JP6725250B2 - フロントパウダーの設計方法、及びフロントパウダーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フロントパウダーの設計方法、及びフロントパウダーの製造方法に関する。

溶融金属を鋳造する方法として、連続鋳造が知られている。連続鋳造では、鋳型の上方から溶融金属（例えば溶鋼）を鋳型に供給する。ここで、鋳型は、例えば鋳型内に冷却水を循環させることで冷却されている。このため、鋳型内の溶融金属のうち、鋳型に対向する部分が冷却され、凝固シェルとなる。これにより、鋳型内で表層のみ凝固させた鋳片を作製する。ついで、鋳型の下端からこの鋳片を引き抜く。ついで、鋳型から引き抜かれた鋳片を複数対の支持ロールによって支持及び搬送しながらさらに冷却する。

ここで、連続鋳造を安定して行うためには、鋳片と鋳型との潤滑性を良好な状態に維持する必要がある。そこで、溶融金属とともにモールドパウダーを鋳型の上方から鋳型に供給する。モールドパウダーは、鋳型内の溶融金属から供給される熱によって溶融して液体となり（すなわちスラグ化し）、液体のモールドパウダー（すなわち溶融スラグ）は、鋳片と鋳型との間に入り込む。鋳型は冷却されているため、鋳片と鋳型との間に入りこんだ溶融スラグの一部は固化して固着層となる。このようなモールドパウダーの固着層は、鋳片の冷却をコントロールする。一方、固化しなかった溶融スラグは、鋳片と鋳型との潤滑性を良好な状態に維持する。また、溶鋼湯面（すなわち、鋳型の上端面）は溶融スラグと未溶融のモールドパウダーによって覆われているので、溶鋼湯面からの放熱が抑制される。

ここで、モールドパウダーは、連続鋳造開始時に鋳型内に供給されるフロントパウダーと、フロントパウダーの供給後に鋳型内に供給される本体パウダーとに大別される。すなわち、連続鋳造開始時には、所定量のフロントパウダーを鋳型内に供給した後、フロントパウダーを本体パウダーに切り替える。フロントパウダー及び本体パウダーのいずれも上述した機能を有する。なお、連続鋳造開始時（すなわち、鋳型内に溶鋼が存在しない時）には、概略以下の処理が行われる。すなわち、鋳型の出口をダミーバーで塞ぐとともに、ノズルを鋳型内に差し込む。ついで、ノズルの噴出口から溶融金属を排出することで、鋳型内に溶融金属を供給する。これにより、鋳造開始初期鋳片（いわゆるボトム鋳片）が作製される。溶鋼によってノズルの噴出口が隠れた後、鋳型の上方から鋳型内にフロントパウダーを供給する。

ここで、鋳造開始初期の引き抜き速度は遅く、また、ボトム鋳片の作製時には鋳型が十分に温まっていないので、溶鋼湯面が凝固しやすい。溶鋼湯面の凝固物はディッケルとも称される。このため、フロントパウダーには、発熱剤が添加される場合がある。これにより、フロントパウダーに発熱性が付与される。発熱性を有するフロントパウダーが鋳型内に供給されると、フロントパウダーが発熱する。そして、フロントパウダーによって上述した溶鋼湯面が加熱されるので、溶鋼湯面の凝固等が抑制される。また、フロントパウダーの発熱によってフロントパウダー自体の溶融も促進される。

また、連続鋳造開始時には、凝固シェルと鋳型との間の潤滑不良が生じやすい。フロントパウダーを鋳型内に供給する前は、凝固シェルと鋳型とが直接接触しているからである。このため、フロントパウダーには、すみやかに溶融し、凝固シェルと鋳型との間に入り込むことが要求される。その一方で、フロントパウダーが速く溶けすぎると、本体パウダーの供給前に溶鋼湯面上から未溶融のフロントパウダーが消失してしまう。この場合、溶融スラグが露出するので、溶鋼湯面の熱が放熱されることで過剰に冷却される。この結果、溶鋼湯面の凝固等が生じうる。したがって、フロントパウダーの溶融速度には適正範囲が存在することになる。適正範囲の具体的な範囲は様々な要因（例えばフロントパウダーに求められる仕様等）に応じて変わりうるが、いずれにしても、フロントパウダーの溶融速度を適正範囲に調整することは極めて重要である。

特許文献１には、フロントパウダーの凝固温度、溶融温度、粘度、溶融速度を適正範囲内の値とする技術が開示されている。また、特許文献１には、フロントパウダーの溶融速度を適正範囲内の値とするための指針として、Ｃａ−Ｓｉ合金及び酸化鉄の含有量を所定範囲内の値とすることが開示されている。ここで、Ｃａ−Ｓｉ合金は発熱剤の一例であり、酸化鉄は発熱助剤の一例である。発熱助剤は、発熱剤を酸化促進する材料である。したがって、特許文献１では、発熱剤及び発熱助剤の含有量を調整することで、フロントパウダーの溶融速度を調整する。

特許文献２には、溶融速度調整剤をモールドパウダーに投入することで、モールドパウダーの溶融速度を調整する技術が開示されている。具体的には、特許文献２には、溶融速度調整剤を構成する各成分の質量％とモールドパウダーの溶融速度との対応関係を示す数式が開示されている。そして、特許文献２では、モールドパウダーの溶融速度が適正範囲内の値となるように、上記各成分の質量％を調整する。

特開平１０−５９５３号公報 特開２００３−５３４９７号公報

さらに、近年では、フロントパウダーの溶融速度を特定の目標溶融速度に調整したいという要求が強くなってきている。この点、確かに特許文献１には、フロントパウダーの溶融速度を適正範囲内の値とするための指針として、Ｃａ−Ｓｉ合金及び酸化鉄の含有量を所定範囲内の値とすることが開示されている。したがって、Ｃａ−Ｓｉ合金及び酸化鉄の含有量を所定範囲内の値とすることで、フロントパウダーの溶融速度が適正範囲内のいずれかの値になることが期待できる。しかし、特許文献１には、フロントパウダーの溶融速度を特定の目標溶融速度とするための指針は何ら開示されておらず、示唆もされていない。したがって、特許文献１に開示された技術では、フロントパウダーの溶融速度を特定の目標溶融速度に調整することはできなかった。

一方、特許文献２には、溶融速度調整剤を構成する各成分の質量％とモールドパウダーの溶融速度との対応関係を示す数式が開示されている。したがって、特許文献２に開示された技術によれば、ＳｉＣ粉末等の質量％を適切に調整することで、モールドパウダーの溶融速度が特定の目標溶融速度になることが期待できる。そして、特許文献２に開示された技術をフロントパウダーに適用すれば、フロントパウダーについても同様の効果が期待できる。ただし、仮に特許文献２に開示された技術をフロントパウダーに適用した場合、フロントパウダーに別途溶融速度調整剤を添加する必要が生じる。このため、フロントパウダーの製造コストが増大するという別の問題が生じてしまう。したがって、特許文献２に開示された技術では、上述した問題を根本的に解決することができなかった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、フロントパウダーの溶融速度を低コストで特定の目標溶融速度に調整することが可能な、新規かつ改良されたフロントパウダーの設計方法、フロントパウダーの製造方法、及びフロントパウダーを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、発熱剤及び発熱剤を酸化させる発熱助剤を含むフロントパウダーの設計方法であって、発熱剤及び発熱助剤の質量比である発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形となる時の発熱剤／発熱助剤比の範囲を線形領域として特定する工程と、フロントパウダーの目標溶融速度に対応する発熱剤／発熱助剤比を目標質量比として線形領域から抽出する工程と、フロントパウダーの発熱剤／発熱助剤比を目標質量比に決定する工程と、を含み、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係を示す点グラフにおいて、以下の条件（１）、（２）が共に満たされる場合に、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形であるとすることを特徴とする、フロントパウダーの設計方法が提供される。
（１）３つ以上の点Ｐ１の近似直線と各点Ｐ１とのフロントパウダーの溶融速度の軸方向の距離は、±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となる。点Ｐ１は発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係を示す。
（２）点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。

ここで、発熱剤の含有量を１２質量％以上としてもよい。

また、フロントパウダーの目標溶融速度は、２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値であってもよい。

また、目標質量比は、１．０〜１．３のいずれかの値であってもよい。

また、発熱剤は、Ｃａ−Ｓｉ合金及び金属Ｓｉからなる群から選択されるいずれか１種以上の材料を含んでいてもよい。

また、発熱助剤は、酸化鉄を含んでいてもよい。

本発明の他の観点によれば、上記のフロントパウダーの設計方法で決定された発熱剤／発熱助剤比を有するフロントパウダーを製造することを特徴とする、フロントパウダーの製造方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、フロントパウダーの目標溶融速度に対応する発熱剤／発熱助剤比を線形領域から抽出する。ここで、線形領域では、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形となっている。したがって、目標溶融速度に対応する発熱剤／発熱助剤比を線形領域内で一意に特定することができる。そして、本発明によれば、この発熱剤／発熱助剤比をフロントパウダーの発熱剤／発熱助剤比とする。したがって、フロントパウダーの溶融速度を特定の目標溶融速度に調整することができる。さらに、本発明によれば、溶融速度調整剤に頼らずとも、フロントパウダーの溶融速度を目標溶融速度に調整することができる。したがって、本発明によれば、フロントパウダーの溶融速度を低コストで特定の目標溶融速度に調整することが可能となる。

発熱剤の質量％が１２質量％となる時のフロントパウダーの溶融速度と発熱剤／発熱助剤比との対応関係を示す点グラフである。 発熱剤の質量％が１３質量％となる時のフロントパウダーの溶融速度と発熱剤／発熱助剤比との対応関係を示す点グラフである。 発熱剤の質量％が１６質量％となる時のフロントパウダーの溶融速度と発熱剤／発熱助剤比との対応関係を示す点グラフである。 発熱剤の質量％が２０質量％となる時のフロントパウダーの溶融速度と発熱剤／発熱助剤比との対応関係を示す点グラフである。 発熱剤の質量％が１１質量％となる時のフロントパウダーの溶融速度と発熱剤／発熱助剤比との対応関係を示す点グラフである。 フロントパウダーの溶融速度を測定するための試験装置の概略構成を示す側断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．本発明者による検討＞
本発明者は、フロントパウダーの溶融速度を低コストで特定の目標溶融速度に調整することが可能な技術を鋭意検討し、この結果、本実施形態に係るフロントパウダーの設計方法等に想到した。そこで、まず、本発明者による検討について説明する。

本発明者は、まず、フロントパウダーの成分として、上述した発熱剤及び発熱助剤に着目した。発熱剤は、発熱助剤によって酸化されることで発熱する材料である。発熱剤は、例えばＣａ−Ｓｉ合金、金属Ｓｉ等である。発熱助剤は、例えば酸化鉄等である。酸化鉄は、例えばＦｅ_２Ｏ_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４及びこれらの混合物等である。

そして、本発明者は、発熱剤としてＣａ−Ｓｉ合金、発熱助剤として酸化鉄を使用し、以下の実験を行った。すなわち、本発明者は、発熱剤の質量％（フロントパウダーの総質量に対する質量％）を１２質量％で固定し、かつ、発熱助剤の含有量を変更することで、発熱剤／発熱助剤比が異なる複数種類のフロントパウダーを作製した。ここで、発熱剤／発熱助剤比は、発熱剤及び発熱助剤の質量比（より詳細には、発熱剤の質量を発熱助剤の質量で除算した値）である。各フロントパウダーの組成を表１に示す。表１において、「Ｔ．Ｃ」は全カーボン量を示し、Ｃ／ＳはＣａＯとＳｉＯ_２との質量比である。また、フロントパウダー化学成分及び発熱助剤の質量％はフロントパウダーの総質量に対する質量％である。

ついで、以下の工程により各フロントパウダーの溶融速度を測定した。まず、図６に示す電気炉１００を準備した。この電気炉１００は、底部１０と、底部１０の上部を覆う断熱板２０と、断熱板２０に形成された貫通孔２０ａとを備える。貫通孔２０ａには、坩堝３０が挿入される。坩堝３０は、貫通孔２０ａ内で保持される。底部１０には、凹部１０ａが形成されており、凹部１０ａの側面には、複数の発熱体１０ｂが形成されている。電気炉１００では、複数の発熱体１０ｂが発熱することで、坩堝３０を下方から一方向加熱することができる。断熱板２０は、底部１０からの放熱を抑制する。したがって、発熱体１０ｂから発生した熱は底部１０から坩堝３０に伝熱される。

この電気炉１００を用いた溶融速度の測定方法は以下の通りである。まず、断熱材２０で底部１０の凹部１０ａを覆った。ここで、断熱材２０の貫通孔２０ａは凹部１０ａの上方に配置した。ついで、発熱体１０ｂを発熱させることで、凹部１０ａの内部温度を１７５０℃程度まで加熱した。ついで、坩堝３０を貫通孔２０ａ内に挿入し、貫通孔２０ａ内で保持した。この状態で所定の温度安定時間待機した。

ついで、坩堝３０内に上記で作製したフロントパウダー２００を５ｇ投入した。そして、フロントパウダー２００の投入が完了してからフロントパウダーが完全に溶融するまでの時間を計測した。ここで、フロントパウダー２００の溶融は目視で確認した。そして、計測した時間をフロントパウダーの溶融速度とした。このように、本実施形態では、フロントパウダーの溶融速度は、５ｇのフロントパウダーが１７５０℃の加熱温度下で完全溶融するのに要する時間として定義される。なお、実際の連続鋳造工程では、溶鋼湯面の温度が１５００℃程度となる。しかし、本測定条件ではフロントパウダーを投入した際の坩堝の温度低下を見越し、ここでは、加熱温度を１７５０℃とした。

そして、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係を示す点グラフを作製した。点グラフを図１に示す。図１の横軸（ｘ軸）は発熱剤／発熱助剤比（すなわち、Ｃａ−Ｓｉ／酸化鉄比）を示し、縦軸（ｙ軸）は溶融速度（ｓｅｃ）を示す。また、点Ｐ１は、発熱剤／発熱助剤比と溶融速度との対応関係を示す。

この結果、発熱剤／発熱助剤比が０．８〜１．３となる場合に、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形になることがわかった。ここで、「線形」とは、以下の条件（１）、（２）が共に満たされることを意味する。
（１）３つ以上の点Ｐ１の近似直線と各点Ｐ１とのｙ軸方向の距離は、±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となる。ここで、近似曲線と点Ｐ１とのｙ軸方向の距離は以下の方法で求められる。すなわち、点Ｐ１を通り、かつ、ｘ軸に垂直な直線を引く。そして、この直線と近似直線との交点を求める。そして、点Ｐ１のｙ座標値から交点のｙ座標値を減算する。これにより、近似曲線と点Ｐ１とのｙ軸方向の距離を求める。したがって、本実施形態では、当該距離は正の値となる場合もあるし、負の値となる場合もある。
（２）点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。傾きは、好ましくは１２〜２６となる。

図１の直線Ｌ１は近似直線の一例を示す。近似直線はどのような方法で求めても良いが、ここでは、最小二乗法によって求めた。そして、図１では、発熱剤／発熱助剤比が０．８〜１．３となる場合に、条件（１）、（２）が満たされる。具体的には、発熱剤／発熱助剤比が０．８〜１．３となる場合に、近似直線と各Ｐ１とのｙ軸方向の距離が±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となり、点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。

したがって、発熱剤／発熱助剤比が０．８〜１．３となる場合に、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形になる。以下、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形になる時の発熱剤／発熱助剤比の範囲を「線形領域」とも称する。図１の場合、線形領域の範囲は０．８〜１．３となる。この線形領域では、近似直線上の点がフロントパウダーの溶融速度に対する発熱剤／発熱助剤比を示す。したがって、線形領域内の近似直線を用いることで、線形領域内でフロントパウダーの溶融速度に対する発熱剤／発熱助剤比を一意に特定することができる。以下、線形領域内の近似直線を「溶融速度対応直線」とも称する。

次に、本発明者は、発熱剤の質量％を１３質量％で固定し、上記と同様の試験を行った。この時使用したフロントパウダーの組成を表２に示す。

さらに、発熱剤／発熱助剤比と溶融速度との対応関係を示す点グラフを図２に示す。横軸、縦軸、点Ｐ１の意味は図１と同じである。直線Ｌ２は上述した近似直線の一例である。図２から明らかな通り、発熱剤／発熱助剤比が０．８〜１．８となる場合に、条件（１）、（２）が満たされる。具体的には、発熱剤／発熱助剤比が０．８〜１．８となる場合に、近似直線と各Ｐ１とのｙ軸方向の距離が±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となり、点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。したがって、発熱剤の質量％が１３質量％となる場合にも線形領域が形成され、線形領域の範囲は０．８〜１．８となる。また、直線Ｌ２は溶融速度対応直線となる。

次に、本発明者は、発熱剤の質量％を１６質量％で固定し、上記と同様の試験を行った。この時使用したフロントパウダーの組成を表３に示す。

さらに、発熱剤／発熱助剤比と溶融速度との対応関係を示す点グラフを図３に示す。横軸、縦軸、点Ｐ１の意味は図１と同じである。直線Ｌ３は上述した近似直線の一例である。図３から明らかな通り、発熱剤／発熱助剤比が０．６〜１．８となる場合に、条件（１）、（２）が満たされる。具体的には、発熱剤／発熱助剤比が０．６〜１．８となる場合に、近似直線と各Ｐ１とのｙ軸方向の距離が±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となり、点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。したがって、発熱剤の質量％が１６質量％となる場合にも線形領域が形成され、線形領域の範囲は０．６〜１．８となる。また、直線Ｌ３は溶融速度対応直線となる。

次に、本発明者は、発熱剤の質量％を２０質量％で固定し、上記と同様の試験を行った。この時使用したフロントパウダーの組成を表４に示す。

さらに、発熱剤／発熱助剤比と溶融速度との対応関係を示す点グラフを図４に示す。横軸、縦軸、点Ｐ１の意味は図１と同じである。直線Ｌ４は上述した近似直線の一例である。図４から明らかな通り、発熱剤／発熱助剤比が１．０〜２．０となる場合に、条件（１）、（２）が満たされる。具体的には、発熱剤／発熱助剤比が１．０〜２．０となる場合に、近似直線と各Ｐ１とのｙ軸方向の距離が±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となり、点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。したがって、発熱剤の質量％が２０質量％となる場合にも線形領域が形成され、線形領域の範囲は１．０〜２．０となる。また、直線Ｌ４は溶融速度対応直線となる。

次に、本発明者は、発熱剤の質量％を１１質量％で固定し、上記と同様の試験を行った。この時使用したフロントパウダーの組成を表５に示す。

さらに、発熱剤／発熱助剤比と溶融速度との対応関係を示す点グラフを図５に示す。横軸、縦軸、点Ｐ１の意味は図１と同じである。直線Ｌ５は上述した近似直線の一例である。図５から明らかな通り、発熱剤の質量％が１１質量％となる場合、線形領域は形成されない。なお、発熱剤／発熱助剤比が１．０〜２．３となる場合、条件（１）は満たされる。しかし、近似直線の傾きが１０未満となるので、条件（２）が満たされない。

このように、本発明者は、発熱剤の質量％が１２質量％以上となる場合に線形領域が形成されることを見出した。さらに、線形領域の範囲及び溶融速度対応直線の形状は発熱剤の質量％によって変動することもわかった。特に、線形領域の範囲（言い換えれば、溶融速度対応直線の長さ）は、発熱剤の質量％が１３質量％以上となる場合に長くなる。

そして、この線形領域では、溶融速度対応直線上の点がフロントパウダーの溶融速度に対する発熱剤／発熱助剤比を示す。したがって、線形領域では、フロントパウダーの溶融速度に対する発熱剤／発熱助剤比が一意に特定できることもわかった。本発明者は、このような知見に基づいて、本実施形態に係るフロントパウダーの設計方法、フロントパウダーの製造方法、及びフロントパウダーに想到した。以下、本実施形態について説明する。

＜２．フロントパウダーの設計方法＞
（２−１．第１の工程）
次に、本実施形態に係るフロントパウダーの設計方法について説明する。本設計方法によれば、フロントパウダーの目標溶融速度に対する発熱剤／発熱助剤比を線形領域内で一意に特定することができる。

第１の工程では、フロントパウダーに使用する発熱剤、具体的には発熱剤及び発熱助剤を特定する。ここで、発熱剤は、発熱助剤によって酸化される材料である。発熱剤は、フロントパウダーの発熱剤として使用される材料であればどのような材料であっても使用可能である。発熱剤の好ましい例はＣａ−Ｓｉ合金、金属Ｓｉである。この理由は以下の通りである。すなわち、Ｃａ−Ｓｉ合金はフロントパウダーの主成分であるＣａＯ、ＳｉＯ_２と同じ元素で構成される合金である。このため、フロントパウダーにＣａ−Ｓｉ合金を含めても、Ｃａ−Ｓｉ合金はフロントパウダーの特性に大きな影響を与えない。金属Ｓｉについても同様である。

発熱助剤は、発熱剤を酸化させることで、発熱剤の発熱を促す材料である。発熱助剤は、例えば酸化鉄等である。酸化鉄は、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４及びこれらの混合物等である。もちろん、発熱助剤はこれらの例に限定されない。すなわち、本実施形態では、フロントパウダーの発熱助剤として使用される材料であればどのような材料であっても使用可能である。

（２−２．第２の工程）
ついで、特定された発熱剤及び発熱助剤に対応する線形領域を特定する。さらに、線形領域内の近似直線、すなわち溶融速度対応直線を作製する。具体的な処理内容は上記１．で説明した通りである。概略的には、以下の通りである。すなわち、発熱剤の質量％を１２質量％以上のいずれかの値に固定し、かつ、発熱助剤の含有量を変更することで、発熱剤／発熱助剤比が異なる複数種類のフロントパウダーを作製する。

ついで、各フロントパウダーの溶融速度を測定する。具体的な測定方法は上述した通りである。ついで、発熱剤／発熱助剤比とフロントパウダーの溶融速度との対応関係を示す点グラフを作製する。そして、この点グラフに基づいて、線形領域を特定する。具体的には、上述した条件（１）、（２）を満たす発熱剤／発熱助剤比の範囲を特定し、この範囲を線形領域とする。さらに、線形領域を特定する際に算出した近似直線を溶融速度対応直線とする。以上の工程により、線形領域の特定及び溶融速度対応直線の作製を行う。

ここで、線形領域の範囲及び溶融速度対応直線の形状は発熱剤の質量％によって変動する。特に、線形領域の範囲（言い換えれば、溶融速度対応直線の長さ）は、発熱剤の質量％が１３質量％以上となる場合に広くなる。さらに、後述するように、フロントパウダーの目標溶融速度は２０〜２５ｓｅｃとされる場合が多い。そして、発熱剤の質量％が１３質量％以上となる場合、溶融速度対応直線は、２０〜２５ｓｅｃに対応する点を含む。このため、目標溶融速度が２０〜２５ｓｅｃとなる場合、目標溶融速度に対応する発熱剤／発熱助剤比を一意に特定することができる。このため、発熱剤の質量％は１３質量％以上であることが好ましい。

また、発熱剤の質量％の上限値は特に制限されないが、２０質量％であることが好ましい。発熱剤の質量％が２０質量％を超えると、フロントパウダーに占める発熱剤の質量％が非常に大きくなる場合がある。例えば、発熱剤／発熱助剤比の値によってはフロントパウダーの総質量の半分近くが発熱剤及び発熱助剤で占められる場合がある。この場合、フロントパウダーとしての機能を実現させるための他の成分（後述するＳｉＯ_２等）の調整が難しくなる場合がある。したがって、発熱剤の質量％の上限値は２０質量％であることが好ましい。

また、線形領域の範囲及び溶融速度対応直線の形状は発熱剤及び発熱助剤の組み合わせ毎に異なる可能性があるので、発熱剤及び発熱助剤の組み合わせ毎に第２の工程を行うことが好ましい。また、一旦第２の工程を行った後は、発熱剤及び発熱助剤の組み合わせが変更されない限り、第２の工程の結果を使いまわすことができる。また、フロントパウダーに溶けにくい材料をフロントパウダーに含める場合がある。この場合、これらの材料の種類、フロントパウダーへの投入量によって線形領域の範囲及び溶融速度対応直線の形状が異なる可能性がある。このため、当該材料の種類及びフロントパウダーへの投入量毎に第２の工程を行うことが好ましい。

（２−３．第３の工程）
第３の工程では、フロントパウダーの目標溶融速度に対応する発熱剤／発熱助剤比を目標質量比として線形領域から抽出する。具体的には、溶融速度対応直線から目標溶融速度に対応する点を抽出し、この点が示す発熱剤／発熱助剤比を目標質量比とする。

ここで、フロントパウダーの目標溶融速度は、フロントパウダーに求められる仕様等に応じて変動するが、２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値とされる場合が多い。フロントパウダーの溶融速度が２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値となる場合、連続鋳造を安定して行うことができ、かつ、溶鋼湯面の露出が抑制されることが多い。

また、目標質量比は、発熱剤の質量％及び目標溶融速度に応じて異なる。例えば、発熱剤の質量％が１３〜２０質量％のいずれかの値となり、かつ、目標溶融速度が２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値となる場合、直線Ｌ２〜Ｌ４によれば、目標質量比は１．０〜１．３のいずれかの値となる。言い換えれば、発熱剤の質量％を１３〜２０質量％のいずれかの値とし、かつ、目標質量比を１．０〜１．３のいずれかの値とすれば、フロントパウダーの溶融速度は２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値に一意に定まる。なお、特許文献１では、発熱剤／発熱助剤比が１．６７質量％以下となっている。特許文献２では、発熱剤の質量％が５質量％以下となっている。したがって、引用文献１に記載された発熱剤／発熱助剤比及び引用文献２に記載された発熱剤の質量％は、いずれもフロントパウダーの溶融速度を２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値とするために必要な値と異なっている。

また、上述したように、溶融速度対応直線の形状は発熱剤の質量％によって異なる。このため、溶融速度対応直線から目標溶融速度に対応する点を抽出できない場合がある。例えば、発熱剤の質量％を１２質量％とした場合、溶融速度対応直線は、２０〜２５ｓｅｃに対応する点を含まない。このため、目標溶融速度が２０〜２５ｓｅｃとなる場合、目標溶融速度に対応する発熱剤／発熱助剤比を特定することができない。この場合、発熱剤の質量％を変更して第２の工程を再度行う。そして、新たに作製された溶融速度対応直線から目標溶融速度に対応する点を抽出すれば良い。

（２−４．第４の工程）
第４の工程では、フロントパウダーの発熱剤／発熱助剤比を目標質量比に決定する。以上の工程により、フロントパウダーの溶融速度を目標溶融速度にするために必要なパラメータ（本実施形態では発熱剤／発熱助剤比）が決定される。したがって、本実施形態では、溶融速度調整剤に頼らずとも、フロントパウダーの溶融速度を目標溶融速度に調整することができる。また、従来では、フロントパウダーの溶融速度が目標溶融速度と異なる場合、フロントパウダーを連続鋳造で使用しながら（あるいは何らかの溶融試験を行いながら）フロントパウダーの成分を手探りで調整していた。この方法では、フロントパウダーの溶融速度を調整するのに多大な手間とコストが掛かってしまう。この点、本実施形態では、フロントパウダーの設計段階でフロントパウダーの溶融速度を目標溶融速度に調整することができる。したがって、本実施形態によれば、フロントパウダーの溶融速度を低コストで特定の目標溶融速度に調整することができる。

（２−５．第５の工程）
第５の工程では、発熱剤／発熱助剤比以外のパラメータを決定する。まず、発熱助剤の質量％を、発熱剤の質量％及び発熱剤／発熱助剤比に基づいて決定する。次に、フロントパウダーの他の成分の種類及び質量％を決定する。フロントパウダーに含有させる成分の種類は特に制限されず、従来のフロントパウダーに含有可能な成分であればよい。

本実施形態に係るフロントパウダーに含有可能な成分及び質量％は、例えば以下の通りである。
Ｔ．Ｃ：０≦Ｔ．Ｃ≦５
ＳｉＯ_２：２０≦ＳｉＯ_２≦５０
Ａｌ_２Ｏ_３：０≦Ａｌ_２Ｏ_３≦１５
Ｆｅ_２Ｏ_３：５≦Ｆｅ_２Ｏ_３≦２５
なお、ここでのＦｅ_２Ｏ_３は、上述した発熱剤にはカウントされない。
ＣａＯ：２０≦ＣａＯ≦５０
Ｎａ_２Ｏ：０≦Ｎａ２Ｏ≦１５
Ｆ：０≦Ｆ≦１５
ＭｇＯ：０≦ＭｇＯ≦１５
ＣａＯ／ＳｉＯ_２：０．３≦Ｃ／Ｓ≦２．０
Ｌｉ_２Ｏ：０≦Ｌｉ２Ｏ≦１５
以上の工程により、フロントパウダーを設計する。

＜３．フロントパウダーの製造方法＞
本実施形態では、上述した設計方法で設計された内容に従ってフロントパウダーを製造する。これにより、目標溶融速度で溶融するフロントパウダーを製造することができる。

＜４．フロントパウダー＞
本実施形態に係るフロントパウダーは、上述した製造方法によって製造されたフロントパウダーである。このフロントパウダーは、目標溶融速度で溶融する。例えば、目標溶融速度が２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値となり、かつ、発熱剤の質量％が１３質量％以上となる場合、発熱剤／発熱助剤比は１．０〜１．３のいずれかの値となる。なお、フロントパウダーは、例えば、各種溶鋼（例えば、極低炭素鋼、低炭素鋼、中炭素鋼、及び高炭素鋼等）の連続鋳造に適用可能であるが、他の種類の溶融金属の連続鋳造に適用してもよいことはもちろんである。

次に、本実施形態によって設計されたフロントパウダーが連続鋳造において設計通りに溶融することを確認するために、以下の実施例を行った。具体的には、発熱剤としてＣａ−Ｓｉ合金を用意し、発熱助剤としてＦｅ_２Ｏ_３を用意した。そして、発熱剤の質量％を１３質量％に固定し、かつ、発熱助剤の含有量を変更することで、発熱剤／発熱助剤比が１．５１、１．２３、１．１２、１．００、０．８０となる複数種類のフロントパウダーを作製した。ここで、発熱剤／発熱助剤比が１．２３、１．１２、１．００となる場合、上述した近似直線Ｌ２によれば、フロントパウダーの溶融速度は、それぞれ２５、２３、２０ｓｅｃとなる。一方、発熱剤／発熱助剤比が１．５１となる場合、上述した近似直線Ｌ２によれば、フロントパウダーの溶融速度は２５ｓｅｃより大きくなる。また、発熱剤／発熱助剤比が０．８０となる場合、上述した近似直線Ｌ２によれば、フロントパウダーの溶融速度は２０ｓｅｃ未満となる。

つぎに、上述したフロントパウダーを用いて極低炭素鋼の連続鋳造を行った。そして、フロントパウダーが２０〜２５ｓｅｃの溶融速度で溶解することを前提として、フロントパウダーの投入量を決定した。そして、決定した投入量のモールドパウダーを鋳型の上方から投入した。この結果、発熱剤／発熱助剤比が１．２３、１．１２、１．００となる場合、フロントパウダーはスムーズに溶融し、十分な量のスラグが鋳型とボトム鋳片との間に入り込んだ。また、スラグの液面が予め設定されたレベルまで下がったことを確認した後に本体パウダーを鋳型の上方から投入したが、スラグの液面が予め設定されたレベルまで下がってから本体パウダーを投入するまでに溶鋼湯面が露出することはなかった。この結果、連続鋳造を安定して行うことができた。具体的には、二重肌等の不具合がボトム鋳片に発生することがなかった。また、操業中にディッケルの生成もなかった。したがって、発熱剤／発熱助剤比が１．２３、１．１２、１．００となる場合、フロントパウダーは上述した溶融速度で溶融したことになる。一方、発熱剤／発熱助剤比が１．５１となる場合、フロントパウダーの溶融速度が遅かった。このため、十分な量のスラグが鋳型とボトム鋳片との間に入り込むことができなかった。このため、ボトム鋳片に二重肌が形成された。また、発熱剤／発熱助剤比が０．８０となる場合、フロントパウダーの溶融速度が速すぎて、本体パウダーを投入する前に溶鋼湯面が露出し溶鋼湯面にディッケルの生成が確認された。

したがって、本実施形態によって設計されたフロントパウダーが連続鋳造において設計通りに（すなわち、目標溶融速度で）溶融することがわかった。なお、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼の連続鋳造においても同様の効果が得られた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 底部
２０ 断熱板
２０ａ 凹部
３０ 坩堝
１００ 電気炉装置
２００ モールドパウダー

Claims (7)

1. 発熱剤及び前記発熱剤を酸化させる発熱助剤を含むフロントパウダーの設計方法であって、
   前記発熱剤及び前記発熱助剤の質量比である発熱剤／発熱助剤比と前記フロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形となる時の前記発熱剤／発熱助剤比の範囲を線形領域として特定する工程と、
   前記フロントパウダーの目標溶融速度に対応する前記発熱剤／発熱助剤比を目標質量比として前記線形領域から抽出する工程と、
   前記フロントパウダーの前記発熱剤／発熱助剤比を前記目標質量比に決定する工程と、を含み、
   前記発熱剤／発熱助剤比と前記フロントパウダーの溶融速度との対応関係を示す点グラフにおいて、以下の条件（１）、（２）が共に満たされる場合に、前記発熱剤／発熱助剤比と前記フロントパウダーの溶融速度との対応関係が線形であるとすることを特徴とする、フロントパウダーの設計方法。
   （１）３つ以上の点Ｐ１の近似直線と各点Ｐ１との前記フロントパウダーの溶融速度の軸方向の距離は、±１（ｓｅｃ）の範囲内の値となる。点Ｐ１は前記発熱剤／発熱助剤比と前記フロントパウダーの溶融速度との対応関係を示す。
   （２）点Ｐ１の近似直線の傾きが１０〜３０となる。
2. 前記発熱剤の含有量を１２質量％以上とすることを特徴とする、請求項１記載のフロントパウダーの設計方法。
3. 前記フロントパウダーの目標溶融速度は、２０〜２５ｓｅｃのいずれかの値であることを特徴とする、請求項１または２記載のフロントパウダーの設計方法。
4. 前記目標質量比は、１．０〜１．３のいずれかの値であることを特徴とする、請求項３記載のフロントパウダーの設計方法。
5. 前記発熱剤は、Ｃａ−Ｓｉ合金及び金属Ｓｉからなる群から選択されるいずれか１種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のフロントパウダーの設計方法。
6. 前記発熱助剤は、酸化鉄を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフロントパウダーの設計方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のフロントパウダーの設計方法で決定された前記発熱剤／発熱助剤比を有するフロントパウダーを製造することを特徴とする、フロントパウダーの製造方法。

Images