JP2010188380A

JP2010188380A - 鋼の連続鋳造方法

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Publication number: JP2010188380A
Application number: JP2009035454A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Yamanaka; 章裕山中; Toshihiko Murakami; 敏彦村上
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】内部割れ発生、中心偏析悪化の原因となるロール間バルジング変形を効果的に低減する。
【解決手段】円弧部を有する連続鋳造機を用いてスラブ鋳片を連続鋳造する方法である。未凝固部を含むスラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置を、鋳造パスラインの最下点の位置よりも鋳造方向下流側となるようにする。スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置よりも鋳造方向の下流側の該スラブ鋳片の鉛直方向の高さを、鋳造パスラインの最下点よりも高く配置する。少なくともスラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置から、スラブ鋳片が完全凝固する鋳造方向の位置までの範囲に配置されたガイドロールのロールピッチを３００mm以下とする。
【効果】鋳片欠陥である内部割れ発生、中心偏析の悪化の主要因となるロール間バルジング量を著しく低減することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼を連続鋳造する方法、特にスラブ鋳片（以下、単に鋳片ともいう。）を連続鋳造する方法に関するものである。

厚板や薄板のスラブの連続鋳造において、コスト競争力を維持あるいは向上するために、鋳造速度の高速化と鋳片品質の両立が求められている。

スラブの連続鋳造では、現在、湾曲型や垂直曲げ型といった円弧部を有する型式の連続鋳造機が、能率の良さから厚板用あるは薄板用の鋳造において主流になっている。

これらの連続鋳造機では、鋳型から引き抜かれた鋳片は、パスラインに沿って、湾曲型連続鋳造機では円弧部分を経て、あるいは垂直曲げ型連続鋳造機では一旦円弧状に曲げられて、最下端近傍で水平に曲げ戻しされる。

近年、生産性のさらなる向上への要求から高い鋳造速度が必要とされるので、パスラインの最下点ではまだ鋳片内部が未凝固な状態であり、鋳造速度にもよるが、水平部の数m〜数十mを経て完全凝固するのが一般的である。

また、現在の前記型式の主要な連続鋳造機の機高（鋳型内溶鋼メニスカスから最下点（＝水平部）までの高さ）は１０m前後であるのが一般的であるが、このような機高の連続鋳造機によって製造された鋳片は、その内部が未凝固である。

従って、溶鋼の静圧が鋳片の凝固シェル内面に付与されることになるが、鋳造中の鋳片の凝固シェルは高温であるために、変形抵抗は常温の鋳片に較べて数分の１程度まで小さく、溶鋼静圧は凝固シェル内面に働いて鋳片を膨らませようとする。これがバルジングである。

このようなバルジング力に抗するため、通常は、鋳片の表面に沿うようにロール群を配して、鋳片を外側から支持しているが、ロールとロールの間は支持がないので、多少のバルジング生じる。

これが所謂ロール間バルジングであって、２００mm〜５００mm程度の間隔が設けられたロールピッチ（上流側のロール対と下流側のロール対の配置間隔）が大きい程、また鋳造速度が大きく鋳片温度が高い程、ロール間バルジングは大きくなる。

ロール間バルジングは、引き抜き方向に配されたロール対群の間を鋳片が通過して行く際に、それぞれのロール間で逐次生じることになるので、鋳片はロール間を通過するたびに膨らみ、次のロール対で押さえられる。従って、凝固シェルの内面は、逐次、圧縮応力と引張応力を繰り返し受けることになる。

この圧縮応力と引張応力の繰り返しの程度が酷くなると、凝固界面の脆弱な部分が破断し、鋳造欠陥である内部割れの発生につながる。また、鋳片の凝固末期は、鋳片中心部のミクロ偏析溶鋼が、ロール間での膨張とロール直下での圧縮を繰り返し受けてデンドライト樹間からしごき出され、鋳片中心部の残溶鋼を濃化させて代表的な鋳造欠陥の一つである中心偏析悪化の大きな要因となる。

これらの鋳造欠陥を低減あるいは抑制するために、ロール間バルジングを低減することは古くから連続鋳造技術の分野において重視されてきた。しかしながら、鋳造速度を遅くして鋳片温度を低下させる方法では、生産性は著しく低下する。また、ロール間で鋳片を水スプレー等で強冷却する方法では、温度制御に限界があるのとともに熱応力の発生が大きくなるので、表面割れの原因や、かえって内部割れの原因をつくることになる。

発明者の一人は、内部割れの主要因はバルジング歪であってその抑制が重要で、高速連続鋳造用の試験連続鋳造機では機高も低いので、ロールピッチを小さくすることで内部割れが低減できたことを示した（非特許文献１）。しかしながら、これは鋳片の厚みが１００mmの小型の連続鋳造機であるため、機高も低く、ロールピッチも小さくすることが可能であったためである。

一方、バルジング歪を抑制するための低い機高の連続鋳造機について、非特許文献２に記載がある。この種の連続鋳造機では、低機高とするために円弧半径を小さく設計せざるを得ず、その結果、鋳片曲げ、また曲げ戻しの時の鋳片変形が大きくなり、これらが鋳片表面割れ、あるは内部割れの新たな原因となり易い。

また、電磁誘導ポンプを用いて、電磁気的に溶鋼静圧を低下させてバルジングを防止する技術が特許文献１に記載されているが、効果がその装置を配した部分に限られ、効果に見合う設備費用も相当高くなると推察され、あまり現実的でない。

特開昭６０−２３８０６９号公報

連鋳鋳片の内部割れ発生機構、鉄と鋼、vol.82(1996)No.12、p.999 高温鋳片製造のための低機高連鋳機の鋳片矯正歪み解析、鉄と鋼、第74年(1988)第７号、p.1298

本発明が解決しようとする問題点は、鋼の連続鋳造において、従来方法では、内部割れ発生、中心偏析悪化の原因となるロール間バルジン変形を効果的に低減することが難しかったという点である。

本発明の鋼の連続鋳造方法は、
内部割れ発生、中心偏析悪化の原因となるロール間バルジン変形を効果的に低減するために、
円弧部を有する連続鋳造機を用いてスラブ鋳片を連続鋳造する方法であって、
未凝固部を含む前記スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置を、鋳造パスラインの最下点の位置よりも鋳造方向下流側となるようにし、
かつ、前記スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置よりも鋳造方向の下流側の該スラブ鋳片の鉛直方向の高さを、鋳造パスラインの最下点よりも高く配置し、
さらに、少なくとも前記スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置から、該スラブ鋳片が完全凝固する鋳造方向の位置までの範囲に配置されたガイドロールのロールピッチを３００mm以下とすることを最も主要な特徴としている。

本発明の鋼の連続鋳造方法によれば、溶鋼静圧を減じることができるので、ロール間バルジングを効果的に抑制することができる。

本発明により、鋳片欠陥である内部割れ発生、中心偏析の悪化の主要因となるロール間バルジング量を著しく低減することが可能になる。

本発明の考え方の基本となる鋳造パスラインを示した模式図（ロール群は図示せず）である。４３０mmのロールピッチを基準とした場合の、溶湯ヘッドとロールピッチ低減によるバルジング量の低減効果を示した図である。３００mmのロールピッチを基準とした場合の、溶湯ヘッドとロールピッチ低減によるバルジング量の低減効果を示した図である。

本発明では、ロール間バルジング変形を効果的に低減するという目的を、溶鋼静圧を低減することと、ロールピッチを短くすることで実現した。

発明者らは、ロール間バルジングを低減するには、機高を低くすることよりも、溶鋼静圧そのものを低くすることが効果的であると考えた。

そして、溶鋼静圧を低くする方法として、中心偏析や鋳造末期の内部割れの原因となり易い部分、すなわち中心固相率が零を超える部分を、鋳造パスラインの最下点より高く配置することを考えた。この方法によれば、機高が大きくなっても、大きな円弧のパスライン設計が可能となるので、曲げ変形、曲げ戻し変形を、従来の連続鋳造機のレベルに抑えることが可能である。

さらに、溶鋼静圧が既存の連続鋳造機に較べて小さくなることから、その分鋳片の支持力が小さくてすみ、鋳片の支持ロールを小径に設計することが可能になる結果、ロールピッチを小さくすることができる。ロールピッチの最小限はロール径と同じ値であるが、実際はロールを支持する軸受け部分の機構のスペースが必要であるので、ロール径にプラス数十mmの間隔をとる必要がある。

本発明の鋼の連続鋳造方法は、発明者らの上記考え方に基づいてなされたものであり、
円弧部を有する連続鋳造機を用いてスラブ鋳片を連続鋳造する方法であって、
未凝固部を含むスラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置を、鋳造パスラインの最下点の位置よりも鋳造方向下流側となるようにし、
かつ、該スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置よりも鋳造方向の下流側の該スラブ鋳片の鉛直方向の高さを、鋳造パスラインの最下点よりも高く配置し、
さらに、少なくとも前記スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置から、該スラブ鋳片が完全凝固する鋳造方向の位置までの範囲に配置されたガイドロールのロールピッチを３００mm以下とすることを最も主要な特徴としている。

本発明の鋼の連続鋳造方法によれば、溶鋼静圧の低減と、その結果ロールピッチを小さく配置できることによる二重の効果により、ロール間バルジング変形を既存の連続鋳造により著しく、ほぼ零に近い状態まで低減可能となる。

本発明において、スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置よりも鋳造方向下流側のスラブ鋳片の鉛直方向の高さと、鋳造パスラインの最下点との高さの差は特に限定しないが、ロール間バルジング変形の低減効果の点から１m以上高くすることが望ましい。

なお、前記高さの上限も特に限定されないが、ある程度高くするとロール間バルジング変形の低減効果が少なくなるので、必要以上に高くする必要はない。

また、本発明において、スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置から、該スラブ鋳片が完全凝固する鋳造方向の位置までの範囲に配置されたガイドロールのロールピッチは３００mm以下であれば、可能な限り短い方が良い。

しかしながら、軸受け部分を考えた場合、ガイドロールのロール径はさらに小さくする必要があり（−２０mm程度）、ロール剛性が低下して低静圧と言えども必要サポート力に対して曲がり等の変形は避けられない。従って、ロールピッチの下限は１８０mm程度であると考えられる。

本発明方法の効果を、数値計算によるシミュレーションによって評価した。以下に前提となる条件について説明する。

図１は、本発明の要件である溶鋼静圧を低くする方法の考え方に基づく、鋳片パスラインの模式図である。なお、図１では、支持ロール群は示していない。

図１中のＨは溶鋼静圧をヘッド長で表記したもの（溶湯ヘッド（m））である。連続鋳造機は、垂直曲げ型で半径が１０.５mの円弧を有し、垂直部を含む機高が１３.５mの連続鋳造機を想定した。

スラブ鋳片の厚みは２８０mm、幅は１６２５mmで、鋳造速度は１〜２m／minとした。図１に示したパスラインは、最下点を通過しても曲げ戻し矯正をせず、同じ円弧のパスラインとすることで、スラブ鋳片を最下点以降上方に持ち上げ、溶湯ヘッドＨとなる点以降で水平に未凝固矯正するものとした。

バルジング変形量は、非特許文献（岡村一男、第４１期第４回高温強度部門委員会講演会資料、日本材料学会、１９９３年１月）に基づく、有限要素法計算の回帰式である下記数式１で計算した。

前記数式１において、δはバルジング量（mm）、εはバルジング圧下歪（％）、Ｄは凝固シェルの厚み（mm）、Ｐは溶鋼静圧（kgf／mm²）、Ｌはロールピッチ（m）、Ｗはスラブ鋳片の幅（m）、Ｔｓはスラブ鋳片の表面温度（℃）、Ｖｃは鋳造速度（m／min）である。関数Ｆ及びべき乗値のｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎについては下記表１に示す。

溶鋼静圧Ｐ（kgf／mm²）と溶湯ヘッドＨ（ｍ）の関係は、溶鋼密度をρとするとＰ＝ρＨとなる。溶鋼密度は、７０００kg／m³ とした。計算はしなかったが、バルジング量δと同様、凝固シェルの厚みＤの増加、溶鋼静圧Ｐの減少、ロールピッチＬの低減、スラブ鋳片の表面温度Ｔｓの低下により、バルジング圧下歪εも低減できることが前記数式１より分かる。

前記数式１において、他の条件は固定して、ロールピッチＬと溶鋼静圧Ｐ、すなわち溶湯ヘッドＨのみを変化させてその効果を計算した。計算において、中心固相率が零を超えて、溶湯ヘッドＨとなる凝固シェルの厚みＤは１００mm、スラブ鋳片の表面温度Ｔｓは１０００℃と一律に設定した。

なお、実際の連続鋳造機において、中心固相率が零を超えた時点での凝固シェルの厚みＤとスラブ鋳片の表面温度Ｔｓは、鋳造速度Ｖｃ、鋳片冷却条件を変更することで自由に設定することができる。

図２、図３に、溶湯ヘッドＨとロールピッチＬを変更した場合の、バルジング量の基本条件とのバルジング量の比率を示した。図２の基本条件は、溶湯ヘッドＨを１３．５m、ロールピッチＬを４３０mmとした。図３の基本条件は、溶湯ヘッドＨを１３．５m、ロールピッチＬを３００mmとした。

図２において溶湯ヘッドＨを１３．５mから１０m、８mと低減することにより、バルジング量は元の基本条件より、約４０％〜約２０％まで小さくなった。さらにロールピッチＬを４３０mmから３００mmとすることにより、元の基本条件の１０％以下の値となった。

現状の連続鋳造機ではロールピッチＬは３００mm前後が主流であるが、さらに溶湯ヘッドＨを低減することから、小径のロール設計が可能となりロールピッチＬを３００mm以下に設計することも容易になる。

図３はロールピッチＬを３００mmとしたものをベースとして、溶湯ヘッドＨの低減とともに、さらにロールピッチＬを極限まで下げた場合の計算結果である。溶湯ヘッドＨを１３．５mから１０m、８mと低減することにより、バルジング量は元の基本条件より、約４０％〜約２０％まで小さくなる。

とりうるロールピッチＬの下限は、ロールの小径化の限界から約２２０mmと考えられるが、そこまで低減した場合、ロール間バルジング量はロールピッチＬが３００mmの基本条件に対しても数％のレベルとなり、現状レベルの溶湯ヘッドＬ（１３．５m）で、３００mm以上のロールピッチＬから換算すると、実質的なバルジング量はほぼ零になると言って良い。

以上説明したように、本発明方法を適用することにより、ロール間バルジング量を著しく低減することができ、その結果、鋳片欠陥である内部割れの防止、中心偏析の低減に多大な寄与を与えることは明白である。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

以上の本発明は、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼の何れの溶鋼を連続鋳造する際にも有効である。

Claims

円弧部を有する連続鋳造機を用いてスラブ鋳片を連続鋳造する方法であって、
未凝固部を含むスラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置を、鋳造パスラインの最下点の位置よりも鋳造方向下流側となるようにし、
かつ、該スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置よりも鋳造方向の下流側の該スラブ鋳片の鉛直方向の高さを、鋳造パスラインの最下点よりも高く配置し、
さらに、少なくとも該スラブ鋳片の中心固相率が零を超える鋳造方向の位置から、該スラブ鋳片が完全凝固する鋳造方向の位置までの範囲に配置されたガイドロールのロールピッチを３００mm以下とすることで、
溶鋼静圧を減じてロール間バルジングを抑制することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。