JP3294987B2 - 偏析と内部割れを防止する連続鋳造法 - 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、モールド直下から
圧下する機内圧下の連続鋳造法において、内部割れおよ
び中心偏析の発生を防止して、製品にできるだけ近い形
状の鋳片を製造する連続鋳造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、海洋構造物，貯槽，石油およびガ
ス運搬用鋼管，高張力線材などの材質特性に対する要求
が厳しさを増すと同時に、これらをより安価に製造する
方法の確立が重要課題になっている。

【０００３】これらを実現するための鋳片の品質につい
て先ず検討すると、鋳片は断面内において均質であるこ
とが理想であるが、しかしながら鋳片には介在物，偏
析，ポロシティーなどが発生し、鋼材の特性に影響を及
ぼす。これらの欠陥のうち偏析は、溶鋼に含有している
硫黄，燐，マンガン等の不純物元素が鋳造工程において
部分的に濃化して発生する。

【０００４】このような偏析の１つの原因は、鋳造中に
発生する割れであり、割れはロールのミスアライメント
やバルジング，矯正曲げ，垂直曲げの曲げ戻し、あるい
は近年発展している軽圧下による固液界面に発生する圧
下歪により発生し、その際、デンドライト樹間等に濃化
している硫黄，燐，マンガン等の不純物元素を割れ内に
吸引して偏析を形成し、内部割れになる。

【０００５】これら内部割れの防止方策としては、固液
界面に発生する歪をできるだけ小さくすることが有効
で、ロールのミスアライメントの防止や鋳造速度の制
限、あるいは圧下量の制限等で対処している。

【０００６】また、もう一つの鋳片の均質性を損なう重
大な偏析は中心偏析で、連続鋳造により得られる鋳片の
中心部には、不純物元素等が濃化した中心偏析やＶ偏析
が観察される。

【０００７】これは、本発明者らが先に〔“材料とプロ
セス”ｖｏｌ．２（１９８９），１２６９〕にて報告し
たごとく、凝固末期に鋳片中心部に発生するブリッジン
グや固液界面の凹凸等により、中心部の通液抵抗が部分
的に増大して、周囲のデンドライト樹間の濃化溶鋼が、
凝固収縮吸引力によって吸引され中心部に集積すること
による。

【０００８】この鋳片中心部の通液抵抗が増大する理由
は、ブリッジングや固液界面の凹凸により中心部の固相
率が局部的に増大し、この固相率の大きい中心部のデン
ドライト等の樹間の融点の低い濃化溶鋼が下方の凝固収
縮により吸引され、この低融点濃化溶鋼が抜けたデンド
ライト等の樹間へ、上部の不純物等の溶質が濃化してい
ない上方の融点の高い溶鋼が侵入して、局部的に凝固す
ることによる。

【０００９】中心偏析やＶ偏析の防止対策としては、電
磁攪拌により樹間流動が発生しにくい等軸晶等に凝固組
織を制御する方法や、また濃化溶鋼等の流動原因となる
凝固収縮を、鋳片の表面を圧下する軽圧下により補償す
る方法などが近年発展している。

【００１０】一方さらなる省工程の方策を考えると、鋳
造速度の増大や圧延工程を省略する方法が考えられる。
圧延工程を省略するためには、良く知られているごと
く、製品形状に近い形を鋳造段階で実現する双ロール法
等の方法と、凝固工程で圧下する機内圧下の方法が提案
されている。

【００１１】以上のプロセスにおいて、いずれも内部割
れ防止対策とＶ偏析や中心偏析等の偏析防止対策の確立
が不可欠であり、特に連鋳機内圧下においては内部割れ
及び偏析の発生を防止して、圧下量をできるだけ大きく
する技術の確立が重要課題である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところでＶ偏析や中心
偏析等の偏析を防止するためには、濃化溶鋼が集積しな
いよう圧下する必要があり、また内部割れの発生を防止
するには、圧下により発生する固液界面の歪を材料が持
っている限界歪以下に制御する必要がある。従来、固液
界面の圧下歪算出式として、杉谷らが〔鉄と鋼，６８
（１９８２），Ａ１４９〕にて報告している（４）式の
型が良く知られている。

【００１３】

【数４】 ε＝１．１５×３ｄ×δ×１００／１² ………… （４） ただし ε：圧下歪 ，ｄ：シェル厚 ，δ：圧下量 ，１：ロ
ールピッチ

【００１４】（４）式に基づくと、ロール圧下の圧下歪
はロールピッチが短いほど圧下量が大きいほど大きくな
り、圧下歪を小さくするためには圧下時のシェル厚およ
びロールピッチを大きく、圧下量は小さくすれば良いと
いう結論になり、ロールピッチの項が実態に合わない。

【００１５】前記（３）式では内部割れを発生させず、
限られた圧下帯長さで多本数ロールによりできるだけ大
きな圧下量を確保する方法の検討ができない。従って、
偏析および内部割れを発生させず、製品にできるだけ近
い形状まで圧下する圧下方法の確立が必要である。

【００１６】本発明は、上記課題を解決するために成さ
れたもので、偏析と内部割れを防止する連続鋳造法を提
供する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは下記のとおりである。

【００１８】本発明は、鋳片を圧下しつつ引き抜く溶融
金属の連続鋳造法において、各ロールの圧下量Δｈを
（５）（６）（７）式の範囲となるよう決定することを
特徴とする偏析と内部割れを防止する連続鋳造法であ
る。

【００１９】

【数５】 ただし β ＝ｔａｎ^-1〔ｌｄ／（Ｒ＋Ｄ−Δｈ／２）〕 ｌｄ＝（Ｒ・Δｈ）^0.5

【００２０】

【数６】 εｃ＝５．０９＋２３．８・ｆ ΔＴ≦０℃ ………… （６）

【００２１】

【数７】 εｃ＝４．５５−０．７６・ΔＴ ΔＴ＞０℃ ………… （７）

【００２２】上式において、 εc ： 内部割れ発生の割れ限界平均圧下歪 （％）， Ｒ ： 圧下ロールの半径 （ｍｍ）， Ｄ ： 固相率１のシェル厚 （ｍｍ）， ｌｄ： 接触長 （ｍｍ）， Δｈ： 圧下量 （ｍｍ）， ΔＴ： モールド内スーパーヒート（℃）， ｆ ： モールド内溶湯温度固相率表示 ， β ： ロールと鋳片が接触した位置のシェル厚Ｄの位
置とロール中心を結んだ線とロール中心の垂線とのなす
角度 （ラジアン） である。

【００２３】上記偏析と内部割れを防止する連続鋳造法
において、各圧下ロールの直径を５０ｍｍ〜３５０ｍｍ
とした２本以上の多本数ロールからなる圧下ロールの組
を作り、各ロールの圧下量を（５）（６）（７）式の範
囲となるよう決定し、鋳片の中心固相率が０．３〜０．
６まで圧下することにより、圧下に起因した内部割れと
偏析の発生を防止して製品形状に近い鋳片を製造するこ
とを特徴とする連続鋳造法である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下実施の形態により、本発明を
さらに詳しく説明する。

【００２５】本発明者らは、圧下における鋳片の圧下挙
動と内部割れの発生挙動を研究した結果に基づき、鋳片
の圧下力と圧下量の間に下記（８）式の関係が成立して
いることを、すでに〔（鉄と鋼（１９８７），ｐ．２０
７）〕にて報告した。

【００２６】

【数８】 Ｐ＝ｋ（Ｒ・Δｈ）^0.5 ………………… （８） ただし Ｐ＝圧下反力， ｋ：変形抵抗， Ｒ：圧下ロール半
径， Δｈ：圧下量

【００２７】上記（８）式の関係が成立するのは、鋳片
の圧下挙動とロールとの間に、図１の未凝固圧下挙動に
基づく鋳片の変形挙動を示す図面における圧延の関係が
概略成立していることを意味する。図１において、３は
圧延ロール，１２は鋳片，Ｒはロール半径，Ｄはシェル
厚，Δｈは圧下量，ｌｄは接触長さである。

【００２８】本発明者は、これらの結果に基づき軽圧下
における鋳片の内部割れの発生防止条件についてさらに
研究を進めた。図２はプラスチシンを用いた各厚さ位置
の圧下による最大歪の圧下実験の結果を示し、プラスチ
シンの表層からの距離がＤの位置に発生する歪と、ロー
ルがプラスチシンと接触し始める位置からの距離との関
係を示すものである。

【００２９】厚さ方向各位置の発生歪は最大値があり、
その最大値の発生位置は表層ほどロールとプラスチシン
（鋳片）の接触開始位置に近く、鋳片の厚み中心部ほど
ロールの軸心直下に近くなる。実際に内部割れに結びつ
く歪は、このように発生した最大歪と考えられる。

【００３０】本発明者は、かかる歪をロール径等の設備
条件との関係で簡単に表現できる簡便な指標について研
究した結果、鋳片のシェル厚Ｄに発生する最大歪は、図
３の圧下による各厚さ位置の測定最大歪と幾何形状に基
づく平均歪の関係に示すごとく、下記（９）式に示すシ
ェル厚Ｄの平均歪εと良好な相関があることを知見して
本発明を成し遂げた。

【００３１】

【数９】 ここで β ＝ｔａｎ^-1〔ｌｄ／（Ｒ＋Ｄ−Δｈ／２）〕 ｌｄ＝（Ｒ・Δｈ）^0.5

【００３２】上記（９）式において、ε：平均圧下歪
（％），Ｒ：圧下ロールの半径（ｍｍ），Ｄ：固相率１
のシェル厚（ｍｍ），ｌｄ：接触長（ｍｍ），Δｈ：圧
下量（ｍｍ），β：ロールと鋳片が接触した位置のシェ
ル厚Ｄの位置とロール中心を結んだ線とロール中心の垂
線とのなす角度（ラジアン）である。

【００３３】図３中には、炭素鋼について一点矯正曲げ
で割れが発生する限界歪と、軽圧下において、圧下割れ
が発生した時の（９）式で計算した平均圧下歪εの関係
もプロットしている。プラスチシンの結果も含め表層か
らの距離Ｄに発生する実際の歪と、（９）式で計算した
シェル厚Ｄにおける平均圧下歪εとの間には良好な相関
が認められる。

【００３４】従って、（９）式により内部割れの防止が
可能な各ロールの圧下量を、圧下ロール径等の設備条件
との関係で算出することができる。図４は、鋳片単位長
さ当たりに挿入可能なロール本数とロール径の関係を示
す図面である。ロール径が小さいほど、単位長さに挿入
可能なロール本数を増やすことができる。

【００３５】図５は、図６に示す実験装置のモールド１
の直下水でスプレー２により鋳片を冷却した後、直径２
００ｍｍの圧下ロール３を配置して、測定した割れ限界
圧下量とモールド１の中の溶湯４のスーパーヒートの関
係を示す図面である。

【００３６】また図７は、図５に示す限界圧下量やロー
ル径等を用いて、前記（５）式で計算した割れ限界平均
圧下歪εｃと、モールド内スーパーヒートの関係を示し
た図面である。モールド内のスーパーヒートは小さいほ
ど割れは発生しにくく、１ロール当たりの圧下量を増大
することが可能で、割れ限界平均圧下歪εｃが大きくな
る。

【００３７】特にモールド内の溶湯温度を、液相線温度
より低くしたスーパーヒートが０℃以下の半凝固鋳造の
場合、割れを発生させない１ロール当たりの割れ限界圧
下量は、大幅に増大することが可能で、少ないロール本
数で、鋳片の形状が制御できる。

【００３８】図８は、図９に示すごとくモールド１の直
下に２本以上からなる多本数の圧下ロール３と１１を設
置して、圧下ロール間に冷却温度調整用水スプレー７を
配置して、各ロールの圧下量とロール径を、前記（５）
（６）（７）式で決定して圧下した場合の、０．１％Ｃ
鋼の偏析に及ぼす未凝固圧下の圧下終了ロール１１直後
９の位置の中心固相率の影響を示す図面である。

【００３９】多本数ロールによる未凝固圧下の、終了ロ
ール直後の中心固相率が０．３より小さい場合、鋳片１
２には偏析が観察され、多本数ロールの最終ロールの圧
下終了時期を中心固相率で０．３より大きくすること
で、偏析を防止することができる。

【００４０】このように中心偏析が改善できる理由は、
図１０に模式的に示すごとく、曲線１３，１４で示した
固相率０．１〜０．３のシェル厚が圧下により瞬時に中
心部に移動し、濃化溶鋼の集積が激しい中心固相率０．
１〜０．４の経過時間を短縮できることによる。

【００４１】なお偏析は、マクロエッチで観察して、鋳
片のシェル厚や固相率は冷却水量や鋳片厚および各物性
を用いて伝熱計算により各位置の温度を計算し、固相率
は各位置の計算温度を用いて（１０）式で算出した。

【００４２】

【数１０】 固相率＝（Ｔ−Ｔｓｌ）／（Ｔ１１−Ｔｓｌ） ………… （１０） ただし Ｔ ： 伝熱計算により計算した各位置の
計算温度 Ｔｓｌ： 溶湯の固相線温度 Ｔ１１： 溶湯の液相線温度

【００４３】

【実施例】表１は、このようにして製造した鋳片の品質
および鋳片形状である。本発明法により偏析がなく、内
部割れもない、また製品形状に近い形状の鋳片の製造が
可能である。なお鋳片のさらなる形状調整は、以上の機
内圧下後に設置した図９に示す水スプレー１０で鋳片温
度を調整した後に切断するか、あるいは連続して、次工
程に供給してそのまま圧延するか、あるいは加熱炉で加
熱した後に圧延して整える。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の連続鋳造法
は、鋳片を圧下しつつ引き抜く溶融金属の連続鋳造法に
おいて、各ロールの圧下量を、所定の式で定めた割れ限
界平均圧下歪以下の範囲にて圧延することにより、内部
割れや偏析欠陥がなく、かつ製品形状に近い形状の鋳片
が簡便な方法で製造でき、圧延工程の省略が可能になる
とともに、良質の鋳片を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】未凝固圧下挙動に基づく鋳片の変形挙動の概略
を示す図面である。

【図２】各厚さ位置の圧下による最大歪を示す図面であ
る。

【図３】圧下による各厚さ位置の測定最大歪と幾何形状
に基づく平均歪の関係を示す図面である。

【図４】単位長さに挿入可能なロール本数を示す図面で
ある。

【図５】内部割れを防止することが可能な１ロール当た
りの圧下量に及ぼすモールド内スーパーヒートの影響を
示す図面である。

【図６】内部割れが発生する限界圧下量に及ぼすモール
ド内スーパーヒートの影響を明らかにした実験装置を示
す図面である。

【図７】内部割れを防止することが可能な（５）式で計
算した割れ限界平均圧下歪εｃに及ぼすモールド内スー
パーヒートの影響を示す図面である。

【図８】偏析に及ぼす機内圧下終了凝固時期の影響を示
す図面である。

【図９】偏析に及ぼす多本数ロール機内圧下の影響を実
験した実験装置を示す図面である。

【図１０】本発明法により解析が改善できる理由を示す
図面である。

【符号の説明】

１ モールド ２ 水スプレーノズル ３ 圧下ロール ４ 溶湯 ５ 固相率１のシェル厚 ６ 浸漬ノズル ７ 鋳片温度調整用水スプレーノズル ８ 固相率ｆのシェル厚 ９ 機内圧下最終ロール直後の中心固相率 １０ 鋳片温度調整用の水スプレーノズル １１ 最終機内圧下ロール １２ 鋳片 １３ 固相率０．１のシェル厚 １４ 固相率０．３のシェル厚

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−281400（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−132355（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−262325（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−285619（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−185183（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−200963（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/20 B22D 11/128 350

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋳片を圧下しつつ引き抜く溶融金属の連
   続鋳造法において、各ロールの圧下量Δｈを（１）
   （２）（３）式の範囲となるよう決定することを特徴と
   する偏析と内部割れを防止する連続鋳造法。 【数１】 ただし β ＝ｔａｎ^-1〔ｌｄ／（Ｒ＋Ｄ−Δｈ／２）〕 ｌｄ＝（Ｒ・Δｈ）^0.5 【数２】 εｃ＝５．０９＋２３．８・ｆ ΔＴ≦０℃ ………… （２） 【数３】 εｃ＝４．５５−０．７６・ΔＴ ΔＴ＞０℃ ………… （３） 上式において εc ： 内部割れ発生の割れ限界平均圧下歪 （％） Ｒ ： 圧下ロールの半径 （ｍｍ） Ｄ ： 固相率１のシェル厚 （ｍｍ） ｌｄ： 接触長 （ｍｍ） Δｈ： 圧下量 （ｍｍ） ΔＴ： モールド内スーパーヒート（℃） ｆ ： モールド内溶湯温度固相率表示 β ： ロールと鋳片が接触した位置のシェル厚Ｄの位
   置とロール中心を結んだ線とロール中心の垂線とのなす
   角度 （ラジアン）
2. 【請求項２】 各圧下ロールの直径を５０ｍｍ〜３５０
   ｍｍとした２本以上の多本数ロールからなる圧下ロール
   の組を作り、各ロールの圧下量を（１）（２）（３）式
   の範囲となるよう決定し、鋳片の中心固相率が０．３〜
   ０．６まで圧下することにより、圧下に起因した内部割
   れと偏析の発生を防止して製品形状に近い鋳片を製造す
   ることを特徴とする請求項１記載の偏析と内部割れを防
   止する連続鋳造法。