JP5093463B2 - 連続鋳造方法及び連続鋳造機 - Google Patents

Description

本発明は、スラブ、ブルーム、ビレットなどの鋳片を鋳型から連続的に引き抜き、固化させる連続鋳造方法及び連続鋳造機に関し、特に連続鋳造後の鋳片を加熱炉で再加熱せずに直接圧延する直送圧延（Hot Direct Rolling:以下ＨＤＲと称す）プロセスや、加熱炉に装入して圧延するホットチャージ圧延（Hot Charge Rolling:以下ＨＣＲと称す）プロセスにおいて、鋳片の表面に割れなどの欠陥が生ずるのを防止できる連続鋳造方法及び連続鋳造機に関する。

造船用ハイテン材（高張力鋼板）などの鋼種では、ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおいて、加熱炉から抽出した後の鋳片を粗圧延するときに、粒界割れが発生するという問題が発生する場合がある。ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおいては、鋳片はその温度がＡｒ₃点以上に保たれたまま、すなわち鋳片は変態することなく、オーステナイト結晶構造のまま熱間圧延される。オーステナイト結晶粒は粗大化していて、かつオーステナイト結晶粒の粒界には硫化物や窒化物などが析出しているので、圧延時の加工歪みによって粒界割れが発生することになる。この粒界割れは冷延コイルや熱延コイルなどの圧延後の製品に表面疵を発生させる。

鋳片の割れを防止するために、鋳片を一旦室温まで冷やしてα変態させ、その後加熱炉に装入し、再度オーステナイト結晶構造にγ変態させるという冷片運用規制が一般的に採られている。鋳片を一旦室温まで冷やしてα変態させることによって、析出物が分散するので、粗圧延するときに粒界割れしにくい鋳片が得られる。しかし、鋳片を一旦室温まで冷やしたのでは、エネルギ的にも工程的にもロスになる。このため、連続鋳造機で鋳造された鋳片を一旦室温まで冷却することなく、ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおける鋳片の割れを防止できる技術が望まれている。

ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおける鋳片の割れを防止する技術には、連続鋳造プロセスからアプローチしたものと、熱間圧延プロセスからアプローチしたものとがある。

連続鋳造プロセスからアプローチした割れ防止技術として、連続鋳造機内での鋳片の二次冷却を制御する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。この二次冷却制御方法は、鋳型の直下のスラブの表面を強冷却することで、鋳片の結晶構造をγ→α変態させ、その後、加熱炉でα→γ変態させるものである。凝固時と圧延時の粒界の位置を移動させ、粒界偏析元素を分散させることによって、鋳片の割れを防止することができる。

連続鋳造プロセスからアプローチした他の割れ防止技術として、連続鋳造機内で鋳片に歪を付与する方法について数多くの研究がなされている。例えば特許文献２には、連続鋳造時の鋳片の表層部深さ２ｍｍ以上に５％以上の加工歪を付与し、かくして連続鋳造時の鋳片の熱間割れ、さらには直送圧延、ホットチャージ圧延における鋳片の熱間割れを防止する技術が開示されている。非特許文献１には、鋳片に２０％以上の歪を付与することによって、動的再結晶によるオーステナイト粒径の微細化を図る技術が開示されている。

他方、熱間圧延プロセスからアプローチした割れ防止技術として、特許文献３には、連続鋳造後の鋳片を直送圧延する際に、１０００℃以下Ａｒ₃点以上の温度域において、鋳片を５％以下の圧下率で一次圧延し、所定時間温度を保った後、二次圧延する熱間圧延方法が開示されている。
特開平９−２５３８１４号公報（特許請求の範囲参照） 特公平４−６８０６９号公報（特許請求の範囲参照） 特公平５−６８５２５号公報 材料とプロセス，１４（２００１）,１１５１大内ら

しかし、特許文献１に記載の発明にあっては、二次冷却の制御によって横割れを防止できるのは、一部の鋼種だけである。しかも鋳造速度を下げざるを得ない（高速鋳造であると、二次冷却の不足で鋳片の表面が充分に冷却されない）から、生産性を阻害する場合がある。

特許文献２及び非特許文献１に記載の発明にあっては、効果を発現させるための必要歪量は、これまでの報告事例のなかでは比較的大きい値となっている。例えば特許文献２には、連続鋳造時の鋳片の熱間割れを防止するためには、５％以上の加工歪を付与する必要があることが記載されている。非特許文献１には、動的再結晶に必要な歪量は概ね１５〜４０％であると記載されている。しかし、連続鋳造機内で鋳片に５％以上の大きな歪を与えるのは困難を伴う（例えばダイ圧下プレスなどの大型設備が必要になる）ので、実機に応用できていないのが実情である。しかも連続鋳造機内で鋳片に５％以上の歪をかけると、その歪によって鋳片が割れるという弊害も出る。

特許文献３に記載の発明にあっては、熱間圧延プロセスに工程的な負荷がかかる。しかも、５％以内の歪では割れ防止の効果が薄いし、一次圧延によって割れが発生することもある。

そこで本発明は、ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおける鋳片の割れを防止できる新たな連続鋳造方法及び連続鋳造機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、連続鋳造後の鋳片を加熱炉で再加熱せずに直接圧延する直送圧延（Hot Direct Rolling）プロセス、又は加熱炉に装入して圧延するホットチャージ圧延（Hot Charge Rolling）プロセスに用いられ、鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻す連続鋳造方法において、前記下部矯正帯以降の水平帯の鋳片表面温度域が７００℃〜９００℃の鋳片に、歪量が５％以内、歪速度が１０^−３ ／ｓ〜１／ｓの複数回の歪を与え、複数の圧延ロールが鋳片を複数回圧延することによって、鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする連続鋳造方法である。

請求項２に記載の発明は、連続鋳造後の鋳片を加熱炉で再加熱せずに直接圧延する直送圧延（Hot Direct Rolling）プロセス、又は加熱炉に装入して圧延するホットチャージ圧延（Hot Charge Rolling）プロセスに用いられる連続鋳造機であって、鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻すことができるように、鋳片の両側面に対向して配列される多数のロールと、前記下部矯正帯以降の鋳片表面温度域が７００℃〜９００℃の水平帯の鋳片に、歪量が５％以内、歪速度が１０^−３ ／ｓ〜１／ｓの複数回の歪を与える歪付与手段と、を備え、前記歪付与手段は、複数の圧延ロールが鋳片を複数回圧延することによって、鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする連続鋳造機である。

連続鋳造時に下部矯正帯以降の鋳片に歪を付与することによって、鋳片があたかも温度が下がったかのようにγ→α→γ逆変態の加工誘起変態を起こす。この加工誘起変態によって、結晶粒界の位置が移動し、析出物（粒界偏析元素）が分散する。よって、ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおいて鋳片を粗圧延するときに、鋳片が割れるのを防止することができる。

連続鋳造時に鋳片に歪を付与することによって鋳片の割れを防止するためには、鋳片に５％以上の歪を付与することが常識であった。裏を返せば、５％以内の歪量では効果がないといわれていた。しかし実験の結果、５％以内の歪を複数回付与することで、析出物が分散し、ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおいて鋳片を粗圧延するときに延性が向上することがわかった。連続鋳造機内で鋳片に５％以内の歪をかけるのは現実的にも可能である。

以下添付図面に基づいて本発明の連続鋳造方法の一実施形態を説明する。図１は連続鋳造機の一例であるツーストランドタイプの垂直曲げ型連続鋳造機の概略図を示す。溶鋼はタンディッシュ６を介して鋳型７に注湯される。鋳型７から引き抜かれる鋳片９には、スプレーノズル８から冷却水が吹き付けられる。鋳型７から引き抜かれる鋳片９を垂直方向から水平方向に案内するために、円弧、放物線などの曲線に沿って多数のロール１０が配列される。多数のロール１０の下流側には、引抜き装置が連続して設けられる。引抜き装置の下流側には、固化した鋳片を切断するガストーチ、油圧切断などの切断装置１１が設けられる。切断装置１１によって切断された鋳片は、連続鋳造機から排出され、圧延装置に搬送される。図中１２は電磁撹拌装置である。

図２は連続鋳造機において湾曲する鋳片を示す。鋳型から引き抜かれ、垂直方向に下降する鋳片９は、上部矯正帯９ａにおいて曲げられる。そして、湾曲帯９ｂにおいて湾曲した状態を保った後、下部矯正帯９ｃにおいて曲げ戻され、水平帯９ｄにおいて平板状に戻る。本実施形態では、造船ハイテン材などの鋼種のＨＤＲ又はＨＣＲプロセスにおける割れを防止するために、図２に示されるように、下部矯正帯９ｃ以降の水平帯９ｄの平板状の鋳片９に予備的に歪を付与している。歪付与手段１４は水平帯９ｄにおける鋳片９に歪量が５％以内の複数回の歪を付与する。この位置で歪を付与することで、析出物を分散させることができ、ＨＤＲやＨＣＲプロセスにおいて粗圧延するときに延性の向上を発現させることができる。連続鋳造機内において、鋳片９に一度に大きな歪を付与するのには限界がある。しかしながら、連続鋳造機内で鋳片９（スラブ）は、複数のロール１０によってサポートされている。この複数のロール１０を用いて鋳片９の表層に小さな歪を複数回与えることができる。

図３は、歪付与手段１４の具体例を示す。ロール圧下方式の歪付与手段である。連続鋳造機内には、鋳片９の搬送方向に複数の、例えば三つの圧延ロール１０ａ〜１０ｃが設けられる。複数の圧延ロール１０ａ〜１０ｃで鋳片９を複数回圧延することによって、鋳片９に複数回の、例えば三回の歪を与えることができる。鋳片９の両側面に設けられる一対の圧延ロール１０ａ〜１０ｃが一回分の歪を付与する。一回の歪量は５％以内である。歪を付与するとき、圧延ロール１０ａ〜１０ｃにはロール反力がかかるので、圧延ロール１０ａ〜１０ｃの背面側にはバックアップロール１６が設けられる。

図４は、歪付与手段の他の例（パスライン変更方式）を示す。鋳片９を曲げられるように、鋳片９のパスラインをずらして複数のパスライン変更ロール１０ｄ〜１０ｆを配列する。水平帯において湾曲した状態の鋳片９をさらに曲げたり、曲げ戻したりすることによって、鋳片９に複数回の歪を与えることができる。鋳片９を曲げる度に、鋳片９の両側面のうちの一方の表面には引張りの歪が付与され、他方の表面には圧縮の歪が付与される。鋳片９に付与される最大の圧縮又は引張りの歪は５％以内に設定される。

下部矯正帯以降の水平帯における鋳片（スラブ）の表面温度は約７００℃〜１０００℃程度である。歪付与手段１４が鋳片９に予備的に与える歪（以下予歪という）の歪速度は、連続鋳造機の矯正曲げの歪速度よりも大きく設定される。予歪によって割れが発生するのを防止するためである。歪速度については後述する。

以下に、鋼の脆化のメカニズムに関して、１．脆化挙動と歪速度との関係、２．脆化の予測式による検討の項目に分けて説明する。

１．脆化挙動と歪速度との関係
図５は、各温度域の鋼の脆化挙動を示すグラフである（（出典）鈴木ら，鉄と鋼，６５，２０３８（１９７９））。
１２００℃〜固相線での脆化はI領域の脆化と呼ばれ、原因としてはデンドライト樹間の残溶鋼による液膜脆化、粒界溶融による液膜脆化と言われており、延性は歪速度に依存しない。
９００℃〜１２００℃での脆化はII領域の脆化と呼ばれ、原因としては酸化物、硫化物、燐化物などの粒界析出と言われており、歪速度が大きいほど脆化する。
６００℃〜９００℃での脆化はIII領域の脆化と呼ばれ、原因としては酸化物、硫化物、炭・窒化物などの粒界析出、オーステナイト粒界に沿って生成する初析フェライトと言われており、歪速度が小さいほど脆化する。

表１に各温度域の鋼の脆化挙動の特徴を示す。

図５のメカニズムに従い、ＨＣＲプロセス、Ｄ−ＨＣＲ（Direct Hot Charge Rolling：スラブヤードに降ろすことなく直接加熱炉に装入する方式）プロセスにおける割れを分類した結果を表２に示す。ＨＣＲプロセス、Ｄ−ＨＣＲプロセスにおける割れは加熱炉抽出後の粗圧延の１パス目で発生することが多い。ここでの鋳片（スラブ）の表面温度は１１００℃〜１２００℃程度である場合が多い。この温度域は脆化のII領域であり、歪速度が大きいほど脆化する領域である。圧延の歪速度は１０⁰〜１０¹／ｓと大きいから、歪速度も割れにとって不利になっている。

２．脆化の予測式による検討
ここではMintzらの研究を参照して、ＲＡ（Reduction of Area：断面収縮率）に及ぼす歪速度の影響、結晶粒径の影響について考察する。Mintzらは数種の鋼の延性を調査し、また他の研究者のデータも参照した結果、下記に示すＲＡの推定式を導出している。
ここでＲＡ（絞りとも呼ばれる）は、引張り試験において、試験片切断後における断面積の減少量ともとの断面積の比を百分率で表わしたものである。ＲＡが大きいほど、延性が高くなり、割れに対して強くなる。

（（出典）B.Mintz,etc, International Materials Reviews,36,187(1991)）

なお、（１）式が適応できる範囲は、結晶粒径ｄが５００μｍ以下、歪速度ε′が１０^-4以上１０^-1以下、成分が１．０％＜Ｍｎ＜１．４％、０．００５％＜Ｓであり、この範囲内では±１２％の誤差で予測できるとしている（信頼区間９５％）。予測可能温度は７００℃から１０００℃としており、表１におけるIII領域の脆化に対応することになる。

この予測式から計算したMinimum ＲＡ（％）と歪速度の関係を図６に示す。ここでは便宜的にｓ＝１０００ｎｍとして算出を行った。図６より歪速度が大きくなるとＲＡが増加しており、歪速度が大きい変形に対しては割れにくくなるといえる。この温度域で鋳片に予歪加工を与える際には、歪速度を大きくすることで、ＲＡが低い状態での加工を避けることができる。例えば結晶粒径を５００μｍとすると連続鋳造機内の矯正曲げに相当する歪速度１０^-3／ｓではMinimum ＲＡが約１７％であるが、歪速度を１０^-1／ｓまで大きくするとMinimum ＲＡは約５７％まで上昇する。

上記検討より、７００℃〜９００℃程度の鋳片表面温度域で予歪加工を行う場合には、歪速度を大きくすることで、予歪加工そのものによって割れが発生することを回避できることがわかる。連続鋳造機内の矯正曲げに相当する歪速度が約１０^-3／ｓであるので、水平帯において予歪加工を行う場合の歪速度は、１０^-3／ｓ〜１／ｓに設定される。歪速度が１／ｓを越えると、式の予測範囲を超えて割れが発生するおそれがある。さらにこの予歪加工で鋳片表層の結晶粒径を５００μｍから１００μｍまで微細化できたとすると、微細化効果によりＲＡは５０％まで向上する。図７は、予測式から計算したMinimum ＲＡ（％）と結晶粒径の関係を示す。図６と同様に結晶粒径が小さくなると、すなわち結晶粒径が微細化すると、Minimum ＲＡ（％）が向上することがわかる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、上記実施形態では、本発明を垂直曲げ型連続鋳造機に適用した例を説明したが、本発明は、図８に示される湾曲型連続鋳造機にも適用できる。垂直曲げ型連続鋳造機では垂直に鋳片を送るために平板鋳型であるが、湾曲型連続鋳造機の場合、円弧状に鋳片を送るために湾曲鋳型２１になっている。鋳型内面が湾曲しているため、湾曲した鋳片が送り出され、下部矯正帯２２で曲げ戻し矯正を行い鋳片とする。垂直曲げ型連続鋳造機とは上部矯正帯での曲げ工程がない点で相違する。

予歪の付与による脆化の回復効果を確かめる実験を行った。実験には、加工フォーマスタを用いた。サンプルに予歪加工を加えてから引張り試験を行い、ＲＡを測定した。図９は繰返し歪付与実験温度の履歴を示す。予歪の歪速度は０．０１／ｓである。破断のときの歪速度は、加熱炉抽出後の粗圧延の歪速度を想定して１／ｓとした。なお、今回の試験では加熱炉に装入されることによるサンプルの温度上昇などは再現しておらず、予歪後に加熱することなく破断させているが、加熱した場合にもほぼ同様な結果が得られる。

表３は繰返し歪付与実験−実験水準一覧を示す（実験Ｎｏ．１６〜２０）。

表４はサンプル成分を示す。

予歪加工を行わない比較例と、一回歪付与を行ったものと、二回歪付与を行ったものを最終的に試験温度８５０℃で破断させた。破断前後のサンプルの直径からＲＡを測定した。

図１０はＲＡの測定結果を示す。歪付与を行ったサンプルはほぼ歪量に応じてＲＡが上昇し、脆化が回復していることがわかる。また、二回歪付与を行ったサンプルについては、一回歪付与を行ったサンプルに比べてＲＡが増加していることがわかる。連続鋳造機において小さな歪を複数回付与することで、割れ感受性の高い難鋳造鋼種の脆化が回復できることがわかる。

垂直曲げ型連続鋳造機の概略図 歪付与手段を示す概念図 ロール圧下方式の歪付与手段を示す概念図 パスライン変更方式の歪付与手段を示す概念図 各温度域の鋼の脆化挙動を示すグラフ ＲＡに及ぼす歪速度の影響を示すグラフ ＲＡに及ぼす結晶粒径の影響を示すグラフ 湾曲型連続鋳造機の模式図 繰返し歪付与実験温度の履歴を示す図 複数回付与による延性回復状況を示すグラフ

符号の説明

９…鋳片
９ａ…上部矯正帯
９ｂ…湾曲帯
９ｃ…下部矯正帯
９ｄ…水平帯
１０…ロール
１０ａ〜１０ｃ…圧延ロール
１０ｄ〜１０ｆ…パスライン変更ロール
１４…歪付与手段

Claims (2)

1. 連続鋳造後の鋳片を加熱炉で再加熱せずに直接圧延する直送圧延（Hot Direct Rolling）プロセス、又は加熱炉に装入して圧延するホットチャージ圧延（Hot Charge Rolling）プロセスに用いられ、鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻す連続鋳造方法において、
   前記下部矯正帯以降の水平帯の鋳片表面温度域が７００℃〜９００℃の鋳片に、歪量が５％以内、歪速度が１０^−３ ／ｓ〜１／ｓの複数回の歪を与え、
   複数の圧延ロールが鋳片を複数回圧延することによって、鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする連続鋳造方法。
2. 連続鋳造後の鋳片を加熱炉で再加熱せずに直接圧延する直送圧延（Hot Direct Rolling）プロセス、又は加熱炉に装入して圧延するホットチャージ圧延（Hot Charge Rolling）プロセスに用いられる連続鋳造機であって、
   鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻すことができるように、鋳片の両側面に対向して配列される多数のロールと、
   前記下部矯正帯以降の鋳片表面温度域が７００℃〜９００℃の水平帯の鋳片に、歪量が５％以内、歪速度が１０^−３ ／ｓ〜１／ｓの複数回の歪を与える歪付与手段と、を備え、
   前記歪付与手段は、複数の圧延ロールが鋳片を複数回圧延することによって、鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする連続鋳造機。

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