JP5972135B2

JP5972135B2 - 下注ぎ造塊方法

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Publication number: JP5972135B2
Application number: JP2012222211A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　大輔; 大輔渡辺; 哲史出浦; 元裕長尾; 晴記飛松
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014073514A

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方法として、鋳型の下方から鋳型内に溶鋼を注入することにより鋳塊を製造する下注ぎ造塊方法がある。下注ぎ造塊方法においては、溶鋼の温度を保つため、溶鋼の浴面が鋳型の上部付近に達したときに保温材を添加することが行われている。保温材を添加する技術として特許文献１に示すものがある。

特許文献１の下注ぎ造塊方法では、保温材のみを溶鋼に添加した場合、添加した保温材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可能性があることから、保温材を添加する直前又は同時にＣａを溶鋼に添加することによって、高アルミナ系介在物による清浄度の低下を防止している。

特開２０１２−１６７１５号公報

特許文献１では、Ｃａを保温材と同時に添加しているため、当該保温材の添加に伴う高アルミナ系介在物の生成を抑制することができる。しかしながら、保温材及びＣａを添加するのは鋳造末期の段階であり、鋳造初期や鋳造中期における被覆材起因の高アルミナ系介在物の生成を完全に抑制することは困難であるのが実情である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、鋳塊中の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。

本発明は、上記目的を達成するために、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、前記鋳型内の溶鋼の浴面を被覆するための被覆材であって保温材を含まない前記被覆材を添加すると同時、もしくは添加前後３分以内に、金属Ｃａ及び／又はＣａ合金を添加することとし、前記被覆材の成分含有量と添加した金属Ｃａ及び／又はＣａ合金の含有量との関係を示す［％Ｃａ］／（［３［％Ｆｅ_２Ｏ_３］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ_２］＋［％Ｎａ_２Ｏ］）の値を０．０５以上０．２５以下を満たすようにすることを特徴とする。ただし、[％Ｘ]：被覆材、金属Ｃａ、Ｃａ合金中Ｘの合計含有量（モル％）とする。

本発明によれば、鋳塊中の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。特に、鋳造初期や鋳造中期における高アルミナ系介在物の生成を抑制することができる。

下注ぎ造塊を行う下注ぎ造塊装置の概略図である。（ａ）は、溶鋼注入前の鋳型に被覆材の入った袋とＣａとを予め装入した様子を示したものであり、（ｂ）は、溶鋼注入中の鋳型に被覆材及びＣａを装入する様子を示した図である。実施例及び比較例における成分割合Ｘの値と介在物最大径とＣａの添加タイミングとの関係図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態による下注ぎ造塊方法について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態の下注ぎ造塊方法が適用される下注ぎ造塊装置１について説明する。図１は、下注ぎ造塊を行う下注ぎ造塊装置１の概略構成を示している。
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が形成されていて、注入管４は、定盤６から上方に向かって立つように設けられている。鋳型５は、下方に下注入口９が形成されており定盤６上に設置されている。鋳型５は、溶鋼２が定盤６の湯道７から下注入口９を経て下方から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、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、下注入口９経て鋳型５へ下方から到達し、鋳型５内で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、例えば船舶用部品や発電機用部品などに用いられる大型鍛造品等の素材となる鋳塊を製造することができる。

本実施形態の下注ぎ造塊方法について詳しく説明する。
下注ぎ造塊方法において、鋳型５に装入された溶鋼２の浴面が大気と接触すると、溶鋼２は大気との接触面から酸化して清浄度を低下させる。そこで本実施形態では、溶鋼２の酸化を防止するために、溶鋼２の鋳型５内への注入が始まった段階で、溶鋼２の浴面を被覆するための被覆材１０を鋳型５の上方から添加する。一般的に、被覆材は溶融スラグ成分となる酸化物（例えばＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３）、および、保温性確保のため骨材としてＣが使用される。

図２（ａ）に示すように、具体的には、溶鋼２が鋳型５内に注入される前に、被覆材１０が入った袋を鋳型５内の下注入口９の近傍に配置する。こうすれば、溶鋼２の鋳型５内への注入が始まった直後に溶鋼２の熱によって袋が溶けるので、溶鋼２の鋳型５内への注入が始まった早い段階から溶鋼２の浴面が被覆材１０で覆われる。なお、図２（ａ）では被覆材１０が入った袋を鋳型底部に直接配置しているが、ある高さ（所定高さ）に紐で吊るす方法を用いてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、鋳型５内への溶鋼２の装入が続くと、溶鋼２の浴面は徐々に上昇してゆき、浴面上の被覆材１０は、浴面が上昇する溶鋼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、消費量に応じて鋳型５の上方から被覆材１０を追加添加することで、溶鋼２の浴面が大気に露出しないようにし、溶鋼２の大気との接触を防止している。被覆材１０の追加は、鋳型５内への溶鋼２の装入が開始されてから溶鋼２の浴面が押湯枠８に到達するまで行う。

さて、被覆材１０が消費されながら溶鋼２が上昇していく過程において、溶鋼２の浴面は被覆材１０に覆われているため、溶鋼２は酸化し難い状態となっている。しかしながら、溶鋼２が押湯枠８に達するまでに、様々な要因によって、溶鋼２内に高アルミナ系介在物が生成される可能性がある。例えば、被覆材による溶鋼の再酸化によって、高アルミナ系介在物は下記式（１）〜（３）に従って生成される。

２Ａｌ＋３Ｆｅ_tＯ＝Ａｌ_２Ｏ_３＋３tＦｅ・・・（１）
２Ａｌ＋３Ｎａ_２Ｏ＝Ａｌ_２Ｏ_３＋６Ｎａ・・・（２）
２Ａｌ＋３／２ＳｉＯ_２＝Ａｌ_２Ｏ_３＋３／２Ｓｉ・・・（３）
そこで、本発明の下注ぎ造塊方法では、さらに、溶鋼２が上昇していく過程において、
Ｃａを添加することにより、高アルミナ系介在物をＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物へと改質することとしている。

以下、Ｃａの添加方法や添加量について詳しく説明する。
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、被覆材１０が入った袋を鋳型５内の下注入口９の近傍に配置すると同時に、Ｃａ（Ｃａ源）１１である金属Ｃａ（純金属Ｃａ）又はＣａ合金を鋳型５内に入れ置きしておく。例えば、被覆材１０が入った袋にＣａ１１も入れ、これにより、被覆材１０を添加すると同時に金属Ｃａ又はＣａ合金を添加する。

図２（ｂ）に示すように、溶鋼２が上昇していく過程において、被覆材１０を追加添加するときに、被覆材１０の追加添加前後で、Ｃａ１１である金属Ｃａ又はＣａ合金を鋳型５内に装入してもよい。例えば、被覆材１０を追加添加する時点を基準として、その追加添加の前後３分以内に、金属Ｃａ又はＣａ合金を添加してもよい。なお、Ｃａ合金は、Ｃａ−Ｓｉ合金、Ｃａ−Ｎｉ合金などがあげられる。Ｃａ合金を添加する場合は、鋼成分の規格に応じて任意に選択すればよい。

つまり、本発明では、被覆材１０を添加する際に、被覆材１０を添加すると同時、もしくは、その添加前後の３分以内に、Ｃａ源を添加することとしている。
ここで、被覆材１０の各成分の含有量（成分含有量）と、Ｃａ１１（純金属Ｃａ、Ｃａ合金）を添加したときの成分含有量とを考えたとき、式（４）で示される成分割合（Ｘ）の値が０．０５以上０．２５以下を満たすように、被覆材１０の成分含有量と、金属Ｃａ又はＣａ合金の成分含有量を設定することが必要である。

Ｘ＝［％Ｃａ］／（［３［％Ｆｅ_２Ｏ_３］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ_２］＋［％Ｎａ_２Ｏ］）・・・（４）
ただし、式（４）で示される「％」は、「モル％」である。
被覆材１０には、酸化鉄（ＦｅｔＯ）、ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ等が含まれており、純金属Ｃａである場合には、式（４）の値が小さいと、被覆材１０に対して純金属Ｃａが少なく、式（４）の値が大きいと、被覆材１０に対して純金属Ｃａが多いことを示す。

式（４）の値が０．０５未満であると、被覆材１０に対するＣａ成分の量が少なすぎるために、添加したＣａによっては、十分に高アルミナ系介在物をＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３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よりも大きいと、被覆材１０に対するＣａ成分の量が多すぎるために大きな粒径のＣａＯ系の介在物が発生してしまい、溶鋼２の清浄度が低下してしまうおそれがある。式（４）で示した含有割合Ｘは、溶鋼２の高アルミナ系介在物を改質して高い清浄度を実現するために有効に働くカルシウムの量（有効カルシウム量）を規定するための値であり、この有効カルシウム量を表現しているといえる。

以上、本発明の下注ぎ造塊方法では、溶鋼２の浴面を被覆するための被覆材１０を添加すると同時、もしくは添加前後３分以内に金属Ｃａ又はＣａ合金を添加することとし、被覆材１０の成分含有量と、添加した金属Ｃａ又はＣａ合金との関係、即ち、式（４）で示される成分割合（Ｘ）の値が０．０５以上０．２５以下を満たすように、被覆材１０の成分と、金属Ｃａ又はＣａ合金の成分とを設定している。なお、被覆材１０にも微量のＣａが含有されていてもよい。被覆材１０にＣａが含有されている場合であっても、式（４）に示す被覆材１０中の各成分の含有量と金属Ｃａ又はＣａ合金の成分との関係（含有割合Ｘ）が、０．０５〜０．２５の範囲に含まれる値であればよい。

尚、被覆材と溶鋼との反応により、溶鋼上面に発生する高アルミナ系介在物の改質が目的のため、Ｃａの添加は被覆材１０の添加と同時に行うのが望ましいが、被覆材１０の添加前後のタイミングであっても同様の効果を得ることができる。鋳造に伴う溶鋼流動の影響を考慮し、Ｃａ添加は初装／追装時共に被覆材１０の添加前後３分以内に行い、好ましくは２分以内、より好ましくは１分以内に行うこととする。添加タイミングが早すぎる場合、もしくは遅すぎる場合は介在物同士の凝集を抑制できず、粗大介在物が生成してしまう。

上述したように、被覆材１０と同時に金属Ｃａ又はＣａ合金を添加することとしているが、鋳造末期段階において溶鋼２の温度を保ち、鋳塊頭部からの冷却を緩和するために溶鋼２が押湯枠８に達した後に、保温材を添加することが好ましい。添加する保温材としては、Ａｌ／Ｃａ／Ｓｉ／Ｆｅ_ｔＯ／ＭｎＯ／ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｃなどを成分として有するもの（これらの元素の全てを含まなくても良い。また、その他の金属・酸化物を含有しても構わない）であって、当業者間で従来から用いられているものを採用することが望ましい。保温材を溶鋼に添加する際、特開２０１２−１６７１５号公報に開示された方法に準拠し金属ＣａやＣａ合金を添加するとよい。

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に精錬を行い、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、溶鋼２の成分調整及び温度調整をした。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。

鋳型５内を溶鋼２が上昇する過程での溶鋼２の酸化を抑制するために被覆材１０を添加した。被覆材１０を添加する際に金属Ｃａ又はＣａ合金も添加した（入れ置きした）。実施例及び比較例では、被覆材１０、金属Ｃａ、Ｃａ合金の成分含有量、及び添加タイミングを変化させた（［％Ｃａ］／（［３［％Ｆｅ_２Ｏ_３］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ_２］＋［％Ｎａ_２Ｏ］）の値を変化させた。なお、被覆材１０は、溶鋼２が上昇中に徐々に鋳型５と溶鋼２の間に流入しながら消費されていくため、溶鋼２の表面が露出しないように、被覆材１０を追加した。被覆材１０を追加する場合も、初期添加と同様に被覆材添加前後でＣａ１１を添加した。

即ち、実施例及び比較例において、被覆材１０の添加を基準として金属Ｃａ又はＣａ合金を添加するタイミング（Ｃａ添加タイミングの欄）は、当該被覆材１０の添加前後の±５分とした（−５〜５分）。
本実施形態では、鋳型５による鋳造後に、凝固したインゴットを当業者常法によって約１３００℃まで加熱して、熱間鍛造により１５０〜７００ｍｍの断面直径を有する鍛造材に成形した。

上述の一次精錬は、電気炉による精錬でなくてもよく転炉などの他の装置で行ってもよい。また、二次精錬も、必ずしもＬＦ装置や蓋脱ガス装置で行う必要はなく、還流脱ガス装置（ＲＨ）やＣＡＳ装置などの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、本発明の本質に関わる部分ではなく上述した数値に限定されるものではない。なお、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も、本実施形態で開示したものに限定されるものではない。

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て成分を調整した後、鋳型５の場合と同様に、被覆材１０の添加前後でＣａ１１を添加した。鋳造末期では、溶鋼２に保温材を添加した。保温材を添加した後は、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試料として小片を取り出して研磨した後、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四方の視野内で検出されたもっとも大きな介在物の径を表中の介在物最大径とした。
表１に示すように、実施例１〜１１では、成分割合Ｘ『［％Ｃａ］／（［３［％Ｆｅ_２Ｏ_３］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ_２］＋［％Ｎａ_２Ｏ］）』の値が０．０５以上０．２５以下を満たすように金属Ｃａ又はＣａ合金を添加した。また、実施例１〜１１では、被覆材１０を添加すると同時（Ｃａ添加タイミングの欄が０分）、もしくは、添加前後３分以内（Ｃａ添加タイミングの欄が−３〜３分）に、金属Ｃａ及び／又はＣａ合金を添加した。その結果、介在物最大径を１５０μｍ以下、特に、１１０μｍ未満とすることができた。

一方、比較例１２〜１５では、成分割合Ｘの値が０．０５未満であるため、介在物最大径は１５０μｍ以上となった。また、比較例１６〜２０では、成分割合Ｘの値が０．２５よりも大きいため、介在物最大径は１５０μｍ以上となった。
また、比較例２１、２２、２５では、被覆材１０の添加前の３分よりも前に、金属Ｃａ及び／又はＣａ合金を添加したため、介在物最大径は１５０μｍ以上となった。また、比較例２０、２３、２４では、被覆材１０の添加後の３分が経過した後（３分を超えた後）に、金属Ｃａ及び／又はＣａ合金を添加したため、介在物最大径は１５０μｍ以上となった。

図４は、実施例及び比較例において、式（４）により求められた成分割合Ｘと、介在物最大径と、Ｃａの添加タイミングとの関係をまとめたものである。図４において、Ｃａの添加タイミングが被覆材１０の添加と同時、もしくは、添加前後の３分以内であれば、添加タイミング「○」とし、これを満たさない場合を「×」とした。
図４に示すように、成分割合Ｘが０．０５以上０．２５以下であっても、Ｃａの添加タイミングが本発明の規定（同時、添加前後３分）を満たさない場合、介在物最大径は１５０μｍ以上となった。特に、成分割合Ｘが０．０５未満になると、急激に介在物最大径が大きくなっている。また、成分割合が０．２５を超えると、急激に介在物最大径が大きくなる。

一方、図４のグラフから見ても、Ｃａの添加タイミングが本発明の規定を満たし、且つ、成分割合Ｘの値を０．０５や０．２５となったときが、介在物最大径を小さくするための境界となり、確実に介在物最大径を１５０μｍ以下にすることができる。
以上、本実施形態の下注ぎ造塊方法によれば、鋳型５内の溶鋼２に浴面を被覆するための被覆材１０を添加すると共に、当該被覆材１０の添加と同時、もしくは添加前後３分以内に金属Ｃａ又はＣａ合金を添加することとし、被覆材１０の成分含有量と添加した金属Ｃａ又はＣａ合金の含有量との関係を示す［％Ｃａ］／（［３［％Ｆｅ_２Ｏ_３］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ_２］＋［％Ｎａ_２Ｏ］）の値を０．０５以上０．２５以下を満たすようにしているため、これによって、特に、鋳造初期や鋳造中期における高アルミナ系介在物の生成を抑制することができ、介在物最大径を１５０μｍ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、金属Ｃａを被覆材１０と同時に添加したり、Ｃａ合金を被覆材１０と同時に添加した。しかしながら、金属ＣａとＣａ合金とが混合されたもの（混合Ｃａ剤）を準備し、この混合Ｃａ剤と被覆材１０とを同時に添加するようにしてもよい。このような場合であっても、式（４）で求められる成分割合Ｘの値を０．０５〜０．２５にする必要がある。

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
１１Ｃａ

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、
前記鋳型内の溶鋼の浴面を被覆するための被覆材であって保温材を含まない前記被覆材を添加すると同時、もしくは添加前後３分以内に、金属Ｃａ及び／又はＣａ合金を添加することとし、前記被覆材の成分含有量と添加した金属Ｃａ及び／又はＣａ合金の含有量との関係を示す［％Ｃａ］／（［３［％Ｆｅ_２Ｏ_３］＋［％ＦｅＯ］＋２［％ＳｉＯ_２］＋［％Ｎａ_２Ｏ］）の値を０．０５以上０．２５以下を満たすようにすることを特徴とする下注ぎ造塊方法。
ただし、[％Ｘ]：被覆材、金属Ｃａ、Ｃａ合金中Ｘの合計含有量（モル％）とする。