JP4272577B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、銅製鋳型内の溶鋼表面にモールドパウダーを添加して鋳片を連続鋳造するに際して、銅製鋳型の厚みの変動に応じて、モールドパウダーの塩基度や鋳造速度を適切に制御することによって、縦割れやブレークアウト等の問題を生じることなく、安定して操業できるような鋼の連続鋳造方法に関するものである。

鋼の連続鋳造においては、タンデッシュ内の溶鋼を水冷鋳型内に投入してこれを冷却しつつ（一次冷却）、下方に引き抜かれて更に鋳片表面が冷却されて（二次冷却）鋳片として連続的に製造されるのが一般的である。

こうした連続鋳造で使用する鋳型は銅製であるのが一般的であるが、製造される鋳片の表面品質を良好に維持するためには、鋳型内での冷却が効果的に行われる必要がある。また、鋳片表面の性状を良好に維持するためには、鋳型内での抜熱量（熱流束）も鋼種に応じて適切に調整する必要がある。

上記熱流束は、鋳型厚みや鋳型内冷却水速等によっても大きく変化し、鋳片表面品質に大きな影響を与えることが知られている。特に、中炭素鋼のように包晶反応を伴う鋼材では、熱流束が大きくなると、初期凝固殻の冷却不均一が原因して鋳片表面の縦割れが生じ易くなることが知られている。こうした不都合を解消するには、熱流束をできるだけ小さくする（以下、これを「緩冷却」と呼ぶことがある）ことが有効であることが知られている。例えば、縦割れが生じやすい中炭素鋼（Ｃ含有量：０．０８〜０．２％程度）を対象としたときには、鋳型による抜熱量は、メニスカス下４０ｍｍの位置で３．０ＭＷ／ｍ^２程度とすることが縦割れ回避に有効であることが知られている（例えば、非特許文献１）。

しかしながら、熱流束を制御するにしても、実際の鋳型厚みは使用初期と使用末期では損耗、手入れ等によって変動するものであり、他の条件（例えば鋳型冷却水量）が一定であれば、鋳型厚みによってメニスカス付近での熱流束に大きな差が生じ、これが必然的に鋳片表面品質に多大な影響を及ぼすことがある。

一方、連続鋳造を行うに際しては、モールドパウダーを使用することが一般的である。こうしたモールドパウダーは、（１）溶鋼表面の保温や酸化防止、（２）鋳型／初期凝固シェル間の潤滑性確保、（３）均一冷却などの効果を発揮するものである。このモールドパウダーの特性は、鋳片表面性状や安定操業に影響を及ぼし、特にその塩基度［ＣａＯとＳｉＯ_２の含有量の比：（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）］はカスピディンの結晶晶出を通じて鋳型／溶鋼間の熱流束に大きな影響を及ぼすことが知られている。

例えば、特許文献１には、モールドパウダーの塩基度や結晶化温度を適切に規定することによって、鋳片の表面性状を良好にする技術が提案されている。またこの技術では、モールドパウダーにおける所定温度での粘性を適切に制御することも開示されている。また同様の観点から、モールドパウダーの塩基度に応じて粘性を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献２）。

これらの技術からすれば、モールドパウダーの組成を適切にして塩基度や粘性を制御することは、緩冷却にとって有効に作用するものと考えられる。しかしながら、こうしたモールドパウダーの組成や物性の制御だけでは、鋳片の表面性状が良好にならない場合がある。例えば、鋳造速度の違いや対象とする鋼材の種類によっても、適切なモールドパウダー組成［従って、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）］も異なってくるものであり、こうした条件も適切に考慮しなければ、表面性状に優れた鋳片を安定して製造することができない。

鋳片の種類に応じて塩基度を制御する技術として、例えば特許文献３には、鋳片の化学成分と塩基度との関係を規定することによって、鋳片の縦割れの防止を図る技術も提案されている。

しかしながら、上記熱流束については、銅製鋳型の厚み等によっても変化するものであり、この厚みが変動する状況の下では、こうした技術においても適切な操業条件を確立することは困難である。
S.Hiraki et al.Steelmaking Conf.Proceeding 77(1994),P397 特開２００１−２３９３５２号公報 特許請求の範囲等 特開平６−３３９７５８号公報 特許請求の範囲等 特開平７−２５２５９７号公報 特許請求の範囲等

本発明はこうした従来技術における課題を解決する為になされたものであって、その目的は、鋳型厚みが変動する状況下であっても、鋳型／溶鋼間の適切な熱流速を確保するように制御することによって、縦割れ等が生じないような表面品質の良好な鋳片を得るための連続鋳造方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明方法とは、銅製鋳型内の溶鋼表面にモールドパウダーを添加して鋳片を連続鋳造するに当たり、ＣａＯ、ＳｉＯ₂および弗素化合物を基本成分とし、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が０．５〜１．５であるモールドパウダーを用いると共に、銅製鋳型厚みをＴ（ｍｍ）、鋳片の鋳造速度をＶｃ（ｍ／ｍｉｍ）としたとき、銅製鋳型厚みＴが１５〜５０ｍｍの範囲内、且つ鋳造速度Ｖｃが０．５〜３．０ｍ／ｍｉｎの範囲内において、銅製鋳型の厚みＴに応じて、下記（１）式の関係を満足するように決定した塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）のモールドパウダーおよび鋳造速度で操業する点に要旨を有するものである。
（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）≧０．５×Ｖｃ−０．０２８×Ｔ＋０．６６…（１）

本発明方法で用いるモールドパウダーは、ＣａＯ、ＳｉＯ₂および弗素化合物を基本成分とするものであるが、更にＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯおよびＮａ₂Ｏよりなる群から選ばれる１種以上を含有するものであっても良い。

一方、本発明方法において対象とする鋳片は、Ｃを０．０８〜０．２％程度含有する中炭素鋼種であることが好ましく、こうした鋼種を対象としたときにその効果が最も有効に発揮される。

本発明では、銅製鋳型の厚みの変動に応じて、モールドパウダーの塩基度や鋳造速度を適切に制御するようにしたので、縦割れやブレークアウト等の問題を生じることなく、安定して操業できるような鋼の連続鋳造方法が実現できた。

本発明者らは、上記目的を達成する為に様々な角度から検討した。その結果、変動する鋳型銅板厚み、モールドパウダーの塩基度および鋳造速度を所定の関係式を満足するように制御すれば、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。

本発明で用いるモールドパウダーは、溶鋼表面を覆うことによって保温および酸化防止等の基本的な作用を発揮するのは勿論であるが、鋳造速度や銅製鋳型厚みに応じてその塩基度を適切に制御することによって、表面性状の良好な鋳片が確保できるのである。但し、この塩基度が０．５よりも小さくなると、初晶がＳｉＯ_２の領域に入りやすくなって凝固温度が非常に高くなるので、メニスカス上部の溶融層および鋳片−鋳型間のパウダー液相中に結晶が晶出し、見掛けの粘性が非常に高くなるので、鋳型／初期凝固シェル間の潤滑性を確保できず、安定した操業に支障をきたすことになる。こうしたことから、モールドパウダーの塩基度は少なくとも０．５以上となるように制御することが好ましい。

本発明で用いるモールドパウダーはこれまで一般的に用いられているものであればよいが、具体的にはＣａＯ、ＳｉＯ_２および弗素化合物を基本成分とするものが挙げられる。このうち弗素化合物は、粘性の調整および緩冷却を目的にカスピディン結晶の晶出という作用を発揮するものであり、通常３〜１２質量％程度で含有される。このモールドパウダーには、必要によってＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯおよびＮａ_２Ｏよりなる群から選ばれる１種以上を含有することができ、これらの成分は粘性、凝固温度制御という作用を発揮する。但し、これらの成分があまり多くなると潤滑不良、不均一流入となるので、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯで１０質量％以下、Ｎａ_２Ｏで２０質量％以下とすることが好ましい。

本発明の連続鋳造を行うときの銅製鋳型の厚みについては、通常１５〜５０ｍｍ程度であるが、この厚みがあまり薄くなると安全性が確保できなくなるので、１５ｍｍ以上であることが好ましい。また、この厚みがあまり厚くなると、冷却水による冷却効果が発揮されなくなるので、５０ｍｍ程度以下であることが好ましい。従って、本発明方法を実施するに際しては、銅製鋳型の厚みはこの範囲内で適用することが望ましい。本発明では、上記の銅製鋳型厚みの範囲内において、鋳造速度や塩基度を適切に制御することによって鋳型における緩冷却を実現し、表面性状に優れた鋳片が得られるのである。

一方、鋳造速度については、生産性良く操業を行うためには、少なくとも０．５ｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。この鋳造速度が速くなればなるほど、熱流束が大きくなる傾向を示すことになるが、本発明では鋳造速度に応じて塩基度を高めることによって緩冷却を実現し、表面性状の良好な鋳片が得られることになる。但し、鋳造速度があまり大きくなり過ぎると他の条件を制御しても溶鋼流動によりメニスカスが不安定となる傾向が高いため、３．０ｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。

本発明方法において対象とする鋳片は、Ｃを０．０８〜０．２％含有する中炭素鋼種であることが好ましい。即ち、Ｃを０．０８〜０．２％含有する中炭素鋼種では、包晶反応を伴う鋼種であるので、熱流束の変動による影響を受け易く、熱流速が大きくなることによる鋳片表面品質に大きな影響を及ぼすことから、こうした鋼材を対象としたときに本発明の効果は最も顕著に発揮される。こうした鋼種を想定すると、鋳型によって抜熱量メニスカス下４０ｍｍの位置で３．０ＭＷ／ｍ^２程度の熱流束となるように前記（１）式を制御することが目標となる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

実施例１
本発明者らは、下記の化学成分組成の鋼種の鋳片を連続鋳造した。このときの鋳片サイズは断面形状で２１００ｍｍ×２８０ｍｍであり、銅製鋳型厚みは２０ｍｍである。また、鋳型冷却水速は、５〜１２ｍ／ｓの範囲内とした。

（鋳片の化学成分組成）
Ｃ：０．０８〜０．２質量％、Ｓｉ：０．１５質量％、Ｍｎ：１．１質量％、
Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．００３質量％、Ａｌ：０．０２質量％
このとき、下記表1に示す各種のモールドパウダーを使用し、溶鋼の表面を覆った。また、モールドパウダーの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）および鋳造速度を様々な条件に設定して、連続鋳造を行った。

得られた鋳片について、その鋳片表面性状を下記の基準で評価した。その結果を、フラックスパウダーの組成、操業条件（鋳造速度、塩基度）と共に、下記表１に併記する。尚、表１において、「操業不安定」とは（Ｎｏ．１，９）、鋳造中に焼き付きの生成やブレイクアウト（鋳片の凝固殻が破断する減少）が生じる兆候を示した状態を意味する。また、この結果に基づき、鋳造速度および塩基度が鋳片表面性状（縦割れの有無）に与える影響を図１に示す。

（鋳片表面性状の評価基準）
□：鋳片１ｍｍ当たりの縦割れの総長さが２０ｍｍ未満
△：鋳片１ｍｍ当たりの縦割れの総長さが２０ｍｍ以上５０ｍｍ未満
■：鋳片１ｍｍ当たりの縦割れの総長さが５０ｍｍ以上

次に、鋳型厚さを３０ｍｍとして（鋳型冷却水速については上記と同じ）、上記と同様の実験を行い、上記と同様にして評価した。その結果を、モールドパウダーの組成、操業条件（鋳造速度、塩基度）と共に、下記表２に併記する。また、この結果に基づき、鋳造速度および塩基度が鋳片表面性状（縦割れの有無）に与える影響を図２に示す。

更に、鋳型厚さを４０ｍｍとして（鋳型冷却水速については上記と同じ）、上記と同様の実験を行い、上記と同様にして評価した。その結果を、フラックスパウダーの組成、操業条件（鋳造速度、塩基度）と共に、下記表３に併記する。また、この結果に基づき、鋳造速度および塩基度が鋳片表面性状（縦割れの有無）に与える影響を図３に示す。

これらの結果に基づいて、鋳型厚みが２０〜４０ｍｍの夫々の場合における鋳造速度と塩基度が割れ発生に与える影響についてまとめたのが図４である。この図において、各ラインの上部領域は縦割れが発生しない領域であり、下方領域は縦割れが発生している領域であることを示している。

この結果から明らかなように、鋳造速度が速くなるほど熱流束が大きくなり、これを小さくするためには、高い塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）のモールドパウダーが必要になることが分かる。また、鋳型厚みが薄いほど、鋳造速度が同一であっても熱流束は大きくなるので、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が高い状態での緩冷却モールドパウダーが必要になることが分かる。

これらの結果に基づいて、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）、鋳型厚み（Ｔ）および鋳造速度（Ｖｃ）の関係について求められたのが前記（１）式である。即ち、鋳型厚みＴの変動が生じたとしてもこの式を満足するように、鋳造速度および塩基度を制御することによって、熱流速が３．０ＭＷ／ｍ^２程度の良好な緩冷却が達成され、縦割れ等の発生を効果的に防止できることになる。

実施例２
本発明者らは、下記表４に示す各種のモールドパウダーを使用し、溶鋼の表面を覆った。また、モールドパウダーの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）および鋳造速度を様々な条件に設定して、連続鋳造を行った。このときの鋳片の化学成分組成および鋳片サイズは実施例１と同じである。また銅製鋳型厚みは３０ｍｍとした（鋳型冷却水速：５〜１２ｍ／ｓ）。

得られた鋳片について、その表面性状を実施例１と同様にして評価した。その結果を、フラックスパウダーの組成、操業条件（鋳造速度、塩基度）と共に、下記表４に併記する。またこの結果に基づき、鋳造速度および塩基度が鋳片表面性状（縦割れの有無）に与える影響を図５に示す。

この実施例では、モールドパウダー中のＣａＯおよびＳｉＯ_２の含有量を増加させ、それ以外の成分（弗素化合物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ等）の含有量を約２１質量％程度にしたものであるが、こうした化学成分組成であっても、前記図２に示した結果と同様の傾向を示していることが分かる。

銅製鋳型の厚みが２０ｍｍのときにおける鋳造速度および塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が鋳片表面性状に与える影響を示すグラフである。 銅製鋳型の厚みが３０ｍｍのときにおける鋳造速度および塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が鋳片表面性状に与える影響を示すグラフである。 銅製鋳型の厚みが４０ｍｍのときにおける鋳造速度および塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が鋳片表面性状に与える影響を示すグラフである。 鋳型厚みが２０〜４０ｍｍの夫々の場合における鋳造速度と塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が割れ発生に与える影響に示したグラフである。 モールドパウダーの化学成分組成を変えたときにおける鋳造速度および塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が鋳片表面性状に与える影響を示すグラフである。

Claims (3)

1. 銅製鋳型内の溶鋼表面にモールドパウダーを添加して鋳片を連続鋳造するに当たり、ＣａＯ、ＳｉＯ₂および弗素化合物を基本成分とし、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ ₂ ）が０．５〜１．５であるモールドパウダーを用いると共に、銅製鋳型厚みをＴ（ｍｍ）、鋳片の鋳造速度をＶｃ（ｍ／ｍｉｎ）としたとき、銅製鋳型厚みＴが１５〜５０ｍｍの範囲内、且つ鋳造速度Ｖｃが０．５〜３．０ｍ／ｍｉｎの範囲内において、銅製鋳型の厚みＴに応じて、下記（１）式の関係を満足するように決定した塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ ₂ ）のモールドパウダーおよび鋳造速度で操業することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
   （ＣａＯ／ＳｉＯ₂）≧０．５×Ｖｃ−０．０２８×Ｔ＋０．６６…（１）
2. モールドパウダーは、更にＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯおよびＮａ₂Ｏよりなる群から選ばれる１種以上を含有するものである請求項１に記載の連続鋳造方法。
3. 鋳片はＣを０．０８〜０．２％含有する中炭素鋼である請求項１または２に記載の連続鋳造方法。

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