JP4508209B2 - 複層鋳片の連続鋳造方法及び鋳片 - Google Patents

Description

本発明は、表層部と内部の溶質濃度が異なる複層鋳片を連続鋳造する方法、及びこの方法により製造した表層部と内部の溶質濃度が異なる複層鋳片に関するものである。

従来から、表層部と内部の溶質濃度が異なる鋼板の研究がなされていた。そして、この鋼板の製造に際しては、異なる２種類の鋳片を溶接で貼り合わせて圧延する方法、２種類の成分の溶鋼を同時に鋳型内に給湯して連続鋳造する方法、インゴット法による凝固進行中に溶質元素を添加する方法などが提案されている。

このうち、２種類の成分の溶鋼を同時に鋳型内に給湯して連続鋳造する方法としては、以下に説明する方法が開示されている。

例えば特許文献１では、外層用と内層用のタンディッシュ上に設けた取鍋台車に、それぞれ外層部と内層部の２基の取鍋を搭載し、これらの何れの取鍋からも、それぞれの浸漬ノズルに溶鋼を注入可能とすることで、複層鋳片を連続鋳造する方法が開示されている。
特開平５−７６９９４号公報

この特許文献１で開示された方法では、取鍋の交換時も連続して溶鋼の供給が可能になるので、取鍋交換時の溶鋼の温度低下が抑えられ、ノズル閉塞等のトラブルが防止できる等、燃料等の省資源ならびに生産効率の向上が図れると記載されている。

また特許文献２では、鋳型内のメニスカスよりも鋳片引抜き方向の下流側位置で、鋳片幅方向に形成した直流磁場帯で区分された上下の溶鋼プールに、組成の異なる溶鋼を供給するに際し、直流磁界発生装置を鋳造方向に複数段設けて、表層と内層の間に形成される遷移層の厚み、濃度勾配を制御する連続鋳造方法が開示されている。
特開平６−３４４０８０号公報

この特許文献２で開示された方法では、表層と内層の間に形成される遷移層の厚みを自由に制御できるようになり、鋳造過程における複層鋳片の材質構成が容易に行えると記載されている。

また、２種類の成分の溶鋼を準備することなく、表層部と内部の溶質濃度が異なる複層鋳片を連続鋳造する方法としては、以下に説明する方法が開示されている。

例えば特許文献３，４では、合金成分を添加したモールドフラックスを使用すると共に、鋳型上部に電磁攪拌を印加し、鋳型内上部の溶鋼を攪拌することによって、モールドフラックスから移行した合金成分を均一に分散させて、鋳片の表面近傍に添加された合金成分の濃度を上昇させる方法が開示されている。
特開平８−２９０２３５号公報 特開２００１−３００７０４号公報

前記特許文献１，２の方法は、異なる成分の溶鋼を同時に給湯して、表層部と内部の溶質濃度が異なる鋳片を得るための連続鋳造方法で、上部に給湯した溶鋼と、下部に給湯した溶鋼を混合させないことが重要である。また上部に給湯する溶鋼の密度が、下部に給湯する溶鋼の密度よりも小さくないと、両溶鋼の界面が不安定になる。

従って、特許文献１，２の方法では、全幅に設置した静磁場の電磁ブレーキによって溶鋼が流動しないようにして、前記２つの成分の溶鋼が混合しないようにしている。

しかしながら、静磁場は、原理上、流速に応じて流動抵抗が発生して流速を低下させ、流速のない部分では制動力は発生しないので、特許文献１，２のように、ほとんど流動させないための制動装置としては適当でなく、所定の役割を果たさない。また、２種類の溶鋼を同時に溶製することも実際のプロセスでは大きな制約となる。

一方、前記特許文献３，４の方法では、モールドフラックスに添加できる元素に制約があるのみならず、溶鋼への移行量も制約があるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、特許文献１，２の方法では、静磁場の電磁ブレーキによって２つの成分の溶鋼を混合しないようにすることは難しいという点である。また特許文献３，４の方法では、モールドフラックスに添加できる元素には制約があり、溶鋼への移行量も制約があるという点である。

本発明の複層鋳片の連続鋳造方法は、
より簡便に界面が安定した表層部と内部との溶質濃度が異なる複層鋳片を得るために、
表層部と内部の溶質含有率が異なる複層鋳片を連続鋳造する方法であって、
鋳型内溶鋼中の横断面中心部に下端部を浸漬させた浸漬ノズルの２つの吐出孔から、鋳型の両短辺に向けて、水平もしくは水平より斜め下向きに、溶鋼を注入するのと同時に、
この浸漬ノズルを挟む前記両短辺側の対称位置の溶鋼中に下端部を浸漬させたストレートノズルの底部に設けた１つの吐出孔から、鉄以外の成分を１０質量％以上含有させた溶融鉄合金を、鉛直下方に向けて添加し、
鋳型内に注入及び添加された、前記溶鋼及び前記溶融鉄合金を電磁攪拌する際に、
前記ストレートノズルの吐出孔の位置と、浸漬ノズルの吐出孔の上下方向の位置関係を、溶質の濃化の位置によって変化させることを最も主要な特徴としている。

その際、浸漬ノズルの吐出孔か、ストレートノズルの吐出孔の何れか一方が位置する部分で電磁攪拌を行い、この電磁攪拌位置より下方に、電磁攪拌部に位置しないストレートノズル又は浸漬ノズルの吐出孔を位置させることで、表層部の溶質濃度を高めたり、低めたりすることが可能となる。

本発明の複層鋳片の連続鋳造方法の実施に際しては、
前記ストレートノズルの底部に設けた吐出孔の位置が、前記浸漬ノズルの２つの吐出孔の位置よりも下方になるように配置して鋳造すれば、表層の溶質含有率が内部の溶質含有率よりも少ない本発明の鋳片を得ることができる。

また、前記ストレートノズルの底部に設けた吐出孔の位置が、前記浸漬ノズルの２つの吐出孔の位置よりも上方になるように配置して鋳造すれば、表層の溶質含有率が内部の溶質含有率よりも多い本発明の鋳片を得ることができる。

本発明では、浸漬ノズルからの溶鋼注入と同時に、浸漬ノズルを挟む鋳型両短辺側の対称位置に配置したストレートノズルから溶融鉄合金を添加し、鋳型内で積極的に溶質を混合させるので、界面が安定した複層鋳片を、簡便に得ることができる。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を用いて説明する。

特許文献１，２のように、異なる２つの成分の溶鋼を溶製した場合には、先に説明した問題点を解決することは難しい。
そこで、発明者らは、溶質を鋳型に添加し、鋳片の内部で混合する方法について、研究を重ねた。

その際、溶質を、ワイヤー等のように固体で添加すると、均一に溶融させることが困難であることから、予め鉄と混合した状態で溶融しておき、溶融した状態で鋳型に添加することにした。

本発明は、表層部と内部の溶質含有率が異なる複層鋳片を連続鋳造するに際し、以上の考え方に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明では、図１に示すように、鋳型１内溶鋼３中の横断面中心部に、下端部を浸漬させた浸漬ノズル２から、表層部又は内部の目標組成となる溶鋼３を注入する。そして、浸漬ノズル２からの溶鋼３の注入と同時に、溶鋼３中に下端部を浸漬させたストレートノズル４から、鉄合金５を添加するのである。

その際、浸漬ノズル２から鋳型１内に注入される溶鋼３には、ストレートノズル４から添加される鉄合金５が混合されて表層部又は内層部の化学組成を形成するので、鋳型１内に添加した鉄合金５を溶鋼３と十分に混合する必要がある。

そこで、本発明では、水平方向もしくは水平方向より斜め下向きの２つの吐出孔２ａを設けた浸漬ノズル２を用いて、鋳型１の横断面中心部から鋳型の両短辺１ａに向けて、溶鋼３を注入することにしている。

また、鉄合金５は、均一添加のために、浸漬ノズル２を挟む両短辺１ａ側の対称位置に配置したストレートノズル４の底部に設けた１つの吐出孔４ａから、溶融状態となした鉄合金５を、鉛直下方に向けて添加することにしている。

本発明では、溶融鉄合金５として、鉄以外の成分を１０質量％以上含有したものを使用する。その理由は、１０質量％未満であると、表層部と内部の濃度差をつけるためには大量の溶融鉄合金５が必要になり、実際上、表層部と内部の溶質濃度が異なる鋳片が得られないからである。

すなわち、本発明は、溶融鉄合金５の添加用のストレートノズル４を、溶鋼３の注入用の浸漬ノズル３を挟む鋳型両短辺側の対称位置に２本設置することで、鋳型内で積極的に溶質を混合するようにしている。

このような本発明では、後述する発明例（Case５と６）で示したように、前記２本のストレートノズル４の吐出孔４ａの位置と、浸漬ノズル２の吐出孔２ａの上下方向の位置関係によって、溶質の濃化の位置が変化する。

つまり、図１（ｂ）のように、ストレートノズル４の吐出孔４ａの位置が、浸漬ノズル２の吐出孔２ａの位置よりも下方になるように配置して鋳造すれば、表層の溶質含有率が内部の溶質含有率よりも少ない複層鋳片が得られる。

反対に、図１（ｃ）のように、ストレートノズル４の吐出孔４ａの位置が、浸漬ノズル２の吐出孔２ａの位置よりも上方になるように配置して鋳造すれば、表層の溶質含有率が内部の溶質含有率よりも多い複層鋳片が得られる。

このような本発明においては、図１に示したように、鋳型１に電磁攪拌コイル６を設置し、前記溶鋼３及び溶融鉄合金５に電磁攪拌を施すと、より均一に溶融鉄合金を溶鋼中に混合させることができ、複層鋳片の横断面における幅方向と厚み方向の均一性を得ることができる。

以上説明したように、従来の方法が溶鋼の混合を抑制する方法であったのに対して、本発明は、積極的に溶鋼の混合を促進する方法であり、全く逆の考え方である。

以下、本発明方法の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
幅Ｗが８００mm、厚さｔが２００mmのスラブを、垂直型の連続鋳造機を用いて２m／minの鋳造速度で鋳造した。使用した浸漬ノズルは、幅が３６mm、高さが５０mmで、下向きに４５°の吐出角度を有する２つの吐出孔を有するものである。また、ストレートノズルは、底部に内径が２５mmの吐出孔を有するものを使用した。

鋳造した溶鋼は、下記表１に示した化学組成の低炭素鋼で、添加した溶融鉄合金は、Ｆｅ−５８質量％Ｓｉ合金である。通常の鋳造に対して、前記溶融鉄合金を１．７質量％の割合になるように、すなわち全鋳造量に対して溶質濃度が１．０質量％になるように給湯量を調整して添加した。

電磁攪拌（ＥＭＳ）の印可強度と溶融鉄合金の添加位置を下記表２に、また浸漬ノズルとストレートノズル、電磁攪拌コイルの設置位置を図２〜図７に示した。なお、電磁攪拌は、１５cm／s〜２５cm／sの流速で、溶鋼が鋳型内を水平方向に周回するように攪拌した。

鋳造結果を図８及び図９に示した。図８は鋳片幅方向中心位置での厚み水平方向のＳｉ濃度分布を示した図、図９は鋳片厚み方向中心位置での幅水平方向のＳｉ濃度分布を示した図である。なお、このＳｉ濃度の分析は、所定の位置からドリルで切り粉を採取して行った。

Case１（図２、図８，９の（ａ）図）は、溶融鉄合金を添加するストレートノズルが１本で、電磁攪拌も行わなかった比較例１である。この比較例１では、特に厚み中心位置での幅水平方向のＳｉ濃度の不均一が非常に大きく、表層近傍にＳｉの濃化層が観察された。

Case２（図３、図８，９の（ｂ）図）は、Case１のストレートノズルの先端に電磁攪拌コイルを設置して溶鋼と溶融鉄合金を攪拌した比較例２である。この比較例２もストレートノズルが１本であるため、比較例１と大きな差異はなかった。

Case３（図４、図８，９の（ｃ）図）は、浸漬ノズルを挟む両短辺側の対称位置にストレートノズルを２本配置した比較例３で、電磁攪拌を行わないものである。この比較例３では、厚み方向、幅方向ともに、表層近傍で溶質の低下が観察された。

Case４（図５、図８，９の（ｄ）図）は、Case３のストレートノズルの先端より２００mm下流側に電磁攪拌コイルを設置して溶鋼と溶融鉄合金を攪拌した発明例１である。この発明例１では電磁攪拌の位置が適当ではないので、比較例３と同様の結果となった。

Case５（図６、図８，９の（ｅ）図）は、Case４の電磁攪拌コイルを鋳型上部に移動した発明例２である。この発明例２では、電磁攪拌の範囲に浸漬ノズルの吐出孔を位置させ、電磁攪拌の範囲より下方にストレートノズルの吐出孔を位置させることによって、表層のＳｉ濃度が低下し、バルクとの差異も大きくなっている。

Case６（図７、図８，９の（ｆ）図）は、電磁攪拌コイルを鋳型上部に移動したCase５のストレートノズルの浸漬深さを浅くした発明例３である。この発明例３では、電磁攪拌の範囲にストレートノズルの吐出孔を位置させ、電磁攪拌の範囲より下方に浸漬ノズルの吐出孔を位置させることによって、表層のＳｉ濃度が高いスラブが得られた。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
例えば浸漬ノズルの吐出孔の吐出角度は水平でも良い。

以上の本発明は、湾曲型、垂直型など、どのような方式の連続鋳造であっても適用できる。また、スラブの連続鋳造だけでなくブルームの連続鋳造にも適用できる。

本発明の複層鋳片の連続鋳造方法を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）（ｃ）は縦断面図で、ストレートノズルの吐出孔と浸漬ノズルの吐出孔の位置関係が異なる図である。 Case１の浸漬ノズルとストレートノズル等の設置位置を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。 Case２の図２と同様の図である。 Case３の図２と同様の図である。 Case４の図２と同様の図である。 Case５の図２と同様の図である。 Case６の図２と同様の図である。 鋳片幅方向中心位置での厚み水平方向のＳｉ濃度分布を示した図で、（ａ）〜（ｆ）はCase１〜Case６の濃度分布を示した図である。 鋳片厚み方向中心位置での幅水平方向のＳｉ濃度分布を示した図で、（ａ）〜（ｆ）はCase１〜Case６の濃度分布を示した図である。

符号の説明

１ 鋳型
１ａ 短辺
２ 浸漬ノズル
２ａ 吐出孔
３ 溶鋼
４ ストレートノズル
４ａ 吐出孔
５ 溶融鉄合金
６ 電磁攪拌コイル

Claims (4)

1. 表層部と内部の溶質含有率が異なる複層鋳片を連続鋳造する方法であって、
   鋳型内溶鋼中の横断面中心部に下端部を浸漬させた浸漬ノズルの２つの吐出孔から、鋳型の両短辺に向けて、水平もしくは水平より斜め下向きに、溶鋼を注入するのと同時に、
   この浸漬ノズルを挟む前記両短辺側の対称位置の溶鋼中に下端部を浸漬させたストレートノズルの底部に設けた１つの吐出孔から、鉄以外の成分を１０質量％以上含有させた溶融鉄合金を、鉛直下方に向けて添加し、
   鋳型内に注入及び添加された、前記溶鋼及び前記溶融鉄合金を電磁攪拌する際に、
   前記ストレートノズルの吐出孔の位置と、浸漬ノズルの吐出孔の上下方向の位置関係を、溶質の濃化の位置によって変化させることを特徴とする複層鋳片の連続鋳造方法。
2. 前記電磁攪拌は、浸漬ノズルの吐出孔か、ストレートノズルの吐出孔の何れか一方が位置する部分で行い、この電磁攪拌位置より下方に、電磁攪拌部に位置しないストレートノズル又は浸漬ノズルの吐出孔を位置させることを特徴とする請求項１に記載の複層鋳片の連続鋳造方法。
3. 前記ストレートノズルの底部に設けた吐出孔の位置が、前記浸漬ノズルの２つの吐出孔の位置よりも鋳片引抜き方向の下流側になるように配置して、請求項１又は２に記載の複層鋳片の連続鋳造方法で鋳造した、表層の溶質含有率が内部の溶質含有率よりも少ないことを特徴とする複層鋳片。
4. 前記ストレートノズルの底部に設けた吐出孔の位置が、前記浸漬ノズルの２つの吐出孔の位置よりも鋳片引抜き方向の上流側になるように配置して、請求項１又は２に記載の複層鋳片の連続鋳造方法で鋳造した、表層の溶質含有率が内部の溶質含有率よりも多いことを特徴とする複層鋳片。

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