連続鋳造におけるモールドフラックスの流体密度測定

潤滑剤の提供

液状モールドフラックス層は、成長する鋼殻と鋳型壁の間の摩擦を低減し、固着や機械的裂傷を防止します。均一な潤滑により、ビレットまたはスラブ表面のオシレーションマークや縦割れなどの欠陥を最小限に抑えることができます。鋼と鋳型の界面における溶融スラグの粘度、融点、安定性が決定的な要因となります。界面の潤滑不足は、熱変動や局所的な凝固障害につながります。フラックスの化学組成を調整することで潤滑性を向上させることは、表面平滑性と操業信頼性に直接的に影響します。

二次酸化の防止

モールドフラックスは、物理的なカバーと反応性バリアの両方の役割を果たし、溶鋼を大気ガスから保護します。酸素の侵入を防ぐことで、鋼板表面における不要な酸化物の生成を抑制します。フラックスの組成と物理的特性の安定性、特に塩基度（CaOとSiO₂の比）は、強固なバリア形成を確保し、介在物の生成を抑制します。また、フラックスは、鋼板の清浄度を損なう可能性のあるペロブスカイト析出などの有害な遷移金属の吸収を抑制する必要があります。

吸着性介在物

凝固過程において、非金属介在物は鋼板表面に浮上します。適切に設計されたモールドフラックスは、これらの介在物を効果的に吸着・捕捉し、製品への再混入を防ぎます。フラックスの組成は、二次反応を助長したり粘度を悪化させたりすることなく、この機能を促進する必要があります。介在物を除去しつつ流動性を維持するというこの二重の役割は、高品質の鋼板製造にとって極めて重要です。

表面品質と作業速度への影響

モールドフラックスの有効性は、ビレット、ブルーム、またはスラブの表面仕上げに直接影響します。伝熱と潤滑を均一に制御することで、均一なシェル成長が確保され、オシレーションマークや割れが低減します。工場規模の研究では、最適化されたフラックスパラメータにより、特に鋳造速度が3m/分を超える場合、より滑らかな表面と欠陥の低減が実現できることが確認されています。

連続鋳造プロセスにおける操業速度の向上は、モールドフラックス管理の進歩にかかっています。高速鋳造では、不完全または不規則な溶融、潤滑不足、あるいは局所的な過熱により、壊滅的な表面欠陥やシェルブレイクアウトが発生する可能性があります。速度上昇は、熱流束プロファイル、潤滑安定性、そして欠陥制御の関係をさらに緊密にするため、モールドフラックスの特性を厳密に管理する必要性を改めて強調します。

高速鋳造：フラックスの選択と管理における課題

高速連続鋳造では、モールドフラックスの挙動を制御する上での課題が増大します。

• 不安定な熱伝達:急速凝固により熱勾配が増加し、フラックス特性の堅牢性や応答性が不十分な場合は、不均一なシェル形成や局所的な割れが発生するリスクがあります。
• 結晶化制御:鋳造速度が速いと、凝固スラグ層における結晶質／ガラス質のバランスが崩れる可能性があります。結晶化が速すぎると、フラックス層が閉じ込められ、熱抵抗が最適値を超えて上昇し、内部割れが発生する可能性があります。結晶化が遅すぎると、潤滑過剰と過度の熱損失が発生し、オシレーションマークや凹みが増加します。
• 潤滑性能:速度が速くなると、スラグ膜形成の時間枠が狭くなります。フラックスは低粘度を維持し、溶融を同期させる必要があります。そうしないと、固着や表面の裂け目が発生する可能性があります。
• 酸化防止:攪拌と金属レベルの変動の増加により大気との接触が促進されるため、高い組成安定性と迅速な溶融被覆特性を備えたフラックスが必要になります。
• 包含吸収:排出率が高い場合は、介在物を逃がさずに継続的に捕捉および除去するために、速効性のあるフラックスが必要です。

産業上の経験から、次のような特性が明らかになった。フラックス粘度、結晶化温度、および組成の化学的変化に対する耐性は、継続的に管理・監視する必要があります。このアプローチには、Lonnmeter超音波密度計やLonnmeter音叉密度計などの高度な流体密度測定機器を用いたリアルタイム特性評価が含まれ、フラックス層のダイナミクスを適応的に制御することが可能になります。

つまり、特に品質管理と動作速度の面での連続鋳造プロセスの改善を達成するには、さまざまな鋼種と鋳造条件にわたって熱伝達、潤滑、酸化防止、介在物吸収のバランスをとる厳格なモールドフラックスの特性と制御が不可欠です。

最適な性能を実現するためのモールドフラックスの重要な特性

モールドフラックスは、連続鋳造プロセスの改善と品質管理の中核を成します。その物理的特性は、鋼鋳造における伝熱制御方法、鋳型潤滑技術、そして欠陥防止の有効性を直接左右します。

粘度：潤滑、熱伝達、ひび割れ防止

そのモールドフラックスの粘度鋼殻と銅鋳型間の潤滑を左右する粘度。適切な粘度は、ビレットと鋳型間の摩擦を低減し、溶鋼の二次酸化を防止するために不可欠な、安定した潤滑膜を確保します。粘度が低いほど潤滑性は向上し、鋼殻と鋳型の直接接触や鋼殻の成長の不均一を防ぐことで、縦割れのリスクを最小限に抑えます。しかし、粘度は慎重に管理する必要があります。粘度が低すぎると、過剰な熱伝達によって表面割れが発生する可能性があります。一方、粘度が高すぎると潤滑が不十分になり、鋼殻の固着や割れが発生します。

MgOなどの添加物は、溶湯中のネットワークブレーカーとして働き、活性化エネルギーを低下させ、溶湯構造を変化させます。その結果、粘度が低下し、潤滑性と結晶化挙動の両方が向上し、連続鋳造における冷却がより均一になります。例えば、高速薄スラブ鋳造において粘度を調整することで表面欠陥が大幅に減少し、フラックスを最適化することでシェル成長の均一性が向上し、表面割れが減少しました。

溶融速度と温度：迅速な金型被覆と熱制御

溶融速度と温度は、鋳型が液体フラックスで覆われる速さを決定します。鋳型への迅速かつ均一なフラックスの塗布は、熱抽出を制御し、鋳型形成の初期段階で潤滑性を確保する上で不可欠です。高速鋳造（3 m/分以上）の場合、鋳造効率を維持し、表面欠陥を防止するためには、モールドフラックスの溶融温度は1000℃未満で、41秒以内に溶融を完了する必要があります。

発熱成分（CaSiやSiなど）と粒度分布の最適化は、反応熱を付加することで溶融速度を加速します。これらの特性を最適化することで、フラックスの巻き込みや被覆遅延などの欠陥を最小限に抑えることができます。例えば、高速溶融モールドフラックスは、鋳造速度3m/分を超える場合でも欠陥のない均一な潤滑層を実現します。また、制御された溶融速度は、均一な熱分布を維持し、縦方向の割れを抑制します。

塩基度と成分分率：レオロジーと結晶化の調整

塩基度（CaO/SiO2比）は、モールドフラックスのレオロジー挙動と結晶化パターンに大きな影響を与えます。塩基度が高いと一般的に粘度が低下し、結晶化が促進されるため、フラックスが溶鋼中の介在物を吸着し、均一なシェル成長を促進する効果に影響します。MgO、Al2O3、アルカリ酸化物（Na2O、Li2Oなど）などの他の酸化物の含有量も、フラックスの構造をさらに変化させます。

成分分率によって主要なレオロジー特性が調整されます。

• MgO または Na2O を増やすとケイ酸塩ネットワークが破壊され、溶融粘度が低下し、ガラス質で潤滑性に優れた界面層の形成が促進されます。
• 塩基度を制御することで結晶化プロセスが安定し、鋼と鋳型の間の熱の流れが制御されます。安定したビレットの取り出しと一貫した製品品質には、バランスの取れた結晶化が必要です。

これらの成分比率の変更は、鋳型フラックスの特性と制御を損なう可能性のある逸脱を避けるために、目標の鋼種と鋳造速度と一致させる必要があります。

環境配慮：フッ素フリーフラックスの開発

環境規制の強化により、フッ素フリーのモールドフラックスへの移行が求められています。CaF2やNaFを用いた従来の配合では、職場の空気質と持続可能性を脅かすフッ素系ガスが排出されるためです。フッ素をB2O3、Na2O、TiO2などの酸化物に置き換えることで、粘度と伝熱制御の技術的要求を満たし、有害な排出物を削減できます。

例えば、CaO-SiO2-Al2O3-Na2O-B2O3系は、フッ素系類似物質と同様の融点とレオロジーを示します。Li2Oまたは中程度のNa2Oを添加すると、ガラス構造がさらに単純化され、粘度が低下し、潤滑性が向上します。ベンチ試験では、これらの代替配合が、より低い放出率で競争力のある性能を発揮することが確認されています。しかしながら、困難な鋳造条件下での予期せぬ逸脱を回避するため、成分の選択と塩基度を厳密に管理する必要があります。

ロンメーター超音波密度計やロンメーター音叉密度計は、フラックスの物理的特性を検証し、連続鋳造モールドフラックスの最適化と連続鋳造品質管理をサポートします。これらの機器は、正確な液体モールドフラックス密度測定データを提供し、堅牢で環境に配慮した操業のための日々のプロセス調整に役立ちます。

これらの重要な特性を最適化することで、モールドフラックスが介在物の除去、連続鋳造時の潤滑、効果的で均一な冷却といった役割を果たすことが保証されます。連続鋳造プロセスの各段階は、これらの特性の適切なバランスに結びついています。