JP2009545452A - 双ロール式ストリップ鋳造工程用鋳造ロール表面の連続チャネル形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
デントの発生を防止し、無欠陥鋳片を製造することができる上、高マンガン鋼だけでなく、多量の揮発性ガスが発生してデントまたは類似の欠陥を発生する可能性のある鋳造対象鋼種にも幅広く使用することができる、双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面のガス排出用連続チャネル形成方法を提供する。
【解決手段】
鋳造ロールの全面に感光フォトレジストを塗布する段階と、前記塗布された感光フォトレジスト上にパターニングする段階と、前記パターニング済みの鋳造ロールの表面を現像する段階と、前記現像段階で露出された鋳造ロール表面の金属面をエッチングする段階とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面にガス排出用連続チャネルを形成する方法に係り、より詳しくは双ロール式ストリップ鋳造機の鋳造ロールの表面にディンプルを形成する方法において、鋳造ロールの全面に感光フォトレジストを塗布する段階と、前記塗布された感光フォトレジスト上にパターニングを行う段階と、前記パターニング済みの鋳造ロールの表面を現像する段階と、前記現像段階で露出された鋳造ロール表面の金属面をエッチングする段階とを含み、この手法はデントの発生を防止し無欠陥鋳片を製造することができる上、高マンガン鋼だけでなく多量の揮発性ガスを発生しデントまたは類似の欠陥を発生する可能性のある鋳造対象鋼種にも幅広く使用することができる。

図１に示すように、一般な双ロール式ストリップ鋳造機１００は、タンディッシュ１０３内の溶鋼を、浸漬ノズル１０４を介して、２つの鋳造ロール１０１と、その両側面に取り付けられたエッジダム１０２との間に溶鋼プール１０５を形成するように供給し、互いに反対方向に前記鋳造ロール１０１を回転させてロールと溶鋼との接触を介してロール内への熱漏出によって溶鋼を急速凝固させて鋳片１０６を製造する。

このようなストリップ鋳造機１００によって鋳片１０６を製造する場合、ロール表面の形状は非常に重要であり、この関連技術は無欠陥鋳片を製造するストリップ鋳造工程の核心技術の一つである。一般に液体金属が固相に凝固する場合には凝固収縮力と変態応力などの内部応力が発生するが、特に、ストリップ鋳造工程と同様に速い冷却速度で凝固する場合にはそれらの内部応力の増大によって鋳片の表面に亀裂が発生する可能性が非常に大きい。よって、ストリップ鋳造工程では、それらの内部応力を効果的に分散、解消させるためには鋳造ロールの表面に粗さを与えることが一般な技術として知られている。

現在まで、ストリップ鋳造工程の最も一般な対象鋼種であるオーステナイト系ステンレス鋼および一般鋼をストリップ鋳造する場合の鋳造ロール表面処理方法としては、ナーリング法、フォトエッチング法、ショットプラスティング法、レーザー加工法などがある。これらの工程によって形成される粗面は、図２に示すように、微細で独立したディンプル２１０の形状を有することが特徴である。このような形状は、凝固の際に伴う応力を効果的に分散、解消させることにより、鋳片表面の亀裂発生を防止する役割を果たす。

ところが、前述した工程によって粗さを与えた鋳造ロールで高マンガン鋼のストリップを製造する場合には、図３の（ａ）に示すように、他の鋼種では見られない、凹んだ微小デント３１０が鋳片の表面に発生する。

このようなデント３１０が発生する原因は、高マンガン鋼が、他の鋼種とは異なり、融点および蒸気圧が低く他の元素に比べて揮発し易いマンガン成分を溶鋼内に１８〜２５重量％含有するので、鋳造中に溶鋼プールで蒸発し易く、メニスカスシールド内に充填されることにある。また、これらの蒸気ガスは、メニスカスシールドの内面だけでなく、鋳造ロールの表面にも蒸着する。
蒸気ガスが回転している鋳造ロール表面の孤立したディンプル内に捕集されたままで液状の溶鋼に出会うと、溶鋼から伝達される高熱により、ディンプル内に充填されたガスの膨張または爆発が起る。よって、そのディンプルの上部に直接接している凝固中の弱い凝固シェルに衝撃を与え、その衝撃の力によってデント３１０を発生させる。
図３の（ｂ）は従来の鋳造ロールを用いた高ガンマン鋼ストリップ製造におけるデント数およびデント指数を示すグラフである。
図示したように、従来の鋳造ロールで高マンガン鋼の鋳片を製造する場合、高いデント指数とデント数を示すことが分かる。

したがって、前記致命的な表面デントの発生を防止するためには、オーステナイト系ステンレス鋼または一般鋼ストリップ鋳造工程用ロール表面処理とは全く異なる新規のディンプル形成方法が求められる。

本発明の目的は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面に、ガス排出用連続チャネル形成方法を提供することにあり、この方法により、捕集されたガスが孤立することなくロールの表面全体から効果的に排出され、デントの発生を防止し無欠陥鋳片の製造を可能にする。

本発明は、双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面に、ガス排出用の連続チャネルを形成する方法に係り、より詳しくは、双ロール式ストリップ鋳造機の鋳造ロール表面にディンプルを形成する方法において、鋳造ロールの全面に感光フォトレジストを塗布する段階と、前記塗布された感光フォトレジスト上にパターニングを行う段階と、前記パターニング済みの鋳造ロールの表面を現像する段階と、前記現像段階で露出された鋳造ロール表面の金属面をエッチングする段階とを含むことを特徴とする。
この場合、前記ガス排出用連続チャネルは、１５０〜５００μｍの幅および５０〜１５０μｍの深さを持つように形成することが好ましい。

本発明に係る双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面にガス排出用連続チャネルを形成する方法によれば、鋳造中に溶鋼プールで生成された蒸気ガスを効果的に排出できる微細な連続チャネルをロールの表面に予め加工することにより、高マンガン鋼の致命的な表面欠陥であるデントの発生を防止し、無欠陥鋳片を製造することができる。
また、高マンガン鋼だけでなく、多量の揮発性ガスを発生してデントまたは類似の欠陥を発生する可能性のある鋳造対象鋼種にも幅広く拡大適用することができる。

図１は一般な双ロール式ストリップ鋳造装置の概略図である。 図２の（ａ）は従来のフォトエッチング法による双ロール式ストリップ鋳造用構造ロール表面ディンプルの形状を示す模式図である。図２の（ｂ）は従来のショットブラスティング法による双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面ディンプルの形状を示す模式図である。図２の（ｃ）は従来のフォトエッチングとショットブラスティングとの組み合わせ法による双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面ディンプルを撮影した写真である。図２の（ｄ）は従来のショットブラスティングとレーザー加工との組み合わせ法による双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面ディンプルを撮影した写真である。 図３の（ａ）は従来の双ロール型ストリップ鋳造法によって製造された高ガンマン鋼鋳片表面のデントを撮影した写真である。図３の（ｂ）は従来の双ロール型ストリップ鋳造法によって製造された高ガンマン鋼鋳片表面のデント指数を示すグラフである。 図４は本発明に係るガス排出用連続チャネル形成のための鋳造ロール表面処理工程を示す概略図である。 図５の（ａ）は本発明に係る微細なガス排出用連続チャネルが形成された鋳造ロールの表面形状を示す模式図である。図５の（ｂ）は本発明に係る微細なガス排出用連続チャネルの寸法を示すグラフである。図５の（ｃ）は本発明に係る微細なガス排出用連続チャネルの幅および深さを示すグラフである。 図６は本発明に係る微細なガス排出用連続チャネルが形成された鋳造ロールを用いたストリップ鋳造と、従来の技術を用いたストリップ鋳造との比較表である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施例について詳細に説明する。

図４は本発明に係るガス排出用連続チャネル形成のための鋳造ロール表面処理工程を示す概略図である。
ガス排出用連続チャネル形成のための鋳造ロール表面処理工程は、感光液塗布４１０、パターニング４２０、現像４３０、エッチング４４０、およびディンプル形成４５０の段階から構成される。

感光液、すなわち感光フォトレジスト４１２は、水溶性材料と溶剤性材料があり、光によって分子内で架橋、分解、重合などの反応が起り、溶剤（現像液）に対して不溶性または可溶性に区別されて市販されている。このような性質を用いて前記フォトレジストが面上に形成されることにより、精密なエッチング製品を得ることができる。

本発明では不溶性フォトレジストを使用した。不溶性フォトレジストは、可溶性フォトレジストよりさらに一般に使用されるもので、タンパク質、セラック、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などに重クロム塩酸を添加して感光性を与えたものである。本発明では、２５℃で３０の粘度を有する東京応化工業社製のＴＰＲ（熱可塑性ゴム）を使用した。

感光フォトレジスト４１２の塗布厚さは、感光フォトレジスト４１２の粘度によって少しずつ異なる。２０〜４０Ｐｓの粘度を有する感光液を基準にして、感光フォトレジスト４１２の塗布厚さは３〜１０μｍ程度が好ましい。

鋳造ロール４１１の表面に感光フォトレジスト４１２を塗布する感光液塗布４１０工程の後、暗室で乾燥させ、しかる後に、パターニング４２０を行うが、連続チャネルの模様と寸法を決定するパターニング方法は、レーザー４２１を用いたパターニングと、フィルムマスキングによる紫外線４２２照射を含む。

レーザー４２１を用いたパターニングは、乾燥した感光フォトレジスト４１２上に直接レーザーを照射し、感光させて所望のパターンを刻み込む工程であり、フィルムマスキングを用いた紫外線４２２の照射は、加工しようとする連続チャネル４５２の形状と模様がプリントされたマスキングフィルム４２３をロールの表面全体に付着、密着させた後、紫外線光を照射して感光フォトレジスト４１２に所望のパターンを刻み込む工程である。

感光フォトレジスト４１２の塗布、およびレーザー４２１または紫外線４２２の照射は暗室で行う。感光フォトレジスト４１２は、自然光または明るい光によって反応するので、暗室で行うことが好ましく、一般には弱い蛍光灯の光の下で行う。また、感光フォトレジスト４１２は、弱い光の下でもよく反応するので、レーザー４２１または紫外線４２２の照射強度に対して特に要求される条件はない。

マスキングとは、エッチングされずに保護されるべき金属表面の部分を耐薬品性塗膜で被覆する操作をいう。このマスキング段階に用いられるマスキングフィルム４２３とは、エッチングさせようとする部分と、エッチングから保護されるべき部分が予め図案化され、出力された状態のフィルムをいう。このフィルムは、特に要求される材質の特性はないが、光が透過可能な透明性でなければならず、対象面に密着しなければならない。密着性を向上させるためには弾性範囲内の弱い力で張力を与えることが効果的なので、マスキングフィルムは厚さが１００〜４００μｍにならなければならない。

パターニングが完了すると、現像４３０を行う。この現像段階では、感光によってフォトレジスト４１２が硬化している部位４３３は保護膜４３１として作用し、光が照射されなくてフォトレジストが硬化していない残りの部位４３２は塩基性現像液に溶ける。現像後には、鋳造ロール４１１の金属面が露出される。

すなわち、現像４３０は、一定の時間露光させた後、未感光部の感光膜を溶解させて除去する過程をいうもので、通常、弱アルカリ性の希釈アンモニア液または８％内外の重クロム酸溶液を使用する。

その後続工程であるエッチング工程４４０では、保護膜のない金属露出面は高圧のエッチング液４４１に浸食され、その後、硬化したフォトレジスト４１２を除去すると、ディンプル４５１が形成される。

化学的に選択部位を溶かすエッチング液４４１は、対象材質（銅、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル／ニッケル合金、チタン合金など）によって異なり、対象材質に応じて適切なものが使用される。ところで、本発明では、ロールの表面がニッケル材質であり、エッチング液４４１は添加剤として酸が混合された塩化第二鉄を使用するが、これが最適であるとは言えず、他のエッチング液を使用してもよい。

図５の（ａ）には前述した製造工程によって連続チャネル４５２が加工された鋳造ロール表面の模式図が示されている。

図５の（ａ）に示した実施例では、ディンプル４５１の直径が０．５ｍｍであり、ディンプルの深さが０．０９ｍｍであり、ディンプル間の最短距離が０．２５ｍｍであり、ガスチャネルの面積率は略４２％である。

しかしながら、これらの各種寸法および面積率は、高マンガンＴＷＩＰ鋼の組成および鋳造変数によって異なり、最適化させる余地がある。

図５の（ｂ）と（ｃ）には前述した製造工程によって加工された連続チャネルの寸法を示す図表が示されている。

ガス排出用連続チャネル４５２の仕様は、次のとおりである。

ガス排出用連続チャネル４５２の幅４５３において、最小幅は、ガスが効果的に排出できるよう、連続チャネルが維持される程度に決定される。ストリップ鋳造工程では、必須の道具である剛毛で鋳造ロールの表面をクリーニングするため、剛毛によって鋳造ロールの磨耗が発生するおそれがあり、長時間鋳造しても連続チャネル状に維持されるためには一定の幅以上にならなければならない。その最小幅は１５０〜２００μｍの範囲である。

溶鋼がガス排出用連続チャネル４５２に充填されると、鋳造材の表面に凸凹が発生し、後処理の際に表面欠陥を誘発する原因になるので、ガス排出用連続チャネル４５２の幅４５３における最大幅は、溶鋼が入り込み難い水準か、入り込んだとしてもその程度が非常に少ない程度に決定される。一般に、溶鋼は表面張力によって一定の隙間以上にならなければ充填されず、その現象は溶鋼の成分だけでなく、温度などの他の変数によっても影響されるが、ストリップ鋳造工程で１８〜２５％Ｍｎの高マンガンＴＷＩＰ鋼を製造するためには、ガス排出用連続チャネル４５２の最大幅は４００〜５００μｍの範囲である。

ガス排出用連続チャネル４５２の深さ４５４は、連続したチャネルを維持さえすれば深い必要がない。鋳造時にブラッシング作用によって、ディンプルおよびガスチャネルの磨耗が同時に不可避に起るため、少なくともロール取替え周期内には耐えられる深さでなければならない。よって、適正の深さは５０〜１５０μｍの範囲である。

本発明のパターニング工程においてガスチャネルの形状と寸法を任意に調節することができるため、高マンガン鋼の鋳造に適した最適のガス排出用連続チャネル４５２も自由に加工することができる。

また、ロールの中央部とエッジ部のガス排出用連続チャネル４５２の密度を同一に形成することもでき、必要に応じて相異なるように形成することもできる。なぜなら、ガス排出用連続チャネル４５２は、溶融金属との直接接触が難しい部位なので、他の部位に比べて冷却速度が遅い部位に該当する。よって、ロール幅方向の冷却能調整を必要とするときには、ガス排出用連続チャネル４５２の密度変化が効果的な方法になり得る。

図６に、本発明に係る微細なガス排出用連続チャネルが形成された鋳造ロールによってストリップを鋳造した場合と、従来の技術によってストリップを鋳造した場合との比較表を示す。

通常の多様なロール表面処理方法、すなわちフォトエッチング法、ショットブラスティング法、レーザー加工法、およびこれらを組み合わせた方法で独立ディンプルを形成した場合は、デントの発生度合いは各工程によって若干の差異があるが、全ての実施例でデントの発生を完全に防止することはできない。

ところが、微細な連続チャネルを刻印した鋳造ロールでストリップを鋳造した場合には、捕集された蒸気ガスの膨張、爆発によって生成するデントは全く発生しなかった。これは、捕集された蒸気ガスが連続チャネルにより効果的に排出されたことを示すものである。

したがって、通常のディンプルエッチングとは反対の形状を持つ、本発明のフォトエッチング法またはレーザーパターニングエッチング法を用いた逆ディンプルエッチング（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｍｐｌｅ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって、微細な連続チャネルを形成し、高マンガン鋼鋳造の際に発生する揮発性蒸気ガスを効果的に排出し、致命的な表面欠陥であるデントの発生を防止することができる。

上述したように、本発明は、双ロール式ストリップ鋳造用鋳造ロール表面のガス排出用連続チャネル形成方法を提供する。
この方法により、捕集されたガスが孤立することなくロールの表面全体から効果的に排出でき、デントの発生を防止した無欠陥鋳片の製造を可能にする。

Claims (2)

1. 双ロール式ストリップ鋳造機の鋳造ロールの表面にガス排出用連続チャネルを形成する方法において、
   鋳造ロールの全面に感光フォトレジスト（４１２）を塗布した後、暗室で乾燥させるフォトレジスト適用段階（４１０）と、
   前記塗布された感光フォトレジスト（４１２）上にガス排出用連続チャネル（４５２）の形状と模様がプリントされたフィルムをロールの全面に付着させた後、紫外線を照射し、あるいは乾燥した感光フォトレジスト（４１２）上に直接レーザーを照射することにより、ガス排出用連続チャネル（４５２）の形状と模様を形成するようにするパターニング段階（４２０）と、
   前記パターニング済みの鋳造ロールの表面を露光させた後、弱アルカリ性の希釈アンモニアあるいは８％以内の重クロム酸溶液によって未感光部の感光部を溶解除去する現像段階（４３０）と、
   前記現像段階で露出された鋳造ロール表面の金属面をエッチングしてガス排出用連続チャネル（４５２）を形成する段階（４４０）と、
   を含んでなることを特徴とする、双ロール式ストリップ鋳造工程用鋳造ロール表面の連続チャネル形成方法。
2. 前記ガス排出用連続チャネル（４５２）は、１５０〜５００μｍの幅および５０〜１５０μｍの深さを持つように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の双ロール式ストリップ鋳造工程用鋳造ロール表面の連続チャネル形成方法。