JP4765774B2 - 複層鋳片の連続鋳造方法 - 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注入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注入して連続鋳造を行う方法としては、以下に説明する方法が開示されている。
特許文献１では、図１７のように、長さの異なる２本の浸漬ノズル１ａ，１ｂを、それぞれの吐出孔位置が鋳造方向に異なるように、鋳型２内の溶鋼プール３に挿入して、異種の溶鋼を注入する方法が開示されている。
特公昭４４−２７３６１号公報

この特許文献１の方法では、図１７よりわかるように、浸漬ノズル１ａを介して鋳型２の上部に注入される溶鋼は、スラブの表層付近を形成するので、スラブの表層の目的化学組成に調整されている。一方、浸漬ノズル１ｂを介して鋳型２の下部に注入される溶鋼は、スラブの内部を形成する目的の化学組成に調整されている。なお、図１７中の４ａはスラブの表層となる凝固シェル４の表層部、４ｂはスラブの内部となる凝固シェル４の内層部である。

しかしながら、特許文献１で開示された方法では、２本の浸漬ノズル１ａ，１ｂから注入された溶鋼が溶鋼プール内で混合してしまうので、所定の組成の二層鋳片を得ることができない。

そこで、特許文献２では、図１８のように、長さの異なる２本の浸漬ノズル１ａ，１ｂのうち、下部へ注入するノズル１ｂの近傍に静磁場を印可し、その制動力によって２種類の溶鋼が混合するのを防止しようとしている。なお、図１８中の５は静磁場を印可する電磁ブレーキである。
特開昭６３−１０８９４７号公報

この特許文献２では、鋳型内の鋳片引き抜き方向上下流に位置する溶鋼が混合するのを防止できると説明されている。しかしながら、静磁場による制動力は流速に応じて発生するので、流速が大きい流動を制動するには適しているが、流速が非常に小さい流動の場合は、非常に小さい制動力しか作用せず、所定の役割を果たすことができない。したがって、両方の流動を完全に停止させることは、理論的に実現不可能である。また、２種類の溶鋼に密度差がある場合には、これらの溶鋼の界面が不安定になり、自然に乱れが発生することが知られている。

また、特許文献２と同様の方法が、特許文献３，４で開示されている。
このうち特許文献３は、外層用と内層用のタンディッシュ上に設けた鋳鍋台車に、外層部と内層部の溶融金属用鋳鍋をそれぞれ２基ずつ搭載可能とし、これら２基のいずれの鋳鍋からもそれぞれ浸漬ノズルに溶鋼を注入可能な構造としたものである。
特開平５−７６９９４号公報

この特許文献３では、前記構成の結果、鋳鍋交換時においても連続して溶鋼の供給が可能になるので、鋳鍋交換時における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を図り得るとしている。

一方、特許文献４は、メニスカスよりも鋳片引き抜き方向の下流側位置で鋳片幅方向に亘って形成する直流磁場帯を鋳片引き抜き方向に複数段設け、これら直流磁場帯によって区分された溶鋼プールにそれぞれ組成の異なる溶鋼を供給することで、表層と内層間の遷移層の厚み、濃度勾配を調整するものである。そして、その結果、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することが可能になり、鋳造過程における複層鋳片の材質構成が容易となるとしている。
特開平６−３４４０８０号公報

しかしながら、これら特許文献３，４で開示された方法も、前記特許文献２で開示された方法と同様、鋳型の全幅に静磁場の電磁ブレーキを付与することにより、鋳片引き抜き方向の上下に区分した溶鋼プールを混合しないようにするものである。

したがって、先に述べたように、静磁場によって複数の溶鋼の流動を完全に停止させることは理論的に実現不可能であり、特許文献２が有する問題を解決することはできない。また、複数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。

本発明が解決しようとする問題点は、静磁場によって複数の溶鋼の流動を停止させようとする従来の複層鋳片の連続鋳造方法では、理論的に実現不可能である点、また複数種類の溶鋼を必要とするので、実際のプロセスでは大きな制約が伴うという点である。

本発明の複層鋳片の連続鋳造方法は、
複数種類の溶鋼を使用せず、より簡便に表層部と内部との溶質濃度が異なる複層鋳片を連続鋳造するために、
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際に、
鋳型の横断面中心部から両短辺に向けて、水平もしくは水平より斜め下向きに、所定成分の溶鋼を注入するのと同時に、
この注入位置よりも鋳片引き抜き側の位置から、鉛直下向きに、鉄成分以外の成分（以下、溶質濃度という。）を含有した溶融鉄合金を補助ノズルを介して添加し、かつ鋳型内もしくは鋳型直下のローラエプロン帯において、電磁攪拌を実施する複層鋳片の連続鋳造方法において、
内部の溶質濃度を表層に比べて高くする場合は、鋳型長辺面から鋳片厚さの１／２の距離隔てた位置に配置した補助ノズルを介して前記溶融鉄合金を添加することを、
また、表層の溶質濃度を内部に比べて高くする場合は、鋳型長辺面から鋳片厚さの１／４の距離隔てた位置に配置した補助ノズルを介して前記溶融鉄合金を添加し、添加した溶融鉄合金を電磁攪拌流に乗せることを主要な特徴としている。

本発明によれば、表層と内部の溶質濃度が異なる鋳片を、複数種類の溶鋼を使用することなく、簡便に連続鋳造することができる。

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、図１を用いて説明する。
従来の方法は、鋳型内に注入された溶鋼が流動しないようにして、２種類の溶鋼が混合することを抑制するものであるが、この方法によると、前述したように、２種類の溶鋼の界面が不安定になることを防止することが極めて困難である。

このような問題点に鑑み、本発明では、異なる２つの成分の溶鋼を溶製するのではなく、鉄合金を鋳型内の溶鋼中に添加し、鋳型内で積極的に溶鋼と混合することにした。
すなわち、本発明では、図１に示すように、表層部目標組成の溶鋼を上部浸漬ノズル１１から注入する。この溶鋼は、補助ノズル１２から注入された鉄合金が混合され、内層部の化学組成を形成する。

したがって、鋳型２の中に注入された前記溶鋼は前記鉄合金と十分に混合されなければならない。しかしながら、溶鋼プール１３の全部が均一な組成になったのでは、濃度勾配のついたスラブは製造できないので、できるだけ上部浸漬ノズル１１の注入位置よりも下方で混合させることが必要である。

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１１ａを設けた上部浸漬ノズル１１を用いて、鋳型２の横断面中心部から鋳型２の両短辺２ａに向けて、溶鋼を注入するのである。

一方、補助ノズル１２は、前記上部浸漬ノズル１１の吐出孔１１ａからの注入位置よりも、鋳片引き抜き側の位置に、鉛直下向きに一つの吐出孔１２ａを有するものであって、この吐出孔１２ａから下方に向けて、溶質濃度を２０質量％以上含有した鉄合金を添加する。

ところで、この補助ノズル１２から添加する鉄合金は、ワイヤーなどの固体を添加した場合は均一に溶融させることが困難であるので、本発明では、予め鉄と混合した状態で溶融した溶融鉄合金の状態で鋳型２内の溶鋼に添加する。

また、例えば図１に示したように鋳型２内に電磁攪拌コイル１４を設置し、溶鋼プール１３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、スラブ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。

その際、補助ノズル１２から添加する溶融鉄合金として、本発明では、溶質濃度を２０質量％以上含有したものを用いる。溶質濃度が２０質量％未満であると、大量の溶融鉄合金を添加しなければ表層部と内部の濃度差がつかず、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。

本発明では、後述する実施例（Case２と３、５と６、８と９、１１と１２）で示したように、溶融鉄合金を添加する位置を変更することで、表層の溶質濃度が高い場合と、内部の溶質濃度が高い場合のどちらの鋳片を鋳造することも可能である。

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。
幅が８００mm、厚さが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。

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、Ｆｅ−２７質量％Ｐ合金、純Ｎｉ、Ｆｅ−３５質量％Ｍｏ合金である。通常の鋳造に対して、それぞれの合金をそれぞれ４．７３質量％、３．７質量％、１．０質量％、２．９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。

給湯量は、電磁流量計を用いて測定した。電磁攪拌（ＥＭＳ）の印可強度と溶融鉄合金の添加位置をまとめて下記表２に示した。使用した電磁攪拌用のコイルは、鋳型の下端から３００mmの位置の長辺側全幅に設置した。また、上部浸漬ノズル１１と補助ノズル１２等の設置位置を図２〜図４に示した。

鋳造結果を図５〜図１６に示した。
Case１、４、７、１０は、図２に示した位置に上部浸漬ノズルと補助ノズルを設置し、電磁攪拌を行わなかった場合の例で、図５、８、１１、１４に示したように、鋳片の幅方向、厚み方向共に若干の不均一はあるものの、表層濃度よりも内部の溶質濃度が高くなっていることが分かる。

また、Case２、５、８、１１は、Case１、４、７、１０に電磁攪拌を適用した場合の結果を示した例（図３参照）で、溶鋼プールを電磁攪拌した結果、図６、９、１２、１５に示したように、鋳片の幅方向、厚み方向の均一性はCase１、４、７、１０に比べて十分に高くなっていることが分かる。

一方、Case３、６、９、１２は、図４に示した位置に上部浸漬ノズルと補助ノズルを設置し、電磁攪拌を適用した場合の結果を示した例で、補助ノズルを介して添加する鉄合金を電磁攪拌流に乗せることで、表層の溶質濃度が内部の溶質濃度よりも高くなっていることが分かる（図７、１０、１３、１６参照）。

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、図１の例では鋳型２内に電磁攪拌コイル１４を設置しているが、鋳型直下のローラエプロン帯に電磁攪拌コイル１４を設置しても良い。

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縦断面図である。 Case１、４、７、１０の場合の上部浸漬ノズルと補助ノズル等の設置位置を示した図である。 Case２、５、８、１１の場合の上部浸漬ノズルと補助ノズル等の設置位置を示した図である。 Case３、６、９、１２の場合の上部浸漬ノズルと補助ノズル等の設置位置を示した図である。 Case１の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case２の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case３の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case４の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case５の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case６の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case７の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case８の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case９の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case１０の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case１１の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 Case１２の場合の実験結果を示した図で、（ａ）は鋳片幅方向の濃度分布を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向の濃度分布を示した図である。 特許文献１で開示された従来技術を説明する縦断面図である。 特許文献２で開示された従来技術を説明する図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

２ 鋳型
２ａ 短辺
１１ 上部浸漬ノズル
１１ａ 吐出孔
１２ 補助ノズル
１２ａ 吐出孔
１３ 溶鋼プール
１４ 電磁攪拌ノズル

Claims (2)

1. 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際に、
   鋳型の横断面中心部から両短辺に向けて、水平もしくは水平より斜め下向きに、所定成分の溶鋼を注入するのと同時に、
   この注入位置よりも鋳片引き抜き側の位置から、鉛直下向きに、鉄成分以外の成分を含有した溶融鉄合金を補助ノズルを介して添加し、かつ鋳型内もしくは鋳型直下のローラエプロン帯において、電磁攪拌を実施する複層鋳片の連続鋳造方法において、
   内部の溶質濃度を表層に比べて高くする場合、鋳型長辺面から鋳片厚さの１／２の距離隔てた位置に配置した補助ノズルを介して前記溶融鉄合金を添加することを特徴とする複層鋳片の連続鋳造方法。
2. 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際に、
   鋳型の横断面中心部から両短辺に向けて、水平もしくは水平より斜め下向きに、所定成分の溶鋼を注入するのと同時に、
   この注入位置よりも鋳片引き抜き側の位置から、鉛直下向きに、鉄成分以外の成分を含有した溶融鉄合金を補助ノズルを介して添加し、かつ鋳型内もしくは鋳型直下のローラエプロン帯において、電磁攪拌を実施する複層鋳片の連続鋳造方法において、
   表層の溶質濃度を内部に比べて高くする場合、鋳型長辺面から鋳片厚さの１／４の距離隔てた位置に配置した補助ノズルを介して前記溶融鉄合金を添加し、添加した溶融鉄合金を電磁攪拌流に乗せることを特徴とする複層鋳片の連続鋳造方法。

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