JP5810651B2 - 鋼片の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素鋼や合金鋼などの連続鋳造方法に関し、鋳片中心偏析の一層の軽減を図ろうとするものである。

鋼片の連続鋳造に際し、鋳造中の鋼片（鋳片）は、鋳造方向に伸長した未凝固相を有したまま多数のロール間を引き抜かれる。そのため、鋳片中心部の膨らみ（以下、「バルジング」という）や凝固収縮のために溶鋼体積に変化が生じ、この溶鋼体積の変化分を補うように、溶質元素の一部が濃化した溶鋼が鋳片中心に集積するため、鋳片には中心偏析が発生する。
この中心偏析を低減するために、短辺方向（厚み方向）に、鋳片全面を圧下する技術は古くから実用化されている。しかし、鋳片全面を圧下する場合、圧下反力がとても大きい。そこで、連続鋳造機を構成する鋼構造は、その反力に耐えられるように、強度や剛性を大幅に引上げる必要があり、その結果、設備が大掛かりとなる。

この中心偏析の問題に対して、特許文献１には、短辺部を除く未凝固状態の１箇所のみを凸ロールで圧下する。あるいは、特許文献２には、長辺側のサポートロールをパスラインから必要量後退させ、意図的に溶鋼静圧によるバルジングを生じさせることで、平ロールでも凸ロールと同様の効果を得る技術が開示されている。
また、特許文献３〜８には、圧下時の中心固相率や圧下ストロークなどの鋳造条件を厳密に制限することによって中心偏析の低減を図る技術、特許文献９には、短辺形状を制御して圧下力の軽減を図りつつ、中心偏析の低減を図る技術等、数多くの技術が、中心偏析の低減を図るために提案されている。

特開２００３−９４１５４号公報 特開２００９−３４７１２号公報 特開２００９−６３８１号公報 特開２００８−２６００５６号公報 特開２００８−２３８２５７号公報 特開２００８−２０７２０１号公報 特開２００８−１１９７２６号公報 特開２００４−３０７９３１号公報 特開平５−２００４９１号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載の技術は、現行の設備をさらに改造する必要が生じ、多大な時間とコストを要する。また、特許文献３〜８に記載の技術は、その製造条件の厳密な制御が要求され、長時間の連続運転を前提とする連続鋳造工程では、その安定性の確保が難しい。さらに、上掲した特許文献９に記載の技術は、鋳片形状が長方形から大きく乖離する技術であるため、特に、短辺の長い条鋼向けブルームを鋳造する際などには、圧延疵が残りやすいという問題を抱えていた。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、炭素鋼や合金鋼などの連続鋳造において、現行の設備に特段の改造を施す必要なしに、未凝固圧下効果を高めて、中心偏析を大幅に低減することができる鋼片の製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．連続鋳造法によって、鋳片の幅Ｗと厚みＤとの比Ｗ／Ｄの値が１以上１．５以下の鋳片を鋳造するに当たり、鋳型内鋳造空間の長辺側の両端部は所定の厚みＤとする一方、該鋳型内鋳造空間の中央部にはＤよりも厚みの大きい厚肉部を設けた鋳型を用いて鋳造し、ついで、二次冷却帯における鋳片内部の凝固が完了するまでの間に、パスラインで、該鋳片の長辺側の中央部の厚肉部にロール圧下を加えて、所定の厚みＤとするものとし、その際、該鋳型内鋳造空間の厚肉部の長さをそれぞれ、上記Ｄの1/2以上とすることを特徴とする鋼片の連続鋳造方法。

２．前記鋳型内鋳造空間の厚肉部の長さをそれぞれ、1/2Ｄ〜（1/2Ｄ＋20）mmの範囲とすることを特徴とする前記１に記載の鋼片の連続鋳造方法。

３．前記長辺側中央部の厚肉部の高さが、１／300Ｄ〜１／20Ｄの範囲であることを特徴とする上記１または２に記載の鋼片の連続鋳造方法。

本発明によれば、現行の設備に特段の改造を施す必要もなしに、未凝固圧下効果を高めることができると共に、定常的な溶鋼片流動を発生させ、濃化溶鋼片の発生を可能な限り抑制するので、鋳片の中心偏析を大幅に低減することができる。

(a)および(b)は、本発明に従う製造方法における鋳片の長辺側中央部の圧下前と圧下後の断面図である。 連続鋳造機の概要図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
鋼片の連続鋳造において、鋳型を出た鋳片は、外周から凝固し、鋳片の中央部に未凝固層を有したままパスラインを通過する。この時、未凝固圧下において、最低限必要な圧下力は、液相を挟んだ長辺を鋳片の厚み方向に押さえつける力と、溶鋼片静圧の力との合力である。

しかしながら、特に、短辺の長い条鋼片向けブルーム等を鋳造する際には、２つの長辺がその幅とほぼ等しい長さの短辺によって固定されている。すなわち、未凝固の液相は強固な固相となっている短辺によって支えられ、外力によっては容易に減厚されない。
これに対し、鋳片の断面形状が長方形であるという前提に立つことをやめて、例えば、前掲した特許文献10では、短辺形状を山形にするという発想の転換を果たすことで、この短辺によって固定されている液相を減厚し易くしようと試みているが、上記したような条鋼片向けブルームの鋳造等では、短辺が長いためにその効果が期待できない。

上記した問題に対し、発明者は以下のように考えた。
鋳型内において、元々圧下するストローク分だけ短辺の長さを減じておけば、短辺圧下の反力を、短辺の座屈変形に対する抗力から、長辺のせん断変形力に相当する力に転換することができ、圧延ロールが受ける反力は、従来の10分の１以下程度の反力に低減することができるのではないかということである。

そこで、発明者は、上記した考えの実現を鋭意検討した。
その検討の中で、もともと消耗品である鋳型鋼板の形状を変更し、パスラインを狙ったロールギャップの形状に合わせて、容易に未凝固圧下の効果が得られることに想到した。さらに、その鋳型形状を種々検討することで、ロール圧下前の鋳片の形状の最適化が実現し、本発明に到った。

また、この発明による方法は、鋳型鋼板以外は既存の設備を改造する必要がない。また、圧延ロールでの高圧下力を従来より必要としないため、設備の剛性を減じることができる。従って、今後設計されるような新規設備への展開にあたっては、あらかじめ、設備の剛性を低減化して簡略化した設計を盛り込むことができる。

以下、本発明の構成を図面等を用いて説明する。
図１(a)に、本発明に従う製造方法における鋳片の長辺側中央部の圧下前の断面図示す。図中、１は長辺側中央部の厚肉部、２は長辺側両端部、３はテーパー部であり、Ｄは鋳片の所定厚み、Ｗは鋳片の幅、ｄは長辺側中央部の厚肉部の高さ、ｗは厚肉部の幅、ｌは長辺側両端部の片側の長さ、ｔはテーパー部の長さである。

同図に示したように、本発明に従う鋳片の断面は、長辺側中央部の厚肉部１と長辺側両端部２とを備え、鋳片の長辺側中央部の厚みが鋳片の長辺側両端部２の厚みＤに比較してｄだけ、鋳片の厚み方向に対して大きくなった形状としている。また、上記の厚肉部１は、未凝固層の存在する領域と対応している。

本発明における長辺側両端部２の片側の長さｌは、図１に示したように、長辺の両側に同じ長さｌで設けることが望ましいが、左右それぞれに異なった幅としてもよい。
また、厚肉部１の幅ｗは、少なくとも長辺側両端部２の厚みＤの半分、すなわち、１／２Ｄ以上とする必要がある。というのは、幅ｗが１／２Ｄに満たない場合、鋳片中の偏析部分を十分に圧下できないおそれが生じる。一方、ｗが１／２Ｄ＋２０mmを超えると、長辺側中央部の厚肉部１の範囲が大きくなりすぎ、鋳片の圧下荷重が長大となる不利がある。従って、ｗは１／２Ｄ〜１／２Ｄ＋２０mmの範囲とすることが好ましい。

また、厚肉部１の高さｄは、長辺側両端部２の厚みＤを用いて、１／300Ｄ〜１／20Ｄの範囲であることが望ましい。
というのは、ｄが１／300Ｄに満たない場合、未凝固圧下による中心偏析低減の効果が不十分となるおそれが出てくる。一方、ｄが１／20Ｄを超えると、圧下に過大な設備が必要となるうえ、鋳片幅方向の圧下を受ける範囲と圧下を受けない範囲との境界で鋳片に割れが発生し、鋳片の品質を損なうおそれが出てくる。従って、ｄは、１／300Ｄ〜１／20Ｄの範囲とすることが好ましい。より好ましくは、１／100Ｄ〜１／30Ｄの範囲である。

厚肉部１と長辺側両端部２は傾斜したテーパー部３で接続されていることが望ましい。図１に示した例では、テーパー部３は傾斜した直線状であるが、厚肉部１と接する位置および長辺側両端部２と接続する位置において滑らかに接続するようなＳ字曲線状であっても良い。なお、上記したいずれの場合もその最大傾き（鋳型の長辺幅方向に対する傾き）は45度以下が好ましく、より好ましくは30度以下である。

本発明における鋼片は、上記した長辺側両端部２およびテーパー部３を、長辺側両端に設けていることを考慮して、ｌおよびｔの値を２倍してＷの値から引くことで、本発明における厚肉部の幅ｗの値を求めることができる。
また、本発明における鋳片の幅Ｗと鋳片の所定厚みＤとは、特段の相関関係はないが、棒鋼や線材製造用の連鋳ブルーム、連鋳ビレットでの一般的な範囲である１≦Ｗ／Ｄ≦1.5の範囲であることが好ましい。これは、その範囲であれば、連鋳設備において鋳型以外に大きな設備改造をする必要がない上に、連鋳機内で軽圧下した後の鋳片の断面形状は、通常のブルーム、ビレットと変わるところがないから、その後の棒鋼や線材などの圧延工程にも変更が生じないからである。

図２に、一般的な鋼片の連続鋳造の概要図を示す。
図中、11は鋳型、12は二次冷却帯、13はサポートロール、14はガイドロール、15は圧下ロールであり、また、16が鋳片、17が内部凝固層、18が未凝固層、19が厚肉部、20が溶鋼、21が圧下ロール群を表す。
ここに、本発明における鋼片の連続鋳造は、前述した鋳型の部分を除いて、従来公知の連続鋳造設備および連続鋳造の製造条件がいずれも好適に使用することができる。

また、本発明における鋼片の連続鋳造は、鋳型11の出側で図１(a)に示した断面の鋳片となる。ついで、サポートロール13のところから、凝固層17が鋳片の内部に存在し、未凝固層18が鋳片の中心部にあり、さらに厚肉部19が長辺側にあって、図２に示した短辺側からの断面の鋳片となる。その後、二次冷却帯12を通ることにより、サポートロール13およびガイドロール14によって、凝固層17のみの図１(b)に示した断面の鋳片となる。さらに、単独の圧下ロール15による一段階の圧下、または圧下ロール群21による多段階の圧下によって所望の厚みの鋳片となる。

本発明における連続鋳造法に供する鋳片の成分組成は、炭素鋼や、軸受鋼、その他合金鋼等の従来公知の連続鋳造に用いる成分組成の材料であれば、いずれも好適に用いることができる。
とりわけ、従来から中心偏析が問題視されている高炭素クロム軸受鋼（例えば、JIS-SUJ2）に好ましく適用できる。

図２に示した連続鋳造機を用いて、連続鋳造試験を実施した。
（条件）
鋳型サイズ：300×400mm（角ブルーム用）
鋼種：軸受鋼（JIS-SUJ2、Ｃ：1.0mass％、Si：0.20mass％、Mn：0.33mass％、Cr：1.0mass％、Ｐ：0.022mass％およびＳ：0.021mass％、残部Ｆｅおよび不可避不純物）

鋳片サイズ
Ｗ：４００mm
Ｄ：３００mm
であり、
本発明に従う部分のサイズは、
ｄ： ７mm（両側ともに）
ｗ： １４０，１５０，１６０，１７０，１８０mm（片側）
ｔ： １４mm（片側）
である。

本発明に従う連続鋳造による鋳片は、上記した形状の鋳片のうち、ｗ：１５０，１６０，１７０mmを図２に示した連続鋳造機に通板して作製した（発明例１，２，３）。また、従来例は、図２中の21のロール群を、凸ロールに交換して行った（従来例１）。
さらに、比較例として、ｗ：１４０，１８０mmを、図２に示した連続鋳造機に通板して作製した（比較例１，２）。

ここに、炭素濃度中心偏析比は、鋳片の厚さ方向中心部に相当する位置の５箇所から７mmピッチで直径２mmのドリルにより切り粉を発生させて採取し、その分析値Ｃ（質量％）を取鍋分析値Ｃｏ（質量％）で除してＣ／Ｃｏを求め、これらの平均値を算出して中心偏析比とした。

上記した結果を以下に示す。
発明例１：Ｃ／Ｃｏ＝０．９７〜１．１２
発明例２：Ｃ／Ｃｏ＝０．９８〜１．１２
発明例３：Ｃ／Ｃｏ＝０．９９〜１．１０
従来例１：Ｃ／Ｃｏ＝１．０２〜１．２１
比較例１：Ｃ／Ｃｏ＝１．１０〜１．４０
比較例２：Ｃ／Ｃｏ＝１．１０〜１．４０
であった。

以上の結果より、本発明に従う鋳片は、中心偏析の少ない鋳片と成っていることが分かる。

本発明に従う連続鋳造法を用いることで、効果的に設備への負荷を減らしつつ、中心偏析の少ない鋳片を製造することができる。また、設備の剛性を低減化して簡略化した設計の連続鋳造機を提供することができる。

１ 長辺側中央部の厚肉部
２ 長辺側両端部
３ テーパー部
11 鋳型
12 二次冷却帯
13 サポートロール
14 ガイドロール
15 圧下ロール
16 鋳片
17 凝固層
18 未凝固層
19 厚肉部
20 溶鋼
21 圧下ロール群
Ｄ 鋳片の所定厚み
Ｗ 鋳片の幅
ｄ 長辺側中央部の厚肉部の高さ
ｗ 厚肉部の幅
ｌ 長辺側両端部の長さ
ｔ テーパー部の長さ

Claims (3)

1. 連続鋳造法によって、鋳片の幅Ｗと厚みＤとの比Ｗ／Ｄの値が１以上１．５以下の鋳片を鋳造するに当たり、鋳型内鋳造空間の長辺側の両端部は所定の厚みＤとする一方、該鋳型内鋳造空間の中央部にはＤよりも厚みの大きい厚肉部を設けた鋳型を用いて鋳造し、ついで、二次冷却帯における鋳片内部の凝固が完了するまでの間に、パスラインで、該鋳片の長辺側の中央部の厚肉部にロール圧下を加えて、所定の厚みＤとするものとし、その際、該鋳型内鋳造空間の厚肉部の長さをそれぞれ、上記Ｄの1/2以上とすることを特徴とする鋼片の連続鋳造方法。
2. 前記鋳型内鋳造空間の厚肉部の長さをそれぞれ、1/2Ｄ〜（1/2Ｄ＋20）mmの範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の鋼片の連続鋳造方法。
3. 前記長辺側中央部の厚肉部の高さが、１／300Ｄ〜１／20Ｄの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼片の連続鋳造方法。

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