JP6874908B2 - 薄肉鋳片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一対の冷却ドラムと一対のサイド堰によって形成された溶鋼溜まり部に溶鋼を供給して薄肉鋳片を製造する薄肉鋳片の製造方法に関する。
本願は、２０１８年６月１２日に、日本に出願された特願２０１８−１１１９１９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

金属の薄肉鋳片を製造する装置として、内部に水冷構造を有し互いに逆方向に回転する一対の冷却ドラムを備え、一対の冷却ドラムと一対のサイド堰によって形成された溶鋼溜まり部に溶鋼を供給し、前記冷却ドラムの周面に凝固シェルを形成及び成長させ、一対の冷却ドラムの外周面にそれぞれ形成された凝固シェル同士をドラムキス点で圧着して所定の厚さの薄肉鋳片を製造する双ドラム式連続鋳造装置が提供されている。このような双ドラム式連続鋳造装置は、各種金属において適用されている。

上述の双ドラム式連続鋳造装置においては、例えば特許文献１に示すように、冷却ドラムの上方に配置されたタンディッシュから浸漬ノズルを介して溶鋼溜まり部に溶鋼が連続的に供給され、回転する冷却ドラムの周面上で溶鋼が凝固成長して凝固シェルが形成され、各冷却ドラムの周面に形成された凝固シェルがドラムキス点で圧着され、薄肉鋳片が製出される。

ところで、上述の双ドラム式連続鋳造装置を用いて製造される薄肉鋳片においては、溶鋼が凝固時に急冷されることから、凝固組織が、両面の表層から１／２厚部に向かう柱状晶を有する。鋼種や鋳造条件によっては、１／２厚部に等軸晶が形成されることもある。
従来、一般的には、例えば特許文献１に示すように、金属組織を均質化するために、等軸晶を積極的に生成することが志向されている。

また、特許文献２においては、鋳型壁が鋳片と同期して移動する連続鋳造装置によってオーステナイト系ステンレス鋼薄帯状鋳片を鋳造する方法において、鋳型壁面の押し付け力を制御することによってＮｉ負偏析の発生を抑制し、冷延及び冷間加工後の鋼板に見られる斑点状、千鳥配置の霜降り状光沢むらを防止する製造方法が提案されている。

日本国特開平０２−０９２４３８号公報 日本国特開２００３−２８５１４１号公報

ところで、等軸晶を挟んで凝固シェル同士を圧着させると、粒間に閉じ込められた液相が凝固収縮して、マイクロポアが発生する場合がある。マイクロポアとは、直径３００μｍ〜１００μｍ程度の空孔であり、加工時の破壊起点となることで、強度や靭性等の機械特性等に悪影響を及ぼすものである。
一方、柱状晶からなる凝固シェル同士を圧着させると、液相が排出されて柱状晶同士が密着するためマイクロポアが発生しない。従って、マイクロポアに起因する機械特性の低下を防ぐ観点からは、等軸晶率が低く、柱状晶率が高い薄肉鋳片が望まれている。

双ドラム式連続鋳造装置を用いて製造された薄肉鋳片において、柱状晶率を全体的に高めようとしても、等軸晶の生成状況が安定しておらず、局所的に等軸晶率が５％以上となり、柱状晶率が９５％未満となるような箇所が生じることがあった。
連続鋳造する薄肉鋳片において、マイクロポアに起因する欠陥箇所が生じると、その対策として、薄肉鋳片にさらなる熱間圧延などを加えて、マイクロポアを圧着する必要がある。その工程増加により、生産効率を著しく低下させることになる。このため、全域にわたって柱状晶率が高く安定した薄肉鋳片が望まれていた。

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、鋳片の全域にわたって柱状晶率が高い薄肉鋳片を安定して製造することができる薄肉鋳片の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、回転する一対の冷却ドラムと一対のサイド堰によって形成された溶鋼溜まり部に溶鋼を供給し、前記冷却ドラムの周面に凝固シェルを形成及び成長させて薄肉鋳片を製造する薄肉鋳片の製造方法であって、前記溶鋼の炭素含有量は０．０２ｍａｓｓ％以下であって、一対の前記冷却ドラムの押し付け力Ｐ（ｋｇｆ／ｍｍ）、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、前記冷却ドラムの半径Ｒ（ｍ）が、０．９０≦Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５≦１．３０を満足するように、一対の前記冷却ドラムの押し付け力Ｐを設定する。

この構成の薄肉鋳片の製造方法においては、冷却ドラムの押し付け力Ｐ、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、前記冷却ドラムの半径Ｒ（ｍ）によって定義されるＰ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が１．３０以下とされているので、ドラムの押し付け力Ｐが過剰に高くなることが抑制され、等軸晶の発生及び成長を抑制することができる。よって、全域にわたって安定して等軸晶の少ない薄肉鋳片を製造することができる。
一方、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が０．９０以上とされているので、凝固シェル同士を確実に圧着することができ、安定して薄肉鋳片を製造することが可能となる。
また、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、冷却ドラムの半径Ｒ（ｍ）を考慮して一対の冷却ドラムの押し付け力Ｐを設定しているので、実際の押し付け状況を安定させることが可能となる。

上述のように、本発明によれば、鋳片の全域にわたって柱状晶率が高い薄肉鋳片を安定して製造することが可能な薄肉鋳片の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である薄肉鋳片の製造方法を実施する際に用いられる双ドラム式連続鋳造装置の概略説明図である。 図１に示す双ドラム式連続鋳造装置の拡大説明図である。 圧延ロールによる圧延において、圧延ロールと被圧延材との接触長さと、圧延ロール半径並びに圧延による被圧延材の板厚減少量との関係を説明する図である。 実施例において鋳造状況を評価した結果を示すグラフである。 実施例において柱状晶率を評価した結果を示すグラフである。

上記課題を解決するために、本発明者ら鋭意検討した結果、双ドラム式連続鋳造装置において、等軸晶の発生機構として、以下の２つがあることを確認した。
（１）溶鋼とドラム表面の接触部（メニスカス）において生成した凝固核が、溶鋼流動によってドラム表面から剥離して結晶核となり、ドラム回転に伴って溶鋼溜まり部の下方に移動する。ここで、一対の冷却ドラムの押し付け力が一定値を上回ると、冷却ドラムの押し付けによる凝固シェルの圧着、絞り上げよって結晶核が滞留し、結晶核同士が合体して成長し、これが凝固シェル間に巻き込まれて等軸晶となる。
（２）冷却ドラムの押し付けによって凝固シェルが圧着される際に、押し付け力が過剰な場合には、圧下によって凝固シェルの先端が折損し、結晶核が発生する。そして、冷却ドラムの押し付けによる凝固シェルの圧着、絞り上げよって結晶核が滞留し、結晶核同士が合体して成長し、これが凝固シェル間に巻き込まれて等軸晶となる。

上述のように、等軸晶の発生機構においては、等軸晶の生成及び成長を促す要因は、いずれも冷却ドラムの押し付けによる凝固シェルの過剰な圧着であり、冷却ドラムの押し付け状況を適正化することによって、等軸晶の発生及び成長を抑制可能であるとの知見を得た。
ここで、冷却ドラムの外径（ドラム径）が大きいと、凝固シェルの圧着はより平板圧縮に近くなり、圧着による絞り上げや折損がより過剰となる。このため、ドラム径が大きい場合には、ドラムの押し付け力を低く抑える必要がある。
また、鋳造厚さに対応する凝固シェル厚が厚いと、冷却ドラムの周速度がより遅くなり、遊離結晶核が多数生成する。さらに、凝固シェルと溶鋼の界面の温度勾配がより小さくなり、凝固シェル先端の脆弱な部分がより厚くなるため、押し付けによる折損が過剰となる。このため、凝固シェル厚（すなわち鋳造厚さ）が厚い場合には、ドラムの押し付け力を低く抑える必要がある。

上記の知見に基づきなされた本発明の実施形態である薄肉鋳片の製造方法について、添付した図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
本実施形態において製造される薄肉鋳片１は、自動車用鋼板、耐食・耐候性鋼板、溶接管、方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板等に用いられてもよい。
また、本実施形態では、製造される薄肉鋳片１の幅が３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下の範囲内、厚さが１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とされている。

本実施形態における双ドラム式連続鋳造装置１０は、図１に示すように、一対の冷却ドラム１１、１１と、薄肉鋳片１を曲げるベンダーロール１２、１２と、薄肉鋳片１を支持するピンチロール１３、１３と、一対の冷却ドラム１１、１１の幅方向端部に配設されたサイド堰１５と、これら一対の冷却ドラム１１、１１とサイド堰１５とによって画成された溶鋼溜まり部１６に供給される溶鋼３を保持するタンディッシュ１７と、このタンディッシュ１７から溶鋼溜まり部１６へと溶鋼３を供給する浸漬ノズル１８と、を備えている。

図２に、図１における溶鋼溜まり部１６周辺の拡大説明図を示す。本実施形態である双ドラム式連続鋳造装置１０においては、図２に示すように、溶鋼溜まり部１６及び冷却ドラム１１、１１の上方には、チャンバー２０が配設されている。

次に、上述した双ドラム式連続鋳造装置１０を用いた本実施形態である薄肉鋳片の製造方法について説明する。

一対の冷却ドラム１１、１１とサイド堰１５によって形成された溶鋼溜まり部１６に、タンディッシュ１７から浸漬ノズル１８を介して溶鋼３を供給するとともに、一対の冷却ドラム１１、１１を回転方向Ｆに向けて、すなわち、一対の冷却ドラム１１、１１同士が近接する領域が薄肉鋳片１の引抜方向（図１においては下方向）に向かうように、それぞれの冷却ドラム１１、１１を回転させる。

すると、冷却ドラム１１の周面には、凝固シェル５が形成される。そして、冷却ドラム１１の周面の上で凝固シェル５が成長し、一対の冷却ドラム１１、１１にそれぞれ形成された凝固シェル５、５同士がドラムキス点ＫＰで圧着されることにより、所定厚みの薄肉鋳片１が鋳造される。

そして、本実施形態においては、一対の冷却ドラム１１、１１同士のドラムキス点ＫＰにおける押し付け力Ｐ（ｋｇｆ／ｍｍ）を、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、冷却ドラム１１の半径Ｒ（ｍ）を用いて、以下に示すように規定している。
０．９０≦Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５≦１．３０

ここで、上述のように、一対の冷却ドラム１１、１１同士の押し付け力Ｐを規定した理由について説明する。
一般に、圧延理論においては、圧延ロールによる圧延の場合、図３に示すように、ロールと圧延材の接触長さＬと、圧延ロール半径Ｒと、圧延による板厚の減少量Δｈとの関係は、
Ｌ＝（Δｈ×Ｒ）^０．５
で表される。

ここで、（Δｈ×Ｒ）^０．５が大きくなるほど、同じ圧下力で押しても接触長さＬが大きくなり、圧延効率が上がるので、圧下状態を一定にするためには、（Δｈ×Ｒ）^０．５の増加に応じて押し付け力を下げる必要がある。
本実施形態の双ドラム式連続鋳造装置１０においては、圧延による板厚の減少量Δｈは鋳造厚さＤに概ね比例する。また、圧延ロールの半径Ｒは冷却ドラム１１の半径Ｒに相当する。このため、本実施形態の双ドラム式連続鋳造装置１０において、凝固シェル５の圧着の度合いや、等軸晶の生成に繋がる凝固シェル５の折損の度合いを示す指標は、押し付け力Ｐと（Ｄ×Ｒ）^０．５の積Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５で示される。そして、全域にわたって安定して等軸晶の発生及び成長を抑制するとともに、凝固シェル５、５同士を確実に圧着するために、上述のＰ×（Ｄ×Ｒ）^０．５の適正な範囲を規定した。

ここで、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が１．３０を超えると、冷却ドラム１１、１１同士の押し付けが過剰となり、凝固シェル５の先端が折損する。また、溶鋼溜まり部１６内に浮遊する結晶核が冷却ドラム１１の押し付けによる凝固シェル５の圧着、絞り上げよって滞留し、結晶核同士が合体して成長し、これが凝固シェル５、５間に巻き込まれて等軸晶が発生及び成長するおそれがある。
すなわち、ドラム半径Ｒ（ｍｍ）と鋳造厚さＤ（ｍｍ）の積のルートである（Ｄ×Ｒ）^０．５を指標として押し付け力Ｐを制御することで、ドラムキス点ＫＰにおける凝固シェル５、５への力の伝わり方を適切にすることができ、等軸晶の発生及び成長を抑制することができる。
一方、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が０．９０を下回ると、凝固シェル５、５同士を十分に圧着できないおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５を０．９０以上１．３０以下の範囲内に設定している。
なお、等軸晶が発生及び成長をさらに抑制するためには、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５の上限を１．１以下とすることが好ましい。

このような構成の本実施形態である薄肉鋳片の製造方法によって製造された薄肉鋳片１においては、薄肉鋳片１の全域にわたり、冷却ドラム１１の１０回転毎（例えば冷却ドラム１１の半径Ｒが０．３ｍの場合は、１８．８ｍピッチ）で、薄肉鋳片１の全幅をサンプリングし、トリム代となる両端各２０ｍｍを除く幅方向の全断面の金属組織を観察した場合に、薄肉鋳片１の厚みに占める柱状晶厚の比率の最小値が９５％超えとされている。

以上のような構成とされた本実施形態である薄肉鋳片の製造方法においては、冷却ドラム１１の押し付け力Ｐ、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、冷却ドラム１１の半径Ｒ（ｍ）によって定義されるＰ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が１．３０以下とされているので、冷却ドラム１１の押し付け力Ｐが過剰に高くなることが抑制され、等軸晶の発生及び成長を抑制することができる。一方、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が０．９０以上とされているので、凝固シェル５、５同士を確実に圧着することができる。
また、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、冷却ドラム１１の半径Ｒ（ｍ）を考慮して一対の冷却ドラム１１、１１の押し付け力Ｐを設定しているので、実際の押し付け状況を安定させることが可能となる。
よって、薄肉鋳片１の全域にわたって等軸晶の少ない薄肉鋳片１を安定して製造することができる。

また、本実施形態である薄肉鋳片の製造方法によって製造された薄肉鋳片１は、上述のように、薄肉鋳片１の厚みに占める柱状晶厚の比率の最小値が９５％超えとされているので、マイクロポアに起因する機械特性の低下を防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態である薄肉鋳片１の製造方法について具体的に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、図１に示すように、ベンダーロール及びピンチロールを配設した双ドラム式連続鋳造装置を例に挙げて説明したが、これらのロール等の配置に限定はなく、適宜設計変更してもよい。

（実施例）
以下に、本発明の効果を確認すべく、実施した実験結果について説明する。

＜実施例１＞
実施形態で説明した双ドラム式連続鋳造装置を用いて、Ｃ；０．０２ｍａｓｓ％、Ｓｉ；３．５ｍａｓｓ％、Ａｌ；０．６ｍａｓｓ％、Ｍｎ；０．２ｍａｓｓ％を含有する鋼材からなる薄肉鋳片を、表１に示す条件で鋳造した。なお、ドラム幅は４００ｍｍとした。

まず、鋳造状況を目視にて評価した。評価結果を表１及び図４に示す。
そして、得られた薄肉鋳片の柱状晶率を測定した。薄肉鋳片の全域にわたり、冷却ドラムの１０回転毎（例えば冷却ドラムの半径Ｒが０．３ｍの場合は、１８．８ｍピッチ）で、薄肉鋳片の全幅をサンプリングし、トリム代となる両端各２０ｍｍを除く幅方向の全断面の金属組織を観察し、板厚に占める柱状晶厚の比率の最小値を、その鋳造における柱状晶率とした。評価結果を表１及び図５に示す。

更に、マイクロポアの平均サイズと個数密度を表１に示す。薄肉鋳片から、冷却ドラム１回転分の長さで全幅のサンプルを採り、薄肉鋳片の板面方向からＸ線透過写真を撮影した。そして、白抜けで観察されたマイクロポアに対して２次元画像処理を行い、マイクロポアの平均サイズ（μｍ）と個数密度（個／ｍ^２）を測定した。

比較例１〜４においては、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５の値が０．９０よりも小さく、鋳片の端部が欠落したり、バルジング破断が発生したりして、薄肉鋳片を得ることができなかった。凝固シェルを十分に圧着できなかったためと推測される。
比較例５〜９においては、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５の値が１．３０よりも大きく、等軸晶の発生及び成長を十分に抑制することができず、柱状晶率が低くなった。また、マイクロポアが多数生成した。

これに対して、Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５が適切な範囲とされた本発明例１〜８においては、安定して鋳造可能であるとともに、鋳片の全域にわたって柱状晶率が高くなっており、その結果マイクロポアが防止できていることが確認された。

以上のことから、本発明例によれば、鋳片の全域にわたって柱状晶率が高い薄肉鋳片を安定して製造することができることが確認された。

本発明によれば、鋳片の全域にわたって柱状晶率が高い薄肉鋳片を安定して製造することができる薄肉鋳片の製造方法を提供することができる。

１ 薄肉鋳片
３ 溶鋼
５ 凝固シェル
１１ 冷却ドラム

Claims (1)

1. 回転する一対の冷却ドラムと一対のサイド堰によって形成された溶鋼溜まり部に溶鋼を供給し、前記冷却ドラムの周面に凝固シェルを形成及び成長させて薄肉鋳片を製造する薄肉鋳片の製造方法であって、
   前記溶鋼の炭素含有量は０．０２ｍａｓｓ％以下であって、
   一対の前記冷却ドラムの押し付け力Ｐ（ｋｇｆ／ｍｍ）、鋳造厚さＤ（ｍｍ）、前記冷却ドラムの半径Ｒ（ｍ）が、
   ０．９０≦Ｐ×（Ｄ×Ｒ）^０．５≦１．３０
   を満足するように、前記一対の前記冷却ドラムの押し付け力Ｐを設定することを特徴とする薄肉鋳片の製造方法。

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