JP6634908B2

JP6634908B2 - 連続鋳造方法

Info

Publication number: JP6634908B2
Application number: JP2016055027A
Authority: JP
Inventors: 亮西岡; 信宏岡田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: JP2017164805A

Description

本発明は、特に、外径が３００mmを超える大径サイズの丸鋳片を連続鋳造する際に、丸鋳片の中心部に発生する軸芯割れを抑制することができる方法に関するものである。

ラインパイプ事故防止の観点から、靱性と強度の両立を図るべく、ラインパイプの厚肉化のニーズが高まっている。

ラインパイプ製造用鋼材としての連続鋳造鋳片の外径が３００mm以上の大径の丸鋳片１の場合、Ｃ含有率が０．１質量％以下の炭素鋼では、γ→α膨張変態により中心部に発生する応力が大きくなり、図９の紙面左側に示す様に、最終凝固時、中心部に割れ２が発生する。この大径の丸鋳片１をシームレス製管する場合、内面を圧延することになることから、前記割れ２がシームレス製管後の軸芯割れの影響要因となる。

シームレス製管により、図９の紙面右下側に示す薄肉パイプ３を製造する場合は、圧延量が大きいので、連続鋳造した丸鋳片１の中心部に割れ２が存在しても、シームレス製管後の薄肉パイプ３の軸芯割れを無害化することが可能である。

一方、シームレス製管により、図９の紙面右上側に示す厚肉パイプ４を製造する場合は、圧延量が小さいので、前記中心部に存在する割れ２が、シームレス製管後の厚肉パイプ４に軸芯割れ５として残存する可能性が高く、パイプの中かぶれ疵が課題となっている。

従って、従来は、連続鋳造における鋳造速度を例えば１．１m／minと遅くしたり、シームレス製管時に、パイプ設計上は２本製管が可能なところを、薄肉製管を実施するために能率を落とした１本製管に変更することで、前記中かぶれ疵に対応していた。

以上の観点から、図１０に示したように、外径が１９１mm、２２５mmといった小径パイプの内質改善に対して実績のある凝固末期冷却技術を、外径が３００mm以上の大径パイプに適用することが期待されていた。なお、図１０はＣ含有率が０．０７質量％の低炭素鋼鋼管を製造した場合の例である。

凝固末期冷却技術とは、例えば特許文献１，２で提案されているように、連続鋳造鋳片６の最終凝固位置で表層部の収縮速度が中心部の収縮速度を上回るように急冷することで、中心部に圧縮応力を作用させて軸芯割れを抑制する技術である（図１１参照）。なお、図１１中の７は連続鋳造鋳片６の最終凝固位置に配置されたスプレーノズルのノズルチップであり、このノズルチップ７から例えば気液混合ミストを噴射して連続鋳造鋳片６の表面を急冷する。

しかしながら、外径が３００mmを超える大径の丸鋳片を連続鋳造する場合、従来の凝固末期冷却技術のように鋳造速度を制御するだけでは、凝固末期冷却の適正範囲が非常に狭いので、連続鋳造機での適用が不可能であった。従って、外径が３００mmを超える大径の丸鋳片を連続鋳造する場合には、凝固末期冷却技術の適用は不可能と考えられていた。

特開２００４−３３０２５２号公報特許第４３０１０８１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、外径が３００mmを超える大径の丸鋳片を連続鋳造する場合には、凝固末期冷却技術の適用は不可能と考えられていたという点である。

本発明の目的は、外径が３００mmを超える大径の丸鋳片を連続鋳造する場合にも、凝固末期冷却技術の適用を可能にして、丸鋳片の中心部に発生する軸芯割れを抑制することである。

すなわち、本発明は、
Ｃ含有率が０．１質量％以下の溶鋼から外径が３００mm以上、３６０mm以下の丸鋳片の表面を、凝固末期に、前記丸鋳片の半径方向内側に向かって等間隔に配置したノズルチップから噴射する気液混合ミストによって周方向に均一に急冷して連続鋳造する方法であって、
鋳造速度を１．１５m／min以上に制御することに加えて、前記丸鋳片の外径に応じて、凝固末期における冷却水流量を制御することを最も主要な特徴としている。

その際、前記気液混合ミストによる急冷は、前記丸鋳片の外径をｘ（mm）、ノズルチップの総数をｎ（個）とした場合、
冷却水の総流量Ｑ（リットル／min）が、下記(1)式で求められる上限流量Ｑmax（リットル／min）以下で、
かつ、
前記ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´（リットル／min）が、下記(2)式で求められる上限流量Ｑmax´（リットル／min）以下で行う。

その際、加えて、冷却水の総流量Ｑ（リットル／min）が、下記(3)式で求められる下限流量Ｑmin（リットル／min）以上で、かつ、前記ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´（リットル／min）が、下記(4)式で求められる下限流量Ｑmin´（リットル／min）以上とすることが望ましい。

Ｑmax＝−0.0002ｘ³＋0.2344ｘ²−89.831ｘ＋11593…(1)
Ｑmax´＝（−0.0002ｘ³＋0.2344ｘ²−89.831ｘ＋11593）／ｎ…(2)
Ｑmin＝0.0156ｘ²−11.154ｘ＋2119.1…(3)
Ｑmin´＝（0.0156ｘ²−11.154ｘ＋2119.1）／ｎ…(4)

上記本発明では、鋳造速度を１．１５m／min以上に制御することに加えて、丸鋳片の外径に応じて凝固末期冷却流量を適正範囲に制御することで、外径が３００mm以上、３６０mm以下の大径の、Ｃ含有率が０．１質量％以下の炭素鋼の丸鋳片であっても、中心部に発生する軸芯割れを効果的に抑制することができる。

本発明では、外径が３００mm以上、３６０mm以下の大径の、Ｃ含有率が０．１質量％以下の炭素鋼の丸鋳片であっても、丸鋳片の中心部に発生する軸芯割れを効果的に抑制することができる。

適正条件で凝固末期冷却を実施した場合における内質改善原理を、凝固末期冷却が過冷却となった場合及び凝固末期冷却を実施しない場合と比較して説明する図で、（ａ）は凝固末期冷却の冷却水流量を適正条件で実施した場合、（ｂ）凝固末期冷却の冷却水流量が過剰になって過冷却となった場合、（ｃ）は凝固末期冷却を実施しない場合である。状態図から見たγ→α膨張変態領域を説明する図である。丸鋳片の連続鋳造機と凝固末期冷却設備の概要図である。外径が３１０mmの丸鋳片を連続鋳造した時の凝固末期冷却の冷却水の総流量の影響を示した図である。凝固末期冷却を実施しない場合の鋳片を説明する図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。凝固末期冷却が過冷却となった場合の鋳片を説明する図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。適正条件で凝固末期冷却を実施した場合の鋳片を説明する図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。丸鋳片の凝固末期冷却の最適流量範囲を外径別に示した図である。連続鋳造した丸鋳片の最終凝固部に発生した割れが薄肉パイプと厚肉パイプを製管した場合に与える影響について説明する図である。凝固末期冷却の効果の一例を示した図である。凝固末期冷却の原理を説明する図である。

本発明では、外径が３００mm、３６０mm以下の大径の丸鋳片を連続鋳造する場合にも、凝固末期冷却技術の適用を可能にするという目的を、鋳造速度を１．１５m／min以上に制御することに加えて、丸鋳片の外径に応じて、凝固末期における冷却水流量を制御することで達成した。

図１は冷却水流量を変化させた場合の凝固末期冷却の原理を説明する図である。
冷却水流量が適正範囲の場合、丸鋳片１の表層部の冷却速度が中心部の冷却速度よりも速くなって、表層部の収縮量が中心部の収縮量より多くなることで、図１（ａ）に示すように、中心部分の未凝固部１ａに圧縮応力が発生し、軸芯割れが抑制される。

しかしながら、冷却が過冷却となって丸鋳片１の表層部の温度がＡ₃変態点以下になった場合、図２に示すように、丸鋳片１の表層部でγ→α膨張変態（約９％膨張）が起こって、図１（ｂ）に示すように、丸鋳片１の中心部の未凝固部１ａに過大な引張応力が発生し、貫通孔状の欠陥が発生する。

一方で、凝固末期冷却を実施しない場合や冷却水流量が不足した場合、丸鋳片１の表層部の冷却速度が中心部の冷却速度よりも遅くなって、表層部の収縮量が中心部の収縮量より少なくなることで、図１（ｃ）に示すように、中心部に引張応力が発生し、その結果、軸芯割れが発生する。

本発明は、発明者らが上記の凝固末期冷却の原理を考慮し、各種の実験を行った結果に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、
Ｃ含有率が０．１質量％以下の溶鋼から外径が３００mm以上、３６０mm以下の丸鋳片を、凝固末期に前記丸鋳片の表面を周方向に均一に急冷して連続鋳造する際に、
鋳造速度を１．１５m／min以上に制御することに加えて、前記丸鋳片の外径に応じて、凝固末期における冷却水流量を制御するものである。

本発明で、Ｃ含有率が０．１質量％以下の溶鋼から外径が３００mm以上、３６０mm以下の丸鋳片を連続鋳造する場合とするのは、このような丸鋳片の連続鋳造時には、γ→α膨張変態により中心部に影響する応力が大きくなり、最終凝固時に中心部に割れが発生するからである。

また、本発明で、丸鋳片の表面を周方向に均一に急冷するのは、冷却が周方向に不均一な場合、冷却が不均一な位置を起点として鋳片曲がりが発生し、操業トラブルの発生につながるからである。

本発明における前記丸鋳片の表面の急冷は、前記丸鋳片の半径方向内側に向かって等間隔に配置したノズルチップから噴射する気液混合ミストによって行うことが望ましい。この場合、丸鋳片の表面を周方向に均一に急冷するには、ノズルチップを周方向に等間隔に１２個以上設置することが望ましい。

その際、前記気液混合ミストによる急冷は、前記丸鋳片の外径をｘ（mm）、ノズルチップの総数をｎ（個）とした場合、
冷却水の総流量Ｑ（リットル／min）が、
下記(1)式で求められる上限流量Ｑmax（リットル／min）以下、及び／又は、下記(3)式で求められる下限流量Ｑmin（リットル／min）以上で、
かつ、
前記ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´（リットル／min）が、
下記(2)式で求められる上限流量Ｑmax´（リットル／min）以下、及び／又は、下記(4)式で求められる下限流量Ｑmin´（リットル／min）以上で行うことが望ましい。

冷却水の総流量Ｑを上記(1)式で規定する上限流量Ｑmax以下とするのは、この上限流量Ｑmaxを超える流量となった場合、丸鋳片の表層部が過冷却状態となって、γ→α膨張変態が発生する結果、丸鋳片の中心部に変態に伴う大きな引張応力が発生し、逆に丸鋳片中心部の欠陥を肥大化させるからである。

また、ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´を上記(2)式で規定する上限流量Ｑmax´以下とするのは、丸鋳片の表層部が周方向において局所的に急冷されることを避けるためである。

また、冷却水の総流量Ｑを上記(3)式で規定する下限流量Ｑmin以上とするのは、丸鋳片の中心部に発生する欠陥を抑制するためには、この下限流量Ｑminが最低限必要な圧縮力を付与するために必要な流量だからである。

また、ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´を上記(4)式で規定する下限流量Ｑmin´以上とするのは、丸鋳片の連続鋳造時における最小凝固範囲が狭く、当該領域で圧縮力を付与するために最低限必要な流量だからである。

以下、本発明をなすために発明者らが実施した実機試験の結果について説明する。
図３は実機試験に使用した丸鋳片１の連続鋳造機と凝固末期冷却設備の概要図であり、１１は浸漬ノズル、１２は鋳型、１３は二次冷却帯、１４は凝固末期冷却用ミストスプレーノズルを示す。

図３に示した凝固末期冷却設備を備えた丸鋳片の連続鋳造機を用いて、下記表１に示す化学成分の溶鋼を用いて、外径が２２５mm、３１０mm及び３６０mmの丸鋳片を製造し、凝固末期冷却の最適冷却流量の影響を調査した。

凝固末期冷却は、ミストスプレーノズル１４を円周方向に等間隔で１２個配置したものを１２リング（ノズルチップの総数は１４４個）、丸鋳片１の最終凝固範囲（メニスカスから３０〜３５m下流側の範囲）に設置して行った。また、実機試験時の鋳造速度は、従来の丸鋳片の連続鋳造時に適用する凝固末期冷却において適用したものとした。

試験に供した丸鋳片の外径、凝固末期冷却における冷却水の総流量Ｑ（リットル／min）、ミストスプレーノズル１４のノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´（リットル／min）、平均鋳造速度（m／min）と、製造した丸鋳片の内質評価を下記表２に示す。

丸鋳片の外径が２２５mm、３１０mm、３６０mmの場合の、最大凝固冷却の上限流量Ｑmax（リットル／min）、下限流量Ｑmin（リットル／min）、ノズルチップ１個当たりの上限流量Ｑmax´（リットル／min）、下限流量Ｑmin´は以下の通りである。

・丸鋳片の外径が２２５mmの場合
上限流量Ｑmax＝９６９．４（リットル／min）
下限流量Ｑmin＝３９９．２（リットル／min）
ノズルチップ１個当たりの上限流量Ｑmax´＝６．７３（リットル／min）
ノズルチップ１個当たりの下限流量Ｑmin´＝２．７７（リットル／min）

・丸鋳片の外径が３１０mmの場合
上限流量Ｑmax＝３１３．０（リットル／min）
下限流量Ｑmin＝１６０．５（リットル／min）
ノズルチップ１個当たりの上限流量Ｑmax´＝２．１７（リットル／min）
ノズルチップ１個当たりの下限流量Ｑmin´＝１．１１（リットル／min）

・丸鋳片の外径が３６０mmの場合
上限流量Ｑmax＝３００．９（リットル／min）
下限流量Ｑmin＝１２５．４（リットル／min）
ノズルチップ１個当たりの上限流量Ｑmax´＝２．０９（リットル／min）
ノズルチップ１個当たりの下限流量Ｑmin´＝０．８７（リットル／min）

表２に記載した内質評価は、カラーチェックの染み出し径で評価し、凝固末期冷却を実施しなかった場合よりもカラーチェックの染み出し径が小さい場合（５mm以下）は内質が改善されたものと判断して○とした。一方、凝固末期冷却を実施しなかった場合とカラーチェックの染み出し径が同等の場合（６mm以上、２０mm以下）は△、凝固末期冷却を実施しなかった場合よりもカラーチェックの染み出し径が大きい場合（２１mm以上）は内質が悪化したものと判断して×とした。

本発明の効果の代表例として、外径が３１０mmの丸鋳片を製造した場合の凝固末期冷却の結果を図４に示す。

図４より、外径が３１０mmの丸鋳片を製造した場合、凝固末期冷却の冷却水の総流量が１７１，２００，３００（リットル／min）の場合は、凝固末期冷却を実施しなかった場合（凝固末期冷却の冷却水の総流量が０（リットル／min）の場合）よりもカラーチェックの染み出し径が小さくなっており、内質が改善されている。

一方、凝固末期冷却の冷却水の総流量が１００（リットル／min）の場合は、凝固末期冷却を実施しなかった場合とカラーチェックの染み出し径が同等で、内質の改善は見られなかった。反対に、凝固末期冷却の冷却水の総流量が４００，６００（リットル／min）の場合は、凝固末期冷却を実施しなかった場合よりもカラーチェックの染み出し径が大きくなっており、内質が悪化している。

図５〜図７は凝固末期冷却の条件別の鋳片を説明する図である。
凝固末期冷却を実施しない場合は、図５に示すように、丸鋳片の中心部に等軸晶の充填による軸芯割れが発生している。

また、凝固末期冷却が過冷却の場合は、図６に示すように、丸鋳片の中心部の内質が悪化している。

これに対して、凝固末期冷却が適正に実施された場合は、丸鋳片の中心部に圧縮応力が発生し、図７に示すように、中心部の軸芯割れが抑制されて内質が改善されている。

図８に丸鋳片の凝固末期冷却の最適流量範囲を外径別に示す。また、実機試験結果を基に凝固計算によって求めた外径毎の上限流量及び下限流量を示す。なお、上限流量はγ→α変態を回避する温度（貫通孔が発生しない温度）となるように求めた。また、下限温度は凝固末期冷却の効果を発揮するための最低流量から求めた。

図８より明らかなように、凝固末期冷却の冷却水の総流量が、上限流量と下限流量の間の最適流量範囲であれば、外径が３００mm以上、３６０mm以下の大径の丸鋳片を連続鋳造した場合であっても、カラーチェックの染み出し径は５mm以下で、内質改善効果が発揮された。

一方、凝固末期冷却の冷却水の総流量が、下限流量より少ない場合は、外径の大きさに関係なく、カラーチェックの染み出し径は６mm以上、２０mm以下で、内質改善効果がなかった。

また、凝固末期冷却の冷却水の総流量が、上限流量より多い場合は、カラーチェックの染み出し径は２１mm以上で、凝固末期冷却を実施しない場合よりも内質は悪化した。

また、丸鋳片の外径が３００mm以上となると、凝固末期冷却の流量によっては貫通孔状の欠陥が発生する可能性があり、図８よりわかるように、凝固末期冷却の流量が〇印で示した効果を発揮できる範囲が狭くなる。

本発明では、これを克服すべく、〇印で示した効果を発揮できるような式（１）〜（４）を求め、外径が３００mm以上、３６０mm以下の丸鋳片の中心部に発生する軸芯割れを抑制できるようにした。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば本発明は、上記実験で使用した化学成分の溶鋼に限らず、Ｃ含有率が０．１質量％以下の溶鋼であれば、同様の効果を得ることができる。

１丸鋳片
１４凝固末期冷却用ミストスプレーノズル

Claims

Ｃ含有率が０．１質量％以下の溶鋼から外径が３００mm以上、３６０mm以下の丸鋳片の表面を、凝固末期に、前記丸鋳片の半径方向内側に向かって等間隔に配置したノズルチップから噴射する気液混合ミストによって周方向に均一に急冷して連続鋳造する方法であって、
鋳造速度を１．１５m／min以上に制御することに加えて、前記丸鋳片の外径に応じて、凝固末期における冷却水流量を制御する際、
前記気液混合ミストによる急冷は、前記丸鋳片の外径をｘ（mm）、ノズルチップの総数をｎ（個）とした場合、
冷却水の総流量Ｑ（リットル／min）が、下記(1)式で求められる上限流量Ｑmax（リットル／min）以下で、かつ、前記ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´（リットル／min）が、下記(2)式で求められる上限流量Ｑmax´（リットル／min）以下であることを特徴とする丸鋳片の連続鋳造方法。
Ｑmax＝−0.0002ｘ³＋0.2344ｘ²−89.831ｘ＋11593…(1)
Ｑmax´＝（−0.0002ｘ³＋0.2344ｘ²−89.831ｘ＋11593）／ｎ…(2)
前記気液混合ミストによる急冷は、前記丸鋳片の外径をｘ（mm）、ノズルチップの総数をｎ（個）とした場合、
冷却水の総流量Ｑ（リットル／min）が、下記(3)式で求められる下限流量Ｑmin（リットル／min）以上で、かつ、前記ノズルチップ１個当たりの流量Ｑ´（リットル／min）が、下記(4)式で求められる下限流量Ｑmin´（リットル／min）以上であることを特徴とする請求項１に記載の丸鋳片の連続鋳造方法。
Ｑmin＝0.0156ｘ²−11.154ｘ＋2119.1…(3)
Ｑmin´＝（0.0156ｘ²−11.154ｘ＋2119.1）／ｎ…(4)