JP2000015413A - 厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳片の中心偏析及び鋳片軸心部のザクが少な
く、高品質の厚鋼板用大断面鋳片を安定して製造する。 【解決手段】 鋳片厚みＤｏが２５０ｍｍ以上で、鋳片
幅が１５００ｍｍ以上の厚鋼板用大断面鋳片７の連続鋳
造方法であって、鋳片引抜き速度と二次冷却強度とを制
御し、伝熱解析にて求めた凝固シェル９での固相率が
１．０の位置を近似する、三次以上の多項式の近似曲線
と、鋳造方向の鋳片軸心線とが、凝固完了位置１０で交
差して形成する角度θを０．５度以上として鋳造する。
その際、垂直型連続鋳造機により鋳造することで、鋳片
表面の欠陥も防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、厚みが２５０ｍｍ
以上、幅が１５００ｍｍ以上の断面サイズを有する厚鋼
板用大断面鋳片の連続鋳造方法に関するもので、詳しく
は、内質が優れた鋳片を安定して鋳造する方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼製造業における連続鋳造法の普及
は、品質向上、歩留り向上、省エネルギー及び省力化等
の面でコスト合理化に大きく寄与しているが、従来、連
続鋳造法による厚鋼板用鋳片の断面サイズは、厚みが２
５０ｍｍ以下が一般的であり、厚鋼板製品の一部は寸法
制約により、普通造塊法や一方向凝固法が適用されてい
るのが実情である。しかし、これらの方法では分塊圧延
を必要とする上、普通造塊法では、逆Ｖ偏析やＶ偏析及
び沈殿晶の生成が避けられず、そのため、これらの品質
欠陥部を避けて使用するために歩留りが悪く、又、一方
向凝固法では、鋼塊表面の研削が必要のために歩留りが
悪い上、生産性にも劣るという問題がある。このような
状況の中、大断面鋳片を連続鋳造法により製造する方法
が幾つか提案されている。

【０００３】例えば、特開昭６３−２７８６５３号公報
（以下、「先行技術１」と記す）には、垂直型連続鋳造
機の水冷鋳型の下方に設けた圧下装置にて凝固途中の鋳
片を圧下しつつ凝固を完了させて大断面鋳片を製造する
方法が開示されている。先行技術１によれば、鋳片を圧
下することで、鋳片の表面割れや内部割れが防止され、
且つ、不純物の濃化した溶鋼の移動も防止されて偏析の
ない健全な鋳片が得られるとしている。又、特開昭６１
−２１２４５７号公報（以下、「先行技術２」と記す）
には、鋳片の未凝固層率が最適の値となる位置に未凝固
層を攪拌する電磁攪拌装置を設置した大断面鋳片の垂直
型連続鋳造設備が開示されている。先行技術２によれ
ば、鋳片の中心偏析が改善され、品質の良い大断面鋳片
を製造することができるとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先行技
術１及び先行技術２には以下の問題点がある。即ち、大
断面鋳片を連続鋳造機、特に垂直型連続鋳造機で鋳造す
ると、鋳片軸心部には上方から沈降する等軸晶が堆積し
て等軸晶によるブリッジングが発生し、最終凝固部への
溶鋼の補給が断たれ、鋳片の中心偏析や鋳片軸心部での
ザクが悪化する。従って、大断面鋳片を連続鋳造機で鋳
造する際には、等軸晶によるブリッジングが発生しない
ように、凝固界面の形状を制御する必要があるが、先行
技術１及び先行技術２は、最終凝固部への溶鋼の補給が
あることを前提とした時の中心偏析の防止対策であり、
そのため、常に最終凝固部への溶鋼補強が確保されるわ
けではなく、時として中心偏析の悪化やザクの悪化が発
生し、高品質の鋳片を安定して製造する点で未だ改善の
余地が高い。尚、ザクとは溶鋼の補給が断たれて発生す
る鋳片軸心部の気孔のことである。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、鋳片の中心偏析及び鋳片軸心
部のザクが少なく、高品質の厚鋼板用大断面鋳片を安定
して製造することができる連続鋳造方法を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明による厚鋼板
用大断面鋳片の連続鋳造方法は、鋳片厚みが２５０ｍｍ
以上で、鋳片幅が１５００ｍｍ以上の厚鋼板用大断面鋳
片の連続鋳造方法であって、鋳片引抜き速度と二次冷却
強度とを制御し、伝熱解析にて求めた凝固シェルでの固
相率が１．０の位置を近似する、三次以上の多項式の近
似曲線と、鋳造方向の鋳片軸心線とが、凝固完了位置で
交差して形成する角度を０．５度以上として鋳造するこ
とを特徴とするものである。

【０００７】第２の発明による厚鋼板用大断面鋳片の連
続鋳造方法は、第１の発明において、垂直型連続鋳造機
により鋳造することを特徴とするものである。

【０００８】本発明者等は、大断面鋳片の連続鋳造の際
には凝固界面の形状を制御する必要があるとの観点か
ら、凝固界面の形状を表わす指標として凝固完了位置に
おける凝固シェルの接線と鋳造方向の鋳片軸心線とで形
成する角度を凝固界面角度θと定義し、鋳片内質を凝固
界面角度θで整理することを試みた。

【０００９】鋳片長辺面での凝固シェル厚みをｄ（ｍ
ｍ）、鋳片引抜き速度をＶｃ（ｍｍ／ｍｉｎ）、凝固係
数をＫ（ｍｍ／ｍｉｎ^1/2 ）、メニスカスからの距離を
Ｌ（ｍｍ）とすると、凝固シェル厚みｄは（１）式で近
似される。 ｄ＝Ｋ×（Ｌ／Ｖｃ）^1/2 ……（１）

【００１０】（１）式に基づく、メニスカスからの距離
Ｌと凝固シェル厚みｄとの関係を図１に破線で示す。図
１に示すように、メニスカスからの距離Ｌの増加と共に
凝固シェル厚みｄは増加する。しかし、鋳片軸心部で
は、溶鋼過熱度が減少することや鋳片長辺の両面からの
冷却を受けること等により、凝固速度が速くなる現象、
所謂、加速凝固が起こり、その結果、実際の凝固シェル
厚みｄは、図１に実線で示すように、鋳片軸心部におい
て（１）式から偏倚し、メニスカスからの距離Ｌｅの位
置で凝固が完了する。即ち、（１）式よる凝固完了位置
よりメニスカス側で凝固が完了する。従って、凝固界面
角度θを求める際に、（１）式に基づいた凝固シェル形
状から求めると、実際の凝固界面角度θより小さい角度
を算出することになり、正確に求めることができない。

【００１１】そこで、凝固界面角度θを正確に求めるた
め、伝熱解析により凝固シェル形状を近似し、この近似
した凝固シェル形状において、固相率が１．０の位置を
三次以上の多項式で近似し、この近似曲線と鋳片の軸心
線とが凝固完了位置で交差して形成する角度θを凝固界
面角度θとすることとした。図１に、このようにして定
義した凝固界面角度θを示す。

【００１２】このように、三次以上の多項式で凝固シェ
ル形状を近似するので、正確に近似することができ、従
って、凝固界面角度θを正確に求めることができる。
尚、固相率とは、固相と液相との共存相における固相の
比率を示すもので、固相率が１．０の位置は液相が無く
なって完全凝固した位置を示すものであり、又、図１に
おいてＤｏは鋳片厚みである。

【００１３】発明者等は、連続鋳造機にて鋳片厚みが２
５０ｍｍ以上の大断面鋳片を各種の鋳造条件で鋳造し、
鋳片の中心偏析及び鋳片軸心部のザクの発生状況と、こ
のように定義した凝固界面角度θとの関係について調査
した。その結果、凝固界面角度θを０．５度以上とする
こと、即ち、凝固界面の形状を鉛直上方に向かって凝固
界面角度θが０．５度以上に開いた形状とすることで、
沈降する等軸晶によるブリッジングを防止することがで
き、中心偏析及び軸心部のザクが防止されることを見出
した。

【００１４】厚鋼板用大断面鋳片は断面サイズが大きい
ので、通常の湾曲型又は垂直曲げ型連続鋳造機のよう
に、鋳片を曲げると鋳片表面に曲げ応力による表面疵が
発生する。垂直型連続鋳造機を用いることで、鋳片の曲
げ又は曲げ戻しを必要とせず、これによる表面疵の発生
を未然に防止できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明を図面に基づき説明する。
図２は、本発明の実施の形態の１例を示す鋳片断面が矩
形型の垂直型連続鋳造機の鋳片幅中央位置における側断
面の概略図である。

【００１６】図２において、鋳型２は、鋳片厚みＤｏが
２５０ｍｍ以上、鋳片幅が１５００ｍｍ以上の断面サイ
ズを有する鋳片７の鋳造を可能とし、そして、鋳型２の
下方には、サポートロール１１、ガイドロール１２、ガ
イドロール１３、駆動ロール１４からなる鋳片案内ロー
ルが設置されている。これらの鋳片案内ロールには、鋳
型２の直下側から下方に向かって、第１冷却ゾーン４
ａ、第２冷却ゾーン４ｂ、第３冷却ゾーン４ｃ、及び、
第４冷却ゾーン４ｄの４つに分割された冷却ゾーンから
なる二次冷却帯４が設置されており、二次冷却帯４は、
水スプレー又はエアーミストスプレー、及び、これらを
併用したものとする。ガイドロール１３は、鋳造方向に
次第にロール間隔を狭めて鋳片７に圧下力を加えること
が可能な、所謂軽圧下帯を構成するもので、又、駆動ロ
ール１４は鋳片引抜き用ロールである。軽圧下帯は本発
明に必須のものではないが、鋳片７の中心偏析の軽減等
内質改善のために設置することが望ましい。そして、鋳
型２の上方所定位置には、底部に浸漬ノズル３が設けら
れたタンディッシュ１が配置されている。

【００１７】このような構成の連続鋳造機における鋳造
方法は、先ず、取鍋（図示せず）からタンディッシュ１
内に溶鋼５を注入し、次いで、浸漬ノズル３の先端をモ
ールドパウダー（図示せず）で覆われたメニスカス６に
浸漬させながら、タンディッシュ１内の溶鋼５を浸漬ノ
ズル３を介して鋳型２内に連続的に注入する。鋳型２内
に注入された溶鋼５は鋳型２に接触して冷却され、外周
に凝固シェル９を形成し、次いで、凝固シェル９はサポ
ートロール１１、ガイドロール１２、ガイドロール１
３、駆動ロール１４を通り、下方に連続的に引抜かれ
る。この引抜き途中、凝固シェル９の表面は二次冷却帯
４で冷却され、凝固シェル９の内部の未凝固層８の厚み
を減少させ、凝固完了位置１０にて凝固を完了して鋳片
７となる。

【００１８】その際に、伝熱解析により求めた凝固シェ
ル９における固相率１．０の位置を近似する、三次以上
の多項式の近似曲線と、鋳造方向の鋳片軸心線とが、凝
固完了位置１０で交差して形成する角度である凝固界面
角度θを０．５度以上とするように、鋳片引抜き速度及
び二次冷却強度を制御する。

【００１９】そのためには、個別の鋳造に先立ち、凝固
界面角度θを予め知る必要があるので、鋳造条件別に伝
熱解析による理論計算にて凝固シェル９の形状を予め把
握すると共に、凝固シェル９の固相率１．０の位置を三
次以上の多項式にて近似し、凝固界面角度θを予め把握
しておく。そして、凝固界面角度θが０．５度以上とな
る鋳片引抜き速度と二次冷却強度との組み合せで鋳造す
る。尚、凝固界面角度θを求めるには、近似曲線を微分
して凝固完了位置１０における近似曲線の傾きから求め
る方法が容易である。

【００２０】近似曲線は、鋳片厚みＤｏの全厚みを近似
する必要はなく、鋳片軸心部について近似するのみで良
い。又、伝熱解析による理論計算値の妥当性は、Ｆｅ−
Ｓ合金等を封入した鋲を鋳片７に打ち込み、鋲を含む断
面を塩酸腐食して直接凝固シェル９の厚みを測定し、こ
の実測値と理論計算値とを比較することで確認すること
ができる。理論計算値が実測値と異なる場合には、伝熱
解析における境界条件等を変更して、実測値と等しくな
るように調整する。

【００２１】このようにして鋳造することで、沈降する
等軸晶によるブリッジングを防止することができ、中心
偏析及び鋳片軸心部のザクが未然に防止され、高品質の
厚鋼板用大断面鋳片を安定して製造することができる。

【００２２】尚、上記説明では垂直型連続鋳造機で説明
したが、本発明は垂直型連続鋳造機に限定されるもので
はなく、湾曲型連続鋳造機や垂直曲げ型連続鋳造機であ
っても適用できる。又、上記説明では二次冷却帯４の冷
却ゾーンの数は４であるが、冷却ゾーンの数は４に限る
ものではなく、１又は２以上であれば幾つであっても良
く、更に、鋳片案内ロールの配置及び数は上記に限るも
のではないことはいうまでもない。

【００２３】

【実施例】機長が４１ｍの図２に示す垂直型連続鋳造機
を用い、タンディッシュ内の溶鋼過熱度を３５℃とし、
鋳片幅を２１００ｍｍ一定として鋳片厚みを２５０ｍ
ｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、及び５００ｍｍとし、炭
素濃度が０．１５ｗｔ％、１ヒートが２５０トンの溶鋼
を試験No.１〜５６までの合計５６ヒート試験鋳造し
た。二次冷却強度は、試験No.１〜２８では比水量２．
０ｌ／kg.steel（以下、「強冷却鋳造」と記す）とし、
試験No.２９〜５６では比水量０．８ｌ／kg.steel（以
下、「弱冷却鋳造」と記す）とした２水準とし、鋳片引
抜き速度Ｖｃを、強冷却鋳造では０．３５〜１．５０ｍ
／ｍｉｎ、弱冷却鋳造では０．２５〜１．５０ｍ／ｍｉ
ｎとした。

【００２４】そして、伝熱解析によりそれぞれの鋳造条
件での凝固シェル厚みを近似し、近似した凝固シェルの
固相率が１．０の位置を五次の多項式にて近似し、凝固
界面角度θを求めた。伝熱解析によれば、凝固係数Ｋ
は、強冷却鋳造では３０．５ｍｍ／ｍｉｎ^1/2 、弱冷却
鋳造では２７．５ｍｍ／ｍｉｎ^1/2 であった。試験No.
３〜５及び試験No.３１〜３３の鋳片厚みが２５０ｍｍ
の試験鋳造と、試験No.２３〜２５及び試験No.５１〜５
３の鋳片厚みが５００ｍｍの試験鋳造とでは、鋳片引抜
き速度、二次冷却強度、及び凝固係数Ｋを同一としなが
ら、鋳造方向の二次冷却強度の分布を変更して凝固界面
角度を変更した。これらの試験鋳造においては、凝固界
面角度θの大きい試験鋳造ほど凝固完了位置近傍の二次
冷却強度を強くしてある。

【００２５】全ての試験鋳造でＦｅ−Ｓ合金を封入した
鋲を鋳造方向で２箇所鋳片に打ち込み、鋲を含む断面を
塩酸腐食して直接凝固シェル厚みを測定し、伝熱解析の
妥当性を確認した。又、鋳片の中心偏析を改善するた
め、凝固末期の圧下速度が０．８０〜１．２０ｍｍ／ｍ
ｉｎとなるように、各試験鋳造で軽圧下帯のガイドロー
ル間隔を調整した。更に、鋳型内には強度が０．２テス
ラの回転磁場を印加して等軸晶の生成を各試験鋳造で同
一となるようにした。表１に、各試験鋳造における鋳片
厚みＤｏ、鋳片引抜き速度Ｖｃ、及び、凝固界面角度θ
を示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】そして、鋳造後、鋳片の中心偏析及び鋳片
軸心部のザクを検査し、凝固界面角度θと鋳片内質との
関係を調査した。中心偏析は、鋳片幅方向中央部（以
下、「Ｗ／２位置」と記す。Ｗは鋳片幅である）と短辺
から３００ｍｍの位置（以下、「Ｗ／７位置」と記す）
とで鋳片軸心部を含む５ｍｍφの試料をそれぞれ２０個
採取して炭素分析し、この分析値（Ｃｉ）とタンディッ
シュ内で採取した試料の炭素分析値（Ｃｏ）との比（Ｃ
ｉ／Ｃｏ）の平均値を中心偏析度として評価した。中心
偏析度は、１．０８以下を合格とし、１．０８を越える
ものを不合格とした。

【００２８】鋳片軸心部のザクは、Ｗ／２位置とＷ／７
位置とから、鋳片軸心部より幅１０ｍｍ×厚み１０ｍｍ
×鋳造方向長さ２００ｍｍの試料を採取し、これら試料
を鏡面研磨して顕微鏡観察し、ザクの最大開口幅をザク
指数として評価し、ザク指数が１．５ｍｍ以下を合格と
し、１．５ｍｍを越えるものを不合格とした。このよう
にして評価した鋳片品質の調査結果を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２に示すように、Ｗ／２位置では中心偏
析は全ての試験鋳造で合格であり、鋳片軸心部のザクも
試験No.５６で不合格となったのみで、他の試験鋳造は
全て合格であったが、Ｗ／７位置では、中心偏析及び軸
心部のザクが、不合格となる試験鋳造が発生した。

【００３１】図３は、強冷却鋳造の試験鋳造での凝固界
面角度θとＷ／７位置におけるザクの最大開口幅との関
係を示した図であるが、凝固界面角度θが０．５度以上
の試験鋳造では、ザクの最大開口幅は１．５ｍｍ以下で
あり、合格範囲であった。又、図４は、弱冷却鋳造の試
験鋳造での凝固界面角度θとＷ／７位置におけるザクの
最大開口幅との関係を示した図であるが、図３と同様
に、凝固界面角度θが０．５度以上の試験鋳造では、ザ
クの最大開口幅は１．５ｍｍ以下であり、合格範囲であ
った。

【００３２】図３及び図４より、凝固界面角度θを０．
５度以上とすれば、軸心部のザクを小さくすることがで
きること、及び、凝固界面角度θを小さくするほど、ザ
クの最大開口幅が増大することが分かった。又、鋳片引
抜き速度及び二次冷却強度が同一条件であっても、例え
ば試験No.３〜５に示すように、二次冷却の鋳造方向の
分布を変更することで凝固界面角度θに差が生じ、その
ため鋳片内質もその影響を受けて変化することが分かっ
た。このように、鋳片引抜き速度と二次冷却強度を同一
としても凝固界面角度θは変わるので、鋳造条件毎に伝
熱解析を実施して凝固界面角度θを求める必要があるこ
とも分かった。

【００３３】中心偏析及び軸心部のザクが共に合格とな
ったものを総合評価で合格として表２に○印で表示し
た。このように、凝固界面角度θを０．５度以上とする
ことで、中心偏析及び軸心部のザクは品質上問題の無い
範囲に改善され、高品質の大断面鋳片を安定して製造す
ることが可能となった。尚、表２の備考欄に本発明の範
囲内の試験鋳造を実施例とし、それ以外の試験鋳造を比
較例として表示した。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、鋳片の中心偏析及び鋳
片軸心部のザクが少なく、高品質である厚鋼板用大断面
鋳片を安定して製造することができ、その工業的効果は
格別である。

【図面の簡単な説明】

【図１】メニスカスからの距離と凝固シェル厚みとの関
係から、凝固界面角度の定義を説明する図である。

【図２】本発明の実施の形態の１例を示す鋳片断面が矩
形型の垂直型連続鋳造機の鋳片幅中央位置における側断
面の概略図である。

【図３】強冷却鋳造において、凝固界面角度とＷ／７位
置におけるザクの最大開口幅との関係を調査した結果を
示す図である。

【図４】弱冷却鋳造において、凝固界面角度とＷ／７位
置におけるザクの最大開口幅との関係を調査した結果を
示す図である。

【符号の説明】

１ タンディッシュ ２ 鋳型 ３ 浸漬ノズル ４ 二次冷却帯 ５ 溶鋼 ６ メニスカス ７ 鋳片 ８ 未凝固層 ９ 凝固シェル １０ 凝固完了位置

フロントページの続き (72)発明者 小松 政美 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 中田 正之 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4E004 MC02 MC05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋳片厚みが２５０ｍｍ以上で、鋳片幅が
   １５００ｍｍ以上の厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法
   であって、鋳片引抜き速度と二次冷却強度とを制御し、
   伝熱解析にて求めた凝固シェルでの固相率が１．０の位
   置を近似する、三次以上の多項式の近似曲線と、鋳造方
   向の鋳片軸心線とが、凝固完了位置で交差して形成する
   角度を０．５度以上として鋳造することを特徴とする厚
   鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法。
2. 【請求項２】 垂直型連続鋳造機により鋳造することを
   特徴とする請求項１に記載の厚鋼板用大断面鋳片の連続
   鋳造方法。