JP5862599B2

JP5862599B2 - 鋼の連続鋳造方法

Info

Publication number: JP5862599B2
Application number: JP2013083429A
Authority: JP
Inventors: 圭吾外石; 渡辺　裕一; 裕一渡辺
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: JP2014205161A

Description

本発明は、鋳片の厚み中心部に発生する成分偏析を鋳造工程において防止することを目的として連続鋳造中の鋳片に振動を与えながら溶鋼を連続鋳造する方法に関する。

鋼の連続鋳造における最終凝固部では、鋳片の厚み中央部に、炭素、燐、マンガン、硫黄などの溶質元素が集積して、中心偏析が生成する。この中心偏析は、鋼製品、特に厚鋼板の品質を劣化させる。例えば、厚鋼板を曲げ加工した後に溶接して製造される、石油輸送用や天然ガス輸送用に供される耐サワーラインパイプ用鋼管では、サワーガスの作用により、中心偏析を起点として水素誘起割れが発生する。このように、中心偏析は鋼製品の品質を劣化させることから、中心偏析の軽微な鋳片が要求されている。しかも近年、鋼製品は低温、腐食環境といった厳しい環境で使用されることが多く、鋳片の中心偏析を低減することの重要性は益々高まっている。

これらの問題に対処するべく、鋳片の中心偏析を連続鋳造工程において低減する手段が多数提案されている。例えば、鋳片凝固末期の凝固完了位置（クレータエンド位置）付近を鋳片の凝固収縮量程度の圧下量で複数の鋳片支持ロールで圧下（「軽圧下」という）しながら鋳造する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。但し、軽圧下を用いた鋳造方法では、圧下量が不足すると中心偏析を低減する効果が不十分となり、一方、圧下量が大き過ぎると内部割れが発生し、鋳片の内部品質を悪化させる。したがって、この軽圧下鋳造方法では鋳片の圧下量を適正範囲に制御することが重要である。

また、特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、内部に未凝固層を有する鋳片の表面を連続的に打撃して鋳片に振動を付与しながら、軽圧下鋳造する方法が提案されている。鋳片に振動を付与することで、鋳片凝固シェルの成長途中の柱状晶が破断され、破断した柱状晶を核として微細な等軸晶が生成する。特許文献２〜４は、破断した柱状晶を核として生成する微細な等軸晶を鋳片中心部に堆積させて鋳片の中心偏析を軽減すると同時に、軽圧下によって鋳片の中心偏析を軽減するという技術である。また、特許文献２〜４によれば、鋳片に振動を与えることで、形成される等軸晶のブリッジングが防止され、等軸晶同士のブリッジングによって生成する偏析も防止できるとしている。

しかしながら、特許文献２〜４では、内部が未凝固の状態の鋳片の表面に振動を与えており、振動を与える場所が鋳片の凝固完了位置に近い場合には中心偏析を軽減することができるが、振動を与える場所が鋳片の凝固完了位置よりも鋳造方向上流側に離れた場合には、付与した振動の減衰が大きく、鋳片の中心偏析を効率的に低減できない虞がある。

特開２０１０−６９４９９号公報特開２００３−３３４６４１号公報特開２００７−２２９７４８号公報特開２００２−２７３５５４号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋳造中の鋳片に振動を与えて鋳片の中心偏析を低減する連続鋳造方法において、付与した振動の減衰が少なく、付与した振動によって効率的に中心偏析の発生を抑制することのできる、鋼の連続鋳造方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］連続鋳造機で横断面形状が矩形の鋳片を鋳造する際に、連続鋳造機内の鋳片の表面であって、鋳片の厚み中心部まで凝固が完了した部位の鋳片の表面に連続的に振動を与えながら、鋳片を鋳造することを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
［２］前記振動を鋳片の長辺面に与える場合には、与える振動の周波数をｆ₁（Ｈｚ）、振幅をＡ₁（ｍｍ）、鋳片の厚みをＤ（ｍｍ）としたとき、前記周波数ｆ₁を１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、且つ、前記振幅Ａを「Ｄ／１２５」ｍｍ以上「Ｄ／５０」ｍｍ以下とし、前記振動を鋳片の短辺面に与える場合には、与える振動の周波数をｆ₂（Ｈｚ）、振幅をＡ₂（ｍｍ）、鋳片の厚みをＤ（ｍｍ）、鋳片の短辺面に振動を与えるときの振動付与装置の振動方向と鋳片短辺面との接触角をθ（°）としたとき、前記周波数ｆ₂を１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、前記振幅Ｂを「Ｄ／８３」ｍｍ以上「Ｄ／１７．８」ｍｍ以下、且つ、接触角θを４５°以上７５°以下とすることを特徴とする、上記［１］に記載の鋼の連続鋳造方法。
［３］前記鋳片の厚み中心部の固相率が少なくとも０．３の時点から０．８になる時点まで、鋳造方向に配置した複数対の鋳片支持ロールを用いて、前記鋳片を０．５〜１．５ｍｍ／分の圧下速度で圧下することを特徴とする、上記［１］または上記［２］に記載の鋼の連続鋳造方法。

本発明によれば、鋳片の厚み中心部まで凝固が完了した部位の鋳片の表面に振動を与えるので、内部に未凝固層を有する鋳片表面に振動を与えた場合に比較して、与えた振動の減衰が少なく、付与した振動によって効率的に中心偏析の発生を抑制することが実現される。また、与えた振動の減衰が少ないことから、鋳片の凝固完了位置よりも鋳造方向下流側に離れた位置で振動を与えることが可能となり、振動付与装置の設置位置の融通性が高まるなどの付随効果も発現する。

スラブ連続鋳造機で本発明を実施している状況を示す概略図である。鋳片の表面に振動を付与する様子を示す概略図である。種々の条件で鋳片の長辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す図である。種々の条件で鋳片の長辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す図である。種々の条件で鋳片の短辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す図である。種々の条件で鋳片の短辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す図である。種々の条件で鋳片の短辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態例を示す図であり、スラブ連続鋳造機で本発明を実施している状況を示す概略図である。

図１に示すように、スラブ連続鋳造機１には、溶鋼９を注入して凝固させ、横断面が矩形である鋳片１０の外殻形状を形成するための鋳型５が設置され、この鋳型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。タンディッシュ２の底部には、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、このスライディングノズル３の下面には、浸漬ノズル４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、ガイドロール及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。鋳造方向に隣り合う鋳片支持ロール６の間隙には、水スプレーノズル或いはエアーミストスプレーノズルなどのスプレーノズル（図示せず）が配置された二次冷却帯が構成され、二次冷却帯のスプレーノズルから噴霧される冷却水（「二次冷却水」ともいう）によって鋳片１０は引き抜かれながら冷却されるようになっている。また、鋳造方向最終の鋳片支持ロール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、この搬送ロール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。

鋳片１０の凝固完了位置１３を挟んだ鋳造方向の下流側（鋳片切断機側）及び上流側（鋳型側）には、相対する鋳片支持ロール６とのロール間隔を鋳造方向下流側に向かって順次狭くなるように設定され、鋳片１０に圧下力を付与するための、複数対の鋳片支持ロール群から構成される軽圧下帯１４が設置されている。軽圧下帯１４では、その全域または一部選択した領域で、鋳片１０に圧下（「軽圧下」という）を行うことが可能である。軽圧下帯１４の各鋳片支持ロール間にも鋳片１０を冷却するためのスプレーノズルが配置されている。

相対する鋳片支持ロール６とのロール間隔を鋳造方向下流に向かって順次狭くなるように設定することを、「ロール勾配」と称し、ロール勾配（単位：ｍｍ／ｍ）に鋳造速度（ｍ／分）を乗算した数値が圧下速度（ｍｍ／分）となる。したがって、所定の圧下速度となるように、鋳造速度に応じてロール勾配を設定する。尚、図１では、軽圧下帯１４の範囲内に凝固完了位置１３が位置しているが、凝固完了位置１３が軽圧下帯１４の範囲内に位置することは必須ではなく、鋳片厚み中心部の固相率が０．８となる位置が軽圧下帯１４の範囲内に存在すればよい。また、軽圧下帯１４に配置される鋳片支持ロール６は「圧下ロール」とも呼ばれている。

取鍋からタンディッシュ２に溶鋼９を注入してタンディッシュ２に所定量の溶鋼９を滞留させ、次いで、タンディッシュ２に滞留した溶鋼９を、浸漬ノズル４を介して鋳型５に注入する。鋳型内に注入された溶鋼９は鋳型５で冷却されて凝固シェル１１を形成し、外殻を凝固シェル１１とし、内部に未凝固層１２を有する鋳片１０として、鋳片支持ロール６に支持されながらピンチロールによって鋳型５の下方に連続的に引き抜かれる。鋳片１０は、鋳片支持ロール６を通過する間、二次冷却帯の二次冷却水で冷却され、凝固シェル１１の厚みを増大させ、軽圧下帯１４にて適宜な量の軽圧下量が付加され、凝固完了位置１３で中心部までの凝固を完了する。中心部まで凝固完了した鋳片１０を鋳片切断機８により切断して鋳片１０ａを得る。

この場合、予め伝熱凝固計算などを用いて、種々の鋳造条件下における凝固シェル１１の厚み並びに鋳片厚み中心部の固相率を求めておき、軽圧下帯１４に入る時点での鋳片厚み中心部の固相率が０．３以下になるように、鋳造速度及び二次冷却水量などの鋳造条件を調整する。軽圧下を開始する時点の鋳片厚み中心部の固相率は０．３以下であればいくらであっても構わない。また、少なくとも鋳片１０の厚み中心部の固相率が０．８以上になる時点までは、鋳片１０の圧下を継続する。鋳片厚み中心部の固相率が０．３を超えると中心偏析が発生する虞があることから、鋳片厚み中心部の固相率が０．３以下の範囲から軽圧下することが好ましく、また、鋳片１０の厚み中心部の固相率が０．８未満では中心偏析が発生する虞があることから、鋳片１０の厚み中心部の固相率が０．８以上になる時点まで軽圧下することが好ましい。また、圧下速度が０．５〜１．５ｍｍ／分の範囲内になるように、予定する鋳造速度に応じてロール勾配を予め調整しておく。これは、圧下速度が０．５ｍｍ／分未満では中心偏析の改善効果が少なく、一方、圧下速度が１．５ｍｍ／分を超えると鋳片１０に内部割れが発生する虞があるからである。ここで、固相率とは、凝固開始前を固相率＝０、凝固完了時を固相率＝１．０と定義されるものであり、鋳片厚み中央部の固相率は伝熱凝固計算によって求めることができる。

本発明では、鋳片１０の厚み中心部の固相率が１．０となった時点またはそれ以降、鋳造中の鋳片１０の表面に、振動付与装置としてスラブ連続鋳造機１の二次冷却帯に設置した打撃振動装置１５を用いて連続的に振動を与える。図２に、鋳片１０の表面に打撃振動装置１５を用いて振動を付与する様子を示す。図２（Ａ）は、横断面が矩形の鋳片１０の長辺面に振動を付与する概略図であり、図２（Ｂ）は、横断面が矩形の鋳片１０の短辺面に振動を付与する概略図である。

鋳片１０の長辺面に振動を付与する場合には、図２（Ａ）に示すように、打撃振動装置１５の振動子１５ａの先端に長辺面振動金具１６を取り付け、長辺面振動金具１６を凝固完了位置１３、或いは、凝固完了位置１３よりも鋳造方向下流側の鋳片１０の長辺面に押し当てて、打撃振動装置１５で発生する振動を鋳片１０に伝達させる。また、鋳片１０の短辺面に振動を付与する場合には、図２（Ｂ）に示すように、打撃振動装置１５の振動子１５ａの先端に短辺面振動金具１７を取り付け、短辺面振動金具１７を凝固完了位置１３、或いは、凝固完了位置１３よりも鋳造方向下流側の鋳片１０の短辺面に押し当てて、打撃振動装置１５で発生する振動を鋳片１０に伝達させる。

鋳片１０に振動を付与することで、鋳片１０の凝固シェル１１にて成長途中の柱状晶の先端部が破断され、破断した柱状晶を核として微細な等軸晶が生成し、この等軸晶が鋳片中心部に堆積するので、軽圧下による鋳片１０の中心偏析の軽減効果と相まって、鋳片１０の中心偏析が軽減される。

鋳片１０に振動を付与する位置は、鋳片１０の凝固完了位置１３を含め、凝固完了位置１３から鋳造方向下流側に５ｍ程度離れた位置までとすればよい。また、詳細は後述するが、鋳片１０の長辺面に振動を付与する場合には、与える振動の周波数をｆ₁（Ｈｚ）、振幅をＡ₁（ｍｍ）、鋳片の厚みをＤ（ｍｍ）としたとき、１００Ｈｚ≦ｆ₁≦３００Ｈｚで、且つ、「Ｄ／１２５」ｍｍ≦Ａ₁≦「Ｄ／５０」ｍｍとし、一方、鋳片１０の短辺面に振動与える場合には、与える振動の周波数をｆ₂（Ｈｚ）、振幅をＡ₂（ｍｍ）、鋳片の厚みをＤ（ｍｍ）、鋳片の短辺面に振動を与えるときの打撃振動装置１５の振動方向と鋳片１０の短辺面との接触角をθ（°）としたとき、１００Ｈｚ≦ｆ₂≦３００Ｈｚ、「Ｄ／８３」ｍｍ≦Ａ₂≦「Ｄ／１７．８」ｍｍで、且つ、４５°≦θ≦７０°とすることが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、鋳片１０の厚み中心部まで凝固が完了した部位の鋳片１０の表面に振動を与えるので、内部に未凝固層１２を有する鋳片表面に振動を与えた場合に比較して、与えた振動の減衰が少なく、付与した振動によって効率的に鋳片１０の中心偏析の発生を抑制することが実現される。

図１に示すスラブ連続鋳造機を用いて低炭素アルミキルド鋼の鋳造試験を行った。軽圧下帯は鋳型内溶鋼湯面位置から鋳造方向下流側の２１〜２７ｍの範囲に設定し、軽圧下帯の鋳片支持ロールの直径は２３０ｍｍである。鋳片のサイズは、厚み２５０ｍｍ、幅２０００ｍｍであり、二次冷却比水量を１．６Ｌ／鋼−ｋｇとし、鋳造速度を１．４ｍ／分、軽圧下帯での鋳片の圧下速度を１．０ｍｍ／分とした。

これらの鋳造条件における鋳片の凝固完了位置は、伝熱凝固計算により、鋳型内溶鋼湯面位置から２７．０ｍの位置となることが確認されている。また、伝熱凝固計算により、上記鋳造条件における鋳片の厚み中心部の固相率が０となる時点から１．０となる時点までの鋳造方向距離は約５．５ｍであることが確認されている。つまり、鋳片の厚み中心部の固相率が０．３の時点から鋳片の厚み中心部の固相率が０．８となる時点までは、軽圧下帯に位置することが確認されている。

この鋳造条件での連続鋳造において、打撃振動装置を、凝固完了位置を挟んで鋳造方向上流側及び鋳造方向下流側の種々の位置に設置し、鋳片の長辺面または短辺面に種々の周波数及び振幅の振動を付与し、鋳造後の鋳片の中心偏析を調査した。

鋳片の短辺面に振動を付与する際には、打撃振動装置の振動方向と鋳片の短辺面との接触角θを３０〜９０°の範囲で変更し、接触角θの影響を調査した。尚、鋳片の長辺面に振動を付与する場合には、接触角θを９０°の一定としている。これは、鋳片の長辺面に振動を付与する場合には、鋳造方向に並んだ鋳片支持ロールにより、接触角θを９０°に対して大きく変更することが設備的に困難なためである。

鋳片の中心偏析は、スラブの厚み中央の炭素濃度分析値をＣとし、厚み方向の両端の炭素濃度分析値の平均値をＣ₀とし、Ｃ／Ｃ₀で定義される中心偏析度で評価した。この場合、中心偏析度が１．０に近づくほど中心偏析は低減する。本発明では、中心偏析度が１．０６を超えた場合に中心偏析が悪化したと判定した。

図３及び図４に、種々の条件で鋳片の長辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す。図３は、振幅Ａ₁を２．０ｍｍの一定として、周波数ｆ₁を１Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、３００Ｈｚの４水準に変更したときの鋳片中心偏析の調査結果で、図４は、周波数ｆ₁を３００Ｈｚの一定として、振幅Ａ₁を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、５．０ｍｍの４水準に変更したときの鋳片中心偏析の調査結果である。図３及び図４では、鋳造方向の位置を、凝固完了位置を基準点（距離＝０）として、鋳造方向上流側を正（＋）、鋳造方向下流側を負（−）で表示している。この表示方法は、後述する図５〜７も同一である。

図３及び図４からも明らかなように、凝固完了位置（固相率＝１．０の位置）並びに凝固完了位置よりも鋳造方向下流側の位置で鋳片に振動を与えることで、凝固完了位置よりも上流側で振動を与える場合に比較して、鋳片の中心偏析は大幅に低くなることが確認できた。

また、図３に示すように、周波数ｆ₁が１００Ｈｚ及び３００Ｈｚの場合は、周波数ｆ₁が１Ｈｚ及び５０Ｈｚの場合に比較して中心偏析度は低く、したがって、鋳片の長辺面に振動を与える場合は、周波数ｆ₁は１００〜３００Ｈｚの範囲が好ましいことが確認できた。

また、図４に示すように、厚みが２５０ｍｍの鋳片長辺面に振動を付与する際に、振幅Ａ₁が２．０ｍｍ（2.0=250/125）及び５．０ｍｍ（5.0=250/50）の場合は、振幅Ａ₁が０．５ｍｍ（0.5=250/500）及び１．０ｍｍ（2.0=250/250）の場合に比較して中心偏析度は低く、したがって、振幅Ａ₁は、鋳片厚みをＤ（ｍｍ）とすると、「Ｄ／１２５」〜「Ｄ／５０」ｍｍの範囲が好ましいことが確認できた。

一方、図５、図６及び図７に、種々の条件で鋳片の短辺面に振動を与えたときの鋳片の中心偏析の調査結果を示す。図５は、振幅Ａ ₂を３．０ｍｍ、接触角θを４５°の一定とし、周波数ｆ₂を１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、３００Ｈｚの３水準に変更したときの鋳片中心偏析の調査結果で、図６は、周波数ｆ₂を１００Ｈｚ、接触角θを４５°の一定とし、振幅Ａ ₂を３．０ｍｍ、７．０ｍｍ、１４．０ｍｍの３水準に変更したときの鋳片中心偏析の調査結果で、図７は、振幅Ａ ₂を３．０ｍｍ、周波数ｆ₂を１００Ｈｚの一定として、接触角θを３０°、４５°、６０°、７５°、９０°の５水準に変更したときの鋳片中心偏析の調査結果である。

図５〜７においても、図３、４と同様に、凝固完了位置（固相率＝１．０の位置）並びに凝固完了位置よりも鋳造方向下流側の位置で鋳片に振動を与えることで、凝固完了位置よりも上流側で振動を与える場合に比較して、鋳片の中心偏析は大幅に低くなることが確認できた。

また、図５に示すように、周波数ｆ₂が１００Ｈｚ及び３００Ｈｚの場合は、周波数ｆ₂が１０Ｈｚの場合に比較して中心偏析度は低く、したがって、鋳片の短辺面に振動を与える場合は、周波数ｆ₂は１００〜３００Ｈｚの範囲が好ましいことが確認できた。

また、図６に示すように、厚みが２５０ｍｍの鋳片短辺面に振動を付与する際に、振幅Ａ ₂が３．０ｍｍ（3.0=250/83.3）、７．０ｍｍ（7.0=250/35.7）及び１４．０ｍｍ（14.0=250/17.8）の場合、何れも中心偏析度は低く、したがって、振幅Ａ ₂は、鋳片厚みをＤ（ｍｍ）とすると、「Ｄ／８３」〜「Ｄ／１７．８」ｍｍの範囲が好ましいことが確認できた。

また、図７に示すように、接触角θが４５°、６０°及び７５°の場合は、接触角θが３０°及び９０°の場合に比較して中心偏析度は低く、したがって、鋳片の短辺面に振動を与える場合は、接触角θは４５°〜７５°の範囲が好ましいことが確認できた。

尚、本実施例では鋳片の長辺面と短辺面とに同時に振動を付与する試験を実施していないが、鋳片の長辺面と短辺面とに同時に振動を付与した場合も、長辺面のみに振動を付与したときの効果と、短辺面のみに振動を付与したときの効果とが重なりあって発現すると考えられる。したがって、本発明は鋳片の長辺面と短辺面とに同時に振動を付与することを否定するものではない。

１スラブ連続鋳造機
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凝固完了位置
１４軽圧下帯
１５打撃振動装置
１６長辺面振動金具
１７短辺面振動金具

Claims

連続鋳造機で横断面形状が矩形の鋳片を鋳造する際に、連続鋳造機内の鋳片の表面であって、鋳片の厚み中心部まで凝固が完了した部位の鋳片の表面に連続的に振動を与えながら、鋳片を鋳造する鋼の連続鋳造方法であって、
前記振動を鋳片の長辺面に与える場合には、与える振動の周波数をｆ ₁ （Ｈｚ）、振幅をＡ ₁ （ｍｍ）、鋳片の厚みをＤ（ｍｍ）としたとき、前記周波数ｆ ₁ を１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、且つ、前記振幅Ａ ₁ を「Ｄ／１２５」ｍｍ以上「Ｄ／５０」ｍｍ以下とし、
前記振動を鋳片の短辺面に与える場合には、与える振動の周波数をｆ ₂ （Ｈｚ）、振幅をＡ ₂ （ｍｍ）、鋳片の厚みをＤ（ｍｍ）、鋳片の短辺面に振動を与えるときの振動付与装置の振動方向と鋳片短辺面との接触角をθ（°）としたとき、前記周波数ｆ ₂ を１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、前記振幅Ａ ₂ を「Ｄ／８３」ｍｍ以上「Ｄ／１７．８」ｍｍ以下、且つ、接触角θを４５°以上７５°以下とすることを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
前記鋳片の厚み中心部の固相率が少なくとも０．３の時点から０．８になる時点まで、鋳造方向に配置した複数対の鋳片支持ロールを用いて、前記鋳片を０．５〜１．５ｍｍ／分の圧下速度で圧下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。