JP3149818B2 - 連続鋳造による丸ビレット鋳片の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連続鋳造による丸
ビレット鋳片の製造方法、特に未凝固圧下法を用いた製
管用の丸ビレット鋳片の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造により丸ビレット鋳片を製造す
る場合、材質が低炭素鋼、軸受鋼、高Cr鋼のときには、
最後に凝固する中心部に偏析 (中心偏析) 、軸芯割れ、
ポロシティが生成するため、そのような丸ビレット鋳片
をシームレスパイプ製造にそのまま用いると内面疵を多
発し、製品とならない。

【０００３】そこで中心偏析、ポロシティをなくすため
に、中心部に未凝固部のある状態のときに鋳片に圧下を
施す方法、いわゆる未凝固圧下法が多く提案されてい
る。

【０００４】例えば、特開平６−142863号公報、特開平
７−204812号公報はいずれも中心部に未凝固部の存在す
る状態のときに軽圧下を施す方法を開示している。

【０００５】特開平７−227657号公報は、矩形断面鋳片
について、中心部固相率が0.6 〜0.95の範囲にあるとき
に、５〜40％の厚み方向圧下率で未凝固圧下を施す方法
を開示している。

【０００６】一方、インライン・リダクション法に関す
る研究 (鉄と鋼、第60年、1974、第７号) には、120 mm
×120 mmの正方形断面連続鋳片を未凝固域 (完全液相域
と固液共存域) が30〜50mm×30〜50mmの正方形断面とな
るように鋳造し、このとき30％以上の圧下率で圧下する
ことにより内部割れを消滅させることが可能であること
が述べられている。

【０００７】さらに、特公平６−59538 号公報は鋳片の
中心部固相率が0.5 〜0.9 の位置に連続的な鍛圧加工に
より未凝固厚みの半分以上の圧下量を施す方法を開示し
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
未凝固圧下法を種々の鋼種の丸ビレット鋳片に用いると
様々な問題が生じる。

【０００９】炭素濃度0.5 ％以上の丸ビレット鋳片に上
述の軽圧下法を施すと、内部割れ感受性が高いため図１
に示すように凝固シェル10の前面に割れ12が発生する。
図中、中心部14が未凝固状態にある丸ビレット鋳片16は
上下ロール対18、18により未凝固圧下が行われている。
このようにして形成された割れ12には中心部14に未凝固
状態で存在するＣ、Ｐ、Ｓ、Mn等の成分の濃化された溶
鋼が吸引されており製管時のパイプ内面疵の発生をもた
らすものである。

【００１０】また、前記特開平７−227657号公報の矩形
断面に対して５〜40％の圧下率を施す方法を中心部への
圧下浸透性の低い丸ビレットに適用すると圧下量が少な
く、内部割れの消滅およびポロシティの消滅は不可能で
ある。

【００１１】すなわち、丸ビレット鋳片の場合、矩形断
面鋳片に比較してより大きな圧下量を施すことが必要不
可欠である。インライン・リダクション法の場合、圧下
時中心部固相率が高く、丸ビレット鋳片に適用すると中
心部が加速凝固して流動性が失われるため濃化溶鋼の排
出が充分に行われず、中心偏析の改善はおろか逆に悪化
させてしまう。

【００１２】連続鍛圧加工を施す方法の場合、圧下速度
が小さく、丸ビレット鋳片に適用すると圧下中に中心部
が加速凝固して流動性が失われるため、やはり濃化溶鋼
の排出が充分に行われず中心偏析の改善はおろか逆に悪
化させてしまう。また、圧下中に内部割れが発生して
も、圧下速度が小さいため、割れ部に吸引した濃化溶鋼
を排出して割れを消滅されることは不可能である。

【００１３】これも中心部が加速凝固することに起因す
る。以上より、本発明の課題は、特にシームレスパイプ
製管用の丸ビレット鋳片の連続鋳造に際し、鋼種を問わ
ず、内部割れがなく、中心部ポロシティ、中心部偏析、
軸芯割れのない内部品質の良好な真円性の高い丸ビレッ
ト鋳片の製造方法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上述の課題
解決について検討を重ね、次のような知見を得た。 丸ビレット鋳片は矩形断面鋳片と比較し、中心部が加
速凝固する点および中心部への圧下浸透効率が低位であ
る点において違う。したがって異なる観点からの対策が
必要である。

【００１５】未凝固圧下に際して、特定の中心部固相
率から中心部の凝固が加速度的に進行するため、特定の
中心部固相率の位置において高速大圧下を行う必要があ
る。 中心部への圧下浸透効率が低位であるため大圧下を行
う必要がある。

【００１６】したがって、中心部が特定範囲の固相率の
ときに高速大圧下することにより、鋼種に関係なく内質
の向上が図れることを知り、本発明を完成した。ここ
に、本発明は次の通りである。

【００１７】(1) 丸ビレットの連続鋳造に際して、中心
部固相率fsが0.9 以下の位置にある一対もしくは二対以
上のロールによって100mm/分以上の圧下速度で、一軸方
向に、中心部固相率fsと式(1) の範囲を満たす未凝固圧
下指数Ｐと未凝固相厚みＸ(mm)から式(2) により求まる
指定固相率厚みＲ(mm)を関数とする式(3) の範囲の圧下
量Ａ(mm)を鋳片に与えることを特徴とする連続鋳造によ
る丸ビレット鋳片の製造方法。

【００１８】 0.4 ≦Ｐ≦1.0 (1) Ｒ＝[(Ｐ−fs) ／ (１−fs)]・Ｘ (2) Ｒ＜Ａ＜4.0 Ｒ (3) Ｘ：未凝固相厚み (mm) Ｒ：指定固相率厚み (mm) Ｐ：未凝固圧下指数 Ａ：圧下量 (mm) (2) 鋳型内溶鋼電磁攪拌を実施する前記(1) に記載の丸
ビレット鋳片の製造方法。

【００１９】(3) 前記(1) に記載の方法により鋳片を圧
下し、完全凝固した後、一対の水平ロールからなる凝固
水平圧下スタンドと一対の垂直ロールからなる凝固垂直
圧下スタンドを用いて断面形状の真円性を整えることを
特徴とする丸ビレット鋳片の製造方法。

【００２０】

【発明の実施の形態】図２に、本発明にかかる連続鋳造
による丸ビレット鋳片の製造工程の一例を模式的に示
す。

【００２１】図中、タンディッシュ20から平面断面が円
形の連続鋳造用鋳型22に注入された溶鋼24は鋳型22内に
おいて冷却された凝固シェルが外側に形成される。この
鋳型22から引き抜かれたビレット鋳片26はスプレー冷却
帯28を経てピンチロール帯30に入り、そこで本発明にし
たがって未凝固圧下ロール対32、32により高速圧下され
る。このとき断面が楕円形となった鋳片は完全凝固後の
領域に設けられた凝固水平圧下スタンド36と凝固垂直圧
下スタンド38により真円成形され、シームレスパイプ製
造用の丸ビレット鋳片とされる。

【００２２】図示例では、未凝固圧下ロール対32は一対
しか設けていないが、これは二対以上設けてもよい。ま
た、完全凝固後の成形スタンドも、垂直ロールを先に設
けてもよく、またこれらの成形スタンドの数についても
必要によりさらに複数対設けてもよい。

【００２３】このように本発明にあっては、連続鋳造に
よって丸ビレット鋳片を製造する際に、鋳片の中心部ポ
ロシティ、中心偏析、軸芯割れを軽減させるためには中
心部が未凝固状態において高速大圧下を施すのである。

【００２４】丸ビレット鋳片の最終凝固領域は軸芯部で
あって、矩形断面鋳片に比較し、その体積比率は小さい
ため最終凝固領域近傍において加速度的に凝固が進行す
る。したがって、中心部固相率が0.9 を超える範囲にお
いては、圧下中にも凝固が進行し、未凝固圧下となりえ
ないため、中心部の溶鋼を流動させることは不可能であ
る。よって、鋳片の中心部ポロシティ、中心偏析を軽減
できない。そのため、圧下時の中心部固相率は0.9 以下
でなければならない。

【００２５】圧下時中心部固相率は0.8 以下であること
がさらに好ましい。これは、鋼種によっては固液共存相
範囲が狭く、中心部の加速凝固が促進される場合がある
ためである。

【００２６】本発明によれば、圧下ロールは一対でもよ
いし、多段に設けてもよい。また、圧下ロールの形状は
フラットロールでもカリバーロールでもよい。カリバー
ロールの場合は、圧下による２軸変形を極力伴わないよ
うにするためにＲ≧100 mm、深さ５mm以上であることが
望ましい。

【００２７】圧下速度は100 mm／分以上とする。これは
圧下中に内部割れが生成しても濃化溶鋼の侵入を防ぐた
め、また侵入して来ても即座に排出するためである。ま
た、圧下中に中心部が加速凝固しても、未凝固圧下の効
果を得るために高速圧下は有効である。さらに、中心部
に迅速に圧縮応力を与え、軸芯割れを防止するためにも
高速圧下は有効である。

【００２８】圧下は一軸方向に行う。なぜならば、丸ビ
レット鋳片の中心部への圧下浸透は矩形断面鋳片のそれ
に比較して小さく、それを極力妨げないようにするため
である。一軸方向圧下によれば丸ビレットが偏平化する
ことで浸透は大となる。

【００２９】圧下量Ａは式(3) におけるように、指定固
相率厚みＲと同等以上、かつその４倍未満の範囲で与え
ねばならない。ここで、Ｒの物理的意味は、圧下によっ
て中心部で固相率Ｐ (未凝固圧下指数と定義) の位置が
合わさるのに必要な中心部の固液共存相における必要圧
下量である。

【００３０】ここで、圧下量Ａは、未圧下時のロール間
隔から圧下中のロール間隔の差である。鋳片中心部にお
ける圧下効率は25〜70％であり、この圧下効率を考慮す
ることにより圧下量Ａは、1.43Ｒ≦Ａ＜４Ｒであること
がさらに好ましい。また、「未凝固相厚み」とは鋳片中
心部の液相と固液共存相を合わせた領域の直径をいう。

【００３１】さらに、「未凝固圧下指数」とは、圧下後
に圧着する部分の固相率をいう。例えば、Ｐ＝0.80の場
合には、図３(a) に点線で示すように圧下軸方向の固相
率0.80の位置が、上下ロール対32、32で未凝固圧下され
て、図３(b) に同じく点線で示すように上下の固相率0.
80の領域が合わされることである。この指数が大きい程
中心において高固相率部が圧着することを意味してお
り、最低で0.4 以上でなければ内部品質の向上は認めら
れない。未凝固圧下指数は0.8 を超えて1.0 以下である
ことがさらに好ましい。これは固相率が0.8 以上の部分
が圧着することにより強度が発現するため、中心部に容
易に圧縮応力が働くからである。

【００３２】本発明にあっては丸ビレット鋳片の未凝固
圧下に際して、丸ビレット鋳片の中心部固相率を0.9 以
下に制限するが、このときの「中心部」とは軸芯部であ
り、また「中心部固相率」とは軸芯部の固相率である。

【００３３】次に、未凝固相厚み(X) の求め方の一例を
示すと下記の通りである。つまり、一般的な下記の円柱
座標熱伝導微分方程式を解き、偏析を考慮した丸ビレッ
ト鋳片の中心部固相率fs＝０〜0.9 を満足する温度とな
る時間を求める。同一時間において偏析を考慮した固相
率0.99となる温度の位置の中心部からの距離の２倍をＸ
とする。

【００３４】

【数１】

【００３５】また、このような方法以外に直接測定によ
りＸを求め、式(2) よりＲ(mm)を求めて式(3) よりＡ(m
m)を求めてもよい。このようにして決定された圧下量
(A,mm)を施すことにより、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Mn等の濃化した
溶鋼をメニスカス方向へ流動排出して中心偏析を低減す
ることができる。

【００３６】また、ポロシティについても未凝固部断面
積の減少もしくは完全凝固部の圧着により軽減される。
さらに、軸芯割れについても、加速凝固により引張り力
を生むほどの液相体積でなくなるため、生成を防止する
ことができる。

【００３７】特に、含有炭素濃度が0.5 ％以上と高く、
割れ感受性の高い鋼種は、圧下中に凝固前面が割れ、そ
の割れの中にＣ、Ｓ、Ｐ、Mn等の濃化溶鋼が侵入する
が、上述のようにして決定された圧下量を施すと一旦侵
入した濃化溶鋼を絞り出すことが可能であり内部割れを
消滅させることができる。

【００３８】上述の圧下方法に加え、鋳型内溶鋼電磁攪
拌を実施することにより、凝固シェル前面の温度勾配が
小さくなるため、等軸晶量が増大し、中心ポロシティの
低減、中心偏析の低減、軸芯割れ防止、圧下による内部
割れ防止に大きく寄与する。

【００３９】このようにして得た未凝固圧下後の鋳片断
面は楕円状であるため、所望により、完全凝固後に一対
の水平ロールからなる凝固水平圧下スタンドと、さらに
一対の垂直ロールからなる凝固垂直圧下スタンドとによ
り真円成形をして真円性を高めることができる。

【００４０】なお、本発明における丸ビレット鋳片とし
ては、直径225 〜360 mm、未凝固相厚みが０〜180 mm位
が好ましい。完全凝固後にこのような圧下スタンドを設
ける理由は、未凝固時に成形を行うと内部割れ発生のお
それがあるためである。

【００４１】凝固後圧下スタンドとしての水平ロールと
垂直ロールの設置の順はどちらでもよい。次に、実施例
によって本発明の効果をさらに具体的に説明する。

【００４２】

【実施例】直径261 mmの断面円形の連続鋳造用鋳型にて
図２に示す構造に等しい設備により丸ビレット鋳片を鋳
造した。ロール対32、32による未凝固圧下位置は、溶湯
メニスカスより21ｍとし、完全凝固後、凝固水平圧下ス
タンド36および凝固垂直圧下スタンド38はそれぞれ溶湯
メニスカスより24ｍと26ｍの位置に配置した。

【００４３】鋳造速度は0.5 〜1.7m/min、スプレー冷却
比水量は0.05〜0.8 l/kg.steelとした。未凝固部の圧下
は各鋼種における最適圧下量に応じたディスタンス・ピ
ースをピンチロールに設置し、60〜220 Ｔの押付力によ
り行った。また、圧下速度の調整はピンチロール制御に
よって行った。

【００４４】本例において、未凝固圧下を行うときの未
凝固相厚み(X、mm) は、前述の熱伝導微分方程式を、そ
れぞれの中心部固相率のときについて解いて求めた。表
１に実施例１〜６と比較例１〜６における製造条件をそ
れぞれ示す。

【００４５】表２に鋳造ビレットの品質評価結果につい
て示す。これらは鋳片より500 mm長さのサンプルを採取
し、(1) 横断面、縦断面マクロエッチング、(2) 中心偏
析 (横断面中心部より10mm径ドリルサンプルを採取し、
炭素濃度Ｃを分析して、鋳片の平均濃度Coとの比Ｃ／Co
として中心偏析評価の指標とした) 、(3) ポロシティ面
積分率[(ポロシティ総面積) ／ (鋳片断面積) ×100]、
(4) 真円度[(長径−短径) ／ (真円径) ×100]について
調査したものである。さらに評価を下記の基準によりつ
けた。

【００４６】 ◎：中心ポロシティ存在せず、真円性も良好のため製管
可能で品質も非常に良好。 ○：中心ポロシティ極微であり、真円性も良好のため製
管可能で品質も良好。 △：中心ポロシティ極微であるが、真円性が悪いため表
面外削して製管に供する。 ×：内部品質不良であり、製品とはならない。

【００４７】実施例１、６では適正条件で圧下している
うえ、モールド内電磁攪拌実施、成形実施しているため
最良の品質が得られている。実施例２、５では適正条件
で圧下しているが、モールド内電磁攪拌を実施していな
いため中心ポロシティがわずかに残存している。しか
し、製品とするのには充分な内部品質を有している。

【００４８】実施例３、４では適正条件で圧下している
が、整形非実施のため表面外削により製管に供し、製品
としたものである。また、モールド内電磁攪拌は実施し
ていないが、製品の品質レベルとしては充分である。

【００４９】比較例１は圧下開始時の中心部固相率が高
いため、圧下による内部割れは発生しない。しかしなが
ら、中心部溶鋼の流動性が失われているためポロシティ
が残存するうえ、中心偏析の改善もみられない。

【００５０】比較例２は未凝固圧下指数が小さく、圧下
後に中心部にて圧着する固相率が低い。したがって圧下
により発生した内部割れから濃化溶鋼を絞り出すことは
不可能であり内部割れが残存する。また、圧下後も凝固
収縮が起こるためポロシティは残存する。さらに中心部
の濃化溶鋼を充分に流動させることができないため、中
心偏析も残存する。

【００５１】比較例３は圧下量が指定固相率厚みの１倍
であり、圧下効率を考慮すると不充分な圧下である。従
って、凝固収縮量を補い、かつ中心部濃化溶鋼を流動す
ることが不可能であり、中心ポロシティ、中心偏析が残
存している。

【００５２】比較例４は二軸で圧下しているため、中心
部への圧下浸透が悪く、圧下による内部割れ中の濃化溶
鋼を絞り出せずに、内部割れが残存している。また、中
心部の実圧下量が不足しているため、ポロシティは残存
し中心部の濃化溶鋼の流動も不充分であり中心偏析も残
存している。さらに、軸芯割れも発生している。

【００５３】比較例５は圧下速度が遅いため、圧下中に
発生した内部割れに吸引された濃化溶鋼を充分に絞り出
すことができずに内部割れが残存している。さらに、中
心部の濃化溶鋼を流動させることもできず、中心偏析が
大きい。また、圧下中に凝固が進行するため、ポロシテ
ィ、軸芯割れともに残存している。

【００５４】比較例６は圧下時の中心部固相率が大きい
ため、圧下による内部割れは発生しないものの、凝固が
既に進行していることから軸芯割れが生成しており、中
心ポロシティ、中心偏析も残存している。

【００５５】上述の実施例で得られた丸ビレット鋳片を
使用して製管したところ、いずれも内面品質は良好であ
り、問題のないレベルであった。一方、比較例について
はいずれも内面品質は不良であった。

【００５６】

【表１】

【００５７】

【表２】

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
連続鋳造によって丸ビレット鋳片を製造する際に、中心
偏析、軸芯割れ、中心ポロシテイが生成されず、シーム
レスパイプの製造に適する内質のすぐれた製管用丸ビレ
ット鋳片が製造される。特に、本発明によれば鋼種によ
らず、一定の条件で行えば上述のような優れた特性が得
られるのであって、その実用上の意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】内部割れ発生鋳片の略式横断面図である。

【図２】本発明にかかる未凝固大圧下法を実施するため
の設備概要を示す模式的説明図である。

【図３】図３(a) 、(b) は、未凝固圧下指数の物理的意
味を説明する模式的説明図であり、図中、未凝固圧下指
数の示す意味は、例えば中心部固相率が0.80の位置を破
線で示すと、その位置を密着させるように圧下するとい
うことである。

フロントページの続き (72)発明者 山中 章裕 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友 金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−146651（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−249490（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−99349（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−276020（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−227657（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−289552（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−183765（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−142863（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/128 350 B22D 11/115 B22D 11/20

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 丸ビレットの連続鋳造に際して、鋳片の
   中心部固相率fsが0.9 以下の位置にある一対もしくは二
   対以上のロールによって100mm/分以上の圧下速度で、一
   軸方向に、中心部固相率fsと式(1) の範囲を満たす未凝
   固圧下指数Ｐと未凝固相厚みＸ(mm)から式(2) により求
   まる指定固相率厚みＲ(mm)を関数とする式(3) の範囲の
   圧下量Ａ(mm)を鋳片に与えることを特徴とする連続鋳造
   による丸ビレット鋳片の製造方法。 0.4 ≦Ｐ≦1.0 (1) Ｒ＝[(Ｐ−fs) ／ (１−fs)]・Ｘ (2) Ｒ＜Ａ＜4.0 Ｒ (3) Ｘ：未凝固相厚み (mm) Ｒ：指定固相率厚み (mm) Ｐ：未凝固圧下指数 Ａ：圧下量 (mm)
2. 【請求項２】 鋳型内溶鋼電磁攪拌を実施する請求項１
   に記載の丸ビレット鋳片の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の方法により鋳
   片を圧下し、完全凝固した後、一対の水平ロールからな
   る凝固水平圧下スタンドと一対の垂直ロールからなる凝
   固垂直圧下スタンドを用いて断面形状の真円性を整える
   ことを特徴とする丸ビレット鋳片の製造方法。