JP5807910B2 - 下注ぎ造塊用の被覆剤 - Google Patents

Description

この発明は、インゴット鋳造用の被覆剤に関し、特に下注ぎ造塊用の被覆剤の改善によってピンホールの発生を防止する技術に関する。

鋼塊鋳造による鋼塊すなわちインゴットを圧延して得た製品では、長さ３０ｍｍ未満程度の短い疵が製品の全長に点在し、これらからなる疵が圧着されることなく、圧延製品に表面疵が頻発していた。これまでの発明者らの調査により、これらの深くて短い疵の起源はインゴットの表皮下に存在するピンホールであることが明らかとなった。このインゴットのピンホールは、鋳型内に注湯された溶鋼表面のメニスカス近傍における鋳型周辺の凝固シェル外部の鋳型近傍からのガス巻き込み、あるいは、溶鋼中の気泡が鋳型内の凝固シェルへの捕捉により、これらが単独若しくは複合で発生すると発明者らは考えている。

鋼塊鋳造で、外気温に近い温度の鋳型を用いて鋳造する際、鋳造時の天候が良くない場合には、結露によって鋳型内表面に水分が形成されることによって溶鋼中に水分がピックアップされ、鋳型内での凝固時にこの水分に起因する水素性ピンホールが生成して表面欠陥を発生する。そこで、外気温や露点温度および鋳型の温度の変化を計測して鋳型の予熱を行って、鋳型周辺の凝固シェル内にトラップされて、固相の水素飽和溶解度を超えてブローホール化する水分を無くすように、鋳型の予熱を行なって、初相がγ相で凝固するものとした下注ぎ鋳造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、鋳込み中に反応したＨ₂ガスやＣＯ₂ガスに起因するブローホール性表面欠陥の発生を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この提案の方法は鋳込み中に反応したガスに起因するブローホール性表面欠陥の発生を防止するために不活性ガスまたは窒素ガスにより、鋳型内部の雰囲気の酸素濃度を１質量％以下に保持したまま鋳込みを実施し、また、Ｈ₂ＯおよびＣＯ₂のそれぞれの含有量が１質量％以下の鋼塊用の被覆剤を使用する方法で、表面欠陥を起源とした製品の外面における線状疵や表面直下の空隙欠陥を低減できる方法である。

特開２０１１−１５２５８８号公報 特開２０１１−１１２２７号公報

上記の特許文献１の提案の方法では、雰囲気制御のために特別な設備を導入している。しかし、このような特別な設備の導入は、３トンなどの小型のインゴットを多数鋳造する工程では、設備コストが掛かり過ぎるために問題があった。

さらに、特許文献２の提案の方法では、鋼塊鋳造において鋳込み中に反応したＨ₂ガスやＣＯ₂ガスに起因するブローホール性表面欠陥の発生を防止する方法であるが、被覆剤の改善によってピンホールの発生を防止するものではなかった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、鋳型で下注ぎにより鋼塊を鋳造する際に、鋼塊にピンホールの発生を防止して、該ピンホールを起源とする鋼塊の深い位置に生じる短い疵に基づく鋼塊表面の表面疵の生成を抑止する鋳型内の溶鋼を被覆する被覆剤を提案することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉの酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上と、フリーカーボンとしてのカーボンブラックのみである微粒のカーボンとからなる被覆剤であり、該被覆剤からフリーカーボンおよび水分を除いた、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉの各元素からなる酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上からなる含有量を１００％とするとき、該酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上からなる含有量の１００％に対して、該１００％とは別枠で、フリーカーボンとしてのカーボンブラックのみである微粒のカーボンの含有量が１〜６％（望ましくは２〜４％）で、かつ該被覆剤の１３００℃における粘度が０．４〜２．０Ｐａ・ｓであることを特徴とする下注ぎ造塊用の被覆剤である。

請求項２の手段では、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉの酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上と、フリーカーボンとしてのカーボンブラックのみである微粒のカーボンとからなる被覆剤は、凝固温度が１０００〜１２００℃であることを特徴とする請求項１の手段の下注ぎ造塊用の被覆剤である。

請求項３の手段では、被覆剤は水分の含有量が０．３％以下（望ましくは０．０５〜０．２％）であることを特徴とする請求項１または２の手段の下注ぎ造塊用の被覆剤である。

上記の手段の下注ぎ造塊用の被覆剤を用いることでピンホールに起因する疵が無く、表面性状の良好な鋼塊が得られ、さらに、この鋼塊を圧延することで表面疵の無い圧延材が得られる。

特に、請求項１の手段では、鋳型内の被覆剤の溶融層は流動性が十分で、均一に流入しやすくなり、潤滑性が十分となり、鋳型内で溶鋼中から浮上するガスが被覆剤の溶融層を抜けやすく、したがって鋳型内の溶鋼のメニスカスで気泡の滞留が起こらないので、得られた鋼塊にガス巻き込み形のピンホールが容易に発生しない。カーボンブラックのみである微粒のカーボンからなるフリーカーボンは被覆剤の溶け過ぎを防止する滓化性調整の働きおよび燃焼発熱によるメニスカスの保温を行って、被覆剤の溶融層の不均一な流入の要因を排除し、フリーカーボンとしてカーボンブラックのみである微粒のカーボンの含有量を被覆剤の１〜６％（望ましくは２〜４％）とすることで被覆剤の溶融層の厚みを適切にし、初期の滓化の遅滞を無くして鋼塊にピンホールの発生を無くしている。

請求項２の手段では、被覆剤の溶け過ぎを無くし、また初期の滓化を均一として、鋼塊のピンホール疵の発生を防止している。

上記の請求項１または２の手段では、カーボンブラックからのみなる微粒のカーボンをフリーカーボンとしており、フリーカーボンにコークスや黒鉛などからなる粗粒のカーボンを含有していないので、燃焼して消滅するまでの時間が短く、鋳込み開始後の初期の被覆剤の溶融層の生成が遅くなったり不均一になることが無く、鋼塊ボトム部でのピンホール疵の発生が防止される。

請求項３の手段では、水分の含有量を０．３％以下（望ましくは０．０５〜０．２％）としているので、コスト高となることなく、ピンホールの発生頻度も高くなく、良好な鋼塊が得られる。

下注ぎ鋳造の鋳型内の溶鋼へのガス巻き込み状態を示す模式図で、取鍋、湯道および鋳型の模式的断面図である。 鋳型内のメニスカス近傍における凝固シェル外部からのガス巻き込みを示す模式図である。 鋳型内の溶鋼中のシールガスによる気泡の凝固シェルへの捕捉を示す模式図である。 鋼塊の鋳型内のボトム位置とトップ位置との間に相等する圧延材における疵の個数を示すグラフである。

本発明を実施するための形態について、表および図面を参照して以下に説明する。
鋼塊の鋳造による造塊では、鋳型内に注湯された溶鋼と未滓化の被覆剤との接触を防止して、水素ガスに起因するピンホールの生成を防止する。このため、鋳型内で安定的に被覆剤の溶融層を生成し、溶鋼と未滓化の被覆剤との接触を防止する造塊用の被覆剤が要求される。そこで、下注ぎ造塊では、下注ぎ造塊用の被覆剤の滓化性の向上と被覆剤の溶融層の生成の促進を図っている。

ところで、未滓化の被覆剤には必ず水分が含まれているが、この水分が溶鋼と接触すると、溶鋼が水分をピックアップして水素ガスを生成する。したがって、この未滓化の被覆剤に含有の水分が水素ガスに起因するピンホールを生成する要因となる。しかしながら、溶鋼と未滓化の被覆剤の接触を防止することで安定的に被覆剤の溶融層が生成でき、この生成された被覆剤の溶融層によりＣＯガスやＣＯ₂ガスに起因するピンホールの生成が防止できる。

本発明の下注ぎ造塊用の被覆剤では、請求項１または２の手段とすることで、初期の被覆剤の溶融層の速やかな生成を図っている。すなわち、上記のＣＯガスやＣＯ₂ガスに起因するピンホールの生成が防止できることで満足できる被覆剤であっても、鋳造初期に被覆剤が溶鋼上に落下したときに、溶鋼が被覆剤からピックアップする水分に起因してピンホールが鋳型のボトム側の鋼塊で発生しやすい。そこで、この鋳型のボトム側でのピンホールの発生を防止するためには、鋳型内における初期の被覆剤から速やかに溶融層を生成することが重要となる。

さらに、鋳型内の溶鋼中のＡｒやＮ₂などの気泡がメニスカスで滞留することを防止する。すなわち、取鍋から注入管を経て湯道へ注湯する際に、図１のように、取鍋と注入管の接続部をシールするシールガスのＡｒ、Ｎ₂などが注湯に巻き込まれる。この注湯に巻き込まれたＡｒ、Ｎ₂などのガスの気泡が注入管を経て湯道から下注ぎ鋳型の湯上り部に注入され、さらに、鋳型内に下注ぎされる溶鋼と共にＡｒ、Ｎ₂などのガスの気泡が注入されて、このガスの気泡が溶鋼中を上昇してメニスカスで滞留することを防止して、溶鋼上の被覆剤を通過して抜けやすくする。

ところで、図３のように、シールガスのＡｒ、Ｎ₂などの気泡が、鋳型内のメニカスで滞留することを防止するために、被覆剤を抜けやすくしなければ、溶鋼中のＡｒやＮ₂などの気泡がメニスカスへの浮上の途中もしくはメニスカスに滞留したこれらの気泡が鋳型周辺の凝固シェルに捕捉される。さらに、また、溶鋼に溶存されているシールガスからのＮ₂ガスや溶鋼中の水分からのＨ₂ガスなどの溶存ガスが鋳型内での溶鋼の凝固時に溶解度の低下に伴って凝固界面に排出され、凝固シェルに捕捉される。

上記したように、鋼塊に生じているピンホールは、上記した機構の単独もしくは複合によって発生すると考えられる。すなわち、第１の機構では、メニスカス近傍におけるシェル外部からのガス巻き込みである。また、第２の機構では、溶鋼中の気泡のシェルへの捕捉である。

本発明の下注ぎ造塊用の被覆剤のパウダー組成および物性値を表１に示す。この表１に基づいて、発明例１〜６の実施例と比較例１〜１１について以下に説明する。

本発明の下注ぎ造塊用の被覆剤である改善パウダーを使用して、３ｔ鋼塊の鋳型６内に下注ぎ造塊用の被覆剤９を一袋当たり６ｋｇのものを吊り下げて鋳造開始して、図１に示すように、取鍋１からＡｒガスあるいはＮ₂ガスのシール部２でシールし、注入管３、湯道４を経て下注ぎにより鋳型６に溶鋼１１を注入して造塊を実施した。なお、図２は鋳型内のメニスカス８の近傍における凝固シェル７の外部からのガス１０の巻き込みを示す第１の機構の図である。図３は、溶鋼１１中の気泡５の凝固シェル７への捕捉を示す第２の機構の図である。

以上の造塊の結果を表１により示す。表１に示すように、圧延材の疵個数の項の二重丸の◎と一重丸の○は、鋼塊のトップからボトムまでにピンホールの発生が少なく良好であり、圧延材の疵の個数は、鋼塊のトップからボトムまでに、◎では１ｍ²当たり２個未満で、○では１ｍ²当たり３個未満である。一方、比較例の圧延材の疵個数の項の△、×および××はピンホールの発生が多く不良であり、圧延材の疵の個数は△では１ｍ²当たり４個未満で、×では疵の個数は１ｍ²当たり４個以上の領域が鋼塊のトップからボトムまでの半分未満を占め、××では疵の個数は１ｍ²当たり４個以上の領域が鋼塊のトップからボトムまでの半分以上を占めている。なお、表１の物性値の粘度および凝固温度はそれぞれ一般的な方法で測定したもので、粘度は回転円筒法から求め、凝固温度は粘度の変曲点であるブレークポイントから求めたものである。なお、表１において、粘度は１３００℃の粘度である。

図４に示すグラフは、ピンホールに起因する圧延材の表面疵の個数を縦軸に、鋼塊のボトムからトップまでの間の相当位置を横軸に示す。このグラフは鋼塊を圧延後、圧延材を磁粉探傷してピンホールに起因する表面疵を計数した数値に基づくグラフである。このグラフの、黒丸で示す発明例１および白抜き三角で示す発明例２は、圧延材の１ｍ²当たりの疵の個数が２個以下であり、疵が少なく良好である。

これに対して、白抜き四角で示す比較例６は、圧延材の１ｍ²当たりの疵の個数が２〜６個であり、全体的に疵が多い。これは、上記の第１の機構によってメニスカスの近傍における凝固シェルの外部からのガス巻き込みおよび第２の機構の溶鋼中の気泡の凝固シェルへの捕捉によってピンホールが発生したことによる。さらに、白抜き菱形で示す比較例５は、鋼塊のボトム部分で圧延材の１ｍ²当たりの疵の個数が１１個と顕著に多くなっているものである。これは、フリーカーボンにコークスや黒鉛からなる粗粒のカーボンを含むため、初期の被覆剤の溶融層が速やかに生成できていないためである。しかし、鋼塊のトップ側では、発明例と同程度の圧延材の疵個数のレベルとなっている。これは、滓化して被覆剤の溶融層が生成すれば、融液の物性としては、発明例と同等になるためである。

１ 取鍋
２ シール部
３ 注入管
４ 湯道
５ 気泡
６ 鋳型
７ 凝固シェル
８ メニスカス
９ 被覆剤
１０ 外部からのガス
１１ 溶鋼

Claims (3)

1. Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉの各元素からなる酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上と、フリーカーボンとしてのカーボンブラックのみである微粒のカーボンとからなる被覆剤で、該被覆剤からフリーカーボンおよび水分を除いた、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉの各元素からなる酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上からなる含有量を１００％とするとき、該酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上からなる含有量の１００％に対して、該１００％とは別枠で、フリーカーボンとしてのカーボンブラックのみである微粒のカーボンの含有量が１〜６％で、かつ該被覆剤の１３００℃における粘度が０．４〜２．０Ｐａ・ｓであることを特徴とする下注ぎ造塊用の被覆剤。
2. Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉの各元素からなる酸化物系化合物およびフッ化物系化合物の１種または２種以上と、フリーカーボンとしてのカーボンブラックのみである微粒のカーボンとからなる被覆剤は、凝固温度が１０００〜１２００℃であることを特徴とする請求項１に記載の下注ぎ造塊用の被覆剤。
3. 被覆剤は水分の含有量が０．３％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の下注ぎ造塊用の被覆剤。

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