JP2003220453A

JP2003220453A - 鋼の連続鋳造方法

Info

Publication number: JP2003220453A
Application number: JP2002016795A
Authority: JP
Inventors: Hisao Esaka; 久雄江阪; Yuka Kuroda; 悠加黒田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd; Technical Research and Development Institute of Japan Defence Agency
Current assignee: Japan Steel Works Ltd; Technical Research and Development Institute of Japan Defence Agency
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-08-05

Abstract

(57)【要約】【課題】鋼の連続鋳造に関し、タンディッシュから鋳型
に溶鋼を導入するための浸漬ノズルが脱酸生成物である
アルミナなどによって閉塞することを防止するためにノ
ズル内に吹き込まれるアルゴンガスがアルミナを吸着し
た気泡、あるいは単独の気泡として鋳片に捕捉され、冷
延鋼板の表面疵になるという問題点を解決する。【解決手段】溶鋼温度と連続鋳造鋳型下端出口での凝固
殻表面温度の差をΔＴ、凝固殻厚み（ｄ）と凝固経過時
間（ｔ）との関係をｄ＝Ｋ√ｔで表したときの比例定数
をＫ、鋼の組成からＣ’＝１．０６６Ｃ−０．２０２Ｃ
²＋０．０１９Ｓｉ＋０．００４３Ｍｎ＋１．１７７５
Ｐ＋１．６７４０Ｓを利用して求めた炭素当量の値を
Ｃ’とすると、ΔＴ＞１．０・１０¹⁰Ｋ²Ｃ’を満足し
て凝固を進行させ、固液界面形態を平滑とすることによ
り、気泡は凝固殻に捕捉されない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鋼の連続鋳造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】極低炭素鋼、低炭素鋼などの冷延鋼板は
脱酸材として使用されたアルミニウムの酸化物であるア
ルミナが集積して表面疵が発生することがある。これ
は、従来からの研究により次のようなメカニズムで発生
すると考えられている。

【０００３】脱酸工程で溶鋼中に生成したアルミナがそ
のまま溶鋼中に懸濁し、連続鋳造の工程で、取鍋からタ
ンディッシュに混入し、さらに鋳型内に侵入した後、表
層から凝固する凝固殻に捕捉される。この鋳片が圧延さ
れると捕捉されたアルミナが冷延鋼板の表面直下で広が
り、冷延鋼板の酸洗むら、メッキむらなどとして表面欠
陥につながる。

【０００４】この表面欠陥を防止するために、連続鋳造
用鋳型に侵入する前までにアルミナを除去する対策、あ
るいは鋳片の表層を溶削などして大幅に手入れする対策
が考案されている。しかし、いずれも完全な対策にはな
っておらず、表面欠陥は発生している。

【０００５】鋳型内に侵入したアルミナを鋳型内で積極
的に浮上させる目的でアルゴンガスを吹き込む方法が開
示されている。これは、溶鋼中に例えば浸漬ノズルから
アルゴンガスを吹き込むことにより、アルゴンガスの気
泡にアルミナを吸着させ、密度差が大きいことから鋳型
内での浮上促進の効果を狙ったものである。

【０００６】また、アルミナが凝固殻に捕捉される直前
に凝固界面から洗い流す目的で鋳型内に電磁撹拌を適用
する方法などが開示されている。これは、鋳型内に設置
した電磁撹拌装置等により、溶鋼に流動を与え、鋳型内
に浮上してきた介在物や介在物を吸着した気泡を凝固界
面から洗い流すことにより凝固殻に捕捉されるのを防止
するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、浸漬ノズル
等からアルゴンガスを吹き込む方法は、溶鋼中に懸濁し
たり、浸漬ノズルから吐出する溶鋼の流れに乗って溶鋼
プール内深くまで侵入したアルミナあるいは気泡は、浮
上しきれず鋳片に捕捉される。捕捉されたアルミナは冷
延鋼板での表面疵の原因となるだけではなく、アルミナ
を伴わない気泡単独でも表面疵の原因となってしまうと
いう問題点を有していた。

【０００８】また、溶鋼に流動を与え、鋳型内に浮上し
てきた介在物や介在物を吸着した気泡を凝固界面から洗
い流す方法は、有効性は認められるものの、効果が鋳型
の寸法の範囲に限定されること、ノズルから吐出する溶
鋼の流れに乗って溶鋼プール内深くまで侵入したアルミ
ナやアルミナを吸着した気泡には無力であること、鋳造
開始時などの非定常部には効果がないことなどの問題点
を有していた。

【０００９】本発明は上記問題点に鑑みなされたもの
で、アルミナを吸着した気泡、あるいは単独の気泡を凝
固しつつある固液界面に捕捉させない鋼の連続鋳造方法
を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された鋼
の連続鋳造方法は、鋼の連続鋳造において固液界面形態
を平滑とすることを特徴としている。

【００１１】請求項２に記載された鋼の連続鋳造方法
は、請求項１記載の鋼の連続鋳造方法において、鋼の連
続鋳造における鋳型下部までの初期凝固部において、固
液界面形態を平滑とすることを特徴としている。

【００１２】請求項３に記載された連続鋳造方法は、請
求項１記載の鋼の連続鋳造方法において、溶鋼温度と連
続鋳造鋳型下端出口での凝固殻表面温度の差をΔＴ、凝
固殻厚み（ｄ）と凝固経過時間（ｔ）との関係をｄ＝Ｋ
√ｔで表したときの比例定数をＫ、鋼の組成からＣ’＝
１．０６６Ｃ−０．２０２Ｃ²＋０．０１９Ｓｉ＋０．
００４３Ｍｎ＋１．１７７５Ｐ＋１．６７４０Ｓを利用
して求めた炭素当量の値をＣ’とすると、ΔＴ＞１．０
・１０¹⁰Ｋ²Ｃ’を満足して凝固を進行させることを特
徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の鋼の連続鋳造方法につい
て、以下詳述する。冷延鋼板になった時に、表面疵とな
るのは２５０ｍｍ厚スラブでの鋳片段階で、約１５ｍｍ
よりも表層側にアルミナ、アルミナを吸着した気泡ある
いは単独の気泡が存在する場合であり、これより内部に
捕捉される場合には表面疵には至らない。本発明は連続
鋳造の鋳型内での凝固厚みを考慮に入れて、アルミナを
吸着したアルゴン気泡、アルゴン気泡単独を捕捉させな
いために、鋳片が凝固しつつある固液界面の形態を、固
液界面の温度勾配を大きくする、成長速度を小さくす
る、合金元素を低減させる、のいずれかあるいはこれら
の中のいくつかを組み合わせることにより、平滑界面と
することである。

【００１４】ここで、本発明の原理について以下に説明
する。鉄鋼の凝固状態と同じ様式で凝固する透明有機物
を用いた実験を行い、気泡の捕捉状況を観察した。本実
験で用いられる透明有機物はサクシノニトリルであり、
金属の凝固に関する可視実験に普通に用いられている。

【００１５】その実験方法の概略図を図１に示す。加熱
手段としてのホットプレートの上にビーカーを置く。ビ
ーカーの内部には溶融した透明有機物を満たす。透明有
機物を満たしたビーカー内の底部にはガラスボールフィ
ルターを配置し、さらにその上方に水冷銅板を配置す
る。ガラスボールフィルターにはアルゴンガス導入口か
らアルゴンガスが供給されるようになっており、水冷銅
板の近傍にある溶融した透明有機物にアルゴンガスの気
泡を供給する。水冷銅板には冷却水出入り口を介して冷
却水が循環するようになっており、溶融した透明有機物
は水冷銅板により冷却されて水冷銅板の表面には凝固殻
が形成される。

【００１６】ガラスボールフィルターは、０．２ｍｍか
ら１．０ｍｍ径のアルゴンガス気泡を生成する。溶融し
た有機物の中に浸漬された水冷銅板は冷却水温が制御さ
れており、その表面に透明有機物の凝固殻が形成されて
いくが、その凝固界面にアルゴンガスの気泡が捕捉され
る様子を観察用カメラ等で直接観察する。

【００１７】ここで、溶融有機物の液温、循環させる冷
却水温を変化させ、全ての気泡が捕捉される場合を５、
全く捕捉されない場合を１として半定量的に捕捉状況を
定量化した。溶融有機物の液温と気泡の捕捉状況の関係
を図２に示す。これによると、溶融した有機物の温度を
上昇させると、気泡の捕捉率が低下することが判明し
た。固液界面形態を詳細に観察すると、溶融有機物の液
温が低い場合には樹枝状のデンドライトを呈しているの
に対し、液温が高い場合には平滑界面を呈していること
が判明した。他のデータも含め、固液界面形態によって
層別した気泡の捕捉結果を図３に示す。すなわち、平滑
界面で凝固が進行する場合には浮上しつつある気泡が凝
固界面に到達しても凝固殻の中に捕捉されないことが明
らかとなった。

【００１８】そもそも、どのような二元合金であって
も、固液界面形態を平滑にすることは不可能ではなく、
その条件も古くから明らかになっている。それは式
（１）のような臨界速度以下の成長速度で凝固を進行さ
せればよいというものである。Ｖｃ＝ＫＧＤ／ｍｃ（１−ｋ）（１）ここで、Ｖｃは臨界の成長速度、Ｇは温度勾配、Ｃは合
金元素の含有量、Ｄは合金元素の液相中での拡散係数、
ｋは合金元素の固液間での平衡分配係数、ｍは液相線勾
配である。これに基づけば、凝固界面を平滑にするには
温度勾配を大きくするか、成長速度を小さくするか、含
まれる合金元素を少なくすることのどれか、あるいはそ
れらの組み合わせで可能となる。

【００１９】しかし、一般に、極低炭素鋼、低炭素鋼は
炭素を主要元素とする多成分系の合金であり、合金元素
の含有量、平衡分配係数、液相線勾配などを決定するの
は難しい。本発明者は、低炭素鋼、極低炭素鋼の凝固現
象を詳細に検討し、低炭素鋼程度の炭素、合金元素を含
む鋼の凝固温度範囲の検討から、式（２）で示される炭
素当量を提案している。Ｃ’＝１．０６６Ｃ−０．２０２Ｃ²＋０．０１９Ｓｉ＋０．００４３Ｍｎ＋１．１７７５Ｐ＋１．６７４０Ｓ（２）

【００２０】本式に基づいて、複雑な多元合金である極
低炭素鋼、低炭素鋼を鉄−炭素の擬二元系として取り扱
うことができる。なお、鋼には式（２）に掲げた以外の
元素が含まれることが多いが、低炭素鋼あるいは極低炭
素鋼ではそれらの元素の凝固におよぼす影響は小さい。
合金組成を知ることにより、式（２）で求めた炭素当量
を式（１）の合金元素の含有量として代入すると、その
鋼の凝固界面を平滑にするための成長速度を求めること
ができる。

【００２１】連続鋳造での凝固殻厚み（ｄ）は凝固殻内
の伝導伝熱律速で進行するため、ｄ＝Ｋ√ｔの関係があ
る。したがって、凝固速度（Ｖ）はこれを時間に対して
微分することによって、Ｖ＝Ｋ²／２ｄで記述できる。
一方、温度分布は第一次近似としては凝固殻の中では直
線状となっていると考えてよく、温度勾配（Ｇ）は凝固
殻の表面温度と溶鋼温度の差をΔＴとすると、これを凝
固厚みで除した値に近いと考えられる。すなわち、Ｇ＝
ΔＴ／ｄで表される。

【００２２】低炭素鋼、極低炭素鋼を擬二元系で表す場
合、液相線勾配（ｍ）、固液間の平衡分配係数（ｋ）の
値は二元系のものをそのまま用いられるので、それぞ
れ、ｍ＝−８１（Ｋ／ｗｔ％）、ｋ＝０．１７（−）で
ある。また、Ｄとしては溶鋼中の炭素の拡散係数として
一般的な値である、２×１０^-8ｍ²／ｓを使用した。こ
れらの値を式（１）に代入すると、式（３）が得られ
る。 ΔＴ＞１．０・１０¹⁰Ｋ²Ｃ’ （３）

【００２３】鋳型内で浮上するアルミナを吸着したアル
ゴンガスは本発明による鋼の鋳造方法により、凝固殻に
捕捉されないため、浸漬ノズルなどから吹き込むアルゴ
ンガスはアルミナを十分に吸着させる目的で、十分多く
吹き込むことができる。これにより、浸漬ノズルにアル
ミナなどが付着してノズルが詰まる、ノズル閉塞現象を
より効率的に防止できるという作用も得られる。

【００２４】また、鋳型内電磁撹拌は鋳片内部を等軸晶
化するなどの組織制御、鋳型〜鉄片間の潤滑あるいは伝
熱制御などのためのモールドパウダーの溶融促進、凝固
不均一を防止することによる表面割れ防止などの目的の
ために適用する場合には、本発明の方法と併用しても全
く問題は生じず、本発明の効果を損なうことなく、鋳型
内電磁撹拌による上記目的を効果的に達成できる。

【００２５】平滑界面凝固とする凝固の範囲を鋳型内で
考えたのは、表面疵に到るアルミナあるいはアルミナを
吸着した気泡が鋳型内凝固の部分で捕捉されたものであ
るためであり、これより内部に捕捉されたアルミナや気
泡は表面疵にはならないとの研究結果に基づくためであ
る。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例および比較例の詳細と結果を
表１、表２に示す。その中で特に説明を要する事項につ
いて説明する。まず実施例１〜３を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】実施例１として、表１中の実施例１のコラ
ムに示す極低炭素鋼（炭素当量Ｃ’＝０．０１３７６）
を溶製し、アルミニウムにより脱酸を施した。当該溶鋼
のタンディッシュ内溶鋼温度を１６０８℃とし、鋳片厚
み２５０ｍｍ、鋳造速度１．５ｍ／分で鋳造した。浸漬
ノズルからはノズル閉塞防止用にアルゴンガスを規定量
吹き込んだ。鋳型冷却水量を上昇させ、鋳型内の冷却を
強化することにより、鋳型下端出口での凝固殻表面温度
を４５０℃とした。当該鋳造条件でのＫ値は２．８・１
０^-3ｍｓ^-0.5であった。式（３）の左辺は鋳型下端にお
いて、１１５８℃であるのに対し、右辺を計算すると１
０７８℃であった。したがって式（３）の条件式を満足
する。得られた鋳片を通常通り、連続熱間圧延、冷間圧
延を経て、最終的に亜鉛メッキ鋼板を製造した。全長に
わたって詳細に調査を行ったが、表面疵は全く検出され
なかった。

【００２９】実施例２では鋳型内冷却を大きくは強化す
ることなしに、鋼の成分系を変更することにより式
（３）の条件を満足する例を示す。表１中の実施例２の
コラムに示す組成の極低炭素鋼を溶製した。これは特に
Ｐ（りん）とＳ（いおう）を低下させることによって、
炭素当量を０．００６２まで低下させた。鋳片厚みは２
２０ｍｍであり、鋳造速度は１．１ｍ／分である。な
お、脱酸条件、浸漬ノズルのアルゴン吹き込み条件は実
施例１と同一である。タンディッシュ内溶鋼温度を１５
９０℃とし、鋳型冷却は比較的穏やかな条件としたた
め、鋳型直下の表面温度は１００５℃であった。したが
って式（３）の左辺は５８５℃となる。本冷却条件では
Ｋ値は３．０・１０^-3ｍｓ^-0.5であった。よって、右辺
は５５８℃であり、式（３）の条件式を満足する。実施
例１と同様に亜鉛メッキ鋼板を製造したが、表面疵は全
く発生しなかった。

【００３０】実施例１と同様の鋼を用い、実施例２とは
逆に鋳型内の冷却強度を弱め、凝固速度を遅くすること
によりＫ値を小さくした例を説明する。表１中、実施例
３のコラムに示す成分系の溶鋼を溶製し、鋳造を行っ
た。本成分系では炭素当量は０．０１４９である。脱酸
条件、アルゴンの吹き込み条件は実施例１と同様であ
る。連鋳パウダーを緩冷却タイプのものに変更し、鋳型
内で緩冷却を実現した。その結果、Ｋ値は２．２・１０
^-3ｍｓ^-0.5となった。なお、鋳造速度は０．９ｍ／分で
あった。タンディッシュ内溶鋼温度は１６０２℃、鋳型
直下での凝固殻表面温度は８６３℃であったので、３式
の左辺は７３９℃となる。一方、条件式の左辺は７２１
℃となり、式（３）の条件式を満足する。実施例３の鋼
材については熱間圧延後の酸洗ラインで表面疵の有無を
調査したが、全く表面疵の発生はなかった。

【００３１】次に比較例の鋳造条件を表２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】この比較例では、実施例１と全く同一の鋼
種を溶製し、同一サイズの鋳型に鋳造した。鋳型内での
冷却強度を実施例１と比較して弱めたところ、鋳型下端
出口での凝固殻表面温度は８５０℃であった。鋳造終了
後、通常のスケジュールで連続熱間圧延、冷間圧延を経
て亜鉛メッキ鋼板を製造した。表面を検査したところ、
表面疵の発生が認められた。なお、本比較例では式
（３）の左辺が、７５８℃、右辺が１０７８℃となり、
条件式は満足しない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、溶鋼温度
を上昇させかつ凝固殻表面温度を低下させることによっ
て、また鋳型内冷却を弱めることにより凝固速度を小さ
くすることによって、さらに溶鋼中の溶質濃度を低下さ
せることによって、固液界面形態を平滑とすることによ
り、アルミナを吸着した気泡、あるいは単独の気泡を凝
固界面に捕捉させないようにすることにより、鋼板の表
面疵発生を抑制する効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】透明有機物を用いたモデル実験装置を示す図で
ある。

【図２】透明有機物の温度と気泡の捕捉を示す図であ
る。

【図３】凝固界面形状と気泡の捕捉を示す図である。

【符号の説明】

１溶融透明有機物２水冷銅板３冷却水出入り口４凝固殻５アルゴンガス導入口６ガラスボールフィルター７ホットプレート８観察用カメラ９ビーカー１０気泡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼の連続鋳造において固液界面形態を平
滑とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
【請求項２】鋼の連続鋳造における鋳型下部までの初
期凝固部において、固液界面形態を平滑とすることを特
徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造方法。
【請求項３】溶鋼温度と連続鋳造鋳型下端出口での凝
固殻表面温度の差をΔＴ、凝固殻厚み（ｄ）と凝固経過
時間（ｔ）との関係をｄ＝Ｋ√ｔで表したときの比例定
数をＫ、鋼の組成からＣ’＝１．０６６Ｃ−０．２０２
Ｃ²＋０．０１９Ｓｉ＋０．００４３Ｍｎ＋１．１７７
５Ｐ＋１．６７４０Ｓを利用して求めた炭素当量の値を
Ｃ’とすると、ΔＴ＞１．０・１０¹⁰Ｋ²Ｃ’を満足し
て凝固を進行させることを特徴とする請求項１記載の鋼
の連続鋳造方法。