JP2005095968A - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 連続鋳造で柱状晶の成長を抑制し、等軸晶からなる鋳片を製造するにあたって、鋳造速度や溶鋼過熱度等の操業条件が変動しても、等軸晶を安定して生成させることができる連続鋳造方法を提供する。
【解決手段】 鋳型の下方の２次冷却帯に電磁攪拌装置を設けて、未凝固溶鋼を電磁攪拌しつつ連続鋳造を行なう鋼の連続鋳造方法において、該電磁攪拌装置の上方の２次冷却帯にある鋳片の表層部を冷却速度５℃／sec 以上で冷却しつつ、電磁攪拌を行なう。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼の連続鋳造方法に関する。

金属の凝固組織は最終製品の特性や材質に影響を及ぼすため、凝固組織を制御する必要がある。特に近年、ステンレス鋼板，電磁鋼板におけるリジングの防止の要求が高まっている。リジングと呼ばれる現象は、鋼板に引張変形や深絞り加工を施すと、鋼板の圧延方向に凹凸を有する縞模様が現われる現象であり、ステンレス鋼板の外観を損なうばかりでなく、電磁鋼板の電磁特性の劣化を引き起こす原因になる。リジングは凝固組織と密接に関連する現象であり、柱状晶が成長し柱状晶組織が発達した鋳片から製造した鋼板で、リジングが顕著に発生することが知られてる。

そこで、鋳片を製造する連続鋳造の操業においては、柱状晶の成長の抑制を目的として、鋳片内部の凝固していない溶鋼（以下、未凝固溶鋼という）が冷却されて凝固する過程で未凝固溶鋼を攪拌し、等軸晶を強制的に生成させている。このような未凝固溶鋼の攪拌には電磁攪拌装置が広く使用されている。電磁攪拌は、連続鋳造機の鋳型下方の２次冷却帯に電磁攪拌装置を設置し、その電磁力で未凝固溶鋼を攪拌することによって柱状晶の成長を抑制して、等軸晶を生成させる技術である。

また、等軸晶の生成は、タンディッシュ内の溶鋼過熱度が小さいほど促進される。したがって、溶鋼過熱度を小さく制限（たとえば20℃以下）して連続鋳造を行なうことによって、等軸晶を優先的に生成させる技術も、未凝固溶鋼の電磁攪拌と同様に、柱状晶の成長を抑制するのに有効である。

連続鋳造で製造された鋳片を等軸晶組織とするために、電磁攪拌や溶鋼過熱度制御の技術に加えて、他の技術を併用する試みもなされている。たとえば特開昭57-75275号公報には、鋳型内溶鋼に鋼線等の冷却材を添加しながら鋳型内溶鋼を電磁攪拌し、鋳片軸心部に等軸晶を生成させ、品質の優れた鋳片を得る方法が開示されている。

また、超音波を使用して、鋳片の凝固殻（いわゆる凝固シェル）を振動させる技術も種々検討されている。たとえば特開昭52-62130号公報には、内部に未凝固部分を有する連続鋳造鋳片において、凝固シェルの外面に超音波伝達体を加圧接触させ、超音波送信機から発振した超音波を超音波伝達体に導入し、次いで超音波伝達体から凝固シェルに超音波を伝達し、超音波伝達体を少なくとも凝固シェルの外面に接触させる以前に冷却して接触させる方法が開示されている。

特開昭64-83350号公報には、外側に凝固殻を形成し内部に未凝固域を含む鋳片を２次冷却帯で振動させながら連続鋳造するにあたって、２次冷却帯の鋳片に磁場を形成するとともに、鋳片に 100〜1000Hzの交流電流を通電する方法が開示されている。

しかしながら、これらの技術はいずれも、鋳造速度や溶鋼過熱度が変動すると、等軸晶が十分に生成せず、柱状晶が大きく成長するのは避けられない。溶鋼過熱度の制御や凝固シェルの超音波振動を行なう場合は、複雑で大規模な設備が必要であり、メンテナンスの負荷が増大するのは避けられない。
特開昭57-75275号公報 特開昭52-62130号公報 特開昭64-83350号公報

本発明は、連続鋳造で柱状晶の成長を抑制し、等軸晶からなる鋳片を製造するにあたって、鋳造速度や溶鋼過熱度等の操業条件が変動しても、等軸晶を安定して生成させることができ、しかも簡便な手段で等軸晶を生成させることができる連続鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、連続鋳造における凝固シェル内部の未凝固溶鋼を下方に抜き出して、等軸晶の生成途中の凝固シェルを取り出す等の種々の実験を行ない、鋳片の表層部の冷却速度と柱状晶の成長，等軸晶の生成との関係について鋭意検討した。その結果、下記の知見を得た。

(1) 鋳片の表層部の冷却速度が５℃／sec 以上の場合には、柱状晶の先端の形状が細くなり、切断されやすくなる。

(2) 鋳片の表層部の冷却速度が５℃／sec 以上の場合には、柱状晶の先端の成長速度が大きくなり、先端を切断された直後に、切断された柱状晶の先端から次の柱状晶が成長し、切断と成長が短期間で繰り返される。そのため、通常の冷却速度（ 0.1℃／sec 程度）に比べて、等軸晶の核の個数が飛躍的に増加する。

(3) 鋳片の表層部の冷却速度が５℃／sec 以上の場合には、柱状晶から切断された等軸晶の核が溶解するのを抑制する効果がある。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、鋳型の下方の２次冷却帯に電磁攪拌装置を設けて、未凝固溶鋼を電磁攪拌しつつ連続鋳造を行なう鋼の連続鋳造方法において、該電磁攪拌装置の上方の２次冷却帯にある鋳片の表層部を冷却速度５℃／sec 以上で冷却しつつ、電磁攪拌を行なう鋼の連続鋳造方法である。

なお本発明では、電磁攪拌装置の上端から鋳片の表層部を冷却速度５℃／sec で冷却する範囲の上端までの距離を２ｍ以下とするのが好ましい。

本発明によれば、鋳造速度や溶鋼過熱度等が変動した場合でも、鋳片に等軸晶を安定して生成させることができるので、その鋳片を用いて高品質のステンレス鋼板や電磁鋼板を歩留り良く製造できる。しかも、溶鋼過熱度の制御装置や凝固シェルの超音波振動装置を使用しないので、簡便な手段で鋳片に等軸晶を生成させることができる。

また本発明によれば、従来に比べて微細な等軸晶が増加するので、鋳片中央部のマクロ偏析が問題となる鋼種に本発明を適用すると、偏析が解消されて歩留り向上の効果が得られる。

図１は、連続鋳造機を模式的に示す断面図である。タンディッシュ（図示せず）から浸漬ノズル８を介して鋳型１に供給された溶鋼は、鋳型1と接触する面（すなわち鋳片の外周面）が冷却されて、凝固シェル５を形成する。鋳型１の下方には複数のサポートロール２が配設されており、サポートロール２の回転によって凝固シェル５を鋳型１から引き抜く。各サポートロール２の間には冷却ノズル３，４が配設され、冷却水を吹き付けることによって凝固シェル５をさらに冷却（いわゆる２次冷却）する。このようにして凝固シェル５は下方へ移動するにつれて厚さが増加する。なお、冷却ノズル３，４から冷却水を吹き付けて２次冷却を行なう領域を２次冷却帯という。

つまり２次冷却帯では、鋳片の外周に凝固シェル５が形成され、内部には未凝固溶鋼７が存在する。この未凝固溶鋼７が凝固する際に等軸晶の生成を促進するために、２次冷却帯に電磁攪拌装置６を配設して未凝固溶鋼７の電磁攪拌を行なう。電磁攪拌装置６を配設する位置は２次冷却帯であれば良いが、凝固シェル５の厚さが鋳片全体の厚さの１／４程度（片側）となる位置に配設するのが好ましい。

等軸晶を安定して生成させるためには、電磁攪拌装置６の上方にある２次冷却帯（すなわち未凝固溶鋼７の電磁攪拌を行なう直前の２次冷却帯）では、冷却速度を大きくする必要がある。すなわち、電磁攪拌装置６の上端から所定の範囲（以下、強冷却範囲という）の冷却ノズル４から吹き付ける冷却水の流量あるいは圧力を高めて、鋳片の表層部の冷却速度を大きくすることによって、微細かつ多量の等軸晶の核を生成させることができる。

強冷却範囲における鋳片の表層部の冷却速度が５℃／sec 未満では、等軸晶が十分に生成しない。したがって、強冷却範囲における鋳片の表層部の冷却速度は５℃／sec 以上とする。強冷却範囲に配設する冷却ノズル４は、図１に示すように、電磁攪拌装置６の上端から上方に配設する。こうすることによって、電磁攪拌を行なう直前の鋳片の冷却速度を大きくすることができる。

強冷却範囲に配設する冷却ノズル４の個数は、特定の数値に限定せず、連続鋳造機の大きさや鋳造速度等に応じて適宜設定する。ただし、強冷却範囲の最上段に位置する冷却ノズル４から電磁攪拌装置６の上端までの距離（すなわち強冷却範囲の長さ）をＬ（ｍ）とすると、Ｌは２ｍ以下（すなわちＬ≦２）とするのが好ましい。

普通鋼の連続鋳造では、距離Ｌが１ｍ程度で等軸晶の生成を促進することは可能である。しかし距離Ｌが２ｍ超えると、電磁攪拌が強すぎて、ホワイトバンドと呼ばれる成分負偏析が発生しやすくなる。本発明者らが実験を行ない、柱状晶組織の偏向角度を調査したところ、ホワイトバンドが発生しない電磁攪拌の最適な印加条件においては、未凝固溶鋼７の流動が及ぶ範囲は、電磁攪拌装置６の上端から上方２ｍまでであることが判明した。したがって、ステンレス鋼や電磁鋼板用鋼の連続鋳造では、距離Ｌは２ｍ以下が好ましい。

上記したように強冷却範囲における鋳片の表層部の冷却速度は５℃／sec 以上とする必要があるので、強冷却範囲に配設する冷却ノズル４から吹き付ける冷却水の流量や圧力を調整して所定の冷却速度を得る。その他の部位の冷却ノズル３から吹き付ける冷却水の流量や圧力、あるいは冷却ノズル３で冷却される鋳片の表層部の冷却速度は、特定の数値に限定しない。ただし、強冷却範囲における鋳片の表層部の冷却速度は、その他の部位の冷却速度に比べて、著しく大きくする（たとえば10倍以上）とするのが好ましい。その理由は、鋳片の表層部の冷却速度を大きくすることによって、成長する柱状晶の先端が切断されて、等軸晶の核となるからである。

以上に説明した条件で連続鋳造機を操業すると、電磁攪拌と強冷却の相乗効果によって、凝固シェル５で囲まれた溶鋼７が流動し、成長する柱状晶の先端が切断されて未凝固溶鋼７内を浮遊し、等軸晶が生成する核となる。こうして柱状晶の成長が抑制され、等軸晶の生成が促進される。しかも溶鋼過熱度が大きくなりすぎた場合や、鋳造速度が変動した場合でも、生成した等軸晶は溶解せず、安定して等軸晶が生成される。

図１に示す連続鋳造機を用いて、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格SUS430相当）と電磁鋼板用鋼（ＪＩＳ規格35A300相当）のスラブを製造した。タンディッシュ内の溶鋼過熱度は30〜35℃，鋳造速度は 1.1ｍ／min とした。鋳片（すなわちスラブ）の寸法は、いずれも幅1500mm，厚さ215mm とした。

電磁攪拌装置６の上端から距離Ｌ＝２ｍまでの領域には、強冷却が可能な冷却ノズル４を配設し、その他の部位には通常の冷却ノズル３を配設した。電磁攪拌装置６の印加強度は、２Hz， 750Ａとした。

連続鋳造を行なうにあたって、冷却ノズル４から吹き付ける冷却水の流量を種々変化させて、強冷却範囲における鋳片の表層部の冷却速度を変更した。なお冷却速度は、鋳片の表層部に打ち込んだシース熱電対の温度および伝熱計算によって評価した。こうして測定した温度（℃）の経時変化を図２に示す。図２から明らかなように、メニスカスからの距離が 2.5〜4.5 ｍ（すなわち電磁攪拌装置６の上端から上方２ｍ）の位置で、鋳片の表層部の温度が著しく変動し、温度の変化量が変動する。図２の横軸はメニスカスからの距離を示しているが、鋳造速度は一定であるから、横軸は時間の経過に相当する。したがって図２は、電磁攪拌装置６の上端から上方２ｍの位置で、温度の変化量（すなわち冷却速度）が変動することを示している。

さらに、得られた鋳片を硝酸でエッチングし、マクロ組織を観察し、等軸晶が生成した領域の厚さｔを測定した。等軸晶領域の厚さｔと鋳片の厚さ215mm との比を等軸晶率（％）とし、電磁攪拌装置６の上端から上方２ｍの位置における鋳片の表層部の冷却速度（℃／sec ）との関係を図３に示す。

図３から明らかなように、冷却速度が５℃／sec 以上では、等軸晶率が安定して60％以上を維持する。

次いで、各鋳片に熱間圧延と冷間圧延を施して厚さ 0.8mmの鋼板とし、引張試験片（ＪＩＳ規格Z2201 に準拠した13Ｂ号試験片）を採取した。これらの試験片を用いて引張試験を行ない、リジングの発生の有無を目視で調査した。その結果、電磁攪拌装置６の上端から上方２ｍの位置における鋳片の表層部の冷却速度が５℃／sec 以上ではリジングは皆無であったが、冷却速度が５℃／sec未満ではリジングが生じているのが認められた。

つまり、ステンレス鋼や電磁鋼板用鋼の連続鋳造において本発明を適用することによって、鋳片の等軸晶の生成を促進し、その鋳片から製造したステンレス鋼板や電磁鋼板を加工する際のリジングを防止できることが確かめられた。

連続鋳造機を模式的に示す断面図である。 メニスカスからの距離と鋳片の表面温度との関係を示すグラフである。 冷却速度と等軸晶率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 鋳型
２ サポートロール
３ 冷却ノズル
４ 強冷却範囲に配設する冷却ノズル
５ 凝固シェル
６ 電磁攪拌装置
７ 未凝固溶鋼
８ 浸漬ノズル

Claims (2)

1. 鋳型の下方の２次冷却帯に電磁攪拌装置を設けて、未凝固溶鋼を電磁攪拌しつつ連続鋳造を行なう鋼の連続鋳造方法において、該電磁攪拌装置の上方の２次冷却帯にある鋳片の表層部を冷却速度５℃／sec 以上で冷却しつつ、電磁攪拌を行なうことを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
2. 前記電磁攪拌装置の上端から前記鋳片の表層部を冷却速度５℃／sec で冷却する範囲の上端までの距離Ｌ（ｍ）が、Ｌ≦２を満足することを特徴とする請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。

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