JP3570225B2

JP3570225B2 - 厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法

Info

Publication number: JP3570225B2
Application number: JP18319198A
Authority: JP
Inventors: 宏清水; 健太郎森; 政美小松; 正之中田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP2000015413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚みが２５０ｍｍ以上、幅が１５００ｍｍ以上の断面サイズを有する厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法に関するもので、詳しくは、内質が優れた鋳片を安定して鋳造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼製造業における連続鋳造法の普及は、品質向上、歩留り向上、省エネルギー及び省力化等の面でコスト合理化に大きく寄与しているが、従来、連続鋳造法による厚鋼板用鋳片の断面サイズは、厚みが２５０ｍｍ以下が一般的であり、厚鋼板製品の一部は寸法制約により、普通造塊法や一方向凝固法が適用されているのが実情である。しかし、これらの方法では分塊圧延を必要とする上、普通造塊法では、逆Ｖ偏析やＶ偏析及び沈殿晶の生成が避けられず、そのため、これらの品質欠陥部を避けて使用するために歩留りが悪く、又、一方向凝固法では、鋼塊表面の研削が必要のために歩留りが悪い上、生産性にも劣るという問題がある。このような状況の中、大断面鋳片を連続鋳造法により製造する方法が幾つか提案されている。
【０００３】
例えば、特開昭６３−２７８６５３号公報（以下、「先行技術１」と記す）には、垂直型連続鋳造機の水冷鋳型の下方に設けた圧下装置にて凝固途中の鋳片を圧下しつつ凝固を完了させて大断面鋳片を製造する方法が開示されている。先行技術１によれば、鋳片を圧下することで、鋳片の表面割れや内部割れが防止され、且つ、不純物の濃化した溶鋼の移動も防止されて偏析のない健全な鋳片が得られるとしている。又、特開昭６１−２１２４５７号公報（以下、「先行技術２」と記す）には、鋳片の未凝固層率が最適の値となる位置に未凝固層を攪拌する電磁攪拌装置を設置した大断面鋳片の垂直型連続鋳造設備が開示されている。先行技術２によれば、鋳片の中心偏析が改善され、品質の良い大断面鋳片を製造することができるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先行技術１及び先行技術２には以下の問題点がある。即ち、大断面鋳片を連続鋳造機、特に垂直型連続鋳造機で鋳造すると、鋳片軸心部には上方から沈降する等軸晶が堆積して等軸晶によるブリッジングが発生し、最終凝固部への溶鋼の補給が断たれ、鋳片の中心偏析や鋳片軸心部でのザクが悪化する。従って、大断面鋳片を連続鋳造機で鋳造する際には、等軸晶によるブリッジングが発生しないように、凝固界面の形状を制御する必要があるが、先行技術１及び先行技術２は、最終凝固部への溶鋼の補給があることを前提とした時の中心偏析の防止対策であり、そのため、常に最終凝固部への溶鋼補強が確保されるわけではなく、時として中心偏析の悪化やザクの悪化が発生し、高品質の鋳片を安定して製造する点で未だ改善の余地が高い。尚、ザクとは溶鋼の補給が断たれて発生する鋳片軸心部の気孔のことである。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、鋳片の中心偏析及び鋳片軸心部のザクが少なく、高品質の厚鋼板用大断面鋳片を安定して製造することができる連続鋳造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法は、鋳片厚みが２５０ｍｍ以上で、鋳片幅が１５００ｍｍ以上の厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法であって、鋳片引抜き速度と二次冷却強度とを制御し、伝熱解析にて求めた凝固シェルでの固相率が１．０の位置を近似する、三次以上の多項式の近似曲線と、鋳造方向の鋳片軸心線とが、凝固完了位置で交差して形成する角度を０．５度以上として鋳造することを特徴とするものである。
【０００７】
第２の発明による厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法は、第１の発明において、垂直型連続鋳造機により鋳造することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明者等は、大断面鋳片の連続鋳造の際には凝固界面の形状を制御する必要があるとの観点から、凝固界面の形状を表わす指標として凝固完了位置における凝固シェルの接線と鋳造方向の鋳片軸心線とで形成する角度を凝固界面角度θと定義し、鋳片内質を凝固界面角度θで整理することを試みた。
【０００９】
鋳片長辺面での凝固シェル厚みをｄ（ｍｍ）、鋳片引抜き速度をＶｃ（ｍｍ／ｍｉｎ）、凝固係数をＫ（ｍｍ／ｍｉｎ^１／２）、メニスカスからの距離をＬ（ｍｍ）とすると、凝固シェル厚みｄは（１）式で近似される。
ｄ＝Ｋ×（Ｌ／Ｖｃ）^１／２……（１）
【００１０】
（１）式に基づく、メニスカスからの距離Ｌと凝固シェル厚みｄとの関係を図１に破線で示す。図１に示すように、メニスカスからの距離Ｌの増加と共に凝固シェル厚みｄは増加する。しかし、鋳片軸心部では、溶鋼過熱度が減少することや鋳片長辺の両面からの冷却を受けること等により、凝固速度が速くなる現象、所謂、加速凝固が起こり、その結果、実際の凝固シェル厚みｄは、図１に実線で示すように、鋳片軸心部において（１）式から偏倚し、メニスカスからの距離Ｌｅの位置で凝固が完了する。即ち、（１）式よる凝固完了位置よりメニスカス側で凝固が完了する。従って、凝固界面角度θを求める際に、（１）式に基づいた凝固シェル形状から求めると、実際の凝固界面角度θより小さい角度を算出することになり、正確に求めることができない。
【００１１】
そこで、凝固界面角度θを正確に求めるため、伝熱解析により凝固シェル形状を近似し、この近似した凝固シェル形状において、固相率が１．０の位置を三次以上の多項式で近似し、この近似曲線と鋳片の軸心線とが凝固完了位置で交差して形成する角度θを凝固界面角度θとすることとした。図１に、このようにして定義した凝固界面角度θを示す。
【００１２】
このように、三次以上の多項式で凝固シェル形状を近似するので、正確に近似することができ、従って、凝固界面角度θを正確に求めることができる。尚、固相率とは、固相と液相との共存相における固相の比率を示すもので、固相率が１．０の位置は液相が無くなって完全凝固した位置を示すものであり、又、図１においてＤｏは鋳片厚みである。
【００１３】
発明者等は、連続鋳造機にて鋳片厚みが２５０ｍｍ以上の大断面鋳片を各種の鋳造条件で鋳造し、鋳片の中心偏析及び鋳片軸心部のザクの発生状況と、このように定義した凝固界面角度θとの関係について調査した。その結果、凝固界面角度θを０．５度以上とすること、即ち、凝固界面の形状を鉛直上方に向かって凝固界面角度θが０．５度以上に開いた形状とすることで、沈降する等軸晶によるブリッジングを防止することができ、中心偏析及び軸心部のザクが防止されることを見出した。
【００１４】
厚鋼板用大断面鋳片は断面サイズが大きいので、通常の湾曲型又は垂直曲げ型連続鋳造機のように、鋳片を曲げると鋳片表面に曲げ応力による表面疵が発生する。垂直型連続鋳造機を用いることで、鋳片の曲げ又は曲げ戻しを必要とせず、これによる表面疵の発生を未然に防止できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を図面に基づき説明する。図２は、本発明の実施の形態の１例を示す鋳片断面が矩形型の垂直型連続鋳造機の鋳片幅中央位置における側断面の概略図である。
【００１６】
図２において、鋳型２は、鋳片厚みＤｏが２５０ｍｍ以上、鋳片幅が１５００ｍｍ以上の断面サイズを有する鋳片７の鋳造を可能とし、そして、鋳型２の下方には、サポートロール１１、ガイドロール１２、ガイドロール１３、駆動ロール１４からなる鋳片案内ロールが設置されている。これらの鋳片案内ロールには、鋳型２の直下側から下方に向かって、第１冷却ゾーン４ａ、第２冷却ゾーン４ｂ、第３冷却ゾーン４ｃ、及び、第４冷却ゾーン４ｄの４つに分割された冷却ゾーンからなる二次冷却帯４が設置されており、二次冷却帯４は、水スプレー又はエアーミストスプレー、及び、これらを併用したものとする。ガイドロール１３は、鋳造方向に次第にロール間隔を狭めて鋳片７に圧下力を加えることが可能な、所謂軽圧下帯を構成するもので、又、駆動ロール１４は鋳片引抜き用ロールである。軽圧下帯は本発明に必須のものではないが、鋳片７の中心偏析の軽減等内質改善のために設置することが望ましい。そして、鋳型２の上方所定位置には、底部に浸漬ノズル３が設けられたタンディッシュ１が配置されている。
【００１７】
このような構成の連続鋳造機における鋳造方法は、先ず、取鍋（図示せず）からタンディッシュ１内に溶鋼５を注入し、次いで、浸漬ノズル３の先端をモールドパウダー（図示せず）で覆われたメニスカス６に浸漬させながら、タンディッシュ１内の溶鋼５を浸漬ノズル３を介して鋳型２内に連続的に注入する。鋳型２内に注入された溶鋼５は鋳型２に接触して冷却され、外周に凝固シェル９を形成し、次いで、凝固シェル９はサポートロール１１、ガイドロール１２、ガイドロール１３、駆動ロール１４を通り、下方に連続的に引抜かれる。この引抜き途中、凝固シェル９の表面は二次冷却帯４で冷却され、凝固シェル９の内部の未凝固層８の厚みを減少させ、凝固完了位置１０にて凝固を完了して鋳片７となる。
【００１８】
その際に、伝熱解析により求めた凝固シェル９における固相率１．０の位置を近似する、三次以上の多項式の近似曲線と、鋳造方向の鋳片軸心線とが、凝固完了位置１０で交差して形成する角度である凝固界面角度θを０．５度以上とするように、鋳片引抜き速度及び二次冷却強度を制御する。
【００１９】
そのためには、個別の鋳造に先立ち、凝固界面角度θを予め知る必要があるので、鋳造条件別に伝熱解析による理論計算にて凝固シェル９の形状を予め把握すると共に、凝固シェル９の固相率１．０の位置を三次以上の多項式にて近似し、凝固界面角度θを予め把握しておく。そして、凝固界面角度θが０．５度以上となる鋳片引抜き速度と二次冷却強度との組み合せで鋳造する。尚、凝固界面角度θを求めるには、近似曲線を微分して凝固完了位置１０における近似曲線の傾きから求める方法が容易である。
【００２０】
近似曲線は、鋳片厚みＤｏの全厚みを近似する必要はなく、鋳片軸心部について近似するのみで良い。又、伝熱解析による理論計算値の妥当性は、Ｆｅ−Ｓ合金等を封入した鋲を鋳片７に打ち込み、鋲を含む断面を塩酸腐食して直接凝固シェル９の厚みを測定し、この実測値と理論計算値とを比較することで確認することができる。理論計算値が実測値と異なる場合には、伝熱解析における境界条件等を変更して、実測値と等しくなるように調整する。
【００２１】
このようにして鋳造することで、沈降する等軸晶によるブリッジングを防止することができ、中心偏析及び鋳片軸心部のザクが未然に防止され、高品質の厚鋼板用大断面鋳片を安定して製造することができる。
【００２２】
尚、上記説明では垂直型連続鋳造機で説明したが、本発明は垂直型連続鋳造機に限定されるものではなく、湾曲型連続鋳造機や垂直曲げ型連続鋳造機であっても適用できる。又、上記説明では二次冷却帯４の冷却ゾーンの数は４であるが、冷却ゾーンの数は４に限るものではなく、１又は２以上であれば幾つであっても良く、更に、鋳片案内ロールの配置及び数は上記に限るものではないことはいうまでもない。
【００２３】
【実施例】
機長が４１ｍの図２に示す垂直型連続鋳造機を用い、タンディッシュ内の溶鋼過熱度を３５℃とし、鋳片幅を２１００ｍｍ一定として鋳片厚みを２５０ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、及び５００ｍｍとし、炭素濃度が０．１５ｗｔ％、１ヒートが２５０トンの溶鋼を試験Ｎｏ．１〜５６までの合計５６ヒート試験鋳造した。二次冷却強度は、試験Ｎｏ．１〜２８では比水量２．０ｌ／ｋｇ．ｓｔｅｅｌ（以下、「強冷却鋳造」と記す）とし、試験Ｎｏ．２９〜５６では比水量０．８ｌ／ｋｇ．ｓｔｅｅｌ（以下、「弱冷却鋳造」と記す）とした２水準とし、鋳片引抜き速度Ｖｃを、強冷却鋳造では０．３５〜１．５０ｍ／ｍｉｎ、弱冷却鋳造では０．２５〜１．５０ｍ／ｍｉｎとした。
【００２４】
そして、伝熱解析によりそれぞれの鋳造条件での凝固シェル厚みを近似し、近似した凝固シェルの固相率が１．０の位置を五次の多項式にて近似し、凝固界面角度θを求めた。伝熱解析によれば、凝固係数Ｋは、強冷却鋳造では３０．５ｍｍ／ｍｉｎ^１／２、弱冷却鋳造では２７．５ｍｍ／ｍｉｎ^１／２であった。試験Ｎｏ．３〜５及び試験Ｎｏ．３１〜３３の鋳片厚みが２５０ｍｍの試験鋳造と、試験Ｎｏ．２３〜２５及び試験Ｎｏ．５１〜５３の鋳片厚みが５００ｍｍの試験鋳造とでは、鋳片引抜き速度、二次冷却強度、及び凝固係数Ｋを同一としながら、鋳造方向の二次冷却強度の分布を変更して凝固界面角度を変更した。これらの試験鋳造においては、凝固界面角度θの大きい試験鋳造ほど凝固完了位置近傍の二次冷却強度を強くしてある。
【００２５】
全ての試験鋳造でＦｅ−Ｓ合金を封入した鋲を鋳造方向で２箇所鋳片に打ち込み、鋲を含む断面を塩酸腐食して直接凝固シェル厚みを測定し、伝熱解析の妥当性を確認した。又、鋳片の中心偏析を改善するため、凝固末期の圧下速度が０．８０〜１．２０ｍｍ／ｍｉｎとなるように、各試験鋳造で軽圧下帯のガイドロール間隔を調整した。更に、鋳型内には強度が０．２テスラの回転磁場を印加して等軸晶の生成を各試験鋳造で同一となるようにした。表１に、各試験鋳造における鋳片厚みＤｏ、鋳片引抜き速度Ｖｃ、及び、凝固界面角度θを示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
そして、鋳造後、鋳片の中心偏析及び鋳片軸心部のザクを検査し、凝固界面角度θと鋳片内質との関係を調査した。中心偏析は、鋳片幅方向中央部（以下、「Ｗ／２位置」と記す。Ｗは鋳片幅である）と短辺から３００ｍｍの位置（以下、「Ｗ／７位置」と記す）とで鋳片軸心部を含む５ｍｍφの試料をそれぞれ２０個採取して炭素分析し、この分析値（Ｃｉ）とタンディッシュ内で採取した試料の炭素分析値（Ｃｏ）との比（Ｃｉ／Ｃｏ）の平均値を中心偏析度として評価した。中心偏析度は、１．０８以下を合格とし、１．０８を越えるものを不合格とした。
【００２８】
鋳片軸心部のザクは、Ｗ／２位置とＷ／７位置とから、鋳片軸心部より幅１０ｍｍ×厚み１０ｍｍ×鋳造方向長さ２００ｍｍの試料を採取し、これら試料を鏡面研磨して顕微鏡観察し、ザクの最大開口幅をザク指数として評価し、ザク指数が１．５ｍｍ以下を合格とし、１．５ｍｍを越えるものを不合格とした。このようにして評価した鋳片品質の調査結果を表２に示す。
【００２９】
【表２】

【００３０】
表２に示すように、Ｗ／２位置では中心偏析は全ての試験鋳造で合格であり、鋳片軸心部のザクも試験Ｎｏ．５６で不合格となったのみで、他の試験鋳造は全て合格であったが、Ｗ／７位置では、中心偏析及び軸心部のザクが、不合格となる試験鋳造が発生した。
【００３１】
図３は、強冷却鋳造の試験鋳造での凝固界面角度θとＷ／７位置におけるザクの最大開口幅との関係を示した図であるが、凝固界面角度θが０．５度以上の試験鋳造では、ザクの最大開口幅は１．５ｍｍ以下であり、合格範囲であった。又、図４は、弱冷却鋳造の試験鋳造での凝固界面角度θとＷ／７位置におけるザクの最大開口幅との関係を示した図であるが、図３と同様に、凝固界面角度θが０．５度以上の試験鋳造では、ザクの最大開口幅は１．５ｍｍ以下であり、合格範囲であった。
【００３２】
図３及び図４より、凝固界面角度θを０．５度以上とすれば、軸心部のザクを小さくすることができること、及び、凝固界面角度θを小さくするほど、ザクの最大開口幅が増大することが分かった。又、鋳片引抜き速度及び二次冷却強度が同一条件であっても、例えば試験Ｎｏ．３〜５に示すように、二次冷却の鋳造方向の分布を変更することで凝固界面角度θに差が生じ、そのため鋳片内質もその影響を受けて変化することが分かった。このように、鋳片引抜き速度と二次冷却強度を同一としても凝固界面角度θは変わるので、鋳造条件毎に伝熱解析を実施して凝固界面角度θを求める必要があることも分かった。
【００３３】
中心偏析及び軸心部のザクが共に合格となったものを総合評価で合格として表２に○印で表示した。このように、凝固界面角度θを０．５度以上とすることで、中心偏析及び軸心部のザクは品質上問題の無い範囲に改善され、高品質の大断面鋳片を安定して製造することが可能となった。尚、表２の備考欄に本発明の範囲内の試験鋳造を実施例とし、それ以外の試験鋳造を比較例として表示した。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、鋳片の中心偏析及び鋳片軸心部のザクが少なく、高品質である厚鋼板用大断面鋳片を安定して製造することができ、その工業的効果は格別である。
【図面の簡単な説明】
【図１】メニスカスからの距離と凝固シェル厚みとの関係から、凝固界面角度の定義を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例を示す鋳片断面が矩形型の垂直型連続鋳造機の鋳片幅中央位置における側断面の概略図である。
【図３】強冷却鋳造において、凝固界面角度とＷ／７位置におけるザクの最大開口幅との関係を調査した結果を示す図である。
【図４】弱冷却鋳造において、凝固界面角度とＷ／７位置におけるザクの最大開口幅との関係を調査した結果を示す図である。
【符号の説明】
１タンディッシュ
２鋳型
３浸漬ノズル
４二次冷却帯
５溶鋼
６メニスカス
７鋳片
８未凝固層
９凝固シェル
１０凝固完了位置

Claims

鋳片厚みが２５０ｍｍ以上で、鋳片幅が１５００ｍｍ以上の厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法であって、鋳片引抜き速度と二次冷却強度とを制御し、伝熱解析にて求めた凝固シェルでの固相率が１．０の位置を近似する、三次以上の多項式の近似曲線と、鋳造方向の鋳片軸心線とが、凝固完了位置で交差して形成する角度を０．５度以上として鋳造することを特徴とする厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法。
垂直型連続鋳造機により鋳造することを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板用大断面鋳片の連続鋳造方法。