JP4280195B2

JP4280195B2 - 鋼材の製造方法

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Publication number: JP4280195B2
Application number: JP2004130235A
Authority: JP
Inventors: 等中田; 一之堤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP2005313175A

Description

本発明は、連続鋳造および熱間圧延して鋼材を製造するに際して、鋼材における中心偏析や微少空洞の形成を極力低減するための方法に関するものである。

鋼を連続鋳造した場合に、炭素、硫黄、麟、マンガンなどの成分が鋳片中心部に偏析して濃化するという問題がある。こうした中心偏析は、鋳片の凝固末期に凝固収縮による容鋼流動に伴って引き起こされることが知られている。

こうした問題を解決する技術として、内部に未凝固部が存在する凝固末期のスラブ鋳片を、ロールによって圧下しつつ連続鋳造する方法が各種提案されている（例えば、特許文献１〜３）。これらの技術では、鋳片の中心固溶率が０．１〜０．３の位置から流動限界固相率までを圧下すると共に、その圧下量（圧下速度や圧下量）を適切に規定することによって、中心偏析の発生を防止するものである。

上記のような技術は、中心偏析の低減に関しては極めて有効な技術であるといえるものである。しかしながら、こうした圧下技術では、鋳片中心部における微少な空洞欠陥（以下、これを「ザク欠陥」と呼ぶ）の発生防止については十分であるとはいえない。

こうしたザク欠陥は、その後の熱間圧延工程での圧下によってある程度は低減できるとされている。しかしながら、特に最終鋼板製品の厚みが厚い（例えば、６０〜１４０ｍｍ）スラブ鋳片の場合には十分な圧下比が得られないために、圧延工程で強圧下を適用しても、製品中心部におけるザク欠陥が残存してしまい、超音波探傷試験したときの製品不良（以下、「ＵＴ不良」と略記することがある）として表れ、製品化を大きく妨げる原因となっている。こうしたことから、ＵＴ不良のない製品を得るためには、連続鋳造の段階でザク欠陥を極力低減することが必要となる。
特開平０５−２１２５１７号公報特許請求の範囲等特開平０６−１２６４０５号公報特許請求の範囲等特開平０７−６０４２４号公報特許請求の範囲等

本発明はこうした従来技術における課題を解決する為になされたものであって、その目的は、厚物の厚板製品であってもザク欠陥の発生を効果的に低減すると共に、中心偏析の発生も防止し、ＵＴ不良の発生を極力なくすことができる鋼材の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明方法とは、内部に未凝固部が存在するスラブ鋳片を、ロールによって圧下しつつ連続鋳造し、更に熱間圧延する方法によって下記（１）式の関係を満足する鋼材を製造するに当たり、連続鋳造時の圧下に際して、鋳片中心部の固相率が０．４〜０．６となる位置から圧下を開始すると共に、圧下時における圧下勾配が０．７ｍｍ／ｍｉｎ以上４．０ｍｍ／ｍｉｎ未満となるように制御する点に要旨を有するものである。
０．２≦（Ｗ／Ｗ₀）≦０．５ …（１）
但し、Ｗ₀（ｍｍ）：圧下前のスラブ鋳片厚さ
Ｗ（ｍｍ）：熱間圧延後の鋼材製品厚さ

本発明方法においては、鋳片中心部の固相率が１．０となる位置で圧下を終了すればよく、より好ましくは鋳片中心部の固相率が１．０となる位置から更に鋳片長さ２〜３ｍに相当する位置で圧下を終了することが好ましい。

また圧下勾配をＹ（ｍｍ／ｍｉｎ）としたときに、このＹが（Ｗ／Ｗ₀）の関係で前記下記（２）式の関係を満足するようにして操業することが好ましい。
Ｙ≧１．８×（Ｗ／Ｗ₀）＋０．１７ …（２）

本発明で対象とするスラブ鋳片は、Ｃを０．０８〜０．２質量％含有する中炭素鋼であることが好ましく、こうした鋳片を対象としたときに本発明の効果が最大限に発揮される。

本発明では、上記（１）式の関係を満足する鋼材を製造するに際して、連続鋳造時の圧下の開始時期、圧下勾配を適切に制御することによって、ＵＴ不良の発生を極力少なくしたスラブ鋳片が得られるようになった。

本発明者らは、上記目的を達成する為に様々な角度から検討した。その結果、
熱間圧延後の鋼材製品厚さＷと圧下前のスラブ鋳片厚さＷ₀の比（Ｗ／Ｗ₀）が０．２〜０．５となるような関係にあるスラブを鋳造するに際して、スラブ鋳片中心部の固相率（以下、「中心固相率ｆｓ」と略記する）が所定の値となった位置から所定の圧下勾配で強圧下を行うようにすれば上記のようなザク欠陥の発生が防止できることを見出し、本発明を完成した。即ち、ザク欠陥をなくすためには、従来行われているような凝固収縮を補償する圧下勾配程度では不十分であり、これよりも更に大きい圧下勾配で圧下を施せば、ザク欠陥が低減できたのである。

ザク欠陥を低減するためには、凝固が完了してから（中心固相率ｆｓで１．０以降）圧下（即ち、熱間圧延）しても効果があることが予想されるが、ザク欠陥生成段階で圧下を加えるのが最も効果的である。また、こうした段階で圧下を加えることによって、少量の圧下量であって十分にその効果を発揮できるものとなる。例えば、圧延形状比が同一の場合には、鋳造段階でその形状を実現するときと圧延段階でその形状を実現するときとを比較すると、鋳造時においては鋳片の表面部の温度が低くなっており、剛性があるので、外部からの圧下が内部まで浸透しやすくなっている。これに対して、圧延段階においては表面温度が高くならざるを得ないので、圧下の浸透が十分ではない。また、ザク生成段階である凝固末期に圧下を施し、ザクの生成を防止する方が一旦生成したザクを圧下、圧着させるための必要圧下量より遥かに少なくて済み、こうしたことから、鋳造段階で圧下をかける方が効率的であると考えられる。

本発明方法を実施するに当たっては、中心固相率ｆｓが０．４〜０．６となる位置から圧下を開始するのが最も有効である。従来、中心偏析を改善するためには、中心固相率ｆｓが０．１〜０．３の段階から圧下を開始するのが一般的であるが、ザク欠陥が形成される時期は、中心固相率ｆｓがより高い側（即ち、固相が自由に移動できなくなるｆｓ＝０．４の段階）以降であるので、圧下の開始の時期は少なくとも中心固相率ｆｓが０．４となる位置とすれば効果的である（鋳片幅中央部および凝固遅れ部とも）。但し、中心固相率ｆｓが０．６となる位置以降で圧下を開始すると、形成されてしまったザクも存在し、これを圧着させるには大きな圧下量が必要となるため圧下開始位置は中心固相率ｆｓが０．６となる位置までとするのが良い。

中心偏析だけを考慮すれば、中心固相率ｆｓが０．１〜０．３の段階から圧下（軽圧下）を開始することが好ましいのであるが、こうした固相率ｆｓの範囲内では固相も自由に動くので、この部位で圧下してもミクロポロシティの生成にはあまり寄与しないものとなる。

本発明では、ザク欠陥の原因となるミクロポロシティの形成に影響を及ぼす固相率ｆｓから強圧下を加えるものであるので、ミクロポロシティ形成に関係のない中心固相率（ｆｓ＝０．１〜０．３）までは圧下しない方が偏析形成の観点から見て濃化溶鋼の搾り出しがないので望ましいものとなる。

本発明では、ザク欠陥の低減を図るために凝固収縮を補償する以上の圧下勾配で鋳造する必要があり、こうした観点から圧下時の圧下勾配は０．７ｍｍ／ｍｉｍ以上とする必要がある。また、圧下勾配をあまり高くすると、濃化溶鋼の搾り出しが生じて圧下時に逆Ｖ偏析が生じ易い状態になるので、偏析が生じにくい鋼種を用いることを考慮しても（後述する）、圧下勾配は４．０ｍｍ／ｍｉｎ未満とする必要がある。

本発明方法は、圧下前のスラブ鋳片厚さをＷ₀（ｍｍ）、熱間圧延後の鋼材製品厚さをＷ（ｍｍ）としたときに、これらが下記（１）式の関係を満足するような鋼材を製造することを前提とし、こうした鋼材のミクロポロシティの低減効果を達成するものである。
０．２≦（Ｗ／Ｗ₀）≦０．５ …（１）

（Ｗ／Ｗ₀）の値が０．５よりも大きくなるような鋼材であると、強圧下によるザク欠陥低減効果が達成されず、また０．２よりも小さくなると、熱間圧延段階でザク欠陥を圧着させることが可能となる。

尚上記（Ｗ／Ｗ₀）の値は、最終的（熱間圧延後）に上記（１）式の関係を満足すればよく、この比の値は熱間圧延後の圧延率をも考慮に入れたものである。従って、連続鋳造の圧下だけで上記（１）式の関係を満足する必要はないが、本発明の目的を達成するためには、連続鋳造の圧下の際に上記の条件で強圧下する必要がある。

上記のような要件が満足できれば、本発明の目的は基本的に達成されることになり、圧下を終了する時期については限定するものではないが、鋳片中心部の固相率が１．０となる位置で圧下を終了すれば十分である。こうした時期に圧下を終了することによってＵＴ欠陥のない鋳片が得られるのであるが、より好ましくは鋳片中心部の固相率が１．０となる位置から更に鋳片長さ２〜３ｍに相当する位置で圧下を終了することが好ましい。但し、この位置より後まで圧下を継続しても構わないが、鋳片軸心部の温度が低下するため、ザクの圧着効果が低下する懸念がある。

本発明方法では、中心固相率ｆｓが０．４〜０．６となる位置から圧下を開始するものであるので、中心偏析の生じやすい鋼種ではザク欠陥が低減できても、中心偏析が悪化する恐れがある。こうした観点から、本発明で対象とする鋼種としては、鋼中のＣ，Ｐ，Ｓの含有量が少ない低炭素鋼、極低炭清浄鋼、ステンレス鋼などが好ましい鋼種として挙げられる。また、凝固収縮の大きい鋼種（δ→γ変態を伴う鋼種）や、不純物元素（ＰやＳ）がある程度含有していても、偏析度としてあまり大きくならない鋼種も好ましく適用でき、こうした鋼種としてはＣ含有量が０．０８〜０．２質量％の中炭素鋼が挙げられる。尚、これらの鋼種には、合金元素としてＣｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ等を、１．０〜３．０質量％程度（Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉで各々１．０質量％程度、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖで各々２．０〜３．０質量％程度）含むものであっても良い（残部は実質的にＦｅ）。

尚、圧下勾配が０．７ｍｍ／ｍｉｎ以上４．０ｍｍ／ｍｉｎ未満の範囲内にあっても（Ｗ／Ｗ₀）の値が大きくなるにつれてザク欠陥が発生し易くなる傾向を示すことになる（後記実施例参照）。こうした点を考慮すれば、（Ｗ／Ｗ₀）の値に応じて前記（２）式を満足するように、圧下勾配を制御することが好ましい。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

実施例１
下記の化学成分組成の鋼種からなるスラブ鋳片を、下記表1〜３に示す各種条件［鋼材製品厚さ／スラブ厚さ（Ｗ／Ｗ₀）、圧下開始中心固相率ｆｓ、圧下終了中心固相率ｆｓ］にて連続鋳造した。尚、このときのスラブ鋳片厚さは２８０ｍｍである（幅：２１００ｍｍ）。

（スラブ鋳片の化学成分組成）
Ｃ：０．０８〜０．２質量％、Ｓｉ：０．１質量％、Ｍｎ：１．４５質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．００４質量％、Ａｌ：０．０１７質量％
得られた各スラブ鋳片について、ザク発生状況、中心偏析発生状況およびＵＴ不良発生状況について調査を行い、そのスラブ鋳片品質について評価した。これらの評価方法および評価基準は下記の通りである。その結果を、鋳造条件と共に、下記表１〜３に併記する。

［ザク欠陥発生状況］
スラブ鋳片の軸心部断面内［８４０ｃｍ²（４ｍｍ×２１０ｍｍ）内］に存在する直径３ｍｍ以上のザクの個数をＸ線透過法によって観察し、１ｃｍ²当たりの個数に換算して評価した。このときの評価基準は下記の通りである。
○：直径３ｍｍ以上のザクの個数が０．１個／ｃｍ²未満
△：直径３ｍｍ以上のザクの個数が０．１個／ｃｍ²以上０．１５個未満
×：直径３ｍｍ以上のザクの個数が０．１５個／ｃｍ²以上

［中心偏析発生状況］
スラブ鋳片の軸心部断面におけるＣ含有量の最大値（Ｃｍａｘ）を測定し、これと平均Ｃ含有量（Ｃ₀）との比（Ｃｍａｘ／Ｃ₀）によって中心偏析の発生状況を評価した。このときの評価基準は下記の通りである。
○：（Ｃｍａｘ／Ｃ₀）が１．３未満
△：（Ｃｍａｘ／Ｃ₀）が１．３以上１．３５未満
×：（Ｃｍａｘ／Ｃ₀）が１．３５以上

［ＵＴ試験］
ＪＩＳの超音波探傷基準（ＪＩＳＢ０９０１）の４倍の判定基準（欠陥エコー<２５％）で超音波探傷試験を行い、測定される欠陥エコー高さの大小によってＵＴ欠陥の発生状況について評価した。このときの評価基準か下記の通りである。尚、「欠陥エコー高さ」とは、底面エコー高さに対する欠陥エコー高さの割合（％）を示すものであり、この値が小さいほどザク欠陥が発生していないことを意味する。
○：欠陥エコー高さが１０％未満
△：欠陥エコー高さが１０％以上２０％未満
×：欠陥エコー高さが２０％以上

これらの結果から次のように考察できる。まず本発明で規定する要件を満足する条件で鋳造したもの（Ｎｏ．４〜１０、１３〜１８、２３〜３０、３４、４１〜４４、４７〜５２）では、ザク欠陥および中心偏析が極めて少なくなって、ＵＴ試験結果も良好であることが分かる。特に、圧下終了時点を凝固完了点（中心固相率ｆｓ＝１．０）から２．５ｍまで圧下したもの（Ｎｏ．３４）では小サイズのザク欠陥が更に減少しており（０．０７個／ｃｍ²未満）、またＵＴ試験においても欠陥エコー高さが更に少なくなっており（５％以下）、いずれも良好な結果が得られていた（表２中、「◎印」で示す）。

これに対して本発明で規定する要件を外れる条件で鋳造したもの（Ｎｏ．１〜３、１１、１２、１９〜２２、３１〜３３、３５〜３７、４５、４６）では、ザク欠陥または中心偏析の少なくともいずれかの欠陥が発生していることが分かる。

尚、最も良好な結果が得られたＮｏ．３４のものは、凝固完了点（中心固相率ｆｓ＝１．０）の位置から更に２．５ｍ下流側まで圧下を加えたものであるが、このときの軸心部の温度は凝固完了点の温度から２５℃程度低下した位置であることが確認できた。即ち、この程度の温度低下で抑えた状態であれば、その時期に圧下を加えても微少なザクの圧着は可能であることを示している。このときの鋳造速度は１．０ｍ／ｍｉｎであるので、完全凝固点（ｆｓ＝１．０）の位置から軸心部温度が２５℃低下する位置は、鋳造速度をＶｃ（ｍ／ｍｍ）としたときに、２．５Ｖｃ（ｍ）となる。即ち、完全凝固点（中心固相率ｆｓで１．０）以降で２．５Ｖｃの位置まで更に圧下することによって更に良好なザク欠陥低減効果が得られることになる。

上記結果に基づいて、（Ｗ／Ｗ₀）と圧下勾配がザク欠陥残存や中心偏析発生に与える影響を図１に示す。この結果から、基本的に圧下勾配が０．７ｍｍ／ｍｉｎ以上４．０ｍ／ｍｉｎ未満の範囲を外れると、鋳片における欠陥が発生していることが分かる。即ち、圧下勾配が０．７ｍｍ／ｍｉｎ未満となると、ザク欠陥が発生するし、４．０ｍｍ／ｍｉｎ以上となると中心偏析が悪化することになる。

但し、圧下勾配が０．７ｍｍ／ｍｉｎ以上４．０ｍｍ／ｍｉｎ未満の範囲内にあっても（Ｗ／Ｗ₀）の値が大きくなるにつれてザク欠陥が発生し易くなる傾向を示すことになる（前記表３のＮｏ．３８〜４０）。その領域は、図１に示すように、圧下勾配をＹとしたときにＹ＝１．８×（Ｗ／Ｗ₀）＋０．１７のラインよりも下の領域（図１に示したザク残存領域）。こうしたことから、（Ｗ／Ｗ₀）の値に応じて前記（２）式を満足するように圧下勾配を制御することが好ましいことが分かる。

（Ｗ／Ｗ₀）と圧下勾配がザク欠陥や中心偏析の発生与える影響を示すグラフである。

Claims

内部に未凝固部が存在するスラブ鋳片を、ロールによって圧下しつつ連続鋳造し、更に熱間圧延する方法によって下記（１）式の関係を満足する鋼材を製造するに当たり、連続鋳造時の圧下に際して、鋳片中心部の固相率が０．４〜０．６となる位置から圧下を開始すると共に、圧下時における圧下勾配が０．７ｍｍ／ｍｉｎ以上４．０ｍｍ／ｍｉｎ未満となるように制御することを特徴とする鋼材の製造方法。
０．２≦（Ｗ／Ｗ₀）≦０．５ …（１）
但し、Ｗ₀（ｍｍ）：圧下前のスラブ鋳片厚さ
Ｗ（ｍｍ）：熱間圧延後の鋼材製品厚さ
鋳片中心部の固相率が１．０となる位置で圧下を終了する請求項１に記載の鋼材の製造方法。
鋳片中心部の固相率が１．０となる位置から更に鋳片長さ２〜３ｍに相当する位置で圧下を終了する請求項１に記載の鋼材の製造方法。
圧下勾配をＹ（ｍｍ／ｍｉｎ）としたときに、このＹが（Ｗ／Ｗ₀）の関係で前記下記（２）式の関係を満足するようにして操業する請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の製造方法。
Ｙ≧１．８×（Ｗ／Ｗ₀）＋０．１７ …（２）
スラブ鋳片はＣを０．０８〜０．２質量％含有する中炭素鋼である請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の製造方法。