JP2011251291A - 連続鋳造での２次冷却及び２次冷却設備 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉを含む鋼材の連続鋳造における表面割れをより確実に抑制可能な２次冷却の技術を提供する。
【解決手段】０．５質量％以上５．０質量％未満のＳｉを含む鋼材を鋳造する連続鋳造における２次冷却帯での鋳片の２次冷却の全部又は一部を、冷却ノズルからの水の噴射によって行う。上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ点よりも鋳片表面温度が高い状態となる冷却条件とし、且つＭＨＦ点が７００℃未満となるように上記噴射される水の平均液滴径及び平均水温の少なくとも一方を設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、連続鋳造設備における２次冷却の技術に係り、特にＳｉを含む鋼材を鋳造する際における２次冷却の技術に関する。

鋼材の連続鋳造設備は、溶鋼を固めて鋼材（スラブ）を連続的に製造する設備である。すなわち、連続鋳造設備は、溶鋼をモールド（鋳型）に押し込むタンディッシュ、溶鋼を初期凝固させるモールド、その後、徐々に冷却しながら鋼材を中心まで固めていく２次冷却帯を備える。
ここで、近年自動車などの軽量化に伴い、Ｓｉを含む高張力材の需要が高まっている。また、ハイブリット自動車の需要増加にともなう珪素鋼の生産も拡大しつつある。しかしＳｉを含む鋼材の鋳造は、２次冷却によって温度ムラが発生しやすく、表面割れ等の欠陥を多発する原因となる。すなわち温度ムラが発生して過冷却が発生すると、図１に示すように、スラブ表面割れが発生する原因となる。このように、Ｓｉを含む鋼材の鋳造には、歩留まりが悪い、鋳造速度を増加できない等の問題がある。

これらＳｉを含む鋼材を鋳造し２次冷却する際の表面割れ防止方法としては、２次冷却帯を緩冷却化する方法（非特許技術１参照）や、鋳片の表面から１０ｍｍ以内の鋳片表層部の凝固時の冷却速度を１℃／秒以上になるように冷却すると共に表面温度を６００℃以上に保持する方法（特許文献１参照）等が提案されている。

特開昭６３−１１５６５７号公報 特開平７−９１９１号公報 特開平９−２２５５９９号公報

鉄と鋼 ６６（１９８０）Ｓ７４３

本発明者らのこれまでの研究の結果によれば、Ｓｉを含む鋳片を２次冷却すると鋳片表面で温度ムラ（過冷却）が発生するのは、鋳片表面にＳｉＯ₂等のＳｉ酸化物が生成し、そのＳｉ酸化物が水との濡れ性（親和性）が良いためであることを突き止めた。
通常、鉄や鋼の連続鋳造機の２次冷却は、冷却が安定している膜沸騰領域で冷却するようにしている。しかし、冷却後、蒸発しきれずに残っている２次冷却水の滞留水が図２に示すＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点を下回り、膜沸騰領域から遷移沸騰領域に突入すると、遷移沸騰下にあっては表面温度が下がると冷却能力（熱流束）が上がることで過冷却が止められなくなる。これが上記温度ムラ発生の原理である。

このため、ＭＨＦ点以上で冷却するのが良いのであるが、Ｓｉを含む鋳片を通常の方法で２次冷却を行うと、上述のように生成したＳｉ酸化物の濡れ性が良いために、ＭＨＦ点温度が上昇する。すなわち、通常５００〜７００℃ぐらいのＭＨＦ点が、Ｓｉ酸化物が存在すると７００〜１０００℃程度までＭＨＦ点が上昇する。

上記非特許文献の技術は、Ｓｉ−Ｍｎ系鋳片に対して緩冷却をして表面割れの発生を防ぐものであるが、Ｓｉ酸化物が生成した鋳片表面には多少の緩冷却を行ってもＭＨＦ点はあまり下がらない。そのため、温度ムラの発生を防ぐことは困難である。

また、上記特許文献１の技術は、鋳片表面から１０ｍｍ以内の鋳片表層部の凝固時の冷却速度を１℃／秒以上になるように冷却すると共に表面温度を６００℃以上に保持する方法であるが、そもそもＳｉ酸化物がある鋳片では通常の２次冷却ではＭＨＦ点が７００℃以上になるので、遷移沸騰領域での冷却となって温度ムラの発生を防ぐことはできない。
ここで、冷却ノズルの液滴径に関して、例えば特許文献２及び３に開示がある。

特許文献２には、１００μｍ以上の液滴径で２次冷却することが開示されている。しかし、特許文献２は、過冷却を防止するためにミスト冷却の液滴径を大きくし、冷却能力を上げるために液滴径が小さくする発想の技術である。すなわち、特許文献２では、冷却能力を上げるために液滴径を小さくする発想のものであり、本発明のようにＭＨＦ点を下げるために液滴径を小さくするといった発想は記載も示唆も無い。また、鋳片表面にＳｉＯ₂等のＳｉ酸化物を有する鋳片表面を２次冷却にする点についてなんら記載がない。

また特許文献３には、１０μｍの液滴径でトップ部（最終鋳込部）を冷却することが記載されている。このとき、トップ部で、冷却を一時的に強くするために気水比を１００〜３００の範囲に上げているが、液滴径は５０μｍ以下になると空気抵抗によって浮遊（霧状態）となるため、実用的でない。また、特許文献５にあっても、過冷却がＭＨＦ点を下回ることで発生する点、及び鋳片表面にＳｉＯ₂等のＳｉ酸化物を有する鋳片表面を２次冷却にする点についてなんら記載も示唆も無い。

以上のように、引用文献２及び３には、過冷却を抑えるために、ＭＨＦ点を越える表面温度となるように２次冷却を制御するといった発想が開示されていない。また、鋳片表面にＳｉＯ₂等のＳｉ酸化物を有するか否かについても考慮されていない。
本発明は、上記のような点に着目したもので、Ｓｉを含む鋼材の連続鋳造における表面割れをより確実に抑制可能な２次冷却の技術を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、０．５質量％以上５．０質量％未満のＳｉを含む鋼材を鋳造する連続鋳造における２次冷却帯での鋳片の２次冷却の全部又は一部を、冷却ノズルからの水の噴射によって行い、
上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となる冷却条件とし、且つＭＨＦ点が７００℃未満となるように上記噴射される水の平均液滴径及び平均水温の少なくとも一方を設定することを特徴とする連続鋳造での２次冷却方法を提供するものである。

次に、請求項２に記載の発明は、上記冷却ノズルから噴射される水の平均液滴径を１５０μｍ以下に設定することで、上記ＭＨＦ点を７００℃未満に制御することを特徴とするものである。
次に、請求項３に記載の発明は、上記冷却ノズルから噴射される水の平均温度を６０℃以上に設定することで、上記ＭＨＦ点を７００℃未満に制御することを特徴とするものである。

次に、請求項４に記載の発明は、０．５質量％以上５．０質量％未満のＳｉを含む鋼材を鋳造する連続鋳造における２次冷却帯の全部又は一部に、冷却ノズルを配置し、
上記冷却ノズルからの水の噴射による鋳片の冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となる冷却条件とし、且つＭＨＦ点が７００℃未満となるように上記噴射される水の平均液滴径を１５０μｍ以下に設定、及び平均水温を６０℃以上に設定の少なくとも一方の設定で行うことを特徴とする連続鋳造での２次冷却設備を提供するものである。

発明者らは、種々の実験その他によって、Ｓｉを含む鋳片を２次冷却する際に、噴射される水の平均液滴径及び平均水温の少なくとも一方を制御することで、ＭＨＦ点の上昇を７００℃未満に抑えることが可能であることを突き止めた。
そして、本発明によれば、ＭＨＦ点を７００℃未満に抑え、鋳片表面温度を７００℃以上に維持するように調整することで、確実に膜沸点領域での冷却が可能となる。

鋳片の冷却ムラとその部分が表面割れとなることの説明図である。 ＭＨＦ点と温度ムラ発生を説明するための概念図である。 液滴径と水温とによるＭＨＦ点への影響を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る連続鋳造設備を説明する図である。 実施例１を説明する図である。 実施例２を説明する図である。

次に、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
図４に、鋼材の連続鋳造設備の構成図を示す。
連続鋳造設備は、図４に示すように、溶鋼をモールド６に押し込むタンディッシュ１、溶鋼を初期凝固させるモールド６、徐々に冷却しながら鋳片２を案内する複数のサポートロール３、及び移動トーチカッター５を備える。また。隣り合うサポートロール３の間には２次冷却用の冷却ノズル４が挿入されている。図４では、２次冷却帯を第１〜第４ゾーンに区画する場合を例示している。

本実施形態では、溶鋼中に０．５質量％以上５．０質量％未満のＳｉを含む鋼材を連続鋳造する場合の例である。
本実施形態では、上記各冷却ノズル４として、通常の冷却ノズルよりも液滴径が微小なミストスプレーノズルなどの冷却ノズルを採用し、その冷却ノズルから噴射する水の平均液滴径が１５０μｍ以下となるように設定する。

若しくは、各冷却ノズルから噴射する水の平均温度を６０℃以上に設定する。この場合には、必ずしも噴射する水の平均液滴径が１５０μｍ以下に設定する必要はない。
このようにすることで、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ点を７００℃未満となるに設定することが出来る。
さらに、そのＭＨＦ点よりも鋳片表面温度が高い状態、例えば鋳片表面温度が７００℃以上の冷却条件となるように、鋳込み速度や溶鋼の温度等に基づき、鋳片表面に噴射する水量を調整する。

上述したようにＳｉ酸化物が生成するとＭＨＦ点が上昇するため、通常の冷却を行うと、冷却中にＭＨＦ点を下回り、温度ムラ（過冷却）が発生しやすくなる。その温度ムラと表面ひび割れに密接な関係があることから、常に２次冷却においてはＭＨＦ点以上で冷却することが望ましい。

そこで本発明者らはミストスプレーノズルや通常の冷却ノズルから噴射される液滴径に注目した。検討の結果、通常のスプレーノズルよりも液滴径が微小な冷却ノズルで冷却すると、Ｓｉ酸化物スケールが存在しても、通常の液滴径の冷却ノズルよりもＭＨＦ点を低くできることがわかった（図３参照）。一般的な冷却用スプレーノズルは平均液滴径が３００μｍ以上であり、図３に示すように鉄酸化物系の表面では水温２７℃でＭＨＦ点は約５５０℃付近にあるのに対し、Ｓｉ酸化物上では７２０℃以上となる。

これに対して、平均液滴径が１５０μｍの冷却ノズルを用いるとＭＨＦ点を約６５０℃まで下げることができる。ＭＨＦ点を７００℃未満にすれば、鋳造速度が遅くても製造は可能なので、上述のように２次冷却を行うことで、Ｓｉを含む鋳片を２次冷却する際にＭＨＦ点の上昇を７００℃未満に抑えることが可能となる。

また、図３から分かるように、通常の冷却ノズルであってもＳｉ酸化物上で水温が６０℃であれば、ＭＨＦ点を７００℃以下とすることができるので、上述のように２次冷却を行うことで、Ｓｉを含む鋳片を２次冷却する際にＭＨＦ点の上昇を７００℃未満に抑えることが可能となる。

そして、ＭＨＦ点を７００℃未満に抑えることで、鋳片表面温度を７００℃以上に維持するように冷却条件を調整することで、確実に膜沸点領域での冷却が可能となる。
この結果、Ｓｉを含む鋼材の連続鋳造における表面割れをより確実に抑制可能な２次冷却の技術を提供することが可能となる。

「実施例１」
上記実施形態で説明した連続鋳造設備を使用した本発明の実施例１を説明する。
上記連続鋳造設備として、長さ４５ｍ、幅２ｍの鋳片を鋳造できる連続鋳造設備を使用した。そして、モールド６より下流の２次冷却帯に、平均液滴径が３３０μｍの通常冷却ノズルと本発明の平均滴滴径が１５０μｍの微小液滴冷却ノズルとを切り替えて使用できるように配置した。

ここで、冷却ノズルから噴射される噴射中の液体の液滴径は、移動ドップラ法（ＰＤＡ：Ｐｈａｓｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ）により調査した。平均液滴径は、ザウダー平均径（Ｄ３２）で、測定は各条件で５回行い、その平均値を用いた。なお、厳密には、計測した液滴の体積の総和と表面積の総和の比（Ｄ３２＝Σ（ｎ_i・ｄ_i ³）／Σ（ｎ_i・ｄ_i ²）、ｎ_iは粒子数、ｄ_iは直径）をザウダー平均径と呼ぶ。他の実施例でも同様である。

そして、まず、Ｓｉが０．１質量％未満で幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍの一般鋼を鋳造速度１．５ｍｐｍにおいて、平均液滴径が３３０μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を行った。図５に示す温度分布のように、温度偏差約４０℃以内で均一な２次冷却を実施できた。

次にＳｉが３．０質量％以上含む珪素鋼を幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍの一般鋼を鋳造速度１．２ｍｐｍにおいて、平均液滴径が３３０μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を行った。この場合には、図５に示すように、温度偏差２００℃以上の温度ムラが発生した。この鋳片は鋳造後、温度が低い部分に表面割れが生じ、次工程で使用することができなかった。

次に、本発明に基づき、Ｓｉが３．０質量％以上含む珪素鋼を幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍの一般鋼を鋳造速度１．２ｍｐｍ、平均液滴径が１５０μｍの微小液滴の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を行ったところ、図５に示すように、温度偏差は約５０℃以内で鋳造を行うことができた。鋳造後も表面割れ等の欠陥は生じなかった。
以上のように、鋳造速度を１．２ｍｐｍと高くしても、本発明に基づく場合には、温度偏差を小さく抑えることが出来て、鋳造後も表面割れ等の欠陥は生じなかった。

「実施例２」
実施例１と同じ連続鋳造設備を使用した、そして、モールド６より下流の２次冷却帯に、平均液滴径が３３０μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で通常水温２７℃なのに対し、途中から温水管を配置して、水温６０℃で切り替えて噴射できるようにした。すなわち、噴射する水の温度を変えて連続鋳造を実施してみた。

まず、Ｓｉが０．１質量％未満で幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍの一般鋼を鋳造速度１．５ｍｐｍにおいて、平均液滴径が３３０μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を行った。この場合、図６に示す温度分布のように、温度偏差約４０℃以内で均一な２次冷却を実施できた。

次にＳｉが３．０％以上含む珪素鋼を幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍの一般鋼を鋳造速度１．２ｍｐｍにおいて、平均液滴径が３３０μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を行ったところ、図６に示すように、温度偏差２００℃以上の温度ムラが発生した。この鋳片は鋳造後、温度が低い部分に表面割れが生じ、次工程で使用することができなかった。

次に、本発明に基づき、Ｓｉが３．０質量％以上含む珪素鋼を幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍの一般鋼を鋳造速度１．２ｍｐｍ、平均液滴径が３３０μｍの冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は６０℃以上で鋳造を行ったところ、図６に示すように、温度偏差は約５０℃以内で鋳造を行うことができた。鋳造後も表面割れ等の欠陥は生じなかった。

以上のように、鋳造速度を１．２ｍｐｍと高くしても、本発明に基づく場合には、温度偏差を小さく抑えることが出来て、鋳造後も表面割れ等の欠陥は生じなかった。
以上のことから明らかなように、１５０μｍ以下の微小液滴冷却ノズルで２次冷却行うことにより、また、１５０μｍを超える通常の冷却ノズルによる冷却の場合は２次冷却水に６０℃以上の冷却水を給水することにより、過冷却の発生を抑制することができ、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる。
また、高速鋳造が可能となるので、鋳片の増産が可能となり、また低コスト化にも寄与する。

ここで、上述の本発明に基づく連続鋳造において、鋳造速度１．２ｍｐｍよりも高くしても過冷却の発生を抑制することができ、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができることを確認している。

１ タンディッシュ
２ 鋳片
３ サポートロール
４ 冷却ノズル
５ 移動トーチカッター
６ モールド

Claims (4)

1. ０．５質量％以上５．０質量％未満のＳｉを含む鋼材を鋳造する連続鋳造における２次冷却帯での鋳片の２次冷却の全部又は一部を、冷却ノズルからの水の噴射によって行い、
   上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となる冷却条件とし、且つＭＨＦ点が７００℃未満となるように上記噴射される水の平均液滴径及び平均水温の少なくとも一方を設定することを特徴とする連続鋳造での２次冷却方法。
2. 上記冷却ノズルから噴射される水の平均液滴径を１５０μｍ以下に設定することで、上記ＭＨＦ点を７００℃未満に制御することを特徴とする請求項１に記載した連続鋳造での２次冷却方法。
3. 上記冷却ノズルから噴射される水の平均温度を６０℃以上に設定することで、上記ＭＨＦ点を７００℃未満に制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した連続鋳造での２次冷却方法。
4. ０．５質量％以上５．０質量％未満のＳｉを含む鋼材を鋳造する連続鋳造における２次冷却帯の全部又は一部に、冷却ノズルを配置し、
   上記冷却ノズルからの水の噴射による鋳片の冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となる冷却条件とし、且つＭＨＦ点が７００℃未満となるように上記噴射される水の平均液滴径を１５０μｍ以下に設定、及び平均水温を６０℃以上に設定の少なくとも一方の設定で行うことを特徴とする連続鋳造での２次冷却設備。

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