JP5366896B2

JP5366896B2 - 下注ぎ造塊方法

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Publication number: JP5366896B2
Application number: JP2010154812A
Authority: JP
Inventors: 大輔渡辺; 哲史出浦; 浩司岩永; 晴記飛松
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: JP2012016715A

Description

本発明は、溶鋼を注入管を介して鋳型に装入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法に関する。

溶鋼を注入管を介して鋳型に装入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法として特許文献１に示すものがある。
特許文献１では、下注ぎ法または上注法によってキルド鋼を製造するに当って、鋳込前溶鋼の温度をＴＬ（液相開始温度）＋２０℃以上にするとともに、その溶鋼の注入中ないしはその直後に、溶鋼トン当り総発熱量が１８００Ｋｃａｌ以上になる量の早期燃焼型高カロリー保温剤、ただし発熱して最高温度に達するピーク時間が３分以内のものをもって、鋳型内湯面上を被覆し、鋼塊底部の沈澱晶帯における介在物集積を、軽減抑制している。

また、特許文献１に示すような下注ぎ造塊法ではないが介在物の群生化を防止するものとして特許文献２に開示されたものがある。
特許文献２では、アルミニウム、チタン、ジルコニウム等を単独又は複合して含有する溶鋼を０．５〜３０ｔｏｎ／分の注入速度で鋳造するに際して金属カルシウム若しくはカルシウムを含む合金粒を０．５〜２．０ｋｇ／分の供給速度で注入溶鋼流に添加している。

特開昭４７−０２６３３４号公報特開昭４９−０３５２３２号公報

特許文献１及び特許文献２には、鋳塊中の介在物の集積を低減することが開示されているものの、当該技術を用いたとしても下注ぎ造塊方法にて鋳塊を製造するに際して、介在物の集積を低減することにより粗大な介在物の発生を十分に低減させるには至っていないのが実情である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、粗大介在物の発生を抑制し、清浄度の優れた鋳塊を製造することができる下注ぎ造塊方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、溶鋼を注入管を介して下方から鋳型に装入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法を行うに際し、前記鋳型内の溶鋼に浴面を被覆するための被覆材を添加した後、保温材を添加する前又は同時にＣａを添加することとし、前記浴面の表面積に対するＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように前記Ｃａを添加すると共に、保温材中の含有量と添加したＣａとの関係を示す［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすようにしている点にある。

本発明の他の技術的手段は、溶鋼を注入管を介して下方から鋳型に装入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法を行うに際し、前記鋳型内の溶鋼に浴面を被覆するための被覆材を添加した後、Ｃａを含有する保温材を添加することとし、前記浴面の表面積に対するＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように前記保温材を添加すると共に、保温材中の含有量の関係を示す［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすようにしている点にある。なお、[％Ｘ]は、保温材中Ｘ含有量（モル％）である。

本発明によれば、粗大介在物の発生を抑制し、清浄度の優れた鋳塊を製造することができる。

下注ぎ造塊を行う下注ぎ造塊装置の概略図である。下注ぎ造塊の流れを示す図であって、（ａ）造塊の初期段階であり、（ｂ）造塊の中期段階であり、（ｃ）末期段階でＣａを添加した時であり、（ｄ）末期段階で保温材を添加した時を示している。実施例における［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）の値と介在物最大径との関係図である。実施例におけるＣａの添加量の値と介在物最大径との関係図である。

以下、本発明の下注ぎ造塊方法について図を基に説明する。
図１は、下注ぎ造塊を行う下注ぎ造塊装置を示したものである。
まず、下注ぎ造塊装置１について説明する。
下注ぎ造塊装置１は、下注ぎ造塊法により溶鋼２を鋳造するものであって、取鍋３内の溶鋼２を注入する注入管４と、この注入管４に注入された溶鋼２が装入される鋳型５と、注入管４と鋳型５とを連通する定盤６とを備えている。

注入管４及び定盤６には、溶鋼２が通る湯道７が形成されている。注入管４は、定盤６から上方に立設しており、鋳型５は、定盤６上に設置されて定盤６の湯道７から溶鋼２が装入される構造となっている。鋳型５の上部には、押湯枠８が装着されている。
このような下注ぎ造塊装置１にて、下注ぎ造塊を行うにあたっては、まず、取鍋３を注入管４上に配置して、当該取鍋３内の溶鋼２を注入管４に注入する。溶鋼２は、注入管４及び定盤６に形成された湯道７を通り鋳型５へ到達し、鋳型５内にて冷却されてインゴット等の鋳塊となる。この下注ぎ造塊方法においては、船用品や発電部品などに用いられる大型鍛造品の素材となる鋳塊を製造することができるが、これらに限定されるものではない。

本発明の下注ぎ造塊方法について詳しく説明する。
[被覆材の添加について]
下注ぎ造塊方法において、溶鋼２が鋳型５に装入されたときに当該溶鋼２の浴面が大気に触れてしまうと溶鋼２が酸化して清浄度が低下する。そのため、本発明では、溶鋼２の酸化を防止するために、図２（ａ）に示すように、溶鋼２が鋳型５の下方に形成した下注入口９から鋳型５内に入る初期段階において、溶鋼２の浴面を被覆するための被覆材１０（Ｃ−ＳｉＯ₂−ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系の被覆材）を添加している。

具体的には、溶鋼２が鋳型５内に入る前に、被覆材１０が入った袋を鋳型５内に設置し当該袋を下注入口９に近づけておき、溶鋼２が鋳型５に入った時に袋を熱により溶かすことにより、初期段階において溶鋼２の浴面を被覆材１０にて覆うようにしている。
また、図２（ｂ）に示すように、溶鋼２が鋳型５内に装入された後は、溶鋼２の浴面は徐々に上昇していき、被覆材１０は溶鋼２と鋳型５の内面との間に流入しながら消費されていく。この過程では、必要に応じて鋳型５の上方から被覆材１０を追加添加することによって、溶鋼２の浴面が露出して大気に極力触れないようにしている。被覆材１０の添加は、鋳型５内に溶鋼２が装入されてから当該溶鋼２の浴面が押湯枠８に到達するまで実施し、その間、溶鋼表面積の７０％以上が被覆されている状態を保つようにした。なお、被覆材１０の添加方法は、上述した方法に限らず、初期段階において袋を用いずに初めから直接溶鋼２の浴面に鋳型５の上方から添加してもよいし、その他の方法により添加してもよい。

[保温材及びＣａの添加について]
下注ぎ造塊方法においては、溶鋼２の浴面が鋳型５の上部付近に到達したときに溶鋼２の温度を保つために保温材１１を添加することが通常行われている。ここで、保温材１１として酸化鉄（Ｆｅ_tＯ）、ＭｎＯ₂、ＳｉＯ₂、Ａｌとを含むものを添加するが、この保温材１１の添加によって粗大な高アルミナ系介在物が生成して清浄度が低下することがある。この保温材１１は、パウダー形状であっても、ボード等の成形形状であってもよい。

そこで、本発明では、保温材１１を添加する前又は同時にＣａ１２を溶鋼２に添加することにより、保温材１１の添加時に、下記式（１）〜（３）に従って生成する高アルミナ系介在物をＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系介在物へと改質することにしている。このＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系介在物は凝集し難く、高アルミナ系介在物に比べ、その大きさは比較的小さく、清浄度を向上させることができる。

２Ａｌ＋３Ｆｅ_tＯ＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３tＦｅ・・・（１）
２Ａｌ＋３／２ＭｎＯ₂＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３／２Ｍｎ・・・（２）
２Ａｌ＋３／２ＳｉＯ₂＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３／２Ｓｉ・・・（３）
以下、Ｃａの添加方法や添加量について詳しく説明する。
本発明では、図２（ｃ）に示すように、溶鋼２が押湯枠８に達して鋳造が終了するまでの間（末期段階）に、Ｃａ１２を添加する。図２（ｄ）に示すように、Ｃａ１２の添加後に保温材１１を添加することとしている。

言い換えれば、鋳造の末期段階において、溶鋼２の浴面が被覆材１０で覆われている状況下にて、その被覆材１０の上方にＣａ１２を添加して、その後に保温材１１を添加している。
なお、添加するＣａ１２は、純金属Ｃａ（金属Ｃａ）であってもＣａ合金であってもよい。Ｃａ合金としては、Ｃａ−Ｓｉ合金、Ｃａ−Ｎｉ合金などがあるが、鋼成分の規格に応じて自由に選択してもよい。また、Ｃａ１２を添加してから保温材１１を添加するまでの時間は、０秒（同時）〜６００秒（１０分）とするのが好ましい。

さらに詳しくは、Ｃａ１２を添加するに際し、浴面の表面積に対するＣａの添加量（１ｍ²当たりの添加量）が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように被覆材１０に向けてＣａ１２を添加している。言い換えれば、純Ｃａ相当量を押湯枠８から内側の断面積で割ることによりＣａの添加量を規定し、その値が、０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²となるようにＣａ１２を添加している。

Ｃａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²未満であると、添加量が少なすぎるために、Ｃａによって十分に高アルミナ系介在物をＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系介在物へと改質することができない。一方で、Ｃａの添加量が１０ｋｇ／ｍ²よりも多いと、粗大なＣａＯ系の介在物が発生してしまうことにより清浄度が低下してしまう虞がある。
保温材１１は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ_tＯ、ＭｎＯ、ＳｉＯ₂、ＭｎＯ₂、Ｃ、Ｓを含有している。例えば、保温材１１の組成は、ＦｅＯ：１０〜２０質量％、Ｆｅ₂Ｏ₃：１０〜２０質量％、Ａｌ：２０〜２５質量％、Ａｌ₂Ｏ₃：２５〜４０質量％、ＳｉＯ₂：５〜１０質量％である。また、保温材１１中には、Ｓが含有されているが、Ｓの含有量は２００ｐｐｍ程度（不可避不純物程度の量）であり、実質的に零（≒０）と考えてもよい。言い換えれば、Ｓの含有量は他の成分に比べて微量であるため、後述する式（４）にＳの含有量を代入したとしても、式（４）の値が大きく変化することはなく実質的に影響が出ない。

本発明では、保温材１１中の各成分の含有量と、Ｃａ１２の含有量を規定するために、保温材１１とＣａとの関係を示す式（４）の値が０．０８〜０．２５を満たすように、保温材１１と添加するＣａ１２との関係を規定している。
［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）・・・（４）
ただし、式（４）で示される「％」は、「モル％」である。

式（４）の値が０．０８未満であると、保温材１１によって生成する高アルミナ系介在物量に対して、Ｃａ量が少なすぎるために、Ｃａ１２を添加しても、添加したＣａによって十分に高アルミナ系介在物をＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系介在物へと改質することができない。一方、式（４）の値が０．２５よりも多いと、保温材１１に対するＣａ量が多いために、Ｃａ１２を添加すると、粗大なＣａＯ系の介在物が発生してしまうことにより清浄度が低下してしまう虞がある。

したがって、本発明では、保温材中の含有量と添加したＣａとの関係を示す［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすようにしている。
なお、保温材１１とＣａ１２とを別々に添加する場合においては、保温材１１中に微量のＣａが含有されていてもよい。保温材１１に微量のＣａが含有している場合であっても、保温材１１中の各成分の含有量と、Ｃａ１２の添加量との関係を上述した式（４）に代入したとき、その値が０．０８〜０．２５を満たす関係であればよい。

上記の説明では、溶鋼２が押湯枠８に達して鋳造が終了するまでの間に、Ｃａ１２と保温材１１とを別々に添加していたが、これに代え、保温材１１とＣａとを混ぜ合わせて、保温材１１とＣａとを同時に添加するようにしてもよい。例えば、保温材１１を添加する前に、従来から使用している保温材１１に純金属ＣａからなるＣａ１２を混合して、Ｃａを含有する保温材１１を用意しておき、その保温材１１を溶鋼２に添加するようにしてもよい。

Ｃａを含有した保温材１１を添加する場合も、保温材中の含有量の関係を示す［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすようにすればよい。また、当然に、Ｃａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように保温材１１を添加する必要がある。

表１は、本発明の下注ぎ造塊方法によって鋳塊を製造した実施例と、本発明の下注ぎ造塊方法とは異なる方法によって鋳塊を製造した比較例とを示したものである。

実施例及び比較例において、下注ぎ造塊方法を行う前の一次精錬は当業者常法により電気炉にてスクラップを溶解した後、精錬を行い２０〜１００トンの溶鋼２を取鍋３に出鋼した。また、一次精錬後の溶鋼２に対して、ＬＦ装置及び蓋脱ガス装置（ＶＤ）による二次精錬を行い成分調整及び溶鋼２温度を調整した。一次精錬及び二次精錬が終了した溶鋼２に対して、下注ぎ造塊方法によって鋳塊（インゴット）を製造した。

なお、一次精錬は電気炉による精錬でなくてもよく転炉など他の装置で行ってもよい。また、二次精錬もＬＦ装置や蓋脱ガス装置によるものでなくてもよく、還流脱ガス装置（ＲＨ）やＣＡＳ装置など他の装置で行ってもよい。さらに、一次精錬や二次精錬における溶鋼２の成分、処理温度及び溶鋼量などは、本発明の本質部分でないため上述したものに限定されない。

下注ぎ造塊方法における鋳型５のサイズは、２０トン〜９０トンのインゴットを製造できるものとしているが、インゴットのサイズ及び形状は限定されない。一部の比較例では、実施例との比較を分かりやすくするために被覆材１０が消費されて溶鋼２の浴面が面積率において、８０％以上露出されても追加の被覆材１０を添加せず、一部の浴面が露出したままＣａ等の添加を行った。

鋳型５による鋳造後に当業者常法により凝固したインゴットを約１３００℃まで加熱して、熱間鍛造を断面直径が１５０〜７００ｍｍの鍛造材に成形した。
また、実施例及び比較例では、誘導溶解炉を鋳型５に模した小型実験も一部実施した。小型実験では、溶鋼量３〜３０ｋｇの溶鋼２を誘導溶解炉で溶解し、成分調整後、鋳型５と同様に、速やかに被覆材１０を添加した。その後、溶鋼２の浴面の表面積に対するＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように、パウダー状のＣａ１２とＣａが無添加である保温材１１を同時に添加、またはＣａ１２を含有する保温材１１を添加した。なお、Ｃａを含有する保温材１１又はＣａ１２を添加するにあたっては、［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすように保温材１１又はＣａ１２を添加している。そして、保温材１１を添加した後は、誘導溶解炉の電力を停止して炉内で溶鋼２を凝固させた。

鍛造後の鋼塊や誘導溶解炉（小型実験）にて凝固させた鋼塊から小片を取り出して研磨後、電子顕微鏡（ＳＥＭ）による介在物の観察を行った。実施例及び比較例では、１５×１５ｍｍの四方の視野で検出された最大介在物の大きさを表中の介在物サイズとした。
実施例１〜１１に示すように、鋳型５内の溶鋼２に浴面を被覆するための被覆材１０を添加した後、Ｃａを含有する保温材１１を添加したり、保温材１１とＣａ１２とを別々に添加することとし、浴面の表面積に対するＣａの添加量は０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすようにし、さらに、［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）の関係（式（４））が０．０８〜０．２５を満たすようにしていることから、最大介在物のサイズを２００μｍ以下とすることができた。

図３は、実施例における上述した式（４）の値と介在物最大径との関係をまとめたものである。図３に示すように、Ｃａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²としている状況下では、式（４）の値が０．０８以上となったところで急激に介在物最大径が２００μｍ以下に減少していると共に、式（４）の値が０．０２５よりも大きくなったところで急激に介在物最大径が２００μｍよりも大きくなっている。即ち、図２から見ても式（４）の値が０．０８や０．０２５となったときが介在物最大径を小さくする臨界点となっている。

図４は、実施例におけるＣａの添加量の値と介在物最大径との関係をまとめたものである。図４に示すように、式（４）の値が０．０８〜０．２５となっている状況下では、Ｃａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²以上となったところで急激に介在物最大径が２００μｍ以下に減少していると共に、Ｃａの添加量が１０ｋｇ／ｍ²よりも大きくなったところで急激に介在物最大径が２００μｍよりも大きくなっている。即ち、図３から見てもＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²や１０ｋｇ／ｍ²となったときが介在物最大径を小さくする臨界点となっている。

一方で、比較例ではＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²未満であったり、１０ｋｇ／ｍ²よりも大きいと、介在物最大径は２００μｍよりも大きくなった。また、比較例では、Ｃａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²であっても、式（４）の値が０．０８未満であったり、０．２５よりも大きいと、介在物最大径は２００μｍよりも大きくなった。さらに、比較例では、被覆材１０を添加しなかったり、途中で被覆材１０が消費されたときに被覆材１０を追加添加しなかったりすると（表中、被覆材１０、ナシ）、介在物最大径は２００μｍよりも大きくなった。

以上、本発明によれば、鋳型５内の溶鋼２に浴面を被覆するための被覆材１０を添加した後、規定通りに、Ｃａを含有する保温材１１を添加したり、保温材１１を添加する前又は同時にＣａ１２を添加すれば、粗大介在物の発生を抑制することにより介在物最大径を２００μｍ以下にすることができ、清浄度の優れた鋳塊を製造することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。上記の実施形態では、保温材１１の添加は、鋳込み途中で行っているが、鋳込み終了時（浴面が停止したタイミング）でもあっても構わない。

１下注ぎ造塊装置
２溶鋼
３取鍋
４注入管
５鋳型
６定盤
７湯道
８押湯枠
９下注入口
１０被覆材
１１保温材

Claims

溶鋼を注入管を介して下方から鋳型に装入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法を行うに際し、
前記鋳型内の溶鋼に浴面を被覆するための被覆材を添加した後、保温材を添加する前又は同時にＣａを添加することとし、
前記浴面の表面積に対するＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように前記Ｃａを添加すると共に、保温材中の含有量と添加したＣａとの関係を示す［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすようにしていることを特徴とする下注ぎ造塊方法。
ただし、[％Ｘ]：保温材中Ｘ含有量（モル％）とする。
溶鋼を注入管を介して下方から鋳型に装入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法を行うに際し、
前記鋳型内の溶鋼に浴面を被覆するための被覆材を添加した後、Ｃａを含有する保温材を添加することとし、
前記浴面の表面積に対するＣａの添加量が０．３５ｋｇ／ｍ²〜１０ｋｇ／ｍ²を満たすように前記保温材を添加すると共に、保温材中の含有量の関係を示す［％Ｃａ］／（［％Ａｌ］＋３［％Ｆｅ₂Ｏ₃］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ₂］＋２［％ＭｎＯ₂］＋［％Ｓ］）が０．０８〜０．２５を満たすようにしていることを特徴とする下注ぎ造塊方法。
ただし、[％Ｘ]：保温材中Ｘ含有量（モル％）とする。