JP5737374B2 - 丸鋼片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、丸鋼片の製造方法に関する。丸鋼片とは横断面が円形状である鋼片を指す。

１３Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼材の素材とされる丸鋼片に連続鋳造（略して連鋳）製品を適用するためには、その連鋳製品は内部品質が分塊圧延製品に比肩する健全なものであることが望ましい。然るに連鋳工程では、一般に、鋳片軸芯部（外径Ｄの鋳片断面内の軸芯を中心とする半径＝（Ｄ/２）×０．２の円及びその内側の領域を指す）に残存する濃化溶鋼による偏析や最終凝固部の収縮による空隙（ポロシティ）の生成があるため、分塊圧延製丸鋼片並みの健全な内部品質を有する丸鋼片とするのは困難である。特にマンネスマン穿孔などのロール穿孔により製造される継目無管に適用される素材には十分な加工性が必要となるが、斯かる素材としての丸鋼片に連鋳製品を充当するには、それの軸芯部の偏析やポロシティを極力軽減する対策が必要である。

前記対策として、たとえば連鋳工程の凝固末期にブルームやビレットである鋳片の厚さの２〜５倍の直径を有するロールを用いて鋳片内部の未凝固部に圧下を加えて鋳片の断面積を減少するとともに、不純物元素が濃化した未凝固溶鋼を鋳片軸芯部から排除する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
又、前記未凝固部圧下に次いで、完全凝固後の鋳片にロール成形を施して所定の断面形状に成形し、その際、好ましくは、未凝固圧下終了からロール成形開始までの鋳片表面を所定水量で冷却する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

一方、特定組成の鋼について連続鋳造中の鋳片の二次冷却条件を特定範囲に制御することで鋳片軸芯部の品質を向上させようとする技術が知られている（例えば、特許文献３，４，５等参照）。尚、特許文献４では、鋳造速度も限定されている。また、特許文献５では、鋳片の未凝固部に対する電磁攪拌を援用するとよいとしている。

特開平３−１２４３５２号公報 特許第３３１９３７９号公報 特許第４３０１１３３号公報 特開２０１１−１３６３６３号公報 特開２００４−３３０２５２号公報

然しながら、前記未凝固部圧下による対策は、これを行う設備の配設位置と、これに適応した凝固状態となる鋳片軸芯方向位置とを一致させるのが実践上難しいことから、鋳片軸芯部の性状改善効果が十分得られるとは云い難い。
又、前記二次冷却条件の制御による対策は、最終凝固部である鋳片軸芯部が凝固収縮による引張応力を受けることにより割れが生じたり、あるいは大きなポロシティが生じたりすることを、外部からの水冷強化・適正化により抑制できるとするものである。この対策は未凝固部圧下ほどには効果が大きくないものの一定の効果を有していることは間違いなく、外部水冷であれば冷却帯も比較的構成し易く制御も比較的容易であるなどから工業的実用性には優れると云える。然し、通常は鋳片の外周面を均一に水冷すると云うのが建前とされているが、該建前を満たすのは困難であり、例えば吐出冷却水の直撃を受ける箇所とそうでない箇所、或いは例えば異なる吐出部からの冷却水を重複して受ける箇所とそうでない箇所、などと云った断面の円周方向位置の異なる箇所で、冷却に強弱の差が生じる（即ち鋳片の断面の円周方向の冷却不均一が生じる）のが不可避的であって、結果的に鋳片軸芯部の引張応力生成は免れ得ない。尚、特許文献３〜５に開示された対象鋼種は、Ｃｒを含まないか、含んでも高々３質量％である鋼種となっている。一方、本発明者らの検討によると、特に、１３Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼では、Ｃｒ量が３質量％以下の鋼に比べて前記引張応力生成が鋳片軸芯部の欠陥発生に繋がる傾向がより強い。

従って、従来の技術では、連鋳製丸鋼片を、継目無鋼管特に高Ｃｒ鋼の継目無鋼管素材として適用しうるに十分健全な軸芯部性状のものとすることは困難であると云う課題があった。

本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、丸鋼片を連続鋳造にて製造するにあたり、鋳造途上の特定状態の鋳片に対し、意図的に外周上の両極部を残部よりも強く強制冷却し、その後、前記両極部の対向方向を圧下方向としてロール圧下を加えることが、鋳片軸芯部性状改善に有効であるとの知見を得て、本発明を成した。
ここで、前記外周上の両極部とは、鋳片の長手方向に垂直な断面である横断面を含む平面内で軸芯を中心とする中心角θの角度領域と交わる外周部分及び該角度領域を軸芯の周りに１８０度回転してなる角度領域と交わる外周部分の双方を指す。図２は、両極部の定義を示す概略図であり、この図に示される様に、鋳片１０の横断面を含む平面１１内で軸芯１０Ｃを中心とする中心角θの角度領域Ｋ１と交わる外周部分、及び前記角度領域Ｋ１を軸芯１０Ｃの周りに１８０度回転してなる角度領域Ｋ２と交わる外周部分、の双方が両極部２と定義される。又、断面外周全体から両極部２を除いた残りが残部３である。尚、鋳片の軸芯部性状改善効果の顕現性の点から、前記中心角θは、θ：０度超１２０度とする必要があり、好ましくはθ：１０度以上９０度以下である。

即ち本発明は以下の通りである。
（１） 連続鋳造による丸鋼片の製造方法において、前記連続鋳造途上品である鋳片に対し、下記（Ａ）に定義される外周上の両極部を残部よりも強冷する不均一強制冷却を、下記（Ｂ）に定義される凝固末期内から開始して、軸芯温度が凝固点未満凝固点下１９０℃以上となる温度域内で停止し、該停止後の復熱完了時の前記両極部と前記残部の表面温度差の最大値である温度偏差δが１０℃以上となるようにする偏冷却工程と、
前記鋳片の凝固完了から前記復熱完了までの途上で、圧下用ロールにて前記両極部の対向方向に圧下を加えて、前記両極部の中点間隔縮小率である圧下率ｒを０超５％以下にするロール圧下工程とを有することを特徴とする丸鋼片の製造方法。

記
（Ａ）前記外周上の両極部とは、鋳片の横断面を含む平面内で軸芯を中心とする中心角θ＝０度超１２０度以下の角度領域と交わる外周部分及び該角度領域を軸芯の周りに１８０度回転してなる角度領域と交わる外周部分の双方を指す。
（Ｂ）凝固末期とは中心固相率が０．５以上１．０以下になる期間のことである。
（２） 前記温度偏差δを３０℃以下にすることを特徴とする前記（１）に記載の丸鋼片の製造方法。
（３） 前記圧下率ｒを１％以上３％以下にすることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の丸鋼片の製造方法。

本発明によれば、前記偏冷却工程により鋳片の軸芯を外した箇所に両極部対向方向の引張応力場を生成させ、これを前記ロール圧下工程によりほぼ全面的な圧縮応力場に転化させる事ができるので、軸芯部における一文字割れ等の欠陥の誘発原因になる前記偏冷却に起因した引張応力場は、これの残留する事が無くなって、鋳片軸芯部性状が大幅に向上し、以て、丸鋼片、特に高Ｃｒ鋼の継目無鋼管素材向けの丸鋼片を、連続鋳造により高品質に製造でき、且つ、偏冷却設備やロール圧下設備は設置位置の自由度が大きく、又、複雑な制御も不要であるから、前記丸鋼片を容易に製造することが可能となる。

本発明の実施形態の一例を示す概略図である。 両極部の定義を示す概略図である。 偏冷却工程の鋳片温度履歴を示す模式図である。 ロール圧下工程の実施形態を示す鋳片軸方向断面模式図である。 ロール圧下直前の応力場の例を示す鋳片断面内応力分布図である。 ロール圧下直後の応力場の例を示す鋳片断面内応力分布図である。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す概略図である。浸漬ノズル（図示せず）にて鋳型内側が円筒形状である鋳型（連続鋳造鋳型）１内へ注入された鋳型内溶鋼９が鋳型１内面からの冷却により外周表層に凝固シェル（図示せず）を形成後、鋳型１から下方へ連続的に引き出されてなる鋳片１０は、外面への強制冷却或いは大気放冷による凝固促進乃至凝固後冷却を施されながら、移送用ロール（図示せず）にて、軸芯１０Ｃがほぼ５００℃以下になるガスカット地点６まで移送され、該ガスカット地点６に設置されたガストーチ７にて所定長さに切断される。

凝固の進行度合いは中心固相率で表される。この中心固相率とは、鋳型から引き出された鋳片の軸芯部において共存状態にある液相と固相の合計質量に対する固相質量の比（値域：０〜１）で定義される量であって、その値は伝熱凝固解析による鋳片軸芯部の計算温度（詳しくは、鋳片中心から半径５ｍｍ以内の全要素（全計算点）について平均した計算温度と定義し、以下、軸芯温度という）と、その鋼に固有の液相線温度および固相線温度から求めることができる。

図１において、位置Ａは前記不均一強制冷却の開始点であるところの、前記凝固末期内の何れか一点に対応する。位置Ｂは前記不均一強制冷却の停止点であるところの、軸芯温度が凝固点未満凝固点下ΔＴ以上（凝固点下ΔＴ（但し此処ではΔＴ＝１９０℃）とは「凝固点−ΔＴ」の温度の事である）となる温度域内の何れか一点に対応する。
本発明は、偏冷却工程とロール圧下工程とを有する。

前記偏冷却工程は、図３に示す様に、前記位置Ａ〜Ｂ間で前記不均一強制冷却を行って、該不均一強制冷却停止後自然冷却中の両極部２の復熱完了時点の温度を残部３のそれから差し引いた量の最大値（すなわち、残部３の復熱完了時点の温度の最大値−両極部２の復熱完了時点の温度の最小値）である温度偏差δが１０℃以上になるようにする工程である。

前記ロール圧下工程は、前記鋳片の凝固完了から前記復熱完了までの途上で、図４に示す様に、圧下用ロール１２にて両極部２の対向方向に圧下を加えて、前記両極部の中点間隔（図２のＫ１及びＫ２の中点同士を結んで得られる線分の長さ）の縮小率である圧下率ｒ（入側の両極部の中点間隔をＤ１、出側のそれをＤ２とすると、ｒ＝（１−Ｄ２/Ｄ１）×１００（％））を０％超５％以下にする工程である。尚、前記ロール圧下工程は、図３では偏冷却工程の完了後に行う例を示したが、偏冷却工程の途上で行ってもよい。

前記偏冷却工程と前記ロール圧下工程との組み合わせにより、前記偏冷却工程にて生成させた、例えば図５に示す様な両極部対向方向の引張応力場を、前記ロール圧下工程にて、例えば図６に示す様なほぼ全面的な圧縮応力場に転化させることができ、以て軸芯部性状を大幅に改善できる。尚、図５、図６は夫々、本発明による鋳造過程におけるＦＥＡ（有限要素解析）によるシミュレーション計算で求めた、前記ロール圧下の直前、直後の応力場の例を示す鋳片断面内応力分布図である。

前記不均一強制冷却の開始、停止、及び温度偏差δの何れか一つ以上を本発明（１）の規定範囲外とするのでは、両極部対向方向の引張応力場が十分に形成される要因である復熱前の冷却による圧縮場もまた形成が不充分となること或いは過剰な冷却は前述した通り割れを引き起こすことと同義であり、次工程のロール圧下でも軸心部性状を良化させるのが困難となる。

前記不均一強制冷却は、水或いは気水混合流体等の冷媒を、両極部には比較的多く、残部には比較的少なく吹付け供給する等の方法により、容易に実施できる。
尚、温度偏差δを３０℃超にすると、割れの発生が起こり易くなり、その抑制のためにより大きな圧下が必要となり、鋳片形状への悪影響が懸念されることから、δは３０℃以下とするのが好ましい。（本発明（２））
前記圧下用ロールによる圧下を本発明（１）の規定範囲外の温度域で行うのでは、軸心部性状の良化が不十分である。又、圧下率ｒを５％超とするのは、形状不具合に繋がるばかりか設備費が嵩む。一方、圧下率ｒは、小さくするほど表層側のみに圧下効果が集中して本発明の効果が得難く、又、大きくし過ぎると、効果対コスト比が低下するから、１％以上３％以下にするのが好ましい。（本発明（３））

前記圧下用ロールには、一般的な蛇行防止の凹み（深さ３〜５ｍｍ程度、大きな円弧形状のカリバ）を有する孔型ロールを充当する事ができ、又、前記凹み深さが３ｍｍ程度未満の孔型ロール乃至フラットロールを用いることもできる。なお、圧下用に設計されたロールを用いることでその効果を高めることも可能となるが、専用設備となるため、本発明では、コスト削減の観点から、通常のロールを用いても充分な効果が得られるようにした。

表１に示す化学組成（残部はＦｅ及び不可避的不純物）及び凝固点Ｔｓを有する丸鋼片（製品直径＝２１０ｍｍ）を、表２に示す鋳片の不均一強制冷却、孔型ロールによるロール圧下の条件下で、連続鋳造により製造する工程をＦＥＡによりシミュレートし、ロール圧下直後の鋳片の内質を軸心部密度比（＝軸心部内の２０ｍｍ角立方体の密度/外周部内の２０ｍｍ角立方体の密度）で評価すると共に、鋳片軸心部の割れの有無、及び鋳片形状の良不良を評価した。なお、凝固点は熱分析により測定した。

表２に示すとおり、本発明例では、鋳片の内質は軸心部密度比で０．９５以上と良好であり、且つ、鋳片軸芯部の割れは発生せず、鋳片形状も良好である。

１ 鋳型（連続鋳造鋳型）
２ 両極部
３ 残部
６ ガスカット地点
７ ガストーチ
９ 鋳型内溶鋼
１０ 鋳片
１０Ｃ 軸芯
１１ 横断面を含む平面
１２ 圧下用ロール

Claims (3)

1. 連続鋳造による丸鋼片の製造方法において、前記連続鋳造途上品である鋳片に対し、下記（Ａ）に定義される外周上の両極部を残部よりも強冷する不均一強制冷却を、下記（Ｂ）に定義される凝固末期内から開始して、軸芯温度が凝固点未満凝固点下１９０℃以上となる温度域内で停止し、該停止後の復熱完了時の前記両極部と前記残部の表面温度差の最大値である温度偏差δが１０℃以上となるようにする偏冷却工程と、
   前記鋳片の凝固完了から前記復熱完了までの途上で、圧下用ロールにて前記両極部の対向方向に圧下を加えて、前記両極部の中点間隔縮小率である圧下率ｒを０超５％以下にするロール圧下工程とを有することを特徴とする丸鋼片の製造方法。
   記
   （Ａ）前記外周上の両極部とは、鋳片の横断面を含む平面内で軸芯を中心とする中心角θ＝０度超１２０度以下の角度領域と交わる外周部分及び該角度領域を軸芯の周りに１８０度回転してなる角度領域と交わる外周部分の双方を指す。
   （Ｂ）凝固末期とは中心凝固率が０．５以上１．０以下になる期間のことである。
2. 前記温度偏差δを３０℃以下にすることを特徴とする請求項１に記載の丸鋼片の製造方法。
3. 前記圧下率ｒを１％以上３％以下にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の丸鋼片の製造方法。

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