JP4544544B1 - 連続鋳造鋳片から鋼片への成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 中空鋳片を中実化することによりチルと柱状晶から成る均質な鋳片が得られる連続鋳造方法において、高操業効率且つ低設備費・低操業費で、一定寸法の鋳片から種々の寸法の鋼片に造り分ける方法を提供する。
【解決手段】 湾曲式の連続鋳造方法において鋳片を３／４周点まで引き上げる過程で、溶融芯を脱落させて真空の空洞を持つ中空鋳片を形成する。該鋳片を伸直後、中実化工程を省略し、次いで噛み切り方式で切断することにより空洞を封入した粗鋼片とする。該粗鋼片を所望寸法の鋼片に成形するに当たり、空洞の残存を許容することにより圧延条件の制約を解消し、平ロールを持ち且つ迅速ローダウン機構を持つ１台の逆転式圧延機により適宜タテヨコ交互に圧延する。パススケジュールの随時迅速変更が可能で鋳片寸法未満任意の寸法の鋼片の造り分けが容易になる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、鋼片の製造において一つの断面形状の連続鋳造鋳片から種々の断面形状の鋼片に成形する方法に関するものである。

特許文献１には中心偏析が全く発生しない高品質の鋳片を高鋳造能率で製造する特殊な連続鋳造方法が開示されている。当該方法は図１に示されるように１種の湾曲式連続鋳造であって、鋳片引抜軌跡は３／４周の湾曲部と該湾曲部に後続する水平の直進部から構成され、鋳型径と湾曲半径と引抜速度の３要因を適切に組み合わせることにより鋳片内部に溶融芯を残したまま１／２周を越え更に鋳込み面から大気圧相当溶鋼高さ（約１．４ｍ）に引き上げるように引抜き、該高さにおいて該溶融芯を脱落させて真空の空洞を持つ中空鋳片を形成し、３／４周点において該鋳片を水平に伸直した後圧延によって凝固殻内面を互いに圧接して中実鋳片とする（本願の図１には圧接の部分は削除されている）。鋳込温度の制御を附加すると該鋳片のマクロ組織は外皮のチル晶とその内部の柱状晶のみから成り、極めて優れた全面均質となる。当該連続鋳造方法は原理的には優れるが操業上には以下の問題がある。

中空鋳片の断面形状は円、正方形、長方形のどの形状であれ圧接圧延により偏平状に変形する。例えば空洞径が鋳片径の約１／２の円断面の場合、断面アスペクト比が約３のフラットオーバルに変形する。該鋳片はそのまま棒線等の鋼材圧延に供することは可能であり又それがより望ましいが、通常は鋼片として指定された形状（正方形が多い）・寸法には一致しないので所望形状・寸法への成形圧延を施さねばならない。

製造する鋼片の寸法は製品により工場により１種とは限らない。例えば平鋼では通常多様な製品寸法に対応して鋼片寸法は数種になる。鋼片の製造・販売を事業とする場合には多種多様の鋼片寸法が要求される。従って上記の連続鋳造方法では成形工程を後続させることが不可欠であり、且つ多種の寸法への成形が可能であり、且つ容易に寸法変更ができることが期待される。成形圧延には当然簡素・低廉・低コストの設備が良い。

該連続鋳造方法において一定寸法の偏平状鋳片から種々の寸法の鋼片を効率的に造り分ける方法を検討する。
Ａ： 分塊圧延方式
通常大断面のブルームに適用され、連続鋳造後鋳片を切断して得られた粗鋼片は均熱炉へ搬送して均熱し、次いで数台から成る分塊圧延機により適切な孔型ルートの圧延を経て所望寸法の鋼片とする。当方法は大量生産に適している。当方法を上記偏平状の中実鋳片に適用すると、寸法変更はルート選択でなされるので同一チャージ（溶解単位）から異種寸法も製造可能であり、且つ連続鋳造と分塊圧延は互いに干渉されず実質的に無停止操業となり作業上は便利である。
問題は、分塊圧延設備を初め加熱炉、連続鋳造設備それぞれ大型になり設備費用が極めて割高で、電気炉で溶製する中小規模の鉄鋼事業には向かない。圧延において鋳片端末部は異形に変形して切り捨て損が発生する。基本的にニア・ネット・シェイピングから遠くなり、エネルギー消費その他コストも小さくはない。

Ｂ： サイジングミルによる成形（特許文献２）
当ミルはプレス金型を反復圧下して引抜走行する鋳片を連続的にブレイクダウンする装置である。プレスによって圧下すると圧延と同様に圧下歪みは延伸と拡幅に分配される。上記文献には変形挙動に対する圧下率・プレス金型寸法の関係を解明し、プレス金型の形状・寸法により該分配比を調節することが可能で、偏平状の中実鋳片を適切な金型寸法の選択により広範な寸法のブルーム、ビレット、シートバーに造り分けることができると記載されている。
問題は、サイジングミルの設備費が割高であること、寸法変更にはプレス金型の交換が必要で、そのため連続鋳造の操業効率が低下する不利があること等が挙げられる。

Ｃ： インライン成形圧延（特許文献３）
アスペクト比が３に近い長方形断面の鋳片を１回の圧延により正方形に成形することは通常は無理である。上記文献には、方形化を誘導するため拡幅に及ぼすロール径と後方圧縮応力の影響を解明し、成形圧延機のロール径を拡大し、圧接圧延機によって該ロールに押込み圧延を行い十分な拡幅を得る。その結果中空の円断面鋳片から圧接と成形の２パスで中実正方形化が可能と記載されている。
問題は、鋳片寸法と鋼片寸法はほぼ１対１で対応するので製造しようとする鋼片寸法毎に鋳型を変更しなければならず、設備費用と操業効率の両面に負担となる。

Ｄ： 真空芯封入鋼片（特許文献４）
本願発明の先行技術として上記文献を挙げる。
既述の中空鋳片を中実化する連続鋳造方法において、設備費用の抜本削減を目的として中実化のための圧接圧延と後続の成形圧延を省略し、空洞を封入した鋼片の製造方法が開示されている。封入方法は多少煩雑で、切断予定部前後を予め圧接する工程と当該部でのせん断の２工程でなされる。
本方法では連続鋳造工程での中実化は放棄し、次工程の棒線等への圧延工程に委ねられる。設備の簡素化には大いに意味のある発明であるが、得られた空洞保有の鋼片が新たにどのような意味や問題を持つかについては何ら言及ないし暗示も無い。

本方法において多種寸法の鋼片を製造する場合の問題は、１）鋼片断面寸法は鋳型寸法と同一となるので、前項方法と同様に鋼片寸法毎に鋳型の変更が必要で同様の難点が生ずる。２）当該連続鋳造方法は単ストランドを前提としているので、小断面ビレットの製造では鋳型寸法が過小となって鋳造能率が不足する。例えば１１０ｍｍ角ビレットで能率５０ｔ／ｈの場合、引抜速度は１０ｍ／ｍｉｎ以上なり作業上困難である。３）残存空洞は製品への圧延において多くの場合消滅して無害となると期待されるが、空洞径比が約１／２では商品イメージがあまりに良くない。認知されるには諸問題を解決しなければならない。

空洞の有害性について検討する。
かつての造塊法においては中級以上の鋼種では頭部に押し湯により収縮孔を防止していた。収縮孔そのものが有害というよりも収縮孔の底に発生する強度の偏析を防止することが目的であった。他方鉄筋用等低級鋼では歩留まり優先に従い、水押し方式と称して小型鋼塊の頭部を急冷凝固し、収縮孔の発生は許容していた。鍛錬比（＝圧延前断面積／圧延後断面積）が６程度あれば収縮孔は圧接消滅して問題なく、偏析は鋼種上から許容されていた。以上の経験から偏析さえ無ければ収縮孔ないし空洞は実際上あまり問題とならないと推測される。

前記空洞形成経由の連続鋳造方法を基にして得られた空洞のある粗鋼片から種々の寸法の鋼片への成形圧延方法について検討する。
空洞鋳片を１台の逆転式圧延機で方形化することは困難ではない。図４Ｂに例示されるように、初回パスにおいて圧接圧延して空洞を消滅させる。以後３パス以上で偏平状断面から正方形に成形する。
問題点は以下である。適切な圧下の組合せにより正味鍛錬比２以上で正方形に誘導することができる。従って鋳片実断面積は想定される鋼片最大寸法の断面積の２倍以上にしなければならない。製造する鋼片の断面積の最大最小比を３〜４（例えば100ｍｍ角〜２００ｍｍ角）を想定すると最大寸法の鋼片に対しては４パスで成形できるが、最少寸法ではパス回数が増加、作業量が増加、圧延能率が低下し、連続鋳造能率を低下させて対処するか、圧延機を２台に増設する必要が生ずる。要するに空洞消滅を前提とする限り圧延加工量の増加、圧延機能力の増強が避けられないと言うことである。

特許第２９８９７３７号 特許第３６７７５７２号 特開２００４−１００７ 特許第３６８４７３１号

以上述べたように中心偏析の存在しない均質鋼片を高能率で製造可能とする中空鋳片・中実化方式の連続鋳造方法において多種寸法の鋼片を高能率で造り分ける場合、
１） 分塊圧延方式では造り分けは極めて容易であるが設備規模が過大で中小の製鋼工場には全く不向きである。
２） インラインのサイジングミルによって造り分ける方法では設備費用と型替えによる操業効率低下に難点があり、
３） 圧接圧延＋大径ロールの押込み圧延のタンデム方式では鋼片寸法毎に鋳型の変更が必要で、操業効率が低下すると言う問題があり、
４） 圧接圧延と成形圧延を省略し真空空洞を封入した鋼片を製造する方法では、上記方法と同様に鋼片寸法に対応して鋳型の変更が必要で操業効率の低下の他、小断面鋼片では鋳造能率の低下と言う決定的な弱点がある。その上現状では大きな空洞を内蔵した鋼片が需要側から受け入れられる素地は小さい。
５） 前記の空洞鋼片に対して圧接圧延と成形圧延を後続させる方法では、空洞消滅のため鋳片実断面は最大鋼片断面の２倍以上が必要で、最少断面の鋼片に対して必要パス数が増加して圧延機は逆転式でも２台以上必要になる。

本発明は既述の中空鋳片を中実化する連続鋳造方法の特徴を失うことなく、
１）一定寸法の中空鋳片から無停止操業で多種寸法の鋼片に造り分ける成形方法、
２）しかも効率的且つ低設備費・低操業費で成形する方法を提供することを課題とする。

上記課題の解決に当たり、中空鋳片の中実化に伴う偏平化が問題の発端であることに鑑み、本発明は偏平化を避けるため中実化を前提条件とせず、空洞の残存を許容することに基づいている。その結果成形加工は極めて容易になし得るようになった。新たに問題となる残存空洞は製品圧延工程でしかるべき考慮のもとで無害化される。

上記課題を解決する本発明は、
一種の湾曲式連続鋳造であって、鋳片引抜軌跡は３／４周の湾曲部と該湾曲部に後続する水平の直進部から構成され、鋳型径と湾曲半径と引抜速度の３要因を適切に組み合わせることにより鋳片内部に溶融芯を残したまま該鋳片を１／２周を越え更に鋳込み面から大気圧相当溶鋼高さ（約１．４ｍ）に引き上げるように引抜き、該高さにおいて該溶融芯を脱落させて真空の空洞を持つ中空鋳片を形成し、最上点の３／４周点において該鋳片を水平に伸直し、次いで該鋳片の空洞を部分的に閉鎖して切断することにより空洞を封入した鋼片とする連続鋳造方法において、該鋼片を粗鋼片とし、該粗鋼片から所望断面寸法の鋼片を製造するに際して空洞の残存を容認しつつ平ロールにより１回以上の圧延を加えて種々の方形断面寸法の鋼片に造り分けすることを特徴とする連続鋳造鋳片の成形方法である。

上記の連続鋳造鋳片の成形方法において、閉鎖と切断に際しては該鋳片を噛み切るように該鋳片を挟んで１対の楔形切断歯を対称的に圧入して閉鎖と切断を同時に進め、且つ該切断歯には該鋳片の圧入側面の拡幅を拘束するガイドを設けることがより望ましい。

本発明の連続鋳造鋳片の成形方法によると、
１） 断面形状が円又は正方形又は長方形であり真空の空洞が封入された鋼片を素材とし、中実化は前提条件とせず、外形本位で平ロールによって反復圧延するので１種類の寸法の鋳片から多種寸法の方形断面の鋼片が容易に得られる。
２） 鋼片寸法の変更に対してパス・スケジュールのみの変更によってなされ、鋳型やロールの変更が無いので操業効率が高く、操業コストに有利である。しかも随時、無停止でなされるので小ロット生産に極めて有効である。
３） 連続鋳造設備費は圧接圧延機が無く封入設備を含めて割安である。
４） 必要な成形圧延設備は１台であり比較的小型・簡素で割安である。
５） 連続鋳造と圧延を分離すると通常は圧延時に端末切り捨てが不可避となって歩留まり上不利であるが、本発明では鋳片切断面の形状が楔形歯の圧入による平滑傾斜面となるので成形圧延では端末異形部の切り捨て損がほぼ発生しない。

本発明が対象とする連続鋳造方法を示す概略側面図である。 本発明における真空の空洞を封入する方法を示す概念図である。 本発明で使用される成形圧延設備の要所を示す概略図である。 本発明の成形方法による断面形状の変化の例を示す。 本発明によって製造された線材の断面組織を示す。

以下本発明を図面に従って説明する。図１において、全体構造は一種の湾曲式連続鋳造であり、鋳片の引抜軌跡は３／４周の湾曲部と後続する水平伸直部から成る。タンデイシュ１から鋳型２に供給された溶鋼３は該鋳型２内で冷却され、凝固殻を形成しながらピンチロール５により適切な速度で連続的に引抜かれて鋳片４を形成する。該鋳片４は２次冷却帯６を経て１／２周点を越え、更に鋳込面から大気圧相当の溶鋼高さ（約１．４ｍ）に達して溶融芯が脱落し真空の中空鋳片７となる。該鋳片７は最上点の３／４周点で伸直ロール８により水平に伸直される。

次いで該鋳片７は切断機９により所定長さに切断される。切断に際して、図２に示すように１対の楔形切断歯２１を鋳片７を挟んで対称的に圧入して噛み切る方法でなされる。圧入の進行につれ当該部ではまず凝固殻内面２２が互いに圧接して真空の空洞２３が封入される。その後分断し、粗鋼片１０が形成される。封入と切断が１台の機械で同時に且つ容易になされる。切断面２４はそれぞれ平滑な傾斜面となる。因みに従来のせん断による切断では封鎖が不完全となり易く且つむしれが生じて良くない。

傾斜した該切断面は圧延に際して鋼片側面に移行し端部の表面や形状の不良はほとんど生じない。他方切断側面では尖端部が異様に拡幅して不都合となる。拡幅防止のため切断歯２１には側面拘束ガイド２５が付設され拡幅を抑制する。その結果後続の成形圧延に際して噛み込みを阻害せず円滑になり且つオレコミキズが発生しない。切断面・切断側面のそれぞれの改良の結果圧延歩留まり損が概ね解消される。

粗鋼片１０は所望の形状・寸法の鋼片の素材として直ちに図３に示す次工程の成形圧延ラインに供される。該圧延ラインは主に１台の逆転式圧延機３１と該圧延機３１の前後に配置され圧延材を逆転送給する走行テーブル３２と圧下面を変更するための圧延材を挟んで軸回りに９０度回転させる転倒機３３とから構成される。該圧延機３１はロールギャップを調節できる迅速送り機構を持ち１パス毎に迅速に所定値に調節される。圧延には平ロールが使用され圧延面は各パスとも平坦に圧下される。

粗鋼片１０は１パス毎に９０度回転され、且つロールギャップが調節され、迅速に反転走行して圧下され逐次所望の寸法に成形される。圧下方向と圧下率の設定に関しては中実化は前提条件とせず外形本位で行う。圧下率とパス数はオンラインで変更されるので随時寸法変更が可能である。当然同一チャージ（溶鋼単位）内での変更も可能で小ロット生産が容易である。圧延速度とパス数は鋳造能率を阻害しないよう設計する。

図４は圧延材の横断面形状の変化の例を示し、例えば図４Ａに示すように空洞の残存を許容するなら鋳片外形が対辺２２０ｍｍの８角形から４パスで無理なく辺長１１０ｍｍの正方形に成形される。圧下方向と圧下率は自在であるから２２０〜１１０ｍｍまでの任意の寸法の方形が容易に得られることが解る。８角形は実用的には正方形と見なすことができるので２２０ｍｍ角鋼片の製造は粗鋼片を成形せずそのままとする。上記寸法範囲は市場で流通している鋼片の寸法の大部分を含む。

図４Ｂは従来の中実化を前提とする場合の変形を示す。４パスで正方形化は可能であるが辺長は粗鋼片の０．６倍、鍛錬比は約２となる。前記以下の辺長とする場合はパス数の増加によって対処できるが前記以上の辺長は無理である。必要なら鋳型の拡大（変更）で対処しなければならない。

本発明では鋳型寸法は最大鋼片寸法と同一とし、過大に設定する必要は無い。一種類に限定することが望ましい。圧下方向を選択すると長方形断面に誘導することができる。この場合鋳型幅より大きな幅にすることもできる。多パス数×低圧下率の条件では鋼片角部の丸みが小さくいわゆる角鋼になる。能率面からは高圧下率で処理する方が望ましい。

圧延に伴う空洞の変形挙動について説明する。鋳型断面形状が円又は正方形の場合空洞の形状はほぼ円形である。外形の縮小につれて空洞部分は比例的を越えて優先的に縮小する。１パスで空洞径以上に圧下すれば殻内面が互いに圧接して空洞は消滅するが断面アスペクト比が過大となって当初の問題に戻る。タテヨコ交互の圧下では多くの場合空洞は残存する。残存を許容して棒線等の製品圧延工程に供する。該工程の鍛錬比は通常６以上あるので空洞は圧縮消滅する。

空洞と収縮孔は一見似ているが生成の機構と材質への影響に関して全く異なる。後者の上部は単なる空洞だが底部は多孔質に変質する過程で偏析粒を多数発生させ極めて有害である。更に収縮孔内部にはしばしばガスが発生して圧接作用を遅延させる。本発明の空洞では偏析はどこにも発生しない。更に連続、高速で空洞を形成するのでガスは微量、実質真空となるので圧接遅延の問題が無い。

本発明を実施する場合の連続鋳造と圧延の具体的な設備仕様と操業条件の例を先行事例と比較して表１に整理する。表より１寸法の鋳型（２２５ｍｍ角）から市場で流通している１１０ｍｍ角から２２０ｍｍ角の範囲のビレットが特別の困難なしに製造可能となることが解る。

粗大な空洞があっても通常の圧延によって容易に消滅することを実証した。供試材の鋼種はＳＷＲＳ８２Ｂ（ピアノ線材）で、１６０ｍｍ角の連続鋳造鋳片を材料とする。本発明に疑似させた鋼片として該鋳片の片端より１０５ｍｍ径×７００ｍｍ長の空洞を刳り抜き、端面を鋼板で溶接して該空洞を封入した。空気は残存した。鋳造組織は外皮が数ｍｍのチル晶から成りその内部はすべて柱状晶で均質である。他方比較材として該鋳片の中実部分そのままとした。空洞に相当する部分は大部分が等軸晶から成り、中心部には偏析と多孔質が存在した。

該供試材をビレットとして通常の棒線圧延ラインに供給し、水平・垂直のタンデム圧延により１１．５ｍｍ径の線材に圧延した。本発明材は中間圧延の４０ｍｍ角のパスで端末を切断し断面腐蝕試験に供した。空洞は該パスで既に消滅していた。
線材断面のマクロ腐蝕試験の結果を図５に示す。通常部と記された写真の比較材では、中央広範に等軸晶に起因する組織ムラ、中心部には偏析・多孔質に起因する黒点群が見られるが、本発明に相当する中空材は全面均質である。以上から通常の圧延による空洞の消滅と当該連続鋳造方法による断面内の全面均質化が裏付けられた。

本発明の連続鋳造鋳片の成形方法は、高品質・高能率を誘導することが可能な中空鋳片の形成を経由する特殊な連続鋳造方法と適切に組合わされて、該鋳造方法の特徴を高度に発揮させる。即ち該連続鋳造方法で不可欠要素とされていた圧接圧延を省略し、更に成形圧延も省略し、新たに簡素な逆式転圧延機をオフラインに設置することにより、低設備費、低操業費で１種の鋳片寸法から多種の鋼片寸法に造り分けること、しかも随時に造り分けることが極めて容易になる。中小規模の鉄鋼生産いわゆるミニミルに適合する。

１：タンディシュ ２：鋳型 ３：溶鋼 ４：鋳片 ５：ピンチロール ６：２次冷却帯 ７：中空鋳片 ８：伸直ロール ９：切断機 １０：粗鋼片 ２１：切断歯 ２２：殻内面 ２３真空の空洞 ２４切断面 ２５側面拘束ガイド ３１：逆転式圧延機 ３２：走行テーブル ３３：転倒機

Claims (2)

1. 一種の湾曲式連続鋳造であって、鋳片引抜軌跡は３／４周の湾曲部と該湾曲部に後続する水平の直進部から構成され、鋳型寸法と湾曲半径と引抜速度の３要因を適切に組み合わせることにより鋳片内部に溶融芯を残したまま該鋳片を１／２周を越え更に鋳込み面から大気圧相当溶鋼高さ（約１．４ｍ）に引き上げるように引抜き、該高さにおいて該溶融芯を脱落させて真空の空洞を持つ中空鋳片を形成し、最上点の３／４周点において該鋳片を水平に伸直し、次いで該鋳片の空洞を部分的に閉鎖して切断することにより空洞を封入した鋼片とする連続鋳造方法において、該鋼片を粗鋼片とし、該粗鋼片から所望断面寸法の鋼片を製造するに際して空洞を残存させるよう圧下量を毎回空洞径未満に設定して平ロールにより１回以上の圧延を加え、種々の方形断面寸法の鋼片に造り分けすることを特徴とする連続鋳造鋳片の成形方法。
   
2. 閉鎖と切断に際して該鋳片を噛み切るように該鋳片を挟んで１対の楔形切断歯を対称的に圧入して閉鎖と切断を同時に進め、且つ該切断歯には該鋳片の圧入側面の拡幅を拘束するガイドを設けることを特徴とする請求項１に記載した連続鋳造鋳片の成形方法。