JP3885627B2 - 連鋳鋳片の２次冷却方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連鋳鋳片の２次冷却方法に関し、詳しくは、鋼の連続鋳造法において中心偏析の改善を達成するためバルジングを軽減させる連鋳鋳片の２次冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造においては、中心偏析と呼ばれる内部欠陥が品質上の問題の１つとして挙げられる。 中心偏析は凝固が鋳片厚み中心に向かって進行する際、凝固界面にＣ、Mn、Ｐ、Ｓなどの成分元素が濃化する現象であり、これにバルジング等による溶鋼流動が重畳することにより、 最終凝固部近傍に、より程度の悪い正偏析が存在することに起源をなすものである。
【０００３】
これらの中心偏析は、線材、棒鋼における内部カブレ欠陥や厚板向の低温靭性や耐水素誘起割れ性を要求される鋼板においては欠陥発生原因となるため、抑制技術の確立が強く望まれている。
これに対して中心偏析の防止方法として、 次のような幾つかの方法が提案されている。
▲１▼公知文献多数；溶鋼温度を低下させ、 凝固組織の柱状晶から等軸晶の割合を増大させ、柱状晶の発達に伴い生成する溶鋼濃化を分散させる方法。
▲２▼特開昭63−157749号公報、特公昭59−23902 号公報他；電磁攪拌装置を用いることにより、 凝固組織の改善ならびに溶鋼流動の制御を図る方法。
▲３▼特開昭63−242453号公報；未凝固の鋳片を多数のロールにより軽圧下しつつ鋳片を完全凝固させる軽圧下鋳造方法において、 凝固末期の溶湯に静止磁界を印加して溶湯の流動を阻止することを特徴とする軽圧下鋳造方法。
▲４▼特開昭63−252655号公報；鋳片表面に噴射される２次冷却水量を増加させることで、鋳片最終凝固部の表面温度を700 〜800 ℃の範囲とし、 凝固シェル厚さを厚くすることにより、ロール間で発生するバルジングを抑制する方法。
▲５▼特開2000−94102 号公報；鋳片の液相線クレーターエンドに相当する位置から固相線クレーターエンドに相当する位置までの所定範囲で、 ガイドロール群の鋳片短辺方向のロール間隔を広げて鋳片に20〜100mm までのバルジングを起こさせた後、 圧下ロールによってバルジング相当量の圧下を加える連続鋳造方法。
【０００４】
この他にも鋳片を圧下ロールで大きな力で圧下する方法など種々の方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のいずれの方法においても、偏析粒径が５mm程度のマクロ偏析の改善は達成できるものの、１mm程度の偏析粒径が問題となるセミマクロ偏析の改善には効果が小さく、耐水素誘起割れ等の要求が厳しい鋼種に対しては問題を解決するには到っていない。
【０００６】
本発明の目的は、上述のような従来の鋳片中心偏析改善方法では達成できていない、１mm程度のセミマクロ偏析の低減を達成しうる連鋳鋳片の２次冷却方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鋼の連続鋳造に際して、凝固シェル厚ｄが鋳片厚Ｄに対して0.4 Ｄ≦ｄ≦0.5 Ｄとなる範囲において次式(1) を満たす圧力Ｐ’を液体冷媒により鋳片表面に付与することを特徴とする連鋳鋳片の２次冷却方法である。
Ｐ’＞Ｐ−0.15×32Ｅｄ³ ／Ｌ⁴ ‥‥(1)
Ｐ：溶鋼静圧（MPa/9.8)、Ｌ：ロールピッチ(mm)、Ｅ：ヤング率（MPa/9.8)、ｄ：凝固シェル厚(mm)
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、鋳片表面に上記式(1) を満たす圧力Ｐ’を液体冷媒によって付与することにより、鋳片冷却能の強化ならびにバルジング量の低減を達成するものである。
本発明では、液体冷媒としては一般的には冷却水を用い、鋳片表面への式(1) 右辺値超の圧力Ｐ’付与には高圧スプレーを使用する。この点については、本発明者らの知見によると、通常の連続鋳造におけるミストスプレー式や水スプレー式の冷却装置を使用する場合には、ノズルにおける供給水の圧力は0.5 〜1.0MPa未満程度であり、熱伝達係数は500kcal/m²/h/ ℃程度が限界である。これに対して水膜流連続床式の装置や高圧スプレーを用いた場合には、供給水に1.0MPa以上の圧力を付加することが可能となる。高圧冷却水を用い、鋳片上に冷却水を広範囲まで高流速で走水させた場合には、熱伝達係数が５〜10倍に増大して高冷却能を達成できることが知られている（特開平９−201661号公報、 特開平５−177322号公報）。
【０００９】
しかしながら、実際の連続鋳造機で連続的に装置を使用する場合、 水膜流連続床式では、鋳片にスケールが堆積した場合、均一な流動が得られないことやメンテナンスが必要になる問題が生じる。これに対して、高圧スプレーを用いる場合は、従来のスプレーと同様に鋳片からある程度距離を隔てて設置可能なため、スケールの堆積はなく、前記問題は回避できる。
【００１０】
図１は、本発明の実施に用いて好適な冷却与圧装置の１例（鋼スラブ連続鋳造への適用例）を示す模式図である。図１において、１は凝固シェル、２は残溶鋼、３はロール、４は液体冷媒（高圧冷却水）、５はノズル（高圧水噴射ノズル）である。本発明では、従来ロール間からスプレー式ノズルによって行っていた鋳片の２次冷却を、高圧冷却水吹付けによって行うものとした。高圧冷却水を用いることで、冷却水が鋳片上に衝突後走水して、冷却能を飛躍的に向上させることができ、しかも、従来はロールによって実施していた鋳片のサポート自体も冷却水の衝突圧によって補強されて、バルジング量を軽減することができる。
【００１１】
冷却与圧装置は、凝固シェル１の厚みｄが鋳片厚Ｄの0.4 〜0.5 倍になる位置に設置するのが望ましい。その理由は次のとおりである。すなわち、ｄ＝0.4 Ｄの位置では凝固界面の残溶鋼２が固相率fs＝0.6 〜0.7 に対応してほぼ流動限界にあり、この段階の濃度が最終的な偏析濃度を決定する主因となるから、ｄ≧0.4 Ｄの範囲で鋳片を冷却与圧してこそサブマクロ偏析を効果的に低減しうるのに対し、ｄ＜0.4 Ｄの範囲ではその効果に乏しい。ここで、固相率とは、鋳片内部の残溶鋼の温度が鋼種によって決まる液相線温度と固相線温度との間のどの位置にあるかを表す指標であり、例えば固相率1.0 とは、残溶鋼の温度が固相線温度になっていることをいい、固相率0.5 とは残溶鋼の温度が液相線温度と固相線温度の中間の温度になっていることをいう。一方、ｄ＞0.5 Ｄの範囲では図１に示すように鋳片は全厚にわたって凝固完了しており、セミマクロ偏析の低減効果は無く、ｄ≦0.5 Ｄの範囲で冷却与圧するのが望ましい。
【００１２】
冷却水の圧力Ｐ’は、次式(1) を満たす値とするのが望ましい。
Ｐ’＞Ｐ−0.15×32Ｅｄ³ ／Ｌ⁴ ‥‥(1)
Ｐ：溶鋼静圧（MPa/9.8)、Ｌ：ロールピッチ(mm)、Ｅ：ヤング率（MPa/9.8)、ｄ：凝固シェル厚(mm)
式(1) で表される与圧条件は、実施例の項で後述するように、本発明者らが偏析性欠陥の発生性向と冷却水により鋳片が受ける圧力の関係を調査した結果に基づいて抽出されたものである。
【００１３】
溶鋼静圧Ｐ（N/mm²)は、メニスカスからの高さＨ(mm)に対して溶鋼密度ρ(N/mm³) を用いて次式、Ｐ＝ρＨ、で与えられる。ヤング率Ｅ（MPa/9.8)は鋼の成分組成や材質により最適な値をそれぞれ用いるのが適当である。後述の実施例では次式、Ｅ＝426.1 −0.264 ×Ｔ、を用いて算出した。ここに、Ｔ：凝固シェルの平均温度（℃）、である。また、凝固シェル厚ｄは伝熱計算法を用いて算出した（算出方法については文献例：鉄と鋼60(1974)p.1023-1032 を参照）。なお、計算精度向上のため、 鋳造中の鋳片にアルミニウムにより被覆した鋲を打ち込み、鋳片冷却後に鋲打ち込み部位を切断して鋲の表面をアルミニウムの溶融が到達する距離を測定することにより、凝固シェル厚の確認を行った。
【００１４】
なお、本発明は、鋳片のバルジングを著しく軽減させうるものであるから、発生主因がバルジングである内部割れに対しても、これを極めて有効に防止しうる手段となることは言うまでもない。
【００１５】
【実施例】
溶鋼成分代表値が質量％でＣ：0.04〜0.15％、Mn：1.2 〜1.5 ％、Ｐ：0.006 〜0.01％、Ｓ：0.0002〜0.0010％になる厚220mm ×幅2200mmの鋼スラブの連続鋳造操業において、既存鋳造設備に図１に示した冷却与圧装置を取り付け、冷却与圧実験を行った。鋳造操業条件は、鋳造速度＝1.0m/min、タンディッシュ内溶鋼過熱度＝30℃と一定に揃えた。
【００１６】
装置はメニスカス下15.5〜17.5ｍ（凝固シェル厚ｄ＝0.4 Ｄ〜0.5 Ｄ相当）の範囲に取り付けた。ロールピッチは390mm とした。実験では、ノズル先端部での冷却水噴射圧力Ｐ_NTおよび鋳片／ノズル間距離Ｌ_N を、Ｐ_NT：0.5 〜15MPa 、Ｌ_N ：50〜400mm の範囲で種々変更することにより、鋳片表面に作用する冷却水からの圧力Ｐ’を種々変えた。なお、従来の鋳片冷却条件は、ロールピッチ＝390mm 、Ｐ_NT＝0.5MPa、Ｌ_N ＝ 300mm、である。そして、各実験条件ごとに、鋳 中の鋳片表面のバルジング量σ_B を差動トランスを用いて測定するとともに、その後の鋳片の中心偏析状態との対応を調査した。
【００１７】
中心偏析状態の評価は、偏析粒径１mm以上の偏析個数、最大偏析度（PMAX/P0 、PMAX：偏析部最大Ｐ濃度、P0：溶鋼Ｐ代表成分値）を指標として以下の手順で行った。
(1) 鋳片を鋳込み方向に垂直な断面で切断したサンプルを、５％硝酸溶液でマクロエッチングする。
(2) 上記マクロエッチング面を写真撮影し、画像処理により偏析個数と偏析粒径を測定する。
(3) 上記測定された偏析のうち、偏析粒径の大きなものから10個について、ＥＰＭＡ（エレクトロン・プローブ・マイクロアナライザ）を用いてＰ濃度を測定し、該測定データの平均値を偏析部最大Ｐ濃度PMAXとして、最大偏析度を算出する。
(4) 偏析粒径の平均値が１mm以上であるものを×、１mm未満であるものを○とする。なお、偏析粒径の平均値を１mmで区分したのは、(3) により算出したＰの最大偏析度が粒径１mm以上ではPMAX/PO ＞20と高値となり品質管理上好ましくないためである。
【００１８】
また、参考のため鋳型を圧廷し鋼板としたのちに、以下に示す条件でＨＩＣ試験（耐水素誘起割れ評価試験）を行い、製品における品質も評価した。
・試験溶液：NACE溶液（5%NaCl+0.5% CH₃COOH 硫化水素飽和溶液、pH=3.7）
・浸漬時間：96時間
・試験溶液温度：25℃
・加工：曲げ加工有り
図２は、上記評価結果を整理して得られた、鋳片／ノズル間距離Ｌ_N ごとのノズル先端部での冷却水噴射圧力Ｐ_NTとバルジング量σ_B の関係を示すグラフである。図２より、鋳片／ノズル間距離Ｌ_N によらず、バルジング量σ_B を0.15mm未満の範囲に制御できれば、偏析粒径を１mm未満に抑制しうることがわかる。バルジング量σ_B は、剛体の力学的釣り合い条件から次の式
σ_B ＝（Ｐ−Ｐ’）×Ｌ⁴ ／32／Ｅ／ｄ³ （；記号は前記式(1) と同義）
で表されるので、σ_B ＜0.15より直ちに前記式(1) が導出される。すなわち、本発明によれば、バルジング量σ_B を0.15mm未満の範囲に制御でき、偏析粒径を確実に１mm未満に抑制しうるのである。
【００１９】
本発明の実施に際し、圧力Ｐ’を式(1) の成立範囲内に制御するには、例えば図２を参照してσ_B ＜0.15になる（Ｌ_N ，Ｐ_NT）の値を適宜選択し、冷却与圧装置のプリセット設定値とすればよい。
なお、図２において、偏析粒径が１mm以下であったものは、その後のＨＩＣ試験において割れの発生は皆無であった。
【００２０】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、セミマクロ偏析を確実に偏析粒径１mm未満に低減できて連鋳鋳片の中心偏析状態が格段に改善されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に用いて好適な冷却与圧装置の１例（鋼スラブ連続鋳造への適用例）を示す模式図である。
【図２】鋳片／ノズル間距離Ｌ_N ごとのノズル先端部での冷却水噴射圧力Ｐ_NTとバルジング量σ_B の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 凝固シェル
２ 残溶鋼
３ ロール
４ 液体冷媒（高圧冷却水）
５ ノズル（高圧水噴射ノズル）

Claims (1)

1. 鋼の連続鋳造に際して、凝固シェル厚ｄが鋳片厚Ｄに対して0.4 Ｄ≦ｄ≦0.5 Ｄとなる範囲において次式(1) を満たす圧力Ｐ’を液体冷媒により鋳片表面に付与することを特徴とする連鋳鋳片の２次冷却方法。
   Ｐ’＞Ｐ−0.15×32Ｅｄ³ ／Ｌ⁴ ‥‥(1)
   Ｐ：溶鋼静圧（MPa/9.8)、Ｌ：ロールピッチ(mm)、Ｅ：ヤング率（MPa/9.8)、ｄ：凝固シェル厚(mm)

Images