JP6135081B2

JP6135081B2 - 中炭素鋼の連続鋳造方法

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Publication number: JP6135081B2
Application number: JP2012207968A
Authority: JP
Inventors: 卓也須賀; 上原　博英; 博英上原; 俊朗石毛
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP2013078797A

Description

本発明は、中炭素鋼の連続鋳造方法に関し、とくに中炭素鋼鋳片の表面割れ防止に関する。

近年の連続鋳造技術の進歩は目覚しく、殆どの鋼種で連続鋳造を利用して鋼素材（鋳片）が製造されている。しかも、最近は1.6m/min以上の高速鋳造も指向されている。
しかし、中炭素鋼を、例えば0.7〜2m/minで連続鋳造すると、鋳片に表面割れが発生するという問題がある。この表面割れは中炭素鋼特有のδ→γ変態の発生に起因したδ相とγ相の凝固収縮量の違いによるものであると言われている。図２に示すように、中炭素鋼鋳片の表面割れ１は、鋳片２の幅中央に、幅、深さとも5〜10mmで長さは100mmからひどい場合には鋳片の全長にも及ぶものもある。

一方、中炭素鋼の連続鋳造においても、図１（ａ）に示すように、モールド(鋳型)３内の溶鋼４表面上に、モールドパウダー５を添加して連続鋳造を行っている。図１（ｂ）に拡大して示すように、溶鋼４表面上に添加されたモールドパウダー５は、溶鋼４から熱を受けて滓化溶融し、溶融スラグ層６を形成する。形成された溶融スラグ層６は鋳型３と凝固シェル７の間に順次流入していく。鋳型３と凝固シェル７の間に流入した溶融スラグ層６では、降温過程で、組成によっては結晶が発達する場合がある。結晶化したスラグ８は、結晶化しないもの（ガラス質のもの）よりも伝熱抵抗が大きく、凝固シェル７から鋳型３への抜熱を低下させる。これにより凝固シェル７の冷却が均一化し、メニスカス部に形成される初期凝固シェルの厚みを鋳片２の幅方向に均一化して、表面割れ１の発生を防止できると考えられている。このため、中炭素鋼鋳片の表面割れ防止の点から、従来、結晶化温度（凝固温度）を高くしたモールドパウダーが使用されてきた。そして、結晶化温度を高めるため、モールドパウダーの塩基度（CaO/SiO₂）を高くし、F（CaF₂）量を増やすことで、カスピダイン（3CaO・2SiO₂・CaF₂）の晶出を促進させることが指向されてきた。

しかし、結晶化温度を高くすると、凝固シェルの厚さを十分に確保することができず、鋳型以降の冷却過程で凝固シェルがバルジングしたり、ブレークアウトしたりする危険性が高まる。特に、現在、指向されている高速鋳造の際はそのような不都合が生じやすい。このような問題に対し、特許文献１には、表面割れを防止し、ブレークアウトを防止できる、モールドパウダーを用いた鋼の連続鋳造方法が記載されている。

特許文献１に記載された方法では、モールドパウダー中のCaO/SiO₂を質量比で1.5〜2.5と塩基度を高くし、Na₂Oを2質量%未満に低減して、溶融化したモールドパウダーの結晶化速度を速くして結晶層を緻密化するとともに、Li₂Oを1質量%以上にし、溶融したモールドパウダーの結晶成長を抑制してメニスカス部下方部分で強冷却している。これにより、溶鋼のメニスカス部での緩冷却化と凝固シェル成長の均一化を図り、鋳片の表面割れを防止するとともにブレークアウトを防止し、高速鋳造化を図ることができるとしている。

特開２００６−２４７７１３号公報

しかしながら、特許文献１のような方法によっても、中炭素鋼鋳片の表面割れはまだ完全には防止できておらず、連続鋳造方法のさらなる改善が求められている。
本発明は、従来技術のかような問題を解決するべくなされたものであり、鋳片の表面割れを防止できる、中炭素鋼の連続鋳造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、中炭素鋼鋳片の表面割れを防止すべく種々研究を重ねた。そして、モールドパウダーを、CaO/SiO₂が1.0以上1.5未満の範囲として、Na₂OとLi₂Oの濃度を調整し、Na₂O/Li₂O及び(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂を適正な範囲としたものにすることにより、粘度を例えば1300℃にて0.01〜0.1Pa・sという具合に低く抑えることができ、溶融したモールドパウダー（溶融スラグ層）が鋳型と凝固シェルの間に入り込みやすくすることができるとともに、凝固したモールドパウダー（スラグフィルム）のCa_xF_yOを含む化合物の結晶成長が促進され、スラグフィルムの表面粗度が粗くなって、伝導伝熱抵抗（鋳型〜スラグフィルム間の接触伝熱抵抗）が増加し、凝固シェルや溶鋼を徐冷できることを見出し、本発明に想到した。

Na₂O及びLi₂Oは、(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂を適正な範囲にすることにより、SiO₂−SiO₂の結合を断ち切り、粘度を低下させるとともに、F^-を動きやすくして、CaOから電離したCa²⁺とF^-とが出会いやすくなるために、Ca_xF_yOを含む化合物の結晶成長を促進する効果を有する。さらにNa₂O/Li₂Oを適正な範囲とすることにより、溶融スラグが凝固してから成長する結晶の量を増大して、凝固したスラグフィルムの変形を促進し、表面粗度を粗くする効果を生むものと考えた。このようにしてスラグフィルムの表面粗度が粗くなると、先述の通り、伝導伝熱抵抗（鋳型〜スラグフィルム間の接触伝熱抵抗）が増加し、凝固シェルや溶鋼を徐冷できて、鋳片の表面割れの防止に効果があることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明は、以下の通りである。
１．鋳型内溶鋼表面上にモールドパウダーを供給しながら連続鋳造する鋼の連続鋳造方法であって、前記溶鋼が中炭素鋼であり、前記モールドパウダーを、SiO₂、CaOを主成分として、質量%で、CaO/SiO₂が1.30〜1.39で、Na₂O：4.0〜13.0%、Li₂O：0.5〜2.0%、を含み、かつ、Na₂O/Li₂Oが5.0〜8.0及び(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂が0.32〜0.40を満足するように調整し、1300℃における粘度が0.01〜0.10Pa・sであるパウダーとすることを特徴とする中炭素鋼の連続鋳造方法。

本発明によれば、中炭素鋼の連続鋳造に際して、鋳片の表面割れを防止することができ、産業上格段の効果を奏する。

溶鋼の連続鋳造方法を模式的に示す説明図である。中炭素鋼鋳片の表面割れの状況を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の構成要件の限定理由について具体的に説明する。
本発明では、鋳型内溶鋼表面上にモールドパウダーを供給しながら、中炭素鋼溶鋼を連続鋳造する。
本発明にいう中炭素鋼とは、質量%で、C：0.07〜0.3%を含有する鋼をいうものとする。C以外の合金元素については特に限定しないが、例えばJIS G 4051に規定されるような、概ね、質量%で、Si：1.5%以下、Mn：1.0%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼である。

連続鋳造における鋳造速度は、特に規定しないが、上記組成の中炭素鋼の鋳造に適した0.7〜2.0m/minとするのが好ましい。なお、鋳片の厚さは特に規定しないが、100〜300mmとするのが好ましい。より好ましくは220〜250mmである。
本発明で鋳型内溶鋼表面上に供給するモールドパウダーは、SiO₂、CaOを主成分として、質量%で、CaO/SiO₂が1.0以上1.5未満で、Na₂O：4.0〜13.0%、Li₂O：0.5〜2.0%、を含み、かつ、Na₂O/Li₂Oが6.0〜8.0及び(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂が0.32〜0.40を満足するように調整し、1300℃における粘度が0.01〜0.1Pa・sであるパウダーである。

以下、モールドパウダーの組成を限定した理由について説明する。
CaO/SiO₂：1.0以上1.5未満（質量比）
CaO/SiO₂は、塩基度とも呼ばれるが、1.0未満では、溶融したモールドパウダー（溶融スラグ層）の粘度が上昇し、鋳型への抜熱が増加して、鋳片に縦割れが発生しやすくなる。一方、1.5以上では、モールドパウダーの結晶化温度が上昇して、モールドパウダーの結晶化が促進され過ぎ、鋳片と鋳型との摩擦が増加して、フレークアウトが発生しやすくなる。このため、CaO/SiO₂は質量%で1.0以上1.5未満に限定した。好ましくは1.3〜1.4である。

Na₂O：4.0〜13.0質量%
Na₂Oは、定性的に粘度を低下させるとともに、拡散速度を増大して結晶成長速度を増大させる効果があり、凝固したスラグフィルムの表面粗度を粗くし、伝導伝熱抵抗を増やすことで、凝固シェルの緩冷却化と成長の均一化に寄与する。このような効果を得るためには、4.0質量%以上、より好ましくは7.0質量%以上含有させる。一方、13.0質量%を超えると、上記した効果が飽和するとともに、冷却速度が遅くなり過ぎ、鋳型への抜熱が不足して、ブレークアウトが発生しやすくなる。このため、Na₂Oは4.0〜13.0質量%に限定した。

Li₂O：0.5〜2.0質量%
Li₂Oは、SiO₂−SiO₂の結合を、Li₂Oから電離したLi⁺が断ち切り、F^-を動きやすくして、CaOから電離したCa²⁺とF^-とを出会いやすくする作用を有すると考えられる。これによりLi₂Oは、スラグフィルム中でCa_xF_yOを含む化合物の結晶成長を促進させて、スラグフィルムの表面粗度を粗くする。このような効果を得るためには、Li₂Oをモールドパウダーの全量に対する質量%で、0.5%以上含有させる必要がある。一方、2.0%を超えると、上記した効果が飽和するとともに、溶融パウダーの軟化点が低下し過ぎて、スラグフィルム内での結晶成長による変形が小さくなってしまい、スラグフィルムの表面粗度を増大させる効果が低下してしまう。このため、Li₂Oは0.5〜2.0%に限定した。

Na₂O/Li₂O：5.0〜8.0（質量比）
Na₂OとLi₂Oでは、粘度を低下させ、拡散速度を増大する効果の温度依存性が異なるため、Na₂OとLi₂Oの比率を調整することにより、1300℃における粘度を適正な範囲としつつ、スラグ中の拡散速度を調節してスラグフィルムの表面粗度を適正な範囲に調節することができる。Na₂O/Li₂Oは、5.0以上とすることにより、スラグフィルムの表面粗度を十分に粗くすることができ、伝導伝熱抵抗が増加する分、凝固シェルを徐冷でき、鋳片の表面割れの防止につながる。5.0未満では、スラグフィルムの表面粗度が十分に粗くならず、伝導伝熱抵抗が不足して鋳片の表面割れが発生しやすくなる。また、8.0より大きくなると、スラグフィルムの表面粗度が大きくなり過ぎて、鋳型〜鋳片間の摩擦力が過大になってしまう場合がある。このため、Na₂O/Li₂Oは5.0〜8.0に限定した。なお、好ましくは6.0〜8.0である。

(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂：0.32〜0.40（質量比）
Na₂O及びLi₂Oは、ともに、SiO₂によって形成されるネットワークを切断して、液相の粘度を低下する効果があり、CaO/SiO₂を適切な範囲に調整するとともに、(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂を0.32以上とすることにより、適切な粘度調整が可能である。また、(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂が0.40より大きくなると、スラグフィルムの表面粗度が大きくなり過ぎて鋳型〜鋳片間の摩擦力が過大になってしまう場合があるため、(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂は0.32〜0.40に調整する。好ましくは0.34〜0.38である。

粘度：0.01〜0.10Pa・s（1300℃において）
モールドパウダー組成を上記範囲に調整するとともに、溶融したモールドパウダーの1300℃における粘度を0.01〜0.10Pa・sとすることにより、鋳型と凝固シェル間の間に溶融したパウダー（溶融スラグ）が流入しやすくなり、結晶化しやすいパウダーにおいてもスラグ流入を均一化して、安定した潤滑とスラグフィルム厚を維持できるため、鋳片の表面割れを防止できる一つの要因となっている。粘度が、0.01Pa・s未満と過度に低粘度の場合には、溶融パウダーの巻き込みによる介在物が増加する傾向があるため、0.01〜0.10Pa・sの範囲で調節する。

また、モールドパウダーの結晶化温度を1200℃以下に低下させて、液相スラグ中に晶出した結晶が鋳型と凝固シェル間への溶融スラグの流入を阻害しないようにすることも、凝固シェルの均質化による鋳片縦割れ防止に有効である。結晶化温度が1250℃以上では、溶融スラグ流入が不均一となって鋳片の縦割れが助長される場合がある。また、パウダー組成及び物性を上記の適正範囲に調節したうえ、結晶化温度を1200℃以下に低下させることにより、スラグフィルムが凝固してから成長する結晶の量を増大して、凝固したスラグフィルムの変形を促進し、さらに表面粗度を増大する効果が得られる。

モールドパウダーには、上記した成分以外に、例えば以下のAl₂O₃ 、F、Cを含有するようにする。
Al₂O₃は、10質量%以下とすることが好ましい。10質量%を超えて含有すると溶融スラグが分離し、モールドと凝固シェル間に均一に流入し難くなる。なお、より好ましくは1〜8質量%であり、さらに好ましくは2〜8質量%である。

Fは、5〜15質量%とすることが好ましい。15質量%を超えて含有してもCa_xF_yOを含む化合物の晶出を促進させる効果が飽和し、逆にCaF₂の結晶が晶出しやすくなる。一方、Fが5質量%未満ではスラグフィルム中にCa_xF_yOを含む化合物の晶出しにくく好ましくないため、5質量%以上とすることが好ましい。
また、モールドパウダーには滓化または溶融速度の調整剤としてC（カーボン）原料を添加する。その添加量は1〜18質量%の範囲で調節することが好ましい。

これらのほか、モールドパウダーには必要に応じてMgO、BaO、SrO、MnO、B₂O₃、ZrO₂、TiO₂のうち1種または2種以上を合計で6質量%未満含有させてもよい。しかし、これらの合計量が6質量%以上になると、鋳片上のスケールの生成量が低下し、スケールの剥離性も悪化するため好ましくない。
モールドパウダーは、その形状は限定されるものではなく、例えば、粉末、押し出し顆粒、中空スプレー顆粒、攪拌顆粒など、全ての形状のものを使用することができる。

また、モールドパウダーの原料の性状も特に限定されるものではないが、モールドパウダーの嵩密度は、粉末、顆粒とも1.0g/cm³以下が好ましく、さらに好ましくは0.8g/cm³以下である。嵩密度が1.0g/cm³を超えると、モールド内で溶融性が悪化するため好ましくない。

表１に示す組成の溶鋼（中炭素鋼）を転炉で溶製し、タンディッシュを介して水冷鋳型に注湯し、鋳型内溶鋼の表面に表２に示すモールドパウダーを供給しながら表３に示す鋳造速度で、垂直曲げ型連続鋳造機を用いて連続鋳造し、厚さ250mm、幅2304mmの鋳片とした。
表２中、スラグフィルムの表面粗度は以下の手法で測定した。まず、200gのモールドパウダーを電気炉にて1300℃で溶解し、10分保持した後に、水冷鋼板と高温に加熱したセラミック片との間隙に注ぎ込み、スラグフィルムの急冷サンプルを作成した。水冷鋼板と接する面を接触式変位計で測定した。粗さ測定長さ20mmを無作為に選び、５カ所測定した。接触式変位計の型式は株式会社小坂研究所製SE-30Dを用いた。

得られた鋳片の表面を全長にわたり目視で観察し、表面割れの有無を調査した。表面割れが一箇所でも認められた鋳片は格落ちとした。そして、各転炉出鋼チャージごとに格落ち率（表面割れが一箇所でも認められた鋳片の本数／連続鋳造した鋳片の本数）を算出し、歩留ロス率とした。得られた結果を表４に示す。

本発明例は、鋳片の表面割れの発生が防止され、格落ち率が格段に低下している。これに対し、本発明の範囲を外れる比較例は鋳片の表面割れが発生し、格落ち率が高いままである。

１表面割れ
２鋳片
３モールド（鋳型）
４溶鋼
５モールドパウダー
６溶融スラグ層
７凝固シェル
８結晶化したスラグ
９浸漬ノズル
10 タンディッシュノズル
11 タンディッシュ

Claims

鋳型内溶鋼表面上にモールドパウダーを供給しながら連続鋳造する鋼の連続鋳造方法であって、前記溶鋼が中炭素鋼であり、前記モールドパウダーを、SiO₂、CaOを主成分として、質量%で、CaO/SiO₂が1.30〜1.39で、Na₂O：4.0〜13.0%、Li₂O：0.5〜2.0%、を含み、かつ、Na₂O/Li₂Oが6.0〜8.0及び(Na₂O＋Li₂O)/SiO₂が0.32〜0.40を満足するように調整し、1300℃における粘度が0.01〜0.10Pa・sであるパウダーとすることを特徴とする中炭素鋼の連続鋳造方法。