JP4813817B2 - 鋼材の製造方法 - Google Patents

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溶鋼流動に伴って引き起こされることが知られている。また鋳片中心部において、閉鎖された未凝固領域が遅れて凝固する際に、微少な空洞欠陥（以下、これを「ザク欠陥」と呼ぶ）が発生することも知られている。

こうした問題を解決する技術として、凝固末期のスラブ鋳片を、圧下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、鋳片の中心固相率が０．１〜０．３の位置から流動限界固相率（固相率で０．７程度）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ザク欠陥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、圧下ロールによってスラブ鋳片を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、スラブ鋳片中心部の温度において、固相率が０．７以上となる温度以下で、（固相線温度−２０℃）以上となる位置から圧下を開始すると共に、スラブ表面と中心の温度差が６００℃以上となるときの総圧下量Ｘ（ｍｍ）が、圧下開始時のスラブ鋳片厚さＸ₀（ｍｍ）に対してＸ／Ｘ₀＞０．０１５となるように制御する点に要旨を有するものである。
０．２５≦（Ｗ／Ｗ₀） …（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、圧下終了時におけるスラブ鋳片表面温度がIII域脆化温度以上となるように制御することが好ましい。

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、圧下開始時のスラブ鋳片厚みに対する総圧下量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０．２５以上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温度が所定の範囲となる位置から圧下を開始すると共に、総圧下量Ｘ（ｍｍ）が、圧下開始時のスラブ厚みＸ₀（ｍｍ）との関係で所定の範囲となるように制御して圧下を施してやれば、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。本発明が完成された経緯に沿って本発明の構成および作用効果について説明する。

本発明者らは、スラブ形状毎の二次元応力計算について、様々なスラブ中心固相線温度（中心固相率）、圧下勾配の条件で実施し、総圧下量Ｘ（ｍｍ）および圧下開始時のスラブ中心固相線温度（℃）が欠陥サイズに与える影響について調査した。

図１は、様々な条件で圧下したときの、総圧下量比（Ｘ／Ｘ₀）とザク欠陥サイズの関係について示したグラフである。ここで総圧下量Ｘ（ｍｍ）とは、図２に示すように、圧下開始時のスラブ鋳片厚さをＸ₀（ｍｍ）、圧下終了時のスラブ鋳片厚さをＸ₁（ｍｍ）としたときに（Ｘ＝Ｘ₀−Ｘ₁）で示されるものである。また、「欠陥サイズの縮小度数」とは、下記のようにして評価されるものである。尚、この結果は、中炭素鋼（後記表１の鋼種Ｂ）を用いたときの結果を示したものである。

［欠陥サイズの縮小度数の評価方法］
初期欠陥厚みｄ₀を基準としたときの圧下終了後の欠陥の大きさｄの縮小割合（ｄ／ｄ₀）を示したものであり、この縮小度数が０．５以上となるスラブを圧延すれば製品欠陥とならない（後述する製品品質ＵＴ検査合格）ことを確認している。

図１におけるラインＡ〜Ｄ、Ｆは、夫々下記の条件にて鋳造したときのものである。また、このときの中心温度は、凝固伝熱計算によって計算したものであり（計算で求められた値を「予想中心温度」と呼ぶ）、固相線温度（１４６８℃）は化学成分から予測したもの［例えば、上島らによって提案された予測式（Metal.Trans.B,1986,vol.17B P845）によって計算されたもの］である。
［ラインＡ］
圧下開始時の中心温度：固相線温度＋２６℃（中心固相率０．７に相当）
圧下勾配：１ｍｍ／ｍ
［ラインＢ］
圧下開始時の中心温度：固相線温度＋１６℃（中心固相率０．８５に相当）
圧下勾配：１ｍｍ／ｍ
［ラインＣ］
圧下開始時の中心温度：固相線温度＋１６℃（中心固相率０．８５に相当）
圧下勾配：２ｍｍ／ｍ
［ラインＤ］
圧下開始時の中心温度：固相線温度−２０℃（中心固相率１．０に相当）
圧下勾配：１ｍｍ／ｍ
［ラインＦ］
圧下開始時の中心温度：固相線温度−３０℃（中心固相率１．０に相当）
圧下勾配：４ｍｍ／ｍ

この結果から、圧下量とザク欠陥発生との関係について整理し、更に検討した。その結果、総圧下量Ｘ（ｍｍ）と圧下開始時のスラブ厚さＸ₀（ｍｍ）の比が０．０１５よりも大きく（Ｘ／Ｘ₀＞０．０１５）となるような圧下を施してやれば、圧下開始時が中心固相率で０．７以降であっても、スラブ鋳片の中心温度が（固相線温度−２０℃）よりも高いときに圧下を開始すれば、ザク欠陥の圧着は十分可能であるとの知見が得られた。上記固相率が０．７とは、例えば、炭素濃度０．１〜０．２質量％程度の中炭素鋼の場合、（固相線温度＋２０〜３０℃）に相当するものであるが、（固相線温度−２０℃）の場合は中心固相率が１．０となる完全凝固後の状態を示すものである。即ち、完全凝固した後であっても、スラブ鋳片中心温度が所定の温度内にあるうちに圧下を開始してやれば、ザク欠陥の圧着に十分効果的となったのである。但し、ザク欠陥の存在する中心温度があまり低すぎると表面温度との差が小さくなって変形が十分に進まなくなるので（上記ラインＦ）、表面と中心の温度の差が６００℃以上のときに限られることになる。

中心偏析だけを考慮すれば、中心固相率（以下、「中心固相率ｆｓ」と記す）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とされていたのであるが、こうした中心固相率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＝０．１〜０．６）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量比を確保すればよく、圧下時の圧下勾配については特に限定するものではないが、通常０．７ｍｍ／ｍ以上とすれば良いが、余り高くすると、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／ｍ未満とすることが好ましい。

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。
０．２５≦（Ｗ／Ｗ₀） …（１）
（Ｗ／Ｗ₀）の値が０．２５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ので、圧下によってザク欠陥を低減する必要がなくなる。尚、（Ｗ／Ｗ₀）の値の上限については特に限定するものではないが、この値があまり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ないことがあるので、０．８以下とすることが好ましい。

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、スラブ表面温度がＩＩＩ域脆化温度以上となるように制御することが好ましい。炭素鋼には、融点から６００℃の間において３段階の脆化領域があることが知られているが［例えば、鈴木ら「鉄と鋼」、第６５年（１９７９）、第４５号、Ｐ２０３８］、「ＩＩＩ域脆化温度」とは、このうち最も低い温度領域内（６００℃に近い）で最も絞り値が６０％以下となる（即ち、脆化が大きくなる）温度を意味し、例えばＣ含有量が０．１６質量％（後記表１の鋼種Ｂ）の場合には７００℃程度となる。こうした温度以上で圧下を終了することによって、圧下段階でのスラブ表面の割れ発生を防止できることになる。

本発明方法では、中心固相率ｆｓ：０．７以降で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、中心偏析の悪化によってＨＡＺ靭性の低下などの、性能低下の恐れが生じる炭素鋼（高ＨＡＺ靭性低炭素鋼、溶接用５０キロ鋼、高炭素高強度鋼）などが好ましい鋼種として挙げられる。また、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る。

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
下記表１に示す化学成分組成の鋼種（鋼種Ａ，Ｂ）からなるスラブ鋳片を、下記表２に示す各種条件［鋼材製品厚さ／スラブ厚さ（Ｗ／Ｗ₀）、圧下開始時の予想中心温度、圧下開始時の中心固相率ｆｓ、圧下終了時のスラブ表面温度、総圧下量比Ｘ／Ｘ₀］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）。

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、表面割れ発生状況および製品品質（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、下記表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（４ｃｍ×２１０ｃｍ）内］に存在する直径３ｍｍ以上のザク欠陥の個数を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以上のザク欠陥の個数が０．１個／ｃｍ²未満
△：直径３ｍｍ以上のザク欠陥の個数が０．１個／ｃｍ²以上０．１５／ｃｍ²個未満
×：直径３ｍｍ以上のザク欠陥の個数が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

［表面割れ］
漏洩磁束探傷試験（ＪＩＳ Ｚ２３１９）によって表面割れの有無について評価した。

［製品品質］
ＪＩＳの超音波探傷基準（ＪＩＳ Ｂ０９０１）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は下記の通りである。尚、「欠陥エコー高さ」とは、底面エコーに対する欠陥エコーの割合（％）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．８、９）では、ザク欠陥および中心偏析が極めて少なくなって、製品品質も良好であることが分かる。また圧下終了時のスラブ表面温度を適切な範囲に制御することによって、表面割れの発生も防止できていることが分かる。

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、５〜７、１０）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。特に、圧下終了時のスラブ表面温度がＩＩＩ域脆化温度（７００℃）よりも低いものでは、表面割れが発生していることが分かる。

様々な条件で圧下したときの、総圧下量比（Ｘ／Ｘ₀）とザク欠陥サイズの関係について示したグラフである。 総圧下量Ｘ（ｍｍ）を説明するための図である。

Claims (1)

1. 圧下ロールによってスラブ鋳片を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、スラブ鋳片中心部の温度において、固相率が０．７となる温度以下で、（固相線温度−２０℃）以上となる完全凝固後の位置から圧下を開始すると共に、
   圧下終了時におけるスラブ鋳片表面温度がＩＩＩ域脆化温度以上で、且つ
   圧下終了時におけるスラブ鋳片表面温度と圧下開始時におけるスラブ鋳片中心部の温度との差が６００℃以上となるときの総圧下量Ｘ（ｍｍ）が、圧下開始時のスラブ鋳片厚さＸ₀（ｍｍ）に対してＸ／Ｘ₀＞０．０１５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。
   ０．２５≦（Ｗ／Ｗ₀） …（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
   

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