連続鋳造におけるモールドフラックスの流体密度測定

潤滑油の提供

液状モールドフラックス層は、成長する鋼シェルとモールド壁との間の摩擦を低減し、固着や機械的破損を防ぎます。均一な潤滑は、ビレットやスラブ表面の振動痕や縦方向の亀裂などの欠陥を最小限に抑えます。鋼とモールドの界面における液状スラグの粘度、融点、および安定性が決定的な要素となります。潤滑不足の界面は、熱変動や局所的な凝固障害を引き起こします。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、表面の滑らかさと操業信頼性に直接的に結びつきます。

二次酸化の防止

モールドフラックスは、溶融鋼を大気中のガスから保護する物理的な被覆材と反応性バリアの両方の役割を果たします。酸素の侵入を防ぐことで、鋼表面での不要な酸化物の生成が抑制されます。フラックスの組成と物性、特に塩基度（CaOとSiO₂の比）の安定性は、強固なバリア形成を保証し、介在物の生成を抑制します。また、フラックスは、鋼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の吸収も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、非金属介在物は鋼材表面に浮上します。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率的に吸着・捕捉し、製品への再混入を防ぎます。フラックスの組成は、二次反応を促進したり、粘度を悪化させたりすることなく、この機能を果たすものでなければなりません。介在物を除去しながら流動性を維持するというこの二重の役割は、高品質鋼の製造において極めて重要です。

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。熱伝達と潤滑を均一に制御することで、シェル成長が均一になり、振動痕や亀裂が低減されます。プラント規模の研究により、最適化されたフラックスパラメータは、特に3m/分を超える鋳造速度において、より滑らかな表面とより少ない欠陥を実現することが確認されています。

連続鋳造プロセスの操業速度向上は、モールドフラックス管理の進歩に大きく依存する。高速化に伴い、溶融不良や溶融ムラ、潤滑不足、局所的な過熱などが、表面の破損やシェルの剥離といった深刻な問題を引き起こす可能性がある。速度の上昇は、熱流束分布、潤滑安定性、および欠陥制御の関係性をさらに複雑化させ、モールドフラックス特性の厳密な管理の必要性を一層高める。

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ことがより困難になる。

• 不安定な熱伝達：急速な凝固は温度勾配を増大させ、フラックスの特性が十分に堅牢または応答性がない場合、不均一なシェル形成や局所的な亀裂のリスクを高める。
• 結晶化制御：鋳造速度が速すぎると、凝固したスラグ層における結晶質と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、内部亀裂が発生することがあります。結晶化が遅すぎると、潤滑が過剰になり、熱損失が大きくなり、振動痕や凹みが増加します。
• 潤滑性能：高速回転では、スラグ膜形成のための時間的猶予が狭まる。フラックスは低粘度を維持し、溶融を同期させなければ、付着や表面の剥離が発生する可能性が高くなる。
• 酸化防止：攪拌の増加と金属濃度の変動は、大気との接触を促進するため、組成安定性が高く、溶融物を迅速に覆う特性を持つフラックスが必要となる。
• 包接吸収：高い排出速度では、介在物が漏れ出すことなく、継続的な捕捉と除去を維持するために、速効性のフラックスが必要となる。

産業経験から、次のような特性がフラックス粘度結晶化温度や化学変化に対する組成抵抗は、継続的に管理・監視する必要があります。そのためのアプローチとしては、ロンメーター超音波密度計やロンメーター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あり、これによりフラックス層の動態を適応的に制御することが可能になります。

要するに、鋳造工程の継続的な改善、特に品質管理と操業速度の向上を実現するには、モールドフラックスの特性を厳密に管理し、多様な鋼種や鋳造条件において、熱伝達、潤滑、酸化防止、介在物吸収のバランスを取ることが不可欠である。

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において中心的な役割を果たします。その物理的特性は、鋼鋳造における熱伝達制御方法、金型潤滑技術、および欠陥防止の有効性を直接的に左右します。

粘度：潤滑、熱伝達、および亀裂防止

のモールドフラックスの粘度鋼製シェルと銅製鋳型間の潤滑を制御する。適切な粘度は、ビレットと鋳型間の摩擦を低減し、溶鋼中の二次酸化を防ぐために必要な、安定した潤滑膜を確保する。粘度が低いほど潤滑性が向上し、シェルと鋳型の直接接触やシェルの不均一な成長を防ぐことで、縦方向の亀裂のリスクを最小限に抑えることができる。しかし、粘度は慎重に制御する必要がある。粘度が低すぎると、過剰な熱伝達によって表面亀裂が発生する可能性があり、高すぎると潤滑が不十分になり、シェルが固着したり亀裂が発生したりする可能性がある。

MgOなどの添加剤は溶融金属中のネットワーク破壊剤として働き、活性化エネルギーを低下させ、溶融金属の構造を変化させます。これにより粘度が低下し、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、高速薄板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、表面亀裂が減少します。

溶融速度と温度：迅速な成形被覆と熱制御

溶融速度と温度によって、鋳型が溶融フラックスで覆われる速さが決まります。鋳型が迅速かつ均一に覆われることは、熱の放出を制御し、シェル形成の初期段階で潤滑性を確保するために不可欠です。高速鋳造（3 m/分以上）の場合、鋳造効率を維持し、表面欠陥を防ぐために、鋳型フラックスは1000℃以下の溶融温度を達成し、41秒以内に完全に溶融する必要があります。

発熱性成分（例えば、CaSiやSi）と調整された粒度分布は、追加の反応熱を供給することで溶融速度を加速させます。これらの特性が最適化されると、フラックスの捕捉や被覆遅延などの欠陥が最小限に抑えられます。例えば、高速溶融モールドフラックスは、3m/分を超える鋳造速度でも欠陥のない均一な潤滑層を実現し、制御された溶融速度は均一な熱分布を維持し、縦方向の亀裂を抑制します。

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特性と結晶化パターンに大きな影響を与えます。塩基度が高いほど粘度が低下し、結晶化が促進されるため、溶鋼中の介在物を吸着し、均一なシェル成長を促進するフラックスの能力に影響します。MgO、Al2O3、アルカリ酸化物（例：Na2O、Li2O）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。

成分比率によって主要なレオロジー特性が調整される。

• MgOまたはNa2Oの濃度を上げると、ケイ酸塩ネットワークが破壊され、溶融物の粘度が低下し、ガラス状で潤滑性の高い界面層の形成が促進される。
• 塩基度を制御することで結晶化プロセスが安定し、鋼と鋳型間の熱の流れが制御されます。安定したビレットの引き抜きと一貫した製品品質のためには、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、モールドフラックスの特性や制御を損なう可能性のある逸脱を避けるため、目標とする鋼種および鋳造速度に合わせる必要がある。

環境への配慮：フッ素フリーフラックスの開発

環境規制の強化に伴い、フッ素を含まないモールドフラックスへの移行が進んでいます。従来のCaF2やNaFを用いた配合では、フッ素系ガスが発生し、作業場の空気質や環境の持続可能性を脅かすためです。フッ素をB2O3、Na2O、TiO2などの酸化物に置き換えることで、粘度や熱伝達制御に関する技術的要求を満たしつつ、有害物質の排出量を削減できます。

例えば、CaO–SiO2–Al2O3–Na2O–B2O3系は、フッ素系類似体と同様の融解特性とレオロジー特性を示します。Li2Oまたは適量のNa2Oを添加することで、ガラス構造がさらに簡素化され、粘度が低下し、潤滑性が向上します。ベンチテストでは、これらの代替配合がより低い排出率で優れた性能を発揮することが確認されています。ただし、厳しい鋳造条件下で予期せぬ逸脱を避けるため、成分の選択と塩基度は厳密に管理する必要があります。

リアルタイム流体密度測定機器、例えばロンメーター超音波密度計やロンメーター音叉密度計これらの装置は、フラックスの物性検証を支援し、連続鋳造におけるモールドフラックスの最適化と品質管理をサポートします。また、正確な液状モールドフラックス密度測定データを提供し、日々の工程調整に役立てることで、堅牢かつ環境に配慮した操業を実現します。

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除去、連続鋳造における潤滑、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あらゆる段階は、これらの特性の適切なバランスに左右されます。