JP4036033B2

JP4036033B2 - 中炭素鋼の高速鋳造方法

Info

Publication number: JP4036033B2
Application number: JP2002146263A
Authority: JP
Inventors: 博英上原; 健二大島; 治志奥田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003334636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、C：0.07〜0.22mass%の中炭素鋼の高速鋳造方法に関し、とくにモールドパウダーのモールド内分布状態を制御することにより、連続鋳造鋳片（以下、連鋳スラブという。）の縦割れの発生を防止すると同時に、安定した高速鋳造を可能にする方法について、提案しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
中炭素域の鋼を連続鋳造する際、鋳造速度が速くなると連鋳スラブの長辺面に縦割れが高い頻度で発生するという問題点がある。このことから、従来の連続鋳造は、前記連鋳スラブの縦割れが発生しないように低速で鋳造している。とくに、中炭素鋼、即ちC：0.07〜0.22mass%、とりわけ0.10〜0.18mass%の範囲の鋼は、その縦割れの発生が著しいことが知られている。
【０００３】
上述した連鋳スラブの縦割れ現象は、次のように考えることができる。とくに、中炭素鋼の連続鋳造においては、鋳込速度を上げると、モールドの温度が全体的に上昇するだけでなく、溶鋼湯面（メニスカス）付近の幅方向の温度分布が不均一となる。そのため、溶融モールドパウダーの粘性や凝固シェルのたわみ量などに違いが生じ、モールドと鋳片との間に溶融モールドパウダーが不均一に流入することになる。その結果、鋳型内で凝固シェルが不均一に発達し、不均一に凝固したシェルの厚さの薄い部分に、復熱による強度低下と応力の集中を招き、縦割れが発生し易くなる。この縦割れが生じると、鋳片の手入れを必要として手間がかかるほか、熱間加工工程でトラブルが生じる危険がある。この傾向はとくに、中炭素鋼レベル（0.07〜0.22mass%）において顕著に現れる現象である。
【０００４】
こうした中炭素鋼スラブの縦割れ発生原因となる鋳型内不均一凝固は、次のようなメカニズムで発生すると考えられる。それは、凝固シェルの場合、その上端の鋳型内表面において、δ→γ変態に伴う0.38％という大きな縦方向収縮を受け、鋳型との間に空隙ができる。そのために、この部分に凝固遅れの部分が次々にできてシェルが不均一発達するようになるのである。即ち、凝固シェル上部には、鋳型側と溶鋼側との冷却速度の違いによる収縮量の差から、潜在的に溶鋼側に撓もうとする力が働き、この力は、固−液界面近傍のδ→γ変態に伴う収縮によって、さらに強められる。つまり、凝固シェルの高温強度が十分にあって、この力が溶鋼静圧に打ち勝ったとき、シェルは、溶鋼側に撓み、続いて復熱による凝固シェルの低下から再び鋳型に接触しても、該凝固シェルのくびれた部分で鋳型との間に空隙ができ、局部的に凝固遅れを発生して縦割れに結びつくものと考えているのである。
【０００５】
しかも、この縦割れの発生率は、鋳造速度を上げると著しく高くなる。これは、鋳造速度を上げることで、メニスカス近傍の幅方向の温度分布に差が生じ、溶融モールドパウダーの粘性や凝固シェルの撓み量などが変化して、不均一流入を一層、助長するからである。
【０００６】
こうした縦割れの発生を防ぐため、従来より種々の技術が提案されている。例えば、モールドと凝固シェルとの間へのモールドパウダーの流入量を均一化させ、凝固シェルの不均一生成を防止する方法、モールドパウダーの粘度や結晶化温度等を適正化する方法、あるいは溶湯からの抜熱量を低下させる緩冷却鋳型を用いる方法などである。
【０００７】
たとえば、特開平5-15955号公報には、モールドパウダー中の全CaO量とSiO₂量との比率を調整することにより、鋳型内の凝固殻を緩冷却して縦割れの発生を防止する方法が開示されている。しかし、この提案にかかるモールドパウダーを用いても、通常の厚さの鋳片または薄鋳片を鋳造する場合でも、中炭素鋼を高速で鋳造する場合には、やはり縦割れが発生し易く、しかも鋳型の冷却板と凝固殻との間の潤滑性の低下によりブレークアウトが発生しやすくなるという課題もあった。
【０００８】
また、特開2001-347353号公報では、溶融パウダの凝固点を調整したモールドパウダーを、鋳造速度と凝固殻表面積あたりの溶鋼の熱量qがq≦58.0−260.2×Vcを満たすように選択して用いることにより、鋳型内の凝固殻を均一に緩冷却する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、モールド全体の抜熱量を平均的に見た指標であり、スラブ縦割れの原因となるメニスカス近傍の幅方向の温度分布の均一性を表わすものではないため、部分的なシェルの不均一成長が生じる場合には、この指標の範囲内でもスラブ縦割れが発生するという問題点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、上記各従来技術には、解決すべき多くの課題が残されていることがわかった。そこで、本発明の目的は、中炭素鋼の高速連続鋳造において、縦割れを発生することなく、高速の連続鋳造を安定して行なうことのできる方法を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、従来技術の抱える上記課題について鋭意検討した結果、下記要旨構成に係る高速連続鋳造方法を開発するに至った。すなわち、本発明は、Ｃ：０．０７〜０．２２ｍａｓｓ％を含有する中炭素鋼を、２．０ｍ／ｍｉｎ以上の速度で連続鋳造するに当たり、モールドパウダーの塩基度（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ _２）が１．２０〜１．８０の範囲内、モールドパウダーのプリメルト率が４０％以上になるよう制御して、モールド幅方向のモールドパウダー未溶融層厚み、および溶融層厚みの変動量を、それぞれ１５％以内に抑えることを特徴とする中炭素鋼の高速鋳造方法である。
【００１１】
なお、本発明においては、前記モールドパウダーは、粒子形状が、中空顆粒状のものを用いることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
連鋳スラブに発生する上述した縦割れは、ほぼモールド幅方向の中央部に鋳造向に沿って筋状に発生するものである。前述したように、このスラブ縦割れは、鋳造速度（Vc）を上げることで、その発生率は高くなる。図１に、従来型モールドパウダー（柱状顆粒、セメント基材）を使用した場合の鋳造速度(Vc)と縦割れ発生率の関係を示す。鋳造速度(Vc)＝1.94（m/min）以下では、連鋳スラブの縦割れ発生率は10％以下であるが、この速度がVc=2.04（m/min）になると、11.7％およびVc=2.20（m/min）では、22.2％と、鋳造速度の増加に伴い、連鋳スラブへの縦割れの発生率が急激に増加することがわかる。
【００１３】
上述したように、中炭素鋼の連続鋳造において縦割れの発生頻度が高くなる理由は、鋳造速度を上げた場合、溶鋼湯面（メニスカス）付近のモールド幅方向の温度分布が不均一となりやすくなるため、モールド壁と鋳片間への溶融モールドパウダーの不均一流入を招き、このことが凝固シェルの厚さの薄い部分において復熱による強度の低下と応力の集中を招くためであると考えられる。
【００１４】
この点についてさらに研究したところ、発明者らは、モールド内溶鋼湯面付近におけるモールド幅方向におけるモールドパウダー未溶融層の厚みと溶融層厚みの変動量とを、一定の範囲内に制御すれば、溶融したモールドパウダーが、モールド壁と鋳片との間に、均一に流入するようになる。その結果、凝固シェルの不均一成長を防ぎ、ひいては前記縦割れを防ぐことができるのではないかと考えた。
【００１５】
そこで、本発明にかかる鋳造方法においては、モールド壁と鋳片（凝固シェル）との間に流入する溶融モールドパウダーの分布形態を制御することにした。そのために本発明では、第１にモールド内におけるモールド幅方向のモールドパウダー未溶融層の厚みを制御すること、第２にモールドパウダー溶融層厚みの変動量を制御することにした。即ち、それぞれの変動量を15％以下に抑えることにしたのである。より好ましくは、それぞれの値を10％以下とする。
【００１６】
モールドパウダー未溶融層の厚みおよび溶融層の厚みの変動量を制御する理由は、これらの値が15％を超えると、凝固シェル−モールド間に流入するパウダー厚みのバラツキが大きくなり、それが不均一凝固を招いてスラブ縦割れの原因となるためである。とくに、これらの値が20%を超える場合には、スラブ縦割れの発生比率が高くなるほか、部分的にパウダーの流入不足が生じ、スラブ焼つき、ひいてはそれに伴うブレークアウトを発生させる場合がある。
【００１７】
次に、モールド幅方向にモールドパウダーの未溶融層厚みと溶融層厚みの変動量を制御する理由は、この変動量がそれぞれ15％以下であれば、凝固シェル−モールド間に流入するパウダー量のバラツキが抑えられ、生成するパウダーフィルム厚みも均一化し、メニスカス近傍のモールド抜熱量のバラツキが低減できるため、凝固が均一になり、スラブ縦割れの発生を抑えることができる。
【００１８】
次に、本発明に従い、モールド幅方向および／または厚さ方向のモールドパウダー未溶融層厚みと溶融層厚みの変動をそれぞれ15％以下に抑える方法について説明する。そのために本発明では、モールドパウダーの組成および形態（粒子形状あるいは性状等）を適切に制御することが肝要である。たとえば、(％CaO)／(％SiO₂)の比で定まる塩基度は、モールドパウダーの基本的な特性を決定する重要な要素であり、本発明では、増速時の縦割れを抑制する意味で、1.20〜1.80の範囲内の中塩基度とすることが好ましい。それは、緩冷却でかつ、凝固シェル厚みを確保するためである。1.20未満では、冷却が強く、不均一凝固に伴う縦割れが発生する。1.80を超えると、冷却が弱すぎるため、シェルの成長が遅れ、ブレークアウトにつながる可能性がある。
【００１９】
また、モールドパウダー粒子形状については、通常の粉末あるいは柱状顆粒の他、中空顆粒状のものが好適に用いられる。この中空顆粒状のものとは、図２に示すような球形パウダー粒子１で、中に空洞２を有するものである。こうした形状のものは、モールド内での未溶融時の流動性がよく、モールド幅方向などへの均一拡散性に優れるので、好ましいと言える。
【００２０】
さらに、モールドパウダーの他、特性については、プリメルト材を用いることが好ましい。プリメルト材は、溶融安定性や温度変化が少ないため、均一流入特性に優れ、ひいては凝固シェル厚みのバラツキが少なく、幅方向特性にも優れ、溶融後速やかに所定の粘度に達するので溶融層内での粘度不均一が小さいことから好ましいと言える。なお、プリメルト材とは、パウダーの基材となるCaOやSiO₂等を含む原料を予め溶融したものを言う。
【００２１】
本発明においては、例えば、表１に示すような成分組成、粒子形態および特性を有するモールドパウダーを使用することが好ましい。参考例として、従来のモールドパウダーの成分組成および特性を表１に併せて示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
上掲の表１に示すように、本発明に適合する例１のモールドパウダーは、粒子形状が中空状顆粒（以下、単に「中空顆粒」という）を用いた。そのため、モールド内にパウダーを供給する際に、モールド幅方向および厚み方向にパウダーが均一に拡散されやすくなり、凝固シェルを均一に成長させることができる。しかも、この中空顆粒は、プリメルト材にした場合には、プリメルト率（プリメルト率(%)＝プリメルト原料／全原料×100%）を、40%以上に調整することで、モールド幅方向の凝固シェル厚みの変動が低減でき、凝固シェル成長の不均一性が改善できる。とくに、このようなプリメルト材型の中空顆粒パウダーは、熱処理により粘度や組成が変わることがあまりないという特性を示し、好適である。
【００２４】
次に、本発明に適合する例２のモールドパウダーは、高凝固温度パウダーを用いる。このようなパウダーでは、モールド壁と凝固シェルとの間に形成されるフィルム層中の固相厚みが厚くなり（液相厚みは薄い）、熱収束が小さくなって緩冷却指向となるし、また、モールド冷却水の入出温度差から計算されるモールド抜熱量も少なくなり、縦割れ防止に有効である。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
C：0.11mass％、Si：0.10mass%、Mn：0.78mass%、P：0.018mass%、S：0.005mass%およびAl：0.022mass%の中炭素鋼を、内のりの厚み220mm、幅1300mmのモールドを用いて同サイズの連鋳スラブを連続鋳造した。モールドパウダーとしては、中空顆粒状（直径：300〜700μmの球形）であって、パウダー組成中の塩基度(％CaO)／（％SiO₂）が1.30で、粘度が0.5poise(at 1300℃)となるように調整したものを用いた。
【００２６】
モールド内のモールドパウダー未溶融層および溶融層厚みの変動幅を、モールド幅方向に7〜21％の範囲で変動させ、その際の縦割れ発生率を調査した。なお、鋳造速度は、1.5m／minと2.1m／minの２通りとした。その結果を図３に示す。
【００２７】
上記各図に示すとおり、鋳造速度が2.1m／minの場合では、モールド幅方向の変動量が17％の時点で、縦割れが発生し始めた。また、鋳造速度が1.5m／minの場合では、幅方向に関しては変動量が21％の時点で縦割れが発生し始めた。したがって、モールド幅方向の変動量を15％以下に抑制すれば、鋳造速度が2.0m／min以上の高速においても縦割れの発生を抑えることができることが確認できた。
【００２８】
（実施例２）
表１に示した本発明適合例１および適合例２のモールドパウダーを使用し、縦割れの発生率を測定した。その結果を図４および５に示す。
【００２９】
本発明適合例１のモールドパウダーでは、鋳造速度Vc＝2.8m/minまで、また本発明適合例２のモールドパウダーでは、鋳造速度Vc=2.2m/minまで、縦割れの発生は見られず、鋳造速度が2.0m/minを超える高速においても縦割れを発生することなく、安定して連続鋳造できることが確認できた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる中炭素鋼スラブの高速鋳造方法によれば、化学組成や粒子形態、あるいは特性を適切に調整したモールドパウダーを使用することにより、凝固シェルの不均一成長を抑制し、縦割れを発生することなく、2.0m/min以上の高速の連続鋳造を安定して行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のモールドパウダーを用いた場合の鋳造速度による縦割れ発生率を示したグラフである。
【図２】中空顆粒状の形態を示す図である。
【図３】モールドパウダー幅方向の厚み偏差と縦割れ発生率の関係示すグラフである。
【図４】本発明に好適なモールドパウダーを用いた場合の鋳造速度による縦割れ発生率を示したグラフである。
【図５】本発明に好適なモールドパウダーを用いた場合の鋳造速度による縦割れ発生率を示したグラフである。

Claims

Ｃ：０．０７〜０．２２ｍａｓｓ％を含有する中炭素鋼を、２．０ｍ／ｍｉｎ以上の速度で連続鋳造するに当たり、モールドパウダーの塩基度（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ _２）が１．２０〜１．８０の範囲内、モールドパウダーのプリメルト率が４０％以上になるよう制御して、モールド幅方向のモールドパウダー未溶融層厚み、および溶融層厚みの変動量を、それぞれ１５％以内に抑えることを特徴とする中炭素鋼の高速鋳造方法。
前記モールドパウダーは、粒子形状が、中空顆粒状のものを用いることを特徴とする請求項１に記載の中炭素鋼の高速鋳造方法。