JP5825087B2

JP5825087B2 - 連続鋳造方法

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Publication number: JP5825087B2
Application number: JP2011277942A
Authority: JP
Inventors: 浩淡路谷; 陽一伊藤; 三木　祐司; 祐司三木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: JP2013128935A

Description

本発明は、鋳片を製造する連続鋳造方法に関する。

図３は、横割れ４０の発生した鋳片（「スラブ」ともいう）１０を示す斜視図である。図３に示す鋳片１０のコーナ部においては、鋳造方向Ｄと直交する方向である鋳片幅Ｗの方向に、横割れ４０が発生している。連続鋳造機での鋳片１０の横割れ４０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も極めて重要である。

現在、薄板／厚板ハイテン材（高張力鋼板）やＮｂ，Ｖ添加鋼、Ｂ，Ｎ添加ブリキなど割れ感受性の高い鋼種では、連続鋳造機での横割れの発生を回避するため、鋳造速度の制限を設けたり、生産する連続鋳造機に規制を設けたりするなどの対応を余儀なくされている。こういった鋼種の生産性は一般の鋼種に比べて生産性が低い上に、横割れ対策が工程上、運用上の大きな負荷になっている。

鋳片の横割れを防止する対策としては、鋳片の二次冷却を制御する方法が知られている。この二次冷却の制御方法においては、例えば、高温引張試験などによって材料の高温での延性を調査し、温度と断面収縮率（Reduction of area、以下「ＲＡ」ともいう）との関係から高温脆化温度域を求める。そして、上部矯正帯および下部矯正帯における鋳片の表面の温度が高温脆化温度域に入らないように二次冷却を制御し、高温脆化温度域での矯正を避ける。例えば、上部矯正帯での鋳片の温度が高温脆化温度域であった場合、コーナ部分のみならず（図３参照）、鋳片福方向の全幅にわたって横割れが発生する可能性が生じる。

特開２００３−２７５８５２号公報

上述したように、鋳片の横割れ防止のためには、上部矯正帯における鋳片の表面の温度が高温脆化温度域に入らないようにする必要がある。

しかし、近年、生産性の確保やコスト低減を目的に、連続鋳造機の鋳造速度が速くなっている実状がある。鋳造速度が速くなると、二次冷却による冷却効果が及ばずに、スラブの表面温度は高くなってしまい、上部矯正帯の前までに鋳片の脆化温度以下にすることが困難となる。これは、上部矯正帯までであると鋳片の二次冷却帯（二次冷却を行なう領域）が短く、冷却する時間が取れないことや、二次冷却帯の通過時間が相対的に短くなることが原因である。もちろん、鋳造速度を遅くすれば冷却効果を向上させることはできるが、その場合、生産性やコスト低減の効果を阻害してしまう。

ところで、連続鋳造の操業では、鋳片の表面欠陥を防止し、かつ操業の安定性を高めるために、鋳型内の溶鋼にモールドパウダーを投入する。モールドパウダーは、鋳型内の溶鋼と接触して溶鋼表面で溶融して、鋳型内の溶鋼表面の保温および酸化防止、溶鋼内の介在物の捕捉、鋳型と凝固シェルとの潤滑性の保持等の役割を果たす。

鋳型から引き抜かれた鋳片は、二次冷却帯に設置される水スプレーノズルやエアーミストスプレーノズルによって冷却されるが、鋳片表面にモールドパウダーが付着した場合と付着していない場合とで、冷却効率に差が生ずる。つまり、鋳片表面にモールドパウダーが付着していない方が冷却効率は良く、鋳片の表面温度を低下させるためには鋳片への付着量の少ないモールドパウダ一、換言すれば、鋳片からの剥離性の良いモールドパウダーが望ましい。

なお、モールドパウダーは、溶鋼と接触せずに凝固シェルに付着した場合、凝固シェルとともに鋳型から下方へ引き抜かれる。鋳型から引き抜かれた凝固シェルの表面には、空気と接触することによって酸化スケールが生成し、さらに、凝固シェルの表面にて酸化スケールとモールドパウダーとの混合相が形成される。この混合相は剥離しにくいため、二次冷却帯においても凝固シェルの表面に残留し、凝固シェル表面の冷却特性が変化する。その結果、酸化スケールとモールドパウダーとの混合相が付着した場合、二次冷却帯における冷却の阻害要因となることがある。

ここで、特許文献１には、鋳型の出側から最初のサポートロールまでの間で凝固シェルに１０Ｎ／ｃｍ^２以上の衝突圧で水噴流を衝突させることによって、酸化スケールとモールドパウダー（特許文献１では「モールドフラックス」と称する）とを除去する技術が開示されている。しかし、酸化スケールとモールドパウダーとの混合相は、二次冷却帯で冷却水を噴射されても剥離しない場合がある。また、特許文献１に開示された技術では、高圧力の冷却水を噴射するためのノズル、配管、ポンプ等の装置や水処理設備が必要となり、コスト低減の阻害となってしまう。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、コスト低減を阻害することなく、連続鋳造機内での鋳片の横割れを防止することができる連続鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった。その結果、特定の条件を満たすモールドパウダーが鋳片からの剥離性に優れるため、二次冷却帯において高圧冷却水を噴射することなく、酸化スケールとモールドパウダーとの混合相であっても剥離が容易となり、鋳片を冷却できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（３）を提供する。

（１）鋳型から引き抜いた鋳片を、上記鋳型直下から上部矯正帯までの二次冷却帯において冷却水によって二次冷却する連続鋳造方法であって、上記鋳型内の溶鋼に、Ｌｉ_２Ｏ含有量が０．５質量％以上であって塩基度が１．０以上１．３未満のモールドパウダー、または、Ｌｉ_２Ｏ含有量が０．５質量％未満であって塩基度が０．９以上１．１未満のモールドパウダーを投入し、上記塩基度が、上記モールドパウダー中のＣａＯ含有量（単位：質量％）と、上記モールドパウダー中のＳｉＯ_２含有量（単位：質量％）との比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）で規定される、連続鋳造方法。

（２）上記上部矯正帯における上記鋳片の表面温度を８００℃以下まで冷却する、上記（１）に記載の連続鋳造方法。

（３）上記鋳型の下端から１０００ｍｍまでの位置で上記鋳片に向かって噴出される上記冷却水の衝突圧が、１Ｎ／ｃｍ^２以上１０Ｎ／ｃｍ^２未満である、上記（１）または（２）に記載の連続鋳造方法。

本発明によれば、コスト低減を阻害することなく、連続鋳造機内での鋳片の横割れを防止することができる連続鋳造方法を提供することができる。

垂直曲げ型連続鋳造機１を概略的に示す側断面図である。垂直曲げ型連続鋳造機１の鋳型５の直下を拡大して示す側断面図である。横割れの発生した鋳片１０を示す斜視図である。

以下、図面に基いて本発明の連続鋳造方法の一実施形態について説明する。本実施形態は、垂直曲げ型連続鋳造機への適用例である。

図１は、垂直曲げ型連続鋳造機１を概略的に示す側断面図である。図１に示すように、垂直曲げ型連続鋳造機１（以下、単に「連続鋳造機１」ともいう）には、溶鋼９を冷却して凝固させ、鋳片１０の外殻形状を形成するための鋳型５が設置され、鋳型５の上方所定位置には、取鍋（図示せず）から供給される溶鋼９を鋳型５に中継供給するためのタンディッシュ２が設置されている。一方、鋳型５の下方には、サポートロール、ガイドロールおよびピンチロールからなる複数対の鋳片支持ロール６が配置されている。鋳片支持ロール６は、鋳型５から引き抜かれる鋳片１０を支持しながら下方に案内するための鋳片支持・案内装置である。なお、鋳造速度は、ピンチロールの回転速度により制御される。

鋳型５の出口から１〜４ｍ程度離れた位置に配置される複数対の鋳片支持ロール６は、鋳片１０の支持・案内方向が鉛直方向から湾曲方向へと方向を変える上部矯正帯１４を構成している。つまり、鋳型５から鉛直方向に引き抜かれた平板上の鋳片１０は上部矯正帯１４で次第に円弧状に曲げられ、半径が一定の湾曲部へと矯正されるようになっている。上部矯正帯１４では、鋳片１０の下面側に引張応力が働き、上面側には圧縮応力が働く。したがって、上部矯正帯１４では、鋳片１０の下面側に表面割れが発生しやすく、上面側には一般に表面割れは発生しない。この場合、鋳片１０の厚み中心位置を境として、上面側および下面側と定義する。

同様に湾曲部が水平線に接触する位置の近傍に配置される複数対の鋳片支持ロール６は、鋳片１０の支持・案内方向が湾曲方向から水平方向へと方向を変える下部矯正帯１５を構成している。つまり、円弧状の鋳片１０は下部矯正帯１５で次第に平板上に曲げ戻され、水平部へと矯正されるようになっている。下部矯正帯１５では、鋳片１０の上面側に引張応力が働き、下面側には圧縮応力が働く。したがって、下部矯正帯１５では、鋳片１０の上面側に表面割れが発生しやすく、下面側には一般に表面割れは発生しない。

なお、図１では、上部矯正帯１４および下部矯正帯１５ともに複数対の鋳片支持ロール６で構成されているが、一対の鋳片支持ロール６のみで構成してもよい。本発明の上部矯正帯１４および下部矯正帯１５は、一対のガイドロールで矯正する場合も含む。

図２は、垂直曲げ型連続鋳造機１の鋳型５の直下を拡大して示す側断面図である。鋳造方向に隣り合う鋳片支持ロール６の間隙には、スプレーノズル２０が配置されている。
以下、複数のスプレーノズル２０について、鋳型５の直下から数えて１列目のものを第１のスプレーノズル２０ａ、２列目のものを第２のスプレーノズル２０ｂ、３列目のものを第３のスプレーノズル２０ｃ…ともいう。

スプレーノズル２０には、流量調節弁１９が設置された冷却水配管１８が接続されている。流量調節弁１９は制御装置（図示せず）からの信号によって、スプレーノズル２０から噴出する冷却水（二次冷却水ともいう）２１の流量を制御する。

連続鋳造機１においては、少なくとも、鋳型５の直下から上部矯正帯１４（図２では図示せず）まで、スプレーノズル２０から噴出される冷却水２１によって鋳片１０が引き抜かれながら冷却される二次冷却帯が構成されている。

なお、連続鋳造機１においては、鋳型５の直下から上部矯正帯１４までの二次冷却帯のほか、鋳造方向に複数の二次冷却帯が構成されていてもよい。

図１の説明に戻る。タンディッシュ２の底部には、タンディッシュ２から鋳型５に注入される溶鋼９の流量を調整するためのスライディングノズル３が設置され、スライディングノズル３の下面には、溶鋼９を鋳型５に注入するための浸漬ノズル４が設置されている。また、鋳片支持ロール６の下流側には、鋳造された鋳片１０を搬送するための複数の搬送ロール７が設置されており、搬送ロール７の上方には、鋳造される鋳片１０から所定の長さの鋳片１０ａを切断するための鋳片切断機８が配置されている。

このような構成において、まず、タンディッシュ２から浸漬ノズル４を介して鋳型５に溶鋼９を注入する。鋳型５に注入された溶鋼９は、鋳型５で冷却されて凝固シェル１１を形成し、内部に未凝固層１２を有する鋳片１０として、複数対の鋳片支持ロール６に支持されつつ下方に連続的に引き抜かれ、引き抜かれながら、スプレーノズル２０から噴出される冷却水によって冷却される。引き抜かれた鋳片１０は、凝固シェル１１の厚みを増大して、やがて中心部までの凝固を完了する。凝固完了した鋳片１０を鋳片切断機８により切断して鋳片１０ａを得る。

このとき、その詳細を後述するモールドパウダーが、鋳型５のメニスカス１３の上に添加されて、鋳型５内の溶鋼９に投入され、鋳型５内の溶鋼９と接触して溶鋼９の表面で溶融する。そして、鋳型５から引き抜かれた凝固シェル１１の表面には、空気と接触することによって酸化スケール（図示せず）が生成し、さらに、凝固シェル１１の表面にて、この酸化スケールとモールドパウダーとの混合相（図示せず）が形成される。

ここで、本発明に使用されるモールドパウダーについて詳細に説明する。モールドパウダーの抜熱性および剥離性は、その塩基度と相関関係がある。なお、モールドパウダーの「塩基度」は、モールドパウダー中のＣａＯ含有量（単位：質量％）と、モールドパウダー中のＳｉＯ_２含有量（単位：質量％）との比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）で規定される。

このようなモールドパウダー中には、流動性向上、消費量の確保を目的に、Ｌｉ_２Ｏが添加されることがあるが、このＬｉ_２Ｏの含有量によって抜熱性、剥離性と塩基度との関係の依存性に差があることを本発明者らは見出した。

すなわち、モールドパウダー中のＬｉ_２Ｏ含有量が０．５質量％以上の場合は、モールドパウダーの塩基度を１．０以上とすることで、モールドパウダーの剥離性に優れる。塩基度が１．０未満では鋳型５から引き抜かれた鋳片１０の表面にモールドパウダーが固着して残存し冷却を阻害する。このとき、塩基度が１．３を越えるとモールドパウダーの潤滑性が低下して流入不足となり、エアーギャッフの生成により鋳片１０の表面温度が低下しない。
モールドパウダー中のＬｉ_２Ｏ含有量が０．５質量％以上の場合、本発明の効果がより優れるという理由から、塩基度が１．１以上１．２５以下であるのが好ましい。

一方、モールドパウダー中のＬｉ_２Ｏ含有量が０．５％未満の場合は、モールドパウダーの塩基度を０．９以上とすることで、モールドパウダーの剥離性に優れる。塩基度が０．９未満では鋳型５から引き抜かれた鋳片１０の表面にモールドパウダーが固着して残存し冷却を阻害する。このとき、塩基度が１．１を越えるとモールドパウダーの潤滑性が低下して流入不足となり、エアーギャップの生成により鋳片１０の表面温度が低下しない。
すなわち、モールドパウダーの製造コストを抑える観点から、比較的高価であるＬｉ_２Ｏを全く含有しない（つまり、Ｌｉ_２Ｏ含有量＝０質量％）モールドパウダーも一部使用されているが、このようなモールドパウダーにおいても塩基度の調整により、本発明の効果を享受できる。
モールドパウダー中のＬｉ_２Ｏ含有量が０．５質量％未満の場合、本発明の効果がより優れるという理由から、塩基度が０．９５以上１．０５以下であるのが好ましい。

モールドパウダー中のＬｉ_２Ｏ含有量が０．５質量％以上の場合と０．５質量％未満の場合とで適正な塩基度が異なるのは、Ｌｉ_２Ｏによる潤滑性向上の影響が小さいためと考えられる。

なお、本発明のモールドパウダーが含有する他の成分としては特に限定されず、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｎａ_２Ｏ、ＣａＦ_２、Ｂ_２Ｏ_３等が挙げられ、その含有量も特に限定されない。

したがって、本発明で使用されるモールドパウダーは剥離性が優れ、酸化スケールとモールドパウダーとの混合相が形成された場合にも剥離されやすいため、鋳型５の直下から上部矯正帯１４までの二次冷却帯において、スプレーノズル２０から噴出される冷却水による冷却効果を十分に得ることができ、連続鋳造機１での鋳片１０の横割れを防止することができる。

具体的には、後述する鋼種を使用した場合に、鋳型５の直下から上部矯正帯１４までの二次冷却帯、とりわけ、鋳型５の下端から鋳造方向に向かって１０００ｍｍまでの位置において、鋳片１０に向かって噴出される冷却水の衝突圧が１Ｎ／ｃｍ^２以上１０Ｎ／ｃｍ^２未満であっても冷却効果が得られ、横割れを防止することができる。
このように、冷却水の衝突圧を高圧にしなくてもよいため、高圧力の冷却水を噴射するための設備が不要となりコスト低減できる。

ここで、本発明において使用される鋼種としては、鋳片の横割れ防止の効果をより享受できるという観点から、割れ感受性の高い鋼種が好適に使用され、その具体例としては、薄板／厚板ハイテン材（高張力鋼板）やＮｂ，Ｖ添加鋼、Ｂ，Ｎ添加ブリキ、厚板大入熱鋼などの脆化温度域が広く断面収縮率ＲＡが低い鋼種が挙げられる。

このような鋼種の成分としては、例えば、Ｃ：０．１５０〜０．１７４質量％、Ｓｉ：０．３０〜０．４０質量％、Ｍｎ：１．４０〜１．５０質量％、Ｐ：０．０００〜０．０２５質量％、Ｓ：０．０００〜０．００７質量％、Ｃｕ：０．００〜０．１２質量％、Ｎｉ：０．００〜０．０８質量％、Ｃｒ：０．０００〜０．１００質量％、Ｍｏ：０．００〜０．０５質量％、Ｎｂ：０．０００〜０．００５質量％、Ｖ：０．０００〜０．０３０質量％、Ｔｉ：０．０００〜０．００５質量％が挙げられる。

なお、脆化温度域は、引張試験などによって材料の高温での延性を調査し、温度と断面収縮率ＲＡとの関係から求めるものであり、断面収縮率ＲＡ（単位：％）は、引張試験前の試験片の断面積（Ａ_０）および試験後の試験片破断部分の直径から断面積（Ａ）を求め、下記式から算出される。
断面収縮率ＲＡ＝｛（Ａ_０−Ａ）／Ａ_０｝×１００

例えば、上記式から算出される断面収縮率ＲＡが５０％以下の温度を高温脆化温度域と定義する。本発明においては、上部矯正帯１４での鋳片１０の表面温度が８００℃超の高温脆化温度域に入らないようにして横割れ発生を抑制する観点から、上部矯正帯１４での鋳片１０の表面温度を８００℃以下に冷却するのが好ましい。

本発明において、鋳型５内の溶鋼９に投入されるモールドパウダーの消費量は特に限定されない。

本発明を適用することによって、鋳片１０の温度を低下させるために連続鋳造機１の鋳造速度を敢えて低下させる必要が無くなり、連続鋳造機１の鋳造速度としては、１．０〜２．４ｍ／ｍｉｎで上述した効果が得られ、鋳片１０の生産性を考慮すると１．４〜２．４ｍ／ｍｉｎがより好ましい。
鋳造速度の上限が２．４ｍ／ｍｉｎである理由は、鋳造速度が２．４ｍ／ｍｉｎを越えると鋳片１０の表面を冷却する時間が短くなるために、鋳片表面温度を８００℃以下にすることが難しいためである。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１〜３、比較例１〜４＞
図１に示す連続鋳造機１（機長４２ｍ、垂直部長さ２．４５ｍ）を用い、鋳片１０を製造した。鋳型５に注入した溶鋼９として、中炭素鋼を用い、その成分は、Ｃ：０．１６３質量％、Ｓｉ：０．３５質量％、Ｍｎ：１．４５質量％、Ｐ：０．０２１質量％、Ｓ：０．００５質量％、Ｃｕ：０．０２質量％、Ｎｉ：０．０２質量％、Ｃｒ：０．０３質量％、Ｍｏ：０．０１質量％、Ｎｂ：０．００１質量％、Ｖ：０．００５質量％、Ｔｉ：０．００１質量％であった。用いた溶鋼９の高温脆化温度域は８２０〜９００℃であった。なお、断面収縮率ＲＡが５０％以下の温度を高温脆化温度域と定義した。

連続鋳造機１において、鋳造速度を１．８ｍ／ｍｉｎとした。また、流量調節弁１９を制御し、第１のスプレーノズル２０ａを含む全てのスプレーノズル２０から噴出される冷却水の衝突圧を９Ｎ／ｃｍ^２とした。

上記条件のもと、各例において異なるモールドパウダーを鋳型５内の溶鋼９に投入した。各例で使用したモールドパウダーのＬｉ_２Ｏ含有量（単位：質量％）および塩基度を下記第１表に示す。

また、各例において、鋳片１０の表面に熱電対を埋め込むことで、上部矯正帯１４における鋳片１０の表面温度（単位：℃）を測定した。測定結果を下記第１表に示す。

＜評価＞
製造した鋳片１０に横割れが全く発生しなかった場合には、横割れの発生を抑制する効果に優れるものとして「○」と評価し、微細な横割れが発生したため横割れを除去するための手入れ工程が必要となった場合には、横割れ発生の抑制効果に劣るものとして「△」と評価した。

上記第１表に示す結果から明らかなように、実施例１〜３においては、上部矯正帯１４における鋳片１０の表面温度を、高温脆化温度域（８２０〜９００℃）に入らない８００℃以下にすることができ、横割れの発生を抑制することができた。
これに対して、比較例１〜４においては、上部矯正帯１４における鋳片１０の表面温度が高温脆化温度域に入ってしまい、横割れの発生を抑制することができなかった。

１垂直曲げ型連続鋳造機（連続鋳造機）
２タンディッシュ
３スライディングノズル
４浸漬ノズル
５鋳型
６鋳片支持ロール
７搬送ロール
８鋳片切断機
９溶鋼
１０鋳片
１１凝固シェル
１２未凝固層
１３メニスカス
１４上部矯正帯
１５下部矯正帯
１８冷却水配管
１９流量調節弁
２０スプレーノズル
２１冷却水
４０横割れ
Ｄ鋳造方向
Ｓ鋳片幅

Claims

鋳型から引き抜いた鋳片を、前記鋳型直下から上部矯正帯までの二次冷却帯において冷却水によって二次冷却する連続鋳造方法であって、
前記鋳型内の溶鋼に、Ｌｉ_２Ｏ含有量が３．１質量％以上４．５質量％以下であって塩基度が１．０以上１．３未満のモールドパウダーを投入し、
前記塩基度が、前記モールドパウダー中のＣａＯ含有量（単位：質量％）と、前記モールドパウダー中のＳｉＯ_２含有量（単位：質量％）との比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）で規定され、
前記鋳型の下端から１０００ｍｍまでの位置で前記鋳片に向かって噴出される前記冷却水の衝突圧が、１Ｎ／ｃｍ ^２以上１０Ｎ／ｃｍ ^２未満である、連続鋳造方法。
前記上部矯正帯における前記鋳片の表面温度を８００℃以下まで冷却する、請求項１に記載の連続鋳造方法。
前記溶鋼の成分が、Ｃ：０．１５０〜０．１７４質量％、Ｓｉ：０．３０〜０．４０質量％、Ｍｎ：１．４０〜１．５０質量％、Ｐ：０．０００〜０．０２５質量％、Ｓ：０．０００〜０．００７質量％、Ｃｕ：０．００〜０．１２質量％、Ｎｉ：０．００〜０．０８質量％、Ｃｒ：０．０００〜０．１００質量％、Ｍｏ：０．００〜０．０５質量％、Ｎｂ：０．０００〜０．００５質量％、Ｖ：０．０００〜０．０３０質量％、Ｔｉ：０．０００〜０．００５質量％である、請求項１または２に記載の連続鋳造方法。