JP6866650B2

JP6866650B2 - Ｎｉ含有鋼の連続鋳造方法

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Publication number: JP6866650B2
Application number: JP2017011064A
Authority: JP
Inventors: 明人清▲瀬▼; 児島　明彦; 明彦児島; 鉄也北見; 智仁田中; 英明澤田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: JP2018118277A

Description

本発明は、Ｎｉ含有鋼の連続鋳造方法に関し、特に、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造されるＮｉ添加鋼において、表面割れの発生を防止する連続鋳造方法に関する。

鋼の靭性向上のため、鋼中にＮｉを添加することが一般に行われている。しかしながら、Ｎｉ添加鋼を垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機で鋳造する場合、鋳片表面に割れ（以下、単に表面割れともいう。）が発生する場合があり、手入れ処理などの増工程の原因となる。このような表面割れは、連続鋳造の２次冷却時に鋳片の表面温度がオーステナイト相からフェライト相へ変態する温度（γ→α変態温度）近傍（７００℃〜９００℃）になって熱間延性が低下し、このような温度範囲内にて鋳片矯正による応力を受けることにより発生する。
したがって、Ｎｉ添加鋼の生産性向上のためには、このような鋳片表面割れを防止することが課題となっている。

このような課題を解決する手段として、特許文献１には、鋳型内溶鋼のメニスカス部から鋳型下端までの鋳片の引き抜き所要時間を１分以内とし、鋳型から引き抜いた後、直ちに２次冷却を行い、１分以内に鋳片表面温度をＡ３変態温度以下まで冷却することを特徴とする鋼の連続鋳造における鋳片表面割れの抑制方法、さらに、鋳片表面温度をＡ３変態温度以下まで冷却した後、復熱させ、曲げ点および矯正点における鋳片表面温度を８５０℃以上とし、鋳型内溶鋼のメニスカス通過後２０分以内に鋳片の矯正を終了することを特徴とする鋼の連続鋳造における鋳片表面割れの抑制方法が開示されている。

特許文献２には、質量％で、Ｎｉ：５．５〜１０％を含有し、Ｃが０．１％以下、Ｓｉが０．５％以下、Ｍｎが１．０％以下であるＮｉ含有鋼を連続鋳造する方法であって、溶鋼中のＰを０．００１０％以下、Ｓを０．００１０％以下、Ａｌを０．００２〜０．０３０％、Ｎを０．００４０％以下とし、さらにＡｌとＮの％濃度積［Ａｌ］×［Ｎ］を６×１０−５未満とし、かつ鋳片の２次冷却において下記（１）式で表される鋳片の寸法比Ｒと下記（２）式で表される冷却水量の総和の比ＷＲとの関係が下記（３）式を満たす条件で鋳造することを特徴とするＮｉ含有鋼の連続鋳造方法が開示されている。
Ｒ＝Ｗ／Ｔ・・・（１）
ＷＲ＝ＷＷ／ＷＮ・・・（２）
Ｒ＜ＷＲ・・・（３）
ただし、Ｗ：鋳片の幅（ｍｍ）、Ｔ：鋳片の厚み（ｍｍ）、ＷＷ：鋳片の長辺面の冷却水量の総和（ｌ／ｍｉｎ）、ＷＮ：鋳片の短辺面の冷却水量の総和（ｌ／ｍｉｎ）

特開平９−４７８５４号公報特開平１０−１６６１２６号公報

しかし、上記の方法では、以下の問題点がある。
特許文献１記載の鋼の連続鋳造における鋳片表面割れの抑制方法では、鋳型から引き抜いた後、直ちに２次冷却を行い、１分以内に鋳片表面温度をＡ３変態温度以下に冷却するものであるが、通常よりも多量の冷却水を用いなければならず、鋳片幅方向、鋳造方向の冷却が不均一になり、表面割れが助長されるおそれがある問題がある。
特許文献２記載の連続鋳造方法では、Ｓだけでなく、Ｐ濃度も０．００１０％以下にしなければならず、精錬負荷が非常に高い問題がある。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造されるＮｉ添加鋼において、表面割れの発生を抑制することが可能な連続鋳造方法を提供することを目的とする。

ここで、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造されるＮｉ添加鋼の表面割れは、上述したように、鋳片表面温度が７００℃〜９００℃の時に矯正されるときに生じ、この時、オーステナイト粒界（以下、γ粒界と記載する場合がある）に沿って割れることが知られている。そのため、γ粒界の脆化を防止することで、割れ深さを低減することができ、手入れの必要がない浅い割れに抑制することができると着想した。
そこで、本発明者らは表面割れを抑制するべく、γ粒界を脆化させる鋼組成について鋭意検討した。その結果、鋼中のＳ濃度を制御することで、γ粒界の脆化を防止して表面割れを抑制できることを見出した。また、鋼中のＳ濃度のほかにも、Ｃａも表面割れに対して有効に作用させうることを見出した。
本発明は、得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、その要旨は以下の通りである。

［１］Ｎｉ含有鋼を、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造する方法であって、質量％で、溶鋼中のＮｉ濃度を０．２〜３％、Ｓ濃度を０．００１％以下にし鋳片の表面温度が８００℃以上で、鋳片の矯正を行なうことを特徴とするＮｉ含有鋼の連続鋳造方法。

本発明によれば、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造される高靭性のＮｉ添加鋼において、製造コストや製造工数を増加させることなく、鋼組成を制御することにより表面割れの発生を抑制できる。

本実施形態における、絞り値に及ぼす引張温度と鋼成分の影響を示す図である。

以下、本発明に係るＮｉ含有鋼の連続鋳造方法について説明する。
まず、表面割れを抑制すべくγ粒界の脆化に影響を及ぼす鋼組成について検討した結果を説明する。

上述したように、本発明者らは、垂直曲げ型または湾曲型連続鋳造機を用いて製造されるＮｉ添加鋼において、鋳片の表面に発生する表面割れを抑制するため、鋼組成について鋭意検討し、表面割れの要因となるγ粒界の脆化を防止することに着目した。その結果、鋼中のＳ濃度を０．００１％以下とすることで、Ｎｉ添加鋼の鋳片表面割れを防止できることを見出した。また、鋼中のＳ濃度が０．００１％超０．００２％以下であっても、Ｃａを０．００１％以上０．００４％以下とすることで、Ｎｉ添加鋼の鋳片表面割れを防止できることを見出した。
以下に詳細に説明する。

γ粒界を脆化させる元素について検討をおこなった結果、Ｎｉ含有鋼においてはＳが最も影響が大きいことが分かった。図１に、Ｎｉ添加鋼の絞り値に及ぼすＳ濃度と引張温度の影響を、熱間引張り試験機を用いて調査した結果を示す。鋼成分を調整したＮｉ添加鋼から直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片を採取し、２０℃／秒で１３５０℃まで加熱昇温し、１０分間保定した。５℃／秒で所定の温度まで降温し、２分保定した後、０．００５／秒のひずみ速度で引張り破断させ、絞り値を求めた。

図１に示すグラフより分かるように、０．００２％のＳを含有する鋼では引張温度がγ→α変態温度域である７００℃〜９００℃の範囲で絞り値が４０％以下となった。熱間引張り試験機で評価される絞り値が４０％以下の場合に連続鋳造鋳片で表面割れが生じると言われている。一方、Ｓ濃度を０．００１％とした場合、７００〜９００℃の絞り値は４０％超となり、鋳片の割れが生じない範囲まで延性が回復している。さらに、Ｓ濃度が０．００２％でＣａ濃度を０．００３％の場合も、７００〜９００℃における絞り値が４０％を超えている。
なお、Ｓによるγ粒界の脆化メカニズムについては十分明らかになっていないが、本発明者らは、Ｎｉ＞０．２％かつＳ＞０．００１％の場合に、γ粒界が著しく脆化することを見出した。これは、γ粒界に偏析したＮｉとＳの相互作用により、脆化を大きくしていると考えられる。

以上の調査結果をふまえ、本発明のＮｉ含有鋼の連続鋳造方法について詳細に説明する。
まず、本発明の鋼の化学組成を限定した理由を説明する（以降、「％」との表記は「質量％」である）。

＜第１実施形態＞
本実施形態のＮｉ含有鋼の連続鋳造方法は、Ｎｉ含有鋼を、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造する方法であって、質量％で、溶鋼中のＮｉ濃度を０．２〜３％、Ｓ濃度を０．００１％以下にし、鋳片の表面温度が８００℃以上で、鋳片の矯正を行なうことを特徴とする。
以下、本実施形態の鋼の化学組成を限定した理由を説明する（以降、「％」との表記は「質量％」である）。

［Ｎｉ：０．２〜３％］
鋼中のＮｉは、鋼材の強度、靭性を向上させるために添加される元素である。強度、靭性を向上させるために必要な添加量は０．２％以上である。なお、Ｎｉ濃度が０．２％未満であれば、Ｓ濃度の低減やＣａの添加を行なわずとも通常の連続鋳造において表面割れが発生することはない。
一方、３％を超えて過剰に添加すると、オーステナイト粒界酸化が大きくなり過ぎ、粒界割れの起点が発生するため、後述するＳ濃度を低減し、オーステナイト粒界の脆化を防止しても、割れ深さを低減することが困難となるため、上限は３％とする。
ここで、ＮｉはＦｅよりも貴な元素で、酸化されにくいという性質を有している。一方、γ粒界には、Ｓｉなどの酸化されやすい元素が偏析している。粒内は酸化されにくく、粒界が酸化されやすい状態にあるため、一般的には、粒界が優先的に酸化される。従って、Ｎｉ添加量が多い場合は、酸化されにくいＮｉが多いということになり、酸化されやすい元素が偏析する傾向にあるγ粒界の酸化が大きくなります。そして、このようにγ粒界だけが大きく酸化されるので、鋼板表面にあたかもノッチ（切り欠き）が入ったようになり、鋳片表面に引張り応力がかかった際に、ノッチが起点となり割れやすくなり。
以上のように、本発明においては、Ｎｉ濃度を０．２〜３％とすることが重要である。

［Ｓ：０．００１％以下］
Ｓはオーステナイト粒界を脆化させる元素であり、Ｎｉ含有鋼ではその影響が著しい。
０．００１％を超えて含有すると連鋳鋳片に手入れが必要な割れが生じるため、０．００１％以下とする。下限は０％を含む。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態のＮｉ含有鋼の連続鋳造方法は、Ｎｉ含有鋼を、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造する方法であって、質量％で、溶鋼中のＮｉ濃度を０．２〜３％、Ｓ濃度を０．００１超０．００２％以下、Ｃａ濃度を０．００１％以上０．００４％以下にし、鋳片の表面温度が８００℃以上で、鋳片の矯正を行なうことを特徴とする。
以下、本実施形態の鋼の化学組成を限定した理由を説明する。

［Ｎｉ：０．２〜３％］
Ｎｉは、上述した第１実施形態と同様に、鋼材の強度、靭性を向上させるために添加される元素であり、必要な添加量は０．２％以上である。なお、Ｎｉ濃度が０．２％未満であれば、Ｓ濃度の低減やＣａの添加を行なわずとも通常の連続鋳造において表面割れが発生することはない。
一方、３％を超えて過剰に添加すると、オーステナイト粒界酸化が大きくなり過ぎ、粒界割れの起点が発生するため、Ｓ濃度を低減し、オーステナイト粒界の脆化を防止しても、割れ深さを低減することが困難となるため、上限は３％とする。

［Ｓ：０．００１超０．００２％以下］
［Ｃａ：０．００１％以上０．００４％以下］
Ｃａは鋼中でＳと結合しやすく、容易にＣａＳを形成する。このため、γ粒界に存在するＳを低減することができる。Ｓ濃度が０．００１％超０．００２％以下である場合、Ｃａ濃度が０．００１％以上であれば、粒界を脆化させることがないため、連鋳鋳片に手入れが必要な割れが生じることもない。一方、Ｃａは沸点が低く、蒸発しやすい元素であるため、鋼中に多量に含有させることはコスト高となる。さらに、ＣａＳとしてＳを無害化する効果も飽和するため、上限を０．００４％とする。

上記の第１実施形態、第２実施形態それぞれにて説明した組成は、鋳造を開始するまでの溶鋼段階で、常法により調整することで実施できる。例えば、Ｓは、溶銑予備処理工程、転炉工程、二次精錬工程で、例えば石灰を含有するフラックスを用いることで０．００１％以下まで低減することができる。Ｃａは粉状のＣａを鋼中に吹きこむ方法やＣａ粒を充填したワイヤを鋼中に装入することで含有させることができる。

本発明に係る連続鋳造方法は、上述してきたような組成を有するＮｉ含有鋼を、垂直曲げ型連鋳機または湾曲型連鋳機を用いて鋳造する。

［鋳片の矯正を行う際の鋳片表面温度：８００℃以上］
上述したように、垂直曲げ型連鋳機または湾曲型連鋳機を用いて鋼を鋳造する場合、鋳片を矯正する際に鋳片上面に表面割れが生じるという問題がある。このため、表面割れを防止するためには、鋼が脆化する温度範囲を回避するよう二次冷却や鋳造速度を調整している。
図１に示すように本発明の方法では、引張温度が８００℃以上のときに、４０％以上の絞り値を確保することができる。これより、鋳片の矯正を行う際の鋳片表面温度を８００℃以上とする。なお、表面温度の上限については特には制限しないが、温度が高すぎと内部割れや鋳片酸化量の増大が生じるため、９００℃以下が望ましい。

また、本発明においては、鋳造速度や二次冷却の比水量（鋳片単位重量当たりの二次冷却水の量）については、鋳造速度においては、０．８〜１．５ｍｐｍ、二次冷却の比水量については、０．７〜１．５ｌ／ｋｇとすることが好ましい。

以下、実施例により本発明の効果を説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．８の化学成分を有する鋼を、それぞれ垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて鋳造した。その際、二次冷の冷却条件、鋳造速度を変更することで矯正帯での鋳片表面温度を表１に示すように変更した。
鋳造後の鋼において、鋳造方向に垂直な断面を観察し、断面内の最も深い割れの深さを測定し、指数付けをおこなった。割れ深さが０．２ｍｍ未満で手入れの必要のないものを鋳片表面割れ指数１、深さ０．２ｍｍ以上１ｍｍ未満で手入れの必要のあるものを２、深さ１ｍｍ以上で屑化しなければならないものを３とした。

Ｎｏ．１および２は化学成分、製造条件ともに本発明例であり、Ｎｏ．３および４は参考例である。いずれも、鋳片表面割れ指数は１であり、手入れも不要であった。
一方、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．１０は比較例である。Ｎｏ．５はＳ濃度が高いために、手入れが必要な割れが発生した。Ｎｏ．６はＮｉ濃度が高すぎるため、１ｍｍ以上の深い割れが発生し、屑化せざるを得なかった。Ｎｏ．７はＣａ濃度が低すぎるため、手入れが必要な割れが発生した。Ｎｏ．８は、矯正帯での鋳片表面温度が低すぎたため、１ｍｍ以上の深い割れが発生し、屑化せざるを得なかった。Ｎｏ．９は、Ｃａが０．００４％であるが、Ｓ濃度が上限を超えているため、割れが発生してしまった。Ｎｏ．１０は、割れは発生しなかったものの、Ｎｉ濃度が低すぎたため、鋼の強度・靭性が不足してしまった。

Claims

Ｎｉ含有鋼を、垂直曲げ型連続鋳造機または湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造する方法であって、質量％で、溶鋼中のＮｉ濃度を０．２〜３％、Ｓ濃度を０．００１％以下にし、鋳片の表面温度が８００℃以上で、鋳片の矯正を行なうことを特徴とするＮｉ含有鋼の連続鋳造方法。