(57)【要約】【課題】  ＳＵＪ２鋼など高炭素鋼の連続鋳造は、凝固過程で収縮量が小さく、溶鋼温度が低く、鋳片シェルとモールドの銅板間での潤滑性が低下し、連続鋳片の引抜き中にブレークアウトなどが起こり易い問題を解消するモールドパウダーを提供する。【解決手段】  連続鋳造用のモールドパウダーの化学組成の総ＣａＯ質量％／ＳｉＯ2質量％の塩基度の値を０．２５〜１．０、上記化学組成のフッ素含有量が２〜５質量％、かつ、上記のパウダーの溶融スラグの１３００℃の粘度が１〜３Ｐａ・ｓであり、そのガラス性指標のＮＷｉ＝｛（アルカリ金属酸化物の含有ｍｏｌ数）＋（アルカリ土類金属酸化物の含有ｍｏｌ数)−Ａｌ2Ｏ3の含有ｍｏｌ数｝×２／（ＳｉＯ2の含有ｍｏｌ数＋Ａｌ2Ｏ3の含有ｍｏｌ数×２）を１．３以下とするＳＵＪ２鋼など高炭素鋼用のモールドパウダー。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造装置のモールド内のモールドパウダーからなる溶融スラグの化学組成の内の総Ｃａ量をＣａＯ量に換算した総ＣａＯ質量％とＳｉＯ2質量％の比である塩基度の総ＣａＯ質量％／ＳｉＯ2質量％の値が０．２５〜１．０で、上記化学組成の内のフッ素含有量が０．１〜５質量％で、かつ、上記溶融スラグの１３００℃における粘度が１〜３Ｐａ・ｓであることを特徴とする連続鋳造用モールドパウダー。
【請求項２】
連続鋳造装置のモールド内のモールドパウダーからなる溶融スラグは、そのガラス性を評価する指標としてＮＷｉで示すガラス性評価指数を次式で定義するとき、ＮＷｉが１．３以下であることを特徴とする連続鋳造用モールドパウダー。
ＮＷｉ＝｛（アルカリ金属酸化物の含有ｍｏｌ数）＋（アルカリ土類金属酸化物の含有ｍｏｌ数)−Ａｌ2Ｏ3の含有ｍｏｌ数｝×２／（ＳｉＯ2の含有ｍｏｌ数＋Ａｌ2Ｏ3の含有ｍｏｌ数×２）
ここで、それぞれの酸化物の含有ｍｏｌ数は、質量％より含有質量を計算し、得られた含有質量をそれぞれの酸化物の式量で除することで得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造用のモールドパウダーに関し、特に、炭素含有量が０．６〜１．６％の化学組成を有する鋼で、例えばＪＩＳ規定のＳＵＪ２をはじめとする軸受鋼やＳＫＳ９３やＳＫＤ１１といった工具鋼などに代表される高炭素鋼などの連続鋳造において適用するモールド内のモールドパウダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造において使用するモールドパウダーは、モールド内のメニスカス部より流入した後、鋳片に付着する。従来の連続鋳造において使用するモールドパウダーは、結晶を析出するタイプのものであったので、鋳片がモールドから引き抜かれて、冷却水などで冷却されることによって、鋳片の表面に付着していたモールドパウダーの大部分は表面から剥離してしまっていた。このため鋳片の保温効果は十分ではなく、後工程でのブルームクーラーでの鋳片冷却時に、冷却開始時点で鋳片表面温度が変態開始温度を下回ってしまったり、もしくはベイナイト組織一相とするためには、高い水量密度が必要となり、設備に対する負荷が大きくなったりしてしまっていた。
【０００３】
このようなオーステナイト−フェライト変態を伴う鋼は、連続鋳造後に鋳片に対して加熱炉へ装入する前に注水などによる強制冷却処理を行って鋳片表層部を組織変態点以下の温度に冷却し、鋳片表層の温度を一時的に変態を完了させることが一般的である。
【０００４】
ところで、連続鋳造したブルームなどの鋳片を冷却して、そのブルームの表面層近傍のマクロ組織を観察すると、合金鋼の化学組成や冷却時のオーステナイトの結晶粒の大きさによって異なるものの、その組織は比較的大きなフェライト粒界を伴うフェライト・パーライト組織から構成される。表面欠陥はこれらのフェライト粒界を起点として伝播拡大する事実は良く知られている。このように比較的大きなフェライト粒界を形成すると割れの起点となる問題がある。そこで、変態後の組織はベイナイト組織の一相にすることが理想的である。しかし、変態後の組織をベイナイトとするためには、より高温から冷却を開始する必要がある。
【０００５】
そこで、変態後の組織をベイナイトとするために、鋳造速度を高め、従来の鋳片の冷却よりも前方位置で冷却を実施している。しかし、この方法を実施するためには、設備を改造する必要があるので制約が大きい。
【０００６】
一方、連続鋳造装置のモールド内に添加して溶融後流入潤滑作用を有するものとし、特に非定常操業時の急激な鋳造速度変動に対しても安定した操業性と良好な品質を維持し、生産性を向上する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特許第３８６９５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＪＩＳ規定のＳＵＪ２鋼などの高炭素鋼の連続鋳造では、凝固過程での収縮量が小さいことや、溶鋼温度が低いことなどの点で、鋳片シェルとモールドの銅板間での潤滑性が低下し易い問題あり、さらに高炭素でかつ鉛を含有する鋼では、モールドとの潤滑性に問題を起こし、連続鋳片の引抜き中にブレークアウトなどの不具合が起こり易い問題がある。そこで、本発明が解決しようとする課題は、ＪＩＳ規定のＳＵＪ２鋼などの高炭素鋼の連続鋳造における上記の問題を解消することのできる新規なモールドパウダーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための手段について以下に説明する。請求項１の発明では、連続鋳造装置のモールド内のモールドパウダーからなる溶融スラグの化学組成のうち、総Ｃａ量をＣａＯ量に換算した総ＣａＯ質量％とＳｉＯ2質量％の比である塩基度の値、すなわち、総ＣａＯ質量％／ＳｉＯ2質量％の値が０．２５〜１．０で、上記の化学組成のうち、フッ素含有量が０．１〜５質量％、望ましくは２〜５質量％で、かつ、上記の溶融スラグの１３００℃における粘度が１〜３Ｐａ・ｓであることを特徴とする連続鋳造用モールドパウダーである。
【００１０】
請求項２の発明では、連続鋳造装置のモールド内のモールドパウダーからなる溶融スラグは、そのガラス性（非晶質性）を評価する指標としてＮＷｉで示すガラス性評価指数を、次式で定義するとき、ＮＷｉが１．３以下であることを特徴とする請求項１の手段の連続鋳造用モールドパウダーである。
ここに、ＮＷｉ＝｛（アルカリ金属酸化物の含有ｍｏｌ数）＋（アルカリ土類金属酸化物の含有ｍｏｌ数)−Ａｌ2Ｏ3の含有ｍｏｌ数｝×２／（ＳｉＯ2の含有ｍｏｌ数＋Ａｌ2Ｏ3の含有ｍｏｌ数×２）である。なお、それぞれの酸化物の含有ｍｏｌ数は、質量％より含有質量を計算し、得られた含有質量をそれぞれの酸化物の式量で除することで得られる。
【００１１】
上記の手段において、ＮＷｉの値は小さいほどガラス性が高く、降温過程においてより低い冷却速度まで結晶の晶出が起こりにくい。しかし、ＮＷｉの値が大きいと、結晶が晶出しやすく、ガラス化するにはより高い冷却速度が必要となる。
【００１２】
以下本発明における、種々の限定理由について説明する。
塩基度の総ＣａＯ質量％／ＳｉＯ2質量％を０．２５〜１．０とする理由
塩基度の０．２５〜１．０は、連続鋳造用モールドパウダー業界において一般的に低塩基度領域とされている範囲である。通常、モールド内のメニスカスから流入したパウダーフィルムは、鋳片初期における凝固シェルの緩冷却化のために結晶の晶出を必要とされている。ところで、この結晶の晶出性を高めるには、高塩基度化が効果的である。すなわち、この高塩基度化は、網目形成酸化物（ネットワークフォーマー）であるＳｉＯ2よりも網目修飾酸化物（ネットワークモディファイヤー）であるＣａＯの割合を高めることである。したがって、この高めたＣａＯによってガラスの網目構造を分断する結果、結晶が晶出しやすくなる。つまり、結晶を晶出しにくくするためには、網目構造がなるべく分断されていない低塩基度組成が望まれることとなる。そこで、塩基度のＣａＯ／ＳｉＯ2を０．２５〜１．０とする。
【００１３】
フッ素含有量を０．１〜５質量％、望ましくは２〜５質量％とする理由
フッ素も網目構造を分断する傾向を有するので、フッ素の含有量は５質量％以下とする。しかし、フッ素含有量を０％とするとカスピダイン（Ｃｕｓｐｉｄｉｎｅ：カルシウム、フッ素、水酸基を含むソロケイ酸塩鉱物）が晶出しなくなり、モールド内の抜熱が乱れるため、固着層中にカスピダインを晶出させるためにフッ素含有量の下限を０．１質量％、望ましくは２質量％とした。そこで、フッ素含有量を０．１〜５質量％、望ましくは２〜５質量％とする。
【００１４】
１３００℃における粘度１〜３Ｐａ・ｓとする理由
１〜３Ｐａ・ｓは、連続鋳造用モールドパウダー業界において一般的に高粘度であるとされている範囲である。粘度が１Ｐａ・ｓよりも小さいと鋳片シェル−銅板間へ流入するモールドパウダーの厚みが薄すぎ十分に潤滑性の効果が得られない。一方、モールドパウダーの粘度が高いほど鋳片シェル−銅板間へのモールドパウダーの流入層であるパウダーフィルムの厚みが大きくなる。パウダーフィルムの厚みが大きくなると液体潤滑層の厚みも大きくなる。しかし、粘度が３Ｐａ・ｓを超えると、鋳片シェルの表面と接するパウダーフィルムの粘度が高くて鋳片シェルに働く摩擦が大きくなり、潤滑性が低下するため安定鋳造が困難となる。そこで、１３００℃における粘度１〜３Ｐａ・ｓとする。
【００１５】
本願の発明における連続鋳造用モールドパウダーの適用できる対象鋼種は、鋼の化学組成において、Ｃが０．６〜１．６％である高炭素鋼で、例えばＪＩＳ規定のＳＵＪ２などである。この鋼の化学組成におけるＣの含有％の限定理由は次のとおりである。
【００１６】
Ｃが０．６％以上とする理由は、炭素が０．６％未満の高炭素鋼の連続鋳造では、凝固過程での収縮量が小さく、さらに溶鋼温度が低いことから、鋳片シェルとモールド銅板間にモールドパウダーが流入しにくく、このために鋳片シェルとモールド銅板間で潤滑性に問題を起こして連続鋳造鋳片がブレークアウトなどの不具合が起こりやすいことによる。
【００１７】
Ｃが１．６％以下とする理由は、炭素が１．６％を超える高炭素鋼の連続鋳造では、溶鋼温度が低すぎるため、連続鋳造するためには、専用のモールドパウダーが必要となり、本発明のモールドパウダーでは対応できないことによる。
【発明の効果】
【００１８】
本願発明は連続鋳造時に上記の手段の本発明のモールドパウダーを用いることで、モールドとの潤滑性が問題となりやすいＪＩＳ規定のＳＵＪ２などの高炭素鋼を安定に連続鋳造でき、さらに、スラグのガラス性を評価するＮＷｉが１．３以下としたことでガラス性が高く、高温での潤滑性が良好であり、その結果、ブレークアウトすることなく表面性状の優れた連続鋳片を得ることができるなど、本発明は従来にない優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態を以下に説明する。
＜結晶の晶出＞
モールドパウダー組成および物性値を示す表１において、例えば、発明例１のモールドパウダーは、１５７３Ｋの融液状態から５Ｋ／ｍｉｎで９７３Ｋ（７００℃）まで冷却しても結晶が晶出しないが、実機より採取したパウダーフィルム中には、図１の銅板側に示すように、固相である結晶のカスピダインの晶出がある。つまり、モールドパウダーが鋳片のシェル−銅板間に流入後、モールドの銅板で冷却されて固着したフィルムは、初期状態では結晶の晶出の無いガラス状（非晶質）である。しかし、モールドの銅板に固着して高温で保持される間に結晶が晶出することとなる。加熱試験の結果、本発明のモールドパウダーは、１０７３Ｋ（８００℃）以上の温度で保持しないと結晶は晶出しないことから、モールドの銅板と接触している側のフィルムの表面温度は１０７３Ｋ（８００℃）以上と推定された。これより、固着状態で高温に保持されないと結晶が晶出しないため、図１の液相側に示すように、鋳片のシェル側のフィルム中には結晶は晶出せず、鋳片のシェルとフィルムとの間は完全に液体潤滑状態に維持でき、良好な潤滑特性が得られる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
＜ガラス性評価指標、ＮＷｉ＞
モールドパウダー融液中においては、モールドパウダーの構成成分中のＳｉ、Ａｌはネットワークフォーマーとして働き、ＳｉＯ4、ＡｌＯ4クラスターを形成してネットワークを形成する。一方、モールドパウダーの構成成分中のアルカリおよびアルカリ土類はネットワークモディファイヤーとして働き、ネットワークを分断する。これらの成分中のＳｉとＳｉ、もしくはＳｉとＡｌを結ぶのは必ず酸素である。したがって、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−および−Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−となった酸素は架橋酸素（ＢＯ、すなわち、Ｂｒｉｄｇｉｎｇ  Ｏｘｙｇｅｎ）と呼ばれている。一方、−Ｓｉ−Ｏ−Ｎａのようになった酸素はＮａで分断されているため、非架橋酸素（ＮＢＯ、すなわち、Ｎｏｎ  Ｂｒｉｄｇｉｎｇ  Ｏｘｙｇｅｎ）と呼ばれている。これらのことから、モールドパウダー組成よりネットワークの形成具合、つまりガラス性をガラス性評価指標のＮＷｉ評価することができる。
【００２２】
例えば、アルカリ酸化物のＮａ2Ｏひとつでネットワークを２個所分断する（Ｎａ+が２個）。つまり、ＮＢＯを２個生成する。同じく、アルカリ土類酸化物のＣａＯひとつでネットワークを２個所分断（Ｃａ2+）し、ＮＢＯを２個生成する。また、ＡｌＯ4はＡｌＯ4-）のため、一価のプラスイオンによって電荷を保証する必要があるため、ＡｌＯ4クラスターが一個あればネットワークを分断するプラスイオンを一個消費する。このため、ネットワークの分断つまり非架橋酸素（ＮＢＯ）の生成が１個減少する。
【００２３】
ところで、上記のガラス性評価指標のＮＷｉ式の分数で示す分子の部分では、ネットワークの分断数、つまり非架橋酸素（ＮＢＯ）の生成個数を算出している。ＳｉおよびＡｌ共に４配位のクラスターを形成することから、周囲４個の酸素と結合している。さらに、ＮＷｉ式の分母の部分は、ネットワークモディファイヤーの数で除することで、１個のネットワークモディファイヤー（すなわち、Ｓｉ、Ａｌ）の周囲４個の酸素の内、ネットワークが分断された非架橋酸素（ＮＢＯ）の数が求まり、これよりネットワークの形成具合が評価できる。このため、ＮＷｉの最小値は０（ＳｉＯ2のみの石英や水晶の場合）であり、最大値は４（ネットワークが全く形成されていない場合）となる。
【００２４】
ＳＵＪ２鋼を溶製した後、鋳造速度０．５０ｍ／ｍｉｎで連続鋳造し、鋳片を得た。この場合、表１に示す発明例１〜５および比較例１〜８における組成、塩基度、粘度、ＮＷｉからなる各モールドパウダーを用いた。この連続鋳造で得られた鋳片表面の性状は、表１に示した。表１において、良は操業異常なしで鋳片表面性状良好、悪は操業異常ありで鋳片表面欠陥発生をそれぞれ示している。
【００２５】
表１に示すように、発明例１のモールドパウダー中のＦ（フッ素）含有量は４．５質量％、塩基度は０．６０、粘度は１．１Ｐａ・ｓ、ＮＷｉは０．９９で、いずれも本発明の請求項の範囲のものであった。このモールドパウダーを使用した結果、連続鋳造機から引き抜かれた鋳片では、鋳片シェル側のモールドパウダー中には結晶は晶出することなくガラス質であり、したがって、鋳片シェルとモールド間は完全に液体潤滑状態を維持でき、鋳片はブレークすることなく引抜き出来た。この結果、操業は良好で異常はなく、引抜かれた鋳片の表面性状も良好であった。
【００２６】
その他の表１に示す本発明例１〜５のモールドパウダーは、いずれもその指標は本発明の範囲を満足するものであり、その結果、いずれも操業は良好であり、引抜かれた鋳片の表面清浄も良好であった。
【００２７】
以上に反し、比較例１のモールドパウダー中のＦ（フッ素）含有量は７．２質量％で本発明の範囲外で高く、塩基度は０．７６で本発明の範囲内であるが、粘度は０．２４Ｐａ・ｓと本発明の範囲外で低く、ＮＷｉは１．８８と本発明の範囲外で高く、本発明の請求項の範囲から外れたものであった。このモールドパウダーを使用した結果、連続鋳造記から引き抜かれた鋳片では、鋳片シェルとモールド間は完全には液体潤滑状態が維持できず、したがって、得られた鋳片は表面に欠陥が部分的に発生し、鋳片の表面性状は悪かった。
【００２８】
その他の比較例２〜８では、比較例４はＦ（フッ素）含有量が本発明よりも高く、塩基度は、比較例１〜５ではいずれも本発明の範囲内であるが、比較例６及び８では本発明よりも低く、比較例７では本発明よりも高く、粘度は比較例２、３、６が本発明よりも高く、比較例４、５、７が本発明よりも低く、ＮＷｉは比較例２、３、６は本発明の範囲であるが、比較例４、５、７、８は本発明よりも高く、比較例２は鋳片焼き付きの操業異常があり悪で、比較例３〜８はいずれも鋳片表面欠陥を発生し、比較例３〜８は悪で、いずれも満足できないものであった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】モールド内のメニスカス近傍のパウダーフィルム内の温度分布を示すグラフである。
【図１】
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