するために、黒鉛の少ないタイプも提案されている。そして特許文献２には、黒鉛を少なくしたことによる耐スポーリング性の低下（内孔体の膨張による割れ）を防止するために、内孔体とノズル本体との間に隙間を設けることが記載されている。しかしながら、隙間を確保するための複雑な構造が必要であり、製造に手間を要し高コストになるという問題がある。

一方、ノズル本体にドロマイトクリンカーと反応せずしかも比較的膨張係数の大きなマグネシアクリンカーを使用した連続鋳造用ノズルも提案されている。例えば特許文献３には、ノズル本体をマグネシアクリンカーおよび黒鉛とし、しかも一体成形してノズル本体と内孔体が直接接触する浸漬ノズルが提案されている。このように一体成形することで実用的なコストにすることができる。しかしながらこの浸漬ノズルにおいては、耐食性を向上させるために内孔体に黒鉛を含ませないかあるいは黒鉛を少なくする場合には、やはり内孔体の膨張が大きくなるため熱衝撃によって内孔体が損傷したりノズル本体が割れたりするという問題がある。

そこで、特許文献４には、内孔体の耐スポーリング性を向上させるために内孔体を高気孔率化することが記載されている。しかしながら気孔率を３０％超とした場合には、使用中に気孔からＡｌ_２Ｏ_３とＣａＯとから生成する低融点物質が広く浸透するために、溶損が大きくなり寿命が短くなるという問題がある。
特開昭６１−５３１５０号公報 特開平７−２３２２４９号公報 特開平２００４−７４２４２号公報 特開平１０−５９４４号公報

本発明の課題は、ノズル本体とノズル本体の内孔に配置した内孔体の少なくとも一部が直接接触している連続鋳造用ノズルにおいて、スポーリングや折損、溶損等を抑制し、長時間かつ安定的に使用可能な連続鋳造用ノズルを提供することにある。

本発明においては、アルミナ付着防止効果に優れるドロマイトを使用した内孔体において、実用面から耐食性を確保するためには、カーボン含有量が少ない程良いとの考えから、カーボン含有量を１０質量％以下とした。そして。このカーボン含有量を少なくすることによって、耐スポーリング性が大幅に低下するのを防止するために、内孔体の弾性率とノズル本体の弾性率との関係について着目し鋭意検討を行った。その結果、ノズル本体と内孔体のそれぞれの弾性率を適正化することによって、上記課題を解決することが可能であることを見出した。

すなわち、本発明は、アルミキルド鋼の連続鋳造に使用する連続鋳造用ノズルであって、ノズル本体とノズル本体の内孔に配置した内孔体の少なくとも一部が直接接触しており、前記内孔体の配合物がドロマイトクリンカーを５０質量％以上、マグネシアクリンカーを５質量％以上５０質量％以下含有し、しかも内孔体のカーボン含有量が１０質量％以下であり、前記ノズル本体の配合物がマグネシア−黒鉛質であり、かつ、ノズル本体の配合物中の炭素量が内孔体の配合物中の炭素量より多く、
前記ノズル本体の超音波パルスの伝播速度から求めた弾性率をＥ１、前記内孔体の前記弾性率をＥ２とした場合に、ノズル本体と内孔体が接触している部分が次の（１）〜（３）式を全て満足するようにしたことを特徴とするものである。
４ ≦Ｅ１≦ １８ …（１）
０．５ ≦Ｅ２≦ １０ …（２）
Ｅ２≦Ｅ１ …（３）
（単位は全てＧＰａ）

本発明においては上述のとおり、内孔体の配合物がドロマイトクリンカーを含有し、内孔体のカーボン含有量が１０質量％以下である必要がある。ドロマイトクリンカーの含有量は、配合物に使用する割合としてアルミナ付着防止効果を考慮すると、５０質量％以上、好ましくは７０％質量以上である。そして残部は耐食性を高める点からマグネシアクリンカーを適用する。マグネシアクリンカーの含有量は、５質量％以上５０質量％以下とする。

内孔体の配合物（原料粒子）の最大粒径は１ｍｍ以下であることが好ましい。本発明では、使用中、溶鋼中のＡｌ_２Ｏ_３とドロマイトクリンカー中のＣａＯとが反応して低融点物質を生成することでアルミナ付着を防止する。そのため、内孔体の弾性率が低くなると低融点物質がより組織中に侵入しやすくなり原料粒子が脱落しやすくなるために耐食性が低下する。そこで、原料粒子の最大粒径を１ｍｍ以下と小さくすると耐食性が向上する。これは、原料粒子が小さい場合には、たとえ脱落しても小さな損傷で済むために影響は少なくなるためと推定される。

本発明で使用するドロマイトクリンカーとしては、ＣａＯとＭｇＯとを主成分とする耐火原料であって、一般的にドロマイト系れんが等の耐火物の原料として使用されている原料であれば問題なく使用することができる。例えば、約６０質量％のＣａＯと約４０質量％のＭｇＯを主成分とする天然のドロマイトを熱処理した天然ドロマイトクリンカーの他に、人工原料によって任意の組成に調合した合成ドロマイトクリンカーも使用可能である。

炭素成分（カーボン）の含有量は１０質量％以下、より好ましくは５質量％以下に抑える必要がある。１０質量％を超えると溶損が大きくなり、所望の耐食性を得ることが困難になる。炭素成分としては、ピッチの他にフェノール樹脂の炭化物、ピッチ、カーボンブラック等、耐火物に一般的に使用される炭素が使用可能である。しかしながら、黒鉛は溶損防止のため使用しないか、あるいは極力少ない方が好ましい。ここで言う炭素成分の含有量とは、製造した耐火物中に含まれる固定炭素分の量のことである。

本発明で使用可能なマグネシアクリンカーとしては、耐火物用として一般的に使用されている電融マグネシアクリンカー、焼結マグネシアクリンカー等のクリンカーが挙げられる。マグネシアクリンカーの純度は特に限定されるものではないが、好ましくは９５質量％以上、より好ましくは９８質量％以上である。

ドロマイトクリンカー、マグネシアクリンカーの他、耐火原料として、鋳造用ノズルの原料として一般的に用いられる酸化物、非酸化物、金属等が使用可能であるが、それらの内、ＣａＯと低融点物質を生成する、例えばアルミナ−シリカ系酸化物（酸化によりそれら成分を生成する非酸化物や金属等の原料を含む）等の成分からなる原料の使用量は１５質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましい。それらが１５質量％を超えると、ＣａＯとの反応により生成した低融点物質が過多になって耐食性が低下するからである。

ノズル本体として使用する耐火材の化学成分はとくに限定されるものではなく、アルミナ−黒鉛質、ジルコニア−黒鉛質、マグネシア−黒鉛質などが使用可能である。とくにマグネシア−黒鉛質は、内孔体のドロマイトクリンカーとの反応性がなく好ましい。

本発明では超音波パルスの伝播速度から弾性率を求めた。本発明においてノズル本体の弾性率は４ＧＰａ以上１８ＧＰａ以下である必要がある。４ＧＰａ未満ではノズル全体の構造を保持することができなくなり、折損する場合が多くなる。１８ＧＰａを超えると、ノズル本体自体に鋳造初期の加熱によってスポーリングが発生し不適当である。

また、内孔体の弾性率は０．５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下である必要がある。０．５ＧＰａ未満では、溶鋼流による溶損が大きくなり好ましくない。また、１０ＧＰａを超えると、ノズル本体を押し割る力が大きくなり、ノズル本体にスポーリングが発生する。

さらに、ノズル本体および内孔体のそれぞれの弾性率の適正範囲内において、内孔体の弾性率はノズル本体の弾性率よりも小さくする必要がある。これは、内孔体の弾性率がノズル本体の弾性率より大きくなると、ノズル本体を押し割る力が大きくなり、ノズル本体にスポーリングが発生するためである。

以上のとおり、母材の弾性率をＥ１、内孔体の弾性率をＥ２とした場合に、母材と内孔体が接触している部分が上記の（１）〜（３）式を全て満足している必要がある。図１は本発明におけるノズル本体および内孔体の弾性率の適正範囲を図示したものである。

本発明の連続鋳造用ノズルによれば、鋳造初期のスポーリングや鋳造中の折損、内孔体の溶損を防止できると共に、アルミナ付着を長時間防止することができる。したがって、鋳片の品質改善を図れると共に、連続鋳造用ノズルそのものの寿命を著しく延長することができる。

本発明の実施の形態を実施例によって説明する。

この実施例は、内孔体およびノズル本体の弾性率とそれらを各種組み合わせたときの浸漬ノズルの使用結果を調べたものである。

表１は、内孔体用材質の配合割合と焼成後の弾性率を示すもので、ＣａＯの含有量が６０質量％とＭｇＯの含有量が４０質量％のドロマイトクリンカーと純度が９８質量％のマグネシアクリンカーにカーボンブラックと適量のフェノールレジンを添加し、均一に混練したはい土について、フェノールレジンの溶剤の量を調整してはい土の可塑性を変化させた。これによって、成形体のかさ比重が変化するため、焼成後の弾性率を変化させることができる。

表２は、ノズル本体用材質の配合割合と焼成後の弾性率を示すもので、純度９８％の黒鉛と純度９８％のマグネシアクリンカーに適量のフェノールレジンを添加し、均一に混練したはい土について、フェノールレジンの溶剤の量を調整してはい土の可塑性を変化させた。これによって、内孔体用材質と同様に焼成後の弾性率を変化させることができる。

これらのはい土を、表３に示すような組合せで内孔体とノズル本体に適用し、プレス成形し、得られた成形体を１０００℃で熱処理し、所定の形状に加工して浸漬ノズルを作製した。

これらの浸漬ノズルを、アルミキルド鋼の鋳造に適用した。鋳造条件は、鍋容量が２８０ｔｏｎ、タンディッシュ容量が５０ｔｏｎ、鋳片の引き抜き速度が１．０〜１．３ｍ／分、鋳造時間が約３５０分であった。

鋳造中および鋳造後のノズルを調査した結果、本発明の範囲を外れた比較例１〜１３の浸漬ノズルについては、ノズル本体のスポーリング、ノズル本体の折損、内孔体の溶損のいずれかが発生した。一方、本発明の範囲に入る実施例１〜７の浸漬ノズルは問題なく鋳造が完了した。

本発明は、鋼の連続鋳造に使用する浸漬ノズルに適用できる。

本発明における内孔体およびノズル本体の弾性率の適正範囲を示す。

Claims (1)

1. アルミキルド鋼の連続鋳造に使用する連続鋳造用ノズルであって、
   ノズル本体とノズル本体の内孔に配置した内孔体の少なくとも一部が直接接触しており、前記内孔体の配合物がドロマイトクリンカーを５０質量％以上、マグネシアクリンカーを５質量％以上５０質量％以下含有し、しかも内孔体のカーボン含有量が１０質量％以下であり、
   前記ノズル本体の配合物がマグネシア−黒鉛質であり、かつ、ノズル本体の配合物中の炭素量が内孔体の配合物中の炭素量より多く、
   前記ノズル本体の超音波パルスの伝播速度から求めた弾性率をＥ１、前記内孔体の前記弾性率をＥ２とした場合に、ノズル本体と内孔体が接触している部分が次の（１）〜（３）式を全て満足している連続鋳造用ノズル。
   ４ ≦Ｅ１≦ １８ …（１）
   ０．５ ≦Ｅ２≦ １０ …（２）
   Ｅ２≦Ｅ１ …（３）
   （単位は全てＧＰａ）

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