JP3994848B2

JP3994848B2 - 鋼の連続鋳造方法

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Publication number: JP3994848B2
Application number: JP2002306626A
Authority: JP
Inventors: 誠治熊倉; 勇雄野崎
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP2004141890A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部割れが少なく、中心偏析の減少、特に幅方向両端部の中心偏析の発生を低減することができる鋼の連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造方法において、鋳片の中心偏析の発生を低減することは、鋼材の特性を改善する上で重要な課題である。鋳片の中心偏析は、溶鋼の凝固末期における凝固界面でＣ、Mn、Si、ＰおよびＳなどの成分元素が濃化した溶鋼がバルジングおよび凝固収縮することによるサクション流動によって鋳片の中心部（正確には、鋳片の厚さ方向の中心部であり、以下、本明細書ではこれを「鋳片の中心部」と記載する）に移動して凝固し、正偏析となって発生する。
【０００３】
鋳片の中心偏析の発生を低減するには、中心部の組織を等軸晶化することによって濃化した溶鋼を分散させる方法、および凝固収縮体積を外力によって補償する方法がある。
【０００４】
等軸晶化する方法には、低温で鋳造する方法、または電磁撹拌を行う方法がある。
【０００５】
低温で鋳造する方法では、ノズル詰まりなどが起こり、操業の安定性を欠くことがある。また、電磁撹拌を行う方法では、凝固末期の溶鋼を強制的に流動させることができないこともあり、粗大な等軸晶が生成することがある。粗大な等軸晶では、濃化溶鋼が等軸晶間の空隙に偏在する粒状偏析を悪化させてしまうという問題やブリッジングの発生により著しい正偏析が生じることがある。なお、ブリッジングとは、等軸晶が凝固収縮分の体積補償のための未凝固溶鋼の流れ込みを妨げる現象のことである。
【０００６】
凝固収縮体積を外力によって補償する方法については、最近、種々の発明が下記に示すとおり提案されている。
【０００７】
(1) 鋳片中心部の固相率が０．２となる位置から０．８〜０．９となる位置に至る領域では、この領域内での全凝固収縮量を保証するように鋳片を圧下し、それ以降凝固が完了するまでの領域では、鋳片の引き抜き方向長さ当たりの鋳片厚みに対する圧下量の割合を示す圧下勾配が、０．０８〜１．５０（％／ｍ）となるように圧下する方法（特許文献１、参照）。これは、いわゆる「軽圧下連続鋳造方法」である。
【０００８】
(2) 鋳型から引き抜かれた鋳片に積極的にバルジングを起こさせ、鋳片内部の溶鋼厚さを増大させた状態から圧下を行う方法（特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７および特許文献８、参照）。これは、いわゆる「バルジング後圧下連続鋳造方法」である。
【特許文献１】
特許第２８０９１８６号公報
【特許文献２】
特開昭６０−６２５４号公報
【特許文献３】
特開昭６０−２１１５０号公報
【特許文献４】
特開平１−１７８３５５号公報
【特許文献５】
特開平９−５７４１０号公報
【特許文献６】
特開平９−２０６９０３号公報
【特許文献７】
特開平９−３１４２９８号公報
【特許文献８】
特開平１０−２２５７５２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記(1) の単なる軽圧下連続鋳造方法は、ブリッジングによる偏析が防止できない。
【００１０】
上記(2) のバルジング後圧下連続鋳造方法は、ブリッジングによる偏析を防止するのには有効であるが、幅方向に不均一な中心偏析の改善効果が十分でない。これは、次の理由による。
【００１１】
図１は、従来のバルジング後圧下連続鋳造法におけるバルジング時の鋳片１とサポートロール６の接触状態と圧下後の鋳片を示す模式断面図である。図１の（ａ）に示すように、バルジング時には鋳片１の両端部がサポートロール６と接触しなくなり、鋳片１の両端部に凝固遅れが生じる。従来のバルジング後圧下連続鋳造法は、バルジングさせるのが早すぎるために両端部の凝固遅れが著しい。このため、多量の溶鋼２、２が両端部に存在するようになり、この状態で凝固が進行した鋳片１には、図１の（ｂ）に示すように、両端部の中心部分に未凝固の溶鋼２、２が閉じ込められる。従って、この状態で圧下して得られた鋳片１には、図１の（ｃ）に示すように、両端部に必ず中心偏析９、９が発生する。
【００１２】
本発明の目的は、バルジング時に未凝固の溶鋼が両端部の中心部分に閉じ込めらることがなく、中心偏析が少なく、かつこれが幅方向に均一に分散した鋳片を製造することができる鋼の連続鋳造法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の鋼の連続鋳造方法にある。
【００１４】
凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間においては、鋳片の全幅がロールと接触するようにサポートロールの間隔を段階的に減じ、その後、鋳片の中心部に固相線クレータエンドが現れるまでの間においてバルジングさせる一方、バルジング量以下の圧下を加える鋼の連続鋳造方法。
【００１５】
上記本発明の鋼の連続鋳造方法においては、段階的なサポートロール間隔の総減少量を鋳型の出口厚みの１％以上、バルジング量を鋳型の出口厚みの２〜５％とすることが望ましい。
【００１６】
ここで、鋳型の出口厚みとは、鋳型短辺方向の出口の内壁間寸法、即ち内法（うちのり）寸法のことである。
【００１７】
本発明者らは、上記の課題を達成するために次に述べる実験を行い、以下のことを知見し、上記の本発明を完成させた。
【００１８】
バルジング後圧下連続鋳造方法に関して、バルジングを行う時期を異ならせることによって、鋳片の中心偏析の均一性を調査した。
すなわち、図２に示すとおり、サポートロールの設定間隔とメニスカスからの距離との関係を表すパターンＡとＢとで実験を行い、鋳片の中心偏析の発生程度を調査した。
なお、パターンＡとＢのいずれも、バルジング後の圧下量はバルジング量と同じに設定した。
【００１９】
その結果、従来のバルジング後圧下連続鋳造方法、すなわち、バルジングを行う時期を制御することのないパターンＡで表されるバルジング後圧下連続鋳造方法では、前述したとおり、鋳片の両端部の凝固遅れが著しく、両端部には必ず中心偏析が発生するため、幅方向に均一な中心偏析が得られないことが確認された。
【００２０】
これに対し、バルジングを行う時期を制御してなるパターンＢで表されるバルジング後圧下連続鋳造方法では、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間においてはバルジングを行わずに鋳片の全幅がロールと接触するようにサポートロールの間隔を段階的に減じ、その後、鋳片の中心部に固相線クレータエンドが現れるまでの間においてバルジングと圧下を行うことによって、幅方向の中心偏析が均一になることを確認した。
【００２１】
即ち、パターンＢによれば、図３の（ａ）に示すように、鋳片１の両端部はサポートロール６により十分に冷却されて凝固遅れが生じることがなく、両端部の凝固シェル厚さが十分に厚くなる。その結果、液相線クレータエンド以降でバルジングさせた鋳片１の両端部には、図３の（ｂ）に示すように、過剰な溶鋼２は存在せず、凝固進行後の鋳片１は図３の（ｃ）に示すようになり、これを圧下すると、図３の（ｄ）に示すような鋳片１となり、中心偏析９が幅方向に均一に分散するのである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
中心偏析が幅方向に均一に分散した鋳片を得るためには、凝固シェルを幅方向に均一に成長させることと、幅方向に均一な圧下を加えることである。
【００２３】
（Ａ）凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間においては鋳片の全幅がロールと接触するようにサポートロールの間隔を段階的に減じ、バルジングを起こさせないことについて
鋳片の連続鋳造においては、鋳型での凝固開始から凝固収縮と降温による熱収縮により厚み方向の収縮が始まり、この収縮と同時に凝固シェルも成長する。
【００２４】
凝固シェルの成長挙動は、シェルが薄いときには冷却律速成長であり、シェルが厚くなるとシェルは熱抵抗が高いので内部の熱移動律速成長となる。これらは、サポートロールとシェル間の熱伝達係数をｈｒ（Ｗ／ｍ^２・℃）、シェルの厚さをｄ（ｍ）、シェルの熱抵抗をλ（Ｗ／ｍ・℃）、シェルと溶鋼の界面温度をＴｓ（℃）、サポートロールの温度をＴｒ（℃）とした場合、下記の(1) 式で求められる熱流束Ｑ（Ｗ／ｍ^２）として定量的に表すことができる。
【００２５】
Ｑ＝｛１／((１／ｈｒ)＋(ｄ／λ))｝×(Ｔｓ−Ｔｒ)・・・・・(1)
ここで、鋼の連続鋳造における上記の各因子のうち、一般に、λは２５Ｗ／ｍ・℃、Ｔｓは１５００℃、Ｔｒは１００℃であり、本発明者らの調査によれば、ｈｒは１５００Ｗ／ｍ^２・℃であった。そこで、ｄを変数にしてこれらの値を上記の(1) 式に代入し、熱流束Ｑとシェル厚さｄとの関係を調べた。
【００２６】
図４は、その調査結果を示す図で、図からわかるように、シェルの成長はシェル厚さが７０ｍｍ未満の領域では冷却律速成長であり、サポートロールによる冷却の影響を大きく受けることが判明した。そして、この領域において鋳片の両端部がサポートロールに接触していない場合には、両端部の凝固遅れが著しく、その後にバルジングさせて圧下しても幅方向の中心偏析が解消されないることがわかった。
【００２７】
このため、本発明では、シェル厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間においては鋳片の全幅にロールが接触するようにサポートロールの間隔を段階的に減じることとした。
【００２８】
一方、上記の収縮量は、例えば、凝固体積収縮率αを３．８×１０^−２、降温線収縮率βを２．０×１０^−５（１／℃）とし、凝固シェルの温度を仮定することで見積もることができる。即ち、凝固収縮による厚み方向の収縮量は、近似的に「鋳型厚み×（α／３）」で求めることができ、鋳型厚みの約１．３％の収縮が凝固開始とともに発生する。また、降温による厚み方向の熱収縮量は、「鋳型厚み×β×△Ｔ」で求めることができ、１５００℃から１０００℃まで△Ｔ＝５００℃の温度低下がある場合、鋳型厚みの１％の収縮が温度の低下とともに発生する。
【００２９】
図５は、その一例を示す図で、鋳型厚みが２５４ｍｍの場合における炭素鋼からなる鋳片厚さ、具体的には幅方向の両端における短辺の鋳片厚さと凝固シェルの温度の経時的な変化を示している。
【００３０】
図５からわかるように、収縮量（凝固収縮量＋熱収縮量）は約５ｍｍで、メニスカスからおよそ２ｍの位置までの間に生じ、その後はほとんど変化しない。そして、この収縮量により鋳片の両端部がサポートロールと非接触となって両端部に凝固遅れが生じることに注目し、両端部に凝固遅れを生じさせることがないサポートロール間隔の減少量と好ましい減少位置に関する調査を、下記の鋲打ち法によりおこなった。
【００３１】
即ち、鋲打ち法とは、表面をＮｉでコーティングした鋲を鋳片の幅方向の複数箇所に打ち込み、幅方向の凝固の均一性を調べる方法であり、Ｎｉの融点約１４５０℃は鋼の固相線温度に近いため、鋲を打ち込んだ位置での凝固完了後の鋳片厚さ方向のＮｉ含有量から凝固シェルの厚さを知ることができる。
【００３２】
その結果、凝固が最も遅れるのは、鋳片の幅の大小にかかわらず、幅方向の端面、言い換えれば短辺の端面からの距離が１５０〜２００ｍｍの位置である。また、この凝固が最も遅れる部分の凝固シェル厚さをＤ２、幅方向の中央位置における凝固シェル厚さをＤ１とした場合、Ｄ２とＤ１の差、即ち凝固遅れ量δ（＝Ｄ１−Ｄ２）が２ｍｍ以下であれば、幅方向の両端部に凝固遅れがより一層生じにくいことが判明した。
【００３３】
そこで、短辺の端面からの距離が２００ｍｍの位置における凝固シェル厚さＤ２と幅方向の中央位置における凝固シェル厚さＤ１を測定し、２ｍｍ以下の凝固遅れ量δが確保できるサポートロール間隔の減少量とメニスカスからの距離との関係を調べた。
【００３４】
図６は、鋳造速度Ｖを１．２ｍ／分としたときの上記の調査結果を示す図である。なお、縦軸のロール間隔減少率は鋳型の出口厚みに対する割合である。また、図中の液相線クレータエンドと固相線クレータエンドは、前記鋲打ち法から、一次元熱伝導解析により推定した位置である。
【００３５】
図６からわかるように、幅方向の両端部における凝固遅れをなくすためには、メニスカスから５ｍまでの範囲、言い換えれば凝固シェルの厚さが７０ｍｍになるまでの間において、サポートロールの間隔の総減少率が鋳型の出口厚みの１％以上となるように絞り込むのが好ましいことがわかる。これは、サポートロールの接触による冷却改善効果は、凝固シェルが薄いほど小さな絞り込みで大きな効果が得られるということであり、これは図４の調査結果と一致する。
【００３６】
なお、幅方向の両端部における凝固遅れは、図６からわかるように、鋳型の出口厚みに対するロール間隔の総減少率を大きくすれば、液相線クレータエンド以降でも防止できる。従って、鋳片の全幅がロールに接触するようにサポートロールの間隔を狭める区間は、凝固シェルの厚さが７０ｍｍを超える位置にまで延長してもよい。しかし、あまり下流側にまで延長しすぎると、シェルの厚さが厚くなってバルジングしにくくなるだけでなく、少ないバルジング量でも両端部の凝固シェル内面に作用する曲げモーメントが大きくなって内部割れを発生させる恐れがある。このため、その下流側の限界位置は鋳片の中心部に液相線クレータエンドが現れる位置の近傍までとするのがよい。
【００３７】
なお、上記の総減少率の上限は規定しない。これは、総減少率が大きいほど、鋳片の全幅をより確実にサポートロールに接触させることができ、両端部の凝固遅れ防止効果がより確実になるからである。しかし、あまり大きくしすぎると、内部割れを発生させる恐れがあるので、その上限は３％程度とするのがよい。
【００３８】
（Ｂ）凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になる位置から固相線クレータエンドが現れる位置までの間においてバルジングを起こさせ、バルジング量以下の圧下を加えることについて
前述したように、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間においてはバルジングを起こさせることなくサポートロール間隔を鋳片の全幅がロールと接触するように段階的に減じれば、鋳片の両端部に凝固遅れが生じなくなって幅方向の凝固シェル厚さがほぼ均一になる。その結果、この後にバルジングさせても、鋳片の両端部は短辺の凝固シェルに拘束されてバルジングが抑制されるため、バルジング状態の鋳片の両端部の中心部に存在する未凝固の溶鋼量が従来のバルジング後圧下連続鋳造法に比べて大きく減少し、その後に圧下を加えても、鋳片の両端部の中心部に未凝固の溶鋼が取り残されることはない。
【００３９】
しかし、バルジング後に加える圧下は、バルジング量以下の圧下量で圧下する必要がある。これは、図５にみるごとく、鋳片の短辺長さの収縮量は約５ｍｍで、メニスカスからおよそ２ｍの位置までの間に生じ、その後はほとんど変化しないので、バルジング量を超える圧下量で圧下しても短辺の凝固シェルに拘束されて端部が塑性変形しないために圧下が端部の凝固界面には十分に伝わらず、中心偏析の改善効果がないからである。
【００４０】
バルジング量は鋳型の出口厚みの２〜５％とするのがよい。これは、バルジング量が鋳型の出口厚みの２％未満では、短辺の凝固シェルを塑性変形させない圧下範囲における幅方向の中心偏析の均一化効果が不十分であり、逆に５％を超えると内部割れが発生しやすくなるからである。このことは、後述する実施例の結果からも明らかである。
【００４１】
以下、本発明の効果を実施例に基づいて説明する。
【００４２】
【実施例】
使用した連続鋳造設備は、鋳型が短辺方向の出口の内壁間寸法（厚さ）が２５４ｍｍ、長辺方向の内壁間寸法（幅）が２０００ｍｍ、長さが９００ｍｍ、テーパが１／４５０のテーパ鋳型であり、垂直部の長さが３ｍ、機長が３０ｍの垂直曲げ型である。
【００４３】
図７は、上記の連続鋳造設備を模式的に示した図である。この図は、鋳片１の内部の凝固の状況を説明するため、垂直型連続鋳造装置とした。
【００４４】
溶鋼２は、タンデイッシュ３から浸漬ノズル４を介して鋳型５内に注入される。鋳型５は、内部が水冷されており、注入された溶鋼２は鋳型５の内面に接して凝固が開始し、凝固シェルが生成する。凝固シェルが厚くなり引き抜きが可能となった鋳片１は、サポートロール６で支持されつつ、それらのロール間に設けた冷却水ノズル７によって冷却されながら、ピンチロール８によってほぼ一定の引き抜き速度Ｖ（鋳造速度ともいう）で連続的に引き抜かれる。サポートロール６は、垂直部には左右一対、湾曲部のほぼ水平部では上下一対に配置され、それぞれのロール間隔（鋳片の厚さ方向の距離）を任意に変えられるような移動装置６−１（図には液相線クレータエンド以降のサポートロールについてのみ示してある）が設けられている。
【００４５】
図に示すように、本発明においては、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間にはバルジングを生じさせない。このため、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ未満の間のサポートロール６の間隔は、鋳片の全幅がロールと接触するように段階的に狭められている。
【００４６】
一方、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になる位置から固相線クレータエンドが現れる位置までの間においてバルジングを生じさせ、次いで圧下を加える。このため、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になる位置以降のサポートロール６のうち、上流側のサポートロール６の間隔は所定量のバルジングを生じさせのに必要なロール間隔に設定され、下流側のサポートロール６の間隔は、所定量の圧下を加えるに必要なロール間隔に設定されている。
【００４７】
得られた鋳片は、横断面を研磨した後、硝酸濃度が２５体積％の硝酸水溶液を用いてエッチングし、正偏析の残存長さ率を求めて評価した。具体的には、図８に示すように、幅方向の正偏析の残存長さＷ_１、Ｗ_２、…を測定し、下記の(1) 式により残存長さ率を求めた。なお、正偏析の判定は、鋳片厚みの中心部に周囲よりも黒色濃く腐食された部分で、その厚みが０．５ｍｍ以上ある部分とした。
【００４８】
残存長さ率（％）＝｛（Ｗ_１＋Ｗ_２＋…）／Ｗ｝×１００・・・・(1)
表１に、具体的な鋳造条件および鋳片の性能（幅方向の中心偏析の均一程度と内部割れの有無）を示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
表１に示すように、本発明の方法（試験番号１〜５）によった場合は、偏析残存長さ率は５％以下であり、良好な中心偏析レベルが達成された。ただし、試験番号４は、バルジング量が６％と大きすぎるためにバルジングによる内部割れが発生した。
【００５１】
これに対し、何らの対策も講じない、即ち、通常の方法によった場合（試験番号６）は、幅の８０％以上に偏析が残存した。また、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間のサポートロールの間隔を通常の方法による熱収縮量のみを補償する間隔に設定し、その後にバルジングと圧下のみをおこなった場合（試験番号７）は、両端部に長い正偏析が生じ、幅の２０％に偏析が残存した。これは、鋳片の全幅がロールに接触する、即ち、熱収縮量と凝固収縮量の合計収縮量を補償するように最初にサポートロール間隔を段階的に減じないことで、端部に凝固遅れが発生したためである。これとは逆に、鋳片の全幅がロールに接触するように最初にサポートロール間隔を段階的に減じても、その後にバルジングと圧下をおこなわない場合（試験番号８）は、幅の５０％に偏析が残存した。
【００５２】
一方、本発明例の試験番号３に対して、圧下量をバルジング量よりも大きくした場合（試験番号９）は、試験番号７と同様に幅の２０％に偏析が残存した。これは、短辺の凝固シェルを塑性変形させる圧下で、端部が均一に圧下されなかったためである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の鋼の連続鋳造方法によれば、凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでは鋳片の全幅をサポートロールに接触させて両端部の凝固遅れを防ぎ、その後固相線クレータエンドに至るまでの間にバルジングさせ、バルジング量以下の圧下を加えるので、内部に割れが少なく、中心部の偏析が改善された鋳片を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のバルジング後圧下連続鋳造方法の問題点を説明するための図である。
【図２】従来のバルジング後圧下連続鋳造方法における処理パターンと本発明のバルジング後圧下連続鋳造方法における処理パターンを示す図である。
【図３】本発明のバルジング後圧下連続鋳造方法を説明するための図である。
【図４】凝固シェルの厚さと熱流束との関係を示す図である。
【図５】実験結果を示す図で、サポートロールの設定間隔、鋳型厚み、鋳片の収縮量、鋳片の短辺厚さおよび凝固シェルの温度とメニスカスからの距離との関係を示す線図である。
【図６】実験結果を示す図で、サポートロールの鋳型厚みに対するロール間隔減少率と鋳片の幅方向の中央部と端部の凝固シェルの厚さ差δとの関係を示す図である。
【図７】実施例で使用した垂直曲げ型連続鋳造設備の模式図である。
【図８】実施例における中心偏析の残存長さ率の求め方を説明するための図である。
【符号の説明】
１：鋳片、
２：溶鋼、
３：タンディシュ、
４：浸漬のズル、
５：鋳型、
６：サポートロール、
６−１：移動装置、
７：冷却水ノズル、
８：ピンチロール、
９：中心偏析。

Claims

凝固シェルの厚さが７０ｍｍ以上になるまでの間においては、鋳片の全幅がロールと接触するようにサポートロールの間隔を段階的に減じ、その後、鋳片の中心部に固相線クレータエンドが現れるまでの間においてバルジングさせる一方、バルジング量以下の圧下を加えることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
段階的なサポートロール間隔の総減少量を鋳型の出口厚みの１％以上、バルジング量を鋳型の出口厚みの２〜５％とす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。