JP3820961B2

JP3820961B2 - 鋼の連続鋳造方法

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Publication number: JP3820961B2
Application number: JP2001333061A
Authority: JP
Inventors: 栄司俵; 嘉久北野; 滋小倉; 智明田玉
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2003136208A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造方法に関し、特に鋳造条件を制御して欠陥の発生を可及的に低減する際に適用して好適な鋼の連続鋳造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に連続鋳造機では、図３に示す如く、タンディッシュ１の底部に設けられた浸漬ノズル２から鋳型３内に溶湯４を供給し、水冷された鋳型壁との接触によって一次冷却することにより、その周囲に凝固シェルが形成されたストランド５とし、それを前記鋳型３から引抜きながら、サポートロール群６を形成する各ロール間隙に設けられたスプレーノズル（図示せず）からスプレーされる冷却水（場合によっては一部の範囲についてはスプレーなしの空冷を併用しつつ）による二次冷却を行って内部まで完全に凝固させた後、前記サポートロール群６の後方に離隔して設けられたトーチカッタ７により所要長毎に切断して、複数の鋳片を連続的に製造している。
【０００３】
このような連続鋳造機の操業においては、ストランド５内の溶鋼が凝固を完了する位置（これを最終凝固位置という）が、連続鋳造機の最終サポートロール８の位置（これを連続鋳造機の機端Ｅという）よりも上流側にあることが必要である。
【０００４】
上述した鋼の連続鋳造においては、凝固途中に生じる鋳片（ストランド）の相変態、表面や内部の変形、その他の要因によって、表面割れや内部割れなど種々の欠陥が発生する。このような欠陥の発生を防止するためには、連続鋳造時の凝固現象を解明して鋳片に欠陥が生じない鋳造条件を見出し、そのような条件によって連続鋳造することが必要である。
【０００５】
従来、このような欠陥を発生しない鋳造条件を見出すためには次のような手順によっていた。即ち、それぞれの欠陥毎に凝固現象をシミュレーションするモデルを立てて、その範囲内で種々の境界条件を変化させて凝固計算や弾塑性解析を行ない、その結果から欠陥の発生のない境界条件を見出し、そのような境界条件が達成できる鋳造条件（例えば、鋳造速度や冷却条件など）を選択して連続鋳造を行なっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような方法では、ある欠陥の発生を防止する境界条件を見出したとしても、その条件が他の欠陥発生にどのような影響を与えるかを別途のモデルで計算し直さなくてはならず、そのため各種の欠陥の全てを無くす条件を見出すには、多くの手間がかかるという問題があった。
【０００７】
又、現実の鋳造においては、例えば溶鋼成分、溶鋼温度、スラブ幅、二次冷却水水量、二次冷却水温、鋳造速度等の鋳造条件に、変動（変更速度では加減速）が不可避的に発生することが多い。そのような場合は、上記の如くして各種欠陥をなくすべく定められた所定の鋳造条件を、現実の操業条件が逸脱する可能性があり、そのような逸脱が生じると鋳片欠陥の発生が避けられなかった。又、上記のように不可避的に発生する鋳造条件の変動を予め予測することは困難であるため、そのような変動が生じてその鋳片が欠陥を有することになるか否かを予知することはできなかった。そのため熱間圧延時に初めて鋳片が欠陥を有することが明らかになり、生産工程を大幅に撹乱することがしばしば発生した。
【０００８】
これに加えて連続鋳造の普及に伴い、種々の鋼種が連続鋳造によって製造されるにおよび、鋼種毎の物性の違い（凝固温度、比熱、各温度での出現する相とその強度など）に対応して欠陥を防止する鋳造条件がそれぞれ異なり、それらを全て上記の方法で定めていくことは事実上困難であった。
【０００９】
本発明は、上述した鋳片欠陥の発生を防止する最適な鋳造条件を迅速に決定することが困難であるという従来技術の問題点を解決するべくなされたもので、短時間で最適な鋳造条件を選択できると共に、必要に応じて欠陥の発生を早期に予測して必要な処置を迅速に講じることができる鋼の連続鋳造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鋼の連続鋳造方法において、製造される鋳片に発生が予想される欠陥について、その欠陥の発生と相関がある定量的指標を選択し、前記欠陥についてその発生率が所定のレベル以下となる前記選択された定量的指標の適正範囲を予め特定しておき、該定量的指標が適正範囲となる鋳造条件を、連続鋳造されるストランドに対する凝固計算によって算出し、得られた鋳造条件下で現実の連続鋳造を行なうことにより、前記課題を解決したものである。
【００１１】
本発明は、又、前記鋼の連続鋳造方法において、前記現実の連続鋳造の途中で、現実の鋳造条件に基づいて再度、凝固計算を行なって、前記定量的指標の値を推定し、その推定値が前記の適正範囲から逸脱しないように鋳造条件を制御するようにしたものである。
【００１２】
本発明は、又、前記鋼の連続鋳造方法において、前記現実の連続鋳造の途中で、現実の鋳造条件に基づいて再度、凝固計算を行なって、前記定量的指標の値を推定し、その推定値が前記の適正範囲から逸脱した場合に、欠陥発生の可能性ありとして、対象となる鋳片に対して所定の処理を行なうようにしたものである。
【００１３】
本発明は、又、前記鋼の連続鋳造方法において、前記凝固計算が、連続鋳造機に対して鋳込み方向に連続する複数のゾーンを設定すると共に、連続鋳造中のストランド内に所定長さの鋳込みが進行する毎に鋳込み方向に垂直な計算面を発生させ、該計算面が前記各ゾーンを通過し、次のゾーン入側境界に到達した時点で、該計算面が直前に通過したゾーンの平均冷却条件に基づいて該計算面内の２次元凝固計算を行い、その結果得られた該計算面内の温度分布を、前記次のゾーンを通過し、更に次のゾーン入側境界に到達した時点で行う前記凝固計算の初期値として与える如く、順次前記計算面内の凝固計算を行うことにより、最終ゾーン入側境界における計算面内の温度分布を求め、該最終ゾーン入側境界における計算面が全て固相線温度以下の場合は最終ゾーン内にあるストランドが凝固を完了しているとみなし、該最終ゾーン入側境界における計算面が固相線を越える温度を示す場合は、該境界に前記計算面が到達した時点での最終ゾーンの冷却条件を用いて、該計算面について最終ゾーン内の凝固計算を行ってストランドの最終凝固位置を推定するものである。
【００１４】
本発明は、又、上記凝固計算において、前記各ゾーン内の平均冷却条件が、任意のゾーンについて所定時間周期で採取された冷却条件を蓄積し、計算面が該ゾーンを通過するに要した時間により、蓄積された冷却条件を平均化して得られたものである。
【００１５】
本発明は、又、上記凝固計算において、前記ゾーンを、前記連続鋳造機に沿って設置されている二次冷却帯における冷却条件を管理する冷却ゾーンに一致させるようにしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
初めに、本発明の技術的背景について説明する。近年の計算機の高速化・高性能化によって、鋳片の欠陥発生に影響を及ぼす因子となる、例えば溶鋼成分、溶鋼温度、スラブ幅、二次冷却水量、二次冷却水水温、鋳造速度等の鋳造条件の変動（変化）を短周期でサンプリングし、オンライン凝固計算を行なうことが可能になった。
【００１８】
本発明者は、このオンライン凝固計算を利用して、鋳片（ストランド）の凝固厚み、最終凝固位置、表面温度等の、製造される鋳片の内部欠陥、表面欠陥に影響を及ぼす条件を定量的指標として推定計算し、これら定量的指標（鋳片の凝固厚み、最終凝固位置、表面温度等）が欠陥発生の閾値を超過しないようにオンラインで鋳造条件を制御することにより、鋳片の欠陥を防ぐことが可能になり、又欠陥の発生を予知することが可能であることを見出した。
【００１９】
本発明は、以下に具体例を挙げて詳細に説明するが、このような凝固計算の手法を利用して、推定計算することにより得られる各種の定量的指標（例えば、鋳片の表面温度や最終凝固位置等）を利用し、そのような指標と鋳片欠陥の発生の有無との間の関係から最適な鋳造条件を見出したり、あるいは現実の鋳造条件から欠陥の発生を予測して適切な処置をとることを可能にするものである。
【００２０】
上記の推定計算には、本出願人が先に提案した特願２０００−３８７６０９に開示した凝固計算の手法が好適に使用できる。便宜上、ここに提案済の凝固計算について詳細に説明する。
【００２１】
この凝固計算は、連続鋳造機に対して鋳込み方向に連続する複数のゾーンを設定すると共に、連続鋳造中のストランド内に所定長さの鋳込みが進行する毎に鋳込み方向に垂直な計算面を発生させ、該計算面が前記各ゾーンを通過し、次のゾーン入側境界に到達した時点で、該計算面が直前に通過したゾーンの平均冷却条件に基づいて該計算面内の２次元凝固計算を行い、その結果得られた該計算面内の温度分布を、前記次のゾーンを通過し、更に次のゾーン入側境界に到達した時点で行う前記凝固計算の初期値として与える如く、順次前記計算面内の凝固計算を行うことにより、最終ゾーン入側境界における計算面内の温度分布を求め、該最終ゾーン入側境界における計算面が全て固相線温度以下の場合は最終ゾーン内にあるストランドが凝固を完了しているとみなし、該最終ゾーン入側境界における計算面が固相線を越える温度を示す場合は、該境界に前記計算面が到達した時点での最終ゾーンの冷却条件を用いて、該計算面について最終ゾーン内の凝固計算を行ってストランドの最終凝固位置を推定するものである。
【００２２】
この凝固計算の手法を、図１を参照して具体的に説明する。この図１で、鋳型３内とそれに続くストランド部分に１〜１０の番号を付した範囲は、前記図３で鋳型３内と符号１１〜２０を付したゾーンに当り、以下これらの番号に合わせて第１ゾーン〜第１０ゾーンと呼ぶ。
【００２３】
図中"計算断面発生"と示すように、まず鋳型内湯面に計算面（計算断面）を設定する（発生させる）。その後、図示しないメジャーリングロール又はその他の測長手段による測定結果から鋳込みが所定長さ進行したと判定された時点で新たな計算面を同じく鋳型内湯面に設定する。同様の方法で新たな計算面を順次設定する。ここで、計算面を設定する所定長さとしては、あまりに短いと計算負荷が増大して計算結果をリアルタイムに操業条件に反映するのが困難となり、逆に、余りに長いと最終凝固位置の計算結果の更新頻度が長くなるために操業条件の変更アクションを取るのが遅れる恐れがあり、最悪の場合は現実の最終凝固位置が連続鋳造機機端Ｅを超えてしまう恐れがある。このような事態を回避するために行った詳細な検討によれば、上記の所定長さとしては１〜５ｍの範囲を設定するのが好ましいことが判明した。
【００２４】
上述のようにして順次新たな計算面を発生させる。計算面内は適当なメッシュに区切って各メッシュの交点に温度を計算する計算ポイントを設定しておく。計算ポイントの初期値としてはタンディッシュ内溶鋼温度の実測値から推測した鋳型内の溶鋼温度を与える。
【００２５】
図中、計算断面Ａ〜Ｅを付した矢印でそれぞれ位置を示すように、計算面（断面）は鋳込みの進行に従って前進する。そしてそれが前述のように設定した各ゾーンの境界に到達した際に計算面内の凝固計算を行う。凝固計算は第１ゾーンと第２ゾーンの境界においては、初期値として前述した鋳型内溶鋼温度を用い、境界条件としては鋳型３及び第１ゾーンの冷却条件の平均値を用いて計算面の境界から外への抜熱速度を与える。計算面に設定した前記各計算ポイントには鋳造中の溶鋼組成に応じた液相線温度、固相線温度、凝固潜熱、熱伝導度等の物性を与え、２次元の非定常伝熱の式を差分化することによって鋳型内湯面から第１ゾーン／第２ゾーン境界（第２ゾーン入側境界）に至る時間経過後の各計算ポイントの温度を数値計算する。
【００２６】
ここで、冷却条件の平均値は冷却水量と冷却水温を所定周期で測定し、これを上記の経過時間で平均化する。測定周期をあまりに短くすると測定データを多数格納するために計算機のメモリを費やし、計算速度が低下する。一方、あまりに長いと冷却条件の時間変化に十分に追随できず、凝固計算の精度が低下する。好ましい測定周期は１秒から３０秒程度である。
【００２７】
なお、ここで実行する２次元非定常の凝固計算には、従来公知の手法を適用できる。例えば、第９４・９５回、西山記念技術講座「鉄鋼生産プロセスにおける数値計算方法の適用」（昭和５８年１０月２０日発行、（社）日本鉄鋼協会編）第１７８〜１７９頁に紹介されているSarjantらの解析手法が好ましく使用できる。
【００２８】
すなわち、鋳造方向に垂直な計算断面について、直行するｘ方向とｙ方向（通常は鋳片の短辺に平行な方向と、長辺に平行な方向）をとり、このｘ−ｙ座標上の任意の点についての非定常の熱伝動方程式
【数１】

（ここで、Ｃ：比熱、ρ：密度、ｋ：熱伝導率、Ｔ：温度、ｔ：時間、ｘ、ｙ：座標）
を、差分法を用いて近似計算するのである。
【００２９】
上記（１）式においては熱伝導率ｋ、比熱Ｃが温度Ｔの関数であるから、次に示す変換温度φおよびエンタルピーＨを導入し、この（１）式を類似的に線形化する。すなわち、ある基準温度Ｔ_dにおける熱伝動率をｋ_dとし、φを（２）式で定義する。
【００３０】
【数２】

【００３１】
これより、（３）式の関係が得られる。
【００３２】
【数３】

【００３３】
また、比熱Ｃ（Ｔ）は、（４）式で与えられるため、（３）式および（４）式を（１）式に代入すると、（５）式が得られる。
【００３４】
【数４】

【００３５】
（５）式を任意区間に分割した矩形要素の網目点について書き換えると、（６）式を得る。
【００３６】

（ここで、ｍ：ｘ方向の網目点の番号、ｎ：ｙ方向の網目点の番号、Δｘ₁：ｍ−１とｍの距離、Δｘ₂：ｍとｍ＋１の距離、Δｙ₁：ｎ−１とｎの距離、Δｙ₂：ｎとｎ＋１の距離、ｒ：時間分割においてｔの進行方向へとった番号
Ｃ₁＝２ｋ_dΔｔ／｛ρΔｘ₁Δｘ₂（Δｘ₁＋Δｘ₂）｝
Ｃ₂＝２ｋ_dΔｔ／｛ρΔｙ₁Δｙ₂（Δｙ₁＋Δｙ₂）｝
Δｔ：ｒとｒ＋１の時間間隔）
【００３７】
したがって、初期条件により、ｔ＝０における全網目点での温度を設定し、周縁での境界条件を用い、（６）式により時間分割の１ステップごとに温度計算をすすめる。
【００３８】
このようにして第１ゾーン／第２ゾーン境界を通過した時点での計算面内の温度分布が得られると、これを第２ゾーンにおける当該計算面の初期値データとして格納し直し、当該計算面が第２ゾーン／第３ゾーンの境界（第３ゾーン入側境界）に到達した際に行う凝固計算の初期値として使用する。この第３ゾーン入側境界での凝固計算に際しては、境界条件として、第２ゾーンでの冷却条件の平均値を用いて計算面の境界から外への抜熱速度を与える。計算面内の計算ポイントの温度分布の計算は、上述した第１ゾーン／第２ゾーン境界での計算方法と同様である。又、第２ゾーンでの冷却条件の平均化手法も同様である。
【００３９】
以下同様に、各計算面について、第（ｎ−１）ゾーンと第ｎゾーンの境界での凝固計算結果を初期値として使用し、第ｎゾーンでの冷却条件の平均値を境界条件に使用することによって第ｎゾーンと第（ｎ＋１）ゾーンの境界における凝固計算を行い、計算面内の温度分布を推定する。このようにして計算面が最終ゾーン入側境界にきたときの計算面内の温度分布まで推定する。
【００４０】
ここで、前記図１に示した各計算断面（計算面）について図示の時点での処理の特徴を説明すると、計算断面Ａに関しては、第２ゾーンを移動中であるため、第１ゾーン出側、即ち第２ゾーン入側境界到達時点の計算方法を次の計算の初期値としてホールドすると共に、第２ゾーンの冷却データを１０秒周期で収集している。計算断面Ｂに関しては、第４ゾーン／第５ゾーン境界に一致しているため、第３ゾーン出側における計算結果を初期値として第４ゾーン移動中に収集した冷却データを用いて凝固計算の解析中である。
【００４１】
計算断面Ｃ、Ｄに関しては、それぞれ第６、第８の各ゾーンを移動中であるため、前記計算断面Ａの場合と同様に、１つ上流のゾーン出側の計算結果をホールドすると共に、移動中のゾーンの冷却データを収集している。計算断面Ｅに関しては、第９ゾーンを移動中であるため、図示の時点では計算断面Ａ、Ｃ、Ｄの場合と同様であるが、第１０ゾーンが最終であるため、第１０ゾーン入側境界に到達するとゾーン境界における最後の凝固計算（推定計算）が実行される。
【００４２】
前記のように、最終ゾーン入側における計算面内の温度分布について推定計算が実行されると、その結果に基づいて以下のような最終ゾーンにおける処理が行われる。
【００４３】
通常、二次冷却帯の最終ゾーンは、数ｍ〜十数ｍの長さを有しており、前記推定計算からこのゾーンよりも上流側でストランドが完全凝固している場合は、最終ゾーン内での最終凝固位置計算は無意味であるので、最終ゾーン内にあるストランドは凝固を完了しているものとみなして、最終ゾーン内の凝固計算を省略してもよい。
【００４４】
一方、最終ゾーン入側境界における計算面内の一部に鋳造中の鋼種の固相線温度を上回る部分がある場合は、ストランドはその位置ではまだ未凝固部分を有することを意味するから、最終ゾーン内での凝固位置の推定計算を行う。
【００４５】
その際の方法は次のとおりである。計算面が現時点（境界到達時点）の鋳造速度によって引抜かれ、最終ゾーン内の冷却条件も現時点の冷却条件と変わらないと仮定し、当該鋳造速度で計算面が最終ゾーン入側境界から連続鋳造機端Ｅに到ると想定される時間を複数の時間刻みに分割し、各時間刻み経過後の計算面内の温度分布を計算する。そして計算面内で初めて全ての計算ポイントの温度が鋳造中の鋼種の固相線を下回った時間を最終凝固時とみなし、この時間を逆に最終ゾーン入側境界からの距離に換算することにより最終凝固位置を推定する。
【００４６】
本実施形態においては、以上詳述した凝固計算の手法を利用し、上記のように最終凝固位置を推定するとともに、所定位置に到達したストランドの凝固厚みや表面温度を、予め設定されている計算面について前記（６）式により計算される同面内の温度分布から推定する。
【００４７】
次に、請求項１の発明について具体的に説明する。本発明における鋳片の欠陥とは、主に鋳片の凝固、冷却の過程で発生する欠陥であり、例としては横割れ、コーナカギ割れや縦割れなどの鋳片の表面に発生する割れ、内部割れや中心偏析などの鋳片の内部に発生する欠陥などがある。
【００４８】
一方、連続鋳造においては、日常的（工程に設けられているセンサによる測定）あるいは間欠的（実験によりその都度測定されるもの）に、各種の定量的指標が収集・蓄積されている。これらの定量的指標には、例えば鋳片の表面温度や最終凝固位置などがある。これらの定量的指標と鋳片の欠陥発生の有無や程度に関しては、重回帰分析などの統計的手法によって相関関係を予め知ることができる。その結果（相関関係）から、各欠陥に対して最も相関の強い定量的指標を１個又は２個以上選択する。
【００４９】
そして、全ての欠陥の発生が、許容し得る発生率の範囲内となる上記定量的指標の範囲（これを適正範囲とする）を特定する。図２には、鋳片欠陥として内部割れ及びコーナカギ割れの２つの欠陥について、それぞれの発生頻度の指数（発生率）と、連続鋳造機内矯正部における鋳片表面温度（定量的指標）との関係の一例を示す。この図に示されるように、この例では２つの欠陥のいずれも発生率が実質上０の上記表面温度の範囲を適正範囲として特定している。なお、ここで矯正部は、略円弧状に曲げられたストランドが水平に戻される位置（図３で言えば冷却ゾーン１８と１９の境界）に当る。
【００５０】
次に、このようにして特定された定量的指標の適正範囲を、上記矯正部において達成できるような鋳造条件を、以下のようにして見出す。鋳造対象の鋼種、溶鋼温度やサイズ等の制約の下で、現実的に変更可能な鋳造条件（例えば、鋳造速度、二次冷却水の水量分布（ストランドの長手方向及び幅方向に噴霧される冷却水量の分布）や水比（単位質量のストランドが二次冷却帯の全長で浴びる冷却水の量）など）を変化させて、定量的指標が上記の適正範囲に入るまで、凝固計算を繰り返す。この凝固計算には前に例示した提案済の手法が好適に使用できるが、これに限定されるものではない。以上の計算の結果、定量的指標が適正範囲内となったときに与えた鋳造条件を最適な鋳造条件として採用する。そしてこのようにして採用した鋳造条件を設定して現実の連続鋳造を行なう。
【００５１】
次に、定量的指標が適正範囲に入る鋳造条件を凝固計算を用いて求める方法の具体例について説明する。従来、欠陥の発生無く鋳造されていた鋼種を、生産量の増大に伴ってより速い鋳造速度で鋳造する場合、あるいは複数のチャージの溶鋼を次々と連続して鋳造する、いわゆる連々鋳の次チャージの溶鋼待ちのために鋳造速度を低下させて鋳造せざるを得ない場合がある。
【００５２】
この場合、鋳造される鋳片の含熱量は、従来の鋳造と同一条件でその後の熱間圧延設備に渡さなくてはならないから、ストランドの水比は従来と大きく変えることはできない。そこで、計算にあたって変化させる鋳造条件としては冷却水量の分布を選択する。ここで鋳造される鋼種において欠陥を低減するうえで必須の定量的指標とその適正範囲は過去の実験によって予め把握されている。例えば中炭素鋼の場合、曲げ開始位置（図３では冷却ゾーン１２と１３の境界位置）での凝固シェル厚が特定の値以上であり、矯正位置（図３では冷却ゾーン１８と１９の境界位置）でのストランド表面温度が特定温度以上であることが必要である。このことから、鋳造速度が変化した場合には、これに応じて曲げ開始位置までの冷却水量と曲げ部から矯正位置までの冷却水量の分布を重点的に変化させればよいことが知られる。そこで、水比が一定という制約条件の下で、冷却ゾーン１１〜１８までの冷却水量を、スプレーの制御可能水量範囲の中で予め設定してある水準に合せて変化させた場合について、オフラインで凝固計算を行う。
【００５３】
なお、凝固計算を行う鋳造条件の水準数は、それぞれの冷却ゾーンに設定する水量の水準数の積となる。従って、各冷却ゾーンの水量の水準数をあまりに多く設定すると、膨大な数の組合せについて計算をすることになり非効率的であるので、必要最小限の水準数にとどめることが望ましい。例えば、図１のゾーン２〜１０までの各ゾーンのすべてに対して、一律に通常の冷却水量の０％、５０％、１００％、１５０％、２００％の５段階での水量の水準を計算条件として設定する場合であれば、計算すべき鋳造条件の水準数は、トータルで５⁹通りということになり、すべての場合について、限られた時間の中で計算するのは到底困難だからである。
【００５４】
各ゾーンの冷却水量を設定すると、その冷却水量と熱伝達係数のテーブルからそれぞれの冷却水量に対応する熱伝達係数を選択し、これを凝固計算の際の計算面外縁の境界条件として与える。又、鋳造速度の変化は計算面がゾーンを通過するに要する時間の変化に反映させて計算を行う。
【００５５】
このようにしてある鋳造条件の水準（各ゾーンに設定される水量の水準の組合せ）について凝固計算を行い、定量的指標である曲げ開始位置での凝固シェル厚と、矯正位置でのストランド表面温度を求める。そしてそれらが適正範囲にない場合は、順次、他の鋳造条件の水準について計算を行い、前記定量的指標が適正範囲に入るまでこれを繰り返すことによって、欠陥を発生させない水量分布を見出すことができるのである。
【００５６】
次に、請求項２の発明について具体的に説明する。現実の連続鋳造においては、上記のようにして予め設定した最適な鋳造条件が守れない事態が往々にして発生する。例えば、精錬工程の遅れに起因して連々鋳の次チャージの溶鋼の到着が遅れるために、強制的に鋳造速度を低下させざるを得ない場合や、二次冷却水のスプレーの詰まりによって予定した冷却水噴霧量が確保できないなどの状況が発生し得る。
【００５７】
このように、鋳造条件の一部を変更せざるを得ない場合にも、他の任意に変更可能な条件を仮想的に変化させ、変化させた条件を使用して上記と同様の凝固計算を行なう。そして、上記定量的指標が適正範囲を逸脱しない条件を見出し、そのような条件にて現実の鋳造を行なう（鋳造条件を制御する）ことによって、欠陥の発生を未然に防止することができる。
【００５８】
更に、請求項３の発明について具体的に説明する。請求項２の発明に関する説明において述べたように、何らかの理由により予め設定した最適な鋳造条件を守れないケースが発生することがある。この場合に最善の対策は、前記請求項２の発明の場合に記したように、変更可能な鋳造条件を変更して、定量的指標が適正範囲に入る条件を見出すことであるが、そのようなことができない場合もある。その一つは、鋳造条件の変化が急過ぎて、再計算が間に合わない場合であり、他の一つとしては再計算によっても定量的指標が適正範囲に入るような条件が見つけられないか、又は成立しないケースである。このような場合は鋳片に欠陥が発生することが避けられない。しかし、現実の鋳造条件によって凝固計算を行なうことによって、ストランドのどの範囲に欠陥が発生するかを予測することが可能である。この請求項３の発明は、そのように現実の鋳造条件によって欠陥の発生を予測し、欠陥発生の予想される鋳片に対して所定の処置を行なうものである。ここで、所定の処置とは、例えば鋳片の観察、研削、溶削、切り捨て、保温、研削あるいは溶削条件の変更等が挙げられる。
【００５９】
観察とは、普段は鋳造後そのまま熱間圧延設備の加熱炉か圧延機に直送されるような鋼種について、欠陥の有無を調査する観察工程に回し、欠陥が認められた場合は手入れや欠陥部の切り捨てを行なうものである。
【００６０】
研削、溶削はいずれも表面欠陥の除去を行なう作業であり、研削は砥石等によって欠陥部を所定深さまで削り取ることである。溶削は酸素によって表面を溶かして欠陥部を酸化除去するものである。
【００６１】
鋼種によっては表層に微細な割れが存在する場合に鋳片をある温度以下まで冷却すると、この微細割れを起点に割れが拡大することがある。このような現象を防止するには、鋳片を保温する等の処置が必要である。本発明によって予め微細割れ等の欠陥が予測できれば、それに応じて鋳片に適切な保温手段を用意して、欠陥の拡大を未然に防止することができるのである。
【００６２】
又、欠陥の拡大は研削や溶削によっても生じることがある。そこで、本発明によって予め微細割れ等の欠陥が予測される場合には、それに応じて研削時の砥石の圧力や回転数を変更したり、溶削するまでの鋳片に適切な保温手段を講じるなどして、欠陥の拡大を未然に防止する。
【００６３】
内部割れや極端な中心偏析を有する鋳片の場合は、欠陥を手入れ等によって除去することは困難である。従って、このような欠陥部を切り捨てることが必要である。このような場合でも鋳片が未だ連続鋳造機内にあってトーチカットされていないときに、本発明によって事前に欠陥の存在箇所が分かれば、トーチカット位置を変更して、欠陥を内包する部分のみを切り捨てて、健全部をできるだけ長く確保することができるから、鋳造歩留まりの向上と工程撹乱の極小化を達成することができる。
【００６４】
【実施例】
Ｃを０．０８〜０．１８質量％、Ｍｎを０．４０〜１．５０％含有する中炭素鋼を、幅８００〜１８５０ｍｍ、厚み２６０ｍｍのスラブに鋳造する際に本発明を適用した。連続鋳造機は垂直部３ｍを有する垂直曲げ型連続鋳造機である。
【００６５】
この鋼種は不適切な鋳造条件によって製造された場合は内部割れやコーナカギ割れが発生することが知られており、本発明を適用する以前は、両者を併せて鋳片欠陥の発生率は０．５０％（スラブ単位）であった。
【００６６】
本発明者はまず、事前に調査により、この鋼種において内部割れに最も相関の強い定量的指標が、曲げ部入側における凝固シェル厚みであって、その適正範囲は２０ｍｍ以上であること、コーナカギ割れに最も相関の強い定量的指標が曲げ部入側における鋳片コーナの表面温度であり、その適正範囲は７００℃以上であることを把握した。
【００６７】
まず、このような条件を満足する鋳造条件を、前述した凝固計算によって探索したところ、鋳造速度を１．６０〜１．８０ｍ／ｍｉｎ、二次冷却水の分布を曲げ部まで４００〜６００Ｌ／ｍｉｎとするのが最適の条件であることを見出し、定常鋳造時にはこの条件によって鋳造した。
【００６８】
ところが、鋳造の途中で、熱間圧延設備とのマッチングの必要性から最大２．２ｍ／ｍｉｎまでの鋳造速度の増速と、ブレークアウト警報や、連々鋳の次チャージの溶鋼待ちのために１．２０ｍ／ｍｉｎまでの減速をする必要が生じた。
【００６９】
そこで、この増・減速に対応してオンラインで上記の曲げ部入側における凝固シェル厚み２０ｍｍ以上、曲げ部入側における鋳片コーナの表面温度７００℃以上を確保するための鋳造条件を再計算し、冷却水量の変更を行なって、鋳造を行なった。その結果、冷却水条件の変更無しでは欠陥が発生すると予想されたスラブの９０％を無欠陥で鋳造することができた。残る１０％のスラブは欠陥の発生を避けることができなかったが、鋳造中のオンラインでの凝固計算により欠陥の発生を予め予測することができたため、トーチカット後のスラブを迅速に表面手入れに回すことができたため、工程を撹乱することがなかった。更に手入れ後のスラブは、全て他の健全なスラブと同様に熱間圧延を経て製品にできた。
【００７０】
以上の本実施例では、スラブの欠陥発生率は０．０５％であり、従来技術における欠陥発生率０．５０％の１／１０であった。
【００７１】
以上に詳述したように、本実施形態によれば、凝固計算を利用して鋳片の凝固厚み、最終凝固位置、表面温度等の定量的指標が鋳片の内部欠陥、表面欠陥に影響を及ぼす条件を推算し、これら定量的指標が欠陥発生の閾値を超過しないようにオンラインで鋳造条件を制御することにより、鋳片の欠陥を防ぐことが可能になり、又それを予知することが可能となる。更に、その欠陥を有するスラブが圧延工程に流出し、生産工程を撹乱することを未然に防ぐことが可能になる。
【００７２】
以上、本発明について具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に示したものに限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００７３】
例えば、定量的指標や凝固計算により求める鋳造条件は前記実施形態に示したものに限定されない。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、鋳片欠陥の発生を防止できる最適な鋳造条件を迅速に決定し、短時間で選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態に適用される凝固計算の説明に使用する線図
【図２】鋳片欠陥の発生に影響する定量的指標の適正範囲の一例を示す線図
【図３】連続鋳造機の全体構成の概要を示す模式図
【符号の説明】
１…タンディッシュ
２…浸漬ノズル
３…鋳型
４…溶鋼
５…ストランド
６…サポートロール群
７…トーチカッタ
８…最終サポートロール
１１〜２０…冷却ゾーン
Ｅ…機端

Claims

鋼の連続鋳造方法において、製造される鋳片に発生が予想される欠陥について、その欠陥の発生と相関がある定量的指標を選択し、前記欠陥についてその発生率が所定のレベル以下となる前記選択された定量的指標の適正範囲を予め特定しておき、該定量的指標が適正範囲となる鋳造条件を、連続鋳造されるストランドに対する凝固計算によって算出し、得られた鋳造条件下で現実の連続鋳造を行なうことを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
前記現実の連続鋳造の途中で、現実の鋳造条件に基づいて再度、凝固計算を行なって、前記定量的指標の値を推定し、その推定値が前記の適正範囲から逸脱しないように鋳造条件を制御することを特徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造方法。
前記現実の連続鋳造の途中で、現実の鋳造条件に基づいて再度、凝固計算を行なって、前記定量的指標の値を推定し、その推定値が前記の適正範囲から逸脱した場合に、欠陥発生の可能性ありとして、対象となる鋳片に対して所定の処理を行なうことを特徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造方法。
前記凝固計算が、連続鋳造機に対して鋳込み方向に連続する複数のゾーンを設定すると共に、連続鋳造中のストランド内に所定長さの鋳込みが進行する毎に鋳込み方向に垂直な計算面を発生させ、該計算面が前記各ゾーンを通過し、次のゾーン入側境界に到達した時点で、該計算面が直前に通過したゾーンの平均冷却条件に基づいて該計算面内の２次元凝固計算を行い、その結果得られた該計算面内の温度分布を、前記次のゾーンを通過し、更に次のゾーン入側境界に到達した時点で行う前記凝固計算の初期値として与える如く、順次前記計算面内の凝固計算を行うことにより、最終ゾーン入側境界における計算面内の温度分布を求め、該最終ゾーン入側境界における計算面が全て固相線温度以下の場合は最終ゾーン内にあるストランドが凝固を完了しているとみなし、該最終ゾーン入側境界における計算面が固相線を越える温度を示す場合は、該境界に前記計算面が到達した時点での最終ゾーンの冷却条件を用いて、該計算面について最終ゾーン内の凝固計算を行ってストランドの最終凝固位置を推定するものであることを特徴とする請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
前記各ゾーン内の平均冷却条件が、任意のゾーンについて所定時間周期で採取された冷却条件を蓄積し、計算面が該ゾーンを通過するに要した時間により、蓄積された冷却条件を平均化して得られたものであることを特徴とする請求項４に記載の鋼の連続鋳造方法。
前記ゾーンを、前記連続鋳造機に沿って設置されている二次冷却帯における冷却条件を管理する冷却ゾーンに一致させることを特徴とする請求項４に記載の鋼の連続鋳造方法。