JP2005177848A

JP2005177848A - 鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法

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Publication number: JP2005177848A
Application number: JP2003425262A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Uejima; 良之上島; Katsumi Kondo; 克巳近藤; Yu Watanabe; 祐渡辺; Shigekazu Matsuba; 繁和松葉; Yoji Yasui; 洋二安井; Yasutetsu Takahashi; 康哲高橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP4303578B2

Abstract

【課題】操業安定性に欠ける低温鋳造や、設備負荷の高い凝固末期軽圧下、コストが過剰に掛かるスラブ高温均熱拡散を行わず、安価に連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法を提供する。
【解決手段】Ａｌ脱酸鋼の連続鋳造において、タンディッシュ溶鋼中に溶存ＲＥＭ濃度を０．５ｐｐｍ以上６０ｐｐｍ未満を含有させて、微細な中心等軸晶を形成させ、偏析粒径あるいは中心ポロシティ径と発生量を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法に関するものである。

連続鋳造鋳片の中心偏析と中心ポロシティ、いわゆる中心欠陥があると製品材質を劣化させることが良く知られている。鋳造工程では、低温鋳造、凝固末期軽圧下の対策が考えられるが、一般に低温鋳造操業は浸漬ノズルやモールド内で地金が発生しやすく操業が不安定になること、軽圧下設備は高価で且つロール摩耗を考慮しながら圧下勾配を管理する必要があり保守管理が難しいという問題がある。

下工程では、スラブ高温均熱拡散の対策が有効であるが、加熱コストと余分な工期が必要になりさらに鋳片表面の酸化による歩留ロスが問題である。中心ポロシティ低減対策としてスラブ高形状比圧延があるが、製品鋼材の厚さが限られるので必ずしも常に高い形状比が確保できるわけではないという問題がある。特別な設備が不要で、製品鋼材の厚さに制限されない安価で有効な中心欠陥低減方法が望まれていた。特に、極厚鋼板用に300mm 以上の鋳片厚を鋳造する場合、中心部の冷却速度が下がることが原因で中心等軸晶が粗大になり、その結果、上記のポロシティと偏析粒が粗大になるという問題があった。
特許第３２１４２８１号公報特許第３２３５４１６号公報日本鉄鋼協会編、わが国における鋼の連続鋳造史、平成８年、p.515 〜524 鉄と鋼、第66巻、1980年、第６号、618 〜627 頁

本発明は、操業安定性に欠ける低温鋳造や、設備負荷の高い凝固末期軽圧下、コストが過剰に掛かるスラブ高温均熱拡散を行わず、安価に連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法を提案するものである。

本発明者らは上記課題を解決するために種々検討を行った結果、溶鋼中にREM(希土類元素、ここでは周期表３族の原子番号57のLaから71までのLuまでのランタン系元素および原子番号21のScと原子番号39のＹを総称する）とさらにMgを微量添加して、溶存REM 濃度と溶存Mg濃度を制御することで、連続鋳造機内の中心偏析部に、鋼の凝固核生成を促すいわゆる接種効果を有する微小なREM 酸化物、REM 硫化物、REM 酸硫化物を多数分散させて鋳片中心部に微細な中心等軸晶を多数生成させることができた。これにより偏析度を低減し、かつ溶鋼の流動性を増加させることでポロシティを低減できた。操業が不安定になる低温鋳造や、設備負荷とコストが高い凝固末期軽圧下とスラブ高温均熱拡散を行わずに、安価に鋳片の中心欠陥を低減することに成功し、本発明を完成するに至った。

ここで、中心等軸晶とは1/2 厚を含む鋳片板厚中心部の等軸晶であり、中心部を含む25mm以上の厚さが等軸晶であることが好ましい。中心部を含む20mm厚さにおける微細等軸晶のサイズが平均７mm以下であれば、本発明の効果を有するものである。等軸晶サイズの測定方法は以下のとおりである。鋳片1/2 巾部の横断面を巾方向50mmで全厚を切出し、研磨後ピクリン酸で腐食して凝固組織を観察する。中心部および中心部から各表面に10mmずらせた位置で、巾方向50mmの直線を３本引き、線分法により等軸晶の個数を測定、平均径を等軸晶サイズとした。

溶存REM とは、タンディッシュ溶鋼で溶鋼に原子状に溶解しているREM を言う。この溶存REM は連鋳機内で冷却中に、溶鋼からREM 酸化物、REM 硫化物、REM 酸硫化物として初めて第２相が晶出して微細分散するものである。この微細分散した第２相が等軸晶の核として有効に作用して、これにより微細な中心等軸晶を生成させることができる。

即ち、本発明の大きな特徴は、従来公知の〔特許文献１〕特許第3214281 号あるいは〔特許文献２）特許第3235416 号に記載されている鍋溶鋼中に介在物として存在する粗大な硫化物の形態制御を目的とした２次精錬鍋溶鋼でのREM 添加技術とは異なり、上述のとおり、連鋳機内における溶存REM に注目して、溶存REM 濃度を制御することで中心等軸晶を微細化する技術思想にある。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）Al脱酸鋼の連続鋳造において、タンディッシュ溶鋼中に溶存REM 濃度が0.5ppm以上60ppm 未満を含有させて、中心等軸晶を微細化して偏析粒径あるいは中心ポロシティ径を低減することを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。
（２）前記（１）に記載した方法において、タンディッシュ溶鋼中に溶存Mg濃度が1ppm以上70ppm 未満を含有させて、中心等軸晶を微細化して偏析粒径あるいは中心ポロシティ径を低減することを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。
（３）前記（１）または（２）に記載した方法において、ストランド内で中心部の固相率が0 以上0.3 以下の位置で電磁攪拌することを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。
（４）前記（１）から（３）のいずれかに記載した方法において、鋳片厚300mm 以上である鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。

なお、要求されるポロシティ径は好ましくは５mm以下、且つポロシティ体積率は好ましくは0.1 ％以下である。これらの数値を超えると、圧力容器用、建築用、橋梁用、造船用どの品質厳格材において鋼材靭性が劣化する恐れが高いためである。同様の理由で、偏析粒評点は好ましくは1.0 以下である。

溶鋼中にREM を微量添加して連続鋳造機内の中心偏析部に、鋼の凝固核生成を促すいわゆる接種効果を有する微小なREM 酸化物、REM 硫化物、REM 酸硫化物を多数分散させて鋳片中心部に微細な等軸晶を多数生成させ、過剰なREM を添加せず、特定の溶存REM 濃度範囲に限定し、粗大な介在物の発生が抑制した。その結果、ノズル閉塞を起こすことなく安定に鋳造して、連鋳機ストランド内で上記接種効果を有する微小介在物を分散できた。さらにMgの併用によるREM の酸化ロスの低減、中心固相率０以上0.3 以下で電磁攪拌を印加することで一層の改善効果を見出した。これらの作用により中心偏析を低減し、かつ溶鋼の流動性を増加させることで中心ポロシティを低減できた。本発明により、操業困難な低温鋳造や、設備負荷とコストが高い凝固末期軽圧下とスラブ高温均熱拡散を行わずに、安価に連続鋳造鋳片の中心欠陥を低減することができる。
よって、本発明は従来の問題点を一掃した鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法として産業の発展に寄与するところは極めて大である。

連続鋳造鋳片は溶鋼固体鉄間の密度差による凝固収縮と冷却による熱収縮により負圧が発生する。中心部近傍の半凝固状態、いわゆるマッシーゾーンの樹間濃化溶鋼がこの負圧で中心部に集積する。このようにして中心偏析が発生する。また、負圧が過剰に大きく樹間濃化溶鋼の移動量が不足した場合、中心ポロシテイが発生する。このような中心欠陥を低減するために、中心凝固組織を等軸晶化して、中心部への濃化溶鋼を分散すると良い。

等軸晶率の増加方法として、例えば、〔非特許文献１〕日本鉄鋼協会編、わが国における鋼の連続鋳造史、平成８年、p.515 〜524 記載のタンディッシュ溶鋼の温度を下げる方法、連鋳機内で電磁攪拌する方法がある。低温鋳造は確かに有効であるが、ノズル内部に地鉄が付着して閉塞して操業トラブルがしばしば起こる。電磁攪拌は有効であるが、設備費が高いことと等軸晶サイズが比較的大きく欠陥分散効果は限定されている。

一方、溶鋼中にREM を添加して、δ鉄あるいはγ鉄との格子整合性が良く凝固核となるREM 酸化物、REM 硫化物、REM 酸硫化物粒子を溶鋼中に分散させて等軸晶率を増加させる、いわゆる接種法が知られている。例えば、REM ワイヤーをArシール下で連鋳モールドに連続的に投入した例が、〔非特許文献２〕鉄と鋼、第66巻、1980年、第６号、618 〜627 頁に記載されている。REM はAl以上の強力な脱酸剤であり、2 次精錬工程で多量に添加すると処理中に数10μm 以上の粗大なREM 介在物が生成して、連鋳鋳型浸漬ノズルを閉塞させたり、製品板の割れを起こす有害介在物が発生する。

上記の報告例では、造塊法と連鋳法の両方の結果が示されており、連鋳法の場合はノズル閉塞対策として連鋳モールドに直接、REM ワイヤーで添加する方法が採用されている。連鋳モールドで直接ワイヤー添加するためには、モールドをArシールする特別な装置が必要になること、REM 濃度が鋳造中に長手方向に変動すること、ワイヤー投入によりモールドフラックスが巻込まれ介在物欠陥になるという不具合があった。しかし、問題となる100 μm 以上の粗大なREM 介在物の発生を防止して、数10μm 以下の微小なREM 介在物に制御する方法が知られていなかった。

本発明者は、REM が有する凝固時の高い偏析度に着目して、鍋溶鋼、タンディッシュ溶鋼、鋳片中心部以外の本来REM 酸化物、REM 硫化物、REM 酸硫化物が不要な部分ではこれらの発生を最小限にして、必要となる鋳片の中心偏析部だけに溶存REM 、溶存Mgを集積させて連鋳機内で新たに微小な介在物を多数生成させることを考え、鋭意検討を重ねた結果、タンディッシュ溶鋼で特定の溶存REM 、溶存Mg濃度範囲に調整することでノズル閉塞、製品大型有害介在物を発生することなく、有用なREM 微小介在物のみ鋳造時に発生させて、その結果、安価に中心欠陥を低減することに成功した。ここで、MgはREM に比較的近い強脱酸元素であり、Mg併用は、REM の酸化ロス量を低減して溶存REM 量を増す作用を利用するものである。
以下、本発明の構成要件である溶存REM 、溶存Mg濃度の限定理由とその効果、さらに電磁攪拌との組合せ効果、異なる鋳片厚における効果について説明する。

鋼種は厚板60kg/mm²用鋼で、通常の転炉吹錬で溶製し、2 次精錬工程でAl脱酸と真空脱H 処理と合金調整を行い、そのあとREM を添加した。REM 原料はFe-Si-REM 合金である。これを連続鋳造機で鋳造した。鋳造中期の鋳片の横断面カットサンプルを採取して腐食液でエッチングして全巾全厚の凝固組織を現出させたエッチプリントを肉眼観察して偏析粒サイズを測定した。また、鋳片1/2 巾部の縦断面の中心を含む厚さ７mm、巾100mm 、長手方向100mm を切出し、Ｘ線透過写真を撮影して、これを画像処理により0.6mm 以上の空洞厚さのサイズと個数を検出、最大長さを測定して、これを中心ポロシティ径とした。さらに、鋳片1/2 巾部の水平断面の中心を含む厚さ７mm、巾100mm 、長手方向100mm を切出し、Ｘ線透過写真を撮影して、これを画像処理により0.6mm 以上の空洞厚さのサイズと個数を検出、面積率を測定してこれを式（１）により体積率に換算した数値を中心ポロシティ体積率とした。
＜式 (1)＞
ポロシティ体積率（％）
＝（面積１×0.8mm ＋面積２×1.25mm＋面積３×1.75mm）／測定体積×100
ここで、面積１は空洞厚さ0.6mm 以上1.0mm 未満、面積２は空洞厚さ1.0mm 以上1.5mm 未満、面積３は空洞厚さ1.5mm 以上の面積である。測定体積は70000mm³である。

表１に示す条件でREM 添加した本発明鋼と、REM 添加なしあるいは本発明のREM 濃度をはずれる比較鋼とで比較した。ここで、REM 濃度は溶鋼中の溶存REM 濃度を表す。REM 分析方法は以下のとおりである。鋼材を切断して100g分をコールドクルーシブル炉でAr雰囲気中で1600℃に加熱して１分間溶解したのち、水冷銅ルツボで急冷した。球形状になった鋼材再溶解試料を縦切断し、内部10mm角を切出した。これを化学分析によりREM 濃度を定量した。

このような処理をした理由は以下のとおりである。全REM 濃度のうち、溶鋼温度の1600℃でREM 介在物になっているものは、コールドクルーシブル再溶解処理により電磁力と表面張力の作用で再溶解試料の表面に集積して内部に懸濁しない。再溶解試料の内部は溶鋼中に溶存するREM だけにできるので、内部だけを切出し、化学分析に供した。

鋳片厚320mm において、本発明鋼の表１記載No.1〜No.5は、比較鋼の表１記載No.6〜No.8よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が顕著に改善された。また本発明鋼にはノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。一方、過剰にREM を添加した表１記載No.9とNo.10 はノズル閉塞と有害介在物が発生して実用に供する事はできなかった。

鋳片厚600mm において、本発明鋼の表１記載No.11 〜No.15 は、比較鋼の表１記載No.16 〜No.18 よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が顕著に改善された。また本発明鋼にはノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。

鋳片厚250mm においても、本発明鋼の表１記載No.19 〜No.23 は、比較鋼の表１記載No.24 〜No.26 よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が相当に改善された。また本発明鋼にはノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。一方、過剰にREM を添加した表１記載No.27 とNo.28 はノズル閉塞と有害介在物が発生して実用に供する事はできなかった。

また、いずれの鋳片厚においても、スライム電解抽出法で検出したノズル閉塞に有害な100 μm 以上の介在物に含まれるREM 濃度は５％以下であり、REM 添加による大型介在物への影響は無視できるレベルであることを確認した。
本発明材は比較材に対して、偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率を比較すると、いづれの指標も、鋳片厚320mm と600 ｍｍが鋳片厚250mm よりも改善度合が大きく、鋳片厚300mm 以上の極厚材ほど本発明の効果が大きいことがわかった。

鋼種は厚板40kg/mm²用鋼で、通常の転炉吹錬で溶製し、２次精錬工程でAl脱酸と真空脱H 処理と合金調整を行い、REM 単独で添加あるいは、REM とMgをほぼ同時に添加した。REM 原料はFe-Si-REM 合金、Mg原料はSiMg合金である。これを連続鋳造機で鋳造した。鋳造中期の鋳片の横断面カットサンプルを採取して腐食液でエッチングして凝固組織を現出させて偏析粒サイズを測定した。これをREM とMg添加した本発明鋼とREM 添加なしあるいは本発明のREM 濃度はずれる比較鋼とで比較した。その結果を表２に示す。Mg濃度は溶存Mg濃度であり、REM と同じコールドクルーシブル再溶解材の化学分析で定量した。

鋳片厚400mm において、本発明鋼の表２記載No.1〜No.3は、比較鋼の表２記載No.5〜No.7よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が顕著に改善された。また本発明鋼にはノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。一方、過剰にMgを添加した表２記載No.4はノズル閉塞と有害介在物が発生して実用に供する事はできなかった。

鋳片厚600mm において、本発明鋼の表２記載No.8〜No.10 は、比較鋼の表２記載No.12 〜No.14 よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が顕著に改善された。また本発明鋼にはノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。一方、過剰にMgを添加した表２記載No.11 はノズル閉塞と有害介在物が発生して実用に供する事はできなかった。

鋳片厚250mm においても、本発明鋼の表２記載No.15 〜No.17 は、比較鋼の表２記載No.19 〜No.21 よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が相当に改善された。また本発明鋼にはノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。一方、過剰にMgを添加した表２記載No.18 はノズル閉塞と有害介在物が発生して実用に供する事はできなかった。

いずれの鋳片厚においても、スライム電解抽出法で検出したノズル閉塞に有害な100 μm 以上の介在物に含まれるREM 濃度は５％以下であり、REM 添加による大型介在物への影響は無視できるレベルであることを確認した。また、REM とMgの添加順序はどちらが先でも効果が同じことを確認した。REM は合金塊投入、Mgはワイヤー投入で溶鋼に添加したが、この方法に限定するものではない。
本発明材は比較材に対して、偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率を比較すると、いづれの指標も、鋳片厚320mm と600 ｍｍが鋳片厚250mm よりも改善度合が大きく、鋳片厚300mm 以上の極厚材ほど本発明の効果が大きいことがわかった。

鋼種は厚板60kg/mm²用鋼で、通常の転炉吹錬で溶製し、２次精錬工程でAl脱酸と真空脱H 処理と合金調整を行い、REM 単独で添加あるいは、REM とMgをほぼ同時に添加した。REM 原料はFe-Si-REM 合金、Mg原料はSi-Mg 合金である。これを連続鋳造機で鋳造した。鋳造中期の鋳片の横断面カットサンプルを採取して腐食液でエッチングして凝固組織を現出させて偏析粒サイズを測定した。これを本発明鋼と電磁攪拌無し、あるいは本発明の電磁攪拌条件に合致しない比較鋼とで比較した。その結果を表３に示す。

鋳片厚400mm において、本発明鋼の表３記載No.1〜No.3は、比較鋼の表３記載No.4〜No.7よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が顕著に改善された。また本発明鋼はノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。

鋳片厚600mm において、本発明鋼の表３記載No.8〜No.10 は、比較鋼の表３記載No.11 〜No.14 よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が顕著に改善された。また本発明鋼はノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。

鋳片厚250mm においても、本発明鋼の表３記載No.15 〜No.17 は、比較鋼の表３記載No.18 〜No.21 よりも偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率が相当に改善された。また本発明鋼はノズル閉塞や製品欠陥になる有害介在物もなかった。

スライム電解抽出法で検出したノズル閉塞に有害な100 μm 以上の介在物に含まれるREM 濃度は５％以下であり、REM 添加による大型介在物への影響は無視できるレベルであることを確認した。

ここで、電磁攪拌装置は連続鋳造機のモールド内部あるいはモールド下５ｍ位置に設置し、鋳造速度を変えることで、中心固相率０〜１の範囲で電磁攪拌が実施できるようにした。中心固相率は、通常の１次元鋳片凝固伝熱計算により見積った。
本発明材は比較材に対して、偏析粒評点と中心ポロシティ径とポロシティ体積率を比較すると、いづれの指標も、鋳片厚320mm と600 ｍｍが鋳片厚250mm よりも改善度合が大きく、鋳片厚300mm 以上の極厚材ほど本発明の効果が大きいことがわかった。

中心等軸晶サイズの測定位置と測定方法の説明図である。

符号の説明

１−１’中心等軸晶サイズ測定位置
２−２’中心等軸晶サイズ測定位置
３−３’中心等軸晶サイズ測定位置
４中心等軸晶
５柱状晶帯
６中心等軸晶サイズ測定範囲
７等軸晶帯
８鋳造方向
９ 1/2 巾部
１０鋳片
１１鋳片厚
１２鋳片巾

Claims

Al脱酸鋼の連続鋳造において、タンディッシュ溶鋼中に溶存REM 濃度を0.5ppm以上60ppm 未満を含有させて微細な中心等軸晶を形成させ、偏析粒径あるいは中心ポロシティ径と発生量を低減することを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。
請求項１に記載した方法において、タンディッシュ溶鋼中に溶存Mg濃度を１ppm 以上70ppm 未満を含有せることを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。
請求項１または２に記載した方法において、ストランド内で中心部の固相率が０以上0.3 以下の位置で電磁攪拌することを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。
鋳片厚300mm 以上とする請求項１〜３のいずれかに記載した鋼の連続鋳造鋳片の中心欠陥低減方法。