JP2004009064A - 連続鋳造鋳片の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課 題】鋳型内部の溶鋼温度の低下に起因した鋳片欠陥の発生や生産性の低下を招くことなく、鋳片表層部における溶質元素の濃度を適切に調整することができる連続鋳造鋳片の有利な製造方法を提案する。
【解決手段】鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で直流磁場帯内または直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入すると共に、特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について溶質元素の濃度を高め、もって鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することからなる連続鋳造鋳片の製造方法において、予め溶質元素を含有する合金を加熱して溶融した後、溶融金属を、保温された経路を通して鋳型内溶鋼に注入する。
【選択図】 図１
【解決手段】鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で直流磁場帯内または直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入すると共に、特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について溶質元素の濃度を高め、もって鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することからなる連続鋳造鋳片の製造方法において、予め溶質元素を含有する合金を加熱して溶融した後、溶融金属を、保温された経路を通して鋳型内溶鋼に注入する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片の内部と比較して表層部における特定の溶質元素の濃度が高い傾斜組成を有する連続鋳造鋳片の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、成分組成が表層部と内部で異なる鋳片を連続鋳造によって製造する方法が種々提案されている。たとえば特開平７−５１８０１号公報には、連続鋳造用の鋳型内へ溶鋼を気体と共に垂直方向に注入し、この溶鋼注入位置より上部で鋳型内の幅方向全幅にわたり直流磁場を付与して溶鋼の上昇流を減速し、その直流磁場の付与位置より上部の溶鋼中に溶鋼成分とは異種の合金元素を含むワイヤを添加して、注入気体の浮上攪拌により上部の溶鋼を合金溶鋼として合金鋼の表層を鋼片表面に形成することからなる複層鋼板の製造方法が記載されている。
【０００３】
さらに特開平８−２５７６９２号公報には、メニスカスから一定距離下方において鋳型全幅にわたり直流磁界を印加して制動域を形成しつつ、その上下にノズル吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて一定組成の溶鋼を注入し、さらにワイヤを用いて合金元素を制動域よりも上部の溶鋼プール内に連続的に供給しつつ溶鋼注入流による攪拌を行なうことによって、表層の合金元素濃度が均一な複層鋳片を製造する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法では、ワイヤを添加することにより、鋳型内の溶鋼の含熱量を奪うことになるため、鋳型内部の溶鋼温度が低下し、鋳型内での皮張り等により鋳型内部での介在物やパウダーの欠陥が増加するという問題があった。また、鋳型内部の溶鋼温度が低下して、溶融温度（すなわち融点）との差が０℃近くになると鋳造が不可能になるため、添加できるワイヤ量が制限されるところにも問題を残していた。
【０００５】
特許第３０２０１２７号公報においては、タンディッシュ溶鋼中に添加するワイヤを、供給用ピンチロールと溶鋼間で電気抵抗加熱や高周波加熱によって加熱しつつ添加することが提案されている。
しかしながら本発明者らは、これらの方法について実験により詳細に調査したところ、鋳型内の溶鋼の局所的な凝固に起因した鋳片欠陥の発生を完全に防止できないことが明らかとなった。
【０００６】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鋳型内部の溶鋼温度の低下に起因した鋳片欠陥の発生や生産性の低下を招くことなく、鋳片表層部における溶質元素の濃度を適切に調整することができる連続鋳造鋳片の有利な製造方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨構成は次の通りである。
１．溶鋼の連続鋳造に際して、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入すると共に、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼に特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について該溶質元素の濃度を高め、もって鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することからなる連続鋳造鋳片の製造方法において、上部プール内の溶鋼に特定の溶質元素を添加するに際し、予め該溶質元素である金属，あるいは該溶質元素を含有する合金を加熱して溶融金属とした後、該溶融金属を、保温された経路を通して鋳型内溶鋼に注入することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
【０００８】
２．前記保温された経路を、鋳型上方において下向きに湾曲させたことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
３．前記保温された経路を鋳型内の溶鋼内まで延長し、前記溶融金属を鋳型内の溶鋼表面から下部に注入し、浸漬ノズル上部吐出口からの溶鋼流に混合させることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
【０００９】
４．前記合金がニッケルを主体とする合金であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従い説明する。
図１に、本発明に従う鋳型内への溶質元素の添加領域の一例を模式で示す。図１中の番号１はワイヤリール，２は加熱手段としての高周波誘導加熱炉，３はその周りの耐火材，４は耐火材からなる溶融金属の導入管，５はその内部に埋め込んだ電熱線であり、これら４，５によって溶融金属の供給経路を形成している。また、６はワイヤ，６’は加熱溶解後の溶融金属であり、７は溶鋼である。
【００１１】
鋳型内の溶鋼中に目的とする溶質元素を供給するに際して、溶質元素そのものからなるワイヤーや塊状物，粒状物、あるいは溶質元素を含有する合金ワイヤあるいは塊状または粒状の合金鉄を加熱手段に供給し、この加熱手段により目的とする合金を加熱して溶融金属とした後、溶鋼７内に供給する。
加熱手段にて溶融する物質の形態は、ワイヤあるいは塊状物や粒状物のいずれを使うことも可能である。コスト上は加工度の低い塊状物や粒状物が有利であるので、たとえば加熱手段において事前にこれら塊状物や粒状物を溶融して、ある程度の量の溶融金属を作っておき、その後、主たる供給はワイヤを用いるのが好ましい。
【００１２】
ここではワイヤ６として、ニッケルのソリッドワイヤ（以下、ニッケルワイヤという）を用いる例について説明する。したがって、この例では６’は加熱溶融後の溶融ニッケルであり、７は溶鋼である。なお加熱手段としては、高周波誘導加熱炉の他に溝型誘導加熱炉，タンマン炉あるいはアーク加熱炉も利用することができる。
【００１３】
加熱溶融後の溶融ニッケル６’は、供給経路を経て鋳型内の溶鋼７に供給されるが、そのままでは周囲からの抜熱により半凝固状態となり、供給経路に詰まりが生じるおそれがある。したがって溶融ニッケル６’は、溶融された後、電気加熱等により保温された経路を通して溶鋼７内に注入される。
溶融ニッケル６’は、加熱炉において、加熱溶融後は速やかに溶鋼７内に供給することが望まれるので、溶融ニッケル６’の経路は鋳型上方において下方に湾曲させた形状とすることが有利である。
【００１４】
本発明にしたがいワイヤ６を加熱溶融して溶鋼７に添加することにより、次の利点が期待できる。まず、添加する溶質元素をワイヤ６で供給することによって、溶質成分を一定速度で連続的に溶鋼７中に添加することが可能になる。また供給に対して複雑な注湯系統が不要である。また、ワイヤ６を加熱溶融し、溶融状態で供給するので溶鋼７の局所的な凝固を防止することができる。たとえば前述した特開平７−５１８０１号公報や特開平８−２５７６９２号公報に開示された技術では、ワイヤを加熱せずに溶鋼中に添加するので、周囲の溶鋼が冷却されて凝固することが避けられない。また、ワイヤを加熱して添加する特許第３０２０１２７号公報に記載の技術においても周囲の溶鋼が凝固する問題が発生する。これは、たとえワイヤを加熱して添加したとしても、ワイヤが溶鋼中で溶解する際に周囲の溶鋼から溶解の潜熱を奪うために、溶鋼は凝固してしまうからである。
【００１５】
しかしながら本発明によれば、ワイヤ６は予め溶融され、液滴ないし液流となって溶鋼７中に添加されるので、上述したような溶解潜熱を周囲の溶鋼７から奪うということがない。しかも液相状態であるが故に、溶鋼７中に添加された後、速やかに溶鋼７中に拡散するので鋳型内溶鋼プール内での溶質元素濃度の分布の均一性を向上させる効果もある。
【００１６】
またワイヤ６を直接誘導加熱する方法に比べて、大型コイルにより直接溶融金属内を加熱するので、加熱効率を高めることが可能となり、ワイヤ供給速度を高めることが可能である。その結果、従来よりもさらに表層と内部の成分濃度差を拡大することが可能となる。
以上に述べたように、本発明ではワイヤ６を加熱溶融して溶鋼７中に供給することにしたのであるが、ワイヤ６の融点が低い場合は溶融後の溶質元素が溶鋼温度に到達するまでの顕熱を周囲の溶鋼７から奪うことになり、溶鋼７の局所的凝固を招くおそれがある。したがってワイヤ６の加熱温度は、その融点以上で、かつ１４００℃以上程度とすることが一層好ましい。このように加熱することによって、溶鋼７の局所的凝固を可及的に防止することが可能となる。
【００１７】
誘導加熱を行なう際のコイルの周波数については、溶融効率の観点からは周波数の上限は特に制限されないが、一般に周波数が高くなると電源設備費が極端に高くなる上に、鋳型近傍で用いる湯面レベル計として用いる渦流センサーの信号（５０〜６０ｋＨｚ）に干渉するという問題をさけるために、周波数の上限は５０ｋＨｚ程度とする、ことが望ましい。また周波数の下限は一般の高周波加熱炉と同じ数キロヘルツ程度である。
【００１８】
またワイヤ径については、十分な量を供給し、かつワイヤ６を供給しながら問題なく溶融するためには、ワイヤ径は３〜２０ｍｍ程度とするのが有効であることが判明した。
なお加熱炉の位置については、ワイヤ６を加熱溶融した後、輸送距離があまりに長いと、その間で温度降下が生じる。したがってワイヤ加熱位置は、極力、鋳型に近いことが望ましい。しかし一方で、鋳型のすぐ上方に高周波コイルを設置すると鋳型内の溶鋼湯面レベル検出用に設けられている渦流センサーとの干渉が大きくなるので望ましくない。
【００１９】
また加熱手段を鋳型から離した状態で鋳型の上方に設置するのは、鋳型からタンディッシュまでに大幅な空間距離を採る必要が生じ、事実上困難である。したがって図１に示すように、ワイヤリール１と鋳型上部との間に加熱炉を設置してワイヤ６を加熱溶融させた後、電気加熱等により保温された経路を通して、溶鋼７中に注入するのが好適である。そして鋳型上部とタンディッシュの限られた空間にこのような加熱装置を設けるためには、上記した経路を鋳型の直上で下向き鉛直方向に湾曲させることが有利である。
【００２０】
さらに発明者らは、このようなワイヤ供給を行なう際の好適な溶鋼温度について、ワイヤ６としてニッケルワイヤを用いて調査を行なった。図２は、ニッケルワイヤ６の送給により２７ｋｇ／ｔｏｎのニッケル（すなわち溶鋼１ｔｏｎあたりニッケル２７ｋｇ）を溶鋼７内に供給するときのワイヤ供給温度と鋳型内溶鋼温度の降下量との関係を示すグラフである。
【００２１】
図２から明らかなように、ニッケルワイヤ６の予熱がない場合は５０℃以上もの溶鋼温度の降下が生じる。またニッケルワイヤ６の予熱を行なうことによって溶鋼７の温度降下は軽減できるが、ニッケルの融点である１４５０℃近くまで加熱したとしても、溶解熱を補償するために溶鋼温度は２０℃近く低下する。したがってニッケルワイヤ６の供給によって溶鋼７が凝固しないようにするためには、このような溶鋼７の温度降下を見込んで、鋳型に注入される溶鋼温度を通常よりも高めておく必要があった。通常、溶鋼７の連続鋳造では、タンディッシュから鋳型へ至る間の溶鋼温度降下があるので、これを見込んでタンディッシュ内溶鋼過熱度（＝タンディッシュ内溶鋼温度−溶鋼の凝固温度）を２０〜７０℃程度として操業することが多いが、前記した従来技術によるワイヤ添加を行なうときには、さらにこれに加えて２０〜５０℃程度高めておく必要があった。
【００２２】
このことは製鋼炉である転炉や、二次精錬炉であるＲＨ脱ガス装置やＬＦ等の取鍋精錬炉の負荷を増大させるだけでなく、取鍋の耐火物の損耗を速めるという問題をもたらしていた。さらに鋳型内にあっては、ワイヤ６と接する領域以外の溶鋼７の温度が高いために、鋳型内面と接する部分での凝固シェルの成長が遅れ、このためにブレークアウト，鋳片の変形，バルジングによる操業トラブル，さらには品質トラブルの発生率が増大するという問題があった。しかしながら本発明によれば、タンディッシュ内溶鋼過熱度を通常の操業に比べて特に高めておく必要がないので、上記したような二次精錬の負荷の増大や鋳造トラブルおよび品質トラブル等の発生を効果的に防止することができる。
【００２３】
なお本発明の実施に際しては、図３に示すような、下部の吐出孔が単孔であり、上部の吐出孔が２孔の浸漬ノズルを備える連鋳機を用いるのが好適である。図３中の番号８は鋳型、９は浸漬ノズル、１０は磁極であり、この磁極１０により鋳型の厚み方向に鋳片全幅にわたって直流磁場帯を印加できるようになっている。そして１１は、磁極１０の高さ中心を示す。また，１２は浸漬ノズル９の下部吐出孔、１３ａ，１３ｂはそれぞれ浸漬ノズル９の上部吐出孔、１４は下部吐出孔１２からの溶鋼噴流、１５ａ，１５ｂはそれぞれ上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流、１６は直流磁場帯の下部プールから上部プールへの逆流を示す。１７は凝固シェルである。
【００２４】
なお図３中のｗは鋳型の幅，θ，θ’はそれぞれ浸漬ノズル９の下部吐出孔１２および上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流の吐出角度（すなわち水平方向を０°とした下向きの角度）、ｈは下部吐出孔１２下端から磁極１０の高さ中心までの距離、ｈ’は上部吐出孔１３ａ，１３ｂ中心から磁極１０の高さ中心までの距離である。
図３に示すように、浸漬ノズル９の下部吐出孔１２から供給された溶鋼噴流１４は一旦直流磁場帯の下部プールに流入するが、上部プールへの溶鋼の供給速度を上部プール内で凝固して消費される速度よりも少なくし、一旦下部プールに流入した溶鋼のうち、上部プールでの不足分だけは自然に再度上部プールに逆流させることにより、溶鋼の供給速度の制御に関する問題を生じさせない。なお、下部プールに供給する溶鋼噴流１４の周りに逆流が生じやすいようにするためには、下部吐出孔１２を適切な位置に配置することが重要である。
【００２５】
そこで、この点について種々検討した結果、下部吐出孔１２の位置および吐出角度と直流磁場の印加位置について次の関係を満足させるのが好ましいことが判明した。
ｈ＜（ｗ／２）× ｔａｎθ ・・・ （１）
０＜ｈ≦ ０．３ ・・・ （２）
θ：下部吐出孔からの吐出角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔の下端から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
距離ｈが （１）式を満たさない場合は、溶鋼噴流１４が直流磁場帯を十分に貫通する前に両端の壁面に衝突してしまい、十分に下部プールからの逆流を引き起こすことができない。また距離ｈが （２）式を満たさない場合は、直流磁場帯を貫通する前に溶鋼噴流１４が拡散し、やはり逆流を十分に引き起こすことができない。
【００２６】
一方、上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流１５ａ，１５ｂは下部プールに流出させないようにする必要があり、そのためには下記の （３）式を満足することが好ましい。また下部プールから流入する溶鋼を十分に引き込ませるためには下記の （４）式を満足することが好ましい。
ｈ’＞（ｗ／２）× ｔａｎθ’ ・・・ （３）
０＜ｈ’≦ ０．３ ・・・ （４）
θ’：上部吐出孔からの吐出角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ’：上部吐出孔の中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
また上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流１５ａ，１５ｂの供給速度は、上部吐出孔１３ａ，１３ｂと下部吐出孔１２からの溶鋼の供給比の変動を考慮して、上部プールで凝固により消費される速度よりも小さく設定する必要がある。しかしながら、この溶鋼の供給速度が上部プールでの溶鋼の消費速度の ０．３倍に満たない場合には、たとえ （４）式を満足する条件下であっても、下部プールから供給される溶鋼や添加された溶質元素を引き込み、両者を混合するのに十分な噴流速度が得られない場合がある。
【００２７】
したがって上部吐出孔１３ａ，１３ｂから供給する溶鋼噴流１５ａ，１５ｂの供給速度Ｑ’（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）と、上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度Ｑ（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）については、下記の （５）式を満足させることが好適である。
０．３Ｑ≦Ｑ’≦ ０．９Ｑ ・・・ （５）
Ｑ ：磁極の高さ中心より上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）
Ｑ’：上部吐出孔からの溶鋼噴流の供給速度（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）
また鋳片表層の溶質濃度を均一にするためには、加熱溶解した添加元素（たとえばニッケル）を上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの噴流に引き込まれやすい位置に添加することが好ましい。さらに、この点について詳しく検討した結果、下記の （６）式を満足する条件下で添加することが有効であることが判明した。
【００２８】
０＜ｚ≦ ０．６ ・・・ （６）
ｚ：溶質元素の添加位置から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
溶質元素の添加位置を調整して距離ｚ（ｍ）を好適範囲に維持するためには、電気加熱等によって保温した経路をそのまま延ばして溶鋼内に浸漬する方法を採るのが最も簡便である。そして （１）〜（６）式を満足する条件下で操業を行なった場合には、鋳片表層部の溶質元素の濃度が均一な鋳片を高い歩留りをもって製造できることが究明されたのである。
【００２９】
なお、通常の連続鋳造で用いられるような２孔ノズル等の場合でも、上記の（１），（２）式を満足すれば、所望の局所的な流入部位を効果的に生成させることが可能である。また局所的な流入部位の形成効果と、溶鋼噴流の減衰効果を一層大きくするためには、上部吐出孔１３ａ，１３ｂおよび下部吐出孔１２の位置は磁極１０の中心から上方に配置することが好ましい。
【００３０】
印加する直流磁場の強さについては、あまりに小さいと、直流磁場による制動効果が弱くなって、上部プールと下部プールの溶鋼が混合するおそれが生じる。一方、強すぎると、上部プール内への流入が強くなりすぎ、必要以上の溶鋼が上部プールに供給されることになるため、結果として、流入位置から離れた部位において上部プールの溶鋼が流出するおそれがある。したがって印加する直流磁場は、上部プールと下部プールの溶鋼の混合や溶質元素の不均一な溶解を防止するための適切な強さにすることが重要である。通常、 ０．１〜０．５Ｔ程度とするのが好ましい。
【００３１】
また同様に、ノズルに注入されるＡｒガスの流量が多すぎると、上部プールへのＡｒガスの流入が強くなりすぎ、気泡性欠陥を発生しやすくなるため、Ａｒガス流量は、２０ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。
さらに印加する直流磁場帯の幅（すなわち高さ方向）については、あまりに小さいと、制動効果が十分に得られない。一方、あまりに大きいと、直流磁場を発生させるのに必要な電源容量あるいはコイルサイズが大きいものとなり、設備コストが増大するので、磁極１０の高さ方向の幅で ０．１〜０．５ｍ程度とするのが好適である。
【００３２】
また直流磁場の幅を制御するために、図４に示すように、上下にＮＳ極を有する２段の鉄心（すなわち磁極１０と上部磁極１９）を有する直流磁場を用いるのが好ましい。
以上ではワイヤ６としてニッケルのソリッドワイヤを使用した場合の例について説明したが、ソリッドワイヤだけではなく、合金鉄粉等を薄鋼板で被覆した鉄被覆ワイヤも使用可能である。
【００３３】
なお加熱炉の下からの注入については、注湯量が極めて少ないことから、通常の連続鋳造で用いられるスライディングノズル等は使用せずに、ストッパ等を用いて開孔のみを行ない、その後は供給量と溶解量をバランスさせることにより、供給量を制御するのが容易である。
また、ここではニッケルを溶融して供給する方法を例にとって説明したが、本発明では他の溶質元素も適用可能である。ただし鉄基ベースの合金等では大気による鉄酸化が生じ、鋳片内に欠陥原因を作る危険もあるので、炉内の自由表面をシールする等の対策が必要となる。
【００３４】
【実施例】
図１に示す連鋳鋳型を用い、耐候性鋼用素材の連鋳スラブを製造した。溶鋼７の組成は、表１に示す通りである。
【００３５】
【表１】
【００３６】
なお連鋳の操業条件は、下記に列挙する通りである。
（ａ）鋳型の内寸：
長辺 ０．４ｍ（鋳型の幅方向の長さｗ）
短辺 ０．１１ｍ
（ｂ）直流磁場：
印加位置 鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離 ０．３４７ｍ
磁場の強さ ０．３Ｔ
磁極の高さ ０．１５ｍ
（ｃ）浸漬ノズル：
ノズル内径： ４０ｍｍ
（ｄ）上部吐出孔（２孔）：
吐出孔の形状 １辺１０ｍｍの正方形
吐出角度θ’ ０°（水平）
浸漬深さ ０．１７７ｍ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心までの距離）
距離ｈ’ ０．１７０ｍ
（ｅ）下部吐出孔（単孔）：
吐出孔の形状 直径２８ｍｍの円形
吐出角度θ ９０°（鉛直下向き）
浸漬深さ ０．３４ｍ（鋳型内湯面レベルから下部吐出孔下端までの距離）
距離ｈ ０．００７ｍ
（ｆ）連続鋳造：
鋳造速度 １．６ｍ／ｍｉｎ（鋳造量 ０．５５ ｔｏｎ／ｍｉｎ）
上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ’＝ ０．７６Ｑ
（ｇ）溶質元素：
素材 純Ｎｉペレットおよび純Ｎｉワイヤを後述の高周波誘導加熱炉で溶融して使用
溶融Ｎｉの供給位置 上部吐出孔から両端方向への水平距離 ０．１ｍ
溶融Ｎｉ供給管の浸漬位置 上部吐出孔までの高さ方向の距離 ０．１２ｍ
なお、凝固シェルの成長厚ｄ（ｍ）は下記の （７）式で与えられる。
【００３７】
ｄ＝ ０．０２２×（Ｌ／ＶＣ ）０．５ ・・・ （７）
Ｌ ：湯面レベルから下段磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
ＶＣ ：鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）
したがって上下プール境界部での凝固シェル厚さは、 （７）式から１０．２ｍｍ程度であることが分かる。その結果、Ｑ＝０．１２５ｔｏｎ／ｍｉｎとなる。一方、Ｑ’については水モデル等から全スループットの１７．５％であることが分かっており、Ｑ’＝ ０．０９６３ｔｏｎ／ｍｉｎとなる。したがってＱ’＝０．７７Ｑである。
【００３８】
なお鋳造時のタンディッシュ内溶鋼過熱度は２５〜６５℃の範囲であった。さて、上記した鋳造条件の下で、加熱手段として図１に示すような高周波誘導加熱炉（周波数 １０ｋＨｚ）を用い、事前に純ニッケルペレット等を投入し溶融しておく。この高周波誘導加熱炉に直径８ｍｍのニッケルワイヤ６を２本それぞれ１０．４ｍ／ｍｉｎの速度（合計 ９．４ｋｇ／ｍｉｎ）の速度で供給しつつ加熱溶融しながら、溶鋼７中に供給した。
【００３９】
ニッケルワイヤ６を２本供給する理由は、ニッケルワイヤ６の供給速度があまりに速いと、高周波誘導加熱炉で十分に溶融する時間を維持するのが困難であるからである。本発明では、必要とする表層部への溶質元素（たとえばニッケル）の添加量に応じて適宜ワイヤ径と供給本数を制御する。
なお溶融したニッケルは、保温された経路としてカンタル線または白金線で１４５０℃以上に加熱した Ｓｉ３Ｎ４ （＋ＢＮ）またはＡｌＯＮ（＋ＢＮ）等の導入管を通して鋳型内の溶鋼７中に注入した。耐火材は、耐熱衝撃性に優れ、熱伝導性および濡れ性が低いという観点で決定した。
【００４０】
以上の連続鋳造を発明例とする。
一方、比較例として、発明例と同一の条件でニッケルワイヤ６を鋳型内の溶鋼７に直接供給して連続鋳造を行なった。この比較例では、鋳型内の溶鋼温度の低下が著しかったので、ニッケルワイヤ６の供給速度を１ｋｇ／ｍｉｎに制限した。
発明例と比較例について、得られた鋳片（すなわち連鋳スラブ）の不良発生状況を調査した。その結果を図５に示す。鋳片の不良発生状況は、鋳片表面を観察して ５００μｍ以上の大きさの介在物やパウダー性欠陥の個数（以下、不良個数という）を測定し、発明例の不良個数を１として相対値で評価した。
【００４１】
図５から明らかなように、発明例は、比較例に比べて鋳片表層部の不良個数が大幅に低減している。観察された欠陥は、パウダーの巻き込みによるパウダー性欠陥やアルミナ性欠陥であった。比較例ではニッケルワイヤ６を加熱せずに溶鋼７に供給したために、未溶融のパウダーの巻き込みが増加したことに加えて、鋳型内の溶鋼温度が低下することによって溶融層厚みが減少し、アルミナのパウダーへの吸収が減少したために、不良個数が増加したものと考えられる。
【００４２】
また発明例の鋳片の上面側と下面側の長辺面から、各々幅方向に５点ずつ分析用の試料を切り出し、スケールを除去した後、カントバック分析を行なった。平均分析結果を表２に示し、鋳片表面のニッケル濃度分析値の鋳片幅方向の分布を図６に示す。
【００４３】
【表２】
【００４４】
図６から明らかなように、発明例では鋳片表面のニッケル濃度のばらつきが少なく、耐候性鋼としての要求を満たしている。さらに発明例の鋳片を板厚２５ｍｍまで圧延した後、断面を観察した結果では、表層部２ｍｍは鋳片表面と実質的に均質な成分となっており、耐候性鋼として十分な機能を有することが確認された。また鋼板の超音波探傷検査を行なった結果では、格落ち等につながる欠陥は認められなかった。
【００４５】
さらに暴露試験を行ない、本発明で得られた耐候性鋼の鋳片は、大幅に耐候性が向上されることが確かめられた。これは、従来の耐候性鋼に比べて、本発明の耐候性鋼の鋳片表層部のニッケル濃度が高くなるからである。つまり本発明の耐候性鋼の鋳片は、海岸向けの耐候性鋼として使用できる可能性があることが分かった。したがって本発明によって、従来より優れた耐候性鋼を製造することが可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、鋳型内の上部プールへ多量の合金元素を安定して供給することが可能となり、その結果、鋳片表層部の溶質元素の濃度ばらつきが極めて少ない均質な鋳片を安定して製造できる。
また本発明によれば、合金元素の添加によっても鋳造温度の低下を招くことがないので、鋳片欠陥の発生や生産性の低下を招くことのない安定した連続鋳造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する装置の例を模式的に示す断面図である。
【図２】ワイヤ加熱温度と鋳型内溶鋼の温度との関係を示すグラフである。
【図３】３孔ノズルを用いて溶鋼を注入する例を模式的に示す断面図である。
【図４】３孔ノズルを用いて溶鋼を注入する他の例を模式的に示す断面図である。
【図５】鋳片欠陥の発生状況を示すグラフである。
【図６】本発明の連続鋳造による鋳片表面のニッケル濃度分析値のばらつきの分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ワイヤリール
２ 高周波誘導加熱コイル
３ 耐火材
４ 溶融金属の導入管
５ 電熱線
６ ワイヤ
６’ 溶融金属
７ 溶鋼
８ 鋳型
９ 浸漬ノズル
１０ 磁極
１１ 磁極の高さ中心
１２ 下部吐出孔
１３ａ上部吐出孔
１３ｂ上部吐出孔
１４ 下部吐出孔からの溶鋼噴流
１５ａ上部吐出孔からの溶鋼噴流
１５ｂ上部吐出孔からの溶鋼噴流
１６ 下部プールから上部プールへの逆流
１７ 凝固シェル
１８ 上部磁極の高さ中心
１９ 上部磁極
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片の内部と比較して表層部における特定の溶質元素の濃度が高い傾斜組成を有する連続鋳造鋳片の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、成分組成が表層部と内部で異なる鋳片を連続鋳造によって製造する方法が種々提案されている。たとえば特開平７−５１８０１号公報には、連続鋳造用の鋳型内へ溶鋼を気体と共に垂直方向に注入し、この溶鋼注入位置より上部で鋳型内の幅方向全幅にわたり直流磁場を付与して溶鋼の上昇流を減速し、その直流磁場の付与位置より上部の溶鋼中に溶鋼成分とは異種の合金元素を含むワイヤを添加して、注入気体の浮上攪拌により上部の溶鋼を合金溶鋼として合金鋼の表層を鋼片表面に形成することからなる複層鋼板の製造方法が記載されている。
【０００３】
さらに特開平８−２５７６９２号公報には、メニスカスから一定距離下方において鋳型全幅にわたり直流磁界を印加して制動域を形成しつつ、その上下にノズル吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて一定組成の溶鋼を注入し、さらにワイヤを用いて合金元素を制動域よりも上部の溶鋼プール内に連続的に供給しつつ溶鋼注入流による攪拌を行なうことによって、表層の合金元素濃度が均一な複層鋳片を製造する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法では、ワイヤを添加することにより、鋳型内の溶鋼の含熱量を奪うことになるため、鋳型内部の溶鋼温度が低下し、鋳型内での皮張り等により鋳型内部での介在物やパウダーの欠陥が増加するという問題があった。また、鋳型内部の溶鋼温度が低下して、溶融温度（すなわち融点）との差が０℃近くになると鋳造が不可能になるため、添加できるワイヤ量が制限されるところにも問題を残していた。
【０００５】
特許第３０２０１２７号公報においては、タンディッシュ溶鋼中に添加するワイヤを、供給用ピンチロールと溶鋼間で電気抵抗加熱や高周波加熱によって加熱しつつ添加することが提案されている。
しかしながら本発明者らは、これらの方法について実験により詳細に調査したところ、鋳型内の溶鋼の局所的な凝固に起因した鋳片欠陥の発生を完全に防止できないことが明らかとなった。
【０００６】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鋳型内部の溶鋼温度の低下に起因した鋳片欠陥の発生や生産性の低下を招くことなく、鋳片表層部における溶質元素の濃度を適切に調整することができる連続鋳造鋳片の有利な製造方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨構成は次の通りである。
１．溶鋼の連続鋳造に際して、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入すると共に、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼に特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について該溶質元素の濃度を高め、もって鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することからなる連続鋳造鋳片の製造方法において、上部プール内の溶鋼に特定の溶質元素を添加するに際し、予め該溶質元素である金属，あるいは該溶質元素を含有する合金を加熱して溶融金属とした後、該溶融金属を、保温された経路を通して鋳型内溶鋼に注入することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
【０００８】
２．前記保温された経路を、鋳型上方において下向きに湾曲させたことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
３．前記保温された経路を鋳型内の溶鋼内まで延長し、前記溶融金属を鋳型内の溶鋼表面から下部に注入し、浸漬ノズル上部吐出口からの溶鋼流に混合させることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
【０００９】
４．前記合金がニッケルを主体とする合金であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従い説明する。
図１に、本発明に従う鋳型内への溶質元素の添加領域の一例を模式で示す。図１中の番号１はワイヤリール，２は加熱手段としての高周波誘導加熱炉，３はその周りの耐火材，４は耐火材からなる溶融金属の導入管，５はその内部に埋め込んだ電熱線であり、これら４，５によって溶融金属の供給経路を形成している。また、６はワイヤ，６’は加熱溶解後の溶融金属であり、７は溶鋼である。
【００１１】
鋳型内の溶鋼中に目的とする溶質元素を供給するに際して、溶質元素そのものからなるワイヤーや塊状物，粒状物、あるいは溶質元素を含有する合金ワイヤあるいは塊状または粒状の合金鉄を加熱手段に供給し、この加熱手段により目的とする合金を加熱して溶融金属とした後、溶鋼７内に供給する。
加熱手段にて溶融する物質の形態は、ワイヤあるいは塊状物や粒状物のいずれを使うことも可能である。コスト上は加工度の低い塊状物や粒状物が有利であるので、たとえば加熱手段において事前にこれら塊状物や粒状物を溶融して、ある程度の量の溶融金属を作っておき、その後、主たる供給はワイヤを用いるのが好ましい。
【００１２】
ここではワイヤ６として、ニッケルのソリッドワイヤ（以下、ニッケルワイヤという）を用いる例について説明する。したがって、この例では６’は加熱溶融後の溶融ニッケルであり、７は溶鋼である。なお加熱手段としては、高周波誘導加熱炉の他に溝型誘導加熱炉，タンマン炉あるいはアーク加熱炉も利用することができる。
【００１３】
加熱溶融後の溶融ニッケル６’は、供給経路を経て鋳型内の溶鋼７に供給されるが、そのままでは周囲からの抜熱により半凝固状態となり、供給経路に詰まりが生じるおそれがある。したがって溶融ニッケル６’は、溶融された後、電気加熱等により保温された経路を通して溶鋼７内に注入される。
溶融ニッケル６’は、加熱炉において、加熱溶融後は速やかに溶鋼７内に供給することが望まれるので、溶融ニッケル６’の経路は鋳型上方において下方に湾曲させた形状とすることが有利である。
【００１４】
本発明にしたがいワイヤ６を加熱溶融して溶鋼７に添加することにより、次の利点が期待できる。まず、添加する溶質元素をワイヤ６で供給することによって、溶質成分を一定速度で連続的に溶鋼７中に添加することが可能になる。また供給に対して複雑な注湯系統が不要である。また、ワイヤ６を加熱溶融し、溶融状態で供給するので溶鋼７の局所的な凝固を防止することができる。たとえば前述した特開平７−５１８０１号公報や特開平８−２５７６９２号公報に開示された技術では、ワイヤを加熱せずに溶鋼中に添加するので、周囲の溶鋼が冷却されて凝固することが避けられない。また、ワイヤを加熱して添加する特許第３０２０１２７号公報に記載の技術においても周囲の溶鋼が凝固する問題が発生する。これは、たとえワイヤを加熱して添加したとしても、ワイヤが溶鋼中で溶解する際に周囲の溶鋼から溶解の潜熱を奪うために、溶鋼は凝固してしまうからである。
【００１５】
しかしながら本発明によれば、ワイヤ６は予め溶融され、液滴ないし液流となって溶鋼７中に添加されるので、上述したような溶解潜熱を周囲の溶鋼７から奪うということがない。しかも液相状態であるが故に、溶鋼７中に添加された後、速やかに溶鋼７中に拡散するので鋳型内溶鋼プール内での溶質元素濃度の分布の均一性を向上させる効果もある。
【００１６】
またワイヤ６を直接誘導加熱する方法に比べて、大型コイルにより直接溶融金属内を加熱するので、加熱効率を高めることが可能となり、ワイヤ供給速度を高めることが可能である。その結果、従来よりもさらに表層と内部の成分濃度差を拡大することが可能となる。
以上に述べたように、本発明ではワイヤ６を加熱溶融して溶鋼７中に供給することにしたのであるが、ワイヤ６の融点が低い場合は溶融後の溶質元素が溶鋼温度に到達するまでの顕熱を周囲の溶鋼７から奪うことになり、溶鋼７の局所的凝固を招くおそれがある。したがってワイヤ６の加熱温度は、その融点以上で、かつ１４００℃以上程度とすることが一層好ましい。このように加熱することによって、溶鋼７の局所的凝固を可及的に防止することが可能となる。
【００１７】
誘導加熱を行なう際のコイルの周波数については、溶融効率の観点からは周波数の上限は特に制限されないが、一般に周波数が高くなると電源設備費が極端に高くなる上に、鋳型近傍で用いる湯面レベル計として用いる渦流センサーの信号（５０〜６０ｋＨｚ）に干渉するという問題をさけるために、周波数の上限は５０ｋＨｚ程度とする、ことが望ましい。また周波数の下限は一般の高周波加熱炉と同じ数キロヘルツ程度である。
【００１８】
またワイヤ径については、十分な量を供給し、かつワイヤ６を供給しながら問題なく溶融するためには、ワイヤ径は３〜２０ｍｍ程度とするのが有効であることが判明した。
なお加熱炉の位置については、ワイヤ６を加熱溶融した後、輸送距離があまりに長いと、その間で温度降下が生じる。したがってワイヤ加熱位置は、極力、鋳型に近いことが望ましい。しかし一方で、鋳型のすぐ上方に高周波コイルを設置すると鋳型内の溶鋼湯面レベル検出用に設けられている渦流センサーとの干渉が大きくなるので望ましくない。
【００１９】
また加熱手段を鋳型から離した状態で鋳型の上方に設置するのは、鋳型からタンディッシュまでに大幅な空間距離を採る必要が生じ、事実上困難である。したがって図１に示すように、ワイヤリール１と鋳型上部との間に加熱炉を設置してワイヤ６を加熱溶融させた後、電気加熱等により保温された経路を通して、溶鋼７中に注入するのが好適である。そして鋳型上部とタンディッシュの限られた空間にこのような加熱装置を設けるためには、上記した経路を鋳型の直上で下向き鉛直方向に湾曲させることが有利である。
【００２０】
さらに発明者らは、このようなワイヤ供給を行なう際の好適な溶鋼温度について、ワイヤ６としてニッケルワイヤを用いて調査を行なった。図２は、ニッケルワイヤ６の送給により２７ｋｇ／ｔｏｎのニッケル（すなわち溶鋼１ｔｏｎあたりニッケル２７ｋｇ）を溶鋼７内に供給するときのワイヤ供給温度と鋳型内溶鋼温度の降下量との関係を示すグラフである。
【００２１】
図２から明らかなように、ニッケルワイヤ６の予熱がない場合は５０℃以上もの溶鋼温度の降下が生じる。またニッケルワイヤ６の予熱を行なうことによって溶鋼７の温度降下は軽減できるが、ニッケルの融点である１４５０℃近くまで加熱したとしても、溶解熱を補償するために溶鋼温度は２０℃近く低下する。したがってニッケルワイヤ６の供給によって溶鋼７が凝固しないようにするためには、このような溶鋼７の温度降下を見込んで、鋳型に注入される溶鋼温度を通常よりも高めておく必要があった。通常、溶鋼７の連続鋳造では、タンディッシュから鋳型へ至る間の溶鋼温度降下があるので、これを見込んでタンディッシュ内溶鋼過熱度（＝タンディッシュ内溶鋼温度−溶鋼の凝固温度）を２０〜７０℃程度として操業することが多いが、前記した従来技術によるワイヤ添加を行なうときには、さらにこれに加えて２０〜５０℃程度高めておく必要があった。
【００２２】
このことは製鋼炉である転炉や、二次精錬炉であるＲＨ脱ガス装置やＬＦ等の取鍋精錬炉の負荷を増大させるだけでなく、取鍋の耐火物の損耗を速めるという問題をもたらしていた。さらに鋳型内にあっては、ワイヤ６と接する領域以外の溶鋼７の温度が高いために、鋳型内面と接する部分での凝固シェルの成長が遅れ、このためにブレークアウト，鋳片の変形，バルジングによる操業トラブル，さらには品質トラブルの発生率が増大するという問題があった。しかしながら本発明によれば、タンディッシュ内溶鋼過熱度を通常の操業に比べて特に高めておく必要がないので、上記したような二次精錬の負荷の増大や鋳造トラブルおよび品質トラブル等の発生を効果的に防止することができる。
【００２３】
なお本発明の実施に際しては、図３に示すような、下部の吐出孔が単孔であり、上部の吐出孔が２孔の浸漬ノズルを備える連鋳機を用いるのが好適である。図３中の番号８は鋳型、９は浸漬ノズル、１０は磁極であり、この磁極１０により鋳型の厚み方向に鋳片全幅にわたって直流磁場帯を印加できるようになっている。そして１１は、磁極１０の高さ中心を示す。また，１２は浸漬ノズル９の下部吐出孔、１３ａ，１３ｂはそれぞれ浸漬ノズル９の上部吐出孔、１４は下部吐出孔１２からの溶鋼噴流、１５ａ，１５ｂはそれぞれ上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流、１６は直流磁場帯の下部プールから上部プールへの逆流を示す。１７は凝固シェルである。
【００２４】
なお図３中のｗは鋳型の幅，θ，θ’はそれぞれ浸漬ノズル９の下部吐出孔１２および上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流の吐出角度（すなわち水平方向を０°とした下向きの角度）、ｈは下部吐出孔１２下端から磁極１０の高さ中心までの距離、ｈ’は上部吐出孔１３ａ，１３ｂ中心から磁極１０の高さ中心までの距離である。
図３に示すように、浸漬ノズル９の下部吐出孔１２から供給された溶鋼噴流１４は一旦直流磁場帯の下部プールに流入するが、上部プールへの溶鋼の供給速度を上部プール内で凝固して消費される速度よりも少なくし、一旦下部プールに流入した溶鋼のうち、上部プールでの不足分だけは自然に再度上部プールに逆流させることにより、溶鋼の供給速度の制御に関する問題を生じさせない。なお、下部プールに供給する溶鋼噴流１４の周りに逆流が生じやすいようにするためには、下部吐出孔１２を適切な位置に配置することが重要である。
【００２５】
そこで、この点について種々検討した結果、下部吐出孔１２の位置および吐出角度と直流磁場の印加位置について次の関係を満足させるのが好ましいことが判明した。
ｈ＜（ｗ／２）× ｔａｎθ ・・・ （１）
０＜ｈ≦ ０．３ ・・・ （２）
θ：下部吐出孔からの吐出角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔の下端から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
距離ｈが （１）式を満たさない場合は、溶鋼噴流１４が直流磁場帯を十分に貫通する前に両端の壁面に衝突してしまい、十分に下部プールからの逆流を引き起こすことができない。また距離ｈが （２）式を満たさない場合は、直流磁場帯を貫通する前に溶鋼噴流１４が拡散し、やはり逆流を十分に引き起こすことができない。
【００２６】
一方、上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流１５ａ，１５ｂは下部プールに流出させないようにする必要があり、そのためには下記の （３）式を満足することが好ましい。また下部プールから流入する溶鋼を十分に引き込ませるためには下記の （４）式を満足することが好ましい。
ｈ’＞（ｗ／２）× ｔａｎθ’ ・・・ （３）
０＜ｈ’≦ ０．３ ・・・ （４）
θ’：上部吐出孔からの吐出角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ’：上部吐出孔の中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
また上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの溶鋼噴流１５ａ，１５ｂの供給速度は、上部吐出孔１３ａ，１３ｂと下部吐出孔１２からの溶鋼の供給比の変動を考慮して、上部プールで凝固により消費される速度よりも小さく設定する必要がある。しかしながら、この溶鋼の供給速度が上部プールでの溶鋼の消費速度の ０．３倍に満たない場合には、たとえ （４）式を満足する条件下であっても、下部プールから供給される溶鋼や添加された溶質元素を引き込み、両者を混合するのに十分な噴流速度が得られない場合がある。
【００２７】
したがって上部吐出孔１３ａ，１３ｂから供給する溶鋼噴流１５ａ，１５ｂの供給速度Ｑ’（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）と、上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度Ｑ（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）については、下記の （５）式を満足させることが好適である。
０．３Ｑ≦Ｑ’≦ ０．９Ｑ ・・・ （５）
Ｑ ：磁極の高さ中心より上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）
Ｑ’：上部吐出孔からの溶鋼噴流の供給速度（ ｔｏｎ／ｍｉｎ）
また鋳片表層の溶質濃度を均一にするためには、加熱溶解した添加元素（たとえばニッケル）を上部吐出孔１３ａ，１３ｂからの噴流に引き込まれやすい位置に添加することが好ましい。さらに、この点について詳しく検討した結果、下記の （６）式を満足する条件下で添加することが有効であることが判明した。
【００２８】
０＜ｚ≦ ０．６ ・・・ （６）
ｚ：溶質元素の添加位置から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
溶質元素の添加位置を調整して距離ｚ（ｍ）を好適範囲に維持するためには、電気加熱等によって保温した経路をそのまま延ばして溶鋼内に浸漬する方法を採るのが最も簡便である。そして （１）〜（６）式を満足する条件下で操業を行なった場合には、鋳片表層部の溶質元素の濃度が均一な鋳片を高い歩留りをもって製造できることが究明されたのである。
【００２９】
なお、通常の連続鋳造で用いられるような２孔ノズル等の場合でも、上記の（１），（２）式を満足すれば、所望の局所的な流入部位を効果的に生成させることが可能である。また局所的な流入部位の形成効果と、溶鋼噴流の減衰効果を一層大きくするためには、上部吐出孔１３ａ，１３ｂおよび下部吐出孔１２の位置は磁極１０の中心から上方に配置することが好ましい。
【００３０】
印加する直流磁場の強さについては、あまりに小さいと、直流磁場による制動効果が弱くなって、上部プールと下部プールの溶鋼が混合するおそれが生じる。一方、強すぎると、上部プール内への流入が強くなりすぎ、必要以上の溶鋼が上部プールに供給されることになるため、結果として、流入位置から離れた部位において上部プールの溶鋼が流出するおそれがある。したがって印加する直流磁場は、上部プールと下部プールの溶鋼の混合や溶質元素の不均一な溶解を防止するための適切な強さにすることが重要である。通常、 ０．１〜０．５Ｔ程度とするのが好ましい。
【００３１】
また同様に、ノズルに注入されるＡｒガスの流量が多すぎると、上部プールへのＡｒガスの流入が強くなりすぎ、気泡性欠陥を発生しやすくなるため、Ａｒガス流量は、２０ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。
さらに印加する直流磁場帯の幅（すなわち高さ方向）については、あまりに小さいと、制動効果が十分に得られない。一方、あまりに大きいと、直流磁場を発生させるのに必要な電源容量あるいはコイルサイズが大きいものとなり、設備コストが増大するので、磁極１０の高さ方向の幅で ０．１〜０．５ｍ程度とするのが好適である。
【００３２】
また直流磁場の幅を制御するために、図４に示すように、上下にＮＳ極を有する２段の鉄心（すなわち磁極１０と上部磁極１９）を有する直流磁場を用いるのが好ましい。
以上ではワイヤ６としてニッケルのソリッドワイヤを使用した場合の例について説明したが、ソリッドワイヤだけではなく、合金鉄粉等を薄鋼板で被覆した鉄被覆ワイヤも使用可能である。
【００３３】
なお加熱炉の下からの注入については、注湯量が極めて少ないことから、通常の連続鋳造で用いられるスライディングノズル等は使用せずに、ストッパ等を用いて開孔のみを行ない、その後は供給量と溶解量をバランスさせることにより、供給量を制御するのが容易である。
また、ここではニッケルを溶融して供給する方法を例にとって説明したが、本発明では他の溶質元素も適用可能である。ただし鉄基ベースの合金等では大気による鉄酸化が生じ、鋳片内に欠陥原因を作る危険もあるので、炉内の自由表面をシールする等の対策が必要となる。
【００３４】
【実施例】
図１に示す連鋳鋳型を用い、耐候性鋼用素材の連鋳スラブを製造した。溶鋼７の組成は、表１に示す通りである。
【００３５】
【表１】
なお連鋳の操業条件は、下記に列挙する通りである。
（ａ）鋳型の内寸：
長辺 ０．４ｍ（鋳型の幅方向の長さｗ）
短辺 ０．１１ｍ
（ｂ）直流磁場：
印加位置 鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離 ０．３４７ｍ
磁場の強さ ０．３Ｔ
磁極の高さ ０．１５ｍ
（ｃ）浸漬ノズル：
ノズル内径： ４０ｍｍ
（ｄ）上部吐出孔（２孔）：
吐出孔の形状 １辺１０ｍｍの正方形
吐出角度θ’ ０°（水平）
浸漬深さ ０．１７７ｍ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心までの距離）
距離ｈ’ ０．１７０ｍ
（ｅ）下部吐出孔（単孔）：
吐出孔の形状 直径２８ｍｍの円形
吐出角度θ ９０°（鉛直下向き）
浸漬深さ ０．３４ｍ（鋳型内湯面レベルから下部吐出孔下端までの距離）
距離ｈ ０．００７ｍ
（ｆ）連続鋳造：
鋳造速度 １．６ｍ／ｍｉｎ（鋳造量 ０．５５ ｔｏｎ／ｍｉｎ）
上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ’＝ ０．７６Ｑ
（ｇ）溶質元素：
素材 純Ｎｉペレットおよび純Ｎｉワイヤを後述の高周波誘導加熱炉で溶融して使用
溶融Ｎｉの供給位置 上部吐出孔から両端方向への水平距離 ０．１ｍ
溶融Ｎｉ供給管の浸漬位置 上部吐出孔までの高さ方向の距離 ０．１２ｍ
なお、凝固シェルの成長厚ｄ（ｍ）は下記の （７）式で与えられる。
【００３７】
ｄ＝ ０．０２２×（Ｌ／ＶＣ ）０．５ ・・・ （７）
Ｌ ：湯面レベルから下段磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
ＶＣ ：鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）
したがって上下プール境界部での凝固シェル厚さは、 （７）式から１０．２ｍｍ程度であることが分かる。その結果、Ｑ＝０．１２５ｔｏｎ／ｍｉｎとなる。一方、Ｑ’については水モデル等から全スループットの１７．５％であることが分かっており、Ｑ’＝ ０．０９６３ｔｏｎ／ｍｉｎとなる。したがってＱ’＝０．７７Ｑである。
【００３８】
なお鋳造時のタンディッシュ内溶鋼過熱度は２５〜６５℃の範囲であった。さて、上記した鋳造条件の下で、加熱手段として図１に示すような高周波誘導加熱炉（周波数 １０ｋＨｚ）を用い、事前に純ニッケルペレット等を投入し溶融しておく。この高周波誘導加熱炉に直径８ｍｍのニッケルワイヤ６を２本それぞれ１０．４ｍ／ｍｉｎの速度（合計 ９．４ｋｇ／ｍｉｎ）の速度で供給しつつ加熱溶融しながら、溶鋼７中に供給した。
【００３９】
ニッケルワイヤ６を２本供給する理由は、ニッケルワイヤ６の供給速度があまりに速いと、高周波誘導加熱炉で十分に溶融する時間を維持するのが困難であるからである。本発明では、必要とする表層部への溶質元素（たとえばニッケル）の添加量に応じて適宜ワイヤ径と供給本数を制御する。
なお溶融したニッケルは、保温された経路としてカンタル線または白金線で１４５０℃以上に加熱した Ｓｉ３Ｎ４ （＋ＢＮ）またはＡｌＯＮ（＋ＢＮ）等の導入管を通して鋳型内の溶鋼７中に注入した。耐火材は、耐熱衝撃性に優れ、熱伝導性および濡れ性が低いという観点で決定した。
【００４０】
以上の連続鋳造を発明例とする。
一方、比較例として、発明例と同一の条件でニッケルワイヤ６を鋳型内の溶鋼７に直接供給して連続鋳造を行なった。この比較例では、鋳型内の溶鋼温度の低下が著しかったので、ニッケルワイヤ６の供給速度を１ｋｇ／ｍｉｎに制限した。
発明例と比較例について、得られた鋳片（すなわち連鋳スラブ）の不良発生状況を調査した。その結果を図５に示す。鋳片の不良発生状況は、鋳片表面を観察して ５００μｍ以上の大きさの介在物やパウダー性欠陥の個数（以下、不良個数という）を測定し、発明例の不良個数を１として相対値で評価した。
【００４１】
図５から明らかなように、発明例は、比較例に比べて鋳片表層部の不良個数が大幅に低減している。観察された欠陥は、パウダーの巻き込みによるパウダー性欠陥やアルミナ性欠陥であった。比較例ではニッケルワイヤ６を加熱せずに溶鋼７に供給したために、未溶融のパウダーの巻き込みが増加したことに加えて、鋳型内の溶鋼温度が低下することによって溶融層厚みが減少し、アルミナのパウダーへの吸収が減少したために、不良個数が増加したものと考えられる。
【００４２】
また発明例の鋳片の上面側と下面側の長辺面から、各々幅方向に５点ずつ分析用の試料を切り出し、スケールを除去した後、カントバック分析を行なった。平均分析結果を表２に示し、鋳片表面のニッケル濃度分析値の鋳片幅方向の分布を図６に示す。
【００４３】
【表２】
図６から明らかなように、発明例では鋳片表面のニッケル濃度のばらつきが少なく、耐候性鋼としての要求を満たしている。さらに発明例の鋳片を板厚２５ｍｍまで圧延した後、断面を観察した結果では、表層部２ｍｍは鋳片表面と実質的に均質な成分となっており、耐候性鋼として十分な機能を有することが確認された。また鋼板の超音波探傷検査を行なった結果では、格落ち等につながる欠陥は認められなかった。
【００４５】
さらに暴露試験を行ない、本発明で得られた耐候性鋼の鋳片は、大幅に耐候性が向上されることが確かめられた。これは、従来の耐候性鋼に比べて、本発明の耐候性鋼の鋳片表層部のニッケル濃度が高くなるからである。つまり本発明の耐候性鋼の鋳片は、海岸向けの耐候性鋼として使用できる可能性があることが分かった。したがって本発明によって、従来より優れた耐候性鋼を製造することが可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、鋳型内の上部プールへ多量の合金元素を安定して供給することが可能となり、その結果、鋳片表層部の溶質元素の濃度ばらつきが極めて少ない均質な鋳片を安定して製造できる。
また本発明によれば、合金元素の添加によっても鋳造温度の低下を招くことがないので、鋳片欠陥の発生や生産性の低下を招くことのない安定した連続鋳造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する装置の例を模式的に示す断面図である。
【図２】ワイヤ加熱温度と鋳型内溶鋼の温度との関係を示すグラフである。
【図３】３孔ノズルを用いて溶鋼を注入する例を模式的に示す断面図である。
【図４】３孔ノズルを用いて溶鋼を注入する他の例を模式的に示す断面図である。
【図５】鋳片欠陥の発生状況を示すグラフである。
【図６】本発明の連続鋳造による鋳片表面のニッケル濃度分析値のばらつきの分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ワイヤリール
２ 高周波誘導加熱コイル
３ 耐火材
４ 溶融金属の導入管
５ 電熱線
６ ワイヤ
６’ 溶融金属
７ 溶鋼
８ 鋳型
９ 浸漬ノズル
１０ 磁極
１１ 磁極の高さ中心
１２ 下部吐出孔
１３ａ上部吐出孔
１３ｂ上部吐出孔
１４ 下部吐出孔からの溶鋼噴流
１５ａ上部吐出孔からの溶鋼噴流
１５ｂ上部吐出孔からの溶鋼噴流
１６ 下部プールから上部プールへの逆流
１７ 凝固シェル
１８ 上部磁極の高さ中心
１９ 上部磁極
Claims (4)
- 溶鋼の連続鋳造に際して、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入すると共に、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼に特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について該溶質元素の濃度を高め、もって鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することからなる連続鋳造鋳片の製造方法において、上部プール内の溶鋼に特定の溶質元素を添加するに際し、予め該溶質元素である金属、あるいは該溶質元素を含有する合金を加熱して溶融金属とした後、該溶融金属を、保温された経路を通して鋳型内溶鋼に注入することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
- 前記保温された経路を、鋳型上方において下向きに湾曲させたことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
- 前記保温された経路を鋳型内の溶鋼内まで延長し、前記溶融金属を鋳型内の溶鋼表面から下部に注入し、浸漬ノズル上部吐出口からの溶鋼流に混合させることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
- 前記合金がニッケルを主体とする合金であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
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