JP2007152378A - 連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各種金属の溶湯の連続鋳造を行なうにあたって鋳片に等軸晶を安定して生成させる連続鋳造方法を提供する。
【解決手段】連続鋳造用鋳型から下方に引き抜かれた鋳片が冷却される冷却帯にて鋳片の表面温度が400〜800℃となる領域で、高圧水を噴射するノズル孔と鋳片との距離を350mm以内とし、高圧水のノズル孔における流速を80ｍ／sec以上として、高圧水を鋳片に30秒以上吹き付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼等の各種金属を溶製して得られた溶融状態の金属（以下、溶湯という）の連続鋳造を行なうにあたって、鋳片の凝固組織を改善できる連続鋳造方法に関するものである。

連続鋳造は、４つの側面で構成される鋳型（以下、連続鋳造用鋳型という）に、上方から溶湯を注入して冷却（いわゆる１次冷却）し、連続鋳造用鋳型内で形成された鋳片を下方に引き抜くことによって、鋳片を連続的に製造する技術である。連続鋳造用鋳型の出側では、鋳片の表層部は凝固（いわゆる凝固シェル）している。ところが鋳片の外周部に位置する凝固部の内側には未凝固の溶湯が残存しているので、連続鋳造用鋳型から引き抜いた鋳片に冷却水を吹き付けて冷却（いわゆる２次冷却）し、未凝固の溶湯を凝固させる。ここでは、外周の凝固部とその内側の未凝固部とを合わせて鋳片と記す。

鋼等の各種金属の製造工程で、溶湯の連続鋳造によって得られる鋳片の凝固組織は、最終製品の特性や材質に多大な影響を及ぼす。そのため、近年、金属製品に要求される品質が厳しさを増すにつれて、連続鋳造にて鋳片の凝固組織を制御する必要性が高まっている。特にステンレス鋼板や珪素鋼板では、リジングと呼ばれる表面欠陥の防止が重要な課題となっており、連続鋳造における操業条件を改善してリジング防止を達成するための研究が種々なされている。

リジングと呼ばれる欠陥は、連続鋳造によって鋳片の内部まで凝固させた後、圧延して得られた鋼板に冷間加工（たとえば引張り，深絞り等）を施すことによって、鋼板の圧延方向に凹凸のある縞模様が生じる現象である。リジングが発生すると、鋼板の外観を損なうばかりでなく、電磁特性も劣化する。
鋳片の凝固組織がリジングの発生に多大な影響を及ぼすことは既に知られており、鋳片に柱状組織が発達するとリジングが発生しやすくなることが分かっている。したがって連続鋳造においては、柱状組織が生じないように鋳片を凝固させる必要がある。そこで、連続鋳造用鋳型の下方の２次冷却を行なう領域（以下、冷却帯という）に電磁攪拌装置を設置し、鋳片内部の未凝固部（すなわち未凝固の溶湯）を電磁攪拌することによって、等軸晶を生成させる技術が広く採用されている。

さらに等軸晶は、連続鋳造用鋳型に注入される溶湯の過熱度を20℃以下とすることによって、生成が促進されることが知られている。
その他にも連続鋳造によって得られる鋳片の凝固組織に等軸晶を生成させる技術が種々検討されている。
たとえば特許文献１には、連続鋳造用鋳型内の溶鋼に鋼線等の冷却材を添加し、かつ溶鋼の電磁攪拌を行なうことによって、鋳片の中心部に等軸晶を生成させる技術が開示されている。

特許文献２，３には、鋳片の外周の凝固部に超音波を印加して振動させ、鋳片の内部の未凝固部に等軸晶を生成させる技術が開示されている。
また特許文献４には、溶鋼の成分と温度を調整することによって、鋳片の内部の未凝固部に等軸晶を生成させる技術が開示されている。
しかしながら連続鋳造の操業においては鋳造速度や溶鋼成分，溶鋼過熱度等の稼動条件が変動しやすいので、特許文献１〜４に開示された技術は、いずれも鋳片に等軸晶のみを生成させることは難しく、部分的に柱状晶が生成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 特開2002-30395号公報

本発明は上記のような問題を解消し、各種金属の溶湯の連続鋳造を行なうにあたって鋳片に等軸晶を安定して生成させる連続鋳造方法、特に鋳片を圧延してステンレス鋼板や電磁鋼板とし、さらに冷間加工を施す際にリジングを防止できる鋳片の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、連続鋳造によって得られる鋳片の結晶粒を微細化して、柱状晶の生成を抑制するために、等軸晶の生成過程について調査した。その結果、
(a)等軸晶を多量に生成させるためには、多数の凝固核が必要である、
(b)鋳片の凝固部と未凝固部の界面に振動を与えると、凝固部の微粒子が剥離して未凝固部を浮遊し、凝固核となる、
(c)鋳片の凝固部と未凝固部の界面近傍の温度勾配を適正に維持することによって、等軸晶の生成を促進することができる
という知見を得た。そこで本発明者らは、連続鋳造用鋳型の下方の２次冷却を行なう冷却帯にて鋳片の表面から発生する水蒸気を利用して鋳片を振動させる新たな技術を開発し、鋳片に等軸晶を安定して生成させる方法を見出した。

すなわち本発明は、連続鋳造用鋳型から下方に引き抜かれた鋳片が冷却される冷却帯にて鋳片の表面温度が400〜800℃となる領域で、高圧水を噴射するノズル孔と鋳片との距離を350mm以内とし、高圧水のノズル孔における流速を80ｍ／sec以上として、高圧水を鋳片に30秒以上吹き付ける連続鋳造方法である。
本発明の連続鋳造方法においては、鋳片の未凝固部の厚みが鋳片厚みの60％以上存在する領域で、未凝固の溶湯に電磁攪拌を行なうことが好ましい。また連続鋳造用鋳型に鋳込むときの溶湯の過熱度ΔＴを30℃以下とすることが好ましい。

本発明によれば、連続鋳造用鋳型の下方の冷却帯にて鋳片に高速の高圧水を吹き付けて、鋳片の表面から発生する水蒸気を壊滅させることによって鋳片に振動を与え、等軸晶の生成を促進することができる。その結果、連続鋳造の鋳造速度や溶鋼過熱度の変動の影響を受けることなく、等軸晶を安定して生成することができる。

図１は、本発明を適用する連続鋳造設備を模式的に示す断面図である。凝固部５（すなわち凝固シェル）と未凝固部７（すなわち未凝固の溶湯）とからなる鋳片は、ピンチロール２の駆動力によって連続鋳造用鋳型１から下方に引き抜かれ、冷却帯に設置される多数のスプレイ３から噴射されるスプレイ水によって冷却されて、凝固部５の厚みを増していく。

本発明においては、鋳片の表面温度が400〜800℃となる領域４（以下、高圧水噴射領域という）にて、高圧水を鋳片に噴射する。この高圧水と、その他の通常のスプレイ水との違いは、高圧水を噴射するときの鋳片の表面温度を400〜800℃とする理由と併せて後述するが、以下では高圧水とスプレイ水とを総称して冷却用水と記す。
鋳片の表面では冷却用水が蒸発することによって水蒸気が発生している。しかし高圧水噴射領域４では高圧水が水蒸気を壊滅させるので、水蒸気は放散されない。その結果、鋳片に振動が生じ、凝固部５と未凝固部７の界面にて、凝固部５から多数の微粒子が剥離して未凝固部７中を浮遊する。この微粒子が凝固核となり、等軸晶の生成が促進される。

冷却用水を噴射するために使用するノズルのオリフィス径をｄ_n（mm）とし、ノズルに供給される冷却用水の流量をＱ（liter／min）とすると、ノズルに設けられる噴射孔（以下、ノズル孔という）における冷却用水の流速Ｖ（ｍ／sec）は下記の (1)式で算出される。一般的な連続鋳造で使用されるノズルでは、ノズル孔における冷却用水の通常の流速が80ｍ／sec 未満であり、流体の流量が大きくなるほど、オリフィス径が大きくなる。ここでは、ノズル孔における流速が80ｍ／sec 未満の冷却用水をスプレイ水と記す。

Ｖ＝400Ｑ／〔６π（ｄ_n ）² 〕 ・・・ (1)
鋳片に等軸晶を安定して生成させるには多数の凝固核を未凝固部７中に浮遊させる必要がある。そこで多数の凝固核を浮遊させるために種々の技術が検討されているが、それらの技術は下記のように、
(A)未凝固の溶湯を攪拌して柱状晶を切断し、切断した破片を未凝固部中に浮遊させる、
(B)凝固部と未凝固部の界面に振動を与えて、凝固部から剥離した微粒子を未凝固部中に浮遊させる
という２種類に大別される。

上記の(A)に該当する技術としては電磁攪拌が知られている。ところが連続鋳造の操業においては鋳造速度や溶湯過熱度等の稼動条件が変動しやすいので、電磁攪拌による溶湯の攪拌強度も変化する。攪拌強度が過剰に強い場合は、成分の負偏析（いわゆるホワイトバンド）が生じ、鋳片の材料特性が局部的に劣化する。
上記の(B)に該当する技術としては超音波振動が知られている。しかし、連続鋳造の鋳片のような重量物に超音波振動を与えるためには大規模な発振機が必要となる。しかも鋳片が高温であることを考慮すると、発振機に耐熱性を付与しなければならないので、発振機の製造コストが上昇する。

本発明者らは、30kg鋼塊を用いて実験を行ない、電磁攪拌や超音波振動とは全く異なる新たな手段で多数の凝固核を溶湯中に浮遊させる技術を開発した。実験で用いた小型の連続鋳造機の構成は図１と同じである。その実験について以下に説明する。
実験においては、連続鋳造用鋳型１の側面に振動計を取付けて、溶鋼（30kg鋼塊を溶解したもの）を注入する際の振動を測定した。この振動計が測定する振動は連続鋳造用鋳型１の振動であるが、連続鋳造用鋳型１の振動は鋳片が振動していることを示すので、振動計の測定結果に基づいて鋳片の振動を評価することが可能である。連続鋳造用鋳型１の下方の冷却帯には、鋳片の進行方向に沿って複数の温度計を設置して、鋳片の表面温度を測定した。

なお実験では、鋳片の表面温度が400〜800℃となる高圧水噴射領域４のノズル孔における冷却用水の流速を種々変化させて鋳片に吹き付けた。
図２は、鋳片の表面温度と振動加速度の推移を示すグラフである。冷却用水の流速は種々変化させたが、図２ではノズル孔における冷却用水の流速が80ｍ／sec以上と80ｍ／sec未満に分けて示す。ここでは、ノズル孔における流速が80ｍ／sec以上の冷却用水を、従来のスプレイ水（流速80ｍ／sec未満）と区別するために、高圧水と記す。

図２から明らかなように、ノズル孔における流速が80ｍ／sec以上の高圧水を鋳片に吹き付けることによって、連続鋳造用鋳型（すなわち鋳片）鋳片に振動が発生した。
この現象の機構を解明するために、本発明者らはさらに研究を行なった。その結果、図３に示すように冷却用水が鋳片の表面で蒸発することによって発生する水蒸気の挙動が関与していることを見出した。つまり、図３(a)に示すように鋳片の表面から発生する水蒸気がそのまま放散される場合は、振動は生じない。ところが、図３(b)に示すように鋳片の表面から発生する水蒸気が冷却用水の押圧力によって水蒸気が壊滅する場合は、鋳片に振動が生じる。

冷却用水の押圧力は、ノズル孔における冷却用水の流速が大きいほど増加する。一般的な連続鋳造の操業における冷却用水の流速は、上記した通りノズル孔にて80ｍ／sec未満（すなわちスプレイ水）であるから、強い押圧力が得られない。微視的にはノズル孔から噴射されるスプレイ水の水滴（直径100μｍ程度）が個別に鋳片に衝突する。そのため、水滴の運動エネルギーが分散されることが、押圧力が不足する原因である。

これに対して、ノズル孔における流速が80ｍ／sec以上（すなわち高圧水）になると、微細な水滴が連続的に鋳片に衝突するので、発生する水蒸気の成長を抑えることができる。つまり、鋳片の表面から発生する水蒸気を壊滅させるためには、ノズル孔にて80ｍ／sec以上の流速が必要である。
鋳片の表面から発生する水蒸気は急速に膨張しようとするが、高圧水の押圧力によって成長が抑止されて壊滅する。本来、体積が膨張することによって消費される水蒸気のエネルギーは、高圧水によって鋳片の表面近辺に封じ込められ、鋳片を振動させることによって消費される。

ただし鋳片の表面と高圧水を噴射するノズル孔との距離が過剰に広がると、高圧水の微細な水滴が鋳片に到達するまでに時間を要するので、その間に水蒸気が成長する。しかも、水滴が運動エネルレギーを失うので、高圧水の押圧力が減少する。そのため、水蒸気を壊滅することが困難になり、鋳片の振動が発生しない。本発明者らの研究によれば、ノズル孔と鋳片との距離が350mmを超えると、水蒸気を壊滅するのが困難になる。したがって、ノズル孔と鋳片との距離は350mm以内とする必要がある。

なお、ノズル孔と鋳片との距離が50mm未満であると、鋳片から放射される輻射熱によってノズル孔が変形し、ノズル孔の径や噴射方向が変化しやすくなる。そのため、ノズル孔と鋳片との距離が50mm以上であることが好ましい。
冷却帯にて高圧水を鋳片に吹き付ける領域は、鋳片の表面温度が400〜800℃となる範囲が、最も顕著な振動が得られる。鋳片の表面温度が800℃を超えると、水蒸気が鋳片の表面に膜を形成し、高圧水で水蒸気を壊滅するのが困難になる。一方、表面温度が400℃未満では水蒸気の発生量が少ないので、水蒸気を壊滅しても鋳片の十分な振動は得られない。

また、高圧水を鋳片に吹き付ける時間は30秒以上とする。高圧水を吹き付ける時間が30秒未満では、鋳片が振動する時間が短いので、十分な数の凝固核を未凝固部に浮遊させることができない。したがって等軸晶の生成を十分に促進できず、柱状晶が生じるのは避けられなくなる。ただし、高圧水の吹き付け時間が300秒を超えると、鋳片の冷却速度が上昇し、凝固部と未凝固部の界面の温度勾配を適正に維持することが困難になる。そのため、高圧水の吹き付け時間は300秒以下とすることが好ましい。

さらに、未凝固部の厚みが鋳片厚みの60％以上存在する領域で、未凝固部の電磁攪拌を行なうことが好ましい。その理由は、等軸晶を60％以上生成することを達成するには、未凝固部の厚みが60％以上存在する領域で柱状晶の生成を阻止することが有効であり、そのためには電磁攪拌を行なうことが効果的だからである。
タンディッシュにおける溶湯の過熱度を30℃以下とすると、等軸晶の生成が一層安定して促進されるので好ましい。

２ストランド有するスラブ連続鋳造機を用いて、一般的なSUS430鋼ならびに珪素鋼の鋼スラブ（幅1500mm，厚さ215mm）を鋳造した。片方のストランドでは、鋳片の表面温度が400〜800℃となる高圧水噴射領域（すなわち連続鋳造用鋳型のメニスカスから３〜４ｍの位置）に高流速型のノズルを取付け、それ以外は通常のノズルを取付けた。この高流速型のノズルは、ノズル孔における流速を80ｍ／sec以上とするものである。他方のストランドには、全て通常のノズルを取付けた。

タンディッシュ内の溶鋼過熱度は25〜35℃とし、鋳造速度は1.1ｍ／minに保持した。また、高圧水噴射領域にて高圧水を噴射する時間は50秒とした。その他の条件は表１に示す通りである。

従来例はノズル孔における高圧水の流速が80ｍ／sec以下の例であり、比較例は高圧水の流速が80ｍ／sec以下の例であるが、ノズル孔と鋳片との距離が350mm以上の例であり、発明例は高圧水の流速が80ｍ／sec以下の例であり、かつノズル孔と鋳片との距離が350mm以下の例である。また、電磁攪拌を行なう場合は、メニスカスから３〜４ｍの位置（すなわち未凝固部の厚みが鋳片厚みの60〜80％存在する領域）にて 750Ａ，２Hzの一定の強度で印加した。

このようにして得られた鋼スラブから試料を採取し、硝酸を用いてその試料のマクロエッチングを行ない、等軸晶が生成した組織の厚みを測定した。等軸晶組織の厚みが鋼スラブ厚に占める比率（％）を等軸晶率として表１に示す。
さらに得られた鋼スラブを圧延して鋼板とし、深絞り加工を施した後、目視で観察してリジングの有無を調査した。その結果は、リジングが認められなかった鋼板を良（○）とし、軽度のリジングが認められたものを可（△）とし、重度のリジングが認められたものを不可（×）として表１に示す。不可（×）と評価された鋼板は、製品として出荷できないものに相当する。

表１から明らかなように、従来例と比較例では等軸晶率が60％未満であるのに対して、発明例では等軸晶率が60％以上であった。発明例の中でも、電磁攪拌を行なった例や、溶鋼の過熱度を30℃以下とした例では、等軸晶率が75％を超えている。したがって本発明を適用することによって等軸晶の生成が促進されることが確認された。また発明例では、リジングの発生が皆無であった。

本発明を適用する連続鋳造設備を模式的に示す断面図である。 鋳片の表面温度と振動加速度の推移を示すグラフである。 水蒸気の挙動を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 連続鋳造用鋳型
２ ピンチロール
３ スプレイ
４ 高圧水噴射領域
５ 凝固部
６ 電磁攪拌装置
７ 未凝固部
８ 浸漬ノズル

Claims (3)

1. 連続鋳造用鋳型から下方に引き抜かれた鋳片が冷却される冷却帯にて前記鋳片の表面温度が400〜800℃となる領域で、高圧水を噴射するノズル孔と前記鋳片との距離を350mm以内とし、前記高圧水の前記ノズル孔における流速を80ｍ／sec以上として、前記高圧水を前記鋳片に30秒以上吹き付けることを特徴とする連続鋳造方法。
2. 前記鋳片の未凝固部の厚みが鋳片厚みの60％以上存在する領域で、未凝固の溶湯に電磁攪拌を行なうことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造方法。
3. 前記連続鋳造用鋳型に鋳込むときの溶湯の過熱度を30℃以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造方法。

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