JP2018069324A - 鋼の連続鋳造用鋳型装置及びそれを用いた表層改質鋳片の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２本の浸漬ノズルによって表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造するに際し、鋳片厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造を用い、表面割れ発生を回避するとともに、表層厚比率が高い表層と内層の成分組成が異なる鋳片を製造する。【解決手段】鋳型の上端から下記（ｉ）式を満たす距離Ｌの位置に直流磁場発生装置の下端を配置し、鋳型上端から１００ｍｍ位置における鋳型開口部は、幅中央部に厚みがＴM、幅がＷTの厚み拡大部を有し、鋳型上端から距離Ｌの位置における鋳型開口部は、幅中央部に厚みがＴINの厚み拡大部を有し、下端の鋳型開口部は幅Ｗ、厚みＴの矩形であり、下記（ii）〜（ｖ）式を満足する鋳型を用いて鋳造を行う。４００ｍｍ ≦ Ｌ≦ ８００ｍｍ （ｉ）２０ｍｍ≦（ＴIN−Ｔ） （ii）１／３ ≦ＷT／Ｗ ≦ ２／３ （iii）（ＴM−Ｔ）／Ｗ≦０．０８ （iv）ＴIN＜ＴM（ｖ）【選択図】図２

Description

本発明は、表層改質鋳片を製造するに際し、その製造に適した鋼の連続鋳造用鋳型装置及びそれを用いた表層改質鋳片の製造方法に関するものである。

表層と内層の成分組成が異なる複層状の鋳片を製造する試みは古くから行われている。例えば、鋳片の表層のみ改質する方法として、連続鋳造用パウダーに何某かの元素を含有させ連続的に供給する、あるいは、パウダー層の上方から連続的にパウダーと反応しにくい金属粉あるいは金属粒を供給する方法としては、例えば、特許文献１があげられる。本方法では、合金元素を含有させた連続鋳造用パウダーを用い、連続鋳造鋳型内の上部に電磁攪拌装置を設置して鋳型内上部溶鋼の水平断面内で合金元素を溶解・混合する攪拌流を形成し、その下方に幅方向に直流磁場を鋳片の厚み方向に印加して溶鋼中に直流磁場帯を形成し、かつ、その直流磁場帯の下方に浸漬ノズルにより溶鋼を供給して鋳造することで、合金元素の鋳片表層部の濃度が内層に比べて高い複層状の鋳片を製造する方法である。さらに、この方法はメニスカスから合金を添加するため、メニスカス近傍で最も濃度が高く、直流磁場帯で区分された上部溶鋼プール内で濃度を連続的に変化させる方法であって、内層に比べて合金元素の濃度が高い表層部の厚みを薄くすることができる方法である。しかしながら、鋳型内では上部にパウダー層が存在し、かつ周囲から冷却され、さらに矩形断面形状となるため、強力な攪拌を行うことができず、濃度の均一化が図りにくく鋳片周方向での濃度が不均一となることに加えて表層厚みの制御が不十分であった。また、ストランド上部と下部に供給する溶鋼量を独立に制御しないため、上下プール間での溶鋼混合が避けられず、分離度の高い鋳片を製造しにくいという課題があった。

また、特許文献２には、長さの異なる二本の浸漬ノズルを鋳型内にある溶融金属のプールに挿入し、それぞれの吐出口を深さが異なる位置に設け、さらに異種の溶融金属間に直流磁場を利用して両金属の混合を防止しながら複層鋳片を製造する方法が開示されている。

特許文献３には、特許文献２に記載の方法と同様の複層鋳片の連続鋳造方法において、鋳型以後の連続鋳造機内に設置された鋳片を厚み方向に圧下せしめる装置を用いて未凝固鋳片を圧下することにより、組成の異なる２種の金属の相対的な厚み比を調節する発明が開示されている。これによって、クラッド比の異なる複合金属材を工業的に安価かつ効率良く得ることができる。特許文献３に記載のものは、鋳型内メニスカスより４５０〜７００ｍｍ下方に直流磁場帯を設け、直流磁束密度を０．５テスラとしている。

一方、非特許文献１に記載のように、スラブ厚が４０〜１００ｍｍの薄スラブ（薄鋳片）を鋳造する薄スラブ連続鋳造方法が知られている。鋳造された薄スラブは、加熱された後、４段から７段程度の小規模な圧延機で圧延される。

薄スラブ鋳造に用いる連続鋳造鋳型としては、漏斗状鋳型を用いる方法と矩形の平行鋳型を用いる方法が採用されている。漏斗状鋳型は、鋳型下端部の開口部（溶鋼と凝固シェルが充填される部分）については矩形とし、鋳型メニスカス部の開口部については、短辺部の開口幅は鋳型下端部の短辺幅と同一としつつ、浸漬ノズルが挿入される部分の開口幅を拡げ、浸漬ノズルの下端よりも下方において開口部表面形状が徐々に狭くなる漏斗状に形成した形状の鋳型である。漏斗状鋳型を用いることにより、鋳造する鋳片の短辺幅をさらに低減することができ、あるいは浸漬ノズルの外径を大きくすることができる。

また、鋳型より下方のロール帯において鋳片の内部が未凝固状態でロールによって鋳片を圧下し、鋳片厚みを低減する未凝固圧下法が適用される。未凝固圧下で鋳片厚みを４０ｍｍ圧下することにより、鋳型部において１００ｍｍであった鋳片厚みを、圧下後に６０ｍｍの薄スラブとすることができる。

薄スラブ連続鋳造における未凝固圧下装置として、特許文献４には、未凝固領域において鋳片をサポートするロールのうち、鋳造方向に並ぶ６対程度のロールのロール間隔を鋳造方向で順次狭めることにより、厚さ９０ｍｍの鋳型で鋳造した鋳片を圧下して５０ｍｍの薄スラブとする装置が開示されている。

薄スラブの連続鋳造では、高速鋳造によって生産性を確保することが必要であり、工業的には５〜６ｍ／分、最高では１０ｍ／分の高速鋳造が可能となっている（非特許文献１参照）。このような高速鋳造においては、鋳片表面の縦割れが問題となる。特に、亜包晶鋼と呼ばれる成分組成（例えばＣ含有量が０．１％前後の鋼）においては縦割れが発生しやすいため、薄スラブ連続鋳造機の場合には通常鋳造対象に入れていない場合が多い。鋳造する場合には、特別なモールドフラックスを使用することが必要であるとされる（非特許文献１参照）。
但し、後述するように、表層改質鋳片の製造に際しては、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下で連続鋳造を行う薄スラブ鋳造によることが好都合であり、その実施のためには鋳型形状に工夫を要するが、そのような着想が公開されたことは未だ無い。また、薄スラブの連続鋳造における亜包晶鋼の鋳片表面の縦割れ問題は、表層改質鋳片として製造することで解決できるが、そのような着想も公開されたことはない。

特開平８−２９０２３６号公報 特開昭６３−１０８９４７号公報 特開平５−６９０８８号公報 特開２００２−１６００４８号公報

第５版鉄鋼便覧 第１巻製銑・製鋼 第４５４〜４５６頁

まず、表層改質鋳片を製造するに際し、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下で連続鋳造を行う薄スラブ鋳造を適用する意義について説明する。表層改質鋳片とは、表層部と内層部の品質、特に成分組成が異なる鋳片を意味する。

内層部と比べて表層部の濃度が高い鋳片を鋳造することができ、かつ、その表層厚みを自由に制御することができればその用途は様々なものが考えられる。

例えば、表層部の機能特性が鋼材の機能特性に影響を及ぼすには、表層厚の鋳片全厚に対する比率として少なくとも１０％以上は必要である。一例として、内層Ｃ濃度０．１％に対して表層Ｃ濃度を０．５％に高くした表層部の厚さを鋼材全厚に対して１０％以上とすることができれば、表層硬度を高くすることができ、耐摩耗性、摩擦係数等の特性を高めることができる。ＮｉやＣｕを表層のみ高くすることができれば耐食性を高めることができる。このように表層部濃度が内層に比べて高く、かつ鋳片全厚に対して表層厚みを１０％以上に確保することができれば、内層部の鋼材特性と表層部の鋼材特性を兼ね備えた複合鋼材を提供することができる。

薄スラブの連続鋳造においては、前述のように鋳造速度が５〜６ｍ／分ときわめて高速である。そのため、表層溶鋼と内層溶鋼との境界位置が鋳型内メニスカスから０．２ｍであったとすると表層厚みは５ｍｍ程度となる。
加えて、薄スラブ鋳造においては、鋳型直下においてメニスカスから５ｍ程度下方において、その領域で未凝固部分を圧下し鋳片全体の厚みを薄肉化する。メニスカス下５ｍにおいて、鋳片全厚を１００ｍｍから５０ｍｍまで圧下することで表層厚が５ｍｍの条件であったとしても表層厚比率は１０％確保することができる。この条件は表層のＣ濃度を高め耐摩耗性や摩擦係数を増加させることや表層のＮｉ濃度を高め耐食性を向上させることが可能となる等、鋼材の表面に新たな特性を付与した鋼材製造を行う上で好適な条件となる。
また、前述の亜包晶鋼は、鋼のδ／γ変態の影響により鋳型内で不均一凝固が生じやすい。不均一凝固が生じると、凝固遅れ部が鋳型から離れる方向に変形し、その結果、凝固遅れが助長するため、表面割れが生じやすい。しかしながら、このような現象はメニスカス〜メニスカス下２００ｍｍ程度の溶鋼静圧が不十分な領域での現象のため、この領域における凝固シェルの炭素濃度を亜包晶領域から外すことができればこのような欠陥は生じない。

他の例として、スクラップ中に含まれるＣｕは鉄と比較して酸化しにくい元素であるため、鋼の凝固から加熱炉での高温酸化雰囲気では鉄／スケール界面のＣｕ濃度が増加し、鋼中の固溶限をこえると、Ｃｕが析出しＣｕの融点以上であればＣｕ液滴をスケール／鉄界面に形成する。Ｃｕ液滴は鋼に対して濡れやすいため、鋼のγ粒界に沿って容易に侵入し粒界割れを引き起こす。この防止策として、一般的にＮｉ／Ｃｕが０．５以上、望ましくは１以上のＮｉを添加することで鋼のＣｕの固溶限をあげている。しかしながら、Ｎｉは表層のみ、例えば、加熱炉でのスケールオフ量を考慮しても表層５ｍｍ程度あれば十分であり、内部に添加したＮｉは合金コストをあげるのみである。薄スラブ鋳造の鋳造速度であれば、メニスカス下２００ｍｍの凝固シェル厚がほぼ５ｍｍ程度である。従ってこの場合においても、メニスカス〜メニスカス下２００ｍｍ程度の領域のＮｉ濃度を高くすることができれば、このような欠陥は生じない。
このように、メニスカス〜メニスカス下２００ｍｍ程度の領域の溶質成分を高めることで、表層５ｍｍ程度の領域のみＣ濃度を高め亜包晶鋼の表面割れを防止することや、表層５ｍｍ程度の領域のみＮｉ濃度を高めてトランプエレメント起因の表面割れを防止する方法として好適である。さらに表層５ｍｍのみに合金添加するため、合金添加量を最小化する意味でも薄スラブ鋳造において表層改質鋳片を鋳造することが極めて有効であることは明らかである。

さらに、表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造するにあたり、表層５ｍｍ程度の領域の濃度を高めることで表面割れ発生を回避する方法を提供することに加え、表層厚比率が１０％強と高い表層と内層の成分組成が異なる鋳片を、同じ連続鋳造機において低コストでかつ生産性を悪化することなく自由に造り込みことができる方法を提供するという観点において従来の方法はなしえなかった課題を克服し、本発明は、表層厚み比率（表層厚／鋳片厚×１００）を比較的任意に調整できるとともに、１０％以上の表層厚み比率をも実現することのできる、表層改質鋳片の製造における薄スラブの鋳造に適した連続鋳造用鋳型装置及び表層改質鋳片の製造方法を提供することを目的とする。
その結果、本発明は表層厚が薄いものの表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造することで表面割れ発生を回避する方法を提供することに加え、表層厚比率が高い表層と内層の成分組成が異なる鋳片を、同じ連続鋳造機において低コストでかつ生産性を悪化することなく自由に造り込むことができる。

そこで、表層改質鋳片を製造するに際し、本発明は、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下で連続鋳造を行う薄スラブ鋳造を適用し、長さの異なる二本の浸漬ノズルを鋳型内にある溶融金属のプールに挿入し、それぞれの吐出口を深さが異なる位置に設け、さらに異種の溶融金属間に直流磁場を利用して両金属の混合を防止しながら複層鋳片を製造する方法を採用する。

本発明は、表層改質鋳片の製造に鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造を適用するにあたり、鋳型全幅にわたって鋳型厚み方向に直流磁場を印加して直流磁場帯を形成し、直流磁場帯の上側溶鋼プールと下側溶鋼プールのそれぞれに別々の浸漬ノズルによって異なった成分の溶鋼を供給して、表層と内層の成分組成が異なる鋳片を製造する方法において、安定して表層改質鋳片を製造できる連続鋳造用鋳型装置及びその鋳型装置を用いた表層改質鋳片の製造方法を提供する。

図１に示す複層鋳片の連続鋳造方法において、直流磁場発生装置８によって形成される直流磁場帯１４をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール１５、下部を下側溶鋼プール１６とする。そして、表層溶鋼用浸漬ノズル６と内層溶鋼用浸漬ノズル５を鋳型内に挿入し、表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔１８を上側溶鋼プール１５内に配置し、内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出孔１８を下側溶鋼プール１６内に配置し、それぞれの溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量をそれぞれの浸漬ノズルで供給することにより、表層と内層の成分組成が異なる鋳片を製造することができる。上側溶鋼プール１５には表層溶鋼が、下側溶鋼プール１６には内層溶鋼が収容され、表層溶鋼と内層溶鋼との境界２７が直流磁場帯１４の範囲内に形成される。鋳型１内で凝固シェル２３が形成され、上側溶鋼プール凝固部分２４が鋳片２９の表層部を形成し、下側溶鋼プール凝固部分２５が鋳片２９の内層部を形成する。

上側溶鋼プール１５と下側溶鋼プール１６を隔離するための直流磁場発生装置８は、鋳造方向で鋳型１が配置された位置に設けられる。内層の溶鋼を供給する内層溶鋼用浸漬ノズル５は、その吐出孔１８を直流磁場発生装置８よりも下方の下側溶鋼プール１６に配置する必要がある。一方、表層の溶鋼を供給する表層溶鋼用浸漬ノズル６は、その吐出孔を直流磁場発生装置８よりも上方の上側溶鋼プール１５に配置する必要がある。本発明は、鋳型短辺厚みが１００ｍｍ以下で連続鋳造する場合を対象としているため、鋳型として矩形の平行鋳型を用いたのでは、メニスカスから深い位置では凝固シェルの発達によって鋳片厚み方向の未凝固溶鋼厚みが薄くなり、浸漬ノズルの挿入が困難になる。そこで、漏斗状鋳型を採用し、２つの浸漬ノズル、特に内層溶鋼用浸漬ノズル５に近接する位置については、鋳型の開口厚みを大きくし、これによって浸漬ノズルの挿入を容易にすることとしている。一方、メニスカスからコア４３上端までの距離が２００ｍｍ未満となると、表層溶鋼のための上側溶鋼プール１５を確保することができないので、メニスカス１７から直流磁場発生装置８のコア上端までの距離は２００ｍｍｍ以上が必要である。また、メニスカス１７から表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔までの距離、浸漬深さを少なくとも１００ｍｍ以上、望ましくは１５０ｍｍ以上確保する必要があり、そのためにも、メニスカス１７からコア４３上端までの距離を２００ｍｍ程度は確保する必要がある。さらに、メニスカス１７は、通常は鋳型上端から１００ｍｍ程度の位置に設定して鋳造を行う。

ここで図２〜図４を参照して、本発明で用いる鋳型装置の形状を説明する。鋳型の水平断面において、溶鋼と凝固シェルが形成される部分は開口を形成しているので、この部分を開口部４と称する。鋳型下端部の開口部形状は、厚みＴ、幅Ｗの矩形とする（図３（Ｃ））。

まず、鋳型上端から１００ｍｍ下（メニスカス１７相当部）の開口部４の形状について、図３（Ａ）、図４に基づいて説明する。メニスカス１７相当部の開口部４形状は、短辺２の厚みは鋳型下端部の厚みＴにほぼ等しく、幅も鋳型下端部の幅Ｗにほぼ等しい。そして、開口部４の幅方向のうちで浸漬ノズルを挿入する部位（幅中央部）については厚み拡大部を設け、厚み拡大部の開口厚みを下端部の厚みＴよりも大きくし、漏斗状鋳型の形状とする。表層溶鋼用浸漬ノズル６と内層溶鋼用浸漬ノズル５を比較すると、内層溶鋼用浸漬ノズル５の方が流す溶鋼量が多いため、浸漬ノズル太さも太くなる。以上より、鋳型上端から１００ｍｍ位置における鋳型開口部は、幅中央部に厚み拡大部を有し、厚み拡大部の厚みは短辺部の厚みよりも厚くなる。また、厚み拡大部の厚みをＴ_M、幅をＷ_Tとする。
ここで、鋳型上端から１００ｍｍ位置（メニスカス１７相当部）の開口部において、厚み拡大部の幅Ｗ_T（図３（Ａ）参照）は、鋳型幅中央を対称に鋳型幅Ｗの１／３〜２／３である。１／３より狭いと、二本給湯を行うための羽口（タンディッシュ内の注湯用上部ノズル）や注湯量制御を行うためのストッパー、スライディングノズル等をタンディッシュに設置することができないためである。一方、２／３より広いと鋳型内部形状の変化にスラブ形状が追随できず、鋳型下端において短辺厚みＴの矩形形状のスラブとは異なるスラブ形状となるためである。
１／３ ≦Ｗ_T／Ｗ ≦ ２／３ （iii）

次に、直流磁場発生装置との位置関係から定まる、鋳型上端からの距離Ｌの位置における鋳型開口部の形状について、図３（Ｂ）、図４に基づいて説明する。メニスカスからの深さが深くなるほど凝固シェル厚が成長し、浸漬ノズルのうちで最も深い位置は内層溶鋼用浸漬ノズルの下端であることから、内層溶鋼用浸漬ノズルの下端位置における鋳型の所要開口量が最大所要開口量となる。なお、本発明においては内層溶鋼用浸漬ノズルの下端位置は直流磁場発生装置のコア下端位置とほぼ同じとなるため、以下の説明では、直流磁場発生装置のコア下端位置を代表値として、鋳型形状を説明する。鋳型上端から直流磁場発生装置のコア下端位置までの距離Ｌは、本発明に係る鋳型の開口部厚みが端部より所定値以上厚い部分の距離といえ、この距離Ｌは、鋳型上端からメニスカス１７までの距離が通常１００ｍｍであることを考慮すると、少なくとも鋳型上端から４００ｍｍ以上は必要である。
この条件は、メニスカスからコア上端までの距離が前記したように２００ｍｍ以上は必要であるし、コア高さは最低限１００ｍｍは必要ということから定まる条件である。一方、Ｌの上限値としてはメニスカスからコア上端までの距離を４００ｍｍ、コア高さを３００ｍｍ程度とした条件であり、最大値は８００ｍｍとなる。メニスカスからコア上端までの距離は、表層厚みを厚くしたい場合等には長くする方が好ましいと言えるが、浸漬ノズルをその分だけ長くしなければならないので４００ｍｍ程度が上限となる。また、電磁ブレーキのコア高さは高くしても良いが、コアサイズが大きくなるために鋳型の振動重量制約から最高でも３００ｍｍ程度までである。
そのため、距離Ｌに関する条件式は（ｉ）式で表現される。なお、距離Ｌについては、鋳型上端から鋳造中の内層溶鋼用浸漬ノズルの下端を想定した位置までの距離であるということもできる。
４００ｍｍ ≦ Ｌ≦８００ｍｍ・・・・・（ｉ）

そこで、図３（Ｂ）、図４に示す鋳型上端からＬｍｍ下（直流磁場発生装置の下端位置相当部）における鋳型開口部の形状について、幅中央部に、厚みがＴ_INの厚み拡大部を有し、厚み拡大部の厚みＴ_INは短辺部の厚みよりも厚くなる形状とする。そして、鋳型上端から距離Ｌの位置（直流磁場発生装置の下端位置に相当）における鋳型開口部の厚み拡大部の厚Ｔ_INを種々変更して薄スラブ表層改質鋳片（以下、複層鋳片ともいう。）の鋳造を行ったところ、下記（ii）式を満たすように定めれば、電磁ブレーキ下端位置相当部において浸漬ノズルと凝固シェルの間のクリアランスを問題なく確保できることがわかった。
２０ｍｍ≦（Ｔ_IN−Ｔ） （ii）
また、鋳型上端から１００ｍｍ位置の開口部形状において、厚み拡大部の厚みＴ_Mをどこまで拡大できるかは、メニスカス部での長辺幅（ほぼＷに等しい）が凝固収縮と鋳型開口部の減肉に凝固シェル変形が追随できるか否かによって決まる。後述するように、凝固シェルの変形に伴う過度な応力を生じることなく鋳造ができるためには、下記（iv）式を満足する必要があると分かった。
（Ｔ_M−Ｔ）／Ｗ≦０．０８ （iv）

そこで、上記した（ｉ）式（ii）（iii）式および（iv）式を満たし、さらに鋳型上端部を含め、鋳型上端から１００ｍｍ位置から鋳型上端から距離Ｌの位置までにおける鋳型開口部形状を一定形状とし（Ｔ_M＝Ｔ_IN）、鋳型下端の開口部形状を幅Ｗ、厚みＴの矩形とし、鋳型上端から距離Ｌの位置（直流磁場発生装置の下端位置相当部）から鋳型下端部までの開口部形状を連続的に減少させた鋳型（図４参照）を用いて鋳造を行ったところ、後述するように、安定して鋳造を行うことができた。但し、メニスカス部において内層溶鋼用浸漬ノズル周りに軽微ではあるものの地金張りが生じることがあったので、下記（ｖ）式を満たすものとする。また、下記（ｖ）式は凝固収縮により鋳型と鋳片との間にエアギャップを生じさせないためにも好ましい。さらに、より好ましくは、Ｔ_MはＴ_INよりも２０ｍｍ程度大きい方が好ましい。
Ｔ_IN＜Ｔ_M （ｖ）
なお、メニスカス１７相当部と鋳型上端部との間の開口部形状は、例えば、メニスカス１７相当部の接線をそのまま直線状に延長して、メニスカス１７相当部と平行な平面と交わった部分の形状にするなど、連続的に変化させても良い。

本発明は、表層改質鋳片の製造に際し、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造を適用するので、下記（vi）式を満たすものである。
Ｔ≦１００ｍｍ （vi）

本発明では複層鋳片の製造において、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造を適用するに際し、表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造し、その表層厚みの鋳片全厚に対する比率を鋳型よりも下方の連続鋳造機内において比較的任意に調整することでもう一つの課題解決をはかる。具体的には、まず図２に模式的に示したように鋳型下端での鋳型短辺厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造において、鋳型幅中央を対称に所定距離離して配置した長さの異なる２本の浸漬ノズルと鋳型とのクリアランスを十分確保する内面形状とした鋳型（すなわち、上記した鋳型）を用いて、直流磁場帯をはさんで上下の溶鋼プールで消費される溶鋼量をそれぞれの浸漬ノズルから供給することで表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造する。
さらに、図５に模式的に示すように、鋳型直下の垂直部において中心部が未凝固の状態の鋳片を厚み方向に圧下することで、中心部が固まってないため内層の未凝固部分の厚みを減厚する。そのため、未凝固で圧下することで表層厚み／鋳片厚みの比を高めることができる。本発明の薄スラブ鋳造においては鋳造速度が高速であるため、鋳型内で形成される表層厚みは５ｍｍ程度と薄い。また、未凝固圧下を行うことで比較的少ない圧下量で表層厚み比率を制御することができる。
以上、述べたように本発明においては、表層厚みが薄い条件が必要となる場合には圧下を行わない条件で鋳造し、一方、表層厚みが厚い条件が必要となる場合には未凝固で圧下を行い表層厚／鋳片厚の比率を高めた鋳片を製造することができる鋳型装置を提供する。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）鋼の表層改質鋳片を連続鋳造するための鋳型装置であって、前記鋳型装置は鋳型および直流磁場発生装置を有しており、前記直流磁場発生装置の下端は前記鋳型の上端から下記（ｉ）式を満たす距離Ｌの位置にあって、鋳型上端から１００ｍｍ位置における鋳型開口部は、幅中央部に、厚みがＴ_M、幅がＷ_Tの厚み拡大部を有し、前記厚み拡大部の厚みＴ_Mは短辺部の厚みよりも厚く、鋳型上端から距離Ｌの位置における鋳型開口部は、幅中央部に、厚みがＴ_INの厚み拡大部を有し、前記厚み拡大部の厚みＴ_INは短辺部の厚みよりも厚く、下端の開口部は、幅Ｗ、厚みＴの矩形であり、前記Ｔ_M、Ｔ_IN、Ｔ、Ｗ_T、Ｗそれぞれの関係は下記（ii）〜（vi）式を満足することを特徴とする連続鋳造用鋳型装置。
４００ｍｍ ≦ Ｌ≦ ８００ｍｍ・・・・・（ｉ）
２０ｍｍ≦（Ｔ_IN−Ｔ） ・・・・・（ii）
１／３ ≦Ｗ_T／Ｗ ≦ ２／３ （iii）
（Ｔ_M−Ｔ）／Ｗ≦０．０８ （iv）
Ｔ_IN＜Ｔ_M （ｖ）
Ｔ≦１００ｍｍ （vi）
（２）直流磁場発生装置によって、鋳型全幅にわたって鋳型厚み方向に直流磁場を印加し、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、表層溶鋼用浸漬ノズルの吐出孔を前記上側溶鋼プール、内層溶鋼用浸漬ノズルの吐出孔を前記下側溶鋼プール内に配置し、それぞれの溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量を各浸漬ノズルから供給する表層と内層の成分組成が異なる鋳片の鋳造において、上記（１）に記載した連続鋳造用鋳型装置を用いて鋳造を行うことを特徴とする表層改質鋳片の製造方法。
（３）鋳型内メニスカス近傍において、少なくとも前記した鋳型幅Ｗ_Tの領域を旋回攪拌することを特徴とする上記（２）に記載の表層改質鋳片の製造方法。
（４）鋳型よりも下方において連続鋳造機内に設置された、鋳片を厚み方向に圧下する装置を用いて未凝固鋳片を圧下することを特徴とする上記（２）又は（３）に記載の表層改質鋳片の製造方法。

本発明では、表層改質鋳片の製造において、直流磁場発生装置によって、鋳型全幅にわたって鋳型厚み方向に直流磁場を印加し、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、表層溶鋼用浸漬ノズルを上側溶鋼プール、内層溶鋼用浸漬ノズルを下側溶鋼プール内に配置し、それぞれの溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量を各浸漬ノズルから供給する表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造する。鋳片の鋳造にあたり、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造を適用し、鋳型幅中央を対称に所定距離離した表層溶鋼用浸漬ノズルから内層溶鋼用浸漬ノズルまでを含んだ領域の鋳型開口部の厚みが内層溶鋼用浸漬ノズルの下端位置における鋳型開口部の厚みよりも大で、かつ、鋳型下端部においては短辺部厚みと同じ矩形となる鋳型を用いて鋳造を行うことで、薄スラブ鋳造において表層と内層の成分組成が異なる鋳片を安定して鋳造することができる鋳型装置を提供する。さらに、前記鋳型装置を用いて鋳造した鋳片を、連続鋳造機内において未凝固鋳片を厚み方向に圧下することで、表層厚み／鋳片厚みの比を調整することができるとともに、１０％以上の表層厚み比率を実現することができる。

その結果、前述したように鋳型上部プールのＣ濃度を亜包晶域からさけることで、内部は亜包晶であるものの鋳型内不均一凝固を発生させることなく鋳造が可能となる。あるいは、上部プールのＮｉ濃度をＮｉ／Ｃｕが０．５以上、望ましくは１以上とすることで、Ｃｕ起因の表面割れを鋳造時、加熱炉において発生させることなく製造できる。このように、表層厚が薄いものの表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造することで表面割れ発生を回避する方法を提供することができる。さらに、同じく鋳型上部プールのＣ濃度を０．５％、鋳型下部プールのＣ濃度０．１％としたうえで、鋳型よりも下方において、未凝固部分を４０ｍｍ程度圧下することで、表層厚み比率を１０％強まで高めた表層と内層の成分組成が異なる鋳片を製造することができる。このように同じ連続鋳造機において、低コストでかつ生産性を悪化することなく、表層と内層の成分組成が異なり、かつ表層厚比率が異なる鋳片を自由に造り込むことが可能となる。

表層改質鋳片の製造装置の一例を示す部分断面図である。 本発明の鋳型装置に係る鋳型の開口部形状と直流磁場発生装置との位置関係を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面断面図である。 本発明の鋳型の平面断面図であり、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ図４のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ矢視断面図である。 本発明の鋳型の側面断面図である。 鋳型より下方で未凝固圧下を行う状況を示す断面図である。 鋳型と直流磁場発生装置、電磁攪拌装置との位置関係を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面断面図である。 未凝固圧下量と表層厚み比率、表層分離度Ｘ_Oとの関係を示す図である。 鋳型と直流磁場発生装置、電磁攪拌装置との位置関係を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面断面図である。

本発明は、表層改質鋳片を製造するに際し、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下で連続鋳造を行う薄スラブ鋳造において、図１に示したように、図２に示した鋳型装置を用いて、長さの異なる二本の浸漬ノズルを鋳型内にある溶融金属のプールに挿入し、それぞれの吐出口を深さが異なる位置に設け、さらに異種の溶融金属間に直流磁場を利用して両金属の混合を防止しながら複層鋳片を製造する方法を採用する。

図２において、鋳型上端から１００ｍｍ下（メニスカス１７相当部）の開口部４と開口部表面３０を図示している。図１及び図２に模式的に示すように、鋳型の幅方向全幅にわたってほぼ一様な磁束密度の直流磁場を鋳型厚み方向に印加することのできる直流磁場発生装置８を設けることで、制動域を形成し長さの異なる二本の浸漬ノズルの吐出孔をその制動域をはさんだ上下に配置して、各溶鋼プールで凝固によって消費される溶鋼量を各浸漬ノズルを用いて供給することで表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を鋳造する。直流磁場発生装置８によって形成される直流磁場帯１４をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール１５、下部を下側溶鋼プール１６とする。そして、表層溶鋼用浸漬ノズル６と内層溶鋼用浸漬ノズル５を鋳型内に挿入し、表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔１８を上側溶鋼プール１５内に配置し、内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出孔１８を下側溶鋼プール１６内に配置し、それぞれの溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量をそれぞれの浸漬ノズルで供給することにより、表層と内層の成分組成が異なる鋳片を製造することができる。上側溶鋼プール１５には表層溶鋼が、下側溶鋼プール１６には内層溶鋼が収容され、表層溶鋼と内層溶鋼との境界２７が直流磁場帯の範囲内に形成される。

薄スラブ鋳造においては鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下と薄い。しかも制動域の下方にノズル吐出孔を配置する必要がある。本発明では、漏斗状鋳型を採用し、２つの浸漬ノズル、特に内層溶鋼用浸漬ノズル５に近接する位置については、鋳型の開口厚みを大きくし、これによってノズルと凝固シェルとのクリアランスを確保する。鋳型下端部の開口部形状は、厚みＴ、幅Ｗの矩形とする（図３（Ｃ）、図４）。鋳型の開口部形状のうち、短辺部の形状については、鋳型の上端から下端にかけてほぼ同一の値を有する。鋳型下端部の短辺の厚みがＴであることから、鋳型上端に至る各部位において、開口部の短辺部（端部）の厚みはほぼＴの値となる。

前述のように、本発明に係る鋳型装置は鋳型および直流磁場発生装置を有していて、その直流磁場発生装置の下端は鋳型の上端から距離Ｌの位置にある。鋳型上端から距離Ｌの位置における鋳型開口部の形状は、幅中央部の厚みＴ_INが短辺部の厚みよりも厚くなる形状として定めている。本発明に係る鋳型の開口部厚みが端部より所定値以上厚い部分の長さＬは、少なくとも鋳型上端から４００ｍｍ以上は必要である。この条件は、メニスカスからコア上端までの距離が２００ｍｍ、コア高さが１００ｍｍの条件である。一方、Ｌの上限値としてはメニスカスからコア上端までの距離を４００ｍｍ、コア高さを３００ｍｍ程度とした条件であり、最大値は８００ｍｍとなる。そのため、距離Ｌに関する条件式は（ｉ）式で表現される。
４００ｍｍ ≦ Ｌ≦８００ｍｍ・・・・・（ｉ）

さらに、鋳型上端からＬｍｍ下（直流磁場発生装置の下端相当位置）における鋳型開口部において、幅中央部に厚みがＴ_INの厚み拡大部を有し、短辺部の厚みよりも厚くする。厚み拡大部の厚みをＴ_INとしたとき、鋳型下端部の開口部厚みＴとの関係について下記（ii）式を満たすように定めれば、内層溶鋼用浸漬ノズル５の下端位置において浸漬ノズルと凝固シェルの間のクリアランスを問題なく確保できることがわかった（図３（Ｂ）、図４）。
（Ｔ_IN−Ｔ）≧２０ｍｍ （ii）

その上、鋳型上端から１００ｍｍ下（メニスカス１７相当部）の開口部形状において、厚みがＴ_Mである厚み拡大部の幅Ｗ_Tは、鋳型幅中央を対称に鋳型幅Ｗの１／３〜２／３である。
１／３ ≦Ｗ_T／Ｗ ≦ ２／３ （iii）

そこで、上記した（ｉ）式（ii）式および（iii）式を満たし、鋳型上端部および鋳型上端から距離Ｌの位置（直流磁場発生装置の下端位置相当部）の両開口部の形状を、鋳型上端から１００ｍｍ位置（メニスカス１７相当部）の形状と同一にして（Ｔ_M＝Ｔ_IN）、直流磁場発生装置の下端位置相当部から鋳型下端部までの開口部形状を連続的に減少させ、鋳型下端部の開口部形状を厚みＴ、幅Ｗの矩形とした鋳型（図３、図４参照）を用いて鋳造を行ったところ、後述するように、安定して鋳造を行うことができた。但し、メニスカス部において内層溶鋼用浸漬ノズル周りに軽微ではあるものの地金張りが生じることがあったので、Ｔ_MはＴ_INよりも大きくする必要があり、さらに２０ｍｍ程度大きい方が好ましい。これは凝固収縮により鋳型と鋳片との間にエアギャップを生じさせないためにも好ましい。
Ｔ_IN＜Ｔ_M （ｖ）
なお、メニスカス１７相当部と鋳型上端部との間の開口部形状は、例えば、メニスカス１７相当部の接線をそのまま直線状に延長して、メニスカス１７相当部と平行な平面と交わった部分の形状にするなど、連続的に変化させても良い。

加えて、表層厚み比率（表層厚／鋳片厚×１００）を比較的任意に調整できるとともに、１０％以上の表層厚み比率をも実現できるかが２点目のポイントとなる。

上記２つのポイントを明らかにするため、試験連続鋳造機を用いて鋳造試験を行った。試験連続鋳造機では、幅Ｗ：８００ｍｍ×厚Ｔ：１００ｍｍの鋳片を５ｍ／分の鋳造速度で鋳造を行うことができ、メニスカスから０．３ｍ下方の位置を高さ方向中心として鋳型長辺銅板背面に鋳型全幅にわたって直流磁場を印加するため、直流磁場発生装置８として磁極（コア高さ２００ｍｍ）を設置し、０．５Ｔの磁場を厚み方向に印加した。加えて、メニスカスから４ｍ下方の位置に図５に示すように、圧下装置（圧下セグメント１０）を設けた。圧下セグメント１０において、片側のセグメントは垂直であるが、他方のセグメントが絞り込み、圧下が可能な構造となっており、２つのセグメントで鋳片の厚み調整が可能で、最大５０％の圧下が可能である。

鋳型内に溶鋼を供給する浸漬ノズルは、幅中心をはさんでそれぞれ１／４幅位置に配置した。すなわち、ノズル中心間距離は４００ｍｍである。深さ方向には直流磁場発生装置８によって形成される直流磁場帯１４の上方と下方にそれぞれ設置した。具体的には、メニスカスの位置を鋳型上端から１００ｍｍとし、表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔位置はメニスカス１７から１５０ｍｍとし、内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出孔位置はメニスカス１７から４００ｍｍとした。このとき、鋳型の開口部厚みを拡張している鋳型上端からの距離Ｌの位置（直流磁場発生装置の下端位置相当部）を５００ｍｍ（但し、鋳型全長１．２ｍ）とし、厚み拡大部の幅（Ｗ_T）を５００ｍｍとした鋳型を用いた。

表層溶鋼用浸漬ノズル６の内部形状は内径２５ｍｍφの円形でメニスカスから０．１５ｍの位置に左右に吐出孔を設けた。吐出孔径は２５×２０ｍｍとした。一方、内層溶鋼用浸漬ノズル５の内部形状は１００×２５ｍｍの矩形で同じ断面積で斜め下向に表層溶鋼用浸漬ノズル方向下向きに吐出した。浸漬ノズルの厚みについては強度上、最低限１５ｍｍ必要であるため、浸漬ノズルの外部形状は１３０×５５ｍｍとした。鋳型内のＫ値はおよそ２０ｍｍ／ｍｉｎ^0.5であることを確認しているため、鋳造速度５ｍ／分で鋳造した際の内層溶鋼用浸漬ノズル設置位置までで形成される凝固シェル厚は６ｍｍ、鋳造開始時の鋳造速度２ｍ／分で鋳造した際の凝固シェル厚は９ｍｍとなる。そのため、鋳造速度２ｍ／分の条件で凝固シェルとノズルとのクリアランスを２０ｍｍ確保するには、内層溶鋼用浸漬ノズル設置位置で必要な開口部の厚みは１１３ｍｍとなる。一方、表層溶鋼用浸漬ノズル吐出孔位置、メニスカスから０．１５ｍ下方位置までに形成される凝固シェルの厚みは鋳造速度５ｍ／分で約４ｍｍ、鋳造速度２ｍ／分で約６ｍｍとなる。そのため、鋳造速度２ｍ／分で凝固シェルとノズルとのクリアランスを２０ｍｍ確保するため、表層溶鋼用浸漬ノズル吐出孔の設置位置で必要な開口部の厚みは１０７ｍｍとなる。

そこで図２〜図４に示すように、本発明では、鋳型下端の厚みは短辺部の厚みＴと同じとし、表層溶鋼用浸漬ノズルならびに内層溶鋼用浸漬ノズルの設置位置を含んで幅中央±２５０ｍｍの範囲について開口部に厚み拡大部を設け、厚み拡大部の厚みを、鋳型上端から距離Ｌ下方（直流磁場発生装置のコア下端相当位置）では短辺部の厚みよりも厚くしその厚みをＴ_IN，鋳型上端から１００ｍｍでの厚み拡大部の厚みＴ_MはＴ_INと比較し、同等またはさらに拡大し、Ｔ_MＴ_IN間、Ｔ_INと鋳型下端間は連続的に厚みを変化した。同じ高さ位置では短辺部と拡大した開口部との間には厚み変更領域をそれぞれ１００ｍｍ設け、滑らかに短辺部と接続した鋳型を製作した。なお、鋳型全長は１．２ｍ、鋳片の幅Ｗは８００ｍｍ、鋳片短辺部の厚みＴは１００ｍｍとした。製作した鋳型の寸法を表１に示した。

さらに、図６に模式的に示すように鋳型長辺背面に電磁攪拌装置９を設置した。電磁攪拌装置９の設置位置はメニスカスを上端とし、コア高さは表層溶鋼用浸漬ノズル下端までを含む範囲とした。電磁攪拌を付与することで２０〜４０ｃｍ／秒の流速が付与できることを確認している。

本発明において、鋳型の上方に設けるタンディッシュについては特段定めない。２つの浸漬ノズルそれぞれから、成分が異なる表層溶鋼と内層溶鋼がそれぞれのプールで凝固によって消費される溶鋼量が供給される。本実験では表層は０．２％Ｃ鋼を内層は０．１％Ｃ鋼をそれぞれ供給する。ここで、前述したように鋳型内のＫ値はおよそ２０ｍｍ／ｍｉｎ^0.5であることを確認しており、鋳造速度５ｍ／分で鋳造した際の直流磁場発生装置８の中心までで形成される表層厚は約５ｍｍである。なお、鋳造においては、成分が質量比でＣａＯ／ＳｉＯ₂＝０．９５、１３００℃での粘度が０．４ｐｏｉｓｅ、溶融温度が１０００℃のパウダーを用いて鋳造を行った。本パウダーを用いて亜包晶鋼鋳造を行うと、縦割れ発生が避けられないことを確認済みである。

鋳片内Ｃ濃度分布を調査するため、表層については表面から３ｍｍ位置（表層厚みの中心）、内層については表面から２０ｍｍ位置（鋳片１／４厚）について、両短辺中央、１／４幅位置の表裏面、１／２幅位置の表裏面、のそれぞれ８箇所、表層、内層あわせて合計１６箇所から分析試料を採取し濃度を調査した。また、表層厚については、分析試料を採取した部位（合計８箇所）について、表面から２０ｍｍまでの領域を対象に、分析試料を採取したほぼ同じ位置でサンプルを切り出し、ＥＰＭＡにて厚み方向の濃度分布を調査した。添加した元素の濃度が高くなっている厚みＤを求め、鋳片厚みＴとの比を求めた。得られた分析結果については以下の指標で分離度を評価した。表層厚み内の鋳片濃度Ｃ_O、鋳片内層濃度Ｃ_I、内層溶鋼用浸漬ノズルに供給される溶鋼濃度Ｃ_Lと表層溶鋼用浸漬ノズルに供給される溶鋼濃度Ｃ_Tから決まる表層分離度Ｘ_Oを以下の式（Ａ）を用いて求めた。加えて、圧下装置（圧下セグメント１０）の圧下量を０〜５０ｍｍまで変化して実験を行い、分離度、表層厚みと鋳片厚みとの関係を調査した。
Ｘ_O＝(Ｃ_O −Ｃ_I)／(Ｃ_T −Ｃ_L ) −−−− （Ａ）

まず、表１に示した鋳型を用いて鋳造を行った。
なお、表１の「比較」は、鋳型の開口部形状が厚み拡大部を有さず、鋳造方向全長にわたって幅Ｗ、厚みＴの矩形形状としている。メニスカス位置でも開口部が厚み拡大部を有しない。また、「比較」は表層、内層ともに０．１％Ｃ鋼を供給した。その結果、鋳造中内層溶鋼用浸漬ノズルの亀裂発生が見られ、鋳造を中断せざるを得なかった。また、内層溶鋼用浸漬ノズル周囲に地金張りが見られ、また鋳造した鋳片をみると表層厚みの不均一が見られた。そのため、本発明の目的を満たすものではない。
一方、Ｔ_MとＴ_INが１２０ｍｍの鋳型を用いた条件（鋳型１）では、鋳造はできたものの内層溶鋼用浸漬ノズル周りに軽微ではあるものの地金張りが生じた。Ｔ_Mが１４０ｍｍ（鋳型２）、１６０ｍｍ（鋳型３）、１８０ｍｍ（鋳型４）の鋳型を用いた条件では見られなかった。これは表層プール中には表層溶鋼用浸漬ノズルから溶鋼が供給されるのみであるため、内層溶鋼用浸漬ノズルと長辺間や内層溶鋼用浸漬ノズルと短辺間は流れがよどみやすい。そのため、内層溶鋼用浸漬ノズルと長辺間のクリアランスを確保するだけでなく、湯面全体での溶鋼の置換わりを促す必要がある。しかしながら、Ｔ_Mが１８０ｍｍの鋳型（鋳型４）を用いた条件では鋳型抵抗が増大した。鋳型開口部の厚みの絞り込みに鋳片が追随できていないことによると思われる。上記結果をもとに、Ｔ_M，Ｔ_INと鋳造幅Ｗとの関係を整理したところ、以下の関係式を満足する必要があることがわかった。
ここで、鋳型上端から１００ｍｍ位置の開口部形状において、厚み拡大部の厚みＴ_Mをどこまで拡大できるかは、メニスカス部での長辺幅（ほぼＷに等しい）が凝固収縮と鋳型開口部の減肉に凝固シェル変形が追随できるか否かによって決まる。表１の結果が意味するところは、凝固収縮量よりも大きいものの本発明の範囲であれば、凝固シェルの変形に伴う過度な応力を生じることなく鋳造ができたことを意味しており、下記（iv）式を満足すれば良いことがわかった。
４００ｍｍ ≦ Ｌ≦ ８００ｍｍ・・・・・（ｉ）
２０ｍｍ≦（Ｔ_IN−Ｔ） （ii）
１／３ ≦Ｗ_T／Ｗ ≦ ２／３ （iii）
（Ｔ_M−Ｔ）／Ｗ≦０．０８ （iv）
Ｔ_IN＜Ｔ_M （ｖ）
Ｔ≦１００ｍｍ （vi）

表１には併せて、（Ａ）式に示す指標を用いて表層分離度Ｘ_Oを評価した結果も示したが、磁束密度０．５Ｔの磁場を印加することで極めて分離度の高い鋳片が得られていることに加えて、０．１％Ｃ鋼の鋳造では縦割れが多数観察されたが（比較）、鋳型１，２，３，４いずれの条件でも縦割れは観察されなかった。この結果は、鋳造においては、成分が質量比でＣａＯ／ＳｉＯ₂＝０．９５、１３００℃での粘度が０．４ｐｏｉｓｅ、溶融温度が１０００℃のパウダーを用いて鋳造を行った。本パウダーを用いて亜包晶鋼鋳造を行うと、縦割れ発生が避けられないことを確認しており、本発明の鋳型１，２，３，４いずれの条件でも縦割れが観察されなかったことは表層部のＣ濃度が０．２％となっており、不均一凝固が生じていない結果である。

さらに、表１の鋳型３を用いた条件に加え、図６に示すように電磁攪拌装置を長辺全幅に設置し、旋回撹拌をメニスカス全体に付与した条件（撹拌１、撹拌２）、電磁撹拌装置を開口部厚みの拡大した部分のみに設置した条件（撹拌３、撹拌４）について鋳造を行い、前述のとおり、合計８箇所について表層厚みを測定し、表層厚みの標準偏差を「表層厚偏差（ｍｍ）」として記録した。また、標準偏差／平均厚を、「表層厚不均一度（−）」として記録した。結果を表２に示す。電磁攪拌を印加しない条件では表層厚みの偏差ならびに表層厚の不均一が若干みられたが、電磁攪拌を印加することで表層厚みの偏差は小さく、また表層厚の不均一度も小さくなった。さらに、メニスカス全体で旋回撹拌を付与することで、短辺部と幅中央部の表層厚みの偏差、加えて表層厚の不均一度についても小さくすることができた。

次に、鋳造速度５ｍ／分の条件で、磁束密度は０．６Ｔの条件で一定のままで、圧下セグメント１０での圧下量を振った条件で鋳造を行った。その結果、図７に示すように、表層分離度Ｘ_Oはそのままで表層厚／鋳片厚の比率を変化できることがわかった。また、表層厚比率０．１以上（１０％以上）をも実現することができた。

以上から、鋳型下端での鋳片厚みが１００ｍｍ以下の薄スラブ鋳造の条件において、鋳型幅中央を対称に所定距離離して配置した長さの異なる２本の浸漬ノズルと鋳型とのクリアランスを十分確保する内面形状とした鋳型を用いて、前述した長さの異なる２本の浸漬ノズルを鋳型全幅にわたって形成された直流磁場帯の上下に配置して鋳造を行う際に、印加する磁束密度とコア高さを調整することでストランドを上下に分割することで、表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造するとともに、上記（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）式を満足する鋳型形状を採用することにより、鋳造中の内層溶鋼用浸漬ノズルの亀裂発生や折損等を招くことなく、かつメニスカス部での地金張りを防止し、さらに鋳片周方向全体にわたって均一な表層厚み分布を有する表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造することができる。さらに、鋳型直下の垂直部において中心部が未凝固の状態の鋳片を厚み方向に圧下することで、中心部が固まっていないため内層の未凝固部分の厚みが減厚される。その結果、未凝固で圧下することで表層厚み／鋳片厚みの比を高めることができ、表層厚み／鋳片厚みの比を任意に調整することができるとともに、１０％以上の表層厚み比率を実現することができる。

本発明の原理を検証するため鋳造試験を行った。断面サイズが幅Ｗ：１６００ｍｍ×厚Ｔ：１００ｍｍの鋳片を鋳造速度５．０ｍ／分の条件で鋳造した。後述するように、表層溶鋼用浸漬ノズルと内層溶鋼用浸漬ノズルを含んだ領域の開口部の厚みを短辺厚みと比較して拡大した鋳型で、鋳型上端から１００ｍｍ位置の開口部の厚み拡大部の厚みＴ_M、鋳型上端から距離Ｌの位置（直流磁場発生装置コア下端相当部）での開口部の厚み拡大部の厚みＴ_INが異なる鋳型を製作し鋳造に供した。鋳型下端部の開口部形状は、厚みＴ、幅Ｗの矩形とする。なお、メニスカス１７から０．３ｍの位置を中心に鋳型長辺バックプレートの背面全幅にわたって直流磁場を印加するためのコア４３（コア高さ＝２００ｍｍ）を設置し、鋳型厚み方向に直流磁場を印加できる直流磁場発生装置８が設置されており、０．５Ｔの磁場を印加することができる。加えて、図８に模式的に示すように鋳型長辺背面に電磁攪拌装置を設置した。電磁攪拌装置の設置位置はメニスカスを上端とし、コア高さは表層溶鋼用浸漬ノズル下端までを含む範囲とした。電磁攪拌を付与することで２０〜４０ｃｍ／秒の流速が付与できることを確認している。さらに、メニスカス１７から４ｍ下方の位置に図５に示すように２基の圧下セグメント１０を配置し、圧下セグメント１０における片側のＦ側圧下ロール１１は垂直であるが、他方のＬ側圧下ロール１２が絞り込み、圧下が可能な構造となっており、２つの圧下セグメント１０で鋳片の厚み調整が可能で、最大５０％の圧下が可能である。

鋳型内に溶鋼を供給する浸漬ノズルは、前述したように幅中心をはさんでそれぞれ１／４幅位置で、深さ方向には直流磁場発生装置８によって形成される直流磁場帯１４の上方と下方にそれぞれ設置した。具体的には、表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔１８位置はメニスカス１７から０．１５ｍとし、内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出孔１８位置はメニスカス１７から０．４ｍとした。表層溶鋼用浸漬ノズルの内部形状は内径２５ｍｍφの円形でメニスカスから０．１５ｍの位置に左右に吐出孔を設けた。吐出孔径は２５×２０ｍｍである。一方、内層溶鋼用浸漬ノズルの内部形状は１５０×２５ｍｍの矩形で同じ断面積で斜め下向に２方向に吐出した。浸漬ノズルの厚みについては強度上、最低限１５ｍｍ必要なため、浸漬ノズルの外部形状は１８０×５５ｍｍとなる。鋳型内のＫ値はおよそ２０ｍｍ／ｍｉｎ^0.5であることを確認しているため鋳造速度５ｍ／分で鋳造した際の内層溶鋼用浸漬ノズル下端までで形成される凝固シェル厚は約６ｍｍ、鋳造開始時の鋳造速度２ｍ／分で鋳造した際の凝固シェル厚は約９ｍｍとなる。そのため、鋳造速度２ｍ／分の条件で凝固シェルとノズルとのクリアランスを２０ｍｍ確保するため、内層溶鋼用浸漬ノズル設置位置で必要な開口部の厚みは１１３ｍｍとした。一方、表層溶鋼用浸漬ノズル吐出孔位置、メニスカスから０．１５ｍ下方位置までに形成される凝固シェルの厚みは鋳造速度５ｍ／分で約４ｍｍ、鋳造速度２ｍ／分で約６ｍｍとなる。そのため、鋳造速度２ｍ／分で凝固シェルとノズルとのクリアランスを２０ｍｍ確保するため、表層溶鋼用浸漬ノズル吐出孔の設置位置で必要な開口部の厚みは１０７ｍｍとなる。

以上を踏まえ、表３に示した鋳型を用いて鋳造を行った。距離Ｌはいずれも５００ｍｍ、幅Ｗ_Tはいずれも１０００ｍｍとした。なお、鋳型全長の長さは１．２ｍである。直流磁場帯１４の磁束密度は０．５Ｔとした。本実施例では、０．３％Ｃｕ鋼の鋳造を行った。表層溶鋼、内層溶鋼ともに０．３％のＣｕを含有する一方、表層溶鋼には０．３％のＮｉを含有させた。内層溶鋼及び比較Ａ３の表層溶鋼には、Ｎｉを添加していない。
なお、比較Ａ３は、鋳型の開口部形状が厚み拡大部を有さず、鋳造方向全長にわたって幅Ｗ、厚みＴの矩形形状としている。メニスカス位置でも開口部が厚み拡大部を有しない。

鋳造速度５ｍ／分で鋳造した際の直流磁場発生装置８の中心までで形成される表層厚は前述したように約５ｍｍであるため、表層については表面から３ｍｍ位置（表層厚みの中心）、内層については表面から２０ｍｍ位置（鋳片１／４厚）について、両短辺中央、１／４幅位置の表裏面、１／２幅位置の表裏面、のそれぞれ８箇所、表層、内層あわせて合計１６箇所から分析試料を採取しＮｉ濃度を調査した。また、表層厚については、分析試料を採取した部位（合計８箇所）について、表面から２０ｍｍまでの領域を対象に、分析試料を採取したほぼ同じ位置でサンプルを切り出し、ＥＰＭＡにて厚み方向のＮｉ濃度分布を調査した。Ｎｉの濃度が高くなっている厚みＤを求め、鋳片厚みＴとの比を求めた。得られた分析結果については以下の指標で分離度を評価した。表層厚み内の鋳片濃度Ｃ_O、鋳片内層濃度Ｃ_I、内層溶鋼用浸漬ノズルに供給される溶鋼濃度Ｃ_Lと表層溶鋼用浸漬ノズルに供給される溶鋼濃度Ｃ_Tから決まる表層分離度Ｘ_Oを前記式（Ａ）を用いて求めた。

その結果、比較Ａ１は、Ｔ_MとＴ_INが１２０ｍｍの鋳型を用いた条件であって（ｖ）式を僅かに外れており、鋳造は完了して本発明の目的を達成した。一方で、内層溶鋼用浸漬ノズル周りに軽微ではあるものの地金張りが生じた。本発明Ａ１〜Ａ３は、Ｔ_Mが１６０ｍｍ、１８０ｍｍ、２００ｍｍの鋳型を用いた条件であって（ｉ），（ii），（iii），（iv）、（ｖ）式を満足し、鋳造中内層溶鋼用浸漬ノズルの亀裂発生等は見られなかったことに加え、地金張りも見られなかった。これは表層プール中には表層溶鋼用浸漬ノズルから溶鋼が供給されるのみであるため、内層溶鋼用浸漬ノズルと長辺間や内層溶鋼用浸漬ノズルと短辺間は流れがよどみやすい。本発明例は、内層溶鋼用浸漬ノズルと長辺間のクリアランスを確保し、湯面全体での溶鋼の置換わりを促している。しかしながら、比較Ａ２はＴ_Mが２５０ｍｍの鋳型を用いているため（iv）式を満たさず、鋳造中に鋳型抵抗が増大した。以上から、（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）式の関係式を満足する本発明例の鋳型では鋳造性に悪影響を及ぼすことなく鋳造を行うことができた。表３には併せて、前記（Ａ）式に示す指標を用いて分離度を評価した結果も示した。磁束密度０．５Ｔの磁場を印加することで極めて分離度の高い鋳片が得られていることが確認された。一方、表層、内層ともにＮｉを含有しない鋼の鋳造（比較Ａ３）では、鋳型の開口部形状が厚み拡大部を有さず、鋳造方向全長にわたって幅Ｗ、厚みＴの矩形形状としために鋳造中内層溶鋼用浸漬ノズルの亀裂発生が見られ、鋳造を中断せざるを得なかった。また、内層溶鋼用浸漬ノズル周囲に地金張りが見られ、また鋳造した鋳片をみると表層厚みの不均一が見られた。さらに、鋳造できた範囲の鋳片表面にはＣｕ含有鋼特有の表面割れ（Ｃｕ割れ）が多数観察されたが、表層にＮｉを含有する本発明例の条件では表面割れは観察されなかった。

さらに、表３の本発明Ａ２を用いた条件に加え、図６、図８に示すように電磁撹拌装置９を長辺全体にわたって設置、メニスカス全体で旋回流を付与した条件で鋳造を行い、前述のとおり、合計８箇所について表層厚みを測定し、表層厚みの標準偏差を「表層厚偏差（ｍｍ）」として記録した。また、標準偏差／平均厚を、「表層厚不均一度（−）」として記録した。結果を表４に示すが、電磁攪拌を印加しない条件では表層厚みの偏差が若干みられたが、電磁攪拌を印加した条件では表層厚みの偏差は小さくなった。加えて、電磁撹拌の印加により表層厚の不均一度が小さくなった。

次に、表３の本発明Ａ３を用いた条件において、直流磁場帯１４の磁束密度は０．５Ｔに固定し、圧下装置の圧下量を０〜５０ｍｍまで変化して実験を行い、表層厚みと鋳片厚みとの関係（表層厚み比率）を調査した。その結果、表５に示すように、圧下量を増やすことによって表層厚み比率が増大し、最大で表層厚み比率を０．１とすることができた。加えて、各条件で圧下量を振った条件で鋳造を行ったところ、未凝固で５０ｍｍ圧下することで元々の表層厚／鋳片厚が０．０５から０．１に高めることができた。また、分離度はいずれの条件においても０．９３で一定であった。

１ 鋳型
２ 短辺
４ 開口部
５ 内層溶鋼用浸漬ノズル
６ 表層溶鋼用浸漬ノズル
８ 直流磁場発生装置
９ 電磁攪拌装置
１０ 圧下セグメント
１１ Ｆ側圧下ロール
１２ Ｌ側圧下ロール
１３ 鋳型直下サポートロール
１４ 直流磁場帯
１５ 上側溶鋼プール
１６ 下側溶鋼プール
１７ メニスカス
１８ 吐出孔
２３ 凝固シェル
２４ 上側溶鋼プール凝固部分（表層部）
２５ 下側溶鋼プール凝固部分（内層部）
２７ 界面
２９ 鋳片
３０ 開口部表面
４３ コア

Claims (4)

1. 鋼の表層改質鋳片を連続鋳造するための鋳型装置であって、
   前記鋳型装置は鋳型および直流磁場発生装置を有しており、
   前記直流磁場発生装置の下端は前記鋳型の上端から下記（ｉ）式を満たす距離Ｌの位置にあって、
   鋳型上端から１００ｍｍ位置における鋳型開口部は、幅中央部に、厚みがＴ_M、幅がＷ_Tの厚み拡大部を有し、前記厚み拡大部の厚みＴ_Mは短辺部の厚みよりも厚く、
   鋳型上端から距離Ｌの位置における鋳型開口部は、幅中央部に、厚みがＴ_INの厚み拡大部を有し、前記厚み拡大部の厚みＴ_INは短辺部の厚みよりも厚く、
   下端の鋳型開口部は、幅Ｗ、厚みＴの矩形であり、
   前記Ｔ_M、Ｔ_IN、Ｔ、Ｗ_T、Ｗそれぞれの関係は下記（ii）〜（vi）式を満足することを特徴とする連続鋳造用鋳型装置。
   ４００ｍｍ ≦ Ｌ≦ ８００ｍｍ・・・・・（ｉ）
   ２０ｍｍ≦（Ｔ_IN−Ｔ） ・・・・・（ii）
   １／３ ≦Ｗ_T／Ｗ ≦ ２／３ （iii）
   （Ｔ_M−Ｔ）／Ｗ≦０．０８ （iv）
   Ｔ_IN＜Ｔ_M （ｖ）
   Ｔ≦１００ｍｍ （vi）
2. 直流磁場発生装置によって、鋳型全幅にわたって鋳型厚み方向に直流磁場を印加し、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、表層溶鋼用浸漬ノズルの吐出孔を前記上側溶鋼プール、内層溶鋼用浸漬ノズルの吐出孔を前記下側溶鋼プール内に配置し、それぞれの溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量を各浸漬ノズルから供給する表層と内層の成分組成が異なる鋳片の鋳造において、請求項１に記載した連続鋳造用鋳型装置を用いて鋳造を行うことを特徴とする表層改質鋳片の製造方法。
3. 鋳型内メニスカス近傍において、少なくとも前記した鋳型幅Ｗ_Tの領域を旋回攪拌することを特徴とする請求項２に記載の表層改質鋳片の製造方法。
4. 鋳型よりも下方において連続鋳造機内に設置された、鋳片を厚み方向に圧下する装置を用いて未凝固鋳片を圧下することを特徴とする上記請求項２又は請求項３に記載の表層改質鋳片の製造方法。

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