JP4698572B2 - 連続鋳造機の冷却設備と鋳片の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、連続鋳造機で鋳造した鋳片を加熱炉に装入する前に冷却する連続鋳造機の冷却設備と鋳片の冷却方法に関する。

一般的に、連続鋳造機で鋳造した後の鋳片は凝固時の組織が非常に粗いため、かかる状態で分塊圧延すると、圧延中にかかる応力等により、鋳片の結晶の粒界を起点にして割れの発生又は割れの進展を引き起こすことが知られている。また、連続鋳造中などに割れが発生することが知られている。例えば、鋳造中に鋳片の表面に形成されるオシレーションマークが要因となり、オシレーションマークの谷部から鋳片内部に向かって割れが発生することがある。また、連続鋳造における鋳片の過冷却や冷却不均一が要因となり、これらにより熱応力の変化して、鋳片のコーナ部に割れが発生することがある。また、連続鋳造中の鋳片の矯正が要因となり、例えば、垂直連続鋳造機での曲げ戻しによって鋳片表面に大きな引っ張り応力が発生し割れが発生する。

このように、連続鋳造後の鋳片の表面等には様々な要因で小さな割れが発生し、その割れが大きな割れと進展することもあるので、下工程である分塊圧延中に溶削（ホットスカーフ）を行うことで、鋳片の表面等の割れを予め除去している。
しかしながら、鋳片の割れが進展し割れが深くなった場合（大きな割れとなった場合）、前述のホットスカーフ処理だけでは対応できないことがある。このような場合、鋳片において疵が残存することになることから、ホットスカーフとは異なる他の工程で疵取りを行う作業が発生したり、製造品の品質の低下に繋がる問題となる。

そこで、連続鋳造後において、鋳片の割れが大きなものに進展し難くする方法が様々考えられている（例えば、特許文献１）。この方法では、連続鋳造後の鋳片を分塊圧延前に加熱する加熱炉に装入する前に当該鋳片を所定の温度まで冷却している（この冷却のことを３次冷却ということがある）。
この３次冷却では、鋳片を冷却することで鋳片のオーステナイト組織を例えばベイナイト組織に変態させて微細化させ、連続鋳造後の工程において鋳片に応力等がかかっても鋳片の組織の粒界に沿って鋳片の割れが進展しないようにするものである。

特許文献１に示すような鋼片の水冷方法では、連続鋳造後の鋼片（鋳片）に直接スプレー又はミストスプレーを噴霧することで鋳片を冷却している。特許文献２に示すような冷却方法では、連続鋳造後の鋳片を冷却室にて冷却している。
なお、上述した３次冷却とは異なるが鋳片を冷却する方法として特許文献３〜６に示すものがある。
特許文献３〜６に示す冷却方法では、冷却床に載置された鋳片に向けて冷却風（例えば、風やミストを含んだ風）などを送ることで鋳片を冷却するものである。
特開２０００−４２７００号公報 特開２００４−２４３３９０号公報 特開昭５２−６０２６５号公報 実開平３−１１６２０６号公報 特開昭５６−９５４１５号公報 特開昭５６−１１３９９号公報

特許文献１〜２に示すような冷却方法では、鋳片を水冷により冷却しているため冷却速度が速く、鋳片の表面全体を均一に冷却することが非常に困難である。また、この冷却方法では、水冷していることから鋳片においては冷却が速い部分と冷却が遅い部分とがあり、このような冷却速度の違いによって鋳片の組織のバラツキが発生することがある。
したがって、特許文献１〜２に示すような冷却方法であっても、安定的に鋳片の組織全体を微細組織に変態させることは非常に難しいのが実情である。
特許文献３〜６に示すような冷却方法は、鋳片を冷却するものではあるが、冷却する条件等は全く開示されていないばかりか、鋳片を微細組織に変態させるものでないので、３次冷却を行う方法としては適用することができない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、安定的に鋳片を微細組織にして鋳片の割れが進展することを防止する連続鋳造機の冷却設備と冷却方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の技術的手段は、連続鋳造機で鋳造された鋳片を下流側に配置された加熱炉に装入する前に冷却する鋳片の冷却方法において、Ａｃ３変態以上の温度となっている鋳片を２００〜１２００ｍｍピッチで配置しておき、配置した鋳片の下面に対して、吹きつけ角：０〜５０°，風速：２〜２０ｍ／ｓｅｃの冷却風を送風してＡｃ１変態以下の温度になるまで当該鋳片を冷却する点にある。
本発明の他の技術的手段は、連続鋳造機の冷却設備であり、前記鋳片を２００〜１２００ｍｍピッチで一定の間隔で配置可能な冷却床と、この冷却床の下側に複数並列して配置され且つ冷却床に載置された鋳片の下面側に向けて、吹きつけ角：０〜５０°，風速：２〜２０ｍ／ｓｅｃで冷却風を送風する冷却ファンと、を有している点にある。

発明者は、安定的に鋳片を微細組織にして鋳片の割れが進展することを防止する方法について、様々な観点から検証した。
その結果、鋳片を略同じ風速で均一に冷却するために鋳片の下面側に向けて冷却風を送風する方法を採用した。その上で発明者は、鋳片に対する冷却風の吹きつけ角を０〜５０°、風速を２〜２０ｍ／ｓｅｃ、鋳片の配列ピッチを２００〜１２００ｍｍにすることによって、鋳片を微細なフェライト−パーライト組織に変態することができ、鋳片の表面の割れが進展し難いことを実験等により見出した。

本発明によれば、安定的に鋳片の組織を微細組織にして鋳片の割れが進展することを防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図を基に説明する。
図１は、本発明の冷却設備を備えた連続鋳造機を示している。
図１に示すように、連続鋳造機１は、例えば、鋳片（例えば、ブルーム）２を鋳造する連続鋳造機であって、鋳造後の鋳片２を加熱する加熱炉３の上流側に設置されている。加熱炉３は、図示しない分塊圧延ラインの上流側に配置されていて鋳片２を圧延に適した温度まで上昇させるものである。連続鋳造機１と加熱炉３とは近接していて連続したライン上に設置された状態となっている。加熱炉３に連なる連続鋳造機１の最下流側には、鋳造した鋳片２を冷却する冷却設備４が設置されている。

この実施の形態の連続鋳造機１によれば、鋳造された鋳片２は鋳造後、最下流側で冷却設備４によって冷却され、連続的に加熱炉３に装入されるようになっている。
以下、連続鋳造機１、冷却設備４について詳しく説明する。
連続鋳造機１は、取鍋９から供給された溶鋼を一時的に貯留するタンディッシュ１０と、このタンディッシュ１０からの溶鋼が供給される鋳型１１と、この鋳型１１により成型された鋳片２を引き出すと共に、鋳片２をサポートする複数のサポートロール１２とを有している。この実施の形態の連続鋳造機１では、２ストランドのブルームを鋳造するものである。

タンディッシュ１０は、全体として有底箱形となっており、タンディッシュ１０の底部に２つの浸漬ノズル１３が設けられている。浸漬ノズル１３は、スライドバルブ８により開閉可能となっており、浸漬ノズル１３の開閉によりタンディッシュ１０による鋳型１１への溶鋼の注入が停止又は再開できるようになっている。
連続鋳造機１の下流側には、鋳造した鋳片２を所定の長さに切断する切断装置１４（ガスカッター）が設けられており、この切断装置１４の下流側に前記冷却設備４が設けられている。

図１、２に示すように、冷却設備４は、切断装置１４で切断された鋳片２を下流側に搬送する搬送装置１５と、この搬送装置１５の横側で近接配置され且つ搬送された鋳片２を空冷等により冷却する冷却装置１６とに大別されている。
図２に示すように、搬送装置１５は、切断した鋳片２を搬送する複数の搬送ロール１７と、搬送ロール１７で所定の位置まで搬送された鋳片２を冷却装置１６に引き渡す引き渡し機構１８とを有している。
引き渡し機構１８は、例えば、搬送ロール１７で搬送された鋳片２を持ち上げて、持ち上げた鋳片２を冷却装置１６へ向けてスライドさせる複数のスライド部材１８ａを有している。この実施の形態のスライド部材１８ａは搬送ロール１７で搬送している鋳片２の搬送方向を９０°変更し、鋳片２を冷却装置１６へ向けてスライドさせるものである。

図２、３に示すように、冷却装置１６は、スライドしてきた鋳片２を２００〜１２００ｍｍピッチで配置可能な冷却床２０と、冷却ファン２１とを有している。
具体的には、冷却床２０は、鋳片２のスライド方向に延び且つ移動不能に固定された複数の固定バー２２と、スライド方向に延び且つ移送方向に移動可能な複数の可動バー２３とを有している。
各固定バー２２には、鋳片２の下面を載置する載置部２５が長手方向に複数設けられている。固定バー２２に対する載置部２５の配列ピッチ（長手方向の配列間隔）は、一定値であって、固定バー２２に設けられた載置部２５を平面視すると、各載置部２５は長手方向と直交する方向に直線状に並んだ状態となっている。

図４に示すように、直線状となっている各載置部２５（鋳片２の配置ライン）に鋳片２を載置すると、搬送方向に隣り合う鋳片２の配列ピッチ（以降、鋳片ピッチということがある）Ｌ１，Ｌ２を２００〜１２００ｍｍとすることができる。鋳片ピッチは互いに同じ（均一）であってもよいし異なっていても良い。
可動バー２３は、固定バー２２の間に配置され且つスライド方向（搬送方向）に往復移動するものであって、スライド部材１８ａにより冷却床２０の近傍まで搬送された鋳片２を持ち上げて、下流側に搬送して固定バー２２の載置部２５に据え置くように構成されている。

冷却ファン２１は、冷却床２０に据え置かれた鋳片２に対して冷却風（例えば、室温の風）を送風するもので、冷却床２０の下側に配置されている。具体的には、固定バー２２の下側であって、この固定バー２２の最下流側端部の近傍に複数の冷却ファン２１が並列されている。複数の冷却ファン２１によって、冷却床２０に載置された鋳片２の全体に対して冷却風が当たるようになっている。
図４に示すように、各冷却ファン２１は、当該冷却ファン２１の中心から冷却床２０に据え置かれた鋳片２の下面の中央部を結ぶ角度（以降、吹きつけ角ということがある）θ１，θ２，θ３が調整可能となっている。各冷却ファン２１の吹きつけ角θ１〜θ３はそれぞれ０〜５０°になるように設定されている。

冷却ファン２１の風速は、冷却床２０に載置された各鋳片２の下面が受ける風速の最大値Ｖ１〜Ｖ３が、２〜２０ｍ／ｓｅｃとなるように、設定されている。
本発明の冷却設備４では、冷却床２０に切断した鋳片２を載置した後、可動バー２３を往復移動させることで、鋳片２を順に載置部２５の配列ピッチで下流側に移動しながら、冷却ファン２１により鋳片２を冷却する。冷却床２０の最下流に位置し冷却床２０上での冷却が終了した鋳片２は当該冷却床２０から搬送装置１５に略平行な第２搬送装置１９に載せられて、加熱炉３に直接、装入される。

以下、本発明の鋳片の冷却方法を詳しく説明する。
本発明の冷却設備４、即ち、冷却方法では、鋳片２を冷却する際、鋳片２を２００〜１２００ｍｍピッチで配置し、鋳片２に対して吹きつけ角θ１〜θ３：０〜５０°，風速Ｖ１〜Ｖ３：２〜２０ｍ／ｓｅｃで冷却風を送風する。そして、冷却床２０で冷却が完了した鋳片２は、前記搬送装置１５とは異なる第２搬送装置１９によって加熱炉３に装入する。
図５に示すように、本発明の冷却方法では、冷却ファン２０の冷却によって、鋳片２を加熱炉３に装入する前の鋳片温度をＡｃ１変態温度以下としており（ポイントＥ）、鋳片２の組織を粒の大きいオーステナイト組織（γ組織）から粒の小さなフェライト−パーライト組織（α＋Ｐ組織）へと変態させている。鋳片２の組織をフェライト−パーライト組織にした状態で、当該鋳片２を加熱炉３に装入していることから加熱後の組織を粒の非常に小さな新たな組織とすることができる（ポイントＦ）。

鋳片ピッチＬ１，Ｌ２を２００〜１２００ｍｍとし、鋳片２に対して吹きつけ角θ１〜θ３：０〜５０°，風速Ｖ１〜Ｖ３：２〜２０ｍ／ｓｅｃで冷却風を送風することによって、加熱後の鋳片２の組織を粒の非常に小さな組織（微細組織）に変態させることができる。
一方で、鋳片２を冷却しても、鋳片２を加熱炉３に装入する前の鋳片温度がＡｃ３変態温度以上となった場合（ポイントＡ）、冷却後の鋳片２の組織は粒の大きいオーステナイト組織となる。この状態で鋳片２を加熱炉３に装入して当該鋳片２を加熱すると加熱後の組織は、フェライト−パーライト組織とならず粒の大きいオーステナイト組織のままであることを確認している（ポイントＢ）。

また、鋳片２を冷却しても、鋳片２を加熱炉３に装入する前の鋳片温度がＡｃ３変態温度とＡｃ１変態温度との間である（ポイントＣ）場合、冷却後の鋳片２はその粒界の付近にオーステナイト組織の一部が変態したフェライト組織ができる。この状態で鋳片２を加熱炉３に装入して当該鋳片２を加熱しても加熱後の組織は、Ａｃ３変態温度以上である場合と同様に粒の大きいオーステナイト組織ままであることを確認している（ポイントＤ）。
表１、表２は、鋳片ピッチＬ１，Ｌ２、吹きつけ角（鋳片冷却角度）θ１〜θ３、風速Ｖ１〜Ｖ３を適宜変化させて、鋳片２を冷却した実験結果（鋳片冷却テスト結果）である。

[実験条件]
連続鋳造機１で３００×４３０ｍｍとなるブルーム（鋳片２）を鋳造し、当該鋳片２をＡｃ３変態温度以上（８００〜９５０℃）で切断して搬送及び冷却を行った。鋳片ピッチＬ１〜Ｌ３を０〜１５００ｍｍの間で変化させ、吹きつけ角θ１〜θ３を−１０〜６０°の間で変化させた。固定バー２２と可動バー２３との距離Ｐ、即ち、冷却床２０のピッチＰを、１０００〜２５００ｍｍとした。なお、表１、表２において、冷却時間は鋳片切断からの時間としているが、実質的に鋳片２を切断してから切断した鋳片２を冷却床２０まで搬送する時間は１〜２分であるため、冷却床２０で鋳片２を冷却した時間は３０〜５９分である。冷却した鋳片２は、分塊圧延後（加熱→圧延→ホットスカーフ→圧延）、平滑化処理（表面スケール除去）し、磁粉探傷試験を行った。磁粉探傷試験では、鋳片２の縦横の４面について調査（試験）を行った。表１、表２において、鋳片２の表面割れ（表面欠陥）の表示[○][×]は、磁粉探傷試験ＪＩＳ-Ｇ-０５６５（鉄鋼材料の磁粉探傷試験方法及び磁粉検査）に基づいて試験を行い、表面欠陥を評価したものである。

磁粉探傷試験はＪＩＳ規格Ｇ−０５６５に規定された極間法及び電流貫通法を用いて行った。探傷に必要な磁界の強さは同規格の「試験方法：連続法，試験体：鋳鍛造品及び機械部品」の規定に基づき２４００〜３６００（Ａ／ｍ）とした。かかる磁界を印加した後、磁粉の分布（模様）を目視し、目視で確認される全ての割れや疵をチェックした。
[風速の影響について]
表１に示すように、冷却ファン２１の風速Ｖ１〜Ｖ３を０ｍ／ｓｅｃにした場合、即ち、冷却ファン２１で鋳片２に対して送風を行わなかった場合、鋳片ピッチＬ１,Ｌ２をいかなる状態にしても表面欠陥が確認された。鋳片２の下面側は鋳片２の上面と比較して熱が滞留し易く、鋳片２の冷却速度が遅くなるため、同じ時間の冷却では下面と上面では温度差が発生することになる。

鋳片２の下面の温度をＡｃ１変態温度以下まで下げようとすると、下面の温度がＡｃ１変態温度以下にしたときには、上面の温度が下がり過ぎ、加熱炉３に当該鋳片２を装入した際に加熱炉３内で鋳片２の温度が上昇するため、鋳片２が急激に膨張して歪みによって割れが大きなものとなる。そこで、上面の温度が所定の温度以下とならないようにすると、鋳片２の下面の温度がＡｃ１変態温度以下にできないという問題が発生する。
冷却ファン２１の風速Ｖ１〜Ｖ３を２０ｍ／ｓｅｃよりも大きくした場合、鋳片ピッチＬ１,Ｌ２をいかなる状態にしても表面欠陥が確認された。風速Ｖ１〜Ｖ３が２０ｍ／ｓｅｃよりも大きくなると鋳片２のコーナ部を冷却し過ぎると共に、鋳片２の下面をも冷却し過ぎることになる。

このように、鋳片２の下面と鋳片２のコーナ部との温度が下がり過ぎた状態で、鋳片２を加熱炉３に装入すると、加熱炉３内で鋳片２の温度が急激に上昇するため、鋳片２が急激に膨張して歪みによって割れが大きなものとなる。
よって、本発明の冷却方法では、鋳片２を冷却する際は、鋳片２の割れの生じない風速Ｖ１〜Ｖ３は２〜２０ｍ／ｓｅｃとしている。
[鋳片ピッチの影響について]
鋳片２を冷却する場合、冷却ファン２１の風速Ｖ１〜Ｖ３を２〜２０ｍ／ｓｅｃに制御しても鋳片ピッチＬ１,Ｌ２によって最適値があることが確認した。

表１、表２に示すように、鋳片ピッチ（隣り合う鋳片２の側面間の距離）Ｌ１,Ｌ２が２００ｍｍ未満の場合、隣り合う鋳片２同士が互いの輻射熱の影響を大きく受けるため、風速Ｖ１〜Ｖ３を２〜２０ｍ／ｓｅｃにして冷却しても、輻射熱の影響を受けやすい鋳片２の隣り合う側面の温度がＡｃ１変態温度以下まで下がらず、その結果、鋳片２の表面欠陥が確認された。
また、鋳片ピッチＬ１,Ｌ２を１２００ｍｍよりも大きくした場合、輻射熱の影響が少なくなり、風速Ｖ１〜Ｖ３を２〜２０ｍ／ｓｅｃにして冷却すると、鋳片２の隣り合う側面の温度が鋳片２の上面に比べて下がりやすくなる。よって、鋳片２の側面が過冷却状態となるので、鋳片２を加熱炉３に装入した際に、鋳片２の側面が急激に膨張して歪みによって割れが大きなものとなる。

このことから、本発明の冷却方法では、鋳片２を冷却する際は、鋳片ピッチＬ１,Ｌ２を２００〜１２００ｍｍとして、輻射熱の良い影響を与えるようにし、鋳片２同士の輻射熱によって鋳片２の側面への熱のバランスを保っている。
[吹きつけ角（冷却角度）について]
鋳片２を冷却する場合、冷却ファン２１の風速Ｖ１〜Ｖ３を２〜２０ｍ／ｓｅｃに制御し且つ鋳片ピッチＬ１,Ｌ２を２００〜１２００ｍｍとしても、吹きつけ角θ１〜θ３に最適値があることを確認した。

冷却ファン２１の吹きつけ角θ１〜θ３を５０°よりも大きくした場合、搬送方向に並べられた鋳片２を広範囲に亘って冷却できないと共に、鋳片２の下面側から鋳片２の上面側に抜ける冷却風が多く、鋳片２の側面が過冷却されることとなる。よって、鋳片２の側面が過冷却状態となるので、鋳片２を加熱炉３に装入した際に、鋳片２の側面が急激に膨張して歪みによって割れが大きなものとなる。
冷却ファン２１の吹きつけ角θ１〜θ３を０°より小さくした場合、即ち、図４に示すように、冷却ファン２１の中心部の向きを水平線Ｎよりも下側に向けた場合、冷却ファン２１から送風した冷却風が下側に流れやすくなって鋳片２に冷却風が当たりにくくなるので、冷却床２０に載置した鋳片２を幅広く冷却することができない。その結果、鋳片２は温度がＡｃ１変態温度以下まで下がらず、その結果、鋳片２の表面欠陥が確認された。

このことから、本発明の冷却方法では、鋳片２を冷却する際は、吹きつけ角θ１〜θ３を０°〜５０°にすることで、冷却風によって熱溜まりを除去できるように鋳片２の冷却する範囲のバランスを図っている。
加熱炉３に装入前の鋳片２の温度と鋳片２の表面欠陥の個数（４００ｍ当たりの表面欠陥）をまとめると、図６に示すような結果となった。即ち、図６に示すように、本発明の冷却方法によれば、加熱炉３に装入前の鋳片２の温度を、Ａｃ１変態温度以下である大凡５００℃〜６５０℃の範囲とすることができ、鋳片２の表面欠陥の個数を無くすことができる。

なお、実施形態は本発明の例示であって、これに限定するものではない。

連続鋳造機の全体斜視図である。 冷却設備の平面図である。 冷却床の斜視図である。 鋳片ピッチ、風速、吹きつけ角の定義図である。 冷却による鋳片の組織を示す図である。 鋳片の温度と鋳片の表面欠陥の個数との関係図である。

符号の説明

１ 連続鋳造機
２ 鋳片
３ 加熱炉
４ 冷却設備
１６ 冷却装置
２０ 冷却床
２１ 冷却ファン

Claims (2)

1. 連続鋳造機で鋳造された鋳片を下流側に配置された加熱炉に装入する前に冷却する鋳片の冷却方法において、
   Ａｃ３変態以上の温度となっている鋳片を２００〜１２００ｍｍピッチで配置しておき、配置した鋳片の下面に対して、吹きつけ角：０〜５０°，風速：２〜２０ｍ／ｓｅｃの冷却風を送風してＡｃ１変態以下の温度になるまで当該鋳片を冷却することを特徴とする鋳片の冷却方法。
2. 請求項１に記載された鋳片の冷却方法を行う連続鋳造機の冷却設備であり、
   前記鋳片を２００〜１２００ｍｍピッチで一定の間隔で配置可能な冷却床と、この冷却床の下側に複数並列して配置され且つ冷却床に載置された鋳片の下面側に向けて、吹きつけ角：０〜５０°，風速：２〜２０ｍ／ｓｅｃで冷却風を送風する冷却ファンと、を有していることを特徴とする連続鋳造機の冷却設備。

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