JP2005088022A - 取鍋摺動開閉装置用充填材 - Google Patents

Abstract

【課題】 不開孔が発生しにくい取鍋摺動開閉装置用充填材を提供することを課題とする。
【解決手段】 粒度分布が０．３〜１．７ｍｍであるシリカ砂４０〜１００質量％と粒度分布が０．１〜０．８５ｍｍであるクロマイト砂６０〜０質量％からなる砂と、外部添加で粒度分布が０．３〜１．７ｍｍの長石を全アルカリ量が０．３〜１．５質量％となるよう配合してなることを特徴とする取鍋摺動開閉装置用充填材により上記課題を解決する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、取鍋摺動開閉装置用充填材に関する。更に詳しくは、本発明は、製鋼工程において取鍋に流される溶鋼によって溶けにくく、焼結及び溶鋼が浸透しにくく、タンデッシュに容易に落下、開孔する取鍋摺動開閉装置用充填材に関する。

従来の製鋼工程において、溶鋼を受ける取鍋には取鍋摺動開閉装置（スライディングノズル又はロータリーノズル）が採用されている。この取鍋摺動開閉装置を備えた取鍋は、ノズル内で溶鋼が凝固することを防止するため、溶鋼を受鋼する前に耐火性の粉粒体からなる取鍋摺動開閉装置用充填材をノズル内に充填する必要がある。

この充填材として、天然シリカ砂、クロマイト砂、ジルコン砂、アルミナ砂等が知られており、なかでも天然シリカ砂、クロマイト砂及びこれらの混合物が多く用いられている。

一般的に、天然シリカ砂は、溶鋼によって形成される焼結層が厚く、不開孔が生じる原因となる割合が比較的高い。この不開孔は、取鍋の溶鋼排出に妨げとなるため、作業者は、ノズル内にパイプを挿入して酸素洗浄で開孔する作業を強いられていた。

しかしながら、このような作業は、溶鋼の温度低下をもたらすばかりか、極めて危険を伴う作業であり、労働災害防止の観点から、不開孔が発生しない割合（以下開孔率という）を１００％とすることが望まれている。

更に、今日の連続鋳造設備においては、ノズル内に生じる不開孔は、操業上の多くの支障が生じていた。

また、取鍋摺動開閉装置用充填材は、溶鋼によって表面層が早期かつ適当な厚さの焼結層が形成されることが要求される。その理由は、焼結層が全く発生しない取鍋摺動開閉装置用充填材では溶鋼が浸透してしまい、この取鍋摺動開閉装置用充填材と溶鋼が混ざり合った浸透層が形成されることによって不開孔が生じるおそれがあるからである。

従来、取鍋摺動開閉装置用充填材として、特開昭６２−２４４５７０号公報（特許文献１）、特開平１−１８０７７６号公報（特許文献２）あるいは本発明者等による特許第３０５６２６０号公報（特許文献３）に記載のものが知られている。

特開昭６２−２４４５７０号公報には、ＳｉＯ₂の含有量が９６質量％以上でかつＡｌ₂Ｏ₃含有量が２．０質量％以下であるシリカ砂の混合物であって、この混合物の粒度分布が、粒度分布０．７１〜１．６８ｍｍのシリカ砂が６０〜７５質量％、粒度分布０．１０〜０．７１ｍｍのシリカ砂が２５〜４０質量％及び粒度分布０．１ｍｍ未満のシリカ砂が５質量％以下である取鍋摺動開閉装置用充填材を開示している。

また、特開平１−１８０７７６号公報には、粒度が２．３８〜０．１２５ｍｍであり、空隙率が２５〜５０％である取鍋摺動開閉装置用充填材を開示している。このような従来の取鍋摺動開閉装置用充填材であっても、不開孔を生じる場合があり、充分に満足できるものではなかった。

更に、本発明者等による特許第３０５６２６０号公報では、適切な焼結層を形成させるためには、クロマイト砂を用いることが好ましいことから、クロマイト砂が７０〜９０質量％、シリカ砂が１０〜３０質量％からなる取鍋摺動開閉装置用充填材が提案されている。

特開昭６２−２４４５７０号公報 特開平１−１８０７７６号公報 特許第３０５６２６０号公報

しかしながら、上記特許のようにクロマイト砂を多量に使用することは、これにより高温で発生する六価クロムの公害問題が懸念され、製鋼工程での使用を敬遠する傾向が出てきた。このため、可能な限りクロマイト砂の使用を制限した取鍋摺動開閉装置用充填材が望まれている。

本発明の発明者等は、このような事情を考慮した結果、シリカ砂とクロマイト砂からなる取鍋摺動開閉装置用充填材に長石を添加することによって、意外にも焼結層の厚さを調整できることを見い出し本発明に至った。

すなわち、本発明によれば、粒度分布が０．３〜１．７ｍｍであるシリカ砂４０〜１００質量％と粒度分布が０．１〜０．８５ｍｍであるクロマイト砂６０〜０質量％からなる砂と、外部添加で粒度分布が０．３〜１．７ｍｍの長石を全アルカリ量が０．３〜１．５質量％となるよう配合してなることを特徴とする取鍋摺動開閉装置用充填材が提供される。

本発明によれば、４０〜１００質量％のシリカ砂と６０〜０質量％のクロマイト砂に長石を添加した充填材を使用することによって、取鍋に流される溶鋼で溶融及び焼結しにくく、溶鋼が浸透しにくくなり、かつ焼結層の厚さを適切に調整することができるので、取鍋摺動開閉装置に発生する不開孔を極めて良好にかつ効率よく抑制することができる。

まず、本発明の取鍋摺動開閉装置用充填材（以下、充填材という）は、特定の粒度分布のシリカ砂、クロマイト砂及び長石とからなり、かつ全アルカリ量が特定量含まれる。この明細書において、全アルカリ量とは、充填材全体に含まれるＫ₂ＯとＮａ₂Ｏの総和をいう。

本発明において使用されるシリカ砂は、粒度分布が０．３〜１．７ｍｍ、好ましくは０．６ｍｍ〜１．７ｍｍ、更に好ましくは０．９〜１．５ｍｍである。粒度分布が０．３ｍｍを下限としたのは、０．３ｍｍ未満の粒度分布では、焼結層の層厚が増加し、溶鋼の注入時にノズルの不開孔を生じさせる原因となるからである。一方、粒度分布が１．７ｍｍを上限としたのは、１．７ｍｍより大きい粒度分布では、浸透によりシリカ砂と混じった溶鋼が凝結し、これまたノズルに不開孔を生じさせるからである。本発明では、上記範囲で異なる粒度分布のシリカ砂を配合してもよい。特に、粒度分布１．２〜１．７ｍｍのシリカ砂、粒度分布が０．９〜１．２ｍｍのシリカ砂及び粒度分布０．３〜０．９ｍｍのシリカ砂の混合砂を使用すれば、充填密度が向上して溶鋼の浸透を防止できるとともに、適度の厚さの焼結層を形成できる。

ここで、この明細書において粒度分布とは、日本工業規格（ＪＩＳ）による鋳物砂の粒度試験方法（Ｚ２６０２）に準じて測定した値をいう。この方法を概略説明すると、ふるいの呼び寸法が０．３ｍｍのふるいの上に１．７ｍｍのふるいを重ね、１．７ｍｍのふるいの上にシリカ砂を載せて、ロータップ型ふるい機等のふるい分け機械を使用し、２つのふるい間に残ったシリカ砂を本発明のシリカ砂とする。
なお、後記するクロマイト砂ならびに長石の粒度分布についても、ふるいの呼び寸法を変えること以外は同様である。

シリカ砂の粒形係数は１．４以下であり、好ましくは１．２〜１．４の範囲である。粒形係数を１．４以下とすることによって、充填密度が低下せず溶鋼の浸透を防ぐことが可能である。すなわち、粒形係数が小さくなるに従い充填密度が高くなって、ノズル内の空隙が少なくなるために、溶鋼の差込が少なくなる。充填材により形成される空隙は、空隙率としてあらわすと３０〜３５％の範囲であることが好ましい。

この明細書において粒形係数とは、砂表面積測定器（ジョージ、フィッシャー社製）を用いて算出した値をいう。すなわち、粒形係数とは１ｇ当たりの実際の砂粒の表面積を理論的表面積で除した値をいう。ここで、理論的表面積とは、砂粒が全て球状であると仮定した場合の表面積をいう。従って、粒形係数が１に近いほど球に近い形状であることを表している。

また、このシリカ砂に含まれる化学成分は、ＳｉＯ₂の含有量が９５質量％以上であり、好ましくは９６質量％以上である。

本発明におけるシリカ砂は、上記粒度分布及び粒形係数ならびにＳｉＯ₂の含有量の各条件を満たすものであれば、特に限定されず、天然シリカ砂を使用することができる。
一般的に、シリカ砂は産出地によって、ＳｉＯ₂の含有量が９０〜９９質量％に分布されている。特に日本産のシリカ砂のＳｉＯ₂含有量は、９０〜９７質量％に分布し、海外産出のシリカ砂のＳｉＯ₂含有量は、９５〜９９．８質量％に分布している。
このように天然シリカ砂は、産出地によって化学成分の含有量に多様性があることから、上記粒度分布及び粒形係数ならびにＳｉＯ₂の含有量を満たすよう、これらのシリカ砂を適宜混合することが望ましい。

次に、本発明に使用されるクロマイト砂は、粒度分布が０．１〜０．８５ｍｍ、好ましくは、０．３〜０．６ｍｍである。このクロマイト砂の配合割合は０〜６０質量％の範囲である。また、製鋼工程の操業条件によってはクロマイト砂を用いないで、シリカ砂１００質量％の充填材を使用してもよい。
ここで、粒度分布が０．１ｍｍ未満のクロマイト砂では、シリカ砂の空隙径よりもクロマイト砂の粒子径が小さくなり、シリカ砂を均一に混合することが難しい。
一方、粒度分布が０．８５ｍｍより大きいクロマイト砂では、充填性（充填密度）が低下し、空隙に溶鋼が浸透・凝固して強固な焼結層が形成されることとなるので、充填材としては好ましくない。

また、本発明に使用されるクロマイト砂は、約２，１５０℃までの耐火性を有することが知られているが、粒子径が小さくなるに従い焼結性が増加する。

更に、このクロマイト砂は、上記粒度分布の条件を満たすものであれば、特に限定されない。クロマイト砂は、主に南アフリカに産出し、鋳物用、冶金用、化学用の用途に使用されているが、本発明にはこれら用途の砂をいずれも使用することができる。また、天然に産出されるものをそのまま使用してもよい。
また、シリカ砂とクロマイト砂の混合割合は、それぞれ４０〜１００質量％及び６０〜０質量％であり、好ましくは５０〜１００質量％及び５０〜０質量％である。クロマイト砂の混合割合をできるだけ少なくすることで、六価クロム等の産業公害発生のおそれのあるクロマイト砂の使用を極少化することに加え、価格的に比較的安価なシリカ砂を多用することによって、製鋼コストの低下を図ることができる。

本発明では、充填材にアルカリ量の調整のために長石が添加される。ここで、シリカ砂には、アルカリ量が通常含まれるが、長石を添加せずにシリカ砂に含まれるアルカリ量を本発明の範囲にした充填材と、長石を添加してアルカリ量を本発明に範囲にした充填材とでは、両充填材のアルカリ量が同一の場合、後者の方が焼結層の厚さを適切に調整できる点において前者より優れた効果を有する。

更に、本発明において使用する長石は、シリカ砂とクロマイト砂の配合割合に応じて、粒度分布が０．３〜１．７ｍｍ、好ましくは０．５〜１．０ｍｍであり、充填材全体のＫ₂ＯとＮａ₂Ｏの和である全アルカリ量が０．３〜１．５質量％、好ましくは０．３〜１．２質量％となるよう外部添加されるので、焼結層の厚さを適切に調節することができる。
添加する長石は、カリ長石であることが好ましい。このカリ長石には、セイチョウ石、ビシャカリチョウ石、ハリチョウ石、コオリチョウ石等があるが、これらに限定されるものではなく、また、これらを単独若しくは２種類以上組み合わせて使用することも可能である。

本発明において、長石の粒度分布を０．３〜１．７ｍｍの範囲に限定したのは、粒度分布が０．３ｍｍ未満の長石では、急激に焼結層を形成し、強固な焼結層によって開孔しない場合があるからであり、一方、粒度分布が１．７ｍｍより大きい長石では、適切な焼結層を形成するまでに、必要以上の時間を要することとなり、また、焼結層が軟弱となって溶鋼が浸透しやすく、不開孔の原因となるからである。

ここで、シリカ砂にはアルカリ分が含まれているので、使用するシリカ砂のアルカリ量に応じて、全アルカリ量が本発明の範囲になるように適宜調節することが好ましい。

なお、上記のシリカ砂及びクロマイト砂ならびに長石の品質を一定にするため、磨鉱処理を施した砂を使用してもよい。更に、磨鉱処理を施すか又は施さない砂を２以上混合して使用してもよいことは当然である。
磨鉱処理には、公知の乾式法、湿式法のいずれも用いることができる。

乾式法には、原料砂を高速気流により装置内で上昇させ、衝突板に衝突させることによって、砂粒相互の衝突と摩擦により磨鉱処理するサンドリクレマ等のニューマッチスクラバー装置、高速回転するロータ上に原料砂を投入し、その遠心力で生ずる投射砂と落下する投入砂との間で起こる衝突と摩擦によって磨鉱処理する高速回転するスクラバー装置、砂粒同士の摩擦を利用して磨鉱処理するアジテーターミル等の高速攪拌機等を用いた方法が挙げられる。
一方、湿式法には、羽を回転させたトラフ内の砂粒相互の摩擦によって磨鉱処理するトラフ式等の磨鉱機による方法が挙げられる。

これらの磨鉱処理のうち、湿式法を使用することが望ましい。これは、磨鉱処理時の水洗によって所望の粒度より小さい砂を同時に取り除くことができるからである。しかしながら、乾式法であっても、水洗装置を併設することにより本発明の砂を得ることができる。

なお、一般的に充填材には、溶鋼に対する耐火性以外の要因である濡れ性（溶鋼をはじく値の逆数）が高いと、不開孔の原因となる焼結層が発生しやすいことが知られている。
この濡れ性を改善する方法として、カーボン（例えば、鱗状黒鉛、土状黒鉛、カーボンブラック等）の粉末をノズル充填材に外部添加する方法が知られている。具体的には、単にカーボンを混合する方法（特開平６−７１４２４号公報）、接着剤をバインダーとして使用してカーボンを砂に接着する方法（特開平１０−５８１２６号公報）、更に、本発明者等の提案によるノズル充填材、すなわち、骨材を攪拌して静電気を帯電させた後、カーボンを添加して骨材と攪拌することによって、骨材の表面にカーボンを被覆又は付着する方法（特開２０００−３１７６２５号公報）等がある。

本発明においても、シリカ砂、クロマイト砂又は長石の表面に、カーボンブラックを静電コートしてもよい。使用できるカーボンブラックは特に限定されず、公知のものでよいが、衛生上の観点や充填材の性能及びコストの観点から、粒状のカーボンブラックを使用することが好ましい。粒状品は、例えば、乾式法や湿式法で造粒することにより得られたものを使用することがより好ましい。この粒状品の粒度分布は、２０００μｍ以下であることが好ましく、２５０〜２０００μｍであることがより好ましい。

シリカ砂、クロマイト砂又は長石の表面にカーボンブラックを静電コートする方法としては、特に限定されないが、例えば、リボン型ブレンダーにより、シリカ砂、クロマイト砂又は長石を、別々又は同一の装置で別々又は同時に攪拌して帯電させた後、カーボンブラックを添加し、更に攪拌して静電コートする方法がある。この場合、攪拌によって充填材に生じる静電気の電位は、−０．１ｋｖ以上の電位に相当する静電気量を有するが、好ましくは、−０．１〜−０．０５ｋｖの範囲にあることが望まれる。−０．１ｋｖ以上の電位を有することにより、遊離カーボンの実質的に存在しない充填材を得ることができる。また、この攪拌によって、カーボンブラックは充填材の全表面又は一部に静電コートされる。

カーボンブラックは遊離カーボンの発生を減らし、所望の性質の充填材を得る量によって使用される。具体的には、本発明で使用するシリカ砂のアルカリ量が０．３〜１．５％の範囲にあるから、カーボンブラックの添加量は、充填材に対し０．３〜１．０質量％、好ましくは０．５〜０．９質量％がよい。
カーボンブラックの添加量が、充填材に対して１．０質量％を超えると、カーボンの作用により焼結層が形成されにくくなり、不開孔の発生原因となるうえ、極低炭素鋼を製造する場合には、加炭が促進されることとなって、溶鋼の組成分上に問題が生じる。

本発明の充填材を使用する取鍋摺動開閉装置の形状、溶鋼の種類等は特に限定されない。また、カーボンブラックで静電コートを施された又は施されないシリカ砂及びクロマイト砂又は長石は、それぞれ単独に取鍋摺動開閉装置に充填してもよいが、これらは混合性が良好であるから均一に混合したものを充填することが、作業性の向上に益する。

実施例
次に、本発明の具体的形態を実施例により説明するが、これらの実施例により本発明は何ら制限を受けるものではない。
なお、以下の実施例で使用したシリカ砂、クロマイト砂及び長石の化学組成を表１〜３に記載する。

なお、表３に示す化学組成の長石であれば、アルカリ分であるＫ₂ＯとＮａ₂Ｏの和が１０．２質量％であるから、長石を充填材に１質量％添加すればアルカリ量は０．１０２質量％増加することになる。

実施例１
溶鋼の取鍋として、容量が３０ｋｇである高周波炉の底部に、内径５０ｍｍ、高さ３０ｍｍの孔をあけ、その中に充填材として粒度分布の異なる各種シリカ砂を充填した。これに、１，６５０℃の溶鋼を鋳込み、１時間保持した後、焼結層の厚さを測定した。以下の表４には、粒度分布が０．３ｍｍ未満のシリカ砂含有量と焼結層の層厚との関係を示し、表５には、粒度分布が１．７ｍｍより大きいシリカ砂の含有量と焼結層の層厚の関係を示した。なお、使用したシリカ砂の粒形係数は１．２１である。

また、表６には、内径１５０ｍｍ、高さ１００ｍｍの砂型鋳型の底に内径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍの孔を開け、その中に充填材として各種シリカ砂を充填し、１６５０℃の溶鋼を鋳込んで冷却した後、シリカ砂に溶鋼が浸透した厚さ（浸透層の層厚）を測定し、シリカ砂の粒形係数と浸透層の層厚の関係を示した。なお、使用したシリカ砂の粒度分布は、０．３〜１．７ｍｍである。

上記表４から明らかなように、粒度分布が０．３ｍｍ未満のシリカ砂の含有量が増加するに従って焼結層の層厚が増加している。また、表５から明らかなように、粒度分布が１．７ｍｍより大きいシリカ砂の含有量が増加するに従って焼結層の層厚が増加している。このような焼結層の層厚の増加は、実際の溶鋼の注入時に生じるシリカ砂の焼結によって、ノズルに不開孔が生じ易くなることを意味している。

また、上記表６からも明らかなように、シリカ砂の粒径係数１．４を境界として粒形係数が高くなるに従って溶鋼の浸透層の層厚が増加している。これは、粒形係数が１．４より大きい場合では充填密度が低下するため、溶鋼の浸透が容易に起こり、その結果、ノズルの不開孔が生じ易くなることを意味している。

次に、上記高周波炉と同様の方法を用い、長石の粒度分布と焼結層の関係を測定した。この試験では、シリカ砂に長石を９質量％添加し、アルカリ量を１．２質量％に設定して、それぞれ５回の試験結果を求めた。表７に使用した長石の粒度分布とその結果を示す。使用したシリカ砂の粒度分布と粒形係数は、それぞれ０．３〜１．７ｍｍ及び１．２１である。

また、実施例１に使用した長石の粒度分布を表８に示す。

上記表７から明らかなように、粒度分布が０．３〜１.７ｍｍの長石を用いることによって、焼結層の層厚の変動を少なくすることができ、不開孔の発生を抑制することができる。

実施例２
表９に示すように、シリカ砂、クロマイト砂、長石を配合した充填材を、２５０ｔの取鍋に備えられた取鍋摺動開閉装置に充填し、取鍋に１６８０℃の溶鋼を鋳込み、１〜３時間保持した後、溶鋼を取鍋摺動開閉装置から取り出すサイクルを２００回繰り返し、ノズルが不開孔とならない回数を測定した。この回数を２００で除した値を開孔率とし表９に示す。なお、シリカ砂、クロマイト砂及び長石の粒度分布は、それぞれ０．３〜１．７ｍｍ、０．１〜０．８５ｍｍ及び０．３〜１．７ｍｍである。具体的な長石の粒度分布は表８に示している。

表９によって明らかなとおり、本発明による充填材を使用すればノズルの不開孔が減少し、安定操業に対する重要課題が解決されることになる。また、シリカ砂１００質量％の場合、長石添加量６．０質量％、シリカ砂８０質量％の場合、長石添加量６．５質量％、シリカ砂６０質量％の場合、長石添加量４．２質量％、シリカ砂４０質量％の場合、長石添加量２．８質量％において、開孔率が１００％となった。

Claims (5)

1. 粒度分布が０．３〜１．７ｍｍであるシリカ砂４０〜１００質量％と粒度分布が０．１〜０．８５ｍｍであるクロマイト砂６０〜０質量％からなる砂と、外部添加で粒度分布が０．３〜１．７ｍｍの長石を全アルカリ量が０．３〜１．５質量％となるよう配合してなることを特徴とする取鍋摺動開閉装置用充填材。
2. 前記シリカ砂が、１．４以下の粒形係数を有する請求項１記載の取鍋摺動開閉装置用充填材。
3. 前記シリカ砂、クロマイト砂又は長石が、その表面に外部添加で０．３〜１．０質量％のカーボンブラックで静電コートされてなる請求項１又は２に記載の取鍋摺動開閉装置用充填材。
4. 前記長石が、カリ長石である請求項１〜３のいずれか一つに記載の取鍋摺動開閉装置用充填材。
5. 前記シリカ砂のＳｉＯ₂含有量が、９５質量％以上である請求項１〜４のいずれか１つに記載の取鍋摺動開閉装置用充填材。