JP6052783B2

JP6052783B2 - 造塊方法

Info

Publication number: JP6052783B2
Application number: JP2013030980A
Authority: JP
Inventors: 大喜高橋; 石田　斉; 斉石田; 元裕長尾; 上山　泰一; 泰一上山; 佐藤　潤; 潤佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014159041A

Description

本発明は、溶鋼を鋳型に注入して鋼塊を製造する造塊方法に関する。

周知の如く、溶鋼を鋳型に注入して鋼塊を製造する手法の一つとして、溶鋼を上方から鋳型に注入する上注ぎ造塊方法がある。この造塊方法においては、鋳型の上部に対応する溶鋼を押湯とし、この押湯の部位に粗大介在物、偏析などを集めて鋼塊本体に欠陥が少ないものとしている。
造塊において、押湯の機能を確実に発揮させるためには、鋼塊本体よりも押湯が後に凝固する必要があり、押湯を最後まで未凝固状態とするための鋳型技術が数々開発されている。

例えば、特許文献１に開示された鋼塊の製造方法においては、鋳型押湯部の外周を押湯最下端から上下に少なくとも該鋳型の肉厚以上の範囲にわたり、かつその下端が該鋼塊下端より少なくとも鋼塊厚さもしくは相当径の１／２以上上方であるように加熱若しくは断熱保存することとしている。すなわち、特許文献１の技術は、鋳型の外周部を加熱若しくは保温することによって押湯部の保温性を確保することとし、そのために鋳型の押湯部に１つの断熱ボード（単層の保温材）が施工されている。

また、特許文献２には、造塊鋳型の押湯スリーブが開示されており、この造塊鋳型では、設けられる断熱スリーブを多層構造となし、しかもその内層の１つ以上を前記鋳型内溶湯に接触する層の材質よりも熱伝導率の小さい材質で構成したものとなっている。

特開昭５５−１９４５１号公報特開昭５４−１３８８２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された鋳型を用いて、上注ぎ造塊方法により鋼塊を製造した場合、高温の溶鋼を鋳型の上方から注入する故、鋳型の押湯部に施工された断熱ボードが溶鋼に触れて剥がれ落ちたりするトラブルが発生することが報告されている。剥がれ落ちた断熱ボードが、鋼塊中に入り込んだ場合は鋳造欠陥となり問題である。
斯かる状況は、真空上注ぎ造塊を行う際、特に問題となる。

上記の問題を解決するために、特許文献２の如く、溶鋼が接触しても剥がれ落ち難い耐火煉瓦を押湯内側に施工し、押湯部に施工する断熱スリーブを多層構造（複層構造）とした鋳型を採用することが考えられる。
しかしながら、特許文献２の技術は、単に押湯部を多層構造としたことが開示されているだけで、多層構造とした場合の保温性の度合い、多層構造の鋳型を用いてどのように造塊を行うかといった方法などが詳細に述べられていない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、押湯部の保温性が向上された鋳型を用いると共に、造塊の際に押湯比を設定することによって、鋳込み後の鋼塊の品質を向上させることができる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、溶鋼を鋳型に注入して鋼塊を製造する造塊方法において、前記鋳型の押湯部の内側に耐火煉瓦を施工すると共に前記耐火煉瓦の外側に熱伝導率が０．１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の断熱煉瓦を施工しておき、溶鋼を鋳型に鋳込むときの鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗ及び式（２）で定義される保温性指数ｙが、式（１）を満たすように押湯比ｒを設定し、設定した押湯比ｒを基に造塊を行うことを特徴とする。

本発明によれば、押湯部の保温性が向上された鋳型を用いると共に、造塊の際に押湯比を設定することによって、鋳込み後の鋼塊の品質を向上させることができる。特に、真空上注ぎ造塊を行うにあたっては、溶鋼が押湯部に達したとしても耐火煉瓦が剥がれ落ちて介在物になることなく、鋳造欠陥のない鋼塊を製造できる。

本発明で用いる鋳型に溶鋼を注入した状態を示したものである。鋳型で造塊した鋼塊を示したものである。耐火煉瓦と断熱煉瓦との関係に保温性指数を関連付けしたものである。式(１)とＣ濃度偏析比との関係を示した図である（鋼塊重量＝１００ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．２６、押湯比＝２１．５％の条件）。式(１)とＣ濃度偏析比との関係を示した図である（鋼塊重量＝３６０ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．５２、押湯比＝２０．２％の条件）。式(１)とＣ濃度偏析比との関係を示した図である（鋼塊重量＝１００ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．２６、保温性指数ｒ＝２．１２の条件）。断熱煉瓦としてマイクロポーラスの断熱煉瓦を用いた場合の鋳型の状態を示した図である。

以下、本発明の造塊方法について図を基に説明する。
本発明の造塊方法は、溶鋼を上側から鋳型に注入することにより鋼塊を製造する上注ぎ造塊法によるものである。
図１に示すように、本発明の造塊方法で用いられる鋳型２は、有底状のものであって、主に、底部（定盤）３と、この底部３から上方に立ち上がる本体部（鋳型本体）４とから構成され、この本体部４の上部側には押湯部５が設けられている。

さて、従来の押湯部５では、その内壁に空気層が多く欠けやすい断熱部材（断熱ボード）を設けていたが、図１に示すように、本発明に係る鋳型２では、押湯部５の内壁には、断熱部材の代わりに断熱煉瓦６を設け、その断熱煉瓦６のさらに内側に耐火煉瓦７（シャモット煉瓦）を設けている。
まず、押湯部５について詳しく説明する。

図１に示すように、押湯部５は、本体部４の上部に施工された鋳鉄リング８を介して断熱煉瓦６及び耐火煉瓦７を施工すると共に、断熱煉瓦６及び耐火煉瓦７を押湯枠９（鋼板で構成された支持枠）により支持することによって構成されている。
詳しくは、本体部４の上部側で最外側に押湯枠（支持枠）９が施工され、この押湯枠９の内側に断熱煉瓦６が施工され、断熱煉瓦６の内側に耐火煉瓦７が施工され、押湯部５は、断熱煉瓦６及び耐火煉瓦７とを備えた多層構造（２層構造）となっている。言い換えれば、溶鋼１と接触する側（稼働面側）に耐火煉瓦７が施工され、耐火煉瓦７の外側に断熱煉瓦６が施工されている。

このように、耐火煉瓦７と断熱煉瓦６とによって押湯部５を厚み方向に２層構造にすることによって、押湯部５に到達した溶鋼１の抜熱を防止して保温性を確保すると共に、従来のような断熱ボードに直接溶鋼が接触する構造とは異なるものとなっている。
このような鋳型２を用いて鋼塊を製造する上注ぎ造塊法は、製鉄所内の幾つかの工程にて採用されているが、以下の説明では、Ａｌキルド鋼塊を真空上注ぎ造塊法で製造するに当たり、本発明の鋳型２を用いた例を説明する。なお、Ａｌキルド鋼塊を製造するものに限定されない。

真空上注ぎ造塊法では、まず、鋳型２の全体を真空引き装置（図示せず）内に入れ、真空引きを行いながら、例えば、Ａｌによって脱酸されたアルミキルドの溶鋼１（Ａｌキルド鋼）を上方から鋳型２に注入すると共に、溶鋼１の浴面上に保温材１０を散布し、造塊を行う。鋳型２内に注入された溶鋼１は、鋳型２内にて冷却されたインゴット等の鋼塊となる。

上述したように、溶鋼１を鋳型２に注入して鋼塊を製造するに際して、本発明では、式（２）で定義される保温性指数ｙを考慮して、造塊を行うこととしている。

式（２）に示した保温性指数ｙは、熱伝達率の逆数（１／Ｈ）であって熱の伝わり難さを数値化したもので、数値が大きいほど保温性が良いことを示す。式（２）に示すｈは、断熱煉瓦６と耐火煉瓦７とによって押湯部５を２層構造（多層構造）とした場合の熱伝達率である。したがって、式（２）に示す保温性指数ｙは、どの程度熱を伝わり難く保温性を確保出来たかということを示している。

２層構造の熱伝達率は、式（３）に示すように耐火煉瓦７の厚みＬ_１や断熱煉瓦６の厚みＬ_２によって求めることができる。

なお、耐火煉瓦７の熱伝導率λ１や断熱煉瓦６の熱伝導率λ２の例としては、以下の表１で示される値である。

ところで、図３は、耐火煉瓦７の厚みＬ_１と断熱煉瓦６の厚みＬ_２との関係に保温性指数ｙを関連付けしたものである。なお、図において耐火煉瓦７の厚みＬ_１、断熱煉瓦６の厚みＬ_２はＬ_０により無次元化されている。このＬ_０は従来の耐火ボードを基準とした６０ｍｍであり、図中の丸印内の数値が保温性指数ｙである。図３に示すように、耐火煉瓦７の厚みＬ_１や断熱煉瓦６の厚みＬ_２を変化させることによって保温性指数ｙを、例えば、１．０７〜４．８６の範囲で高いものにすることができる。

ここで、押湯部５に耐火煉瓦７や断熱煉瓦６を施工することを考えたとき、耐火煉瓦７や断熱煉瓦６の厚み（大きさ）にも限界があり、煉瓦の施工性（たとえば、押湯部に多少のテーパーがある一般的な押湯形状において、押湯煉瓦の施工可否など）やコスト面を考えると、現実的な保温性指数ｙは１．６２〜３．７４（太枠範囲内）となる。即ち、上述したように、保温性指数ｙが１．６２〜３．７４の範囲内となるように、耐火煉瓦７の厚みＬ_１や断熱煉瓦６の厚みＬ_２を設定するとよい。例えば、表１に示すような耐火煉瓦７及び断熱煉瓦６を用いて、耐火煉瓦７の厚みＬ_１や断熱煉瓦６の厚みＬ_２を適宜設定することにより、例えば、図３の太丸に示すように保温性指数ｙを３．２４とすることができる。なお、この実施形態では、実操業を考慮して、保温性指数ｙを１．６２〜３．７４としたが、この範囲に限定されない。

以上のように、保温性指数ｙを適正にすれば、保温性が保たれ押湯が正常に機能して、鋼塊の品質が向上することができると考えられる。
さて、上述したように、保温性指数ｙを適正にすれば、保温性を保つことができ、鋼塊の品質が向上することができるが、実際の真空上注ぎ造塊法では、鋳型の形状（鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ）、鋼塊重量Ｗ、鋳込温度差ΔＴ（鋳込温度[℃]−溶鋼の液相線温度[℃]）も鋼塊の品質に影響を与える。

発明者らは、これらのパラメータ（鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、溶鋼重量Ｗ、鋳込温度差ΔＴ）を用いて、鋼塊の品質が良くなる適正な押湯比ｒについて様々な実験等により検証を行った。その結果、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、溶鋼重量Ｗ、鋳込温度差ΔＴ及び押湯比ｒが式（１）を満たすように、押湯比ｒを設定して真空上注ぎ造塊を行えば、鋼塊の品質を向上させることができることを見出した。

なお、鋳型高さＨは、押湯部５を除く鋳型２の高さ（本体部４の高さ）であり、鋳型平均幅Ｄは、押湯部５を除く鋳型２の平均幅（本体部４の内側壁間の平均値）をＤとしたものである。鋼塊重量Ｗは、造塊後の鋼塊の重量を示したものである。
次に、式（１）について、説明する。
式（１）は、様々な実験のデータ（後述する表２、表３のデータ）を多変量回帰分析することで得られたものである。実験では、まず、押湯部５を多層構造としたうえで造塊を行い、造塊後の鋼塊（後述する鋼塊本体１３のトップ部１３ａ）の炭素濃度［Ｃ］と、造塊前の溶鋼の炭素濃度[Ｃ]との比であるＣ濃度偏析比を算出することにより、鋼塊についての品質の評価を行った。

詳しくは、造塊終了後、押湯に対応する部分を切り取った残りの部分（鋼塊本体１３）に対して、ドリル等を用いてサンプリング片を採取する。即ち、図２に示すように、本体部４によって鋼塊となった鋼塊本体１３の上側（押湯側）であって、鋼塊本体１３の中心軸Ａ上を通るトップ部１３ａ（本体中心トップ部という）を、ドリル等によって縦方向に切断し、切断した部分をサンプリング片とする。そして、燃焼赤外線吸収法を用いて従来法及び本法のそれぞれのサンプリング片のＣ濃度を算出し、式（４）を用いてＣ濃度偏析比を求める。式（４）のレードル値は、造塊前の溶鋼の炭素濃度[Ｃ]である。

そして、実験では、Ｃ濃度偏析比が１．３以内では良好（偏析比≦１．３、「○」）とし、Ｃ濃度偏析比が１．３超では不良（偏析比＞１．３、「×」）とし、Ｃ濃度偏析比が１．３以下となる鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、溶鋼重量Ｗ、鋳込温度差ΔＴ、押湯比ｒの関係について整理し、式（１）を見出した。
それゆえ、実際の造塊にあたって、上述した式（１）を満たすように押湯比ｒを設定し、設定した押湯比ｒを満たすように造塊を行うことによって、鋳込み後の鋼塊の品質を向上させることができるようになる。

具体体には、まず、造塊を行う前に、多層鋳型２の押湯部５に関し、耐火煉瓦７の厚みＬ１や断熱煉瓦６の厚みＬ２を設定する。また、本体部４の高さＨ及び本体部４の平均幅Ｄ（例えば、Ｈ＝３４３０ｍｍ、Ｄ＝２０１８ｍｍ）を設定して多層鋳型２を構成する。即ち、造塊を行う場合での保温性指数ｙ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄを設定する。そして造塊を行う際は、溶鋼重量Ｗ、鋳込温度差ΔＴ、押湯比ｒが式（１）を満たすように、押湯比ｒなどを設定して、設定した押湯比ｒにて造塊を行う。

なお、本発明では造塊を行うにあたって、式（１）を満たすように、鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗ、保温性指数ｙ、押湯比ｒを設定すればよいため、各種パラメータの設定方法や手順は、上述した方法に限定されない。
図４〜６は、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、溶鋼重量Ｗ、鋳込温度差ΔＴ及び保温性指数ｙの５つのパラメータのうち、４つのパラメータを固定値（一定値）として、造塊を行った実験結果をまとめたものである。なお、この実験では、押湯比ｒは、１６〜２４％の範囲とした。

具体的には、図４は、鋼塊重量Ｗ＝１００ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．２６、押湯比ｒ＝２１．５に固定した場合での式(１)のグラフとＣ濃度偏析比を示したものである。図４に示すように、鋼塊重量Ｗ＝１００ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．２６、押湯比ｒ＝２１．５に固定した場合は、鋳込温度差ΔＴ及び保温性指数ｙが第１境界線[ｙ≧（２．２３３−０．０２５５ΔＴ）／０．０９８]を満たすようにすれば、Ｃ濃度偏析比を１．３以下にすることができる。

図５に示すように、鋼塊重量Ｗ＝３６０ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．５２、押湯比ｒ＝２０．２に固定した場合は、鋳込温度差ΔＴ及び保温性指数ｙが第２境界線[ｙ≧（１．６９５−０．０２５５ΔＴ）／０．０９８]を満たすようにすれば、Ｃ濃度偏析比を１．３以下にすることができる。
また、図６に示すように、鋼塊重量Ｗ＝１００ｔｏｎ、Ｈ／Ｄ＝１．２６、保温性指数２．１２に固定した場合であっては、押湯比ｒ及び鋳込温度差ΔＴが第３境界線Ｌ２[ｙ≧（２３．５３−ｒ）／０．０２５]を満たすようにすれば、Ｃ濃度偏析比を１．３以下にすることができる。

様々な実験を通して、Ｈ／Ｄについては、「１．０≦Ｈ／Ｄ≦２．０」、鋼塊重量Ｗについては、「５０≦Ｗ（ｔｏｎ）≦５００」、保温性指数ｙについては、「１．０７≦ｙ≦４．８６」の範囲において、式（１）を満たすようにすれば、Ｃ濃度偏析比を１．３以下にすることができる。特に、鋼塊重量Ｗについては、「５０≦Ｗ（ｔｏｎ）≦４５０」の範囲が好ましく、鋼塊重量Ｗは、「５０≦Ｗ（ｔｏｎ）≦４２０」の範囲がより好ましい。

さて、表２及び表３は、本発明の造塊方法により造塊を行った実施例と、本発明とは異なる方法で造塊を行った比較例とを示したものである。

表２及び表３において、Ｃ_TOPは、本体中心トップ部１３ａの炭素濃度[Ｃ]のことであり、Ｃ_ｏは、造塊前の溶鋼の炭素濃度[Ｃ]のことである。鋳込み温度とは、鋳型へ注入する溶鋼の平均温度である。また、実施例及び比較例では、鋼塊重量Ｗ、鋳型高さＨ／鋳型平均幅Ｄの関係は、Ｗ＝１００ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．２６、Ｗ＝１１０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．７、Ｗ＝２３０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．２０および１．６６、Ｗ＝３６０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．５２、Ｗ＝３００ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．３０および１．８０、Ｗ＝１３０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．６０、Ｗ＝１５０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．５９、Ｗ＝１９０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．７０、Ｗ＝７０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．７０、Ｗ＝３８０ｔｏｎであるときＨ／Ｄ＝１．２０および１．８０とした。

実施例１〜５４に示すように、真空造塊を行うにあたって、押湯比ｒ、鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗ、式（２）で定義される保温性指数ｙの関係が、式（１）を満たすようにすれば、Ｃ濃度偏析比を確実に１．３以下にすることができ、鋳込み後の鋼塊の品質を向上させることができる。
一方、比較例５５〜９８に示すように、真空造塊を行うにあたって、押湯比ｒ、鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗが式（１）を満たさない場合は、Ｃ濃度偏析比は１．３を超えてしまうことになり、鋼塊の品質を向上させることができなかった。

さて、図７は、押湯部５の内壁に、例えば、断熱煉瓦６として、マイクロポーラスの断熱煉瓦を施工した場合を示している。なお、断熱煉瓦６は、マイクロポーラス断熱煉瓦に限定されず、０．１８Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率が低い煉瓦を用いることができる。

ここで、断熱煉瓦として、マイクロポーラス断熱煉瓦６を用いる際、マイクロポーラス断熱煉瓦６が高温(例えば、１１００℃以上)に晒されると、マイクロポーラス断熱煉瓦６が収縮してしまい、断熱性が低下してしまう場合がある。そのため、図７に示すように、耐火煉瓦７とマイクロポーラス断熱煉瓦６との間にセラミックシート１２を装入した３層の構造にすることで、マイクロポーラス断熱煉瓦６の温度を低下させ、収縮を起こさずに、断熱性を確保することとしている。

図７に示すように、耐火煉瓦７、セラミックシート１２、マイクロポーラス断熱煉瓦６の３層にした場合、３層構造の熱伝達率は、式（５）で求めることができる。

３層の熱伝達率を求めるにあたって、耐火煉瓦７の熱伝導率λ１、セラミックシート１２の熱伝導率λ２、マイクロポーラス断熱煉瓦の熱伝導率λ3は、表４に示される値である。

表５は、図７に示すように、断熱煉瓦としてマイクロポーラス断熱煉瓦６を用いた場合（３層構造）での本発明の造塊方法により造塊を行った実施例と、本発明とは異なる方法で造塊を行った比較例とを示したものである。

実施例５５に示すように、断熱煉瓦としてマイクロポーラス断熱煉瓦６を用いたとしても、真空造塊を行うにあたって、押湯比ｒ、鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗ、式（２）で定義される保温性指数ｙの関係が、式（１）を満たすようにすれば、Ｃ濃度偏析比を確実に１．３以下にすることができ、鋳込み後の鋼塊の品質を向上させることができる。
一方、比較例９９に示すように、真空造塊を行うにあたって、押湯比ｒ、鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗが式（１）を満たさない場合は、Ｃ濃度偏析比は１．３を超えてしまうことになり、鋼塊の品質を向上させることができなかった。

以上、本発明によれば、押湯部５を多層構造とすることによって押湯部５の保温性が向上された鋳型２とし、当該鋳型２を用いて造塊するにあたっては、鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗ、保温性指数ｙが式（１）を満たすように造塊することにより、鋳造欠陥のない鋼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。

１溶鋼
２鋳型
３底部
４本体部
５押湯部
６断熱煉瓦
７耐火煉瓦
８鋳鉄リング
９押湯枠（支持枠）
１０保温材
１２セラミックシート
１３鋼塊本体
１３ａ本体中心トップ部
ｙ保温性指数
ｒ押湯比

Claims

溶鋼を鋳型に注入して鋼塊を製造する造塊方法において、
前記鋳型の押湯部の内側に耐火煉瓦を施工すると共に前記耐火煉瓦の外側に熱伝導率が０．１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の断熱煉瓦を施工しておき、
溶鋼を鋳型に鋳込むときの鋳込温度差ΔＴ、鋳型高さＨ、鋳型平均幅Ｄ、鋼塊重量Ｗ及び式（２）で定義される保温性指数ｙが、式（１）を満たすように押湯比ｒを設定し、設定した押湯比ｒを基に造塊を行うことを特徴とする造塊方法。