JP5416342B2 - ブルーム鋳片の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造されたブルーム鋳片を冷却する方法に関するものである。

ブルーム鋳片は、溶鋼を取鍋からタンディッシュを介して鋳型に注入し、鋳型内で凝固シェルを形成させた後、この凝固鋳片を鋳型下部から引き抜きつつ、鋳型下部に設置された２次冷却スプレー帯でさらに冷却することで製造している。

さらに連続鋳造されるブルーム鋳片の冷却に際しては、分塊再加熱時の鋳片表面割れを防止すべく、種々の冷却方法が提案されている。
特に、ブルーム鋳片の表層組織微細化を目的として、三次冷却と称し、連続鋳造機外でブルーム鋳片の冷却が実施されている。

例えば特許文献１では、所定長さに切断した後のブルーム鋳片を、連続鋳造機外のブルームクーラーで、Ａｒ₃変態点直上の温度域から、ブルーム鋳片上面の水量密度を５×１０⁻⁴〜４×１０⁻³m³／ｓm²で、上面に対する側面及び下面の水量密度比率を変化させて冷却する方法が開示されている。この方法によれば、冷却時に発生する全表面にわたる表面疵の発生を防止できると記載されている。
特開平１０−１７１９号公報

また、特許文献２では、連続鋳造機外のブルームクーラーを用いてＡｒ₃変態点直上の温度域から冷却する際に、ブルーム鋳片の移動速度を３〜１０m／minにする冷却方法が開示されている。この方法によれば、表面欠陥が低減すると記載されている。
特開２００５−４０８３７号公報

前記特許文献１や特許文献２に記載された三次冷却は、ブルーム鋳片を単にＡｒ₃変態点直上の温度域から冷却し、復熱・分塊再加熱による組織微細化（γ粒微細化）を狙った冷却であり、割れ進展の防止・抑制に対しては効果的である。

しかしながら、加熱時の表層と内部の温度差によって熱応力割れが発生したり、急冷されてマルテンサイト変態した部分が加熱時の膨張で割れる場合がある。また鋳造する鋼種による影響もある。

このように特許文献１や特許文献２に開示された三次冷却では、分塊圧延時に発生する鋳片表層割れを効果的に防止することができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、ブルーム鋳片を単にＡｒ₃変態点直上の温度域から冷却し、復熱・分塊再加熱による組織微細化を狙った従来の三次冷却では、分塊圧延時に発生する鋳片表層割れを効果的に防止できないという点である。

発明者らは、連続鋳造されたブルーム鋳片の三次冷却において、ブルーム鋳片表層部に、特開２００２−３０７１４９号公報に記載された不明瞭なγ粒界の凝固組織を存在させ、高温延性のある組織を形成させれば、前記従来の問題を解決できると考えた。

すなわち、本発明のブルーム鋳片の冷却方法は、
連続鋳造されたブルーム鋳片を切断した後に、連続鋳造機外の三次冷却帯で冷却する方法であって、
前記ブルーム鋳片の表面温度がＡｒ₃変態点を超える温度から開始する前記三次冷却帯での冷却を、
前記三次冷却帯を前記ブルーム鋳片が０．７m／min〜２．５m／minの移動速度で通過する時間をＴとした場合に、表面温度が１０００Ｋの場合の前記ブルーム鋳片の三次冷却の熱伝達率Ｈｗ（Ｗ／ｍ²・Ｋ）と前記時間Ｔ（min）を乗算した値で定義される冷却強度Ｃｓが５００〜２５００（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）の範囲となるような前記時間Ｔで行うことを最も主要な特徴としている。

上記本発明のブルーム鋳片の冷却方法によれば、ブルーム鋳片表層部の数mmの範囲に、不明瞭なγ粒界の凝固組織を存在させて、高温延性のある組織を形成させることができる。従って、鋳片復熱過程での復熱割れ抑制、及び分塊再加熱による鋳片表層組織微細化による割れ進展抑制により、圧延時の鋳片表層割れを効果的に防止することができる。

本発明のブルーム鋳片の冷却方法において、ブルーム鋳片の表面温度がＡｒ₃変態点を超える温度から冷却を開始することとしたのは、表面欠陥の起点となるフェライト組織を形成させないためである。

また、本発明のブルーム鋳片の冷却方法において、Ｈｗ×Ｔで定義されるブルーム鋳片の表面温度が１０００Ｋの場合の冷却強度Ｃｓが５００〜２５００（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）の範囲となるような時間Ｔで冷却するのは、以下の理由による。

前記冷却強度Ｃｓの上下限値は、本発明の目的とするγ粒界不明瞭組織の厚みに相当し、本発明における三次冷却を実施し、目標とする組織が得られなければ意味がない。
従って、最適冷却条件として前記冷却強度Ｃｓの範囲が存在する。

発明者らの調査によれば、前記冷却強度Ｃｓが５００未満の場合、十分な三次冷却が出来ないので、Ａｒ₃変態点を通過した後、復熱するまでの時間が短くなり、組織改質が不十分となる。

一方、前記冷却強度Ｃｓが２５００を超える場合は、Ａｒ₃変態点を通過した後の復熱が不十分なため、急冷組織となって、特許文献１、２に記載の復熱＋再加熱過程での割れが発生し易い組織となり、やはり目標とするγ粒界の不明瞭組織が得られない。

本発明では、必ずしもＡｒ₃変態点以上の温度まで復熱しなくても、γ粒界の不明瞭組織が形成されることが、発明者らの調査によって判明している。

なお、前記特開２００２−３０７１４９号に記載された方法は、鋳型直下で二次冷却を開始して鋳片表面温度をＡｒ₃変態点より一旦低下させ、その直後にＡｒ₃変態点より高い温度に復熱させるもので、冷却と複熱時間を規定したものである。この方法によれば、γ粒界に粒状のフェライト、パーライトを混合した組織を形成でき、不明瞭なγ粒界の凝固組織を得ることで、脆化温度領域で矯正しても、表面割れを防止できるようになると記載されている。

本発明によれば、三次冷却により、γ粒界に粒状のフェライト、パーライトの混合組織を生成させ、不明瞭なγ粒界凝固組織を得ることができるので、高温延性が増し、加熱膨張過程の割れを防止でき、分塊圧延時に発生する鋳片表層割れを防止することができる。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの経過と共に、本発明を実施するための最良の形態例を、添付図面を用いて説明する。
発明者らは、本発明による着想を具体化するため、図１に示す試験装置を試作し、鋳片表層組織改質と冷却条件について調査した。

なお、図１中の１はブルーム鋳片、２はブルーム鋳片１の移動速度を模擬するための駆動装置、３はブルーム鋳片１の長辺側と短辺側の各々片面のみに冷却水を噴射するための冷却スプレーである。

実験は、下記表１に示す実施条件で、以下の手順で行った。
まず、下記表１の試験鋼種になるように成分及び温度を調整した溶鋼を用いて、ブルーム鋳片断面相当のインゴットを鋳造した。

その後、型抜きして図１に示す試験装置まで搬送した後、長辺側と短辺側の各々片面のみ、Ａｒ₃変態点以上の温度から、ブルーム鋳片１がスプレー冷却帯を通過する時間Ｔだけ、冷却スプレー３より冷却水を噴射して冷却した。冷却後は、冷却水の噴射を中止して復熱させた後（図２参照）、サンプルを切り出して組織を観察（再加熱試験を含む）した。

ナイタール（HNO₃：C₂H₅OH＝１０％：９０％）でエッチングして現出させた鋳片表層組織の観察結果の一例を図３及び図４に示す。また、この図３及び図４に示した凝固組織を得た場合における実験時の冷却条件の一例を下記表２に示す。

なお、表２に示した冷却中の熱伝達率Ｈｗは、ブルーム鋳片の表皮下２５mmの位置にセットした埋め込み式熱電対により測定したブルーム鋳片の温度推移を基にして求めた。すなわち、前記温度推移から冷却による抜熱量を評価して得た図２に示すような冷却カーブを用い、ブルーム鋳片の表面温度がＡｒ ₃ 変態点を超える温度から冷却を開始するスプレー冷却帯での冷却をブルーム鋳片１が通過する時間Ｔ（min）との関係で組織調査（γ粒界不明瞭域出現）して求めた。

ブルーム鋳片が二次冷却帯通過時にＡｒ₃変態点以下にならないように冷却した後、連続鋳造機外の三次冷却帯で、Ｈｗ×Ｔで定義される前記冷却強度Ｃｓが１８５５．２９（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）となる条件で冷却した場合（発明例）は、図３のように表層４mmの範囲に目標とするγ粒界不明瞭組織が出現した。

一方、前記冷却強度Ｃｓが２６００．０１（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）となる条件で冷却した場合（比較例）は、図４のように、鋳片表層に目標とするγ粒界不明瞭組織が出現しておらず、鋳片表層の粒界が明瞭である。

図５は、Ｈｗ×Ｔで定義される前記冷却強度Ｃｓと、組織改質厚み（γ粒界不明瞭組織）との関係を整理した図である。この図５に示すように、Ａｒ₃変態点を超える温度から開始する三次冷却帯での冷却条件、すなわち前記冷却強度Ｃｓが５００〜２５００（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）の範囲となるように適正化することで、Ｎｂの有無に係わらず、ブルーム鋳片の表層にγ粒界不明瞭組織が出現することが判明した。

本発明のブルーム鋳片の冷却方法は、以上の調査結果に基づいてなされたものであり、
連続鋳造されたブルーム鋳片を切断した後に、連続鋳造機外の三次冷却帯で冷却する方法であって、
前記ブルーム鋳片の表面温度がＡｒ₃変態点を超える温度から開始する前記三次冷却帯での冷却を、
前記三次冷却帯を前記ブルーム鋳片が０．７m／min〜２．５m／minの移動速度で通過する時間をＴとした場合に、表面温度が１０００Ｋの場合の前記ブルーム鋳片の三次冷却の熱伝達率Ｈｗ（Ｗ／ｍ²・Ｋ）と前記時間Ｔ（min）を乗算した値で定義される冷却強度Ｃｓが５００〜２５００（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）の範囲となるような前記時間Ｔで行うものである。

この本発明方法において、三次冷却帯における前記冷却強度Ｃｓの制御は、単に冷却水量で決定されるものではなく、如何にブルーム鋳片が冷却されたかが重要で、ブルーム鋳片に噴射する冷却水量（冷却水、エアー）と搬送テーブルの送り速度の制御によって行う。

すなわち、前述の熱電対温度の推移から、三次冷却帯での前記熱伝達率Ｈｗを推算し、ブルーム鋳片が三次冷却帯を通過する時間Ｔとの積で整理することで、γ粒界不明領域出現の最適条件を把握し、安定的に鋳片表層組織を改質することが可能となるのである。

発明者らは、本発明方法の効果を確認するために、ブルーム鋳片の表層組織改質と前記冷却強度Ｃｓの関係を用いて、実機操業の中で、鋳片表面疵初検合格率において、品質改善の効果を確認した。

下記表３に実機試験条件を、下記表４に冷却条件を、また図６に本発明の効果を示す初検合格率の比較を示す。

図６に示すように、本発明方法を実施した場合の初検合格率は７１．５％、本発明方法を実施しない場合の初検合格率は５７．３％で、初検合格率として１４．２％改善した。

本発明は上記の例に限らず、請求項に記載された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。

例えば上記の例では、スプレーの熱伝達率Ｈｗは、熱電対による測定温度を入力し、熱電対の深さ、材料特性などに基づいて計算した値を使用しているが、簡易的には、下記の(1)式、(2)式により求めることもできる（特別報告Ｎｏ．２９、鋼材の強制冷却、社団法人日本鉄鋼協会、Ｓ５３．１１．１０発行、ｐ５８）。

Ｈｗ＝１０^1.399・Ｔｗ^−0.1358・Ｗ^0.6293・Ｖ^0.2734 …(1)
Ｖ=１０^3.25・Ｒ^0.35・Ｐ^0.62・Ｓ^0.52・Ｈ^−0.4 …(2)
但し、Ｖ：流速（m／s）、Ｒ：水量／空気量、Ｐ：空気圧（kgf/cm²）、Ｈ：ノズル高さ（cm）、Ｓ：スリット幅（cm）、Ｔｗ：伝熱面温度（℃）、Ｗ：水量密度（リットル／min・m²）

上記(1)(2)式を用いて表面温度がＡｒ₃変態点を超える温度から冷却を開始したブルーム鋳片の三次冷却の熱伝達率Ｈｗを計算した結果を図７に示す。図８に示すミストスプレーによる冷却時の実験値に併記すると、三次冷却時の実験値と推算値とも略同等の熱伝達率が得られることが分かる。

また本発明では、特に前記冷却強度Ｃｓとの関係が重要であるため、冷却帯から噴射する冷却水は、ミストスプレー、高圧スプレー等のどのような噴射態様で噴射したものでも良い。

本発明は、実施例に示したような中炭素鋼ブルーム鋳片のみならず低炭素鋼ブルーム鋳片や高炭素鋼ブルーム鋳片の連続鋳造にも適用できる。

本発明方法の試験装置を説明する図ある。 実験に供した冷却パターンを示した図である。 鋳片表層組織の観察結果を示した図で、目標とするγ粒界の不明瞭組織が得られた場合である。 鋳片表層組織の観察結果を示した図で、目標とするγ粒界の不明瞭組織が得られなかった場合である。 Ｃｓ＝Ｈｗ×Ｔで定義される冷却強度Ｃｓと、組織改質厚み（γ粒界不明瞭組織）との関係を整理した図である。 本発明の効果を示す初検合格率の比較を示す図である。 三次冷却時の熱伝達率Ｈｗを計算した結果を示す図である。 ミストスプレーによる熱伝達率ｈを示した図である。

符号の説明

１ ブルーム鋳片
３ 冷却スプレー

Claims (1)

1. 連続鋳造されたブルーム鋳片を切断した後に、連続鋳造機外の三次冷却帯で冷却する方法であって、
   前記ブルーム鋳片の表面温度がＡｒ₃変態点を超える温度から開始する前記三次冷却帯での冷却を、
   前記三次冷却帯を前記ブルーム鋳片が０．７m／min〜２．５m／minの移動速度で通過する時間をＴとした場合に、表面温度が１０００Ｋの場合の前記ブルーム鋳片の三次冷却の熱伝達率Ｈｗ（Ｗ／ｍ²・Ｋ）と前記時間Ｔ（min）を乗算した値で定義される冷却強度Ｃｓが５００〜２５００（Ｗ・min／ｍ²・Ｋ）の範囲となるような前記時間Ｔで行うことを特徴とするブルーム鋳片の冷却方法。