JP7269480B2 - 連続鋳造方法 - Google Patents
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Description
このため、鋼材を溶製する際の製造工程においては、介在物の生成抑制や浮上除去が行われている。この製造工程の一つである連続鋳造工程では、溶湯(溶鋼)を取鍋(溶鋼鍋)からタンディッシュへ注入し、更にタンディッシュ内の溶湯を鋳型に注入することによって、鋳片を製造しているが、このタンディッシュにおいても介在物の生成抑制や浮上除去を行う技術が検討されている。
また、特許文献2には、出鋼工程と真空脱ガス工程の間で炭素成分を溶鋼に添加し真空脱ガス処理を行った後、最終のAl脱酸を行い、その後、タンディッシュに注湯する高清浄鋼の製造方法が記載されている。このタンディッシュは、受湯部と排湯部に区切られ、かつ、溶鋼流路の受湯部側の開口部の受湯部の底面からの高さ位置を、受湯部側の溶鋼深さの0.2倍以下としている。
そして、特許文献3には、タンディッシュ内に、溶鋼を通すための貫通孔(湯道)を有する堰を設け、この貫通孔に、貫通孔を通過する溶鋼を加熱するための加熱手段(例えば、誘導加熱手段)を設けることが記載されている。この加熱手段で貫通孔を通過する溶鋼を加熱することにより、貫通孔を通過した後の溶鋼は、その周囲の溶鋼よりも高温状態となるため強い浮力が働く。これにより、タンディッシュ内の溶鋼湯面に向かう溶鋼の流れが形成されるため、介在物の浮上分離が可能となる(例えば、段落[0018])。
前記タンディッシュは、該タンディッシュ内を受湯室と出湯室とに区分し、かつ、前記受湯室から前記出湯室へ向けて溶湯が流れる1本以上4本以下の湯道を下部に備えた堰を有し、前記湯道はその断面形状を円形に換算して直径を100mm以上300mm以下の範囲に設定し、
前記湯道を前記受湯室側から前記出湯室側へかけて下方に向けて傾斜させ、かつ、{前記湯道の前記受湯室側端面と前記出湯室側端面の各中心位置の高低差(mm)}/{前記湯道の水平方向の長さ(mm)}で定義される前記湯道の傾きを0.5×10-2以上9.5×10-2以下の範囲とし、
前記タンディッシュを平面視して、前記取鍋から前記受湯室に溶湯を注入するためのロングノズルの中心位置と、前記湯道の前記受湯室側端面と前記出湯室側端面の各中心位置を通る湯道中心軸仮想線との最短距離を、前記ロングノズルの外径の2倍以上にし、
塩基度=(質量%CaO)/{(質量%SiO 2 )+(質量%Al 2 O 3 )}が1.0以上4.0以下、かつ、CaO量、SiO 2 量、及び、Al 2 O 3 量の合計量に対するAl 2 O 3 量が10質量%以上であるフラックスを、前記受湯室の溶湯表面に配置し、該フラックスの厚みを5mm以上50mm以下にする。
更に、タンディッシュを平面視して、取鍋から受湯室に溶湯を注入するためのロングノズルの中心位置と、湯道中心軸仮想線との最短距離を、ロングノズルの外径の2倍以上にするので、ロングノズルからのボイリングや取鍋交換時のロングノズルの上下動によって、フラックスが受湯室の溶湯に混入した際に、混入したフラックスが直接湯道に供給されることを抑制して、溶湯から浮上することを促進でき、出湯室へのフラックスの流出を抑制できる。
これにより、従来と比較して溶湯の更なる高清浄化が図れる。
まず、本発明の連続鋳造方法に想到した経緯について説明する。
湯道を流通する溶湯について、前記した特許文献3には、湯道で加熱された溶湯は、湯道出口からの噴出後、タンディッシュの出湯室内の上部(溶湯表面)に向かう流れとなるため、介在物の浮上除去が促されることが記載されている。
(1)誘導加熱を適用する前提では、その配置の都合上、湯道は4本以下となる場合が多い。また、湯道は、加熱装置の都合により、その流路(開口部)の断面形状を円形に換算して直径が300mm以下となる場合が多い。
(2)この程度の直径を有する4本以下の湯道に、鋳造する溶湯を流通させる場合、湯道の出口からタンディッシュの出湯室に噴出された溶湯流(溶湯の流れ)は、直進性が高いことが判明した。更に、湯道の長さが長い場合(例えば、800mm以上、更には1000mm以上(近年は加熱装置の鉄心のコンパクト化が図られているため、鉄心の大きさを考慮すれば2000mm以下程度)の場合)は、この傾向が強いものと考えられた。
(4)更に、湯道内で溶湯を加熱する場合は、加熱の程度に応じて上向きに分岐する流れも発生する。
そして、本発明者らは、湯道の出口から噴出された溶湯流(タンディッシュ内壁に衝突した後の溶湯流を含む)について、介在物の浮上効果はあるものの、上向きの流れが出湯室湯面の撹拌の原因にもなり得ることを知見した。
更に、受湯室の溶湯には、湯道の入口に向かう溶湯流が発生するが、湯道の入口近傍では溶湯に渦様の流れ等による撹拌が発生する場合があり、受湯室湯面上のフラックスを巻き込む場合があることも判明した。
まず、本発明の一実施の形態に係る連続鋳造方法を適用する連続鋳造設備10について説明する。
図1に示すように、連続鋳造設備10は、取鍋11と、取鍋11からロングノズル12を介して溶湯が注入されるタンディッシュ13と、タンディッシュ13から浸漬ノズル14を介して溶湯が注入される鋳型(図示しない)とを有する設備である。
タンディッシュ13には、タンディッシュ13内を受湯室15と出湯室16とに区分し、かつ、受湯室15から出湯室16へ向けて溶湯が流れる1本以上4本以下(本実施の形態では2本)の湯道17を下部に備えた堰18が設けられ、湯道17はその断面形状を円形に換算して直径が100mm以上300mm以下の範囲に設定されている。
湯道17は受湯室15側から出湯室16側へかけて下方に向けて傾斜し、かつ、{湯道17の受湯室15側端面と出湯室16側端面の各中心位置C1、C2の高低差(mm)}/{湯道17の水平方向の長さ(mm)}で定義される湯道17の傾きが0.5×10-2以上9.5×10-2以下の範囲に設定されている。
本実施の形態に係る連続鋳造方法は、上記した連続鋳造設備10を用いて、溶湯を取鍋11からタンディッシュ13を介して鋳型へ注入し鋳片を製造(鋳造)する方法である。
以下、詳しく説明する。
しかし、傾斜の程度によっては、前記したように、湯道17の入口近傍で溶湯に渦様の流れ等による撹拌が発生する場合があり、受湯室15湯面上のフラックスの巻き込みが発生し得るため、湯道の傾斜を適切に設定する必要がある。
このため、湯道17出側から出湯室16に噴出される溶湯流(一般的な鋳造速度、鋳造サイズ、湯道内径、及び、湯道本数が1~4の場合、湯道1本あたりの溶湯の通過量を300~1800kg/分と想定)が、出湯室16の耐火物壁に衝突すると、上向きの流れが強い傾向となる。この流れは、溶湯中の介在物を浮上除去する作用よりも、出湯室16で浮上して溶湯表面に存在している介在物を再度溶湯へ巻き込む作用が強いものと推定される。
従って、湯道17の傾斜により、このように強くなった上向きの流れを緩和し、介在物の溶湯への再巻き込みを抑制することができる。
湯道17を堰18の下部に設けたのは、前記したように、介在物が溶湯内を浮上する特性を有することによる。
具体的には、湯道17の受湯室15側(入口側)に位置する開口部20の下端の、受湯室15の底面21からの高さ位置が、受湯室15の最大溶湯深さ(浴深)Hの0.2倍(0.2×H)以下だと好ましい(下限は、例えば0倍(0×H)、即ち湯道17入口の開口部20が受湯室15の底面21に接する位置)。
ここで、開口部20の下端位置を溶湯深さHの0.2倍以下にしたのは、0.2倍を超えた場合、開口部20の高さ位置が高くなり過ぎることに伴って湯道17出口が高くなり、出湯室16における溶湯中の介在物の浮上時間を十分に確保できずに浮上不足を招く場合や、湯道17出側から噴出される溶湯流が出湯室16の湯面を撹拌して溶湯の清浄化を悪化させる場合があることによる。また、1チャージ(1つの取鍋)ごとの鋳造末期にタンディッシュ13の湯面が低下した際に、受湯室15湯面上のフラックスを巻き込み易くなる時期が、上記した0.2倍を超えた場合に早期となる。
ここで、湯道17の本数は、通常偶数(2又は4)であるが、奇数(1又は3)でもよく、特に、誘導加熱を行う場合は、通常1つの鉄心に対して2本の湯道17を設けている(鉄心を中心としてその両側に湯道17を設ける)。このため、タンディッシュ13は、誘導加熱装置が設置されたもの、設置されていないもの、のいずれでもよい。
なお、湯道17の断面形状は円形であり、湯道17の受湯室15側に位置する開口部20から出湯室16側(出口側)に位置する開口部22まで、同一形状となっているが、受湯室15側から出湯室16側へかけて徐々に大きくした形状(ラッパ状や逆テーパ状)等とすることもできる(この場合、出湯室側の開口部の最大直径が上記した範囲にある)。また、断面形状は、円形に限定されるものではなく、例えば、楕円形や多角形等とすることもできる。
誘導加熱の適用も可能とする堰18の厚み(湯道17の長さ)は800mm以上であり、湯道17の受湯室15側端面と出湯室16側端面の各中心(軸心)位置C1、C2の高低差(高さ方向の差:C1-C2)は、0mmを超え、タンディッシュ13の貯蔵量等により200mm以下程度である。
ここで、湯道17の傾斜を、{湯道の受湯室側端面と出湯室側端面の各中心位置の高低差(mm)}/{湯道の水平方向の長さ(mm)}で定義すると、下限値は0.5×10-2である。一方、傾斜の上限値は、9.5×10-2であり、好ましくは9.0×10-2がよい。
なお、湯道17の傾斜は、0.5×10-2以上であれば、湯道17が水平な場合と比較して出湯室16での上向きの流れの抑制効果等による高清浄化効果が明確となる。
例えば、ロングノズル12からのボイリングである。
一般にロングノズルは取鍋底部に取り付けられ、周囲の雰囲気が取り付け部よりロングノズル内部へ吸い込まれる。このため、取り付け部に緩衝材(パッキン)を配置することが一般的であるが、雰囲気吸い込みの皆無化はできないため、雰囲気が空気の場合は溶湯の酸化が起こり、介在物発生の原因となり、溶湯の高清浄化を阻害する。なお、取り付け部周囲をチャンバー化してアルゴンガス雰囲気とすれば溶湯の酸化を防止できるが、雰囲気吸い込みは発生するため、ロングノズル内部へ吸い込まれたアルゴンガスは、受湯室においてロングノズルから放出され、ボイリングが発生することとなる。特に、取鍋底部に取り付けられるロングノズルが傾いた場合や緩衝材の配置に厚さのばらつきがある場合は、雰囲気吸い込みが顕著となり、ロングノズルからのボイリングが顕著となる。
上記したボイリングによるフラックスの巻き込みと似た要因として、非定常部における取鍋交換作業がある。一般的な操業形態として連々鋳造があるが、鋳造中に取鍋を交換する際、取鍋から取り外されるロングノズルに不可避的な上下動が起こる。
この場合も受湯室の溶湯表面に存在しいているフラックスを溶湯中に巻き込む要因となり、上記したボイリングの場合と同様に高清浄化効果の発揮を阻む要因となる。
なお、連々鋳造は、複数の取鍋内の溶湯を連続的に順次鋳造する方法であり、鋳造する溶湯は、同一鋼種でもよく、また、異なる鋼種でもよい。
本発明者らの知見では、ボイリングや取鍋交換作業の際にフラックスが巻き込まれる範囲はロングノズル周辺であり、再度の溶湯表面への浮上もロングノズル周辺領域であった。
ところが前記した通り、湯道の入口近傍では溶湯に渦様の流れ等による撹拌が発生する場合があり、この領域の広さを避けてロングノズル(周辺領域)を配置すれば、ロングノズル周辺で再浮上するフラックスが、浮上前に湯道入口に供給されることを抑制できることを知見した。
通常、湯道の直径(内径)は300mm以下程度であり、ロングノズルの外径は150mm~400mm程度であるため、上記した平面視距離d1、d2をロングノズルの外径Dの2倍以上とすれば、ロングノズル周辺で再浮上するフラックスが、浮上前に湯道入口に供給されることを抑制でき、湯道の傾斜を適正化した高清浄化効果を維持向上できる。
なお、平面視距離d1、d2の上限値は、溶湯の顕著な温度低下が無ければ特に設定する必要はないが、2.5m(外径Dの約6~17倍)程度であっても実用可能と考えられる。
フラックスの組成を規定することにより、タンディッシュ13内溶鋼の再酸化防止とフラックスの溶湯への巻き込み防止をより顕著に行える。
タンディッシュ13では、一般に、CaO-SiO2系やCaO-SiO2-Al2O3系のフラックスが用いられている。
前記したように、受湯室15では湯道17入口へ向かう溶湯流が発生するが、この溶湯流によって湯道17入口近傍の溶湯が撹拌され、受湯室15湯面上のフラックスが巻き込まれる場合がある。特に、鋳造しているチャージの末期は、受湯室15湯面の高さが低下する場合があり、この傾向が強くなる。
即ち、本発明者らは、溶湯へのフラックスの巻き込みを抑制するため、CaOの滓化(CaOを多く含むフラックスの溶融時の流動性)を適切に制御することに想到した。
具体的には、塩基度を1.0以上4.0以下(更には3.7以下)とするとよい。
塩基度の算出には、CaO、SiO2、及び、Al2O3(アルミナ)による(質量%CaO)/{(質量%SiO2)+(質量%Al2O3)}を用いる。ここで、CaOとSiO2のみによる塩基度指標=(質量%CaO)/(質量%SiO2)を用いた場合、Al2O3が含まれないことから、アルミナ介在物とフラックス中のCaOによって生成するCaO-Al2O3系の低融点酸化物の生成が考慮されず、Al2O3の高清浄化への影響が考慮されないことになる。
一方、塩基度が4.0を超える場合、滓化不足により、フラックス粒子が溶湯に巻き込まれる場合がある。
なお、滓化状況を適切に制御しても粘性が高過ぎると、フラックスの擾乱が発生した場合に溶湯表面が露出し再酸化が促進されるため、フラックス中のAl2O3濃度(CaO量、SiO2量、及び、Al2O3量の合計量に対するAl2O3量)を10質量%以上とする。これにより、一定の低粘性を確保して、タンディッシュ13内雰囲気に溶湯表面が曝露されることを抑制できる。ここで、Al2O3濃度の上限値については、上記したように、塩基度の上限値と下限値を規定しているため、これに従って決まる(例えば、50質量%程度)。
言い換えると、CaO量、SiO2量、及び、Al2O3量の合計量に対するAl2O3量を10質量%以上とすることによる、上記した作用効果を得ようとすれば、フラックス中のCaO、SiO2、及び、Al2O3の合計濃度が70質量%以上であることが好ましい。即ち、合計濃度が70質量%未満になると、CaO、SiO2、及び、Al2O3の3成分による作用効果の顕著さが低下し易くなる。
また、出湯室16側のフラックス組成については、受湯室15側のフラックス組成と同一組成のもの使用できるが、特に限定されるものではなく、異なる組成のフラックス(従来使用しているフラックス)を使用することもできる。
ここで、フラックスの厚みが5mm未満の場合、フラックスの粘性を適正に制御しても、湯道17の入口近傍における溶湯の撹拌に伴う渦発生時に、渦内部へ少量のフラックスが巻き込まれてしまう場合がある。一方、フラックスの厚みが50mm超の場合、フラックスの滓化性を向上させたとしても、部分的に未溶融の状態が生じて、少量のフラックスが容易に巻き込まれる場合がある。
従って、受湯室15の溶湯表面に配置するフラックスの厚みは5mm以上50mm以下とするのがよい。
なお、フラックスの厚みは、複数箇所(例えば、3箇所)で計測したフラックスの厚みの平均値である。この各箇所のフラックスの厚み(計測値)は、フラックスが溶融している箇所で、鉄製の細棒を溶鋼まで浸漬させ、この細棒の溶鋼浸漬部が溶解した後に細棒を引き上げ、細棒に付着した溶融状態のフラックスの長さをもとに決定して得られる。
ここでは、以下の方法を基本として、実機水準にて各条件を変更し、鋳片の清浄性の評価を行った。なお、評価対象の鋼種は棒線系とした。
350トンの転炉にて一次精錬を行った後、取鍋内に出鋼した溶鋼(炭素濃度:0.05~0.15質量%、溶鋼中の溶存酸素濃度:質量割合で300~600ppm程度)に、金属アルミニウムを溶鋼1トンあたり0.8~2.0kg添加し、脱酸処理を行った。そして、取鍋内の溶鋼に対しLF処理を行った後、REDA方式の真空脱ガス装置(1本の大径浸漬管を用いた装置)による清浄化処理を行った。
上記方法で処理された取鍋内の溶鋼を、湯道を2本備えた堰で受湯室と出湯室に区分けされたタンディッシュの受湯室内に注湯し、受湯室にフラックスを添加した状態で、連続鋳造を実施した。なお、湯道1本あたりの溶鋼通過量(非定常部及び定常部)は、300~1800kg/分とした。
タンディッシュの湯道は、内径を150mm、中心線方向の水平長さを1200mmとした。
堰の高さ方向における湯道の位置(受湯室側の開口部の下端の高さ位置)は、受湯室の溶鋼の通常操業時の最大深さをH(m)として、0.2×H以下である。
湯道の長さ方向の中心線を出湯室に向けて延長して交差する出湯室の耐火物壁の傾きの角度θは、80度である。また、この湯道の長さ方向の中心線を出湯室に向けて延長して交差する出湯室の耐火物壁面の位置C3は、出湯室の底部から約150mmの位置である。
実施例と参考例と比較例のいずれも、出湯室側には塩基度2.0(参考例8の受湯室に投入したフラックスと同一)のフラックスを予め投入して鋳造している。なお、受湯室に投入したフラックス中のCaO、SiO2、及び、Al2O3の合計濃度は、70質量%以上である。
試験条件と、その結果及び評価とを、表1に示す。
表1において、「湯道の傾斜」の欄には、湯道の受湯室側端面と出湯室側端面の各中心位置の高低差(mm)を、湯道の水平方向の長さ(mm)で除すことによって算出した傾きを記載した。
「受湯室のフラックス」の「塩基度」の欄には、受湯室内に添加したフラックスの塩基度「(質量%CaO)/{(質量%SiO2)+(質量%Al2O3)}」を記載している。
「受湯室のフラックス」の「Al2O3濃度」の欄には、フラックス中に含有されるAl2O3濃度(即ち、CaO量、SiO2量、及び、Al2O3量の合計量に対するAl2O3量)を記載している。
「受湯室のフラックス」の「厚み」の欄には、受湯室の溶湯表面に配置したフラックスの厚みを記載している。
「LN-スリーブ間距離」の欄には、タンディッシュを平面視した際の、湯道中心軸仮想線と、ロングノズル(LN)の中心位置との間の最短距離(即ち、平面視距離)を、ロングノズルの外径の倍数で記載している。
評価には、鋳造における定常部(タンディッシュの湯面高さは最大値で一定)と、非定常部(連々鋳での取鍋交換による継ぎ目近傍)の2箇所の鋳片を用いた。
詳細には、定常部の鋳片は、継ぎ目から50トン遡った部位を含む鋳片(この鋳片の特定の場所から50トン鋳造した後に取鍋交換)とした。また、非定常部の鋳片は、取鍋交換が近づき、タンディッシュの湯面高さを低下させ始めた(低下を開始させた)以降であって、継ぎ目から30トン遡った部位を含む鋳片(当該鋳片の特定の場所から30トン鋳造した後に取鍋交換)とした。
なお、タンディッシュの湯面高さの低下開始時期は、概ね継ぎ目から40トン遡った時点である。従って、40トン遡った時点以降は(40トン以下の範囲では)、湯面高さが低下し続ける。
上記した溶鋼のトン数は、鋳造条件(例えば、鋳造速度やタンディッシュの容積等)により、取鍋の残湯量により検出できる。
更に、参考例2の条件における定常部と非定常部の各検出個数を1.00とし、他の参考例と実施例と比較例の定常部と非定常部のそれぞれの検出個数を指数化した。
ここで、指数化した値の評価は、以下の通りである。
・指数化した値が参考例2の0.95倍以上、1.60倍未満:△評価
・指数化した値が参考例2の0.95倍未満 :○評価
・指数化した値が参考例2の1.60倍以上 :×評価
上記した定常部と非定常部の評価の組み合わせで総合評価を行い、総合評価が△評価以上を良好とした。以下に、総合評価の評価基準を示す。
・総合評価が△評価:△評価と△評価の場合
・総合評価が○評価:一方が△評価で他方が○評価の場合
・総合評価が×評価:いずれか一方又は双方が×評価の場合
また、比較例3は、湯道の傾斜を前記した適正範囲に設定しているものの、平面視距離を、前記した適正範囲外に設定した場合の結果である。このため、受湯室でのフラックスの巻き込みの影響が比較的少ない定常部では△評価となったが、受湯室でのフラックスの巻き込みの影響が大きい非定常部では、フラックスの巻き込みを十分に抑制することができなかったため×評価となった。
Claims (1)
- 溶湯を取鍋からタンディッシュを介して鋳型へ注入し鋳片を製造する連続鋳造方法において、
前記タンディッシュは、該タンディッシュ内を受湯室と出湯室とに区分し、かつ、前記受湯室から前記出湯室へ向けて溶湯が流れる1本以上4本以下の湯道を下部に備えた堰を有し、前記湯道はその断面形状を円形に換算して直径を100mm以上300mm以下の範囲に設定し、
前記湯道を前記受湯室側から前記出湯室側へかけて下方に向けて傾斜させ、かつ、{前記湯道の前記受湯室側端面と前記出湯室側端面の各中心位置の高低差(mm)}/{前記湯道の水平方向の長さ(mm)}で定義される前記湯道の傾きを0.5×10-2以上9.5×10-2以下の範囲とし、
前記タンディッシュを平面視して、前記取鍋から前記受湯室に溶湯を注入するためのロングノズルの中心位置と、前記湯道の前記受湯室側端面と前記出湯室側端面の各中心位置を通る湯道中心軸仮想線との最短距離を、前記ロングノズルの外径の2倍以上にし、
塩基度=(質量%CaO)/{(質量%SiO 2 )+(質量%Al 2 O 3 )}が1.0以上4.0以下、かつ、CaO量、SiO 2 量、及び、Al 2 O 3 量の合計量に対するAl 2 O 3 量が10質量%以上であるフラックスを、前記受湯室の溶湯表面に配置し、該フラックスの厚みを5mm以上50mm以下にすることを特徴とする連続鋳造方法。
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