JP5516152B2

JP5516152B2 - 鋼の連続鋳造方法

Info

Publication number: JP5516152B2
Application number: JP2010152198A
Authority: JP
Inventors: 淳久保田; 博英上原; 倫哉駒城; 浩淡路谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: JP2011224649A

Description

本発明は、鋳片の表面割れの防止に有用な鋼の連続鋳造方法に関する。

鋼の連続鋳造において、鋳片の表面割れを防止することは、圧延後の製品の表面品質を良好に保つために、極めて重要である。鋳片の表面割れの原因として、鋳型内での初期凝固に起因するもの、炭素鋼における初晶フェライト、オーステナイト変態後の粒界初析フェライトフィルムや、粒界に析出する炭窒化物に起因するものなどがある。いずれにしてもオーステナイト粒径を細かくすることは、相対的に脆弱なオーステナイト粒界の表面積を増やし、連続鋳造機の湾曲部から水平部に移行する段階、すなわち、鋳片の矯正時に粒界にかかる応力を分散することになるので、表面割れが生じにくくなる。また、粒界状に初析フェライトフィルムを生成させずに、オーステナイト結晶粒を微細なパーライト組織などに変態させることも、オーステナイト粒界への矯正応力の集中を避けることになるので、表面割れが生じにくくなる。

このように、表面割れを防止するために、オーステナイト組織から他の組織を経て割れにくい鋳片組織とする方法として、たとえば、鋳片を鋳型から引き抜いた後、鋳片表面をＡ_３変態温度以下に一旦冷却をした後、水量密度を０．００３〜０．０１５リットル／ｃｍ^２・ｍｉｎとして、０．５〜２．０分間の緩冷却を行い、Ａ_３変態温度を越えて復熱させることを特徴とする連続鋳造鋳片の表面割れ防止方法が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、連続鋳造機の鋳型下から５分間の鋳片走行範囲にあるロールのロールテーパを０．５〜２．５ｍｍ／ｍとし、鋳片走行範囲における鋳片の二次冷却にスプレー水を用いて、前記ロール直下において鋳片表面温度を少なくとも１回以上Ａｒ_１点以下の温度とした後、復熱させて鋳片表面温度を１０００°Ｃ以上として、直接熱間圧延を行うことを特徴とする鋼の直接圧延方法が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

上述した先行技術は、いずれも連続鋳造機内の鋳片温度を二次冷却によって制御し、目的とする組織として鋳片の表面割れを防止するものである。

特許第３４６３５５０号公報特許第２９１０１８０号公報

しかしながら、鋳片の表面温度を二次冷却によって上記の先行技術に開示されるように制御するには急速な冷却を必要とするので、その冷却のための設備は、大規模となり、多大な設備費を要するという問題があった。一方、鋳片の表面割れが発生する位置が限定されている場合も多く、少なくとも湾曲型連続鋳造機や垂直曲げ型連続鋳造機の湾曲部から水平部に移行する位置、すなわち矯正点で発生する表面割れは、鋳片に引張応力が作用する鋳片の上面側に限られることがわかっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より効率的に鋳片の表面割れを防止する鋼の連続鋳造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、鋳造空間の横断面が矩形で、上下が開放された鋳型の上方から溶鋼を供給し、該鋳型の下端から表面の凝固した鋳片を引き抜き、その後該鋳片を二次冷却すると共に引き抜き方向を漸次水平方向に転じ、最終的に内部まで凝固した該鋳片を水平方向に引き出す鋼の連続鋳造方法において、鋳片の表面温度が９１０°Ｃを下回ってから３００秒を経過するまでに、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲がオーステナイト単相からフェライト組織、パーライト組織またはベイナイト組織のいずれかに変態するように、少なくとも前記範囲をスプレー冷却することを特徴とする。

また、本発明は、上記鋼の連続鋳造方法において、前記範囲における水量密度がスプレー中心における水量密度の８０％以上となるようにスプレー冷却することを特徴とする。

また、本発明は、上記鋼の連続鋳造方法において、前記鋳型の下端から引き抜き方向に５ｍとなるまでの範囲において、比水量が１．５リットル／ｋｇ・鋼以上で４．０リットル／ｋｇ・鋼未満となるように冷却することを特徴とする。

また、本発明は、上記鋼の連続鋳造方法において、スプレー中心から離隔した位置に水量密度分布の極大値を有するスプレーノズルを用いて、鋳込み方向と直交する方向における水量密度分布の極大値が前記角部を基準として１０ｍｍから２０ｍｍまでの範囲に位置するように、スプレー冷却することを特徴とする。

本発明にかかる鋼の連続鋳造方法によれば、鋳片の表面温度が９１０°Ｃを下回ってから３００秒を経過するまでに、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲がオーステナイト単相からフェライト組織、パーライト組織またはベイナイト組織のいずれかに変態するので、鋳片組織は微細化され、粒界に働く矯正応力が分散されて表面割れが防止される。

図１は、鋼を連続鋳造する垂直曲げ型連続鋳造機を示す概念図である。図２は、調査対象とした鋳片の鋳造方向に直交する断面の組織を示す図である。図３は、伝熱凝固計算の結果を重ね合わせたＣＣＴ図である。図４は、一般的なスプレーノズルの水量密度分布を示す図である。図５は、本実施の形態において冷却スプレーに装着するスプレーノズルの水量密度分布を示す図である。図６は、本実施例の水準１〜３において用いたスプレーノズルの水量密度分布を示す図である。図７は、本実施例の水準４において用いたスプレーノズルの水量密度分布を示す図である。

以下に、本発明にかかる鋼の連続鋳造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、鋼を連続鋳造する垂直曲げ型連続鋳造機を示す概念図である。連続鋳造機は、鋳造空間の横断面が矩形で、上下が開放された鋳型の上方から溶鋼を供給し、該鋳型の下端から表面の凝固した鋳片を引き抜き、その後該鋳片を二次冷却すると共に引き抜き方向を漸次水平方向に転じ、最終的に内部まで凝固した該鋳片を水平方向に引き出す連続鋳造機が主流となっている。

このような形式の連続鋳造機には、鋳型自体が湾曲していて、鋳型の下端から引き抜かれた時点で既に鋳片が曲率を以って引き出される形式の湾曲型連続鋳造機と、鋳型自体は湾曲しておらず、鋳片は鋳型の下端から垂直に引き抜かれた後、二次冷却帯でロールによって曲率を付与される形式の垂直曲げ型の連続鋳造機がある。ここでは、垂直曲げ型の連続鋳造機を例に説明するが、垂直曲げ型の連続鋳造機に限られるものではなく、湾曲型の連続鋳造機であってもよい。

図１に示すように、連続鋳造機は、取鍋（図示せず）から溶鋼が注がれるタンディッシュ１と、タンディッシュ１の底部から溶鋼が注がれる鋳型２と、鋳型２から引き抜かれた鋳片をガイドするロール３とを備えている。

また、本発明の実施の形態において用いる連続鋳造機は、下記の表１に示すように、機長が２５．３ｍ、５点曲げ、１点矯正、湾曲半径が１０．５ｍ、矯正点のメニスカスからの位置が２１．９６ｍのものである。また、引き抜かれる鋳片は、断面が偏平な矩形であって、より具体的には、厚み２２０ｍｍ×幅２３００ｍｍの断面を有している。また、鋳造速度は０．９〜１．１ｍ／分、タンディッシュ内溶鋼温度１５４５〜１５６０°Ｃで鋳造するようになっている。

まず、本発明の発明者らは、鋳片の割れの実態を調査し、組織制御を実施すべき鋳片の部位の特定、および制御すべき目標組織を決定することにした。調査対象とする鋳片は、炭素鋼、より具体的には中炭素鋼であって、下記の表２に示す成分を有している。

図２は、調査対象とした鋳片の鋳造方向に直交する断面の組織を示す図である。図２に示すように、割れは、水平方向に引き抜いた場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から２０〜３０ｍｍとなるまでの範囲に発生している。なお、水平方向に引き出された鋳片の上面となる長辺面の端部（上面側コーナー）から内側に向かった部位に、割れは発生していない。

一方、別途行った熱応力解析により、鋳片の製造に用いた連続鋳造機における鋳片矯正時に、鋳片の上面となる長辺面の端部の周囲（長辺面側および短辺面側）には、引っ張り応力が働くことがわかった。しかしながら、長辺面側には、表面割れが発生していないので、この鋳片の鋳造方向に直交する断面（Ｃ断面）の組織観察を行った。

図２に示すように、Ｃ断面の大部分には、初析のフェライトフィルムを有するオーステナイト粒界が明瞭に観察される。この鋼種は、Ｃ＝０．１５〜０．１７ｍａｓｓ％であるので、オーステナイト粒が最も粗大化しやすい成分にある。このような状態で引っ張り応力が働くと容易にオーステナイト粒界での割れが生じることが推定される。一方で、水平方向に引き出された場合に鋳片の上面となる長辺面側の組織は、微細組織となっている。

これらのことを勘案すると、鋳片の上面側コーナーを挟んで長辺面側と短辺面側に同じように引っ張り応力が働いても、長辺面側は微細組織となっているので、粒界に働く矯正応力が分散されて割れに至らず、短辺面側はオーステナイト粗大粒組織であるので引っ張り応力が粒界に集中し、割れに至ったと考えられる。

ここで、長辺面側の割れを防止したと考えられる微細組織が生じた機序を明らかにするために、この鋳造条件での伝熱凝固計算を行い、得られた温度の時間推移を溶接用連続冷却変態線図（以下、ＣＣＴ図という）に重ね合わせた。ＣＣＴ図は、この鋼種の成分に最も近いもの（（社）日本鉄鋼協会生産技術部門実用構造溶鋼の基礎特性技術検討部会編「溶接構造用鋼の溶接用ＣＣＴ図集（社）日本鉄鋼協会１９９７の６８ページに掲載の鋼ＩＤ＝２０」を使用した。

図３は、伝熱凝固計算の結果を重ね合わせたＣＣＴ図である。図３に示すように、短辺面側の温度履歴は、９１０°Ｃを下回ってから約１０００秒にわたってオーステナイト単相を維持している。したがって、オーステナイトは粗大化し、矯正点での割れの原因になっていると推定される。一方、長辺面側の温度履歴は、９１０°Ｃを下回ってから約９０秒後（実際の鋳造速度＝１．１ｍ／ｍｉｎではメニスカスから２．５ｍ下方の位置）で、オーステナイトからポリゴナルフェライト（ＦＰ）となっていることがわかる。これによって、鋳片組織は、微細化されたと考えられる。

そこで、発明者らは、熱間引っ張り試験装置を使用し、オーステナイト単相からフェライト組織またはパーライト組織へ変態させるまでの冷却温度を変化させて、熱間延性を測定した。この結果、９１０°Ｃを下回ってから３００秒以内にフェライト組織またはパーライト組織に変態するように、冷却を行えば、熱間引っ張り試験において良好な延性が得られることがわかった。

以上を総括すると、鋳片の上面側コーナーの短辺面側に発生する表面割れは、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲（上面側コーナーから下面側コーナーに向けて３０ｍｍとなる範囲）がオーステナイト単相からフェライト単相組織、パーライト組織またはベイナイト組織のいずれかに変態するように、少なくとも当該範囲をスプレー冷却することにより防止される。なお、短辺面や長辺面の全面を冷却する必要はない。したがって、短辺面側に最小限の鋳片二次冷却設備を備えることにより、鋳片の表面割れを効率良く防止することができる。

具体的には、図１に示した連続鋳造機は、鋳型の直下（メニスカスから０．７ｍ）からメニスカスの下方１．７ｍまでの範囲には長辺面を冷却する二次冷却スプレー４と、短辺面を冷却する冷却スプレー５とが配置されていたので、この冷却スプレー５の水量を増やすことにより、水平に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲で、目的とする組織制御が行われる。

短辺面全体を組織制御するには、多大な水量が必要であるが、水平に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲であれば、長辺面側の凝固シェルは既に凝固しているので、凝固潜熱のさらなる放出がないため、短辺面側の中央部と比較すると鋳片は冷却されやすい。したがって、水平に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲を組織制御するための冷却は、短辺側全域が所望の温度履歴となるように、冷却するよりも容易である。

ところで、冷却スプレー５の配設位置は制限され、冷却スプレー５の配設位置を変更することはできない。このため、垂直曲げ型の連続鋳造機や湾曲型の連続鋳造機で２００〜３００ｍｍ厚のスラブを鋳造する場合には、水平に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲は、スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた範囲となる。したがって、この範囲を効果的に冷却するスプレーノズルを冷却スプレー５に装着することが求められる。

ここでは、図４および図５を参照し、本実施の形態において冷却スプレーに装着するスプレーノズルを一般的なスプレーノズルと比較して説明する。なお、図４は、一般的なスプレーノズルの水量密度分布を示す図であり、図５は、本実施の形態において冷却スプレーに装着するスプレーノズルの水量密度分布を示す図である。また、図４および図５に示す水量密度分布は、スプレー高さ：１２２ｍｍ、水圧：０．４〜０．６ＭＰａ、水量：１２〜１４リットル／ｍｉｎを条件とし、横軸の鋳込み方向に直交する方向の位置はスプレーノズル直下を０とした時の値であり、縦軸の水量密度はスプレーノズル直下を１００％とした時の値である。

図４に示すように、一般的なスプレーノズルでは、ノズル直下に水量が集中し、ノズル直下から外れると水量が減少する。このため、一般的なスプレーノズルでは、スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた範囲を効果的に冷却できない。したがって、一般的なスプレーノズルでは、水平に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲も効果的に冷却できない。

図５に示すように、本実施の形態において冷却スプレー５に装着するスプレーノズルは、スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた範囲を効果的に冷却するものである。具体的には、図５に示すように、スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた位置における水量密度がスプレー中心における水量密度の８０％以上のものである。これは、スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた位置における水量密度がスプレー中心における水量密度の８０％未満の場合には、投下した水量がスプレー中心に集中し、水平に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲を効果的に冷却できないからである。一方、スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた位置における水量密度がスプレー中心における水量密度と同一（１００％）である必要はない。スプレー中心から７０〜１２０ｍｍ外れた位置における水量密度をスプレー中心における水量密度と同一にすると、スプレー中心から大きく外れた位置にも水が届くことになり、いわゆる無駄水となるからである。

投下する二次冷却の水量は、鋳型２の下端から引き抜き方向に５．０ｍとなるまでの範囲において、二次冷却の比水量（リットル／ｋｇ・鋼）が１．５（リットル／ｋｇ・鋼）以上、４．０（リットル／ｋｇ・鋼）未満となる条件で鋳片を冷却することが好ましい。投下する水量は、少ないほうが省エネルギーの観点から好ましい。また、スラブの温度を必要以上に低下させないことは、連続鋳造後のプロセスである熱延加熱炉や、厚板加熱炉でのエネルギー的な負担を減らすことにもつながることから、二次冷却の比水量は、４．０（リットル／ｋｇ・鋼）未満とした。

二次冷却の比水量が１．５（リットル／ｋｇ・鋼）未満の少ない水量で二次冷却を行うと、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍとなるまでの範囲がオーステナイト単相からフェライト単相組織、パーライト組織またはベントナイト組織のいずれかに変態するまでの冷却を達成できない。

ここで、二次冷却の比水量Ｑは以下の式で決定される。
Ｑ＝Ｗ／（Ｈ×Ｄ×Ｖｃ×ρ）
ここで、
Ｗ：二次冷却の冷却水量（リットル／分）
Ｈ：鋳片の幅（ｍ）
Ｄ：鋳片の厚さ（ｍ）
Ｖｃ：鋳造速度（ｍ／分）
ρ：溶鋼の密度（ｋｇ／ｍ^３）

図１に示した連続鋳造機を用いて、表２に示した成分の鋼を下記の表３に示すスプレーパターンで鋳造した。表３において、水準１は先行技術による鋳造例である。水準２は、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲を組織制御するようにした例であり、水準３は、短辺面側のスプレーの水量を増して短辺面全体をオーステナイトからポリゴナルフェライトに変態するように組織制御した例である。水準４は、水準２と同様に、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲を組織制御するようにした例である。なお、水準１〜３では、図６に示すように、鋳込み方向と直交する方向におけるスプレーの水量密度分布が平坦なスプレーノズルを用いている。一方、水準４では、図７に示すように、鋳片の短辺面角部近傍に対応する位置の冷却が促進されるように、スプレーの水量密度分布が両端（スプレー中心から離隔した位置）に極大値を有するスプレーノズルを用いている。なお、図６および図７における横軸と縦軸は図４および図５と同じである。

この四水準で鋳造した鋳片の上面側コーナーから下面側コーナーに向かう短辺面における表面割れの有無も調査して示した。水準１の先行技術による鋳造では表面割れが観察された。水準２の組織制御による鋳造では表面割れがなくなった。水準３の組織制御による鋳造では表面割れがなくなったが、短辺面側のスプレー水量は水準２の２倍となり、設備上大がかりな設備となるほか、逆に弱冷としたい鋼種では水量を絞る必要があるが、水準３のような大水量に対応するスプレーノズルを採用すると、スプレーのターンダウンに限りがあるので、最低水量でも所望する弱冷性能が得られない可能性が大きい。また、水準４の組織制御による鋳造では、水準１と同程度の短辺面水量において、所望の鋳片位置で所望の鋳片組織を得ることができ、結果として鋳片の短辺面における表面割れを防止することが可能となった。

したがって、水準２および水準４の組織制御によれば、連続鋳造機を合理的かつ効率的に利用しながら表面割れのない品質良好な鋳片を提供できる。

１タンディッシュ
２鋳型
３ロール
４二次冷却スプレー
５冷却スプレー

Claims

鋳造空間の横断面が矩形で、上下が開放された鋳型の上方から溶鋼を供給し、該鋳型の下端から表面の凝固した鋳片を引き抜き、その後該鋳片を二次冷却すると共に引き抜き方向を漸次水平方向に転じ、最終的に内部まで凝固した該鋳片を水平方向に引き出す鋼の連続鋳造方法において、
鋳片の表面温度が９１０°Ｃを下回ってから３００秒を経過するまでに、水平方向に引き出された場合に鋳片の側面となる短辺面において上端となる角部から３０ｍｍとなるまでの範囲がオーステナイト単相からフェライト組織、パーライト組織またはベイナイト組織のいずれかに変態するように、少なくとも前記範囲をスプレー冷却することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
前記範囲における水量密度がスプレー中心における水量密度の８０％以上となるようにスプレー冷却することを特徴とする請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
前記鋳型の下端から引き抜き方向に５ｍとなるまでの範囲において、比水量が１．５リットル／ｋｇ・鋼以上で４．０リットル／ｋｇ・鋼未満となるように冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼の連続鋳造方法。
スプレー中心から離隔した位置に水量密度分布の極大値を有するスプレーノズルを用いて、鋳込み方向と直交する方向における水量密度分布の極大値が前記角部を基準として１０ｍｍから２０ｍｍまでの範囲に位置するように、スプレー冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の鋼の連続鋳造方法。