JP3684136B2

JP3684136B2 - 薄鋳片連続鋳造機用ドラムおよび薄鋳片連続鋳造方法

Info

Publication number: JP3684136B2
Application number: JP2000140315A
Authority: JP
Inventors: 直也浜田; 和己関; 泰栗栖; 英明山村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: JP2001321895A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、普通鋼、ステンレス鋼、合金鋼、珪素鋼、および、その他の金属の溶湯から直接に薄鋳片を鋳造する双ドラム式連続鋳造機の冷却ドラム、および、これを用いて薄鋳片を連続鋳造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連続鋳造によってホットストリップと同等かそれに近い厚さの鋳片を製造する装置として、例えば、双ドラム式連続鋳造装置が知られている。この装置は、図３に示すように、軸を水平にし互いに接近して並行に設置され、且つ互いに逆方向に回転する一対の冷却ドラム１、１’と、冷却ドラム１、１’の両端面に圧着されたサイド堰２とを主要な構成部材としている。
【０００３】
冷却ドラム１、１’とサイド堰２とで形成された湯溜まり部３の上方にはシールチャンバー４が設けられ、シールチャンバー４内には不活性ガスが供給される。湯溜まり部３にタンディッシュ５から溶湯を連続的に供給することにより、溶湯は冷却ドラム１との接触部で凝固シェルを形成し、凝固シェルは冷却ドラム１、１’の回転に伴ってキッシングポイント６で圧着され薄鋳片Ｃとなる。
【０００４】
この冷却ドラム１、１’は、回転しながら溶湯を冷却して凝固シェルを生成するためのものであり、一般に、熱伝導率の良好なＣｕ、Ｃｕ合金によって形成される。この冷却ドラム１、１’は、湯溜まり部３を形成する時は溶湯と直接接触するが、キッシングポイント６を過ぎ、次に湯溜まり部３を形成するまでは溶湯と非接触状況となることから、溶湯の保有熱で加熱されたり、冷却ドラム１、１’の内部冷却水や空気により冷却される。また、凝固シェルを圧着して薄鋳片Ｃにする際に、薄鋳片Ｃと冷却ドラム１、１’表面の相対滑りによる摩擦力を繰り返し受けるため、表層がＣｕまたはＣｕ合金の場合には、鋳造の進行に伴い、周面表層ｄの損耗が激しく、表面形状が維持できなくなるため早期に鋳造不能となる。
【０００５】
このようなドラム表層の早期損耗を防止するため、冷却ドラム１、１’の表面に、例えば、１ｍｍ厚さ程度のＮｉめっき層を形成した冷却ドラム構造が知られている。
薄鋳片Ｃは板厚が１〜７mm程度と薄いため、その表面は凝固シェルの形成状態の影響を著しく受け、急冷による凝固シェル厚の不均一等により表面割れや光沢むらが発生するという問題がある。表面割れの発生を防止するために、冷却ドラム周面のＮｉめっき部分にショットブラスト、フォトエッチ、レーザ加工等により多数の窪みを設ける技術が、例えば、特開昭６０−１８４４４９号公報に開示されている。この窪みによって冷却ドラムと凝固シェルとの間に断熱層となるガスギャップを形成することで溶湯の緩慢な冷却を行い、また、窪みに溶湯を適度に入り込ませて鋳片表面に凸転写を形成させ、凸転写の周縁から凝固を開始させることで凝固シェル厚の均一化を図るものである。
【０００６】
しかしながら、湯だまり部に注入された溶融金属（溶湯）の表面に浮遊する酸化物（スカム）が、冷却ドラムの回転とともに、流れ込む溶湯に付随して引き込まれ、鋳片の凝固シェルの表面に付着して鋳造される場合があり、この結果、薄肉鋳片のスカム流入部と健全部との間に凝固不均一が生じて割れが発生し、鋳片の品質が損なわれるという問題点があった。
【０００７】
このような問題点に対応するため、特許第２９７７２８９号公報、特開平６−３２８２０４号公報に、２種類の大きさの窪みを組み合わせて導入することにより、小さい径の窪みによって製品表面割れを防止し、大きい径の窪みによって光沢むらを防止する冷却ドラム構造が提示されている。しかしながら、本発明者による実験研究の結果、開示されている窪みの組合せ条件では上記の二種の機能を同時に満足させることが困難であることが判明した。さらに、冷却ドラム表面の材質に関する特定はなされていない。
【０００８】
さらに、ここでの冷却ドラムの周面表層ｄの材質は、前述のごとく、一般的に、Ｎｉめっき層が想定されている。Ｎｉめっき部はドラム母材（Ｃｕ、Ｃｕ合金）より熱伝導率が低く、母材との結合性も良好であることから亀裂や剥離が生じ難く、かつ、母材より高硬度で耐磨耗性、耐変形性において相対的に優れたものであるが、実鋳造において長期間に亘って表面形状を安定維持するレベルの耐磨耗性や耐変形性には到達していない。そのため、長期間の連続使用を行うと、冷却ドラムの周面表層ｄの形状変化に伴い、薄鋳片Ｃの表面割れの発生主因になり得ることが確認されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、上述の従来技術における問題点である薄板製品の二大欠陥である表面割れと光沢むらの発生を同時に抑制した薄鋳片を長期間に亘って安定して鋳造し得る技術を実現することにあり、そのための薄鋳片連続鋳造機用ドラムおよび薄鋳片連続鋳造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、以下の（１）〜（５）の発明により解決する。
（１）互いに反対方向に回転する一対の冷却ドラムの間隙の上部に形成された湯溜まり部に、溶湯を連続的に供給して薄鋳片に連続鋳造するための薄鋳片連続鋳造機用ドラムにおいて、ドラム母材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱膨張率が該ドラム母材の０．５０〜１．２０倍でビッカース硬さＨｖが１５０以上であり厚みが１００〜２０００μm の中間層が前記ドラム母材の表面に被覆され、さらに、最表面に厚み１〜５００μm でビッカース硬さＨｖが２００以上の硬質めっきが施されたドラムであって、その表面に直径が２００〜２０００μｍ、深さが８０〜２００μｍの窪みを互いに接するか重なりを持つ条件で形成し、さらに、直径が５０〜２００μm 、深さが３０μm 以上の微小穴を穴相互間が接しない条件下でピッチが１００〜５００μm となるよう形成したことを特徴とする薄鋳片連続鋳造機用ドラム。
（２）前（１）項記載の薄鋳片連続鋳造機用ドラムにおいて、ドラム母材が銅もしくは銅合金であり、中間層がＮｉ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ−ＷまたはＮｉ−Ｆｅのめっき層であり、表層の硬質めっきがＮｉ−Ｃｏ−Ｗ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｃｒのいずれかであることを特徴とする薄鋳片連続鋳造機用ドラム。
（３）前（１）項記載の薄鋳片連続鋳造機用ドラムにおいて、窪みをショットブラストによって形成し、微小穴をパルスレーザ加工によって形成することを特徴とする薄鋳片連続鋳造機用ドラム。
（４）前（１）項記載の薄鋳片連続鋳造機用ドラムを用いることを特徴とする薄鋳片連続鋳造方法。
（５）前（４）項記載の薄鋳片連続鋳造方法において、薄鋳片連続鋳造中の溶湯との非接触タイミングに、前記微小穴を加工処理することを特徴とする薄鋳片連続鋳造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明（請求項１の発明）に沿う冷却ドラム断面の周面表層ｄを拡大して示した断面図（ａ）、ならびに、表面の凹凸状況を色の濃さで表した表面図（ｂ）である。以下では、図１を用いて本発明の冷却ドラムの各構成要件とその規定理由について詳細に説明する。
【００１２】
ドラム母材７は、その温度を低く保ち発生熱応力を小さくして長寿命化を図るため、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率が要求される。ＣｕおよびＣｕ合金の熱伝導率は３２０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋであることからこれらが最適な材質である。ドラム表面の中間層８は、熱膨張係数を母材の１．２倍未満とすることにより、中間層８とドラム母材７間の熱膨張係数差により発生する熱応力に起因する剪断応力を小さくして、中間層８の剥離を防止できる。１．２倍以上の熱膨張係数差があると、熱応力により短期間で中間層８が剥離し使用不能となる。この観点で、中間層８とドラム母材７の熱膨張係数は同じであることが望ましいが、中間層８に要求される硬度を満足する材料としては、０．５倍以上のものがほとんどであることから、下限は実質的に０．５倍程度である。
【００１３】
中間層８のビッカース硬さＨｖは、１５０未満では中間層８としての耐変形性に劣り寿命が短くなる。また、Ｈｖが１０００を超えると靱性が低くなり割れやすくなるので、中間層８のＨｖは１０００未満であることが望ましい。
中間層８の厚みは、ドラム母材７を熱的に保護するために１００μm 以上が必要であり、また、中間層８表面の温度が上がりすぎないための条件として、最大厚みは２０００μm であることが要求される。中間層８の形成材料としては、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、ドラム母材７の温度を低く保つことができるＮｉ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ、Ｎｉ−Ｆｅなどが適性があり、ドラム母材７にめっきで被覆することが、結合力を安定させ強度を大きくでき寿命を長くできる。また、均一な被覆を形成する上でも好ましい。
【００１４】
ドラム表面の最表層９の材質特性で要求される最も重要なパラメータは耐摩耗性であり、実用的に最低限要求されるビッカース硬さＨｖは２００以上である。厚みは１μm 以上あれば充分な耐摩耗性が得られる。厚みの上限値に関しては、硬質めっき材料は、一般的に熱伝導率が低いので、表面温度が上昇しすぎないように５００μm 以下である必要がある。
【００１５】
硬質めっきの形成材料としては、２００以上のＨｖが得られる材料として、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｃｒのいずれかが適性があり、中間層８にめっきで被覆することが、結合力を安定させ強度を大きくでき、長寿命化を図ることができる。
次に、冷却ドラムの周面表層ｄにおける窪み１０、及び、微小穴１１の加工の要件について説明する。
【００１６】
冷却ドラムの周面表層ｄには、まず、１ｍｍオーダーの長周期の凹凸（窪み１０）がショットブラスト法などによって全面に亘って導入される。このような窪み１０をつけた冷却ドラムを用いて溶湯を鋳造すると、まず、窪み凸部に溶湯が接触して凝固核の生成が起こり、一方、窪み凹部では、鋳片表面との間にガスギャップが生成して凝固核の生成は遅れる。窪み凸部での凝固核の発生によって凝固収縮応力は分散、緩和され、割れの発生は抑制される。
【００１７】
このような目的を達成するためには、窪み凸部が明確に規定される必要があり、このため、窪み１０は互いに接するか、重なりを持つ条件で形成する必要がある。これは、窪み１０が接しない条件で形成されると、元々の表面の平坦な部分が上記窪み凸部と同様な働きを行い、凝固核の発生を明確に規定できなくなるためである。窪み直径は、窪み凹部での凝固遅れに伴って発生する凝固収縮応力に起因する割れ発生との関係で規定され、２０００μm 以下である必要がある。また、この下限値は、後述する微小穴１１の直径との関係で規定され、微小穴の径以上である要件から２００μm となる。
【００１８】
窪み深さは、上記ガスギャップを生成させるため８０μm 以上の値が要求される。また、窪み深さが大きすぎると窪み凹部のガスギャップの厚みが増大し、窪み凹部の凝固シェルの生成が大きく遅れ、窪み凸部の凝固シェルとの間の厚みの不均一が拡大して割れが発生するので、２００μm 以下である必要がある。以上の説明に示した窪み１０の形成によって、定常的な鋳造条件下においては、薄鋳片Ｃの割れ・光沢むらは有効に抑制される。
【００１９】
しかしながら、この窪み１０のみを形成した冷却ドラム１、１’による鋳造では、〔従来の技術〕の項に記述したごとく、酸化物（スカム）が冷却ドラムの回転とともに、流れ込む溶湯に付随して引き込まれ、鋳片の凝固シェルの表面に付着して鋳造される場合には、薄肉鋳片のスカム流入部と健全部との間に凝固不均一が生じて割れやむらが発生する可能性がある。
【００２０】
そこで、本発明者らは詳細にわたる実験研究を遂行した結果、この窪み１０に、さらに、微小穴１１を特定条件で導入することにより、スカムが流入した箇所においても凝固不均一が発生しないことを解明した。本発明者らは、スカムが溶湯と冷却ドラム１、１’との間に流入した場合に発生する凝固不均一は、スカムの熱伝導率の違いよりも、流入時に巻き込まれて生成する空気層の存在に起因することを見い出した。この際に溶湯やスカムが表面張力によって流れ込まない程度の微小穴１１が表面に存在すると、上記空気は、この微小穴１１の部分に集約され空気層の形成が発生しない。
【００２１】
したがって、たとえスカムが流入しても凝固不均一の発生が抑制される。さらに、微小穴１１が存在することによって上記窪み１０の要件で説明した凝固核の発生をより細かい間隔で規定することが可能になるため、ガスギャップ部における凝固遅れに伴う割れ発生をより確実に抑制することができる。このような機能を達成するための微小穴１１の要件としては、まず溶湯やスカムが流れ込まないための穴直径の上限値として２００μm 以下であることが要求される。さらに、空気が巻き込まれた際に、有効に微小穴１１に集約するための要件として穴直径の最小値が規定され、これは５０μm である。
【００２２】
さらに、微小穴１１の相互間隔は、空気を有効に集約するため穴相互が接しない条件であることが必要で、凝固核発生を確実に規定するため穴相互の中心間ピッチは、１００〜５００μm であることが要求される。また、空気の集約機能を有効に発揮させかつ、凝固核発生を明確に規定するためには深さとして３０μm 以上が必要である。
【００２３】
以上のような窪み１０ならびに微小穴１１は、冷却ドラム１、１’上に中間層８、最表面層９へめっき処理を施した後に形成する。なお、最表層めっき硬度が非常に高く、窪み形成時にめっき部に割れが発生する可能性がある場合には、中間層８をめっきした後に窪み１０を形成させ、その上で最表層９をめっきし、最後に、微小穴１１を導入する可能性もあり、この順序はめっき種の選定にしたがって適宜選択される。
【００２４】
これらの窪み１０ならびに微小穴１１を形成する手段としては、窪み１０に関しては相互が重なり合うパターンを導入する方法として、空間的にランダムなパターン形成が可能であるショットブラスト法が有効であるが、放電加工その他の手法によって、本発明（請求項１の発明）で規定する条件を満たす加工ができる手段であればいずれでもよい。また、微小穴１１の形成手段としては、空間的なパターン制御が容易なパルスレーザ加工法が最も適しているが、フォトエッチング法などのその他の手法で実現することも可能である。
【００２５】
以上の説明においては、冷却ドラム１、１’は、薄鋳片鋳造に供する前に、本発明（請求項１の発明）で規定する条件で製造し使用することを想定して記述したが、微小穴１１が鋳造の進行と共に磨滅する可能性がある最表層めっき種が選定された場合には、図２に示すように、鋳造中に冷却ドラム面が溶湯から離れたタイミングで、微小穴１１を常時パルスレーザ加工によって導入する手段をとることも可能である。図２に示す構成においては、レーザ発振器１２から出力されたパルスレーザ光１４を集光レンズ１３で集光照射することにより、周方向に微小穴１１を形成させる。なお、図示しない光走査装置により紙面垂直方向にレーザ光を走査することにより、ドラム１、１’の全面に亘って微小穴１１を形成することができる。
【００２６】
【実施例】
オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を図３に示す双ドラム式連続鋳造装置により、板厚３mmの帯状の薄鋳片に鋳造し、鋳造に引続いて熱間圧延し、その後に冷間圧延して、板厚０．５mmの薄板製品を製造した。上記薄鋳片を鋳造するに際し、幅８００mm、直径１２００mmの冷却ドラムの周面に、表１に示す条件で中間層８ならびに最表層９をめっきし、窪み１０ならびに微小穴１１を形成したドラム１、１’を用いた。冷却ドラムの周面表層ｄに対する加工方法としては、窪み１０の形成にショットブラスト法を、また、微小穴１１の形成にレーザー法を用いた。冷却ドラム１、１’の耐久性の評価に関しては、それぞれで２０回の鋳造を行い、その周面表層ｄの損耗状態を目視評価することによって行った。また、鋳片品質の評価に関しては、冷間圧延後の薄板製品を目視検査することによって行った。
【００２７】
Ｎｏ．１〜８は発明例を示す。Ｎｏ．９及び１０は、従来法による比較例としてＮｉめっき表面ドラムにおいて、微小穴１１の有無のケースを示す。発明例では、いずれのケースにおいても、冷却ドラムの耐久性に優れ、かつ、薄鋳片に表面割れの発生はなく、圧延後の薄板製品にも表面疵は発生しなかった。比較例では、２０回の連続鋳造において、冷却ドラム表面の損耗が発生し、その結果として、初期の鋳片品質の良いＮｏ．９の条件においても、最終的には薄鋳片表面に割れが発生し、圧延後の薄板製品に表面疵ならびに光沢むらが発生した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、双ドラム式連続鋳造装置等によって製造される薄鋳片の表面割れならびに光沢むらを確実に防止するとともに、ドラム表面の高い耐久性が実現できるので、安定した無欠陥鋳片の製造を実現できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による双ドラム式連続鋳造用冷却ドラムの表面の態様を示す図である。（ａ）は、表面近傍を拡大して示す断面図、ならびに（ｂ）は、表面の凹凸状況を色の濃さで表す表面図である。
【図２】本発明の実施例を示す双ドラム式連続鋳造方法の側面図である。
【図３】従来の双ドラム式連続鋳造装置の側面図である。
【符号の説明】
１，１’…冷却ドラム
２…サイド堰
３…湯溜まり部
４…シールチャンバー
５…タンディッシュ
６…キッシングポイント
７…ドラム母材
８…ドラム表面の中間層
９…ドラム表面の最表層
１０…ドラム表面の窪み
１１…ドラム表面の微小穴
１２…レーザ発振器
１３…集光レンズ
１４…パルスレーザ光
Ｃ…薄鋳片
ｄ…冷却ドラムの周面表層

Claims

互いに反対方向に回転する一対の冷却ドラムの間隙の上部に形成された湯溜まり部に、溶湯を連続的に供給して薄鋳片に連続鋳造するための薄鋳片連続鋳造機用ドラムにおいて、ドラム母材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱膨張率が該ドラム母材の０．５０〜１．２０倍でビッカース硬さＨｖが１５０以上であり厚みが１００〜２０００μm の中間層が前記ドラム母材の表面に被覆され、さらに、最表面に厚み１〜５００μm でビッカース硬さＨｖが２００以上の硬質めっきが施されたドラムであって、その表面に直径が２００〜２０００μｍ、深さが８０〜２００μｍの窪みを互いに接するか重なりを持つ条件で形成し、さらに、直径が５０〜２００μm 、深さが３０μm 以上の微小穴を穴相互間が接しない条件下でピッチが１００〜５００μm となるよう形成したことを特徴とする薄鋳片連続鋳造機用ドラム。
請求項１記載の薄鋳片連続鋳造機用ドラムにおいて、ドラム母材が銅もしくは銅合金であり、中間層がＮｉ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ−ＷまたはＮｉ−Ｆｅのめっき層であり、表層の硬質めっきがＮｉ−Ｃｏ−Ｗ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｃｒのいずれかであることを特徴とする薄鋳片連続鋳造機用ドラム。
請求項１記載の薄鋳片連続鋳造機用ドラムにおいて、窪みをショットブラストによって形成し、微小穴をパルスレーザ加工によって形成することを特徴とする薄鋳片連続鋳造機用ドラム。
請求項１記載の薄鋳片連続鋳造機用ドラムを用いることを特徴とする薄鋳片連続鋳造方法。
請求項４記載の薄鋳片連続鋳造方法において、薄鋳片連続鋳造中の溶湯との非接触タイミングに、前記微小穴を加工処理することを特徴とする薄鋳片連続鋳造方法。