JP6003851B2 - 連続鋳造用鋳型及び鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳型内での凝固シェルの不均一冷却に起因する鋳片表面割れを防止して溶鋼を連続鋳造することのできる連続鋳造用鋳型、並びに、この鋳型を使用した鋼の連続鋳造方法に関する。

鋼の連続鋳造においては、鋳型内に注入された溶鋼は水冷式鋳型によって冷却され、鋳型との接触面で溶鋼が凝固して凝固層（「凝固シェル」という）を生成し、この凝固シェルが、鋳型下流側に設置した水スプレーや気水スプレーによって冷却されながら内部の未凝固層とともに鋳型下方に連続的に引き抜かれ、水スプレーや気水スプレーによる冷却によって中心部まで凝固して鋳片が製造されている。

鋳型内における冷却が不均一になると、凝固シェルの厚みが鋳造方向及び鋳片幅方向で不均一となる。凝固シェルには、凝固シェルの収縮や変形に起因する応力が作用し、凝固初期においては、この応力が凝固シェルの薄肉部に集中し、この応力によって凝固シェルの表面に割れが発生する。この割れは、その後の熱応力や連続鋳造機のロールによる曲げ応力及び矯正応力などの外力により拡大し、大きな表面割れとなる。凝固シェル厚みの不均一度が大きい場合には、鋳型内での縦割れとなり、この縦割れから溶鋼が流出するブレークアウトが発生する場合もある。鋳片に存在する割れは、次工程の圧延工程で表面欠陥となることから、鋳片の段階において、鋳片の表面を手入れして表面割れを除去することが必要となる。

鋳型内の不均一凝固は、特に、炭素含有量が０．０８〜０．１７質量％の範囲内の、包晶反応を伴う鋼において発生しやすい。これは、包晶反応によるδ鉄（フェライト）からγ鉄（オーステナイト）への変態時の体積収縮による変態応力に起因する歪みによって凝固シェルが変形し、この変形により鋳型内壁面から離れた部位の凝固シェル（この鋳型内壁面から離れた部位を「デプレッション」という）の凝固厚みが薄くなり、この部分に上記応力が集中することによって表面割れが発生すると考えられる。特に、鋳片引き抜き速度を増加した場合には、凝固シェルから鋳型冷却水への平均熱流束が増加し、熱流束の分布が不規則で且つ不均一になることから、鋳片表面割れの発生が増加傾向となる。具体的には、鋳片厚みが２００ｍｍ以上のスラブ連続鋳造機においては、鋳片引き抜き速度が１．５ｍ／ｍｉｎ以上になると表面割れが発生しやすくなる。

従来、上記の包晶反応を伴う鋼種（「中炭素鋼」という）の表面割れを防止するために、例えば特許文献１に提案されるように、結晶化しやすい組成のモールドパウダーを使用し、モールドパウダー層の熱抵抗を増大させて凝固シェルを緩冷却することが試みられている。しかし、モールドパウダーによる緩冷却効果のみでは、十分な不均一凝固の改善は得られず、変態量の大きい鋼種では割れの発生を防止することはできない。

そこで、連続鋳造用鋳型自体を緩冷却化する手法が多数提案されている。例えば、特許文献２には、鋳型内壁面に鋳造方向に沿って複数の溝を設置し、強制的にエアギャップを形成させることにより緩冷却を図り、凝固シェルの表面歪を分散させて鋳片の縦割れを防止する方法が提案されている。しかし、この方法では、モールドパウダーが溝に侵入しないようにするために溝の幅及び深さを小さくする必要があり、鋳型の磨耗によってエアギャップ量が減少することから、その効果は次第に消滅するという問題がある。

また、特許文献３には、鋳型内壁面に縦溝を設け、この縦溝にモールドパウダーを流入させて、鋳型を緩冷却化する方法が提案されている。この方法では、モールドパウダーの流入が不十分で凹み部に溶鋼が侵入したり、モールドパウダーが充填されていても鋳造中に充填していたモールドパウダーが剥がれ、その部位に溶鋼が侵入したりすることにより、拘束性のブレークアウトが発生するという問題がある。

一方、特許文献４及び特許文献５には、規則的な熱伝達分布を与え不均一凝固量を減らす目的で、鋳型内壁面に溝加工（縦溝、格子溝）を施し、この溝に低熱伝導金属やセラミックスを充填する方法が提案されている。しかし、この方法では、縦溝、格子溝と銅（鋳型）との境界面、並びに、格子部の直交部において、低熱伝導材料と銅との熱歪差による応力が作用し、鋳型銅板表面に割れが発生するという問題がある。

特開２００５−２９７００１号公報 特開平１０−１９３０４１号公報 特開平９−２７６９９４号公報 特開平２−６０３７号公報 特開平７−２８４８９６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、連続鋳造用鋳型の内壁面に、銅よりも熱伝導率が低い複数個の部位をそれぞれ独立して形成させ、これによって、鋳片の拘束性ブレークアウトの発生及び鋳型表面の割れによる鋳型寿命低下を起こすことなく、凝固初期の凝固シェルの不均一冷却、並びに、包晶反応を伴う中炭素鋼でのδ鉄からγ鉄への変態に起因する凝固シェル厚みの不均一による表面割れを防止することのできる連続鋳造用鋳型を提供することであり、また、この連続鋳造用鋳型を使用した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］水冷式銅鋳型の内壁面であって、メニスカスよりも上方の任意の位置から、定常鋳造時の鋳片引き抜き速度に対して下記の（１）式を満足する距離Ｌ₀以上メニスカスよりも下方の位置までの内壁面の範囲に、銅の熱伝導率に対してその熱伝導率を３０％以下とする金属に該金属よりも更に熱伝導率の低い非金属粒子が分散添加されて成る低熱伝導金属体が前記内壁面に設けた円形凹溝または擬似円形凹溝の内部に充填されて形成された、直径２〜２０ｍｍまたは円相当径２〜２０ｍｍの複数個の金属体充填部をそれぞれ独立して有することを特徴とする連続鋳造用鋳型。
Ｌ₀＝２×Ｖｃ×１０００／６０ …（１）
但し、（１）式において、Ｌ₀は、メニスカスからの距離（ｍｍ）、Ｖｃは、定常鋳造時の鋳片引き抜き速度（ｍ／ｍｉｎ）である。
［２］前記金属体充填部での前記低熱伝導金属体の充填厚みは、前記円形凹溝または前記擬似円形凹溝の深さ以下で且つ０．３ｍｍ以上であって、前記金属体充填部の直径または円相当径に対して下記の（２）式の関係を満足することを特徴とする、上記［１］に記載の連続鋳造用鋳型。
０．３≦Ｈ≦０．５×ｄ …（２）
但し、（２）式において、Ｈは、低熱伝導金属体の充填厚み（ｍｍ）、ｄは、金属体充填部の直径（ｍｍ）または円相当径（ｍｍ）である。
［３］前記金属体充填部同士の間隔が、該金属体充填部の直径または円相当径に対して下記の（３）式の関係を満足することを特徴とする、上記［１］または上記［２］に記載の連続鋳造用鋳型。
Ｐ≧０．２５×ｄ …（３）
但し、（３）式において、Ｐは、金属体充填部同士の間隔（ｍｍ）、ｄは、金属体充填部の直径（ｍｍ）または円相当径（ｍｍ）である。
［４］前記低熱伝導金属体の非金属粒子の含有量が１０〜５０体積％であることを特徴とする、上記［１］ないし上記［３］の何れか１項に記載の連続鋳造用鋳型。
［５］上記［１］ないし上記［４］の何れか１項に記載の連続鋳造用鋳型を用い、タンディッシュ内の溶鋼を前記連続鋳造用鋳型に注入して溶鋼を連続鋳造することを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
［６］前記溶鋼は、炭素含有量が０．０８〜０．１７質量％の中炭素鋼であることを特徴とする、上記［５］に記載の鋼の連続鋳造方法。

本発明によれば、銅の熱伝導率に対してその熱伝導率を３０％以下とする金属に、この金属よりも更に熱伝導率の低い非金属粒子が分散添加されて成る低熱伝導金属体が充填されて形成される金属体充填部を、メニスカス位置を含んでメニスカス近傍の連続鋳造用鋳型の幅方向及び鋳造方向に設置するので、メニスカス近傍の鋳型幅方向及び鋳造方向における連続鋳造用鋳型の熱抵抗が規則的且つ周期的に増減し、これによって、メニスカス近傍つまり凝固初期の凝固シェルから連続鋳造用鋳型への熱流束が規則的且つ周期的に増減し、δ鉄からγ鉄への変態による応力や熱応力によって生じる凝固シェルの変形に起因する不均一な熱流束分布が均一化されるとともに、発生する応力が分散されて個々の歪量が小さくなり、その結果、割れの発生しやすい中炭素鋼であっても凝固シェル表面における割れの発生が防止される。

本発明に係る連続鋳造用鋳型の一部を構成する鋳型長辺銅板を内壁面側から見た概略側面図である。 図１に示す鋳型長辺銅板の金属体充填部が形成された部位の拡大図である。 鋳型長辺銅板の三箇所の位置における熱抵抗を金属体充填部の設置位置に準じて概念的に示す図である。 銅鋳型内壁面に銅鋳型表面の保護のための鍍金層を設けた例を示す概略図である。

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、本発明に係る連続鋳造用鋳型の一部を構成する鋳型長辺銅板であって、内壁面側に金属体充填部が形成された鋳型長辺銅板を内壁面側から見た概略側面図、図２は、図１に示す鋳型長辺銅板の金属体充填部が形成された部位の拡大図で、図２（Ａ）は内壁面側から見た側面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。

尚、図１に示す連続鋳造用鋳型はスラブ鋳片を鋳造するための連続鋳造用鋳型の例であり、スラブ鋳片用の連続鋳造用鋳型は一対の鋳型長辺銅板と一対の鋳型短辺銅板とを組み合わせて構成されるが、鋳型短辺銅板も鋳型長辺銅板と同様に、その内壁面側に金属体充填部が形成されるものとして、ここでは鋳型短辺銅板についての説明は省略する。但し、スラブ鋳片においては、その形状に起因して長辺面側の凝固シェルに応力集中が起こりやすく、長辺面側で表面割れが発生しやすいことから、スラブ鋳片用の連続鋳造用鋳型の鋳型短辺銅板には、必ずしも金属体充填部を設置する必要はない。

図１に示すように、鋳型長辺銅板１における定常鋳造時のメニスカス（溶鋼湯面）の位置よりも距離Ｑ（距離Ｑは任意の値）離れた上方の位置から、メニスカスよりも距離Ｌだけ下方の位置までの鋳型長辺銅板１の内壁面の範囲には、鋳型長辺銅板１の内壁面に設けられた開口する溝の内部に低熱伝導金属体が充填されて形成された、複数個の金属体充填部３が設置されている。ここで、低熱伝導金属体とは、銅の熱伝導率に対してその熱伝導率を３０％以下とする金属（以下、「低熱伝導金属」と記す）に、この低熱伝導金属よりも更に熱伝導率の低い、酸化物や炭化物などの非金属粒子が分散添加されたものである。

金属体充填部３は、図２に示すように、低熱伝導金属体が、鋳型長辺銅板１の内壁面側にそれぞれ独立して加工された、直径（ｄ）が２〜２０ｍｍの円形凹溝２の内部に、溶射手段や鍍金手段などによって充填されて形成されたものである。具体的には、酸化物や炭化物などの非金属粒子と低熱伝導金属との混合物を鋳型表面に溶射する方法、或いは、低熱伝導金属の鍍金液中に非金属粒子を懸濁させ、低熱伝導金属の鍍金に伴って非金属粒子を鍍金層に付着させる方法などにより、金属体充填部３を形成することができる。図２における符号５は冷却水流路、符号６はバックプレートである。

尚、図１及び図２では、金属体充填部３の鋳型長辺銅板１の内壁面における形状が円形であるが、円形とする必要はなく、例えば楕円形のような、所謂「角」を有していない、円形に近い形状である限り、どのような形状であっても構わない。但し、円形に近い形状の場合でも、この円形に近い形状の金属体充填部３の面積から求められる円相当径は２〜２０ｍｍの範囲内であることが必要である。

金属体充填部３を、メニスカス位置を含んでメニスカス近傍の連続鋳造用鋳型の幅方向及び鋳造方向に設置することにより、図３に示すように、メニスカス近傍の鋳型幅方向及び鋳造方向における連続鋳造用鋳型の熱抵抗が規則的且つ周期的に増減する。これによって、メニスカス近傍つまり凝固初期の凝固シェルから連続鋳造用鋳型への熱流束が規則的且つ周期的に増減し、δ鉄からγ鉄への変態（以下「δ／γ変態」と記す）による応力や、熱応力によって生じる凝固シェルの変形に起因する不均一な熱流束分布が均一化されるとともに、発生する応力が分散されて個々の歪量が小さくなり、凝固シェル表面における表面割れの発生が防止される。尚、図３は、鋳型長辺銅板１の三箇所の位置における熱抵抗を金属体充填部３の設置位置に準じて概念的に示す図であり、金属体充填部３の設置位置では熱抵抗が相対的に高くなる。

初期凝固への影響を勘案すれば、金属体充填部３の設置位置は、予定する定常鋳造時の鋳片引き抜き速度に対して下記の（１）式を満足する距離Ｌ₀以上メニスカスよりも下方の位置までとすることが必要である。
Ｌ₀＝２×Ｖｃ×１０００／６０ …（１）
但し、（１）式において、Ｌ₀は、メニスカスからの距離（ｍｍ）、Ｖｃは、定常鋳造時の鋳片引き抜き速度（ｍ／ｍｉｎ）である。

つまり、距離Ｌが距離Ｌ₀以上となるように、金属体充填部３を設置することが必要である。ここで、距離Ｌ₀は、凝固開始した後の鋳片の凝固シェルが金属体充填部３の設置された範囲を通過する時間に関係しており、凝固開始後から少なくとも２秒間は、凝固直後の凝固シェルが金属体充填部３の設置された範囲内に滞在する必要があることから、（１）式が導き出されている。距離Ｌの上限はないが、鋳型表面での円形凹溝２の加工費用や、低熱伝導金属体の充填処理費用などを抑制する観点から、距離Ｌを距離Ｌ₀の５倍以下とすることが好ましい。

凝固開始した後の鋳片の凝固シェルが金属体充填部３の設置された範囲内に滞在する時間が２秒未満の場合には、金属体充填部３による熱流束の周期的な変動の効果が不十分であることから、表面割れの発生しやすい高速鋳造時や中炭素鋼の鋳造時には、鋳片表面割れの防止効果が不十分になる。金属体充填部３による熱流束の周期的な変動の効果を安定して得る上では、凝固直後の凝固シェルが金属体充填部３の設置された範囲を通過する時間として４秒以上を確保することが好ましい。

一方、金属体充填部３の上端部の位置はメニスカス位置よりも上方である限りどこの位置であっても構わず、従って、距離Ｑはゼロを超えた任意の値で構わない。但し、鋳造中にメニスカスは上下方向に変動するので、金属体充填部３の上端部が常にメニスカスよりも上方位置となるように、予定するメニスカス位置よりも２０ｍｍ程度上方位置まで金属体充填部３を設置することが好ましい。尚、メニスカス位置は、鋳型長辺銅板１の上端から６０〜１５０ｍｍ下方位置とするのが一般的であり、これに応じて金属体充填部３の設置範囲を決めればよい。

金属体充填部３の鋳型長辺銅板１の内壁面における形状は、円形または円形に近いものとする。以下、円形に近いものを「擬似円形」と称す。金属体充填部３の形状が擬似円形の場合には、金属体充填部３を形成させるための鋳型長辺銅板１の内壁面に加工される溝を「擬似円形溝」と称す。擬似円形とは、例えば楕円形や、角部を円や楕円とする長方形など、角部を有してしない形状であり、更には、花びら模様のような形状であっても構わない。

特許文献４及び特許文献５のように、縦溝或いは格子溝を施し、この溝に低熱伝導金属やセラミックスを充填した場合には、低熱伝導金属及びセラミックスの充填物と銅との境界面及び格子部の直交部において、充填物と銅との熱歪差による応力が集中し、鋳型銅板表面に割れが発生するという問題があるのに対し、本発明のように、金属体充填部３の形状を円形または擬似円形とすることで、低熱伝導金属体と銅との境界面は曲面状となることから、境界面で応力が集中しにくく、鋳型銅板表面に割れが発生しにくいという利点が発現する。

金属体充填部３の直径及び円相当径は２ｍｍ以上であることが必要である。２ｍｍ未満の場合、金属体充填部３における熱流束の低下が不十分であり、上記効果を得ることができないのみならず、開口面積が小さく、低熱伝導金属体を溶射手段や鍍金手段によって円形凹溝２や擬似円形凹溝（図示せず）の内部に充填することが難しい。一方、金属体充填部３の直径及び円相当径が２０ｍｍを超えると、金属体充填部３における熱流束の低下によって大きな凝固遅れが生じ、その位置での凝固シェルへの熱応力が大きくなり、凝固シェルに表面割れが発生する。これを防止するために、金属体充填部３の直径及び円相当径は２０ｍｍ以下にすることが必要である。

尚、金属体充填部３の形状が擬似円形の場合は、この擬似円形の円相当径は下記の（４）式で算出される。
円相当径＝（４×Ｓ／π）^1/2 …（４）
但し、（４）式において、Ｓは、金属体充填部３の面積（ｍｍ²）である。

低熱伝導金属体を構成する一方の材料である低熱伝導金属は、その熱伝導率が銅の熱伝導率（約３８０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）に対して３０％以下（約１１４Ｗ／(ｍ・Ｋ)以下）である必要がある。銅の熱伝導率に対して３０％よりも大きいと、金属体充填部３による熱流束の周期的な変動の効果が不十分であるために、鋳片表面割れの発生しやすい高速鋳造時や中炭素鋼の鋳造時において、鋳片表面割れの防止効果が不十分になる。本発明において、低熱伝導金属体を構成する低熱伝導金属としては、溶射や鍍金のしやすいニッケル（Ｎｉ、熱伝導率：約９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）及びニッケル合金が好適である。

また、低熱伝導金属体を構成する他方の材料である非金属粒子としては、その熱伝導率が、低熱伝導金属の熱伝導率よりも低い材料であれば何れでも使用可能であるが、低熱伝導金属の熱伝導率の１／２以下の熱伝導率であることが好ましい。また、安価であることが好ましい。この観点から、特に、本発明において使用する非金属粒子としては、安価であり入手が容易で、且つ、取り扱いが容易であるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃、熱伝導率：約３６Ｗ／(ｍ・Ｋ)）、シリカ（ＳｉＯ₂、熱伝導率：約１０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）、マグネシア（ＭｇＯ、熱伝導率：約６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）の何れか好適である。非金属粒子の粒子径は、充填処理のしやすさから、５０μｍ以下であることが好ましい。

金属体充填部３を、低熱伝導金属と非金属粒子との混合物で形成することで、低熱伝導金属のみで形成した場合に比較して熱伝導率を低減することができ、円形凹溝や擬似円形凹溝の深さを浅くすることができる。これにより、円形凹溝や擬似円形凹溝を低熱伝導金属体で充填させることが容易になり、充填処理の工程を簡素化することが可能となる。

低熱伝導金属体における非金属粒子の含有量は１０〜５０体積％であることが好ましい。非金属粒子の含有量が１０体積％未満では、非金属粒子を分散させても、低熱伝導金属体の熱伝導率の低下は少なく、非金属粒子を添加した効果が十分に得られない。一方、非金属粒子の含有量が５０体積％を超えると、操業時に繰り返しの熱サイクルを受けることによって、充填した低熱伝導金属と非金属粒子との界面で熱膨張差に起因した亀裂が発生し、これにより、鋳型での表面割れや充填した低熱伝導金属体の剥離が生じ、鋳型寿命が低下する可能性がある。

金属体充填部３の充填厚み（Ｈ）は０．３ｍｍ以上であることが好ましい。充填厚みが０．３ｍｍ未満であると、金属体充填部３における熱流束の低下が不十分であり、上記効果を得ることができない。

また、金属体充填部３の充填厚みが、金属体充填部３の直径及び円相当径の０．５倍よりも大きくなると、溶射手段や鍍金手段による円形凹溝及び擬似円形凹溝への低熱伝導金属体の充填が難しくなり、充填した低熱伝導金属体と鋳型銅板との間に隙間や割れが生じて、充填した低熱伝導金属体の亀裂や剥離が生じ、鋳型寿命の低下、鋳片の割れ、更には拘束性ブレークアウトの原因となる。従って、充填厚みは金属体充填部３の直径及び円相当径の０．５倍以下にすることが好ましい。即ち、金属体充填部３の充填厚みは下記の（２）式を満足することが好ましい。
０．３≦Ｈ≦０．５×ｄ …（２）
但し、（２）式において、Ｈは、低熱伝導金属体の充填厚み（ｍｍ）、ｄは、円形凹溝の直径（ｍｍ）または擬似円形凹溝の円相当径（ｍｍ）である。この場合、低熱伝導金属体の充填厚みは円形凹溝或いは擬似円形凹溝の深さ以下とする。

また、金属体充填部同士の間隔は、金属体充填部３の直径及び円相当径の０．２５倍以上であることが好ましい。つまり、金属体充填部同士の間隔は金属体充填部３の直径または円相当径に対して下記の（３）式の関係を満足することが好ましい。
Ｐ≧０．２５×ｄ …（３）
但し、（３）式において、Ｐは、金属体充填部同士の間隔（ｍｍ）、ｄは、金属体充填部の直径（ｍｍ）または円相当径（ｍｍ）である。

ここで、金属体充填部同士の間隔とは、図２に示すように、隣り合う金属体充填部３の端部間の最短距離である。金属体充填部同士の間隔が「０．２５×ｄ」未満の場合は、間隔が小さいことから、金属体充填部３における熱流束と銅部（金属体充填部３が形成されていない部位）の熱流束との差が小さくなるために、上記効果を得ることができない。また、冷却不足により凝固シェルの厚みが確保できず、ブレークアウトの発生する可能性がある。金属体充填部同士の間隔の上限値は特に規定しないが、この間隔が大きくなると、金属体充填部３の面積率が低下するので「２．０×ｄ」以下にすることが好ましい。

金属体充填部３の配列は、図１に示すような千鳥配列が望ましいが、本発明において金属体充填部３の配列は千鳥配列に限定されるものではなく、どのような配列であっても構わない。但し、上記の金属体充填部同士の間隔（Ｐ）が前述した条件を満足する範囲内の配列であることが好ましい。

尚、金属体充填部３は、連続鋳造用鋳型の長辺鋳型銅板と短辺鋳型銅板の双方に設置することを基本とするが、スラブ鋳片のように鋳片短辺長さに対して鋳片長辺長さの比が大きい場合には、金属体充填部３を長片側のみに設置しても、本発明の効果を得ることができる。

また、図４に示すように、金属体充填部３を形成させた銅鋳型内壁面に、凝固シェルによる磨耗や熱履歴による鋳型表面の割れを防止することを目的として、鍍金層４を設けることが好ましい。この鍍金層４は一般的に用いられるニッケル系合金（Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金など）を鍍金することで十分であるが、鍍金層４の厚み（ｈ）が低熱伝導金属体の充填厚み（Ｈ）の０．５倍を超えると、金属体充填部３による熱流束の周期的な変動の効果が不十分になることから、鍍金層４の厚み（ｈ）は低熱伝導金属体の充填厚み（Ｈ）の０．５倍以下にすることが好ましい。この条件を満たす限り、鍍金層４を鋳型の上端から下端まで、同一厚みとしても、また、異なる厚みとしてもよい。尚、図４は、銅鋳型内壁面に銅鋳型表面の保護のための鍍金層を設けた例を示す概略図である。

以上説明したように、本発明によれば、金属体充填部３を、メニスカス位置を含んでメニスカス近傍の連続鋳造用鋳型の幅方向及び鋳造方向に設置するので、メニスカス近傍の鋳型幅方向及び鋳造方向における連続鋳造用鋳型の熱抵抗が規則的且つ周期的に増減し、これによって、メニスカス近傍つまり凝固初期の凝固シェルから連続鋳造用鋳型への熱流束が規則的且つ周期的に増減し、δ／γ変態による応力や熱応力によって生じる凝固シェルの変形に起因する不均一な熱流束分布が均一化されるとともに、発生する応力が分散されて個々の歪量が小さくなり、その結果、鋳型抜熱量が大きくなる高速鋳造や割れの発生しやすい中炭素鋼であっても、凝固シェル表面における割れの発生が防止される。

また、特許文献４及び特許文献５では、低熱伝導部となる縦溝或いは格子溝が鋳造方向に連続して設置されているので、凝固シェル形成の抑制される部位が鋳片幅方向で常に同じ位置になり、その部位の凝固シェル厚が薄くなってブレークアウトの危険性がある。これに対して、本発明では、低熱伝導部を鋳造方向に対しても周期的に分散配置するので、過度に凝固シェル厚の薄い箇所ができず、ブレークアウトの発生する危険性は通常の鋳型を使用した場合と同等になる。

尚、上記説明はスラブ鋳片用の連続鋳造用鋳型に関して行ったが、本発明はスラブ鋳片用の連続鋳造用鋳型に限定されるものではなく、ブルーム鋳片用やビレット鋳片用の連続鋳造用鋳型においても上記に沿って本発明を適用することができる。

中炭素鋼（Ｃ：０．０８〜０．１７質量％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０質量％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０質量％、Ｐ：０．０１０〜０．０３０質量％、Ｓ：０．００２〜０．０１０質量％、Ａｌ：０．０２〜０．０４質量％）の溶鋼を、長辺長さ１９００ｍｍ、短辺長さ２２５ｍｍの内面空間サイズを有する水冷銅鋳型を用いてスラブ鋳片に連続鋳造する際に、水冷銅鋳型の内壁面に種々の条件で金属体充填部を設置し、鋳造後の鋳片の表面割れなどを調査する試験を行った。

使用した水冷銅鋳型は、その上端から下端までの長さ（＝鋳型長）が９５０ｍｍであり、メニスカス位置を鋳型上端から１００ｍｍ下方の位置に設定した。この水冷銅鋳型において、メニスカスよりも２０ｍｍ上方の位置から、メニスカスよりも１５０ｍｍないし３００ｍｍ下方の位置までの範囲（距離Ｌ＝１５０ｍｍないし３００ｍｍ）の鋳型内壁面に円形凹溝の加工を施し、その後、この円形凹溝の内部に、ニッケル（熱伝導率：９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）とアルミナ（熱伝導率：３６Ｗ／(ｍ・Ｋ)）とからなる低熱伝導金属体を充填させ、金属体充填部を形成させた。

金属体充填部は、電気鍍金によってニッケルを円形凹溝に鍍金する際に、鍍金液にアルミナを懸濁させ、ニッケルが鍍金される際にアルミナが鍍金層に捕捉されるようにして形成した。その際に、低熱伝導金属体のアルミナの含有量は、鍍金液に懸濁させるアルミナの量を調整することで制御した。また、円形凹溝の深さが大きい場合には、鍍金処理を行った後に、表面研削して円形凹溝以外に付着した低熱伝導金属体を除去し、再度鍍金処理を施す工程を繰り返して実施し、低熱伝導金属体を円形凹溝に完全に充填させた。所定の形状の金属体充填部を形成させた後、鋳型上端での厚みが５００μｍ、鋳型下端での厚みが１０００μｍであるＮｉ−Ｃｏ鍍金層を鋳型銅板表面に形成させた。金属体充填部は全て同一サイズとし、千鳥配列した。また、低熱伝導金属体の円形凹溝への充填深さは、円形凹溝の深さと同一とした。

また、比較のために、低熱伝導金属体に代わって、ニッケルのみを円形凹溝の内部に充填させた水冷銅鋳型も準備した。

連続鋳造操業においては、モールドパウダーとして、塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ₂）が１．０〜２．０、１３００℃での粘性率が０．５〜２．０ポアズ（０．０５〜０．２０Ｐａ・ｓ）のモールドパウダーを使用した。また、鋳片引き抜き速度は定常鋳込みの状態で２．０〜２．５ｍ／ｍｉｎ、タンディッシュ内の溶鋼過熱度は２５〜３５℃とした。鋳型内のメニスカス位置（湯面位置）は、定常鋳込み状態で鋳型上端から１００ｍｍとし、メニスカスが金属体充填部の設置範囲内に存在するようにメニスカス位置を制御した。

連続鋳造が終了した後、鋳片長辺の表面を酸洗してスケールを除去し、各鋳片において表面割れの発生数及びその長さを測定した。この表面割れの長さの総和（ｍｍ）と表面割れを調査した鋳片の長さ（ｍ）との比（ｍｍ／ｍ）を表面割れ指標とし、この表面割れ指標を用いて鋳片表面割れの発生状況を評価した。また、鋳型表面状況、及び、鋳片のバルジングの有無を調査した。

表１に、金属体充填部の設置条件、比較例での充填部の設置条件、及び、鋳片の表面割れ指標などの調査結果を示す。尚、表１の備考欄には、本発明の範囲内の水冷銅鋳型を使用した試験を本発明例、本発明の範囲を満足しない水冷銅鋳型を使用した試験を比較例と表示している。表１の距離Ｌ₀は（１）式から算出される数値である。

表１に示すように、試験Ｎo.１〜１６では、金属体充填部の直径（ｄ）及び距離Ｌが本発明の範囲内であり、且つ、金属体充填部の充填厚み（Ｈ）、間隔（Ｐ）及び低熱伝導金属体のアルミナ含有量が本発明の好適な範囲内であり、鋳型に亀裂は発生せず、また、鋳片に表面割れ及びバルジングは発生しなかった。つまり、試験Ｎo.１〜１６では、鋳型に亀裂を発生させることなく、中炭素鋼のように表面割れの発生しやすい鋼についても、鋳片の表面割れを従来に比較して大幅に低減できることが確認できた。

試験Ｎo.１７では、金属体充填部の充填厚み（Ｈ）が本発明の好適な範囲から外れたものの、その他の条件は本発明の範囲及び本発明の好適な範囲内であり、鋳片に僅かなバルジングが発生したが、鋳片に表面割れは発生しなかった。試験Ｎo.１８では、金属体充填部の間隔（Ｐ）が本発明の好適な範囲から外れたものの、その他の条件は本発明の範囲及び本発明の好適な範囲内であり、鋳片にバルジングが発生したが、鋳型に亀裂は発生せず、且つ鋳片に表面割れは発生しなかった。試験Ｎo.１９では、低熱伝導金属体のアルミナ含有量が本発明の好適な範囲の下限から外れたものの、その他の条件は本発明の範囲及び本発明の好適な範囲内であり、鋳片に微細な表面割れが発生したが、従来に比較して大幅に表面割れが低減され、且つ、鋳型に亀裂は発生せず、且つ鋳片にバルジングは発生しなかった。試験Ｎo.２０では、低熱伝導金属体のアルミナ含有量が本発明の好適な範囲の上限から外れたものの、その他の条件は本発明の範囲及び本発明の好適な範囲内であり、鋳型に亀裂が発生したが、鋳片に表面割れは発生しなかった。

試験Ｎo.２１は、金属体充填部の直径（ｄ）が本発明の範囲を外れており、鋳片の表面割れを防止することはできなかった。

試験Ｎo.２２〜２９は、低熱伝導金属体に代わってニッケル単体を充填させた試験であり、鋳型表面に亀裂は発生しなかったが、鋳片に表面割れの発生する場合があり、安定して鋳片の表面を防止することはできなかった。

つまり、本発明によれば、鋳型の表面割れや鋳片のバルジングを発生させずに、鋳片表面割れを防止することが実現される。また、ニッケル単体を充填させた場合に鋳片表面割れを防止できない設置条件においても、金属体充填部の抜熱抵抗が大きくなることで、鋳片表面割れを防止することが実現される。

１ 鋳型長辺銅板
２ 円形凹溝
３ 金属体充填部
４ 鍍金層
５ 冷却水流路
６ バックプレート

Claims (5)

1. 水冷式銅鋳型の内壁面であって、メニスカスよりも上方の任意の位置から、定常鋳造時の鋳片引き抜き速度に対して下記の（１）式を満足する距離Ｌ₀以上メニスカスよりも下方の位置までの内壁面の範囲に、銅の熱伝導率に対してその熱伝導率を３０％以下とする金属に該金属よりも更に熱伝導率の低い非金属粒子が分散添加されて成る低熱伝導金属体が前記内壁面に設けた円形凹溝または擬似円形凹溝の内部に充填されて形成された、直径２〜２０ｍｍまたは円相当径２〜２０ｍｍの複数個の金属体充填部をそれぞれ独立して有し、
   前記金属体充填部での前記低熱伝導金属体の充填厚みは、前記円形凹溝または前記擬似円形凹溝の深さ以下で且つ０．３ｍｍ以上であって、前記金属体充填部の直径または円相当径に対して下記の（２）式の関係を満足し、
   且つ、前記金属体充填部を形成させた銅鋳型内壁面に、前記金属体充填部の充填厚みの０．５倍以下の厚みのニッケル系合金の鍍金層が設けられていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
   Ｌ₀＝２×Ｖｃ×１０００／６０ …（１）
   ０．３≦Ｈ≦０．５×ｄ …（２）
   但し、（１）式において、Ｌ₀は、メニスカスからの距離（ｍｍ）、Ｖｃは、定常鋳造時の鋳片引き抜き速度（ｍ／ｍｉｎ）であり、また、（２）式において、Ｈは、低熱伝導金属体の充填厚み（ｍｍ）、ｄは、金属体充填部の直径（ｍｍ）または円相当径（ｍｍ）である。
2. 前記金属体充填部同士の間隔が、該金属体充填部の直径または円相当径に対して下記の（３）式の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。
   Ｐ≧０．２５×ｄ …（３）
   但し、（３）式において、Ｐは、金属体充填部同士の間隔（ｍｍ）、ｄは、金属体充填部の直径（ｍｍ）または円相当径（ｍｍ）である。
3. 前記低熱伝導金属体の非金属粒子の含有量が１０〜５０体積％であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の連続鋳造用鋳型。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の連続鋳造用鋳型を用い、タンディッシュ内の溶鋼を前記連続鋳造用鋳型に注入して溶鋼を連続鋳造することを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
5. 前記溶鋼は、炭素含有量が０．０８〜０．１７質量％の中炭素鋼であることを特徴とする、請求項４に記載の鋼の連続鋳造方法。

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