JP2004167561A

JP2004167561A - 高炭素鋼ブルーム鋳片の連続鋳造方法

Info

Publication number: JP2004167561A
Application number: JP2002337007A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Morishita; 雅史森下; Masahiko Kokita; 雅彦小北; Hironori Yamamoto; 裕基山本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造するに際し、中心偏析や内部割れの少ない高品質のブルーム鋳片を効率良く連続鋳造することのできる方法を提供する。
【解決手段】湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造するに際して、未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれが２ｍｍ以内になるようロールアライメントを管理すると共に、鋳造方向に隣り合って配置される相互のロール間距離をＬｎ、該ロール間における平均凝固シェル厚をｄｎとしたとき、これらの比［Ｌｎ／ｄｎ］の最大値が７未満となる様に制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造する方法に関するものであり、より詳細には、中心偏析や内部割れの少ないブルーム鋳片を効率良く連続鋳造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
線・棒鋼用圧延素材となるブルーム鋳片を連続鋳造する際には、中心偏析や内部割れといった内部欠陥の発生がしばしば問題となる。鋳片に内部欠陥が生じると、最終製品に強度むらを生じさせたり、内部欠陥部分に巨大な炭化物が析出して品質劣化を発生させるからである。特に、軸受鋼やＰＣ鋼線、ピアノ線、タイヤコード、ばね鋼等の様に、最終製品に高強度が要求される線・棒鋼用圧延素材には、Ｆｅ−Ｆｅ_３Ｃ系共析組成に近い鋼種や、それ以上の炭素を含有する高炭素鋼（炭素含有量が０．７〜１．２質量％程度）が用いられるが、このような高炭素鋼は、一般の炭素鋼に比べて固液共存温度域が広く、凝固に要する時間が相対的に長くなるため、鋳片に内部欠陥が発生しやすい。
【０００３】
鋳片の内部欠陥発生を防止する技術として、例えば、特許文献１や２には、鋳片内部の凝固が完了するクレータエンド近傍で所定圧下率の鍛圧加工を施すことにより、転動疲労寿命に優れた軸受用素材を製造する方法が提案されている。また、本出願人は、鋳片厚さに対して２〜３倍の直径を有する大径圧下ロールで凝固末期部を圧下することにより、中心偏析やセンターポロシティーを低減する方法を先に開示している（例えば特許文献３参照）。しかし、これらの方法では、鋳片と圧下端子（または圧下ロール）の接触面積を広くしなければならないため、圧下力の大きな大型設備が必要となり、設置スペースの制約から既存の連続鋳造機に適用できない場合がある。
【０００４】
また、特許文献４には、中心固相率が０．１乃至０．３となる位置から流動限界固相率（０．６乃至０．８）となる位置までの領域を、所定の圧下速度で連続的に圧下することにより、中心偏析を低減する技術が提案されている。この技術で、圧下開始位置を規定した理由としては、中心固相率が小さすぎる位置から圧下を開始するとロールアライメント不整によりかえって中心偏析が悪化する場合があることを挙げている。また、圧下終了位置を規定した理由は、中心固相率が過大な領域まで圧下すると線状偏析が生じるためと説明されている。更に、特許文献５には、中心固相率が０．４乃至０．５に相当する位置から流動限界固相率に相当する位置までの範囲を圧下することで、中心固相率が０．１乃至０．３から流動限界固相率までの全凝固収縮量を補償することにより、内部割れや中心偏析を防止する方法が提案されている。ここで、中心固相率が０．４乃至０．５に相当する位置から圧下を開始する理由は、この位置よりも中心固相率が小さい位置から圧下を開始すると内部割れが発生するためである。さらに、特許文献６には、円形断面の軸受鋼鋳片を連続鋳造するにあたり、中心固相率が０．３〜０．６の領域でフラットロールを用いて圧下することで、内部割れを発生させることなく中心偏析を解消する技術が開示されている。
【０００５】
しかし、鋳片の中心固相率は実測困難であり、有限要素法に基づく数値シミュレーション等、何らかの推定計算によらなければ算出できないため、予測通りの結果が得られない場合がある。すなわち、中心固相率の計算には、鋳片サイズや冷却条件、溶鋼の注入条件等の熱的条件、鋼種毎の比熱や潜熱、熱伝導率等の物性値、各合金元素のミクロおよびマクロな偏析、熱力学的に平衡な凝固からのずれ、中心偏析を低減するために実施する連続鋳造機内での圧下条件、鋳型や２次冷却帯における電磁攪拌条件、液相間を漂う固相（等軸晶）の流動（移流）等、様々な要因が複雑に影響するため、実際の鋳造において推定計算モデル通りの固相率が得られるとは限らない。特に、電磁攪拌を採用すると、中心偏析発生に対する固相移流の影響が大きくなると言われているが、固相移流を含めた流動現象を精度良く評価できる計算手法は確立されていない。このため圧下開始位置を中心固相率で特定することは難しい。
【０００６】
ところで、特許文献７には、垂直型連続鋳造機を用い、所定の圧下比［＝全圧下量（ｍｍ）÷未凝固厚み（ｍｍ）］と圧下速度で多段圧縮することにより中心偏析の少ない鋳片を製造する方法が開示されている。垂直型連続鋳造機を用いると、鋳片の曲げ戻しに伴う歪が発生しないので、この歪に起因する内部割れは発生し難いと考えられる。ところが、垂直型連続鋳造機の場合、機長（鋳型内のメニスカスから最終サポートロールまでの長さ）を長くするには建屋自体も高くしなければならず、これには自ずと限度があるため、生産効率の飛躍的な向上は望めない。また、前述した様に、高炭素鋼は一般の炭素鋼に比べて固液共存温度域が広く、凝固に要する時間が長いので、機長を考慮すると鋳造速度を大幅に高めて生産効率を高めることは困難である。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２９０５２４１号公報（［特許請求の範囲］参照）
【特許文献２】
特許第２９８６８２９号公報（［特許請求の範囲］参照）
【特許文献３】
特開平３−１２４３５２号公報（［特許請求の範囲］参照）
【特許文献４】
特開平３−８８６３号公報（［特許請求の範囲］参照）
【特許文献５】
特許第２８２３０８５号公報（［特許請求の範囲］参照）
【特許文献６】
特開平７−２９９５５０号公報（［特許請求の範囲］参照）
【特許文献７】
特開平８−１３２２０５号公報（［特許請求の範囲］参照）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造するに際し、中心偏析や内部割れの少ない高品質のブルーム鋳片を効率良く連続鋳造することのできる方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係る高炭素鋼ブルーム鋳片の連続鋳造方法とは、湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造するに際して、未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれが２ｍｍ以内になるようロールアライメントを管理すると共に、鋳造方向に隣り合って配置される相互のロール間距離をＬｎ、該ロール間における平均凝固シェル厚をｄｎとしたとき、これらの比［Ｌｎ／ｄｎ］の最大値が７未満となる様に制御する点に要旨を有する。
【００１０】
本発明では、前回チャージにおける平均凝固シェル厚ｄｎに応じて、ロール間距離Ｌｎを変更することにより前記比［Ｌｎ／ｄｎ］を確保することが好ましい。なお、前回チャージとは、直前の鋳造のみならず、過去に行なった同一鋼種の鋳造も含む意味である。
【００１１】
本発明では、鋳造速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上の高速で行なっても中心偏析および内部割れの少ない高品質のブルーム鋳片を効率良く連続鋳造できる。
【００１２】
また、本発明では、上記要件を特定することによって幅方向サイズが例えば４００〜１０００ｍｍで、厚みが２５０〜４５０ｍｍの大断面ブルーム鋳片であっても効率良く連続鋳造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明者らは、前述した様な課題を解決すべく、様々な角度から検討してきた。その結果、未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれが少なくなる様にロールアライメントを厳密に管理すると共に、鋳造方向に隣り合って配置される相互のロール間距離と該ロール間における平均凝固シェル厚を適切に制御すれば、上記課題が見事に解決されることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の作用効果について説明する。
【００１４】
一般に中心偏析とは、鋳片の中心部にＣやＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒなどが濃化する現象である。すなわち、溶鋼が凝固するにつれてデンドライト間に取り残されて濃化した低融点成分が、凝固収縮や熱収縮等の影響とも相まって、最終凝固部である鋳片中心部方向へ流動することにより発生するもので、濃化溶湯の通路跡にＶ偏析を生じたり、最終凝固位置付近に軸心偏析を生じることが多い。また、Ｖ偏析を防止するための圧下条件が適切でない場合は、逆Ｖ偏析が発生することもある。本発明では、これらの偏析をまとめて「中心偏析」と称する。
【００１５】
鋳片に中心偏析が生じると、次の様な弊害がもたらされる。
・圧延後の製品に縞状の偏析が残り、製品横断面内の材料強度が不均一となる。・細線へ伸線加工する際に、カッピー断線を生じる。
・伸線加工時に、肌荒れや太さ変動を生じる要因となる。
・棒鋼を押出加工する際にシェブロンクラックの原因となる。
・軸受鋼、特に玉軸受（ボールベアリング）に用いられる鋼材では、鋳片の中心偏析部に相当する部位が球形に加工された製品表面に露出するため、表面の剥離や偏磨耗が起こり、転動疲労寿命の低下や騒音の原因となる。
【００１６】
こうした中心偏析による製品品質への影響を軽減する手段として、鋳造で得られた鋳片に均熱拡散加熱（ソーキング）処理を施して中心偏析を低減する方法がある。しかし、均熱拡散加熱処理を長時間行なうと、次の様な問題が新たに生じてくるので、鋳造時の中心偏析を極力少なくすることが望ましい。
・鋳片の加熱処理に熱エネルギーが必要となる。
・加熱処理時に表層の脱炭が進行するため、脱炭層を除去しなければならず、歩留り率が低下する。
・均熱拡散加熱処理の付加によって生産性が低下するので、生産効率の飛躍的な向上が望めない。
【００１７】
他方、内部割れとは、鋳片内部に未凝固溶湯が存在する状態で凝固殻に引張り歪が作用したときに生じる亀裂である。この亀裂部に合金元素が濃化した未凝固溶湯が吸引されると、凝固した鋳片の断面を腐食試験に供したときに偏析線となって現れ、上記中心偏析と同様の弊害をもたらす。また、前記引張り歪の程度が著しく大きい場合は、単なる偏析にとどまらず、空隙を伴う内部割れとなる。
【００１８】
内部割れの発生を防止する方法としては、中心固相率が所定値以上となる位置から圧下が開始されるように圧下開始位置を遅らせる方法がある。そこで、メニスカスから圧下開始位置までの距離を一定とし、鋳造速度を変えて連続鋳造実験を行なったところ、鋳造速度が小さく、ブルーム鋳片がメニスカスから圧下開始位置に至るまでの時間が長いほど、内部割れ発生頻度が減少する傾向が認められた。従って、生産効率向上の観点から鋳造速度を大きくするには、中心固相率が所定値以上となる位置から圧下が開始される様に、メニスカスから圧下開始位置までの距離を長くする必要がある。ところが、本発明者らが検討したところ、メニスカスから圧下開始位置までの距離を長くしただけでは、内部割れを充分に低減できない場合があり、このときには中心偏析も生じ易くなることが確認された。また、連続鋳造機によっては、メニスカスから圧下開始位置までの距離を長くするには限度があるため、鋳造速度を大きくして生産効率を高めるには限度があった。
【００１９】
本発明では、湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造することによりブルーム鋳片を効率良く連続鋳造できる。すなわち、湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を使用すると、垂直型連続鋳造機に較べて機長を長くできるのでメニスカスから圧下開始位置までの距離を長くできる。その結果、鋳造速度を高めることができ、鋳片の生産効率を高めることができる。
【００２０】
このとき、連続鋳造する鋳片はブルーム鋳片である。ブルーム鋳片を湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて連続鋳造することにより、生産効率の向上を図れるからである。
【００２１】
本発明においてブルーム鋳片の大きさは特に限定されず、種々の大きさのものを連続鋳造できる。すなわち、従来のブルーム連鋳では、鋳片幅が４００ｍｍ未満程度の比較的小さな鋳片を鋳造していたが、本発明では鋳片幅方向に４００〜１０００ｍｍ、厚み方向に２５０〜４５０ｍｍ程度の大断面鋳片であっても連続鋳造でき、生産効率を飛躍的に高めることができる。
【００２２】
鋳片幅方向の上限値を１０００ｍｍとしたのは、鋼板用スラブの様に鋳片の幅が大きくなり過ぎると、線材や棒鋼に圧延することが困難になるからである。また、鋳片幅が大きいときは、幅方向に分割・切断した後、線材や棒鋼の素材として用いるのが一般的であるが、中心偏析を生じやすい高炭素鋼では、偏析部が分割面や切断面として露出して表面割れ等の欠陥発生の原因となるので、鋳片幅は１０００ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００２３】
厚み方向の上限値を４５０ｍｍとしたのは、連続鋳造における生産性確保のためである。すなわち連続鋳造では、連鋳機の機長内で鋳片の凝固を完了させる必要があるが、鋳造速度が一定のときは鋳片厚みが大きいほど連続鋳造の生産性（ｔｏｎ／ｍｉｎ）を高めることができる。しかし、鋳片厚みを４５０ｍｍより大きくすると、連鋳機の機長内で鋳片の凝固が完了しないため鋳造速度を小さくする必要がある。その結果、却って生産性を低下させることとなるので、本発明では上限値を４５０ｍｍとした。
【００２４】
本発明では、連続鋳造により得られたブルーム鋳片を加工して最終製品を製造したときに高強度特性を得るため、高炭素鋼からなるブルーム鋳片を対象とする。ここで高炭素鋼とは、炭素を０．７〜１．２質量％含有する鋼である。炭素含量が０．７質量％未満では、固液共存温度域が狭く、凝固に要する時間が短くなるので中心偏析を生じ難い。また、オーステナイトからの初析相がフェライトとなり、巨大な炭化物は殆ど生成しない。この様な観点から本発明では、炭素含量が０．７質量％以上の鋼を対象としている。これに対し、炭素含量が１．２質量％を超えると、鋳造条件を制御しても短時間のソーキングで粗大な炭化物の生成を防止できるレベルまで中心偏析を改善するのが困難となるので、本発明では炭素含量が１．２質量％以下の鋼を対象としている。
【００２５】
本発明では、前提要件として未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれが２ｍｍ以内になるようロールアライメントを管理する必要がある。鋳片厚み方向のずれを２ｍｍ以内とした理由は、ロールアライメント不整合に起因するロール間バルジングによる内部割れを発生させないためである。各ロールにおける鋳片厚み方向ずれを所定値以内にするには、例えば、ロールスタンド交換時にロールアライメント不整合が０．５ｍｍ以内となるようロールを設置すると共に、ダミーバー挿入時に各ロール対の間隔を測定してロールの磨耗状態を定期的に把握したり、ロール軸受けの折損やロールフレームの変形等を検出してメンテナンスすれば良い。
【００２６】
本発明では、鋳造方向に隣り合って配置される相互のロール間距離をＬｎ、該ロール間における平均凝固シェル厚をｄｎとしたとき、これらの比［Ｌｎ／ｄｎ］の最大値が７未満となる様に制御しつつ操業することが重要である。これを図面を用いて具体的に説明する。
【００２７】
図１は、湾曲型連続鋳造機で鋳造を行なっている状況を例示する概略説明図であり、１は鋳型、２は鋳片、３は溶鋼注入ノズル、ａ〜ｚはロールを夫々示しており、２１は鋳片における凝固部、２２は鋳片における未凝固部である。ここで、ロールａ〜ｓはサポートロールであり、ロールｔ〜ｗは未凝固部２２を含む鋳片を圧下する圧下ロール、ロールｘ〜ｚは凝固が完了した鋳片を圧下する圧下ロールである。また、Ｌｎはロール間距離、ｄｎはロール間における平均凝固シェル厚、Ｘｎはメニスカスからロールまでの距離を夫々示しており、ｎは鋳型１から数えたときのロール位置を示している。なお、鋳片を挟む様に設けられているロールの数は、図１に示した数に限定されるものではない。
【００２８】
ロール間距離Ｌｎとは、鋳型１から数えてｎ番目のロールにおける軸心と、ｎ−１番目のロールにおける軸心の軸間距離を指す。このとき、鋳片の背側と腹側に配置されている夫々のロールについてロール間距離を算出し、これら背側と腹側の平均値をロール間距離Ｌｎとする。
【００２９】
ロール間における凝固シェル厚とは、鋳型１から数えてｎ番目のロールとｎ−１番目のロール間における凝固シェル厚を指すが、本発明では、鋳型１から数えてｎ番目のロール位置における凝固シェル厚を、「ロール間における平均凝固シェル厚ｄｎ」として用いる。すなわち、溶湯は鋳造が進むにつれて凝固するので、凝固シェルの厚みは鋳造が進むにつれて大きくなり、鋳型１から数えてｎ−１番目のロール位置における凝固シェル厚とｎ番目のロール位置における凝固シェル厚では若干の差があるが、本発明では、鋳型１から数えてｎ番目のロール位置における凝固シェル厚を、鋳型１から数えてｎ番目のロールとｎ−１番目のロール間における平均凝固シェル厚ｄｎとして用いる。
【００３０】
ロール間における平均凝固シェル厚ｄｎは下記式（１）から算出できる。
ｄｎ＝Ｋ×ｔ^１／２・・・（１）
式中、Ｋは凝固速度定数（ｍｍ／ｍｉｎ^１／２）であり、ｔは鋳片がメニスカスから各ロール位置まで移動するのに要する時間（ｍｉｎ）である。よって、メニスカスからｎ番目のロールまでの距離をＸｎ（ｍ）とし、このときの鋳造速度をＶｃ（ｍ／ｍｉｎ）とすると、ロール間における平均凝固シェル厚ｄｎは下記（２）式によって算出できる。
ｄｎ＝Ｋ×（Ｘｎ／Ｖｃ）^１／２・・・（２）
【００３１】
本発明では、ロール間距離Ｌｎと該ロール間における平均凝固シェル厚ｄｎの比［Ｌｎ／ｄｎ］の最大値が７未満となる様に操業する必要がある。ここで、比の最大値とは、未凝固部が残存する領域に配置されている全ロールについて前記比を算出し、算出された比の全てが７未満であることを意味する。未凝固部が残存する領域とは、流動し得る未凝固溶鋼が残存する領域を指し、中心固相率では０．８未満程度の領域である。すなわち、図１では、ロールａ〜ｗの各ロール位置で前記比を算出し、算出される比の全てが７未満であれば良く、凝固完了後の鋳片を圧下するために設けられているロールｘ〜ｚの位置における比は考慮しなくても良い。
【００３２】
次に、前記比の最大値を７未満と定める手順について実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３３】
高炭素鋼をブルーム連鋳するに際し、内部割れ発生の原因を突き止めるべく種々の実験を行なった。
【００３４】
まず、曲率半径が１５ｍの湾曲型連続鋳造機を用いて、ブルーム鋳片を連続鋳造した。ブルーム鋳片の組成は、炭素含量が１．０質量％の高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳＳＵＪ２）である。ブルーム鋳片の大きさは、幅方向に６００ｍｍ、厚み方向に３８０ｍｍである。メニスカスから圧下開始位置までの距離を２６ｍに固定し、鋳造速度を０．５３ｍ／ｍｉｎまたは０．５８ｍ／ｍｉｎとして連続鋳造した。なお、未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれは、２ｍｍ以内になるようにロールアライメントを管理している。
【００３５】
得られた鋳片からサンプルを適宜採取し、内部割れ発生の有無を調べた。その結果、０．５３ｍ／ｍｉｎで連続鋳造した鋳片には鋳片全体に亘って内部割れは殆ど認められなかったが、０．５８ｍ／ｍｉｎで連続鋳造した鋳片には鋳片全体に亘って内部割れが認められた。従って、鋳造速度が小さい程内部割れは発生し難いと考えられる。ところが、鋳片の生産効率を高めるには、鋳造速度を高める必要があり、この観点から鋳造速度と内部割れ発生の関係について検討した。
【００３６】
次に、上記と同様に、曲率半径が１５ｍの湾曲型連続鋳造機を用いて、ブルーム鋳片を連続鋳造した。ブルーム鋳片の組成は、炭素含量が１．０質量％の高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳＳＵＪ２）である。ブルーム鋳片の大きさは、幅方向に６００ｍｍ、厚み方向に３８０ｍｍである。メニスカスから圧下開始位置までの距離を２６ｍに固定し、鋳造中に鋳造速度を変化させて連続鋳造した。このとき、未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれは、２ｍｍ以内になるようにロールアライメントを管理した。
【００３７】
鋳造速度は次に示す様に変化させた。鋳造を開始したときの鋳造速度は０．５３ｍ／ｍｉｎとし、鋳造開始時においてメニスカスにある鋳片（鋳造方向に対して最も先端の鋳片）がメニスカスから５０ｍの位置に到達したときに鋳造速度を０．６０ｍ／ｍｉｎに変更し、さらに該鋳片がメニスカスから７０ｍの位置に到達したときに鋳造速度を０．５３ｍ／ｍｉｎに戻した。鋳造速度の変更パターンを図２に実線（図中ａ）で示す。図２中、Ｘ軸は鋳片先端からの距離（ｍ）、Ｙ軸はメニスカスにおける鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）を夫々示している。
【００３８】
鋳造開始時においてメニスカスにある鋳片が、メニスカスから５０ｍの位置と７０ｍの位置に到達したときに鋳造速度を変更しているので、図２に示した通り、メニスカスにおける鋳造速度は、鋳片先端からの距離が５０ｍの位置と７０ｍの位置の鋳片で夫々変化している。
【００３９】
このとき、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度と、メニスカス位置〜メニスカスから２６ｍの位置（圧下開始位置）までの平均速度を夫々算出して、前記図２に併せて示す。図２中、点線（図中ｂ）はメニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度、一点鎖線（図中ｃ）はメニスカス位置〜メニスカスから２６ｍの位置までの平均速度を夫々算出した結果であり、Ｙ軸はメニスカス位置〜夫々の位置までの平均速度（ｍ／ｍｉｎ）を示している。
【００４０】
鋳造速度が一定であれば、メニスカスにおける鋳造速度と、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置や２６ｍの位置までの平均速度は等しくなるが、鋳造中に鋳造速度を変化させると、例えば図２の点線や一点鎖線で示す如く、メニスカスにおける鋳造速度と、メニスカス位置〜メニスカスから各位置までの平均速度は必ずしも一致しなくなる。
【００４１】
すなわち、鋳片先端からの距離が１０ｍの位置における鋳片に注目すると、鋳片の先端がメニスカスから５０ｍの位置に到達したときには、鋳片先端からの距離が１０ｍの位置における鋳片は、メニスカスから４０ｍの位置に到達している。従って、鋳片先端からの距離が１０ｍの位置における鋳片が、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置や２６ｍの位置までに移動するときの平均速度は、メニスカスにおける鋳造速度と等しくなる。
【００４２】
これに対し、鋳片先端からの距離が３０ｍの位置における鋳片に注目すると、鋳片の先端がメニスカスから５０ｍの位置に到達したときには、鋳片先端からの距離が３０ｍの位置における鋳片は、メニスカスから２０ｍの位置に到達している。そして、鋳片の先端がメニスカスから５０ｍの位置に到達したときに鋳造速度を０．５３ｍ／ｍｉｎから０．６０ｍ／ｍｉｎへ変更し、この鋳造速度（０．６０ｍ／ｍｉｎ）をメニスカスから７０ｍの位置まで維持しているので、鋳片先端からの距離が３０ｍの位置における鋳片は、メニスカスから２０ｍの位置〜４０ｍの位置までの範囲を鋳造速度０．６０ｍ／ｍｉｎで移動することとなる。従って、鋳片先端から３０ｍの位置における鋳片が、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までに移動する際の平均速度は０．５３ｍ／ｍｉｎとなるが、メニスカス位置〜メニスカスから２６ｍの位置までに移動する際の平均速度は０．５３ｍ／ｍｉｎよりも大きくなる。つまり、鋳片先端から３０ｍの位置における鋳片が、メニスカス位置〜メニスカスから２０ｍの位置までの領域を移動するときの平均速度は０．５３ｍ／ｍｉｎであるが、メニスカスから２０ｍの位置〜２６ｍの位置までの領域を移動するときの平均速度は０．６０ｍ／ｍｉｎとなるからである。
【００４３】
次に、鋳造中に鋳造速度を変化させて連続鋳造して得られたブルーム鋳片からサンプルを採取し、内部割れ発生頻度を観察した。
【００４４】
サンプルは、前記ブルーム鋳片の幅方向における中央縦断面から２１本採取した。サンプルの採取位置は、ブルーム鋳片の先端（鋳造時における最も先端部分）〜８０ｍの位置までの領域における任意の位置とし、サンプルの長さは鋳造方向に２５０ｍｍとした。内部割れは、採取したサンプル表面を研磨した後、ピクリン酸で腐食する方法により検出し、各サンプル内に発生している複数の内部割れの長さを測定して、これを合計した総長さ（ｍｍ）を算出した。サンプルの採取位置（ブルーム鋳片の先端からの距離）に対して、鋳片サンプル内に発生している内部割れの総長さを図３にプロットした。なお、内部割れの総長さが１００ｍｍ以下であれば、後加工工程で製品の不具合は生じないことを確認している。
【００４５】
図３から明らかな様に、ブルーム鋳片の先端〜４０ｍ位置までの領域から適宜採取したサンプルには、内部割れが殆ど発生していない。これに対し、ブルーム鋳片の先端からの距離が４０ｍ〜７０ｍ位置までの領域から適宜採取したサンプルには、内部割れが多く発生しており、内部割れの総長さは１００ｍｍを超えている。しかし、ブルーム鋳片の先端から７０ｍ位置よりも下流側（メニスカス側）領域から採取したサンプルには、内部割れは殆ど発生していない。
【００４６】
ここで、鋳造速度と内部割れ発生の関係について検討すべく、図３に示したグラフへ、前記図２におけるメニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度の変化を示すグラフを重ね合わせて点線で示した。その結果、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度と内部割れ発生頻度の間には、良好な相関関係が認められた。従って、ブルーム鋳片における内部割れ発生の原因は、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度にあると考えられる。
【００４７】
そこで、鋳造速度（または平均速度）が内部割れの発生に及ぼす影響を更に定量的に把握するため、前記図２および図３のデータを、Ｘ軸：鋳造速度（または平均速度）、Ｙ軸：鋳片サンプル内の内部割れの総長さとしてプロットし直したところ図４〜図６に示す通りとなった。
【００４８】
図４は、メニスカス位置における鋳造速度に対して鋳片サンプル内の内部割れの総長さをプロットしたグラフであり、特段の相関関係は認められない。
【００４９】
図５は、メニスカス位置〜メニスカスから２６ｍの位置までの平均速度に対して鋳片サンプル内の内部割れの総長さをプロットしたグラフであり、やはり明確な相関関係は認められない。ちなみに、メニスカス位置〜メニスカスから２６ｍの位置までの領域の平均速度が０．５８ｍ／ｍｉｎで等しい場合であっても、内部割れの発生が充分に抑制されているときと、全く抑制されておらず総長さで１５０ｍｍ以上の内部割れが発生しているときがある。
【００５０】
これに対し、図６はメニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度に対して鋳片サンプル内の内部割れの総長さをプロットしたグラフであり、良好な相関関係が認められる。すなわち、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度が０．５３ｍ／ｍｉｎ以下では、内部割れは殆ど発生しないけれども、平均速度が０．５３ｍ／ｍｉｎを超えると内部割れの発生が多くなり、平均速度が０．５８ｍ／ｍｉｎ以上になると、内部割れの総長さが常に１００ｍｍを超えている。
【００５１】
以上の結果から、この実施例においてブルーム鋳片の内部割れ発生は、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度が大きく影響していると考えた。そこで、鋳造速度を高めに維持して生産効率を高める観点から、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度を高めに確保しても内部割れ発生を低減すべく更に研究を重ねた。その過程で、本発明者らは、メニスカスから１０ｍの位置における操業条件に注目し、該位置における操業条件と内部割れ発生の関係について検討した。
【００５２】
その結果、メニスカスから１０ｍの位置におけるロール間距離を調べたところ７００ｍｍであり、当該ロール間距離は、該ロールの前後に設けられているロールとのロール間距離よりも長いことが判明した。すなわち、この実験で使用した連鋳機の鋳造方向に隣り合って配置される相互のロール間距離を測定すると、上流側は狭く下流側は広いステップ状となっており、鋳型直下のロール間距離は１２０ｍｍ、メニスカスから２ｍ付近におけるロール間距離は１９０ｍｍ、メニスカスから４ｍ付近におけるロール間距離は２３０ｍｍ、メニスカスから７ｍ付近におけるロール間距離は３００ｍｍ、メニスカスから１５ｍ付近におけるロール間距離は６５０ｍｍであったが、メニスカスから１０ｍ付近におけるロール間距離は７００ｍｍとなっていた。よって、メニスカスから１０ｍの位置におけるロール間距離が長いため、この位置でロール間バルジングが発生して内部割れが生じたと考えられる。
【００５３】
また、鋳片の厚み方向に平行な鋳片断面を観察し、内部割れが発生している位置と鋳片表面からの距離を測定した。その結果、内部割れが発生している位置は、鋳片表面からの距離（深さ）が約１００ｍｍの位置であることが分かった。
【００５４】
ここで、内部割れは凝固部と未凝固部の界面（つまり、流動し得る溶鋼がわずかに残っている界面）で生じると考えられるので、メニスカスからロールまでの距離をＸｎ（ｍ）、鋳造速度をＶｃ（ｍ／ｍｉｎ）としたとき、平均凝固シェル厚ｄｎ（ｍｍ）は下記式（３）で算出できる。なお、下記（３）式において、２３．１は高炭素クロム軸受け鋼（ＪＩＳＳＵＪ２）を鋳造したときの凝固速度定数（ｍｍ／ｍｉｎ^１／２）である。
ｄｎ＝２３．１×（Ｘｎ／Ｖｃ）^１／２・・・（３）
【００５５】
以上の結果より、メニスカスから１０ｍの位置におけるロール間距離が７００ｍｍのときに、該ロール間における平均凝固シェル厚が１００ｍｍであれば、内部割れが発生している。すなわち、ロール間距離Ｌｎと平均凝固シェル厚ｄｎの比［Ｌｎ／ｄｎ］を算出したときに、前記比が７以上である場合は鋳片に内部割れを起こし、この比は内部割れを起こす臨界的な値と考えられ、内部割れを防止するためにはこの比を高くとも７未満に抑えるべきであると思われる。好ましくは前記比が６以下となる様に制御するのが望ましい。但し、前記比が４未満になると、未凝固部が残存する領域に配置するロールの数が多くなり過ぎ、ロールアライメント管理に要するコストが増大するので、比の下限値は４とするのが好ましい。
【００５６】
次に、前記比を７未満に制御する方法について種々検討したところ、本発明者らは、当該ロール間距離を小さくしてやればよいことを見出した。すなわち、前記比を７未満に制御するには、前記ロール間における平均凝固シェル厚を大きくすれば良く、平均凝固シェル厚を大きくするには、鋳造速度を小さくする方法が考えられる。つまり、鋳造速度を小さくすると前記ロール位置に到達するまでに凝固シェルが充分に成長するので、シェル厚が大きくなる。ところが、この方法では鋳造速度を高めて鋳片の生産性を高めることはできない。次に、前記ロール間位置における冷却条件を強化し、凝固シェル厚の成長を促進させる方法について検討した。しかし、冷却条件を高めるにしても自ずと限度があり、前記比を７未満に制御することは難しかった。
【００５７】
そこで、本発明者らは、メニスカスから１０ｍの位置におけるロール間距離を小さくすれば、前記比が７未満となって内部割れの発生を抑制できるのではないかと考えた。すなわち、前回チャージにおける平均凝固シェル厚ｄｎに応じてロールの配置位置をずらしてロール間距離Ｌｎを変更し、前記比［Ｌｎ／ｄｎ］が適切な値になる様に確保して操業すれば良いのではないかと考えた。なお、前回チャージとは、直前の鋳造のみならず、過去に行なった同一鋼種の鋳造も含む意味である。
【００５８】
そして、本発明者らは、メニスカスから１０ｍの位置におけるロール間距離を６００ｍｍに変更して鋳造し、得られた鋳片の内部割れ発生状況を前掲の方法により評価した。用いた鋼種は上記実験と同じ炭素含量が１．０質量％の高炭素クロム軸受け鋼（ＪＩＳＳＵＪ２）であり、鋳造速度を一定として鋳造した。メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度を表１に示す。なお、鋳造速度を一定として鋳造しているので、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度と鋳造速度は等しい。
【００５９】
また、メニスカスから１０ｍの位置に配置されているロールについて平均凝固シェル厚を前記（３）式から算出して表１に併せて示す。このとき、メニスカスから１０ｍの位置に配置されているロールのロール間距離Ｌｎと、該ロール間における平均凝固シェル厚ｄｎの比［Ｌｎ／ｄｎ］を算出して表１に示す。更に、この条件で得た鋳片の内部割れ発生の有無を観察し、内部割れ総長さが１００ｍｍ超の場合を内部割れ「有り」、１００ｍｍ以下の場合を内部割れ「無し」として評価した。
【００６０】
【表１】

【００６１】
表１から明らかな様に、メニスカスから１０ｍの位置に配置されているロールのロール間距離と平均凝固シェル厚の比が７未満となる様に操業すると、メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度が大きくても内部割れは殆ど発生しないことが分かる。
【００６２】
なお、Ｎｏ．１〜３では、未凝固部が残存する領域において、メニスカスから１０ｍの位置以外の場所に配置されているロールのロール間距離と、該ロール間における平均凝固シェル厚から算出した比は、何れのロール間においても７未満であることを確認している。
【００６３】
次に、表１に示したブルーム鋳片（Ｎｏ．１〜３）を、１２５０℃まで再加熱し、該温度で４時間保持した後、断面サイズが１５５ｍｍ×１５５ｍｍとなる様に分解圧延してビレットを得た。得られたビレットを光学顕微鏡で４００倍で観察したところ、粗大な炭化物は観察されなかった。すなわち、ブルーム鋳片の中心偏析は充分に低減できていることが確認された。
【００６４】
以上の様に、本発明では、ロール間距離Ｌｎと該ロール間における平均凝固シェル厚ｄｎの関係を明らかにした。従って、従来の大断面ブルーム連続鋳造では、鋳造速度が０．５ｍ／ｍｉｎ未満の比較的低速で行なわれるのが一般的であったが、本発明では前記比が上記要件を満足すれば中心偏析および内部割れ発生を低減できるので、鋳造速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上に高めた場合でも、中心偏析や内部割れといった内部欠陥の少ない高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造でき、ブルーム鋳片の生産効率を飛躍的に高めることができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、中心偏析や内部割れの少ない高炭素鋼ブルーム鋳片を効率良く連続鋳造する方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】湾曲型連続鋳造機の一例を示す概略説明図である。
【図２】鋳造速度変更パターンを示すグラフである。
【図３】ブルーム鋳片における内部割れの発生位置と、発生程度を示すグラフである。
【図４】メニスカス位置における鋳造速度と、内部割れ発生の関係を示したグラフである。
【図５】メニスカス位置〜メニスカスから２６ｍの位置までの平均速度と、内部割れ発生の関係を示したグラフである。
【図６】メニスカス位置〜メニスカスから１０ｍの位置までの平均速度と、内部割れ発生の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１鋳型
２鋳片
３溶鋼注入ノズル
２１鋳片における凝固部
２２鋳片における未凝固部
ａ〜ｚロール
Ｌｎロール間距離
ｄｎロール間における平均凝固シェル厚
Ｘｎメニスカスからロールまでの距離

Claims

湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、高炭素鋼ブルーム鋳片を連続鋳造するに際して、
未凝固部が残存する領域における各ロールと鋳片の接触位置と、該領域における予め設計された各ロールと鋳片の接触位置からの鋳片厚み方向ずれが２ｍｍ以内になるようロールアライメントを管理すると共に、
鋳造方向に隣り合って配置される相互のロール間距離をＬｎ、該ロール間における平均凝固シェル厚をｄｎとしたとき、これらの比［Ｌｎ／ｄｎ］の最大値が７未満となる様に制御することを特徴とする高炭素鋼ブルーム鋳片の連続鋳造方法。
前回チャージにおける平均凝固シェル厚ｄｎに応じて、ロール間距離Ｌｎを変更することにより前記比［Ｌｎ／ｄｎ］を確保する請求項１に記載の連続鋳造方法。
鋳造速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上で行なう請求項１または２に記載の連続鋳造方法。
前記ブルーム鋳片が、幅方向に４００〜１０００ｍｍであり、厚み方向に２５０〜４５０ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造方法。