(57)【要約】【課題】添加された発熱性保温剤の発煙が終了した後に焼き籾を添加するにあたり、焼き籾の添加量を制御することで、インゴット内の沈降性介在物欠陥と水素性ブローホール欠陥を低減することができる下注造塊方法を提供する。【解決手段】本発明は、下注造塊時に鋳型内の溶鋼湯面６を保温すべく、鋳型１内への溶鋼５の注湯を終了する前に、発熱性保温剤７を溶鋼５に対して添加した後に、さらに溶鋼湯面６の保温を行うために、焼き籾８を溶鋼５に対して添加することにより、鋼塊を製造する下注造塊方法において、焼き籾８を添加する時期を、前期添加と後期添加との二期とする。【選択図】図１
2019217531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下注造塊時に鋳型内の溶鋼湯面を保温すべく、前記鋳型内への前記溶鋼の注湯を終了する前に、発熱性保温剤を前記溶鋼に対して添加した後に、さらに前記溶鋼湯面の保温を行うために、焼き籾を前記溶鋼に対して添加することにより、鋼塊を製造する下注造塊方法において、
前記焼き籾を添加する時期を、前期添加と後期添加との二期とすることを特徴とする下注造塊方法。
【請求項２】
前記前期添加では、前記溶鋼1トン当たり1〜3kgの前記発熱性保温剤を投入した直後に、20〜40mm厚に相当する前記焼き籾を添加することとし、
前記後期添加では、前記発熱性保温剤による発煙が終了した後に、60〜120mm厚に相当する前記焼き籾を添加する
ことを特徴とする請求項１に記載の下注造塊方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下注造塊方法に関する技術であって、特に、下注方式で鋼塊を製造するにあたって、鋳造終了間際において、インゴット頂部を保温するため、鋳型内への焼き籾の投入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鋳型底に設けられた注入口から鋳型内に溶鋼を下方から上方へ噴出させるように注ぎ込む方式の下注造塊方法では、通常、溶鋼の酸化防止や、溶鋼の保温及び、鋳型と凝固殻の焼き付き防止を改善する目的で、鋳型内にパウダー状の型内剤を添加して鋳造を開始する。添加された型内剤は、溶鋼湯面に広がることにより、溶鋼の酸化を防止すると共に、鋳型と鋳込まれる溶鋼の間にも侵入して鋳肌の改善を行うものである。
【０００３】
さて、鋳造末期において、溶鋼湯面が上昇して鋳型の押し湯部（図１参照）に到達すると、鋳型内の溶鋼に対して発熱性保温剤を投入することが行われている。この発熱性保温剤の投入は、溶鋼湯面の温度を上昇させて、溶鋼湯面における凝固を防止するために行われている。
さらには、鋳造末期において、鋳型内の溶鋼に対して断熱性に優れた焼き籾を添加することが行われている。この焼き籾の添加は、投入された発熱性保温剤の効果をさらに保つために行われている。
【０００４】
このような下注造塊方法に関する技術としては、例えば、特許文献１〜３に開示されているものがある。
特許文献１は、縦短鋼塊の鋳造に置いて断熱材、発熱性保温剤に含まれる炭化水素が分解して発生する水素ガスおよび保温剤中に含まれる4〜7%の水分による水蒸気中の水素によって水素性ブローホールが発生するのを防止することを目的としている。すなわち、溶湯頭部と保温剤間に3mm以上の厚さを有する溶融スラグを介在せしめて鋼中への水素侵入を抑制することとしている。
【０００５】
特許文献２は、鋳型内溶鋼湯面に発熱性耐火物ボードを載置して溶鋼頂面を加熱保温し、鋼塊底部の沈殿晶帯における非金属介在物の集積を減少させることを目的としている。具体的には、鋳型内に溶鋼の注入終了直後、最高温度に到達する時間が４分以内である発熱性のボードを載置して溶鋼頂面を加熱保温し、鋼塊底部の沈殿晶帯における非金属介在物の集積を減少させることとしている。
【０００６】
特許文献３は、発熱性保温剤と焼き籾を安全で衛生的、簡単、確実かつ均一に投入することを目的としている。具体的には、保温剤と焼き籾を２段に分けて収納した収容箱を使用して溶鋼の熱で、自動的に収容箱の底が燃焼して、保温剤と焼き籾を順に添加することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−５６４６９号公報
【特許文献２】特開昭５１−１３２１号公報
【特許文献３】特開昭４８−７５４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上でも述べたが、鋳造末期において、鋳型内の溶鋼に対して発熱性保温剤を投入することにより、溶鋼湯面の温度を上昇させて溶鋼湯面における凝固を防止することが行われている。加えて、焼き籾を添加することにより、発熱性保温剤の効果をさらに保つことも行われている。
しかしながら、鋳型内の溶鋼に対して発熱性保温剤と焼き籾を添加するに際して、以下に述べるようなことが生じる虞がある。
【０００９】
発熱性保温剤の発熱による溶鋼湯面の温度上昇後においては、溶鋼の温度が低下することとなり、液相線温度以下となる。この状況下で溶鋼の湯面で凝固が開始すると、不安定な凝固片が、造塊作業時の何らかのショックで脱落してしまい、固相の密度が液相の密度に比べて約１割大きいため、凝固片は沈降することとなる。
このとき、凝固片は溶鋼湯面に浮いていた型内剤を伴って沈降し、沈殿晶帯と呼ばれる鋼塊底部の凝固部に捕捉され、沈降性介在物欠陥となる（図１参照）。この沈降性介在物欠陥は、通常の数十ミクロン〜数百ミクロンの介在物に比べ、数mm〜数十mmに達する特に大型の介在物欠陥となるため、インゴットの品質を著しく損なうこととなる。このような状況となってしまうと、当該インゴットを廃却しなければならない場合も起こり得る。
【００１０】
このような沈降性介在物欠陥を防ぐためには、溶鋼湯面の保温を強化することによって、できる限り溶鋼温度を高いまま維持する必要がある。例えば、20〜40kgの焼き籾を添加して、溶鋼湯面に何らかのショックを与えてしまう場合には、沈降性介在物欠陥を生じさせないために、液相線温度以上の温度を維持する必要がある。
焼き籾の添加時期については、発熱性保温剤の添加後早い時期に、焼き籾を添加するほど保温効果が上がり、液相線温度以上での添加となるため、沈降性介在物発生の虞は少なくなる。
【００１１】
しかし、発熱性保温剤の添加後あまり早期に焼き籾を添加してしまうと、特開昭６０−５６４６９号公報で述べられているように、「発熱性保温剤中に含まれる炭化水素が分解して発生する水素ガス及び保温剤中に含まれる4〜7%の水分による水蒸気中の水素によって水素性ブローホールが発生する」こととなる。
すなわち、水素がインゴット中に侵入し、水素性欠陥となる。ブローホールのほかに最終凝固する中心偏析部に水素が集まり、割れが発生する（参考文献：根本秀太郎ら：鉄と鋼、58(1972),S78）。また、参考文献：（高石昭吾ら：鉄と鋼、64(1978)9,p.1343）も参照するとよい。
【００１２】
したがって、焼き籾の添加時期については、通常、発熱性保温剤による発煙が終わってから添加するものであり、焼き籾による保温性を上昇させる効果は限定されると共に、溶鋼湯面の温度が液相線以下になる前に、焼き籾を添加する必要があるので、困難な操業を強いられることとなる。
さて、特許文献１については、発熱性保温剤の発煙による水素の発生を防止するためには、焼き籾の添加時期を遅らせる必要があるが、保温性が劣ってしまう。また、焼き籾の添加時期、厚さについては全く開示されていない。
【００１３】
特許文献２については、断熱性に優れた焼き籾を添加していないので、保温性に劣る。また、耐火物ボードの発煙により発生する水素ガスの逃げ場所がなく、水素性欠陥を防ぐことができない。
特許文献３については、焼き籾を一度に保温剤の上から投入するので、発煙中に含まれる水素ガスの混入を防止することができない。
【００１４】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、添加された発熱性保温剤の発煙が終了した後に焼き籾を添加するにあたり、焼き籾の添加量を制御することで、インゴット内の沈降性介在物欠陥と水素性ブローホール欠陥を低減することができる下注造塊方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる下注造塊方法は、下注造塊時に鋳型内の溶鋼湯面を保温すべく、前記鋳型内への前記溶鋼の注湯を終了する前に、発熱性保温剤を前記溶鋼に対して添加した後に、さらに前記溶鋼湯面の保温を行うために、焼き籾を前記溶鋼に対して添加することにより、鋼塊を製造する下注造塊方法において、前記焼き籾を添加する時期を、前期添加と後期添加との二期とすることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記前期添加では、前記溶鋼1トン当たり1〜3kgの前記発熱性保温剤を投入した直後に、20〜40mm厚に相当する前記焼き籾を添加することとし、前記後期添加では、前記発熱性保温剤による発煙が終了した後に、60〜120mm厚に相当する前記焼き籾を添加するとよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、添加された発熱性保温剤の発煙が終了した後に焼き籾を添加するにあたり、焼き籾の添加量を制御することで、インゴット内の沈降性介在物欠陥と水素性ブローホール欠陥を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】下注造塊の鋳型と沈降性介在物の発生状況を模式的に示した図である。
【図２Ａ】実験装置のレイアウトの概要を模式的に示した図である。
【図２Ｂ】溶解炉上部への熱電対の設置状況を示した画像である。
【図３】焼き籾を１回で全量添加した場合における溶鋼湯面近傍の温度変化を示した図である。
【図４】焼き籾を２回に分割して添加した場合における溶鋼湯面近傍の温度変化を示した図である。
【図５】含熱量と、温度との関係を示した図である。
【図６】熱伝導率と、温度θとの関係を示した図である。
【図７】特性温度φと、温度θとの関係を示した図である。
【図８】固相率と、温度との関係を示した図である。
【図９】固相率と、伝熱計算に使用した温度との関係を示した図である（直線近似）。
【図１０】伝熱計算の手順を示したフローチャートである。
【図１１】溶鋼湯面付近の温度変化の測定値と、溶鋼湯面付近の温度変化の計算結果とを比較したものをまとめた図である。
【図１２】発熱ピーク位置より400秒後における熱流束と、焼き籾の厚みとの関係を整理した結果を示した図である。
【図１３】伝熱計算によって得られた溶鋼湯面下1mmの位置の固相率と、発熱性保温剤を投入してからの経過時間の関係を示した図である。
【図１４】発熱ピーク位置から400秒後の熱流束と、溶鋼湯面で固相が生成し始める時間との関係を示した図である。
【図１５】発熱性保温剤を添加した直後の発煙の状況と、発熱性保温剤を添加した直後に焼き籾を25mm厚相当添加した後の状況と、発熱性保温剤を添加した直後に焼き籾を100mm厚相当添加した後の状況を示した画像である。
【図１６】2.5cm厚のときの流体の通過速度Q0を1として表した焼き籾の厚みと、流体の通過速度の比Q/Q0との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明にかかる下注造塊方法の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。
本発明の下注造塊方法は、添加した直後の発熱性保温剤７による発煙途中において、焼き籾８を所定量添加し、さらに、発熱性保温剤７による発煙が終了した後に焼き籾８の残りの量を添加する方法である。
【００２０】
つまり、本発明の下注造塊方法は、下注の注入管を用いて鋳型底３の注入口４から鋳型１内に溶鋼５を注入する際に、発熱性保温剤７の添加後に、インゴット頂部の保温のために添加する焼き籾８を２回（前期添加と後期添加）に分けて投入し、発熱性保温剤７による溶鋼湯面６の温度上昇効果を延長し、欠陥の原因となる沈降性介在物９の発生を抑制しつつ、発熱性保温剤７の発煙によって水素ガスが発生し、水素起因によるブローホール欠陥を防止し高品質の鋼を製造することにある。
【００２１】
なお、本発明は、鋳型底３の内径が1000〜2000mmの範囲の下注ぎ鋳型１を対象とする。また、この焼き籾８の添加量については、１回目（前期添加）の量と２回目（後期添加）の量をそれぞれ決めておく。
鋳型１を用いて鋼塊を製造する造塊方法には、溶鋼５の注入方向の違いから「下注ぎ方式」と「上注ぎ方式」の２種類がある。上注ぎ方式は、鋳型１の上部の開口した部分に、取鍋から直接溶鋼５を注ぎ込む方式である。
【００２２】
それに対して、「下注ぎ方式」は、ロート状の注ぎ口が設けられた垂直方向を向いた注入管１１と湯道煉瓦１０を経由して、鋳型１内に、注入口４を介して、溶鋼５を下方から上方へ噴出させるように注ぎ込む方式である（図１参照）。
本発明は、鋳型1基の注湯量が40t〜80tである鋳型１を対象としている。この鋳型１の底部３の内径については厚板製品の板厚と圧延比から、1000〜2000mmである。
【００２３】
溶鋼５の注湯終了前に、発熱性保温剤７を投入した後で、焼き籾８を追加投入する理由としては、インゴットの頂部を保温して凝固することを抑え、頂部に介在物を浮上させるとともに、インゴット内の引巣や中心偏析を防止するためである。
発熱性保温剤７と焼き籾８の添加時期については、鋳型１内の溶鋼湯面６が押し湯部２に到達した後で行う。
【００２４】
発熱性保温剤７については、溶鋼1トン当たり1〜3kg投入する。これは、通常の操業で行っている添加量である。
本発明においては、焼き籾８を追加添加する時期を、前期添加と後期添加とに２分割することとしている。
まず、焼き籾８の前期添加については、発熱性保温剤７を添加した後、直ちに、断熱性に優れた焼き籾８を、発熱性保温剤７による発火、発煙が続いている上から添加する。つまり、焼き籾８の前期添加（１回目の投入）については、溶鋼1トン当たり1〜3kgの発熱性保温剤７を投入した後、すぐに焼き籾８の添加を行うこととする。
【００２５】
ただし、焼き籾８の前期添加（１回目の投入）については、鋳型１内における焼き籾８の厚み=20〜40mm厚に相当する量の焼き籾８を添加する。
次に、焼き籾８の後期添加については、発熱性保温剤７による発煙が終了した後に、焼き籾８を追加添加し、インゴットの頂部を保温する。つまり、焼き籾８の後期添加（２回目の投入）については、発熱性保温剤７による発煙が終了した後に、焼き籾８の添加を行うこととする。
【００２６】
ただし、焼き籾８の後期添加（２回目の投入）については、鋳型１内における焼き籾８の厚み=60〜120mm厚に相当する量の焼き籾８を添加する。
［実験例］
以下に、本発明の下注造塊方法に従って実施した実験例について、説明する。
本実験例における実験条件については、以下の通りである。
【００２７】
図２Ａに、実験装置のレイアウトの概要を模式的に示す。図２Ｂに、溶解炉１２上部への熱電対の設置状況を示す。
溶鋼湯面６の温度測定については、以下の通りである。
型内剤、発熱性保温剤７、焼き籾８等を添加した状況で溶鋼湯面６の温度がどのように低下するのかを把握するため、500kg高周波溶解炉１２（内径400mm、深さ700mm）における実験を行った。
【００２８】
図２Ａ、図２Ｂに示すように、３本のＢ熱電対を一端を封じた透明石英管１３(φ9×7×L1000mm)に装入し、且つ、透明石英管１３の先端について10mmづつずらして、10mmづつ深さの異なる位置の温度を測定できるように、アングルに固定した。
このアングルを写真用三脚１４の雲台に取り付け、三脚１４の上下高さ調節用ハンドルによって熱電対の位置を調節できるように、写真用三脚１４を改造した。溶鋼湯面６からの目標設定位置は原則として、メニスカス下:10mm,20mm,30mmとなるようにした。
【００２９】
また、赤外線表面温度計１５を用いて、溶鋼湯面６の温度を測定した。
表１に、実験に用いた溶鋼５の化学成分組成(mass%)の一例を示す。
【００３０】
【表１】
2019217531.tif 000003
【００３１】
溶鋼５の液相線温度TLL(℃)については、成分と式（１）より計算し、溶鋼５の固相線温度TSL(℃)については、成分と式（２）より計算した（参考文献：平居正純ら：学振19委、第5回凝固現象協議会資料、凝固46(1968年12月)参照）。
・溶鋼５の液相線温度TLL(℃)=1538-(55×C(%)+80×C(%)2+11×Si(%)+4.8×Mn(%)+1.5×Cr(%)+3.1×Ni(%)  ・・・(１)
・溶鋼５の固相線温度TSL(℃)=1440-(20.5×Si(%)+6.5×Mn(%)+500×P(%)+700×S(%)+2×Cr(%)+11.5×Ni(%)+5.5×Al(%))  ・・・(２)
ただし、%(mass%、以下同様)である。
【００３２】
溶鋼５の液相線温度TLL=1491℃となり、溶鋼５の固相線温度TSL=1422℃となった。
型内剤については、Cを20mass%含有し、残りはSiO2,Al2O3等からなるものを使用した。
また、発熱性保温剤７のうち、最初に投入する速効性保温剤については、Ca量:10mass%以上、Si量:20mass%以上、Fe2O3:40mass%以上含むものである。続けて投入する遅効性保温剤については、金属Al:10mass%程度含み、残りはAl2O3,SiO2を含有するものである。
【００３３】
また、焼き籾８については、市販されている低温で籾殻を燻して炭化させたものであり、SiO2:90mass%程度のものである。それぞれの焼き籾８の添加量については、実際の60t鋳型の溶鋼湯面６の面積と、500kgの高周波炉の溶鋼湯面６の面積当たりの添加層の添加量（厚さ）が同じになるようにして実験を行った。
型内剤の添加量:32.8kg/m2、発熱性保温剤７（速効性保温剤）の添加量:33.9kg/m2、発熱性保温剤７（遅効性保温剤) の添加量:40.6kg/m2である。溶鋼湯面６における型内剤の厚みについては40mm、発熱性保温剤７の厚みについては80mmで一定とし、焼き籾８の厚みについては0〜100mmとした。なお、これら厚みについては、いずれも添加前のかさ密度より高さに換算したものである。
【００３４】
また、型内剤のかさ密度:0.8g/cm3、発熱性保温剤７（速効性保温剤）のかさ密度:1.9g/cm3、発熱性保温剤７（遅効性保温剤)のかさ密度: 0.7g/cm3、焼き籾８のかさ密度:0.17g/cm3である。
溶鋼湯面６近傍の温度測定結果については、以下の通りである。
図３、図４に、溶鋼湯面６近傍の温度を測定した結果を示す。
【００３５】
各熱電対の浸漬深さについては、溶鋼湯面下:10mm,20mm,30mmとなるように設定したが、測定後に回収した保護管の浸食状況から、各熱電対の浸漬位置を推定して図中に示した。
このように、設定値と実際の浸漬位置が異なる理由としては、支持アングルのたわみや、溶鋼湯面６で観察した浸漬後の保護管の様子から、微調整したためと考えられる。
【００３６】
図３に、発熱性保温剤７を添加した後、約500秒で100mm厚の焼き籾８を添加した場合、すなわち焼き籾８を１回で全量添加した場合における溶鋼湯面６近傍の温度変化の測定結果の一例を示す。
図３に示すように、発熱性保温剤７の燃焼によって温度が急上昇し、深さ10mm位置では1580℃以上に達する。発熱性保温剤７の発熱が終了するにつれて温度が降下する。
【００３７】
焼き籾８を添加した時点では、各深さ(10mm,20mm,30mm)の温度とも、1500℃程度に低下している。その後、約700秒の時点で、溶鋼５の液相線温度TLL=1491℃を下回って、低下し続けていることがわかる。
一方、図４に、発熱性保温剤７を添加した後、約13秒で25mm厚に相当する焼き籾８を添加し、さらに発熱終了後の約750秒後の時点で更に75mm厚相当の焼き籾８を添加した場合、すなわち焼き籾８を２回に分割添加した場合における溶鋼湯面６近傍の温度変化の測定結果の一例を示す。
【００３８】
図４に示すように、発熱性保温剤７の燃焼によって温度が急上昇し、深さ13mm位置では1595℃以上に達する。発熱性保温剤７の発熱が終了するにつれて温度が降下する。
２回目に焼き籾８を添加した時点では、各深さ(13mm,23mm,33mm)の温度とも1503〜1505℃程度に低下している。その後、約1000秒の時点で、溶鋼５の液相線温度TLL=1491℃に達し、溶鋼５の液相線温度を維持しつ続けていることがわかる。
【００３９】
溶鋼湯面６近傍の温度変化に関する伝熱計算の手順については、以下の通りである。
測定した結果に基づき、溶鋼湯面６から奪われる熱量（熱流束）を求めるため、１次元の非定常伝熱計算を行った。
伝熱差分方程式の誘導については、以下の通りである。
鋼の比熱c、密度ρ、温度θ、時間tとし、鋼の熱伝導率kが温度によって変化する場合、熱伝導方程式は、式(３)のように表される。
【００４０】
【数１】
2019217531.tif 000004
【００４１】
鋼の熱伝導率kが温度によって変化する量を、式(３)に加味し線形の微分方程式を得るために、式(４)のように、特性温度φに変数変換を行う。なおここでkdは、通常θd=0℃の熱伝導率を採用している。
【００４２】
【数２】
2019217531.tif 000005
【００４３】
また、鋼の比熱cも温度によって変化するので、式(５)のように、含熱量Hに変換して計算を行う。
【００４４】
【数３】
2019217531.tif 000006
【００４５】
上記の式（４）及び式（５）を、式（３）に代入すると、式（６）が得られる。
【００４６】
【数４】
2019217531.tif 000007
【００４７】
次に、式（６）をTaylor展開し、近似差分方程式に変換する。∂H/∂tをf’(t)、時間tの時の含熱量をHx、微小時間Δt変化した時の含熱量をHx’とすると、式（７）が得られる。
Hx’=Hx+Δt・f’(t)   ・・・（７）
式（７）の偏微分項f’(t)を差分化したものを、式（８）に示す。
【００４８】
【数５】
2019217531.tif 000008
【００４９】
ここで、Δxは、差分におけるメッシュ間隔である。Δx1=Δx2であるので、式（８）は、式（９）のようになり、内部点における差分伝熱式が得られる。
【００５０】
【数６】
2019217531.tif 000009
【００５１】
表面点においては、熱の出入りQxが加わるので、温度勾配が一定のまま表面よりΔx離れたところの仮想的な変換温度φx+1を考えて差分で表すと、式（１０）のように表される。
【００５２】
【数７】
2019217531.tif 000010
【００５３】
式（１０）より、式（１１）が得られる。
【００５４】
【数８】
2019217531.tif 000011
【００５５】
これを式（７）に代入すると、表面点の差分伝熱式、式（１２）が得られる。
【００５６】
【数９】
2019217531.tif 000012
【００５７】
なお、上記の伝熱計算に用いた鋼の温度と含熱量との関係については、（参考文献：「連続鋼片加熱炉における伝熱実験と計算方法」：社）日本鉄鋼協会共同研究会熱経済技術部会加熱炉小委員会編集(1971)5月10日発行）に示されている、中炭素鋼(0.4%C)のデータを用いた。
図５に、含熱量と、中炭素鋼の温度との関係を示す。
【００５８】
本実験例の伝熱計算では、凝固に関係する液相から、固相が晶出し始める部分での計算であるため、図５中においては800〜1600℃の値のみを示している。また、後述する溶鋼５の液相線温度〜固相線温度の間では、凝固時に70cal/gの凝固潜熱を発生するとしており、液相線温度以上の溶鋼５の比熱は0.15cal/g・℃としている（参考文献：安田一美、皆川昌紀、梶岡博幸：鉄と鋼、80(1994)12,p.896）。
【００５９】
図５では、固液共存域の含熱量の変化を直線で表しているが、後述するように、固相率の変化に合わせて含熱量を変化させた。
また、特性温度φの計算に用いた鋼の温度θと熱伝導率との関係も、上記と同様に、（参考文献：「連続鋼片加熱炉における伝熱実験と計算方法」：社）日本鉄鋼協会共同研究会熱経済技術部会加熱炉小委員会編集(1971)5月10日発行）に示されている、中炭素鋼(0.4%C)のデータを用いた。
【００６０】
図６に、熱伝導率と、中炭素鋼の温度θとの関係を示す。
溶鋼５の熱伝導率については、発熱性保温剤７による発熱がほぼ終了する150秒から300秒までは0.09993cal/(cm・s・℃)（参考文献：安田一美、皆川昌紀、梶岡博幸：鉄と鋼、80(1994)12,p.896）を用いたが、その後は発熱によって対流が加速されることによると考えられる温度の均一化に合わすため、見かけ上、４倍の値を用いている。
【００６１】
図７に、図６の熱伝導率に基づき、θd=0℃の熱伝導率kd=0.125cal/(cm・s・℃)を用いて、式(４)より計算した特性温度φと、温度θとの関係を示す。
凝固途中の温度をT1とし、液相線温度をTLLとし、純鉄の凝固温度をTMとし、平衡分配係数をkとすると、固相率fsとの間に、以下の関係（式（１３））が成り立つ。
・fs=(TLL-T1)/{(1-k)・(TM-T1)}  ・・・(１３)
図８に、TM=1538℃とし、TLL=1491℃として、凝固途中の温度と、固相率との関係を計算した結果を示す。
【００６２】
図９に、図８の関係を４本の直線に置き換え、近似した結果を示す（直線近似）。
この伝熱計算プログラムでは、４分割した温度域ごとに、直線近似した温度と固相率の関係の式を用いて計算した。なお、平衡分配係数の値は、液相線温度TLLで固相率fs=0、固相線温度TSLで固相率fs=1を満たすように決定した。
本実験例で計算した中炭素鋼では、k=0.4052であった。
【００６３】
図１０に、伝熱計算プログラムのフローチャートを示す。なお、計算については、マイクロソフト社のエクセル（商標登録）のマクロを使用して行った。
溶鋼湯面６付近の温度変化に関する伝熱計算の結果と、溶鋼湯面６付近の温度変化の測定結果との比較については、以下の通りである。
図１１に、溶鋼湯面６付近の温度変化の測定値と、溶鋼湯面６付近の温度変化の計算結果とを比較したものを示す（図３、図４に相当する伝熱計算結果を比較したもの）。
【００６４】
なお、図１１では、実際の温度の測定結果に近づくように、溶鋼湯面６からの熱流束を変化させて伝熱計算を行った。
熱流束と、焼き籾８の厚さとの関係については、以下の通りである。
溶鋼湯面６から熱流束を比較するため、発熱性保温剤７が発熱した後の急激な温度上昇が鎮まった位置、つまり発熱ピーク位置から400秒後の熱流束と、焼き籾８の厚みとの関係を求めた。
【００６５】
すなわち、図３、図４を参照すると、発熱性保温剤７の発熱による温度の発熱ピーク位置が約150秒ずれており、この差を補正して発熱ピーク位置より400秒後の熱流束と、焼き籾８の厚みとの関係を整理した。
図１２に、発熱ピーク位置より400秒後における熱流束と、焼き籾８の厚みとの関係を整理した結果を示す。
【００６６】
焼き籾８を１回で全量添加する場合、発熱ピーク位置より400秒後における焼き籾８の厚みについては、焼き籾８が添加される前のもので、焼き籾８の厚み:0cmに相当する。
一方で、焼き籾８を２回に分けて添加する場合、発熱ピーク位置より400秒後における焼き籾８の厚みについては、2.5cm厚の焼き籾８に相当する。さらに、焼き籾８の厚み10cmに相当するデータも記載している。
【００６７】
図１２に示すように、一般的に、熱抵抗は物質の厚さに反比例するため、直線で近似することができる。また、焼き籾８は空隙が大きく、ほとんど空気の熱伝導と見なされる。空気の熱伝導率がスラグの熱伝導率の0.05〜0.14程度であるので、伝熱抵抗の大半が焼き籾８の厚みに依存すると考えられる。
なお、スラグの熱伝導率は、融点近傍で、0.5〜1W/(m・k)である。また、空気の熱伝導率は、500〜700℃において、0.05〜0.07W/(m・k)である。
【００６８】
図１３に、伝熱計算によって得られた溶鋼湯面下1mmの位置の固相率と、発熱性保温剤７を投入してからの経過時間の関係を示す。
図１３に示すように、発熱性保温剤７が発熱した後の急激な温度上昇が鎮まった位置、つまり発熱ピーク位置から400秒後（発熱性保温剤７の添加から460秒後）において熱流束Qが減少するにしたがい、発熱性保温剤７の投入後の溶鋼湯面下1mmの位置の固相率が0から増加し始める時間が遅くなっていることがわかる。
【００６９】
図１４に、発熱ピーク位置から400秒後の熱流束と、溶鋼湯面６で固相が生成し始める時間との関係を示す。
図１２に示すように、発熱性保温剤７を投入したときに、直ちに添加する焼き籾８の厚さを20mm以上とすると、発熱ピーク位置から400秒後における熱流束が1.35cal/(cm2・s)以下となることがわかる。また、図１４に示すように発熱ピーク位置から400秒後における熱流束が1.35cal/(cm2・s)以下となると、溶鋼湯面下1mm位置での固相が生成し始める時間は、発熱性保温剤７を投入してから600秒以上となることがわかる。
【００７０】
通常の実工程において、溶鋼に対して焼き籾８を多量に添加することについては、発熱性保温剤７による発煙が収まってからであり、発熱性保温剤７を投入してから500〜600秒の時期に焼き籾８を添加する。
このことから、溶鋼湯面６で固相の生成し始める時期を、600秒以降にすることにより、焼き籾８を多量に添加することで溶鋼湯面６が振動することによって生じる固相の沈降、すなわち沈降性介在物９の欠陥を防止することができる。
【００７１】
なお、焼き籾８のトータルの添加量については、通常の実操業で、焼き籾８の厚み=80〜160mm厚に相当するものである。この量を添加する理由としては、焼き籾８添加後の凝固過程で押し湯部２の温度が低下して、中心偏析や収縮孔が生成されることをできる限り防止するために、溶鋼湯面６を保温するものであるためである。
したがって、追加投入（後期添加）される焼き籾８の量は、焼き籾８の厚み=60〜120mm厚に相当するものとなる。
【００７２】
発熱性保温剤７の発煙を妨げない焼き籾８の厚みについては、以下の通りである。
初期に添加する焼き籾８を厚くするほど、後の保温効果は増大するが、その厚さを増加させると、発熱性保温剤７による発煙を妨げることとなり、ブローホールや水素性欠陥などが増加してしまうこととなる。
図１５に、500kg高周波溶解炉１２で、発熱性保温剤７を添加した直後の発煙の状況の画像と、発熱性保温剤７を添加した直後に焼き籾８を25mm厚相当添加した後の状況の画像と、発熱性保温剤７を添加した直後に焼き籾８を100mm厚相当添加した後の状況の画像とを示す。
【００７３】
図１５に示すように、発熱性保温剤７の添加直後においては、発熱性保温剤７の燃焼によって激しく発煙が起こっていることがわかる。
また、発熱性保温剤７の添加後に25mm厚相当の焼き籾８を添加した場合、このときの発煙状況は、発熱性保温剤７の添加直後の発煙状況とほとんど変化していないことがわかる。
【００７４】
一方で、発熱性保温剤７の添加後に100mm厚相当の焼き籾８を添加した場合、発煙が抑えられていることがわかる。
一般的に、通気性に関係する流体の通過速度Qは、Darcyの法則から、以下の式(１４)で表される。
・Q=K・A・ΔP/H  ・・・(１４）
ここで、K:通気度、A:断面積、ΔP:圧力差、H:厚さ
また、焼き籾８の通気度については、焼き籾８の厚みによらず一定とし、断面積A、圧力差ΔPも一定とすると、Q∝H-1で焼き籾８の厚みに反比例する。
【００７５】
図１６に、2.5cm厚のときの流体の通過速度Q0を1として表した焼き籾８の厚みと、流体の通過速度の比Q/Q0との関係を示す。
図１６に示すように、焼き籾８の厚みが増加するほど、流体の通過速度は急激に減少することがわかる。溶鋼湯面６に添加した焼き籾８の上面から発煙の状況を観察したところ、焼き籾８の厚さが4cmまでは発煙が観察されたが、焼き籾８の厚さが5cm以上となると観察されなくなった。
【００７６】
このことから、発煙したとき生じるガスを通過させるために必要な、焼き籾８の厚さを4cm以下とした。すなわち、初期投入（前期添加）される焼き籾８の量は、焼き籾８の厚み=20〜40mm厚に相当するものとした。
まとめると、本発明の下注造塊方法は、鋼塊を製造するに際して、鋳型１内への溶鋼５の注湯を終了する前に、発熱性保温剤７を溶鋼５に対して添加する。この発熱性保温剤７の添加は、下注造塊時に鋳型１内の溶鋼湯面６を保温する目的である。
【００７７】
発熱性保温剤７を添加した後に、焼き籾８を追加添加する。この焼き籾８の追加添加は、溶鋼湯面６の保温をさらに行うためである。
ここで、焼き籾８を添加する時期について、前期添加と後期添加との二期とすることとしている。
まず、焼き籾８の前期添加では、溶鋼1トン当たり1〜3kgの発熱性保温剤７を投入した直後に、20〜40mm厚に相当する焼き籾８を添加することとしている。
【００７８】
次に、焼き籾８の後期添加では、発熱性保温剤７による発煙が終了した後に、60〜120mm厚に相当する焼き籾８を添加することとしている。
ところで、発熱性保温剤７を添加した後に、保温性を向上させるために焼き籾８を添加しているが、溶鋼湯面６の温度が低下した状態で焼き籾８を投入すると、その投入時に溶鋼湯面６に与える衝撃で、溶鋼湯面６で凝固し始めた固相が未凝固溶鋼中に、このときに溶鋼湯面６に浮いていた保温剤、型内剤を伴って沈下してしまい、鋼塊ボトム部に捕捉されるため、介在物欠陥となる。
【００７９】
一方、溶鋼湯面６の保温を促進させるため、発熱性保温剤７を投入した直後に、多量の焼き籾８を添加すると、発熱性保温剤７からの発煙による水素を伴ったガスが溶鋼５中に吸収され、水素性欠陥を引き起こすこととなる。
以上、本発明によれば、溶鋼湯面６の保温性を維持し且つ、発熱性保温剤７からの発煙を妨げないように、焼き籾８を前期と後期に２分割して、それぞれ決められた範囲の量を添加することにより、沈降性介在物９、水素性欠陥などを防止することが可能となる。
【００８０】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００８１】
１  鋳型
２  押し湯部
３  鋳型底
４  注入口
５  溶鋼
６  溶鋼湯面
７  発熱性保温剤
８  焼き籾
９  沈降性介在物
１０  湯道煉瓦
１１  注入管
１２  高周波溶解炉
１３  透明石英管（熱電対を装入）
１４  三脚
１５  表面温度計
【図１】
2019217531.tif 000013
【図２Ａ】
2019217531.tif 000014
【図２Ｂ】
2019217531.tif 000015
【図３】
2019217531.tif 000016
【図４】
2019217531.tif 000017
【図５】
2019217531.tif 000018
【図６】
2019217531.tif 000019
【図７】
2019217531.tif 000020
【図８】
2019217531.tif 000021
【図９】
2019217531.tif 000022
【図１０】
2019217531.tif 000023
【図１１】
2019217531.tif 000024
【図１２】
2019217531.tif 000025
【図１３】
2019217531.tif 000026
【図１４】
2019217531.tif 000027
【図１５】
2019217531.tif 000028
【図１６】
2019217531.tif 000029