JP5831138B2 - 連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法に関し、詳しくは、タンディッシュにおいて、脱酸生成物などの酸化物系非金属介在物の浮上分離を促進させて溶鋼の清浄性を高める方法に関する。

鋼の連続鋳造では、取鍋内の溶鋼を一旦タンディッシュに注入し、タンディッシュ内に所定量の溶鋼を滞留させた状態で、タンディッシュから鋳型内に溶鋼を注入して鋳片を製造している。タンディッシュは、複数ヒートの連続鋳造を継続する際の取鍋交換時の溶鋼の供給機能、及び、複数の鋳型への溶鋼の分配機能を有するのみならず、タンディッシュ内に所定量の溶鋼を滞留させることで、タンディッシュから鋳型への溶鋼流出量が精度良く制御される、更には、溶鋼中に懸濁する脱酸生成物などの酸化物系非金属介在物（以下、単に「介在物」と記す）の浮上分離が促進されるなどの機能を有している。特に、近年の高品質の鉄鋼材料の要求から、タンディッシュにおいて介在物を効率的に浮上分離する技術が広く行われている。

タンディッシュにおける介在物の浮上分離方法は、タンディッシュ内に堰を設置し、堰によって溶鋼の流動を制御する方法が一般的である。例えば、特許文献１には、下部に貫通孔を有し、タンディッシュの底部からタンディッシュ内の溶鋼湯面上にまで伸びる堰を、取鍋からの溶鋼の注入部位を挟んでタンディッシュ内の二箇所に相対して配置し、タンディッシュ内を受鋼領域と鋼準静止領域とに分離し、鋼準静止領域での介在物の浮上分離を目的とするタンディッシュが開示されている。

特許文献２には、タンディッシュの底部に接する２個の貫通孔を有する堰によりタンディッシュ内を受鋼側と出鋼側とに分離し、且つ、前記堰の下流側にダム状の堰（下堰という）を配置し、更に、タンディッシュの長辺長さＬと短辺長さＷとの比Ｌ／Ｗを２〜７、受鋼側の容積比率を全体の１０〜４０％とするタンディッシュが開示されている。

また、特許文献３には、耐熱性組成物から形成されるタンディッシュ衝突パッドであって、該パッドが衝突面を備えたベースと、該ベースから上方に伸び且つ前記溶融金属の流れを受け入れるための上側開口部を備えた内部空間を完全に囲む無端の外側側壁部とを有し、前記外側側壁部が前記開口部へ向けて内方に且つ上方に伸びる少なくとも第１部分を備えた環状の内面を含むタンディッシュ衝突パッドが開示されている。

特許文献３の技術を改善する技術も提案されており、特許文献４には、取鍋から注入される溶融金属流がタンディッシュ底部に衝突する部分に設置される、タンディッシュ内溶融金属の流動制御パッドであって、溶融金属流の衝突部を囲んでタンディッシュの底部から上方へ伸びる壁部と、該壁部の上端部位から壁部の囲み中心へ向かって伸びる庇状部とを有し、タンディッシュの長辺内壁と対向する側の壁部に、切り欠きを有する流動制御パッドが開示されている。

また、特許文献５には、特許文献３の衝突パッドは一体構造の耐火物であることから、衝突パッドに代えて堰とするべく、取鍋からタンディッシュへの溶融金属流に相対してタンディッシュの底部から上方へ伸びる壁部と、該壁部の上端部位から溶融金属流へ向かって伸びる庇状部と、を有する流動制御用堰であって、前記壁部の高さｈ及び庇状部の幅ｄが、０．１≦ｄ／ｈ≦１．０なる関係式を満足する堰が開示されている。

更に、特許文献６には、取鍋からタンディッシュへの溶鋼流がタンディッシュ底部に衝突する部分に、該溶鋼流の衝突部を囲んでタンディッシュの底部から上方へ伸びる壁部と、該壁部の上端部位から壁部の囲み中心へ向かって伸びる庇状部とを有する流動制御パッドの配置されたタンディッシュを用い、溶鋼注入速度ｑ（ｍ³／分）と、庇状部を除いた流動制御パッド上面の面積Ａ１（ｍ²）と、流動制御パッド底面の面積Ａ２（ｍ²）とが、０．５＜（ｑ／Ａ２）×（Ａ１／Ａ２）＜５．０なる関係式を満足する条件で連続鋳造する高清浄鋼鋳片の製造方法が開示されている。

特開昭５３−６２３１号公報 特開平１０−２１６９０９号公報 特表平９−５０５２４２号公報 特開２００４−１０７７号公報 特開２００４−９８０６６号公報 特開２００４−１５４８０３号公報

特許文献１〜６によって、タンディッシュにおける介在物の浮上分離は大幅に改善され、堰を設置しない場合に比較して溶鋼の清浄性は大幅に向上した。特に、特許文献３〜６では、「開口部へ向けて内方に且つ上方に伸びる環状の内面」、または、「壁部の上端部位から壁部の囲み中心へ向かって伸びる庇状部」により、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入流は溶鋼の注入部位側に戻るように攪拌されることで、溶鋼注入流が減速され、介在物の浮上分離を阻害する、タンディッシュ内での短絡流及び高速流が解消されて、介在物の浮上に寄与している。

しかしながら、特許文献３〜６においても、未だ改善の余地がある。即ち、特許文献５を例にとれば、取鍋からの溶鋼注入流は、タンディッシュの底部から上方へ伸びる壁部に衝突することによって流れの向きを変え、更にその上部に存在する、壁部の上端部位から壁部の囲み中心へ向かって伸びる庇状部によって溶鋼注入部位側に戻るように攪拌されるが、堰によって形成される溶鋼上昇流の流速と、取鍋から堰内に注入される溶鋼の注入流速とが、適切な関係でない場合には、取鍋からの溶鋼注入流を均一に減速することはできず、つまり、堰の効果を十分に得られず、タンディッシュ内での介在物の浮上分離の促進は期待できない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、タンディッシュの溶鋼注入部位と溶鋼流出口との間に、タンディッシュ底部から上方に伸びる壁部と、該壁部の上端部位に前記溶鋼注入部位側を向いて水平方向に突出した庇状部と、を有する堰を設置したタンディッシュを用いて連続鋳造するにあたり、庇状部を有する堰によって形成される溶鋼上昇流の流速と、取鍋から庇状部を有する堰に注入される溶鋼注入流の流速とを、最適な範囲に制御することで、介在物の浮上分離を従来に比較して確実且つ有効に行うことができ、その結果、介在物起因の製品欠陥を大幅に低減することのできる、連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］脱酸された溶鋼を取鍋から一旦タンディッシュに注入し、次いでタンディッシュから鋳型に注入して鋼鋳片を連続鋳造するにあたり、
取鍋からの溶鋼注入流がタンディッシュ底部に衝突する溶鋼注入部位と、タンディッシュから鋳型への溶鋼流出口との間に、前記溶鋼注入部位を四方向から囲んでタンディッシュの底部から上方に伸びる壁部と、該壁部の上端部位に前記溶鋼注入部位側を向いて水平方向に突出した庇状部と、を有する堰を配置したタンディッシュを用い、
前記堰の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速と、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入流量及び取鍋からタンディッシュへの溶鋼流出孔の開口面積とが、下記の（１）式の関係を満足するように、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を制御しながら鋼鋳片を連続鋳造することを特徴とする、連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法。
ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]≦０．３ …（１）
但し、（１）式において、ｕは、堰の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速（ｍ／分）、Ｑは、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入流量（トン／分）、Ｓは、取鍋からタンディッシュへの溶鋼流出孔の開口面積（ｍ²）、ρは、溶鋼の密度（トン／ｍ³）である。
［２］前記堰は、前記壁部から前記庇状部に亘って連続した切り欠きを一箇所以上有し、該切り欠きの開口幅が０．０２ｍ以下であることを特徴とする、上記［１］に記載の連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法。

本発明によれば、庇状部を有する堰を用いて連続鋳造する際に、庇状部を有する堰によって形成される溶鋼上昇流の流速ｕと、取鍋から庇状部を有する堰に注入される溶鋼注入流の流速（＝Ｑ／(Ｓ×ρ)）との比を最適な範囲に制御するので、タンディッシュにおける介在物の浮上分離が促進され、鋳型に注入される溶鋼の清浄性が高まり、連続鋳造される鋼鋳片の清浄度が向上して介在物起因の製品欠陥を大幅に低減することが実現される。

本発明で使用する連続鋳造設備のタンディッシュ及び鋳型の部分を示す正面断面概略図である。 図１に示すタンディッシュの平面図である。 図１に示すタンディッシュの側面図である。 鋼板での介在物起因の欠陥の発生密度に及ぼすｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の影響を調査した結果を示す図である。 鋼板での介在物起因の欠陥の発生密度に及ぼす切り欠きの開口幅の影響を調査した結果を示す図である。 鋳片での介在物数の調査結果を、本発明例、比較例、従来例で対比して示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態を示す図であって、連続鋳造設備のタンディッシュ及び鋳型の部分を示す正面断面概略図、図２は、図１に示すタンディッシュの平面図、図３は、図１に示すタンディッシュの側面図である。

図１〜３において、符号１はタンディッシュ、２は鋳型、３は取鍋（図示せず）の底部に取り付けられたロングノズル、４はタンディッシュ１の底部に取り付けられた浸漬ノズルであり、予めアルミニウム、珪素、チタンなどの脱酸材で脱酸され、取鍋内に収容された溶鋼１１がロングノズル３を介してタンディッシュ１に注入されながら、タンディッシュ内に所定量の溶鋼１１を滞留させた状態で、タンディッシュ内の溶鋼１１が浸漬ノズル４を介して鋳型２に注入されて、鋼鋳片１２が製造されている。これらの図は、２台の鋳型２で、２条（２ストランド）のスラブ鋳片を連続鋳造する図である。

本発明で使用するタンディッシュ１は、図１〜３に示すように、取鍋（図示せず）からロングノズル３を介してタンディッシュ１に注入される溶鋼注入流がタンディッシュ１の底部に衝突する位置である溶鋼注入部位５と、タンディッシュ１から鋳型２への溶鋼流出口６との間に、タンディッシュ１の底部から鉛直方向上方に伸びる壁部８と、壁部８の上端部位に溶鋼注入部位側を向いて水平方向に突出した庇状部９と、を有する、壁部８の水平面への投影外形が矩形である堰７が配置されている。図１に示すように、堰７は、壁部８の溶鋼注入部位側の面と、庇状部９の下面側の面とが、円弧により滑らかに結ばれた形状となっているが、壁部８の溶鋼注入部位側の面と、庇状部９の下面側の面とが、直交する形状であっても構わない。

堰７は、溶鋼注入部位５を四方から囲むように、タンディッシュ１の長辺面側にも配置されている。つまり、溶鋼注入部位５は、水平面への投影外形が正方形或いは長方形の矩形である堰７によって四方向から囲まれている。

また、堰７には、壁部８から庇状部９に亘って連続する切り欠き１０が一箇所または２箇所以上設けられており、鋳造終了時には、堰７で囲まれる空間内の溶鋼１１が、切り欠き１０を通り、溶鋼流出口６に向いて排出されるように構成されている。図１〜３に示すタンディッシュ１では、二箇所に切り欠き１０が配置されているが、三箇所以上であっても構わない。また、図２では、切り欠き１０がタンディッシュ１の長辺面側に設置されているが、切り欠き１０の設置位置はタンディッシュ１の長辺面側に限る必要はなく、タンディッシュ１の短辺面側を向いた面に設置しても構わない。但し、切り欠き１０がタンディッシュ１の短辺側を向いた面に設置される場合には、溶鋼流出口６に向かう短絡流が形成されて介在物の浮上が損なわれる虞があるので、切り欠き１０はタンディッシュ１の長辺面側に設置することが好ましい。但し、切り欠き１０の設置は、本発明を実施する上で必須条件ではなく、設置しなくても構わない。

ロングノズル３を介して溶鋼注入部位５に注入された溶鋼１１は、溶鋼注入部位５に衝突した後、溶鋼注入流の落下エネルギーによってタンディッシュ１の底面に沿って四方を向いて流れるが、堰７の壁部８に衝突して上向き方向となり、更に、堰７の上端部の庇状部９によって溶鋼注入部位５を向いた流れになる。溶鋼注入部位５を向いた、四方から来る流れは、互いに衝突し合い、運動エネルギーを消費して減速し、最終的には上昇流を形成する。即ち、堰７によって、ロングノズル３を介して注入された高速の溶鋼流は減速されると同時に、堰７から溶鋼湯面に向かう上昇流を形成し、タンディッシュ内の溶鋼流が均一化される。即ち、堰７から溶鋼湯面に向かう上昇流によって介在物の浮上が促進されるとともに、タンディッシュ内での短絡流及び高速流が解消されて短絡流及び高速流に随伴して溶鋼流出口６から鋳型２に流出する介在物が減少する。つまり、タンディッシュ１における介在物の浮上分離が促進される。

但し、この堰７による作用・効果を得るためには、堰７の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速が、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼注入流の流速に対して所定の範囲内となるように、堰７の形状に応じて、溶鋼１１をタンディッシュ１に注入する必要がある。

即ち、堰７を配置したタンディッシュ１において、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼注入流の流速に対する、堰７の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速の比率を種々変更させて鋼鋳片１２の清浄化に及ぼす影響を調査した結果、溶鋼中の介在物を効率良く浮上させるためには、堰７の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速と、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼注入流の流速との比率を或る所定の範囲内に制御する必要のあることが分った。

ここで、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼１１の注入流量をＱ（トン／分）とし、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼流出孔の開口面積をＳ（ｍ²）とし、溶鋼の密度をρ（トン／ｍ³）とすると、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼注入流の流速はＱ／(Ｓ×ρ)で表される。ロングノズル３を流下する溶鋼１１は、ロングノズル３の上部に設けられるスライディングノズル（図示せず）で流量を制御されており、前記開口面積Ｓはこのスライディングノズルでの開口面積を用いるものとする。

堰７の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速をｕ（ｍ／分）とし、堰７の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速（＝ｕ）と、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼１１の注入流の流速（＝Ｑ／(Ｓ×ρ)）との比（＝ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]）が、鋼板での介在物起因の欠陥の発生密度に及ぼす影響を調査した結果を図４に示す。鋼板の介在物に起因する欠陥の発生密度（欠陥個数密度）は鋼板製品の介在物個数を超音波探傷測定により評価した。尚、堰７の上部開口部とは、四方を庇状部９で囲まれた範囲であり、また、図４は、切り欠き１０を設置しないときの結果である。溶鋼上昇流の流速ｕは、溶鋼中に耐火物製の棒を浸漬させ、その棒に加わる圧力を歪ゲージで測定することにより求めた。

図４に示すように、ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]が下記の（１）式を満たす場合に、鋼板における介在物起因の欠陥の発生が少なくなることが分った。尚、ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]は介在物浮上分離の尺度と考えることができる。

ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]≦０．３ …（１）
ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の値が０．３を超える場合は、堰７からの溶鋼上昇流速が速くなりすぎ、タンディッシュ内の溶鋼表面を擾乱させ、溶鋼湯面上のタンディッシュ内スラグの巻き込みが発生し、これにより清浄性が劣化する。また、ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の値が０．３以下であれば介在物の浮上分離は良好であるが、ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の値が極端に小さいと堰７からの溶鋼上昇流速が遅いために、介在物の浮上分離が不足する場合もあり、好ましくはｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の値を０．０１以上とする。

また、図５は、ｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の値を０．２の一定とした条件下で切り欠き１０の開口幅を変化させ、鋼板での介在物起因の欠陥の発生密度に及ぼす切り欠き１０の開口幅の影響を調査した結果を示す図である。図５に示すように、切り欠き１０の開口幅が０．０２ｍ以下の場合に、介在物起因の欠陥発生が更に少なくなることが分った。これは、開口幅が０．０２ｍ以下の切り欠き１０を設置することにより、堰７からの上昇流速を均一化することができ、介在物の浮上分離が促進されるからである。切り欠き１０の開口幅が０．０２ｍを超えると、堰７からの上昇流速が小さくなり、介在物の浮上分離効果が損なわれる。

ここで、堰７は、上方に溶鋼１１が存在することを前提とした堰であり、従って、堰７の高さは、少なくとも、堰７を配置する位置でのタンディッシュ内の溶鋼深さ未満とすることが必要である。また、好ましくは、堰７の高さは、堰７を配置する位置でのタンディッシュ内の溶鋼深さの１／２以下とする。一方、堰７の高さが余りに低いと、堰７の効果が得られないので、堰７の高さは１００ｍｍ以上確保することが好ましい。

また、実際の溶鋼注入部位５は「点」ではなく、或る程度の面積を持っており、このような溶鋼注入部位を四方から囲むと同時に、堰７で囲まれる空間の絶対量を確保するために、堰７の上部開口部のタンディッシュ長辺方向の長さを、少なくともロングノズル３の下端部内径と同等とし、好ましくはそれ以上とする。尚、図１では、面積を有する溶鋼注入部位の中心位置を、溶鋼注入部位５として表示している。

堰７の設置されたタンディッシュ１を用い、堰７の形状（堰７の上部開口部面積、堰７で囲まれる空間の体積など）に応じて、堰７の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速（＝ｕ）と、取鍋からタンディッシュ１への溶鋼１１の注入流の流速（＝Ｑ／(Ｓ×ρ)）とが上記の（１）式の範囲を満たすように、タンディッシュ１への溶鋼１１の注入を制御しながら連続鋳造することで、ロングノズル３から注入された溶鋼中の介在物は、堰７によって上向き方向の流動を得て、タンディッシュ内の溶鋼湯面に浮上分離する。つまり、堰７によって溶鋼中の介在物の浮上分離が促進され、清浄な鋼鋳片１２の製造が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、庇状部９を有する堰７を用いて連続鋳造する際に、堰７によって形成される溶鋼上昇流の流速（＝ｕ）と、取鍋から堰７に注入される溶鋼注入流の流速（＝Ｑ／(Ｓ×ρ)）との比を最適な範囲に制御するので、タンディッシュ１における介在物の浮上分離が促進され、鋳型２に注入される溶鋼１１の清浄性が高まり、連続鋳造される鋼鋳片１２の清浄度が向上して、介在物起因の製品欠陥を大幅に低減することが実現される。

転炉での溶銑の脱炭精錬及びその後のＲＨ真空脱ガス装置での真空脱ガス精錬によって溶製した約２５０トンのアルミキルド極低炭素鋼を、図１に示す構成の容量７０トンの２ストランド方式のタンディッシュを有するスラブ連続鋳造設備を用い、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入量を６．０〜１３．０トン／分の範囲で変更して、鋼のスラブ鋳片に連続鋳造する試験を実施した。

本発明例では、堰からの溶鋼上昇流の流速及び取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入流の流速が（１）式を満たすように、堰の形状に応じて取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入した。比較例では、堰からの溶鋼上昇流の流速及び取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入流の流速が（１）式の範囲外となるように、堰の形状に応じて取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入した。

また、比較のために、堰を設置していない以外は本発明例と同一のタンディッシュを使用した鋳造試験も実施した（従来例）。表１に、堰からの溶鋼上昇流の流速ｕ、タンディッシュへの溶鋼の注入流量Ｑ、溶鋼流出孔の開口面積Ｓ、溶鋼密度ρ及びｕ／[Ｑ／(Ｓ×ρ)]の値を示す。尚、表１には切り欠きの開口幅を併せて示すが、表１に示す切り欠きの開口幅は、二箇所に設置した切り欠きの開口幅の合計値である。

鋳造後、超音波探傷測定により鋳片の介在物数を調査した。図６に、鋳片の介在物数の調査結果を示す。尚、図６は、堰を配置していないタンディッシュを使用した従来例での介在物測定値を基準（＝１．０）として指数化して表示している。

図６に示すように、本発明を適用することで、スラブ鋳片の介在物数を大幅に削減できることが確認できた。つまり、本発明を適用することにより、タンディッシュにおける介在物の浮上効果を大幅に促進できることが確認できた。

１ タンディッシュ
２ 鋳型
３ ロングノズル
４ 浸漬ノズル
５ 溶鋼注入部位
６ 溶鋼流出口
７ 堰
８ 壁部
９ 庇状部
１０ 切り欠き
１１ 溶鋼
１２ 鋼鋳片

Claims (2)

1. 脱酸された溶鋼を取鍋から一旦タンディッシュに注入し、次いでタンディッシュから鋳型に注入して鋼鋳片を連続鋳造するにあたり、
   取鍋からの溶鋼注入流がタンディッシュ底部に衝突する溶鋼注入部位と、タンディッシュから鋳型への溶鋼流出口との間に、前記溶鋼注入部位を四方向から囲んでタンディッシュの底部から上方に伸びる壁部と、該壁部の上端部位に前記溶鋼注入部位側を向いて水平方向に突出した庇状部と、を有する堰を配置したタンディッシュを用い、
   前記庇状部で四方を囲まれた領域を前記堰の上部開口部としたときに、前記堰の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速と、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入流量及び取鍋からタンディッシュへの溶鋼流出孔の開口面積とが、下記の（１）式の関係を満足するように、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を制御しながら鋼鋳片を連続鋳造することを特徴とする、連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法。
   ｕ／［Ｑ／（Ｓ×ρ）］≦０．３…（１）
   但し、（１）式において、ｕは、堰の上部開口部からの溶鋼上昇流の流速（ｍ／分）、Ｑは、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入流量（トン／分）、Ｓは、取鍋からタンディッシュへの溶鋼流出孔の開口面積（ｍ^２）、ρは、溶鋼の密度（トン／ｍ^３）である。
2. 前記堰は、前記壁部から前記庇状部に亘って連続した切り欠きを一箇所以上有し、該切り欠きの開口幅が０．０２ｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造による高清浄度鋼鋳片の製造方法。

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