JP2010023049A - 鋼の連続鋳造鋳片およびその製造方法 - Google Patents

鋼の連続鋳造鋳片およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材を提供する。
【解決手段】質量%で、C:0.01〜0.3%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.4〜2%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Al:0.005〜0.03%、Ni:0.2〜2%、O:0.006%以下、N:0.006%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物元素からなり、広面の表面から少なくとも2mm以内の鋼組織がフェライトとパーライトからなり、フェライトの円相当径が30μm以下であることを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片。
【選択図】図1

Description

本発明は、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造するNi添加鋼に係る、表面割れの発生を抑制した連続鋳造鋳片およびその製造方法に関する。
鋼の靭性向上のため、鋼中にNiを添加することが一般に行われている。Ni添加鋼を垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機で鋳造する場合、鋳片表面に割れが発生することがある。このような場合、後工程で、手入れ処理などを行う必要があり、増工程の原因となる。Ni添加鋼の生産性向上のため、鋳片表面割れを防止することが課題となっている。
このような課題を解決する手段として、特許文献1には、鋳型内溶鋼のメニスカス部から鋳型下端までの鋳片の引き抜き所要時間を1分以内とし、鋳型から引き抜いた後、直ちに、2次冷却を行い、1分以内に、鋳片表面温度をA3変態温度以下まで冷却することを特徴とする鋼の連続鋳造における鋳片表面割れの抑制方法、さらに、鋳片表面温度をA3変態温度以下まで冷却した後、復熱させ、曲げ点および矯正点における鋳片表面温度を850℃以上とし、鋳型内溶鋼のメニスカス通過後20分以内に、鋳片の矯正を終了することを特徴とする鋼の連続鋳造における鋳片表面割れの抑制方法が開示されている。
特許文献2には、横断面形状が矩形の鋳片を、湾曲型または垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する際に、鋳片を鋳型から引き抜いた直後から鋳片の二次冷却を行い、鋳片の表面温度を、いったん、Ar3変態点より低い温度に冷却した後に、Ar3変態点を超える温度に復熱させ、その後に、鋳片を矯正する連続鋳造方法であって、鋳片の表面温度をAr3変態点より低い温度に保持する時間t(s)と、いったんAr3変態点より低い温度に冷却した後にAr3変態点を超える温度に復熱させるまでの間で、鋳片の表面温度が到達する最低の表面温度Tmin(℃)とが、下記の(イ)式および(ロ)式を満足するように鋳片の二次冷却を行うことにより、鋳片表面から少なくとも深さ2mmまでの凝固組織を、オーステナイト粒界が不明瞭なフェライトおよびパーライトの混合組織とすることを特徴とする連続鋳造方法が開示されている。
50≦t(s)≦500 ・・・(イ)
0.13t+493≦Tmin(℃)≦0.045t+798 ・・・(ロ)
特開平9−47854号公報 特開2002−307149号公報
しかし、上記の方法では、以下の問題点がある。
特許文献1記載の鋼の連続鋳造における鋳片表面割れの抑制方法では、鋳型から引き抜いた後、直ちに2次冷却を行い、1分以内に、鋳片表面温度をA3変態温度以下に冷却するものであるが、例えば、発明の実施例として開示されている温度の中で最も低い温度である725℃まで冷却しても、曲げ点および矯正点での割れを防止することができないことを確認した。その理由は、鋳片表層部の組織を微細化することができなかったためと考えられる。
特許文献2記載の連続鋳造方法では、鋳片の表面温度をAr3変態点より低い温度に保持する時間t(s)と、いったんAr3変態点より低い温度に冷却した後に、Ar3変態点を超える温度に復熱させるまでの間で、鋳片の表面温度が到達する最低の表面温度Tmin(℃)とを、ある範囲に限定することにより、鋳片表面割れを防止しようとするものである。
しかし、一般的に、鋳片の冷却は、鋳片と接触するロールによるものと、ロール間に設置されたノズルから噴出される水または水と空気との混合物によるものとに大別されるため、鋳型直下の二次冷却帯では、ロールに接触せず、水または水と空気の混合物がかからない部分があり、そこでは、表面温度が上昇する。
従って、一旦、Ar3変態点以下に冷却しても、すぐにAr3変態点を超える温度に復熱するため、Ar3変態点以下に50秒以上連続して保持することは、通常の冷却設備では非常に困難であるため、工業的な観点から現実的ではない。
そこで、本発明は、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造するNi添加鋼において、表面割れの発生を抑制した連続鋳造鋳片およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の要旨は以下の通りである。
(1) 質量%で、C:0.01〜0.3%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.4〜2%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Al:0.005〜0.03%、Ni:0.2〜2%、O:0.006%以下、N:0.006%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物元素からなり、広面の表面から少なくとも2mm以内の鋼組織がフェライトとパーライトからなり、フェライトの円相当径が30μm以下であることを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片。
(2) さらに、質量%で、Cu:0.2〜2%、Cr:0.2〜2%の1種以上を含有することを特徴とする(1)記載の鋼の連続鋳造鋳片。
(3) さらに、質量%で、Ti:0.005〜0.02%、Nb:0.005〜0.04%、V:0.005〜0.04%の1種以上を含有することを特徴とする(1)または(2)記載の鋼の連続鋳造鋳片。
(4) (1)〜(3)のいずれかに記載の成分組成の溶鋼を、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造するにあたり、鋳型出口から矯正帯までの間で、鋳片表面温度を550℃以下に冷却し、その後、850℃以上に復熱させて矯正を行うことを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の製造方法。
本発明の鋳片およびその製造方法を用いることで、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造する高靭性のNi添加鋼において、表面割れの発生を抑制することができる。
本発明者らは、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造されるNi添加鋼において、鋳片の広面に発生する表面割れを抑制するため、鋳片表層部の鋼組織およびその鋼組織を得るための方法について鋭意検討した。
鋳片の表層部の鋼組織を微細化することに着目して検討した結果、鋳片の表層部を、フェライト+パーライト組織とし、そのフェライトの円相当径を30μm以下とすることで、Ni添加鋼の鋳片表面割れを防止できることを見出した。
ちなみに、フェライトおよびパーライトの粒径は、ほぼ同等であり、また、フェライトとパーライトの割合は、大部分がフェライトであることから、フェライトの円相当径を指標とした。さらに、フェライト組織を微細化するための適正な条件も明らかにした。
以下に詳細に説明する。
垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造するNi添加鋼における表面割れは、鋳片表面温度が700〜850℃の鋳片を矯正するとき、オーステナイト粒界に沿って生じることが知られている。
そこで、本発明者らは、オーステナイト粒径(γ粒径と記載する場合がある)を細かくすると、割れ深さを低減することができ、割れが発生しても、手入れの必要がない浅い割れに抑制することができると着想した。
ところで、矯正帯では、鋳片は高温であるため、γ粒径を、直接観察することはできない。鋳片が室温まで冷却された後、観察される組織は、フェライトとパーライトとの混合組織であり、フェライト粒径が小さいほど、オーステナイト粒径は小さい。
そこで、表1(後出)に示す鋼1〜鋼10について、フェライト粒径と鋳片表面割れ指数の関係を調査した。その結果を、図1に示す。フェライト粒径は、表2(後出)に示す操業条件を変えることで変化させた。フェライト粒の円相当径を求める方法については後述する。
鋳片表面割れ指数は、割れ深さが0.2mm未満で、手入れの必要のないものを1、深さ0.2mm以上1mm未満で、手入れの必要のあるものを2、深さ1mm以上で、屑化しなければならないものを3とした。図1に示すように、フェライト粒径が30μm以下の時に割れが抑制されることが判明した。
オーステナイト粒径と、そのオーステナイトから室温まで冷却した時のフェライト粒径の関係を、フォーマスター試験機で調査した。試料を、オーステナイトが単相で存在する種々の温度に保持することで、初期オーステナイトの粒径を変化させ、その試料にHeガスを吹き付けることにより室温まで急冷却した後の旧オーステナイト粒径と、放冷により緩冷却した後のフェライト粒径との関係を調査した。
ちなみに、旧オーステナイト粒径も、フェライトに変態したものであるが、急冷により、オーステナイト粒径がほぼ維持された状態で、フェライトに変態しているため、オーステナイトであった際の粒径という意味で、旧オーステナイト粒径と称している。
その結果、フェライト粒径が30μmの時には、旧オーステナイト粒径は200μm程度であることが判明した。旧オーステナイト粒を200μm程度まで細粒化することができているため、表面割れを防止することができていると考えられる。
また、鋳片表面から少なくとも2mm以内のフェライト粒を30μm以下にすれば、手入れが必要な大きな割れを防止できることも判明した。フェライト粒径が30μm以下の領域が、鋳片表面から2mm未満である場合には、割れ深さを0.2mm未満に抑制することができない。したがって、フェライト粒径を30μm以下とする範囲は、鋳片表面から少なくとも2mmとする。
鋳片表層部のフェライト粒の円相当径は、次のようにして求めることができる。鋳造方向に垂直な面で切断し、鋳片広面の表層から20mm、鋳片幅方向に20mm程度のサンプルを切り出す。鋳造方向に垂直な面を観察面として、この面を鏡面研磨した後、ナイタールで腐食し、鋼組織を現出させる。
この時、鋼組織は、フェライトとパーライトの混合組織となっており、それらの粒径は、上述の通り、ほぼ同等である。
そこで、フェライト粒のみを無作為に20個選択し、その面積を測定し平均値を求める。その値と等しい面積の円の直径を、フェライト粒の円相当径とする。フェライト粒を無作為に20個程度選択して粒径を測定し、平均をとれば、代表性のある値となることを、本発明者らは確認している。
次に、本発明の鋼の化学組成を限定した理由を説明する。以下、%は質量%を意味する。
C:0.01〜0.3%
Cは、鋼における母材強度を向上させる基本的な元素として欠かせない元素である。強度向上を図るため、0.01%以上含有させることが必要である。しかし、0.3%を超えて過剰に含有させると、鋼材の靭性や溶接性の低下を招くため、上限を0.3%とする。したがって、Cは、0.01〜0.3%とする。好ましくは、0.05〜0.2%である。
Si:0.05〜0.5%
Siは、鋼材の強度を向上させる元素である。強度向上のためには、0.05%以上含有させることが必要である。一方で、0.5%を超えて含有させると、溶接HAZ部の靭性を低下させるため、0.5%を上限とする。したがって、Siは、0.05〜0.5%とする。好ましくは、0.10〜0.4%である。
Mn:0.4〜2%
Mnは、母材の強度および靭性の確保に必要な元素であり、その効果を確保するためには、0.4%以上の添加が必要である。一方、2%を超えると、靭性を著しく低下させるため、2%以下とする。好ましくは、0.8〜1.5%である。
P:0.03%以下
Pは、鋼の靭性に影響を与える元素であり、0.03%を超えて含有すると、鋼材の靭性が著しく低下するため、0.03%以下とする。下限は0%を含む。
S:0.03%以下
Sは、鋼の靭性に影響を与える元素であり、0.03%を超えて含有すると、鋼材の靭性が著しく低下するため、0.03%以下とする。下限は0%を含む。
Al:0.005〜0.03%
Alは、鋼の脱酸に重要な元素で、酸素濃度を十分下げるためには、少なくとも、0.005%含有させることが必要である。一方、0.03%を超えて過剰に添加しても、脱酸の効果は小さいだけでなく、鋼材の強度、靭性を低下させる原因となる粗大な酸化物が多量に生成するので、上限を0.03%とする。したがって、Alは、0.005〜0.03%とする。
Ni:0.2〜2%
Niは、鋼材の強度、靭性を向上させるために添加する元素である。強度、靭性を向上させるために必要な添加量は、0.2%以上である。2%を超えて過剰に添加すると、オーステナイト粒界酸化が大きくなり過ぎ、粒界割れの起点が発生するため、γ粒径を微細化しても、割れ深さを低減することが困難となるので、上限は2%とする。したがって、Niは、0.2〜2%とする。好ましくは、0.4〜1.8%である。
O:0.006%以下
鋼中のOは、そのほとんどが酸化物として存在する。O濃度が高いほど、酸化物個数が増加し、酸化物サイズが粗大化する。この粗大な酸化物が多量に存在すると、鋼の強度、靭性が劣化する。O濃度が0.006%を超えると、粗大な酸化物個数が増加するため、O濃度の上限は、0.006%とする。下限は0%を含む。
N:0.006%以下
鋼中のNは、0.006%超となると鋼材の靭性を劣化させるため、0.006%以下とする。但し、Nは、不可避的に混入するものであるが、下限は0%を含まない。
鋼材の強度、靭性を向上させるため、さらに、次の元素の1種以上を含有させることが好ましい。
Cu:0.2〜2%
Cuは、0.2%以上含有させると、鋼材の強度の増大が著しい。しかしながら、2%を超えて含有すると、Cu起因の表面割れが生じ易い。したがって、Cuは、0.2〜2%とする。
Cr:0.2〜2%
Crは、強度向上、耐食性向上のために添加される。0.2%以上含有させることにより、これらの特性を発現させることができるが、2%を超えて添加すると、鋼材の靭性を劣化させ易くなるため、2%以下とする。したがって、Crは、0.2〜2%とする。
鋼材の強度、靭性を向上させるため、さらに、次の元素の1種以上を含有させることが好ましい。
Ti:0.005〜0.02%
Tiは、Nと結びつき、微細なTiN、TiCを生成することにより、鋼材の靭性向上に寄与する。その効果は、0.005%以上含有させた時に発現する。一方で、0.02%を超えて含有させると、粗大なTiN、TiCが生成し、靭性を劣化させ易い。したがって、Tiは、0.005〜0.02%とする。
Nb:0.005〜0.04%
Nbは、炭窒化物を生成することにより、鋼材の強度向上に寄与する。その効果は、0.005%以上の場合に発現する。しかしながら、0.04%を超えて含有させると、粗大な炭窒化物が生成し、強度を劣化させ易い。したがって、Nbは、0.005〜0.04%とする。
V:0.005〜0.04%
Vは、炭窒化物を生成することにより、鋼材の強度向上に寄与する。その効果は、0.005%以上の場合に発現する。しかしながら、0.04%を超えて含有させると、粗大な炭窒化物が生成し、強度を劣化させ易い。したがって、Vは、0.005〜0.04%とする。
上記の組成は、鋳造を開始するまでの溶鋼段階で、常法により調整することで実施できる。例えば、各合金元素は、転炉工程、二次精錬工程で、溶鋼に添加することで、鋼中に含有させることができる。その際、純金属、合金を用いることができる。
次に、鋳片表層部のフェライト粒径を微細化するための連続鋳造方法について述べる。鋳片表層部のフェライト粒径が細かいということは、連続鋳造において鋳片が矯正される850℃以上の高温において、オーステナイト粒径が細かいということである。
矯正帯におけるオーステナイト粒は、鋳型から引き抜かれた鋳片を強冷するだけでは、顕著に細粒化しない。その大きさは、鋳片幅方向で、少なくとも2〜3mm程度である。表面割れが生じないように200μm以下まで細粒化するために、連鋳機内での逆変態を活用する。
すなわち、鋳型から引き抜かれた鋳片を強冷し、一旦、フェライトを生成させてから、復熱し、再度、オーステナイト化することにより、オーステナイト粒を微細化することができる。逆変態を起こさせて、鋳片の表面から少なくとも2mm以内の組織を微細化するためには、鋳片表面の温度履歴が重要であることを、本発明者らは新たに見出した。
表1に示す化学成分の鋼を用いて、種々の温度履歴での鋳片の組織と割れを調査した結果、鋳型出口から矯正帯までの間で鋳片表面温度を550℃以下に冷却した後、850℃以上に復熱させることにより、鋳片表面から少なくとも2mm以内の鋼組織を、フェライト+パーライトとし、そのフェライト粒径を30μm以下とすることができることが判明した。この時、鋳片の表面に深さ0.2mm以上の割れがないことを確認した。
なお、鋳型出口から矯正帯までの間で、鋳片表面温度については、下限を規定しないが、480℃以下にすると、矯正帯での表面温度を850℃以上に復熱させることが難しくなる。また、強冷による表面割れが生じる場合がある。したがって、鋳型出口から矯正帯までの間で、鋳片表面温度は、480℃超であることが好ましい。
矯正帯での表面温度を850℃以上に、より容易に復熱させるため、鋳型出口から矯正帯までの間で、鋳片表面温度は、490℃以上であることがより好ましく、500℃以上であることがさらにより好ましい。
また、鋳片表面温度が550℃以下に冷却されている時間は、特に規定するものではなく、550℃以下の温度に到達した後に、矯正帯で850℃以上に復熱できる範囲で、適宜、設定すればよい。
鋳片の表面温度は、熱電対をロール間から挿入し鋳片表面に噛み込ませる方法、放射温度計を用いる方法によって測定することができる。さらに、伝熱・凝固方程式を、冷却水やロールによる抜熱条件を与えて解くことにより、求めることができる。
(実施例1)
表1に示す鋼1〜鋼10の化学成分(本発明が規定する化学成分)を有する溶鋼を用いて、表2に示すNo.1〜8の条件で、それぞれ、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて鋳造して、鋳片を得た。その際、二次冷却設備の冷却条件、鋳造速度を変更することで、鋳片表面の温度履歴を、表2に示すように変更した。得られた鋼1〜鋼10の鋳片の化学成分も表1に示す通りであった。
また、表1には、鋳片を圧延して得られた鋼板の引張強度TSと破面遷移温度vTrsと示したが、Niを含有しているため、いずれの鋼も、高強度の鋼板であることがわかる。
ちなみに、本発明の連続鋳造鋳片の製造方法は鋳片表層部の冷却に関するものなので、表2に示す冷却条件は、鋳片表面割れには影響を及ぼすが、鋳片内部の冷却には、ほとんど影響を及ぼさない。したがって、鋼板の材質であるTSやvTrsは、表2に示す冷却条件によって変化するものではない。
そこで、得られた鋳片を室温まで冷却した後、鋳片広面の表面近傍の鋳造方向に垂直な断面の組織を観察した。鋳片表面から2mm以内の領域におけるフェライト粒を、無作為に20個選択し、前述の方法により、フェライト粒の円相当径を求めた。鋳片表面割れについては、チェックスカーフを行い、鋳片表面のスケールを除去した後、鋳片表面を観察し、割れ深さを調査した。
表2に、鋳片表面の温度履歴と鋳片表面から2mm以内のフェライト粒の円相当径、および、前述の鋳片表面割れ発生指数を示す。
No.1〜4は、本発明が規定する操業条件で製造した場合である。鋳型出口から矯正帯までの間での最低鋳片表面温度を550℃以下にし、矯正点での鋳片表面温度を850℃以上とすることで、鋳片表面から2mm以内のフェライト粒の円相当径が30μm以下となり、鋳片表面割れ発生指数も問題のないレベルになっていることがわかる。
No.5〜8は、本発明が規定する操業条件とは異なる条件で製造した場合である。No.5〜6は、鋳型出口から矯正帯までの間での最低鋳片表面温度が550℃超であり、鋳片表面から2mm以内のフェライト粒の円相当径が30μm超となり、問題となる割れが発生したものである。
No.7〜8は、鋳型出口から矯正帯までの間での最低鋳片表面温度が550℃以下であるが、矯正点での鋳片表面温度が850℃未満であるため、鋳片表面から2mm以内のフェライト粒の円相当径が30μm超となり、問題となる割れが発生したものである。
Figure 2010023049
Figure 2010023049
(実施例2)
上記と同様に、表1に示す鋼11の化学成分を有する溶鋼を用いて、表2に示すNo.1〜8の条件で、それぞれを、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて鋳造して、鋳片を得た。得られた鋼11の鋳片の化学成分も表1に示す通りであった。この鋼11の鋳片について、上記と同様に割れ深さを調査した。
鋼11は、Ni濃度が2%超であり、本発明が規定するNi濃度範囲を超えている。表2に示すNo.1〜4の本発明が規定する操業条件を用いたことから、鋳片表面から2mm以内のフェライト粒の円相当径を、30μm以下とすることができたものの、割れを抑制することができず、Ni濃度が2%超である鋼11については、表面割れ指数は2であった。
鋳片表面割れ指数と鋳片表面から2mm以内の領域におけるフェライト粒の円相当径の関係を示す図である。

Claims (4)

  1. 質量%で、
    C:0.01〜0.3%、
    Si:0.05〜0.5%、
    Mn:0.4〜2%、
    P:0.03%以下、
    S:0.03%以下、
    Al:0.005〜0.03%、
    Ni:0.2〜2%、
    O:0.006%以下、
    N:0.006%以下
    を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物元素からなり、広面の表面から少なくとも2mm以内の鋼組織がフェライトとパーライトからなり、フェライトの円相当径が30μm以下であることを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片。
  2. さらに、質量%で、
    Cu:0.2〜2%、
    Cr:0.2〜2%
    の1種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の鋼の連続鋳造鋳片。
  3. さらに、質量%で、
    Ti:0.005〜0.02%、
    Nb:0.005〜0.04%、
    V:0.005〜0.04%
    の1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2記載の鋼の連続鋳造鋳片。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の成分組成の溶鋼を、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造するにあたり、鋳型出口から矯正帯までの間で、鋳片表面温度を550℃以下に冷却し、その後、850℃以上に復熱させて矯正を行うことを特徴とする鋼の連続鋳造鋳片の製造方法。
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