JP2005028385A

JP2005028385A - ビレット連続鋳造方法

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Publication number: JP2005028385A
Application number: JP2003194295A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Fukumoto; 成雄福元; Hiroshi Motomura; 洋本村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: JP4047241B2

Abstract

【課題】ビレット鋳片の連続鋳造において、浸漬ノズルからの吐出流を制御することにより、鋳型内での非金属介在物の浮上分離を促進させ、また、偏流を防止して、縦割れや非金属介在物欠陥の少ない鋳片を製造する。
【解決手段】ビレット鋳片の連続鋳造用において、ノズル直管部の側壁に水平ないし上向きの吐出孔を３孔または４孔有し、ノズル直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄを１．１〜１．５とした浸漬ノズルを使用し、吐出孔の溶鋼流速Ｖ（ｃｍ／ｓｅｃ）、吐出孔出口の平均直径ｄ（ｃｍ）および幅ｗ（ｃｍ）、吐出孔の数ｎ、吐出孔出口と鋳型内面との水平距離Ｌ（ｃｍ）を調整することで凝固シェルへの衝突流速を制御する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビレットの連続鋳造において、鋳型内の溶鋼流動を制御することにより凝固均一性および非金属介在物の浮上分離を図り、品質良好なビレット鋳片（以下、単に鋳片ともいう）の製造を可能とする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビレットの連続鋳造では、溶鋼を取鍋から一旦タンディッシュに注湯し、タンディッシュから浸漬ノズルを介して鋳型に注湯することにより、直径が１５０〜４００ｍｍ程度の丸ビレットまたは一辺が１１０〜４００ｍｍ程度の角ビレットが連続的に製造される。
【０００３】
ビレットの連続鋳造においては、浸漬ノズルと鋳型内面との間隔が狭いため、横向き吐出孔を設けた浸漬ノズルを使用すると、シェル洗いにより非金属介在物が凝固シェルに捕捉され、また、凝固シェルが再溶解して凝固不均一となり縦割れなどの表面欠陥やブレークアウト等が発生する。そのため、浸漬ノズルとしては横向き吐出孔がない円筒形状の単孔ノズルが一般的に使用されている。
【０００４】
しかしながら、単孔ノズルを使用した場合にはメニスカス部への熱供給が不足するため、パウダーの溶融が不十分になり、パウダー起因の欠陥が発生し、また、単孔ノズルから吐出した溶鋼は鋳片下方の深くまで侵入するため、鋳型内での非金属介在物の浮上分離が不十分になり、高清浄な鋼を製造することが困難である。
【０００５】
前記シェル洗いによる非金属介在物の凝固シェルへの捕捉を防止する方法として、例えば特許文献１には、鋳型の外側に電磁攪拌装置を設置し、鋳型内の溶鋼を引き抜き方向に対して垂直面内で旋回させる方法が提示されている。しかし、電磁攪拌を使用した場合には介在物清浄度は向上するものの、吐出流と電磁攪拌流の干渉によって偏流が発生するため、介在物清浄度のばらつきが大きいという問題が残る。
【０００６】
前記ノズルから吐出した溶鋼が鋳片下方の深くまで侵入するのを防止する方法として、例えば特許文献２には、浸漬ノズルの側壁に下向きの吐出孔を対向して二孔設けることにより、下方への吐出流速を低下させる方法が提示されている。しかし、この方法は下方への吐出流速を低下できても上昇流を形成することが困難なため、非金属介在物の浮上分離を図ることができない。
【０００７】
一方、鋳型内での非金属介在物の浮上分離を図る方法として、特許文献３には、浸漬ノズルの側壁に上向きの吐出孔を３孔設ける方法が提示されている。この方法では介在物清浄度が改善される場合があるが、吐出流速の制御が考慮されていないため安定して改善されず、偏流による凝固シェル再溶解により縦割れ等の表面欠陥が発生するという問題が残る。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２５８４８号公報
【特許文献２】
特開２０００−７９４５４号公報
【特許文献３】
特開２０００−２０２５７７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、ビレットの連続鋳造において、シェル洗いによる非金属介在物の凝固シェルへの捕捉、凝固シェルの再溶解による縦割れ発生、パウダーの溶融不十分によるパウダー欠陥の発生及び吐出流の鋳片下方深くまでの侵入による非金属介在物欠陥の発生を防止することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、吐出孔から吐出する吐出流の方向および速度など鋳型内の溶鋼流動を制御することにより偏流を防止、品質良好なビレットを製造できることを明らかにしたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）ビレットの連続鋳造において、ノズル直管部の側壁に水平方向ないしは上向き勾配（角度θ_１）の吐出孔を３孔または４孔有し、前記ノズル直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄが１．１〜１．５である浸漬ノズルを使用し、前記吐出孔出口の溶鋼流速をＶ（ｃｍ／ｓｅｃ）、該吐出孔出口と鋳型内面との水平距離をＬ（ｃｍ）、
Ｕ＝１．４５・Ｖ・ｄ・ｃｏｓθ_１／Ｌ・・・・（１）式
としたとき、
５≦Ｕ（ｃｍ／ｓｅｃ）≦１５・・・・（２）式
を満たすことを特徴とするビレット連続鋳造方法。
（２）ビレットの連続鋳造において、ノズル直管部の側壁に水平方向ないしは上向き勾配（角度θ_１）の吐出孔を３孔または４孔有し且つ該吐出孔は先広がり（角度θ_２）であり、前記ノズル直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄが１．１〜１．５である浸漬ノズルを使用し、前記吐出孔出口の溶鋼流速をＶ（ｃｍ／ｓｅｃ）、該吐出孔出口と鋳型内面との水平距離をＬ（ｃｍ）、吐出孔出口の幅をｗ、
Ｕ＝１．４５・Ｖ・ｄ・ｃｏｓθ_１／Ｌ・・・・（１）式
α＝ｗ／（ｗ＋２（Ｌ・／ｃｏｓθ_１）・ｔａｎ（θ_２／２））・・・・（３）式
としたとき、
５≦α・Ｕ（ｃｍ／ｓｅｃ）≦１５・・・・（４）式
を満たすことを特徴とするビレット連続鋳造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明のビレット連続鋳造方法において使用する浸漬ノズルを示す図であり、吐出孔３，４の向きを水平向きないし上向きとする。図１は水平向き吐出孔３を有する浸漬ノズル１の縦断面図、図２は上向き吐出孔４を有する浸漬ノズル２の縦断面図である。水平向き吐出孔３及び上向き吐出孔４は、図３のように３孔設けるか、又は図４のように４孔設ける。吐出孔の孔形状は丸形、楕円形、四角形、三角形などの何れでもよいが、吐出孔の内側端から外側端にかけての孔形状は相似形である。なお、ノズル直管部の断面形状は湯流れの安定性より円形が望ましい。
【００１２】
吐出口の孔形状が丸形以外の形状である場合、吐出孔出口の平均直径ｄは、吐出孔出口の面積Ｓ（ｃｍ^２）、吐出孔出口周囲の長さａ（ｃｍ）より、ｄ＝４Ｓ／ａで求める。ノズル直管部の断面形状が円形以外の形状の場合、ノズル直管部の平均孔直径Ｄも同様にして求める。
【００１３】
吐出孔３，４の向きを水平向きないし上向きとしたことにより、鋳型内で溶鋼に上向きの流れを与え、メニスカス部に溶湯熱を供給してパウダーの溶融を確保し、かつ鋳型内で非金属介在物が鋳片下方に深く侵入することを抑えることができる。
【００１４】
上向き吐出孔４の上向き勾配（角度θ_１）は３０°以下であることが望ましい。勾配（角度θ_１）が３０°を超えると湯面変動によるパウダー捲き込み等の表面欠陥や凝固不均一による縦割れが発生し易くなる。吐出孔が下向きの場合には、鋳型内で非金属介在物が鋳片下方の深くまで侵入するので、鋳型内での非金属介在物の浮上分離が不十分になり、高清浄な鋼を製造することが困難になる。
【００１５】
水平向き吐出孔３または上向き吐出孔４の孔数を３孔または４孔とした理由は、２孔以下では溶鋼の吐出流速が大きくなり過ぎて、偏流や湯面変動に凝固不均一により縦割れ等の欠陥が発生する。吐出孔が５孔以上では図１及び図２に示すノズル直管部の平均孔直径Ｄと後述する吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄを所定値に確保しようとすると、吐出孔出口近傍での偏流による凝固シェルへの介在物捕捉や凝固不均一に起因する縦割れ等が発生し、また、ノズル吐出孔部の強度を確保することが困難となる。
【００１６】
図５は、断面形状が１８０ｍｍφと２７０ｍｍ角の鋳型と、図１〜図４に示す浸漬ノズルを使用して、ＳＵＳ４１０鋼を鋳造した場合の、ノズル直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄと鋳片の非金属介在物個数及び縦割れ発生有無の関係を示す。吐出孔出口の平均直径ｄは吐出孔出口の面積Ｓ（ｃｍ^２）、吐出孔出口周囲の長さａ（ｃｍ）より、水力直径としてｄ＝４Ｓ／ａで求めた。図５より、Ｄ／ｄが１．１未満では吐出流速が小さ過ぎるため非金属介在物が凝固シェルに捕捉され易くなって非金属介在物個数が増大し、また、溶鋼流れが不均一になって凝固不均一により縦割れが発生する場合がある。
【００１７】
一方、Ｄ／ｄが１．５を超えると吐出流速が大き過ぎるためノズル直管部において溶鋼未充満に起因する偏流が発生し、局所的な流れの淀みができるため非金属介在物個数が増大し、また凝固遅れに起因する縦割れも発生する。
【００１８】
上記規定に加えて、図１〜４に示す上向きの勾配（角度θ_１）、吐出孔出口の平均直径ｄ（ｃｍ）、ノズル直管部の溶鋼流速Ｖ（ｃｍ／ｓｅｃ）、吐出孔３，４の数ｎ、吐出孔出口と鋳型内面との水平距離Ｌ（ｃｍ）を調整することで吐出流速を減衰させて（１）式に示す凝固シェル衝突流速Ｕを（２）式の範囲に制御することが鋳片の品質向上に非常に重要である。なお、吐出孔出口の溶鋼流速Ｖ（ｃｍ／ｓｅｃ）は溶鋼密度ρ（＝７ｇ／ｃｍ^３）、鋳込み量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）、吐出孔出口の面積Ｓ（ｃｍ^２）、吐出孔の数ｎよりＶ＝ρＱ／（ｎ・Ｓ）で求めることができる。
【００１９】
図６は、鋳型断面形状が１８０ｍｍφと２７０ｍｍ角の鋳型と、図１〜図４に示す浸漬ノズルを使用して、ＳＵＳ４１０鋼を鋳造した場合の、（１）式に示す凝固シェル衝突流速Ｕと鋳片の非金属介在物個数及び縦割れ発生有無の関係を示す。凝固シェル衝突流速Ｕが５ｃｍ／ｓｅｃ未満であると吸い込み流に起因した偏流による凝固不均一により縦割れが発生するとともに、凝固シェルへの衝突流速が遅いため、非金属介在物が凝固シェルに捕捉され易くなるという問題が発生する。凝固シェル衝突流速Ｕが１５ｃｍ／ｓｅｃを超えると、凝固不均一による縦割れが発生するとともに、各吐出流が凝固シェルに衝突する位置の中間で局所的な流れの淀みができるため非金属介在物が凝固シェルに捕捉され易くなるという問題が発生する。凝固シェル衝突流速Ｕが５〜１５ｃｍ／ｓｅｃの範囲では均一な溶鋼流動を確保できるため、凝固不均一による縦割れ発生もなく、かつシェル洗いによる非金属介在物の凝固シェルへの捕捉を抑制できるので鋳片表層部の非金属介在物個数を低減できる。
【００２０】
更には浸漬ノズルとして図８に示すように、先広がり吐出孔８を３孔または４孔設けた浸漬ノズル７を使用し、先広がり（角度θ_２）、吐出孔出口の幅ｗを調整することで吐出流速を更に減衰させることとすると好ましい。この場合、（１）式と（３）式で示す凝固シェル衝突流速α・Ｕを（４）式の範囲に制御することが鋳片の品質向上に非常に重要である。なお、吐出口出口の幅ｗとは、吐出口出口のノズル円周方向最大幅を意味する。
【００２１】
図７は、鋳型断面形状が１８０ｍｍφと２７０ｍｍ角の鋳型と図８に示す浸漬ノズルを使用して、ＳＵＳ４１０鋼を鋳造した場合の、（４）式に示す、凝固シェル衝突流速α・Ｕと鋳片の非金属介在物個数及び縦割れ発生有無の関係を示す。α・Ｕが５ｃｍ／ｓｅｃ未満であると、吸い込み流に起因した偏流による凝固不均一により縦割れが発生するとともに、凝固シェルへの衝突流速が遅いため、非金属介在物が凝固シェルに捕捉され易くなるという問題が発生する。凝固シェル衝突流速α・Ｕが１５ｃｍ／ｓｅｃを超えると、偏流による縦割れが発生し、また、各吐出流が凝固シェルに衝突する位置同士の中間に局所的な流れの淀みが発生するため、非金属介在物が凝固シェルに捕捉され易くなるという問題が発生する。凝固シェル衝突流速α・Ｕが５〜１５ｃｍ／ｓｅｃの範囲では均一な溶鋼流動を確保できるため凝固均一性を確保でき、縦割れ発生もなく、かつシェル洗いによる非金属介在物の凝固シェルへの捕捉を抑制でき、鋳片表層部の非金属介在物個数を低減できる。
【００２２】
図８は、先広がりの吐出孔８を有する浸漬ノズル７の横断面図を示す。（３）式に示すαは吐出孔８が先広がり（角度θ_２）を有することによる吐出流速の減衰を表わす指標であり、αの値を小さくすることによって実際の凝固シェル衝突流速を低減させることができる。吐出孔の先広がり（角度θ_２）は６０°以下であることが望ましい。６０°を超えると偏流が発生し易くなって鋳片に縦割れが発生し、また、ノズル吐出孔部の強度を確保することが困難となる。なお、図８では、先広がりの吐出孔８を３孔設けたが４孔設けてもよい。
【００２３】
また、吐出孔８の出口幅ｗは吐出孔出口の平均直径ｄより大きいことが望ましい。これにより、吐出流速の減衰効果が大きくなるとととも、偏流に起因するパウダー捲き込みや縦割れ等の欠陥が発生し難くなる。
【００２４】
以上述べたように本発明によると、均一な溶鋼流動を確保でき、非金属介在物の浮上分離を図れるとともに、凝固均一性を確保できるので表面品質の良好な鋳片を安定して製造できる。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の効果を実施例に基づいて説明する。鋳型は断面形状が１８０ｍｍφと２７０ｍｍ角を使用し、浸漬ノズルは図１〜図４または図８のものを使用し、ＳＵＳ４１０鋼とＳＵＳ４２０Ｊ２を鋳造した。表１、表２に連続鋳造条件をまとめて示す。表２において、θ_２欄に値を記載していない例が図１〜図４に記載の浸漬ノズルを使用した例であり、θ_２欄に値を記載している例が図８に記載の浸漬ノズルを使用した例である。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【表３】

【００２９】
表３に鋳片の品質を調査した結果を示す。得られた鋳片は非金属介在物個数の調査と鋳片表面の縦割れの観察を行った。非金属介在物の調査は鋳片の円周方向の８箇所において、鋳片表層〜５ｍｍと、５〜１０ｍｍより３０×３０×５ｍｍ厚のブロックを切り出し、ヨウ素アルコール溶液にブロックを浸漬して、５０μ以上の大型介在物を抽出し、光学顕微鏡で介在物個数を測定した。
【００３０】
前記ブロックを鋳片の円周方向の８箇所より採取したのは、吐出流が凝固シェルに衝突する位置同士の中間での淀み発生による介在物集積の有無を確認するためである。非金属介在物個数はヨウ素アルコールによる鋼の溶解量１００ｇ当たりの介在物個数で表わした。鋳片表面の縦割れ観察はビレットの総長１０ｍに渡って、目視観察により鋳片の縦割れの有無を確認した。
【００３１】
本発明の実施例では非金属介在物個数は１０個／１００ｋｇ未満であり、縦割れの発生は全く観察されなかった。表１のＮｏ．８は、図２のように、鋳型内に電磁攪拌装置１１を設けた場合の結果である。本発明における浸漬ノズルと鋳型内電磁攪拌を組み合わせると、シェル洗いによる非金属介在物の凝固シェルへの捕捉抑制と介在物浮上分離促進の効果が増大し、極めて清浄度の高い鋼を製造することが可能になる。なお、吐出流速が大きすぎる場合には吐出流と電磁攪拌流が干渉してしまうため溶鋼流動が不均一になり、比較例Ｎｏ．１６のように非金属介在物個数や縦割れが増大する。なお、電磁攪拌における好ましい推力は１０〜３００ｍｍＦｅである。
【００３２】
表１のＮｏ．９は、図９に示すように、内面に縦方向の溝９を設けた鋳型を使用した場合の結果である。本発明における浸漬ノズルと溝加工付き鋳型を組み合わせると、本発明の均一凝固の効果と溝加工付き鋳型による緩冷却効果によってＳＵＳ４２０Ｊ２のような割れ感受性の高い鋼種においても、縦割れ等の欠陥もなく、安定して製造することが可能になる。なお、図９において、溝９の好ましい寸法範囲は、Ｐ＝０．４〜２．０ｍｍ、ｗ１＝０．２〜２．０ｍｍ、ｗ２＝０〜２．０ｍｍ、Ｄ＝０．２〜２．０ｍｍである。
【００３３】
比較例Ｎｏ．１０は、Ｄ／ｄが本発明の範囲を高めに外れ、Ｎｏ．１１は、Ｄ／ｄおよび凝固シェル衝突流速Ｕが本発明の範囲を低めに外れているため非金属介在物個数が多く、Ｎｏ．１０では縦割れも発生している。比較例Ｎｏ．１２は、凝固シェル衝突流速Ｕが本発明の範囲を高めに外れているため非金属介在物個数が若干多く、かつ縦割れも発生している。比較例Ｎｏ．１３は、凝固シェル衝突流速α・Ｕが本発明の範囲を低めに外れているため非金属介在物個数が非常に多くなっている。
【００３４】
比較例Ｎｏ．１４は、吐出孔が２孔であり、凝固シェル衝突流速α・Ｕが本発明の範囲を高めに外れているため非金属介在物個数が若干多く、かつ縦割れも発生している。比較例Ｎｏ．１５は、割れ感受性の高いＳＵＳ４２０Ｊ２の例であるが、凝固シェル衝突流速α・Ｕが本発明の範囲を低めに外れているため非金属介在物個数が多く、かつ縦割れも発生している。比較例Ｎｏ．１６では凝固シェル衝突流速Ｕが本発明の範囲を高めに外れているため非金属介在物個数が若干多く、かつ縦割れも発生している。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、ビレットの連続鋳造において、浸漬ノズルから吐出する吐出流の方向および速度など鋳型内の溶鋼流動を適正に制御することにより、凝固シェルの再溶解を防止して凝固不均一による縦割れ発生及び非金属介在物の凝固シェルへの捕捉、さらには吐出流の鋳片下方深くまでの侵入による非金属介在物欠陥の発生を防止して非金属介在物および縦割れ等の欠陥の極めて少ない鋳片を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において使用する浸漬ノズルの例で、水平向き吐出孔を持つものの縦断面図
【図２】本発明において使用する浸漬ノズルの例で、上向き吐出孔を持つものの縦断面図
【図３】本発明において使用する浸漬ノズルの例で、３孔の吐出孔を持つものの横断面図
【図４】本発明において使用する浸漬ノズルの例で、４孔の吐出孔を持つものの横断面図
【図５】浸漬ノズルの直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄと非金属介在物個数及び縦割れ発生有無の関係を示す図
【図６】（１）式に示す凝固シェル衝突流速Ｕと鋳片の非金属介在物個数及び縦割れ発生有無の関係を示す図
【図７】（４）式に示す凝固シェル衝突流速α・Ｕと鋳片の非金属介在物個数及び縦割れ発生有無の関係を示す図
【図８】本発明において使用する浸漬ノズルの例で、先広がり（角度θ_２）の吐出孔を設けた浸漬ノズルの横断面図
【図９】本発明において使用する鋳型の例で、内面に縦溝を設けた横断面の一部を示す図
【符号の説明】
１水平向き吐出孔を設けた浸漬ノズル
２上向き吐出孔を設けた浸漬ノズル
３水平向き吐出孔
４上向き吐出孔
５３孔浸漬ノズル
６４孔浸漬ノズル
７先広がり吐出孔を設けた浸漬ノズル
８先広がりの吐出孔
９鋳型内面の溝
１０鋳型
１１電磁攪拌装置
Ｌ吐出孔出口と鋳型内面との距離
θ_１吐出孔の上向き勾配
θ_２吐出孔の先広がり
Ｄノズル直管部の平均孔直径
ｄ吐出孔出口の平均直径
ｗ先広がり吐出孔の出口幅

Claims

ビレットの連続鋳造において、ノズル直管部の側壁に水平方向ないし上向き勾配（角度θ_１）の吐出孔を３孔または４孔有し、前記ノズル直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄが１．１〜１．５である浸漬ノズルを使用し、前記吐出孔出口の溶鋼流速をＶ（ｃｍ／ｓｅｃ）、該吐出孔出口と鋳型内面との水平距離をＬ（ｃｍ）、Ｕ＝１．４５・Ｖ・ｄ・ｃｏｓθ_１／Ｌとしたとき、
５≦Ｕ（ｃｍ／ｓｅｃ）≦１５
を満たすことを特徴とするビレット連続鋳造方法。
ビレットの連続鋳造において、ノズル直管部の側壁に水平方向ないし上向き勾配（角度θ_１）の吐出孔を３孔または４孔有し且つ該吐出孔は先広がり（角度θ_２）であり、前記ノズル直管部の平均孔直径Ｄと吐出孔出口の平均直径ｄとの比Ｄ／ｄが１．１〜１．５である浸漬ノズルを使用し、前記吐出孔出口の溶鋼流速をＶ（ｃｍ／ｓｅｃ）、該吐出孔出口と鋳型内面との水平距離をＬ（ｃｍ）、Ｕ＝１．４５・Ｖ・ｄ・ｃｏｓθ_１／Ｌ、吐出孔出口の幅をｗ（ｃｍ）、α＝ｗ／（ｗ＋２（Ｌ・／ｃｏｓθ_１）・ｔａｎ（θ_２／２））としたとき、
５≦α・Ｕ（ｃｍ／ｓｅｃ）≦１５
を満たすことを特徴とするビレット連続鋳造方法。