JP2011050994A

JP2011050994A - 連続鋳造機の鋳片保持ロール

Info

Publication number: JP2011050994A
Application number: JP2009203206A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yamada; 昌広山田; Akira Okada; 章岡田; Atsuyuki Morita; 篤幸森田; Hiroo Une; 啓雄畝
Original assignee: Nippon Steel Corp; Tokushu Denkyoku Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Tokuden Co Ltd Hyogo
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: JP5306120B2

Abstract

【課題】硫黄による腐食に対する耐性に優れ、従来品よりも使用寿命が長く、折損事故を生じにくい連続鋳造機の鋳片保持ロールを提供する。
【解決手段】連続鋳造機のモールド直下の垂直部に配置される鋳片保持ロールのロール本体の外周面に、非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼よりなる肉盛層を形成し、硫黄成分による亀裂発生を抑制した。非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼としては、Ｎｉ：１．５〜２．５％、Ｃｒ：１５〜１７％、Ｃｕ：０．６〜１．０％を含有する組成が好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は連続鋳造機の鋳片保持ロールに関するものであり、特に連続鋳造機のモールド直下の垂直部に配置される鋳片保持ロールに関するものである。

周知のように、連続鋳造機はモールドにより所定形状に成形された鋳片を多数の鋳片保持ロールによって保持して下方に移動させながら、徐々に冷却硬化させて行く設備である。モールドは高温の溶湯との接触により次第に摩耗し、１５００〜１８００チャージ毎に交換している。また鋳片保持ロールも高温の鋳片との接触により次第に摩耗したり肌荒れが進行したりし、特にモールド直下の垂直部に配置された鋳片保持ロールはモールド寿命よりも短い数百チャージで交換を必要とするケースがある。鋳片保持ロールは本数が多いためにその交換作業には多くの手数と作業時間が必要となる。このためモールド寿命と同等の寿命を持つ鋳片保持ロールが開発できれば、モールド交換時に同時に鋳片保持ロールの交換をすればよく、さらにモールド寿命の整数倍の寿命を持つ鋳片保持ロールが開発できれば、数回はモールド交換を行うのみでよいこととなるため、連続鋳造機の稼働率を向上させることが可能となる。

そこで従来から鋳片保持ロールの耐摩耗性を向上させるために、鋼材からなるロール本体の外周面に耐摩耗性の肉盛層を形成することが行われてきた。その代表例は特許文献１に示されるように、鋼材からなるロール本体の外周面に、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼よりなる肉盛層を形成したものである。この特許文献１の鋳片保持ロールは、３〜５％（質量％、以下本明細書において同じ）のＣｕを含有させることによりＣｕを含む析出物をステンレス組織中に分散させ、肉盛層の耐摩耗性を向上させたものである。

しかし本発明者が鋳片保持ロールの使用寿命について研究したところによれば、鋳片保持ロールの表面の耐摩耗性とその使用寿命とはかならずしも一致せず、耐摩耗性を高めると却って折損事故の発生頻度が高まる傾向にある。その原因は、次の通りと推定される。

すなわち、摩耗が進行した鋳片保持ロールの表面状態を詳細に観察すると、従来考えられていたような単純な摩耗ではなく、微細な粒内貫通腐食が発生しており、その結果として無数の肌荒れ亀裂が生じ、表面層が損傷されている。さらにこの粒内貫通腐食の断面をＥＰＭＡにより観察したところ、その内部に硫黄成分が存在している。この事実から、特にモールド直下の垂直部に配置される鋳片保持ロールにおいては、モールドパウダーや冷却水中の硫黄成分がロール表面を腐食させ、これが表面層を損傷させていると考えられる。

また現場におけるメンテナンスの観点からは、摩耗量は日常的に測定可能であるが、微細な亀裂は観察不能である。そしてこの亀裂が肉盛層を貫通してロール本体に達すると急速に亀裂が進展して折損事故に至ることがある。従ってメンテナンスの観点からは、使用寿命が亀裂によるのではなく、摩耗によって決定される性状であることが好ましい。このため例えば析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼よりなる肉盛層は寿命がロールの亀裂発生によって決まるため、好ましくない。さらにコスト的な観点からは、肉盛層の形成に多くのコストを要しないことが望まれる。

特開２００２−２６６０５６号公報

本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、硫黄による腐食に対する耐性に優れ、従来品よりも使用寿命がはるかに長く、しかも折損事故を生じにくい連続鋳造機の鋳片保持ロールを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、連続鋳造機のモールド直下の垂直部に配置される鋳片保持ロールであって、鋼材からなるロール本体の外周面に、非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼よりなる肉盛層を形成し、硫黄成分による亀裂発生を抑制したことを特徴とするものである。

本発明においては、非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が、
Ｃ：０．１０〜０．２０％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｎｉ：１．５〜２．５％、
Ｃｒ：１５〜１７％、
Ｃｕ：０．６〜１．０％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有するものであることが好ましい。

また請求項３に記載のように、非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が、
Ｎｂ：０．２〜０．５％、
Ｍｏ：０．８〜１．２％、
Ｃｏ：０．８〜１．２％の何れか１種または２種以上の成分をさらに含有した組成を有するものとすることができる。

さらに請求項４に記載のように、肉盛層をロール本体の外周面に中間を介在させることなく直接形成したものとすることが好ましい。

本発明の鋳片保持ロールは、鋼材からなるロール本体の外周面に、非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼よりなる肉盛層を形成したものであり、この非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は耐食性に優れ、硫黄成分による亀裂発生を抑制する効果が大きい。このため後述する実施例のデータに示すように、使用寿命を従来品の数倍に延ばすことができるとともに、折損事故が生じにくくなる。

また請求項２に記載の組成を有する非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を用いれば、Ｃｒ：１３％、Ｎｉ：２％を含有する通常のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐摩耗性を向上させることができるうえ、肉盛層をロール本体の外周面に中間を介在させることなく直接形成した場合にも、肉盛層中のＣｒの含有率を１２％以上に維持することができ、いわゆる一層盛りが可能となるのでコスト的にも有利である。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。
鋳片保持ロールの耐摩耗性を向上させるための肉盛層の材質としては、ステンレス鋼が一般的である。ステンレス鋼はマルテンサイト系とオーステナイト系とに大別され、耐腐
食性の点ではＣｒ含有率の高いオーステナイト系ステンレス鋼が有利である。しかし鋳片保持ロールは鋳片に接触する表面は加熱されるが、ロール回転により鋳片から離れると放冷されるため、熱膨張と熱収縮とが繰り返される。特にモールド直下の垂直部に配置される鋳片保持ロールにおいては、その温度変化幅は約３００℃に達する。このとき、ロール本体と肉盛層との間の線膨張係数が一致していることが好ましく、その差が大きいと熱応力による亀裂が発生し易くなる。

マルテンサイト系ステンレス鋼の線膨張係数は１０．４×１０^−６／℃であって、ロール本体を構成する炭素鋼（Ｓ３５Ｃ）の線膨張係数１１．５×１０^−６／℃に近似している。これに対してオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は１７．３×１０^−６／℃であってロール本体との差が大きい。従ってオーステナイト系ステンレス鋼は熱応力による亀裂発生の危険性が大きいため、本発明ではマルテンサイト系を選択した。

またステンレス鋼が不動態皮膜を安定して形成することにより耐食性を発揮するには、Ｃｒ含有率が１２％以上であることが必要といわれている。しかし鋳片保持ロールの場合には肉盛層中のＣｒが高温条件下において母材の炭素鋼中に移動し、肉盛層中のＣｒ含有率は３％程度減少するおそれがある。従ってＣｒ：１３％、Ｎｉ：２％を含有する通常のマルテンサイト系ステンレス鋼では、Ｃｒ含有率が１０％程度まで低下してしまい、十分な耐食性を確保することができない。そこで本発明ではＣｒ含有率を１５〜１７％に高めたマルテンサイト系ステンレス鋼を採用し、Ｃｒ含有率を１２％以上に維持することによってこの問題を解決した。

なお、上記した肉盛層とロール本体との膨張係数の差の問題、肉盛層からロール本体へのＣｒの移動の問題は、いずれも肉盛層とロール本体との間に複数の中間層を形成することによって、ある程度の解決が可能である。しかしそのためには肉盛作業に多くの時間とコストがかかることとなるため、本発明においてはステンレス鋼の材質を検討することによってこれらの問題を解決し、肉盛層をロール本体の外周面に中間を介在させることなく直接形成することができるようにした。

本発明において肉盛層として用いられる非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、
Ｃ：０．１０〜０．２０％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｎｉ：１．５〜２．５％、
Ｃｒ：１５〜１７％、
Ｃｕ：０．６〜１．０％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有するものであることが好ましい。
また選択元素として、
Ｎｂ：０．２〜０．５％、
Ｍｏ：０．８〜１．２％、
Ｃｏ：０．８〜１．２％の何れか１種または２種以上の成分をさらに含有した組成を有するものとすることができる。以下に各成分の数値限定の理由を説明する。

Ｃは強度と耐摩耗性（硬度）を確保するために必要な元素である。マルテンサイト化した際のスレンレス鋼の硬度はほぼ炭素含有率で決定され、Ｈｖ３５０程度の硬度を確保するためには０．１０％以上が必要となる。しかし炭素含有率が増えると炭化物の析出が過剰となってヒートクラックが発生し易くなるため、上限を０．２０％とした。

Ｓｉは脱酸剤として有効な成分であるが、１％を超えて添加しても脱酸効果が飽和するばかりではなく割れの原因ともなるため、１．０％以下とした。

Ｍｎはマルテンサイトを形成させる作用があり、強度を向上させる元素である。ただし１％を超えると高温での耐食性を低下させるため、１．０％以下とした。

Ｐは靭性を低下させる有害な元素であるため、その含有量は少ないほど好ましい。０．０３０％を超えると悪影響が顕著となるため、上限を０．０３０％とした。

Ｓも靭性を低下させる有害な元素であり、特に熱間脆性を引き起こすため、その含有量は少ないほど好ましい。０．０３０％を超えると悪影響が顕著となるため、上限を０．０３０％とした。

Ｎｉは均一なマルテンサイト組織を形成させ、硬度を損なわずに靭性を向上させるとともに、耐食性も向上させる重要な元素である。このためには含有率を１．５％以上とすることが必要である。しかしＮｉの添加量を増加させると、スレンレス鋼のＡｃ１変態点が低下して使用中の熱サイクルにより疲労亀裂が発生する。そこでＡｃ１変態点を７００℃以上とするために、その含有率の上限を２．５％とした。

Ｃｒは高温強度、耐摩耗性、耐食性を確保するために不可欠な元素である。ステンレス鋼が酸化クロムによる不動態皮膜を安定して形成することにより耐食性を発揮するには、前記したようにＣｒ含有率が１２％以上であることが必要である。しかし溶接による肉盛を中間層を介在させない一層施工とし、母材である炭素鋼と溶け合うことによる濃度低下が生じてもなお１２％以上を確保できるように、本発明ではＣｒ含有率の下限を１５％とした。しかし過剰に添加すると強度が低下するので、上限は１７％とした。

Ｃｕは鉄よりも酸化されにくく、酸化物の下に銅に富んだ層を形成し、腐食の進行を防ぐとともに高温強度を向上させる。このような効果を得るために少なくとも０．６％が必要である。しかし多量に添加すると析出物が増加して強度は向上するものの、靭性が低下してロールの損傷形態が摩耗から亀裂へ移行するため、その上限を１．０％とした。

以上に説明した必須元素のほかに、Ｎｂ、Ｍｏ，Ｃｏを選択元素として添加することができる。
Ｎｂは０．２％以上を添加すると炭化物形成によって強度を向上させる効果がある。しかし０．５％を超えて添加してもその効果は飽和するため、０．２〜０．５％の範囲が好ましい。

Moは高温に加熱された場合の結晶粒の粗大化を防止し、高温強度やクリープ強さを増大させ、またステンレスの耐食性を向上させる。これらの効果を得るためには０．８％以上の添加が好ましいが、１．２％を超えて添加してもコスト増加に見合う効果の向上が認められないので、０．８〜１．２％が好ましい。

Ｃｏは靭性と高温強度を向上させる。この効果を得るためには０．８％以上の添加が好ましいが、１．２％を超えて添加してもコスト増加に見合う効果の向上が認められないので、０．８〜１．２％が好ましい。

Ｃ：０．１５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：２.０％、Ｃｒ：１６％、Ｃｕ：０．８％、Ｍｏ：１.０％
、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する上記した非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を、S３５Cからなるロール本体の外周面に溶接肉盛した。具体的には、太さ５mmの溶接棒を用い、螺旋状に溶接を行った。この肉盛は中間層を介在させることなく、ロールの母材表面に直接行った。肉盛層の厚さは５〜６mmである。

得られたロールを連続鋳造機のモールド直下の垂直部に取り付け、実際の使用条件下において摩耗深さを測定した。１６５０チャージ使用後の摩耗深さは、肉盛層のないS３５Cからなるロールでは交換基準である２mmに達したが、本発明のロールでは０．５mmに過ぎず、摩耗量は１/４と大幅に減少した。推定寿命は４５００チャージである。なお、いずれのロールも表面の亀裂や剥離は検出されなかった。

比較のために、２２％Ｃｒ−９％Ｎｉ−３％Ｍｏを含有するオーステナイト系ステンレスを上記と同様に中間層を介在させることなく肉盛溶接したロールを作成し、実施例と同一条件下で使用した。このロールは、熱応力に起因する微細な亀裂が表面に発生し、１５００チャージで使用寿命（摩耗量２ｍｍ）に達した。

表１に示す成分組成であって、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成を有する１〜１０、及び１２〜１８の非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を、S３５Ｃからなるロール本体の外周面に溶接肉盛した。また、表１の比較例１１は、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を肉盛溶接した。得られたロールを連続鋳造機のモールド直下の垂直部（本発明例１〜１０、比較例１１〜１７）と湾曲部（比較例１８）に取り付けた。垂直部のロールは最大径２２５ｍｍであって、硫黄成分の影響の大きいモールド下端より４ｍの範囲に１５本取り付けた。実際の使用条件下で１６５０チャージ使用後のロール摩耗量を測定した。ここで測定結果であるロール摩耗量は、マイクロメータによるロール径の減少量である。

本発明例１〜１０は、１６５０チャージ使用後であっても摩耗量が０．４〜０．５ｍｍであり、ロール表面に亀裂や剥離は確認されなかった。比較例１１は、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を溶接肉盛しており、摩耗量は０．５ｍｍで良好であったがロール表面に微細な亀裂が確認された。比較例１２は多層盛を前提として肉盛材でありCr濃度が１３％であり、溶接施工後のCr濃度が１１％程度となるため、本発明例と比較して耐摩耗性が劣位であった。比較例１３は、耐食性を重視したオーステナイト系ステンレスである。腐食摩耗が支配的なモールド直下において耐摩耗性は非常に優秀であったが、使用直後から溶接ビードに亀裂が生じ、１６００チャージ使用後には剥離の発生が確認されたため、使用を中止した。比較例１４〜１６は、選択元素であるNb、Mo、Coの成分割合が微量であったため、摩耗量は２．０ｍｍに達した。比較例１７は、肉盛層の厚みが２．０ｍｍであったため、摩耗量は０．５ｍｍであったが、ロール表面に亀裂が確認された。比較例１８は、ロールを連続鋳造機の湾曲部に設置したが、湾曲部の鋳片からの圧力に対して硬度が不足し摩耗量が２．０ｍｍであった。

Claims

連続鋳造機のモールド直下の垂直部に配置される鋳片保持ロールであって、鋼材からなるロール本体の外周面に、非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼よりなる肉盛層を形成し、硫黄成分による亀裂発生を抑制したことを特徴とする連続鋳造機の鋳片保持ロール。
非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が、
Ｃ：０．１０〜０．２０％（質量％、以下同じ）、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｎｉ：１．５〜２．５％、
Ｃｒ：１５〜１７％、
Ｃｕ：０．６〜１．０％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有するものであることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造機の鋳片保持ロール。
非析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が、
Ｎｂ：０．２〜０．５％、
Ｍｏ：０．８〜１．２％、
Ｃｏ：０．８〜１．２％の何れか１種または２種以上の成分をさらに含有した組成を有するものであることを特徴とする請求項２記載の連続鋳造機の鋳片保持ロール。
肉盛層を、ロール本体の外周面に中間を介在させることなく直接形成したことを特徴とする請求項１記載の連続鋳造機の鋳片保持ロール。