JP2024014497A - 鋼片の溶削方法及び鋼片の溶削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能な鋼材の溶削方法、及び、鋼材の溶削装置を提供する。【解決手段】鋼片表面をホットスカーファーにて溶削する鋼片の溶削方法及び溶削装置であって、ホットスカーファーの下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）、溶削深さｔ（ｍｍ）とするとき、下記（１）（２）（３）式が満たされていることを特徴とする鋼片の溶削方法及び溶削装置を提供する。－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（１）Ｘ＞２０ ・・・・・（２）Ｙ＞２０ ・・・・・（３）【選択図】図４

Description

本発明は、鋼片等の鋼材の表面を溶削する鋼片の溶削方法及び鋼片の溶削装置に関するものである。

例えば、連続鋳造によって製造される鋼片の表面には、介在物の巻き込みや表面疵等により表面欠陥が発生することがある。このような鋼片の表面欠陥を除去する際には、例えば特許文献１－３に開示された溶削装置（以下、ホットスカーファーと称する）が用いられる。これらのホットスカーファーは、鋼片の表面を局所的に加熱して溶融し、表面欠陥を除去するものである。
このホットスカーファーにおいては、鋼片の表面に対向するようにスカーファーユニットが配設されている。

このような構成のホットスカーファーにおいては、まず、予熱ステップとして、鋼片の表面に対して可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて可燃性ガスを燃焼させ、この燃焼熱により、鋼片の表面を局所的に溶融して湯溜まり部を形成する。次に、溶削ステップとして、鋼片の表面に溶削用酸素を供給するとともに鋼片を搬送し、前述の湯溜まり部を熱源として溶削用酸素と鉄とを酸化反応させ、この酸化反応熱によって、鋼片の表面を溶融し、表面欠陥を除去する。尚、溶削用酸素が供給され、鋼片の鉄との酸化反応が生じる領域を火点と称する。

最近では、溶削の生産性向上、及び、溶削時の歩留向上のため、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが求められている。従来、上述のホットスカーファーによって鋼片の表面を溶削する場合には、鋼片の搬送速度を調整することにより、溶削深さを制御していた。すなわち、溶削深さは、おおよそ酸素の供給律速となるため、溶削深さを浅くする場合には、鋼片の搬送速度を速くすることになる。

ここで、溶削深さを浅くするために、鋼片の搬送速度を速くする場合には、火点への酸素の供給が不安定となり、安定して溶削を行うことができず、幅方向において溶削深さに変動が生じ、溶削後の鋼片の表面に大きな凹凸が形成され、連続した溶削が途切れて未溶削部や溶削不良部が発生することがあった。これを通称トラ刈りと称する。図１にトラ刈りを試験装置にて発生させた例を示す。

トラ刈りが発生すると、一旦鋼片は冷却して冷片化した後、ハンド手入れを行い、その後、手入れ済みの鋼片を熱間圧延等の加熱炉に投入するのであるが、一度冷片化しているため、加熱炉原単位の悪化や作業費のアップに繋がる。トラ刈り発生は薄く鋼片表面を溶削する薄皮溶削時に発生しやすい傾向があり、トラ刈り発生を防止するためには、溶削時のテーブル移動速度（溶削速度）を落とす方法があるが、溶削速度低下により品質確保に必要な溶削量より厚く溶削することになり、著しく歩留を悪化させてしまう。

この様に、鋼片を溶削する場合には、安定して溶削深さを浅くすることは、なかなか困難であった。この改題を解決するために技術の改良をすすめているが、連続鋳造設備での鋼片表面品位の改善対策も日進月歩で進んでおり、鋼片表面のフライス段削り調査の結果、１年半程前より鋼片表面にトラップされている介在物の鋼片表面からの深さが浅くなっており更に溶削深さを浅くしても製品コイルの表面品位を確保できることが判明したため、ホットスカーフでの更なる溶削深さを浅く処理して歩留まり向上を狙うニーズが更に高まった。

実開平０３－０７０８５６号公報 特開平０９－１６８８６２号公報 特開平１０－２７２５６１号公報

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、鋼片の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが更に可能な鋼片の溶削方法、及び、鋼片の溶削装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、ホットスカーファーの下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）、溶削深さｔ（ｍｍ）について、一定の関係を保てばトラ刈りのない安定した溶削が出来る知見を得た。本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、
（I）鋼片表面をホットスカーファーにて溶削する鋼片の溶削方法であって、ホットスカーファーの下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）、溶削深さｔ（ｍｍ）とするとき、下記（１）（２）（３）式が満たされていることを特徴とする鋼片の溶削方法である。
－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（１）
Ｘ＞２０ ・・・・・（２）
Ｙ＞２０ ・・・・・（３）
（II）溶削深さが１．４ｍｍ以下で上記（１）～（３）式を満足することを特徴とする（I）に記載の鋼片の溶削方法である。
（III）さらに溶削深さが１．２ｍｍ以下で上記（１）～（３）式を満足することを特徴とする（I）に記載の鋼片の溶削方法である。
（IV）さらに溶削深さが１．０ｍｍ以下で上記（１）～（３）式を満足することを特徴とする（I）に記載の鋼片の溶削方法である。
（V）さらに鋼片表面をホットスカーファーにて溶削深さｔ（ｍｍ）を溶削する鋼片の溶削装置であって、
ホットスカーファーの下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）とするとき、下記（１）（２）（３）式が満たされていることを特徴とする鋼片の溶削装置である。
－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（１）
Ｘ＞２０ ・・・・・（２）
Ｙ＞２０ ・・・・・（３）
（VI）さらに溶削深さが１．４ｍｍ以下で上記（１）～（３）式が満足されていることを特徴とする（V）に記載の鋼片の溶削装置である。
（VII）さらに溶削深さが１．２ｍｍ以下で上記（１）～（３）式が満足されていることを特徴とする（V）に記載の鋼片の溶削装置である。
（VIII）さらに溶削深さが１．０ｍｍ以下で上記（１）～（３）式が満足されていることを特徴とする（V）に記載の鋼片の溶削装置である。

前述のように、本発明によれば、鋼片の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能な鋼片の溶削方法及び鋼片の溶削装置を提供することができる。

トラ刈りを試験装置にて発生させた例を示す図である。 ホットスカーファーの概要、および下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）を示す図である。 鋼片の搬送速度を大きくしてトラ刈りが発生する直前の、トラ刈りなし限界溶削深さｔと、その時のトラ刈りなし限界搬送速度Ｖ（ｍｐｍ）を調査するための、下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）の条件を表した図である。 各Ｘ、Ｙでのトラ刈りなし限界溶削深さtを表した図である。ただし、限界溶削深さtが０．８ｍｍとなる部分に点線で境界線（Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×０．８＋７４）を引いている。また、－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙとの関係がわかるように、Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×０．８＋４３．８の直線も示している。 各Ｘ、Ｙでのトラ刈りなし限界溶削深さtを表した図である。ただし、限界溶削深さtが１．０ｍｍとなる部分に点線で境界線（Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×１．０＋７４）を引いている。また、－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙとの関係がわかるように、Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×１．０＋４３．８の直線も示している。 各Ｘ、Ｙでのトラ刈りなし限界溶削深さtを表した図である。ただし、限界溶削深さtが１．２ｍｍとなる部分に点線で境界線（Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×１．２＋７４）を引いている。また、－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙとの関係がわかるように、Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×１．２＋４３．８の直線も示している。 各Ｘ、Ｙでのトラ刈りなし限界溶削深さtを表した図である。ただし、限界溶削深さtが１．４ｍｍとなる部分に点線で境界線（Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×１．４＋７４）を引いている。また、－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙとの関係がわかるように、Ｙ＝－Ｘ＋５３．５×１．４＋４３．８の直線も示している。

以下に、本発明の実施形態である鋼片の溶削方法及び鋼片の溶削装置について、添付した図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下記載の実施形態に限定されるものではない。

発明者らは、溶削深さ及びトラ刈り発生に影響を及ぼす要件の検討調査を実施した結果、図２に示されるような、ホットスカーファー１における下部ブロック２の先端面と鋼片表面１０の面間距離Ｘ（ｍｍ）と、上部ブロック３のノズル面と鋼片表面１０の面間距離Ｙ（ｍｍ）が、溶削深さｔ（ｍｍ）及びトラ刈り発生と関係があり、それらを所定の範囲とすれば、トラ刈りを発生させずに安定した溶削深さｔを確保できることが判明した。以下、詳細に説明する。尚、Ｘを下部ブロック２のノズル面と鋼片表面１０の面間距離とせずに、下部ブロック２の先端面と鋼片表面１０の面間距離としたのは、下部ブロック２のノズル面の段差が、通常約５ｍｍ程度と小さいため、この部分の段差は後述するシールドガスに満たされていると考えられ、溶削性能を低下させる空気の巻き込みが発生するのは、下部ブロック２の先端からと考えたためである。

まず、ホットスカーファー１による鋼片表面の溶削について、概要を説明する。ホットスカーファー１は、鋼片表面１０上にシュー４、下部ブロック２、上部ブロック３の順に配置され、下部ブロック２のノズルからはシールドガス５（可燃性ガス、酸素が含まれる場合もある）、上部ブロック３のノズルからは予熱用ガス６（酸素＋可燃性ガス）、下部ブロック２と上部ブロック３の間から溶削用酸素７が噴射される。ここで、まず予熱用ガス６、シールドガス５及び少量の溶削用酸素７が噴射され、表面の一部を溶融し、湯溜まり部を形成（予熱工程）、次に溶削酸素７を大量に噴射し、併せてシールドガス５と予熱用ガス６も噴射することで溶削酸素７を保護する。溶削用酸素７が前記湯溜まり部を通過、湯溜まり部を熱源として溶削用酸素７と鋼片表面１０の鉄とが酸化反応をおこし、鋼片がガス噴射方向と反対側に搬送されていくことで鋼片表面１０が溶削される（溶削工程）。

ここで通常、溶削深さを安定させるには、鋼片の搬送速度を調整していた。しかしながら、生産性向上、及び、溶削時の歩留向上のため、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することは容易ではなく、鋼片の搬送速度の調整だけでは限界がきていた。

そこで発明者らは、溶削用酸素７が噴射される下部ブロック２と上部ブロック３方の間のスリットの中心線が鋼片表面１０と交わる位置において、当該中心線に対する垂直面を想定し、当該垂直面に対する前述の下部ブロック２の先端面からの距離を、「下部ブロック２の先端面と鋼片表面１０の面間距離Ｘ（ｍｍ）」とした。即ち図２中の下部ブロック２の先端面と図２の１０１の間の距離である。同様に当該垂直面に対する上部ブロック３のノズル面からの距離を、「上部ブロック３のノズル面と鋼片表面１０との面間距離Ｙ（ｍｍ）」とした。即ち図２中の上部ブロック３のノズル面と図２の１０２の間の距離である。本発明の請求項、本明細書内のＸ、Ｙはこの定義による。

これらＸ、Ｙと溶削深さｔ（ｍｍ）について、図３に示すＸ、Ｙの条件にて、徐々に鋼片の搬送速度を大きくしてトラ刈りが発生する直前の、トラ刈りなし限界溶削深さｔと、その時のトラ刈りなし限界搬送速度Ｖ（ｍｐｍ）を調査した。Ｘ、Ｙとトラ刈りなし限界溶削深さｔ、その時のトラ刈りなし限界搬送速度Ｖ（ｍｐｍ）を表１に示す。図４から図７には、図３のプロットの横にその条件でのトラ刈りなしの限界溶削深さtを記載した。トラ刈り発生有無は溶削が途中で途切れればトラ刈り発生として、即不合格とした。また各ブロックのガス孔が跳ね返ったノロで閉塞発生する場合があったものはトラ刈り発生がなくても不合格とした。尚、試験の際の酸素圧は０．２５ＭＰａである。

図４～図７では、トラ刈り発生なし限界溶削深さｔについて、図４ではトラ刈りなし限界溶削深さtが０．８ｍｍとなる部分に点線で境界線を引き、限界溶削条件とし、以下、同様に図５ではトラ刈りなし限界溶削深さtが１．０ｍｍとなる部分に点線で境界線を引き、図６ではトラ刈りなし限界溶削深さtが１．２ｍｍとなる部分に点線で境界線を引き、図７ではトラ刈りなし限界溶削深さtが１．４ｍｍとなる部分に点線で境界線を引き、それぞれ限界溶削条件とした。これら点線は直線分布となり、いずれの場合もその傾きはほぼ同じであった。

図４～図７の点線について図５を用いて詳細に説明する。図５のトラ刈りなし限界溶削深さtが１．０ｍｍの限界溶削条件となる点線について、このときのトラ刈りなし限界搬送速度Ｖは、表１の６～１０行目のデータから、２７．０～２８．５ｍｐｍであり、これ以上搬送速度Ｖを大きくするとトラ刈りが発生する。また点線の右上のＸ、Ｙ条件では、溶削深さ１．０ｍｍよりも大きな値でトラ刈りが発生するので、溶削深さ１．０ｍｍを達成できない。点線の左下は溶削深さ１．０ｍｍよりも小さな値でトラ刈りが発生するが、その時の搬送速度は１．０ｍｍのそれよりも大きな値であるので、搬送速度を小さくしてゆっくり溶削すればより深く溶削ができ、溶削深さ１．０ｍｍとすることも可能となる。

この様に、それぞれの点線の溶削深さを達成するには、その点線以下左下の条件で操業すれば好ましいことが判明した。尚、Ｘ、Ｙが２０ｍｍ以下で各ブロックのガス孔が跳ね返ったノロで閉塞発生し始めるため、Ｘ、Ｙ共に２０ｍｍ以上とする。

以上を整理すると、ＸとＹは、ほぼ一定の傾きを持った範囲内、即ち図７中の溶削深さ１．４ｍｍの点線の場合は下記（４）式以下左下であればトラ刈り発生を回避して溶削できることが判明した。また前述のガス孔閉塞の発生もなく安定した溶削を行うことを考慮すれば、Ｘ、Ｙについても（２）式、（３）式も満足する必要がある。
Ｙ≦―Ｘ＋１４８．９ ・・・・・（４）
Ｘ＞２０ ・・・・・（２）
Ｙ＞２０ ・・・・・（３）

尚、図６の溶削深さ１．２ｍｍの点線の場合は、（４）式が下記（５）式以下左下となり、図５の溶削深さ１．０ｍｍの点線の場合は、下記（６）式以下左下となり、図４の溶削深さ０．８ｍｍの点線の場合は、下記（７）式以下左下となる。
Ｙ≦―Ｘ＋１３８．２ ・・・・・（５）
Ｙ≦―Ｘ＋１２７．５ ・・・・・（６）
Ｙ≦―Ｘ＋１１６．８ ・・・・・（７）
ここで、（４）式、（５）～（７）式の切片を溶削深さｔの関数で表すと、前記（４）式、（５）～（７）式は以下の（８）式の様に表される。
Ｙ≦―Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（８）
尚、（８）式からＹ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８の範囲を外すと、前述の（１）式である
－Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（１）
となる。

前記（２）式、（３）式を満足し、上記（１）式以下左下の範囲内であれば、トラ刈りもガス孔閉塞の発生もなく安定した溶削を行うことが出来る。尚、上記式は図４～図７の実溶削深さｔから求めたが、これを目標溶削深さとしても、同様に安定した溶削ができ範囲となることは言うまでもない。

１ ホットスカーファー
２ 下部ブロック
３ 上部ブロック
４ シュー
５ シールドガス
６ 予熱用ガス
７ 溶削用酸素
１０ 鋼片表面

Claims (8)

1. 鋼片表面をホットスカーファーにて溶削する鋼片の溶削方法であって、
   ホットスカーファーの下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）、溶削深さｔ（ｍｍ）とするとき、下記（１）（２）（３）式が満たされていることを特徴とする鋼片の溶削方法。
   －Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（１）
   Ｘ＞２０ ・・・・・（２）
   Ｙ＞２０ ・・・・・（３）
2. 溶削深さが１．４ｍｍ以下で上記（１）～（３）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の鋼片の溶削方法。
3. 溶削深さが１．２ｍｍ以下で上記（１）～（３）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の鋼片の溶削方法。
4. 溶削深さが１．０ｍｍ以下で上記（１）～（３）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の鋼片の溶削方法。
5. 鋼片表面をホットスカーファーにて溶削深さｔ（ｍｍ）を溶削する鋼片の溶削装置であって、
   ホットスカーファーの下部ブロックの先端面と鋼片表面の面間距離Ｘ（ｍｍ）、ホットスカーファーの上部ブロックのノズル面と鋼片表面との面間距離Ｙ（ｍｍ）とするとき、下記（１）（２）（３）式が満たされていることを特徴とする鋼片の溶削装置。
   －Ｘ＋５３．５ｔ＋４３．８＜Ｙ≦－Ｘ＋５３．５ｔ＋７４ ・・・・・（１）
   Ｘ＞２０ ・・・・・（２）
   Ｙ＞２０ ・・・・・（３）
6. 溶削深さが１．４ｍｍ以下で上記（１）～（３）式が満足されていることを特徴とする請求項５に記載の鋼片の溶削装置。
7. 溶削深さが１．２ｍｍ以下で上記（１）～（３）式が満足されていることを特徴とする請求項５に記載の鋼片の溶削装置。
8. 溶削深さが１．０ｍｍ以下で上記（１）～（３）式が満足されていることを特徴とする請求項５に記載の鋼片の溶削装置。