JP4725244B2 - 連続鋳造用取鍋及び鋳片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造工程において連続鋳造される溶鋼を収容するために使用される取鍋、並びに、この取鍋を使用した鋳片の製造方法に関し、詳しくは、取鍋内に存在するスラグのタンディッシュへの流出を防止して鋳片の品質を向上させるとともに、溶鋼歩留まりを向上させることのできる取鍋、並びに、この取鍋を使用した鋳片の製造方法に関するものである。

鋼の連続鋳造においては、通常、取鍋内の溶鋼を一旦タンディッシュに注入し、タンディッシュ内に所定量の溶鋼が滞在した状態で、タンディッシュ内の溶鋼を鋳型に注入している。取鍋内の溶鋼がなくなった場合には、空の取鍋を別のヒートの溶鋼が収容された取鍋と交換して連続連続鋳造（以下、「連々鋳」と記す）が行われている。取鍋を交換せずに１ヒートのみで連続鋳造する場合もあるが、通常、連続鋳造機における生産性の向上、それによる製造コストの削減などの目的のために、複数ヒートの連々鋳が広く行われている。尚、取鍋にはその底部に溶鋼流出孔が設置されており、取鍋内の溶鋼はこの溶鋼流出孔を通ってタンディッシュに注入されている。

この連続鋳造工程においては、取鍋交換時の非定常部鋳片の品質が定常鋳造域の鋳片に比べて低下するという問題がある。これは、取鍋交換時、取鍋内に収容される溶鋼が少なくなった時点で、主に取鍋内の溶鋼の上部に存在するスラグが、取鍋内の溶鋼湯面位置の低下によって形成される溶鋼の渦流に巻き込まれるなどして溶鋼とともにタンディッシュ内に流出し、更にタンディッシュから鋳型内に注入されて鋳片に捕捉されるからである。取鍋交換時には、溶鋼量が減少することにより溶鋼温度が低下し、溶鋼中に懸濁したスラグが溶鋼から浮上分離し難くなることも鋳片の品質低下を助長させる要因となっている。

取鍋交換時などの、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入終了直前の注入末期（以下、単に「取鍋からの注入末期」とも記す）における取鍋内スラグのタンディッシュへの流出を防止するために、従来、多数の提案がなされている。例えば、特許文献１には、取鍋の溶鋼流出孔の直上に渦流防止用耐火物を設置し、この渦流防止用耐火物によって渦流の発生を防止することで、スラグの流出を防止する方法が提案されている。しかしながら、取鍋の溶鋼流出孔をストッパーによって開閉する場合にはストッパーに渦流防止用耐火物を設置することで、この方法を採用することができるが、ストッパーを使用せずにスライディングノズルやロータリーノズルなどのスライド式ゲートを用いて溶鋼流出孔を開閉する現在の操業形態では、渦流防止用耐火物を設置する適当な場所がないことから設置が困難であり、実用的ではない。

特許文献２には、取鍋からの注入末期に取鍋を溶鋼流出孔の設置された側に傾斜させるとともに、溶鋼流出孔から不活性ガスを取鍋内の溶鋼湯面に向けて吹き込む方法が提案されている。この方法によれば、取鍋を傾斜させることによって溶鋼流出孔位置の湯面が高くなり、渦流の生成する時期が若干遅れるが、機構的な制約が大きく、大幅な改善効果は期待できない。しかも、湯面高さが低い状態で不活性ガスを吹き込むため、却って溶鋼とスラグとの混合が助長され、スラグの巻き込みを増大させる恐れもある。

特許文献３には、溶鋼流出孔の鉛直方向上方のスラグ層に、溶鋼流出孔の面積よりも大きな面積を有する耐火物製の塊状体を浸漬させ、塊状体の吸熱作用によってスラグの粘度を他の部位のスラグよりも大きくするとともに、塊状体によって渦流の形成を妨害することでスラグの流出を防止する方法が提案されている。この方法では、塊状体が溶鋼流出孔の直上に存在すればスラグ流出の防止効果が得られるが、スラグは溶融していることからスラグの流動によって塊状体も移動してしまい、塊状体を溶鋼流出孔の直上に安定して存在させることが極めて困難であるという問題がある。

特許文献４には、取鍋内のスラグにＳｉＯ₂ 源を添加してスラグ中のＳｉＯ₂ 濃度を上昇させることによりスラグの粘度を上昇させ、スラグの渦流への巻き込みを抑制する方法が提案されている。特許文献４によれば、スラグの粘度は通常の場合に比べて約２倍になり、これによりスラグの巻き込み量は半減するとしているが、格段の効果は得られていない。
特開昭４９−１３１９１４号公報 特開平８−１１７９３４号公報 特開平８−２６７２２３号公報 特開２００１−３３５８２４号公報

以上説明したように、鋼の連続鋳造工程においては、取鍋からの注入末期における取鍋内スラグの流出を防止して鋳片の品質を向上させる方法が切望されているにも拘わらず、未だ有効な手段が提案されておらず、従って、高品質の鋳片を鋳造する際には、スラグの流出を防止するために多量の溶鋼が取鍋内に残留している状態で取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を終了し、溶鋼の歩留まりを低下させているのが現状である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋼の連続鋳造工程において、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入終了直前の注入末期における取鍋内スラグのタンディッシュへの流出を防止して、鋳片の品質を向上させるとともに溶鋼歩留まりを向上させることのできる取鍋を提供することであり、また、この取鍋を用いた鋳片の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る連続鋳造用取鍋は、底部に溶鋼流出孔を有し、該溶鋼流出孔が設置される底部の部位が他の底部の部位よりも鉛直方向下方に突出した突出部を有する連続鋳造用取鍋であって、前記突出部の深さをｈとし、収容能力最大の溶鋼を収容したときの最大溶鋼深さをＨとしたときに両者の比（ｈ／Ｈ）が０．０７５〜０．１５の範囲であり、且つ、突出部の容積をＶ_s とし、収容能力最大の溶鋼を収容したときの取鍋の容積をＶ₀としたときに両者の比（Ｖ_s ／Ｖ₀ ）が０．００２〜０．０１５の範囲であることを特徴とするものである。

第２の発明に係る鋳片の製造方法は、第１の発明に記載の連続鋳造用取鍋に収容された溶鋼をタンディッシュに注入し、次いでタンディッシュに注入された溶鋼を鋳型に注入して鋳造することを特徴とするものである。

第３の発明に係る鋳片の製造方法は、第２の発明において、取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量が１トンとならない時点で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を終了することを特徴とするものである。

本発明に係る連続鋳造用取鍋によれば、取鍋からの注入末期に取鍋内に残留する溶鋼が少なくなっても、溶鋼吐出孔の設置された位置の湯面高さは比較的高いので、溶鋼中に渦流が形成されずにスラグのタンディッシュへの流出が防止され、渦流が形成された時点では取鍋に残留する溶鋼量（以下、「取鍋残湯」とも記す）は極めて少ないので、歩留まりを改善することができる。また、渦流が形成される前に、つまりスラグの流出が発生する前に、取鍋からの溶鋼の注入を終了した場合にも、取鍋残湯は数トンでよく、従来の２０トン程度に比べて大幅に少なくすることができる。その結果、溶鋼の歩留まりを向上させることができると同時に、取鍋交換時などの非定常部鋳片の品質を向上させることができ、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明に係る取鍋の側面概略図、図２は、本発明に係る取鍋の平面概略図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る連続鋳造用の取鍋１は、外殻を鉄皮２で形成され、鉄皮２の内側に耐火物３が施工されて構成されており、取鍋１の底部に鉛直方向下方に突出した突出部４が設置されている。突出部４も外殻は鉄皮２で形成され、鉄皮２の内側に耐火物３が施工されており、突出部４の底面には溶鋼流出孔５が設置されている。耐火物３としては、慣用の不定形耐火物や定形耐火物を使用すればよい。但し、突出部４の深さ及び突出部４の容積が取鍋１の寸法に応じて以下を満足するように、突出部４を設置する必要がある。

即ち、取鍋１において、突出部４の設置されていない底部耐火物の底面６と、突出部４の底部耐火物の底面７との間の距離、つまり突出部４の深さをｈとし、突出部４の底部耐火物の底面７と収容能力最大の溶鋼を収容したときの取鍋１の最大湯面高さ位置８との間の距離、つまり収容能力最大の溶鋼を収容したときの最大溶鋼深さをＨとしたときに、突出部４の深さ（ｈ）と最大溶鋼深さ（Ｈ）との比（ｈ／Ｈ）が０．０７５〜０．１５の範囲であり、且つ、突出部４の容積をＶ_s とし、取鍋１が収容能力最大の溶鋼を収容したときの取鍋１の容積をＶ₀としたときに、突出部４の容積（Ｖ_s ）と取鍋１の収容能力最大の容積（Ｖ₀ ）との比（Ｖ_s ／Ｖ₀）が０．００２〜０．０１５の範囲となるように、突出部４の形状を定める必要がある。ここで、収容能力最大の溶鋼とは、溶鋼を収容した取鍋１をクレーン或いは台車などで搬送することによって取鍋内の溶鋼が流動しても、収容した溶鋼が取鍋から溢れ出ないだけの最低限のフリーボードが取鍋１の上部に形成される状態のときに収容される溶鋼量であり、通常、「３００トン取鍋」などと呼ぶ場合の「３００トン」がこれに該当する。

突出部４をこれらの条件を満足する形状とすることにより、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入終了直前の注入末期において、取鍋１に残留する溶鋼が少なくなっても、溶鋼吐出孔５の設置された位置の湯面高さは比較的高いので、溶鋼での渦流の形成及び溶鋼品質の悪化を避けることができる。溶鋼の渦流は溶鋼流出孔５の設置位置における湯面高さが或る所定の高さ以下になると発生するが、本発明に係る取鍋１では突出部４が設置してあるために、取鍋１に残留する溶鋼量が少なくなるまで渦流が発生し難い。例えば、本発明の取鍋１を用いることで、取鍋１に残留する溶鋼とスラグとの合計質量が１トン程度になる時点まで、渦流による溶鋼の品質悪化を回避することができる。

つまり、実質上、取鍋内の溶鋼のほとんどを注入してしまうまで、品質を良好に保つことができる。また、取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量が２〜５トンとなった時点で取鍋１からタンディッシュへの注入を終了すれば、取鍋交換部でも確実に品質を維持して、連々鋳を継続することができる。

即ち、比（ｈ／Ｈ）が０．０７５以上で且つ比（Ｖ_s ／Ｖ₀ ）が０．００２以上の場合に、取鍋スラグの品質への影響を抑制することができる。比（ｈ／Ｈ）が０．１５を超える場合や、比（Ｖ_s／Ｖ₀ ）が０．０１５を超える場合には、突出部４が大きくなり、耐火物３の施工時間や施工コストなどの弊害の懸念があることから、これ以上に大きくする必要がない。一方、本発明の範囲外である比（ｈ／Ｈ）が０．０７５未満では、突出部４の深さが不足し、また、比（Ｖ_s／Ｖ₀ ）が０．００２未満では突出部４に収容される溶鋼量が少な過ぎ、渦流による品質の悪化が避けられない。突出部４の形状は、四角柱、六角柱、楕円柱などの適宜の形状でよい。

尚、図１に示す取鍋１では、取鍋１の底部を形成する鉄皮２の一部が下方に突出して突出部４を構成しているが、底部の鉄皮２を平滑とし、底部を構成する耐火物３の施工によって、突出部４を形成することもできる。即ち、図３に示すように、取鍋１Ａにおいては、底部の耐火物３の施工を、底部耐火物の底面６の部位では厚くし、底部耐火物の底面７の部位では薄くすることで、突出部４が形成されている。取鍋１Ａは、その他の構造は図１に示す取鍋１と同一構造となっており、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。尚、図３は、本発明に係る取鍋の他の形態例を示す側面概略図である。

このように構成される本発明に係る取鍋を用いて転炉などの精錬炉で精錬された溶鋼を受鋼し、更に必要に応じて取鍋内の溶鋼に二次精錬炉にて脱ガス精錬などを施した後、この溶鋼を連続鋳造機に搬送して連続鋳造する。図４に、本発明に係る取鍋に収容された溶鋼を連続鋳造する状況を示す。尚、図４中の取鍋は前述した図１に示す取鍋１である。

図４において、内側を耐火物で施工されたタンディッシュ１３が、タンディッシュカー（図示せず）に搭載されて鋳型１７の上方所定位置に配置され、また、タンディッシュ１３の上方所定位置には、溶鋼９を収容した本発明に係る取鍋１が配置されている。取鍋１の底部の突出部４には、溶鋼流出孔５を形成する上ノズル１０が耐火物３と嵌合して設置され、この上ノズル１０の下面に接して、固定板１１Ａ及び摺動板１１Ｂからなるスライディングノズル１１が溶鋼流量制御装置として設置され、更に、スライディングノズル１１の下面に接して、大気を遮断するためのロングノズル１２が接続されている。摺動板１１Ｂは、往復型アクチュエーター（図示せず）に接続されており、往復型アクチュエーターの作動により、固定板１１Ａと密に接触したまま移動し、固定板１１Ａの開口部と摺動板１１Ｂの開口部との開口部面積を調整することにより溶鋼流出孔５を通過する溶鋼量が制御されるようになっている。スライディングノズル１１に代えて摺動板１１Ｂが回転するロータリーノズルとしてもよい。また、タンディッシュ１３の底部には上ノズル１４が配置され、この上ノズル１４の下面に接して、固定板１５Ａ及び摺動板１５Ｂからなるスライディングノズル１５が溶鋼流量制御装置として設置され、更に、スライディングノズル１５の下面に接して、先端を鋳型１７の内部の溶鋼９に浸漬させた浸漬ノズル１６が接続されている。摺動板１５Ｂは、往復型アクチュエーター（図示せず）に接続されており、往復型アクチュエーターの作動により、固定板１５Ａと密に接触したまま移動し、固定板１５Ａの開口部と摺動板１５Ｂの開口部との開口部面積を調整することによりタンディッシュ１３から鋳型１７への溶鋼注入量が制御されるようになっている。

鋳型１７に注入された溶鋼９は、鋳型１７と接触して冷却されて凝固シェル１９を形成し、外殻を凝固シェル１９として内部を未凝固の溶鋼９とする鋳片１８が鋳型１７の下方に連続的に引き抜かれ、やがて中心部まで完全に凝固して鋳片が製造される。鋳片１８の引き抜き中は、タンディッシュ１３の溶鋼量をほぼ一定値に調整するとともに、鋳型１７における溶鋼湯面位置をほぼ一定位置に制御する。取鍋１からタンディッシュ１３への溶鋼９の注入流はロングノズル１２によって大気と遮断され、タンディッシュ１３から鋳型１７への溶鋼９の注入流は浸漬ノズル１６によって大気と遮断されている。

このようにして鋳造することで、取鍋１に収容された溶鋼９は減少し、やがて溶鋼流出孔５の位置の溶鋼湯面高さが所定の高さになった時点で取鍋１に残留する溶鋼９に渦流が形成される。この渦流に、取鍋内の溶鋼９の上に存在するスラグ２０が巻き込まれてタンディッシュ１３に流出する。このスラグ２０のタンディッシュ１３への流出を、電磁気力を用いたスラグ流出検出器、タンディッシュ内湯面のスラグ目視観察、或いは取鍋１の質量計測などの慣用の手段によって確認し、その時点で摺動板１１Ｂを作動させ、取鍋１からタンディッシュ１３への注入を終了する。本発明に係る取鍋１では渦流が形成されてスラグ２０が流出する時点は、取鍋１に残留する溶鋼９とスラグ２０との合計質量が１トン程度になる時点であり、取鍋１に残留する溶鋼量を極めて少なくすることができる。また、スラグ２０の流出と同時に取鍋１からの注入を終了するので、スラグ２０による品質低下を限られた狭い範囲に抑えることができる。

前記はわずかなスラグの流出を許容する場合であるが、第２の方法として、溶鋼９に渦流が形成される以前、つまりスラグ２０がタンディッシュ１３に流出する以前に摺動板１１Ｂを作動させ、取鍋１からタンディッシュ１３への注入を終了するようにしてもよい。具体的には、取鍋１の質量計測などによって取鍋１に収容される溶鋼９の残量とスラグ２０との合計質量を計測し、取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量が２〜５トン程度、望ましくは２〜３トンになった時点で注入を終了すれば、スラグ２０のタンディッシュ１３への流出を完全に防止することができる。つまり、取鍋１に残溶鋼とスラグとの合計量で２〜５トン程度を残留させるだけで、鋳片１８のスラグ２０による品質低下を未然に防止することができる。

連続鋳造を更に続ける場合には、鋳造を終了した取鍋１を取り除き、別のヒートの溶鋼９を収容した別の取鍋１をタンディッシュ１３の上方所定位置に配置し、スライディングノズル１１の下部にロングノズル１２を接続し、連々鋳を継続する。連々鋳の全てのヒートにおいて、取鍋１からタンディッシュ１３への注入終了時点を前述した２つの方法のうちの何れかの方法によって判定し、取鍋１からの注入を終了する。連々鋳の最後のヒートでは、取鍋１からの注入終了後はタンディッシュ１３に残留する溶鋼９を鋳型１７に注入し、タンディッシュ１３に残留する溶鋼９が所定の量になった時点で連々鋳を終了する。

本発明に係る取鍋１を使用することで、取鍋１に残留する溶鋼９が少なくなっても渦流による品質悪化を最小限に抑制することができ、渦流が形成された時点では取鍋１に残留する溶鋼９は極めて少ないので、取鍋残湯を少なくすることができ、その結果、溶鋼９の歩留まりを向上させることができる。また、渦流が形成される前に、つまりスラグ２０の流出が発生する前に、取鍋１からの溶鋼の注入を終了した場合にも、取鍋残湯は数トンでよく、従来の２０トン程度に比べて大幅に少なくすることができ、且つ、特に悪化しやすい取鍋交換部の溶鋼の品質を確実に向上させることができる。ここで、取鍋交換部の溶鋼とは、取鍋交換直前に取鍋からタンディッシュに注がれる溶鋼を指す。

収容最大能力が３００トンの取鍋の形状を変更し、この取鍋に収容したＳＰＣＣ材（冷間圧延鋼板）を２ストランドの連続鋳造機で連続鋳造し、取鍋形状の鋳片品質に及ぼす影響を評価する試験を実施した。表１に、製鋼設備及び操業条件を示す。

取鍋には前述した図１に示すような突出部を設け、それぞれの寸法を変更し、鋳片品質との関係を調査した。表２に、取鍋及び突出部の寸法の１例を示す。

連続鋳造では、厚みが２２０ｍｍ、幅が１２００ｍｍのスラブ鋳片をストランド当たり６トン／分の鋳造速度で鋳造し、鋳造の際には、電磁気力を印加して、鋳型内湯面の１／４幅相当部の溶鋼流速が０．２ｍ／秒となるように制御した。鋳造中は取鍋内の溶鋼量とスラグ量との合計質量を連続して計測した。取鍋内の溶鋼量とスラグ量との合計質量は、受鋼前の空の状態の取鍋の質量計測値との差分から求めた。取鍋からタンディッシュへの注入終了時点は、取鍋内の溶鋼を全てタンディッシュ内に注入した時点とした。従って、取鍋内のスラグは、多い少ないの差はあるものの全ての条件でタンディッシュ内に流入した。鋳造後、鋳片を熱間圧延し、更に冷間圧延して０．２ｍｍの板厚とし、この薄鋼板において酸化物系非金属介在物（以下、「介在物」と記す）の個数を計測し、計測した介在物と鋳片の鋳造位置との関係を整理した。

タンディッシュ内にスラグが流出した後に取鍋からタンディッシュへの注入を終了したので、何れの条件でも取鍋からの注入末期に該当する部位の鋳片には介在物が検出され、しかも検出値は社内規定値（直径５０μｍ以上のものが１個／ｍ² 以上）を上回った。この取鍋スラグが混入した部位の鋳造長さ位置から、取鍋スラグが混入した時点における取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量を求めた。求めた取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量を、前述した表２に「巻き込み発生時の残湯量」として示す。

表２に示すように、対策を実施しなかった条件１では、取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量、即ち残湯量が２０トンの時点で取鍋内スラグの流出が発生していた。従って、条件１において品質の良好な鋼板を得るためには、取鍋内に２０トン程度の溶鋼を残した状態で取鍋からタンディッシュへの注入を終了する必要のあることが分かった。

一方、突出部を設けた条件２〜５では、スラグ巻き込み発生時の残湯量は条件１に比べて大幅に少なくなることが明らかになった。特に、条件３及び条件５では、取鍋内の残湯量が１トンになる時点までスラグの流出が防止でき、品質の悪化する部位は狭い範囲に限られ、格段の効果があることが分かった。

取鍋底部の突出部の形状を種々変更して、上記の方法で介在物を調査した結果を図５にまとめて示す。図５においては、取鍋内の残湯量が１トン以下となった時点でスラグの流出が発生した条件は○印で表示し、１トンを超える時点でスラグの流出が発生した条件は●印で表示している。図５に示すように、取鍋の底部に突出部を設け、突出部の寸法を、突出部の深さ（ｈ）と最大溶鋼深さ（Ｈ）との比（ｈ／Ｈ）が０．０７５以上で、且つ突出部の容積（Ｖ_s ）と取鍋の収容能力最大の容積（Ｖ₀ ）との比（Ｖ_s／Ｖ₀ ）が０．００２以上となるようにすることで、取鍋内の残湯量が１トンになる時点までスラグの流出を防止でき、鋳片品質を向上させることができることが明らかとなった。

本発明に係る取鍋の側面概略図である。 本発明に係る取鍋の平面概略図である。 本発明に係る取鍋の他の形態例を示す側面概略図である。 本発明に係る取鍋に収容された溶鋼を連続鋳造する状況を示す図である。 取鍋内スラグの流出に及ぼす比（ｈ／Ｈ）及び比（Ｖ_s ／Ｖ₀ ）の影響を示す図である。

符号の説明

１ 取鍋
２ 鉄皮
３ 耐火物
４ 突出部
５ 溶鋼流出孔
６ 底面
７ 底面
８ 最大湯面高さ位置
９ 溶鋼
１０ 上ノズル
１１ スライディングノズル
１２ ロングノズル
１３ タンディッシュ
１４ 上ノズル
１５ スライディングノズル
１６ 浸漬ノズル
１７ 鋳型
１８ 鋳片
１９ 凝固シェル
２０ スラグ

Claims (3)

1. 底部に溶鋼流出孔を有し、該溶鋼流出孔が設置される底部の部位が他の底部の部位よりも鉛直方向下方に突出した突出部を有する連続鋳造用取鍋であって、前記突出部の深さをｈとし、収容能力最大の溶鋼を収容したときの最大溶鋼深さをＨとしたときに両者の比（ｈ／Ｈ）が０．０７５〜０．１５の範囲であり、且つ、突出部の容積をＶ_s とし、収容能力最大の溶鋼を収容したときの取鍋の容積をＶ₀としたときに両者の比（Ｖ_s ／Ｖ₀ ）が０．００２〜０．０１５の範囲であることを特徴とする連続鋳造用取鍋。
2. 請求項１に記載の連続鋳造用取鍋に収容された溶鋼をタンディッシュに注入し、次いでタンディッシュに注入された溶鋼を鋳型に注入して鋳造することを特徴とする、鋳片の製造方法。
3. 取鍋内の残溶鋼とスラグとの合計質量が１トンとならない時点で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を終了することを特徴とする、請求項２に記載の鋳片の製造方法。