JP6973617B2 - 鋼の連続鋳造方法及び連続鋳造用の圧下ロール - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造方法及び連続鋳造用の圧下ロールに関する。
本願は、２０１８年３月８日に、日本に出願された特願２０１８−０４１６２０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

連続鋳造方法によってスラブやブルームなどの鋳片を鋳造する場合に、鋳片の中心部にリンやマンガン等の成分が偏析する、いわゆる中心偏析が発生することがある。また、鋳片中心部にはセンターポロシティと呼ばれる空孔が発生する。

連続鋳造中の凝固末期において、鋼が凝固する際の凝固収縮に伴って、鋳片内の所定体積に占める鋼量が不足する。未凝固溶鋼が流動可能である鋳片部位では、未凝固溶鋼が最終凝固部の凝固完了点に向かって流動し、固液界面の不純物濃化溶鋼が最終凝固部に集積し、これが中心偏析の原因となる。また、未凝固溶鋼が流動できない位置（鋳片中心固相率が０．８以上）では、鋳片中心部に空隙が生じ、センターポロシティの原因となる。

中心偏析を軽減するためには、厚さ中心が固液共存領域であって未凝固溶鋼が流動可能である領域において、溶鋼の凝固収縮量に見合った分だけ凝固シェルを圧下することにより、最終凝固部付近の溶鋼流動を抑えることが有効となる。また、センターポロシティを軽減するためには、未凝固溶鋼が流動できない凝固完了位置付近又は完全凝固後の鋳片を圧下してセンターポロシティを圧着することが有効となる。このような考え方に基づき、連続鋳造末期の凝固完了前後においてサポートロールによって鋳片を圧下する軽圧下技術が用いられている。

連続鋳造中に凝固が完了する前後において鋳片を圧下しようとするとき、すでに鋳片の両短辺側は凝固が完了して温度も低下しているために圧下に伴う変形抵抗が大きく、所定の圧下量が得られないことがあった。そこで、ロールの直径がロール幅方向に一定であるロール（以下「フラットロール」という。）を用いるのではなく、鋳片幅中央部に対応する部分のロール直径が大きく、鋳片幅両側に対応する部分のロール直径が幅中央部に比較して小さい形状のロール（以下「凸型ロール」という。）を用い、鋳片の凝固が完了した両短辺側は圧下せず、鋳片幅中央部のみを圧下する技術が開発された。

特許文献１には、凸平面の幅２００ｍｍ−２４０ｍｍの凸型クラウン（平面）ロールを用い、未凝固状態の鋳片に圧下を加えることで、１段あたり０．５ｍｍ−１０．０ｍｍの圧下を施すことで中心偏析の発生を軽減可能であることが記されている。しかし、この発明では鋳片内部に未凝固部が残存していることを前提としており、要求される設備要件は過少となる傾向がある。また、凝固収縮による中心部キャビティ補償を主眼としていることから、鋳片中心部への圧下付与が、十分に最適化されていないという問題点がある。

さらに、未凝固領域での軽圧下の圧下量を増大すると、内部割れの問題や逆Ｖ偏析発生の問題があるため、軽圧下量を少なくせざるを得ず、センターポロシティの減少には不十分な結果になっている。

特許文献２には、センターポロシティを減少させるロール圧下方法として、鋳片が完全凝固した後でその切断前に、該鋳片の表面温度が７００℃以上１０００℃以下で、該鋳片の内部中心と表面との温度差が２５０℃以上となる領域を、回転する上下ロールで挟んで圧下する連続鋳造方法が開示されている。圧下部位では表層側に対して内部側が高温のため相対的に軟らかくなっており、鋳片の表面に加えた圧下力を鋳片の内部まで伝達させることができる。圧下ロールとして用いる凸型ロールは、幅方向の中央に水平部、水平部の両側に水平部に連接する傾斜部を備えた圧下用突出領域を有する。水平部の幅（圧下幅）が鋳片幅の４０％以下であると好ましいとしている。圧下量は鋳片の厚さの２％以上が好ましいとしている。

特許文献３には、圧下ロールとして少なくとも１箇のクラウンロールを設けて、鋳片の中央部及びその近傍を圧下する連続鋳造方法が開示されている。鋳片の凝固殻の生成割合が７５％以上に相当する区域内においてクラウンロールで鋳片を圧下し、圧下された内部の未凝固部分の濃化溶鋼が上部に押上げ排除されるとしている。クラウンの形状は、鋳片幅方向中心部及びその近傍を圧下可能な形状であればよい、としており、図面には、ロール幅方向中心部が外側に膨出する形状の圧下ロールが記載されている。１段当たり圧下量は最大３ｍｍとしている。

日本国特開２００３−９４１５４号公報 日本国特開２００９−２７９６５２号公報 日本国特開昭６０−１６２５６０号公報

連続鋳造中の鋳片を圧下する場合、特に凝固完了後の鋳片を圧下する場合において、圧下ロールとしてフラットロールではなく凸型ロールを用いることにより、鋳片幅両端部の圧下抵抗が大きい部分の圧下を行わないことになる。このため、圧下を実現するための圧下ロールの圧下力を軽減することができる。しかし、従来の凸型ロールを用いるとしても、センターポロシティ低減を実現するために十分な圧下を行おうとすると、必要圧下力が過大となり、圧下力確保には大規模な設備増強が必要となる。また、凸型ロールを用いて圧下を行う結果として、連続鋳造後の鋳片には表面に凹みが形成され、この凹み部が原因となって、後工程の熱間圧延において疵の原因となることがあった。

本発明は、大規模な設備増強を行うことなく、連続鋳造鋳片のセンターポロシティを軽減することができ、併せて後工程の熱間圧延での疵発生を軽減できる、鋼の連続鋳造方法及び連続鋳造用の圧下ロールを提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）本発明の第１態様に係る鋼の連続鋳造方法は、連続鋳造中において、鋳片の中心固相率が０．８以上であって完全凝固後を含む位置の前記鋳片を、少なくとも１対の圧下ロールによって圧下する鋼の連続鋳造方法であって、鋳造する鋳片幅をＷ（ｍｍ）、鋳片厚さをｔ（ｍｍ）とし、
前記１対の圧下ロールのうちの少なくとも一方については、ロール回転軸を含む断面におけるロール外周形状が、前記鋳片の幅方向中心位置を含む領域で外側に張り出す凸形状を有しており、
前記凸形状は、前記幅方向中心位置からロール幅方向の両側に合計で長さ０．８０×Ｗの凸形状規定範囲において、外側に凸であって角部を有しない曲線形状、又は、外側に凸の曲線と長さが０．２５×Ｗ以内の直線との組み合わせであって角部を有しない形状、のいずれかであり、
前記凸形状規定範囲の両端における圧下ロール半径に対し、前記幅方向中心位置における圧下ロール半径が０．００５×ｔ以上大きく、
前記ロール外周形状は、前記ロール回転軸に平行な直線を幅方向両端部に有しており、前記直線に滑らかに接続し、前記鋳片に接する外側に凹の曲線を有している。
（２）上記（１）において、前記圧下ロールによって圧下する鋳造方向の鋳片位置は、完全凝固後の位置であってもよい。
（３）上記（１）又は（２）において、前記１対の圧下ロールによる前記鋳片の圧下量は、前記幅方向中心位置において、０．００５×ｔ以上１５ｍｍ以下であってもよい。
（４）本発明の第２態様に係る連続鋳造用の圧下ロールは、連続鋳造中に、鋳片幅：Ｗ（ｍｍ）、鋳片厚さ：ｔ（ｍｍ）の鋳片を圧下するための圧下ロールであって、
ロール回転軸を含む断面におけるロール外周形状が、前記鋳片の幅方向中心位置を含む領域で外側に張り出す凸形状を有しており、
前記凸形状は、前記幅方向中心位置からロール幅方向の両側に距離０．８０×Ｗの凸形状規定範囲において、外側に凸であって角部を有しない曲線形状、又は、外側に凸の曲線と長さが０．２５×Ｗ以内の直線との組み合わせであって角部を有しない形状、のいずれかであり、
前記凸形状規定範囲の両端における圧下ロール半径に対し、前記幅方向中心位置における圧下ロール半径が０．００５×ｔ以上大きく、
前記ロール外周形状は、前記ロール回転軸に平行な直線を幅方向両端部に有しており、前記直線に滑らかに接続し、前記鋳片に接する外側に凹の曲線を有している。

連続鋳造中の完全凝固後の鋳片を圧下するに際し、圧下ロールとして本発明の凸型曲線ロールを用いることにより、少ない圧下量で十分な圧下を行ってセンターポロシティを軽減できるとともに、鋳片圧下形状に起因する熱間圧延での疵を軽減できる。

第１の実施の形態に係る圧下ロールで鋳片を圧下する状況を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る圧下ロールの部分断面図である。 第１の実施の形態に係る圧下ロールの詳細部分断面図である。 従来の圧下ロールの断面図である。 第１の実施の形態について示すグラフであり、有限要素法の変形解析で求めた、鋳片表面圧下量の幅方向分布を示すグラフである。 第１の実施の形態について示すグラフであり、有限要素法の変形解析で求めた、鋳片における厚さ中心の規格化相当塑性歪みの幅方向分布を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る圧下ロールの詳細部分断面図である。 第２の実施の形態について示すグラフであり、有限要素法の変形解析で求めた、鋳片における厚さ中心の規格化相当塑性歪みの幅方向分布を示すグラフである。

図１〜図８に基づいて第１の実施の形態及び第２の実施の形態について説明する。
条用の鋼製品を製造するための素材となる鋳片１０を連続鋳造するには、ブルーム連続鋳造又はビレット連続鋳造が適用される。ブルーム連続鋳造においては、鋳造された鋳片１０の断面形状は長方形であり、例えば幅５００ｍｍ×厚さ３００ｍｍの鋳片が鋳造される。このような断面が長方形の鋳片１０を鋳造する場合、鋳片１０の厚さ中央部が完全凝固する直前の位置において、鋳片１０の未凝固部は、鋳片幅方向中心位置から幅方向両側に合計で「鋳片幅−鋳片厚さ」の範囲にわたっており、センターポロシティもこの領域で発生する。そのため、センターポロシティ対策として凸型ロール３を用いて鋳片１０を圧下する場合においても、上記センターポロシティ発生領域を確実に圧下すべく、凸型ロール３として、従来、図４に示すように、鋳片１０（不図示）の幅方向中心位置（以下、幅中心位置という場合がある。）１３に水平部２０を有するロールが用いられていた。水平部２０の幅方向両側には傾斜部２１を設け、水平部２０と傾斜部２１との接合位置は角部１５を構成している。なお、完全凝固とは、固液の割合で決定される固相率が１．０に達し、液相が存在しない状態を示し、温度が固相線温度ＴＳ以下である状態である。言い換えると、完全凝固とは、Ｃ断面（圧延方向に垂直な断面）のどの点においても温度がＴＳを下回っている状態である。鋳片が完全凝固であることは、鋳片の表面又は内部の温度を数点実測し、伝熱計算により推定した温度分布から算出した推定固相率を補正することにより確認できる。また、鋳片に鋲を打ち込み、鋲の成分が残存している液相中に拡散する場合、凝固シェルの形状が推定できるとともに完全凝固でないことを確認でき、鋲が原形を留める場合に完全凝固であることを確認できる。

本発明者は、鋳片１０を圧下する凸型ロール３において、従来の図４に示すような、水平部２０−角部１５−傾斜部２１を形成するロールではなく、凸型ロール３の外周面とロール回転軸１２を含む断面とが交差する部分であるロール外周形状１１を、図１から図３に示すような、外側に凸であって角部を有しない曲線形状とすることにより、鋳片１０のセンターポロシティを確実に軽減しつつ、圧下に要する圧下力を軽減し、さらに後工程の熱間圧延での疵発生を軽減できるのではないかと着想した。以下、水平部２０−角部１５−傾斜部２１を有する凸型ロール３を「凸型ディスクロール５」、外側に凸であって角部を有しない曲線形状を構成する凸型ロール３を「凸型曲線ロール４」と呼ぶ。なお、「角部を有する」とは、実質的には、ロール外周形状を規定する関数の二階微分値（関数の接線の傾きの変化率）が、半径１０ｍｍの円弧で定義される関数の二階微分値よりも大きくなる箇所が存在することとみなすことができる。「滑らかに接続する」とは、ロール外周形状を規定する関数の二階微分値が０となる変曲点を有し、変曲点の前後で二階微分値が連続することとして定義できる。

まず、有限要素法を用いた変形解析により、上記凸型ディスクロール５と凸型曲線ロール４のそれぞれを用いて、同一の圧下力で連続鋳造中の鋳片１０を圧下したときに、鋳片表面と鋳片厚さ中央部がどのように変形するか、変形挙動を求めた。連続鋳造する鋳片１０は幅Ｗが５５０ｍｍであり、鋳片１０の縦横比（幅／厚さ）が１．３である。凸型ディスクロール５は、図４に示すように、幅中央に０．４×Ｗの幅を有する水平部２０を有し、水平部２０の両側に傾斜１７°の傾斜部２１を設けている。凸型曲線ロール４は、図３に示すように、ロール回転軸１２を通る断面におけるロール外周形状１１が、円弧半径Ｒ₁が０．８×Ｗの円弧形状１８としている。どちらの凸型ロール３も、幅中心位置１３のロール半径ｒ_Cは０．８×Ｗである。凸型ディスクロール５は、圧下量１０ｍｍまでは水平部２０と傾斜部２１のみで鋳片１０に接している。凸型曲線ロール４は、圧下量１０ｍｍまでは円弧形状１８のみで鋳片１０に接している。図１に示すように、圧下ロール対（１対の圧下ロール１，２）のうち、Ｆ側（下側）の圧下ロール２はフラットロールであり、Ｌ側（上側）の圧下ロール１にそれぞれの凸型ロール３を用いている。

圧下を行う位置の鋳片内部の温度分布として、完全凝固した位置から３分後(１０ｍ)の位置における温度分布を設定した。最終凝固部の幅方向範囲は０．２×Ｗの範囲であり、この範囲が、センターポロシティ発生領域となる。鋳片表面温度は８５０℃、厚さ中心部・幅中心部の温度は１４００℃であった。

凸型ディスクロール５と凸型曲線ロール４のそれぞれについて、圧下力を１００トン重（９８０．６６５ｋＮ）として圧下力を付与し、有限要素法による変形解析を行った。変形解析の結果として、鋳片表面の圧下量（ｍｍ）と、鋳片１０の厚さ中心部における塑性歪み（規格化相当塑性歪み）について解析を行った。鋳片幅方向の寸法については、幅中央部を原点とし、Ｗ／２が１となるように規格化し、ｘで表示した。

相当塑性歪みとは、単軸方向の塑性歪み（ε₁ ^p，ε₂ ^p，ε₃ ^p）から（式１）のε^Bで定義され、３次元変形における歪みを単軸変形に換算しスカラー量化したものである。今回の解析では、歪みが大きいほど圧下による内部変形量が多くなり、ポロシティ低減効果も大きくなるとの考えに基づいている。このため解析モデルのメッシュごとに相当塑性歪みを算出し、ロール形状毎に厚さ中心部の変形量を出力することで、圧下効率を評価した。さらに、規格化相当塑性歪みとは、相当塑性歪みε^Bについて、凸型ディスクロールを用いて圧下したときの幅中心位置１３の相当塑性歪みの値が１となるように規格化したものである。
ε^B＝√[(2/3){(ε₁ ^p)²＋(ε₂ ^p)²＋(ε₃ ^p)²}] （式１）

図５は、有限要素法の変形解析で求めた、鋳片表面圧下量の幅方向分布を示すグラフである。図５に示すように、同じ圧下力１００トン重を付与したにも関わらず、幅中心位置１３の表面圧下量は、凸型ディスクロール５が４ｍｍ程度、凸型曲線ロール４が９ｍｍ程度であった。一方、幅中心位置１３から距離が離れるに従って、凸型ディスクロール５は圧下量が一定であるのに対し、凸型曲線ロール４は圧下量が減少し、幅中心位置１３から距離ｘ＝０．３付近で表面圧下量が同一となり、それよりも外側からｘ＝０．４まで凸型ディスクロール５の方が大きな表面圧下量となっている。凸型ディスクロール５、凸型曲線ロール４のいずれも、それぞれのロールの外形形状にならった表面圧下量が実現されている。

図６は、有限要素法の変形解析で求めた、鋳片における厚さ中心の規格化相当塑性歪みの幅方向分布を示すグラフである。図６に示すように、驚くべきことに、幅方向の全域にわたって、凸型ディスクロール５に比較して凸型曲線ロール４の方が、規格化相当塑性歪みの値が大きな値となっている。幅中心位置１３については、表面圧下量は、凸型曲線ロール４の方が大きいのであるから、厚さ中心部における規格化相当塑性歪みも大きな値となることは予想のとおりである。一方、幅中心位置１３から距離ｘ＝０．３を超える領域においては、表面圧下量において凸型ディスクロール５の方が大きいのであるから、厚さ中心部における規格化相当塑性歪みについても凸型ディスクロール５の方が大きくなると予想されるところ、有限要素法による変形解析では予想に反し、幅方向端部に至るまで凸型曲線ロール４の方が厚さ中心部における規格化相当塑性歪みが大きくなるという結果であった。

以上の有限要素法による変形解析の結果からは、実際の連続鋳造において凸型ロール３を用いた圧下によってセンターポロシティ低減を図るに当たり、同一の圧下力であれば、圧下ロール１として、凸型ディスクロール５よりも凸型曲線ロール４を用いた方が、改善効果が大きいであろうことが示唆された。

そこで、実際の連続鋳造において、連続鋳造用の圧下ロール１として凸型ディスクロール５と凸型曲線ロール４のそれぞれを用いたときの、鋳片１０のセンターポロシティ軽減効果の比較を行った。鋳造する鋳片１０の縦横比（幅／厚さ）は１．３である。鋳片１０の幅をＷ（ｍｍ）とする。圧下ロール１として、凸型ディスクロール５は、幅中央に０．４×Ｗの幅を有する水平部２０を有し、水平部２０の両側に傾斜１７°の傾斜部２１を設けている。凸型曲線ロール４は、ロール回転軸１２を通る断面におけるロール外周形状１１が、円弧半径Ｒ₁が０．８×Ｗの円弧形状１８としている。どちらの凸型ロール３も、幅中心位置１３におけるロール半径ｒ_Cは０．８×Ｗである。またどちらの凸型ロール３も、幅両側のフラット部分におけるロール半径ｒ_Fは０．６５×Ｗである。どちらも、圧下ロール対のＦ側の圧下ロール２にはフラットロールを用いている。

連続鋳造中において、最終凝固位置から３分後位置(１０ｍ)において圧下ロールに１００トン重の圧下力を付加し、鋳片１０の圧下を行った。鋳造した鋳片１０の表面形状と、鋳片厚さ中央部のセンターポロシティ発生状況について評価を行った。

鋳片１０の上面側には、いずれも凸型ロール３の凸部に起因する凹みが形成されていた。鋳片１０の幅両端部の厚さと幅中央部の厚さを比較すると、凸型ディスクロール５による凹み量は約４ｍｍであり、凸型曲線ロール４による凹み量は約９ｍｍであった。凹み形状は、いずれも凸型ロール３の外形形状にならった形状となっていた。

鋳片１０のセンターポロシティについては、鋳片断面のカラーチェックにより算出したポロシティ面積率を指標として評価を行った。その結果、凸型ディスクロールはポロシティ面積率が３％、凸型曲線ロール４はポロシティ面積率が０．３％との結果が得られた。凸型曲線ロール４を用いることによるセンターポロシティ改善効果が明らかである。

以上のとおり、連続鋳造中に圧下ロールによって鋳片１０を圧下するに際し、圧下ロールとして第１の実施の形態に係る凸型曲線ロール４を用いることにより、同じ圧下力において、凸型ディスクロール５を用いる場合と比較してセンターポロシティ改善効果が優れていることが明らかとなった。また、センターポロシティ改善効果を同一の程度とする場合には、凸型ディスクロールに比較して凸型曲線ロール４の方が、少ない圧下力で同じ効果が得られることも明らかとなった。

次に、本実施形態に係る圧下ロール１である凸型曲線ロール４が具備すべき要件について、以下、第１の実施の形態、第２の実施の形態の順で説明する。

第１の実施の形態において、図１から図３に基づいて説明する。圧下ロール１は、ロール回転軸１２を通る断面におけるロール外周形状１１が、以下の形状を具備している。まず、ロール外周形状１１は、鋳片１０の幅方向中心位置（幅中心位置１３）を含む領域で外側に張り出す凸形状を構成する。外側とは、ロール外周がロール回転軸１２から遠ざかる方向である。このような形状を構成することにより、幅中心位置１３においてロール半径ｒ_Cが最大となり、鋳片１０を圧下したときに鋳片表面の圧下量は幅中心位置１３が最大となる。次に、幅中心位置１３からロール幅方向の両側に合計で長さ０．８０×Ｗの範囲を「凸形状規定範囲１４」とする。凸型ロール３を用いた鋳片１０の圧下において、鋳片１０の幅両端部は変形抵抗が大きいため、圧下を行わないことが特徴である。前記凸形状規定範囲１４あるいはこれより狭い幅において鋳片１０を圧下することとすれば、必要な圧下量を確保しつつ圧下に要する圧下力を低く抑えることができる。そのため、凸形状規定範囲１４内において圧下ロール１の凸形状を定めておけば、第１の実施の形態により、良好な圧下を行うことができる。凸形状規定範囲１４内における凸形状は、外側に凸であって角部を有しない曲線形状とする。外側に凸とは、ロール回転軸１２から遠ざかる方向に凸との意味である。さらに、鋳造する鋳片１０の厚さをｔ（ｍｍ）とし、凸形状規定範囲１４両端における圧下ロール半径ｒ_Eに対し、幅中心位置１３におけるロール半径ｒ_Cが０．００５×ｔ以上大きい。これにより、圧下ロール１で鋳片１０を圧下するに際し、圧下ロール１の凸形状規定範囲１４全体が鋳片１０を圧下するようにすれば、幅中心位置１３における鋳片１０の圧下量を０．００５×ｔ以上とすることができる。幅中心位置１３におけるロール半径ｒ_Cは、０．０１０×ｔ以上大きいことがより好ましい。

凸形状規定範囲１４内における凸形状のうちで最も簡潔にして効果的な形状として、図３に示すように、単一の円弧半径Ｒ₁を有する円弧形状１８とすることができる。このとき、凸形状規定範囲１４内のロール外周形状１１は、凸形状規定範囲１４の長さ部分を弦３１とする弓形形状を構成する。凸形状規定範囲１４の長さ（弦３１の長さ）をｓ、弓形の半径をＲ、弓形の弧３２の高さ（凸形状規定範囲１４の両端における圧下ロール半径ｒ_Eと幅中心位置１３におけるロール半径ｒ_Cとの差）をｈとしたとき、以下の関係が成立する。弓形の中心角を２θとする。
ｈ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ） （式２）
ｓ＝２Ｒ・ｓｉｎθ （式３）
これらの式から、以下の式が導かれる。
ｃｏｓθ＝（ｓ²−４ｈ²）／（ｓ²＋４ｈ²） （式４）
従って、まず、目標とするｓとｈを定め、上記（式４）にｓとｈを代入することよってθを定め、さらに（式２）又は（式３）にθを代入してＲを定めることができる。例えば、ｓ＝１５０ｍｍ、ｈ＝９ｍｍを目標とする場合、上記式に代入することにより、Ｒ＝３１６ｍｍと導き出すことができる。

凸形状規定範囲１４内における凸形状としては、上記単一の円弧半径Ｒ₁を有する円弧形状１８の他、放物線形状、楕円形状、双曲線形状、場所によって半径が異なる円弧を滑らかに接続した形状などから、任意に選択することができる。凸形状を構成する、角部を有しない曲線形状において、曲線の曲率半径は最小でも１×ｈ以上とすると好ましい。これにより、凸形状が曲線であることによる第１の実施の形態の効果を十分に発揮することができる。曲線の最小曲率半径については、後述の第２の実施の形態においても同様である。

圧下ロール１の凸形状規定範囲１４の外側で幅方向端部側のロール外周形状１１については、特に規定するものではない。好ましくは、ロール外周形状１１を、直線状又は角部を有しない曲線状とする。圧下ロール１の幅方向両端部のロール形状を、ロール回転軸１２に対して略平行な外周面を有する円筒形状（Cylindrical configuration）２２とする場合、ロール外周形状１１は、凸形状規定範囲１４から幅方向両端部の円筒形状２２の位置に至るまで、直線と曲線の組み合わせであって角部を有しない滑らかな形状とすると好ましい。ロール外周形状１１において、円筒形状２２の位置から凸形状規定範囲１４に向けて推移する部分は、ロール回転軸１２から離れる方向となる外側に凹の曲線とすると良い。このように、ロール外周形状１１は、ロール回転軸１２に平行な直線を幅方向両端部に有しており、その直線に滑らかに接続する、外側に凹の曲線を有している。

圧下ロール１のロール外周形状１１として最も簡潔にして効果的な形状は、図３に示すように、凸形状規定範囲１４とその外の両側の所定の範囲（半径Ｒ₁範囲２３）については単一の円弧半径Ｒ₁の円弧形状１８である。さらにその両側の半径Ｒ₂範囲２４については、単一の円弧半径Ｒ₂の円弧形状１９であって外側に凹の形状を円滑に接続し、最終的にフラットロールの円筒形状２２の直線に滑らかに接続する形状を採用することができる。したがって、ロール外周形状１１のいずれの部位にも角部が存在しないので、圧下ロール１でのロール圧下量が増大して、幅方向におけるロールでの圧下範囲が凸形状規定範囲１４を超え、凸形状規定範囲１４から幅方向両端部の円筒形状２２に接続する直前における外側に凹の曲線の部分に至るまでの圧下を行う場合においても、圧下後の鋳片表面のいずれの部位についても、角が形成されない滑らかな表面とすることができる。さらに、フラットロールの円筒形状２２部が鋳片１０に接するまでの圧下を行う場合においても、圧下後の鋳片表面のいずれの部位についても、角が形成されない円滑な表面とすることができる。このように、ロール圧下量が大きくても、圧下後の鋳片表面のいずれの部位についても、角が形成されない円滑な表面とすることができる。その結果、連続鋳造に続く後工程の熱間圧延において、凸型ロール３で圧延したために生成した鋳片１０の凹形状に起因する圧延疵が発生することを軽減できる。円弧半径Ｒ₂は、鋳片１０に圧延疵が発生することを軽減する観点から、５ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がより好ましく、１００ｍｍ以上が更に好ましい。

圧下ロール１での圧下制御を行う圧下制御装置において、圧下変位量を目標とする変位量に制御できる装置（圧下変位制御ができる装置）を用いることとすれば、圧下量を圧下ロール１の上記ｈ以下の値に制御することができる。その結果、圧下時に鋳片１０に接するロール表面は、凸形状規定範囲１４内に収めることができる。凸形状規定範囲１４内は、角部を有しない曲線形状であるため、圧下後の鋳片表面にも接平面の角度変化が急峻な凹みが形成されず、後工程の熱間圧延時に疵発生の原因となることがない。

一方、圧下制御装置として圧下変位制御ができない装置を用いる場合には、凸形状規定範囲１４を外れる位置におけるロール外周形状１１を、上記最も簡潔にして効果的な形状を採用すると好ましい。圧延ロールのロール外周形状１１には、凸形状規定範囲１４及びその両側であって円筒形状２２部分まで続くいずれの部位についても角部を有しない滑らかな形状である。そのため、圧下力が大きいために幅両端のフラットロール部まで鋳片１０に接するような圧下が行われたとしても、圧下後の鋳片表面には、疵の原因となるような接平面の角度変化が急峻な形状が形成されることがない。
よって、少ない圧下量で十分な圧下を行ってセンターポロシティを軽減できるとともに、鋳片圧下形状に起因する熱間圧延での疵を軽減できる。

本実施形態に係る圧下ロール１である凸型曲線ロール４が具備すべき要件として、第２の実施の形態について、図７及び図８に基づいて説明する。第２の実施の形態において、圧下ロール１は、ロール回転軸１２を含む断面におけるロール外周形状１１が、以下の形状を具備している。即ち、前記第１の実施の形態においては、凸形状規定範囲１４内における凸形状として、外側に凸であって角部を有しない曲線形状と定めていた。これに対して第２の実施の形態では、凸形状規定範囲１４内における凸形状として、外側に凸の曲線１６と長さが０．２５×Ｗ以内の直線１７との組み合わせであって角部を有しない形状と定める。以下、このように定めた根拠について説明する。

上記第２の実施の形態についても、有限要素法を用いた変形解析によってその有効性を確認した。ロール外周形状１１として、図７に示すように、凸の曲線１６と直線１７との組み合わせについて、凸の曲線は円弧半径Ｒ₁が０．８×Ｗの円弧形状１８とし、直線１７は、幅中心位置１３を中心にしてロール軸に平行に任意の長さの直線部を設け、円弧形状１８と直線１７とを滑らかに接続した。直線１７の長さを種々に設定した上で、圧下力を１００トン重として圧下力を付与し、有限要素法による変形解析を行った。変形解析の結果として、鋳片１０の厚さ中心部における塑性歪み（規格化相当塑性歪み）について解析を行った。その結果を図８に示す。直線１７の長さＤについて、図中にＤ／Ｗで表記している。Ｄ／Ｗが大きくなるほど、即ち直線１７の長さＤが長くなるほど、幅方向全域において厚さ中心部の規格化相当塑性歪みは減少するものの、直線１７の長さＤが０．２５×Ｗ以下の範囲であれば、凸型ディスクロール５よりも良好な規格化相当塑性歪みの値を実現できることがわかった。そこで、このような圧下ロール１の形状を第２の実施の形態とした。
よって、少ない圧下量で十分な圧下を行ってセンターポロシティを軽減できるとともに、鋳片圧下形状に起因する熱間圧延での疵を軽減できる。

第２の実施の形態に係る凸型曲線ロール４が、従来の凸型ディスクロール５に比較して、同一の圧下力でもセンターポロシティを良好に改善できたメカニズムについて検討する。凝固後圧下によるポロシティ低減は、圧下によりポロシティ生成領域への歪みが付与され、ポロシティが圧着されることによる。歪み付与量は、原則として圧下量が増えるほど増加する。特に表面部分の歪みは、幅方向の押し込み量が直接反映されるため、凸型曲線ロール４と従来の凸型ディスクロール５を比較したときに、幅方向で見ると、凸型ディスクロール５が鋳片表面での歪み付与量で上回る箇所が存在する。一方で、歪みが厚さ中心へ浸透するに従い、歪みは幅方向へも拡散する。このため、厚さ方向中心部の歪み量は、曲線部で大きく圧下量を稼ぐことが可能な凸型曲線ロール４が優位となることから、全幅で凸型曲線ロール４が勝るという解析結果となったと考えられる。

第２の実施の形態に係る鋼の連続鋳造方法は、上記第２の実施の形態に係る圧下ロール１を用い、連続鋳造中において、鋳片１０の中心固相率が０．８以上であって完全凝固後を含む位置の鋳片１０を、少なくとも１対の圧下ロール１によって圧下するものである。鋳片１０の中心固相率が０．８以上であれば、鋳片厚さ中心部の残溶鋼の流動困難領域となっているので、圧下を行ったとしても、内部割れの問題や逆Ｖ偏析発生の問題が発生しづらい。１対の圧下ロール１のうちの少なくとも一方については、上記第２の実施の形態に係る圧下ロール１を用いる。なお、中心固相率は、Ｃ断面における鋳片厚さ方向の中心で、かつ、鋳片幅方向の中心の固相率と定義できる。中心固相率は、中心温度を熱電対で直接測温する方法、伝熱計算による推定、鋲打ちによる推定等により測定できる。

圧下ロール１によって圧下する鋳造方向の鋳片位置は、完全凝固後の位置であるとより好ましい。完全凝固後の位置において鋳片１０を圧下することにより、内部割れの問題や逆Ｖ偏析発生の問題を発生させることなく、センターポロシティの圧着消滅を図ることができる。完全凝固後の鋳片１０を圧下するに際し、鋳造下流側の圧下位置好適範囲限界は、幅中心表面温度が６５０℃以上の領域である。幅中心表面温度が６５０℃未満であると、温度低下により鋳片１０が硬化し、ロール形状によらず、十分な圧下が困難となるためである。
連続鋳造中の圧下位置を定めるにあたり、中心固相率が０．８となる位置、完全凝固位置、完全凝固後の圧下位置好適範囲限界位置のそれぞれについては、連続鋳造中における鋳片表面の温度測定、鋳片１０の伝熱凝固計算を組み合わせることによって定めることができる。

鋳片形状が、幅：５５０ｍｍ、厚さ：４００ｍｍのブルームを鋳造する湾曲型のブルーム連続鋳造において、実施例を適用した試験を行った。鋳造速度０．４ｍ／分において、凝固完了位置が鋳造長で２０ｍの位置であった。Ｆ面ロールはフラットロール、Ｌ面ロールが凸型ロール３である１対の圧下ロール１を準備し、鋳造長で３０ｍの位置で圧下を行った。圧下力は１００トン重とした。

従来型の凸型ディスクロール５としては、図４に示すように、幅中心位置１３の水平部２０の長さが２００ｍｍ、その両側に角部１５を介して角度１７°の傾斜部２１を有する。水平部２０のロール半径は、幅両端のフラットロール部のロール半径よりも２０ｍｍ大きい。

実施例の凸型曲線ロール４としては、図３に示すように、凸形状規定範囲１４（幅中心位置１３からロール幅方向の両側に合計で長さ０．８０×Ｗの範囲）を含んで半径が４３０ｍｍ一定の円弧形状１８であり、凸形状規定範囲１４両端における圧下ロール半径ｒ_Eに対し、幅中心位置１３におけるロール半径ｒ_Cが６０ｍｍ大きいロールを用いた。幅中心位置１３のロール半径ｒ_Cは４００ｍｍである。凸形状規定範囲１４内の円弧形状１８は、凸形状規定範囲１４の外側まで継続し（半径Ｒ₁範囲２３）、その後、円弧半径Ｒ₂＝１００ｍｍで外に凹の円弧形状１９（半径Ｒ₂範囲２４）と滑らかに接続し、最終的にロール半径ｒ_Fが３４０ｍｍの円筒形状２２を有するフラットロール部に滑らかに接続している。

鋳片１０のセンターポロシティについては、前述のとおり、鋳片断面のカラーチェックにより算出したポロシティ面積率を指標として評価を行った。圧下ロール１として凸型ディスクロール５を用いた従来例は、センターポロシティ面積率が３％以上となった。凸型曲線ロール４を用いた実施例では、センターポロシティ面積率は０．３％であった。このように、本実施形態による連続鋳造鋳片のセンターポロシティを軽減する効果を確認できた。

実施例と従来例の鋳片を、一般的な熱延プロセスとして熱間圧延を行った。鋳片の表面形状に起因する製品不良率について比較した結果、従来例の鋳片においては製品不良率が５％程度であったものが、実施例の鋳片１０を用いた結果、製品不良率が０．５％以下まで低減した。このように、本実施形態による熱間圧延での疵を軽減する効果を確認できた。

本発明の鋼の連続鋳造方法及び連続鋳造用の圧下ロールは、各種鋼製品の素材となる鋳片の連続鋳造に利用可能である。

１ 圧下ロール
２ 圧下ロール
３ 凸型ロール
４ 凸型曲線ロール
５ 凸型ディスクロール
１０ 鋳片
１１ ロール外周形状
１２ ロール回転軸
１３ 幅方向中心位置（幅中心位置）
１４ 凸形状規定範囲
１５ 角部
１６ 曲線
１７ 直線
１８ 円弧形状
１９ 円弧形状
２０ 水平部
２１ 傾斜部
２２ 円筒形状
２３ 半径Ｒ₁範囲
２４ 半径Ｒ₂範囲
３１ 弦
３２ 弧
Ｗ 鋳片幅
ｒ_C 幅中心位置の圧下ロール半径
ｒ_F 幅端部の圧下ロール半径
ｒ_E 凸形状規定範囲の両端の圧下ロール半径
Ｒ₁ 円弧半径
Ｒ₂ 円弧半径
ｈ 弓形の弧の高さ
ｓ 弓形の弦の長さ
θ 弓形の中心角の半分
Ｒ 弓形の半径

Claims (4)

1. 連続鋳造中において、鋳片の中心固相率が０．８以上であって完全凝固後を含む位置の前記鋳片を、少なくとも１対の圧下ロールによって圧下する鋼の連続鋳造方法であって、鋳造する鋳片幅をＷ（ｍｍ）、鋳片厚さをｔ（ｍｍ）とし、
   前記１対の圧下ロールのうちの少なくとも一方については、ロール回転軸を含む断面におけるロール外周形状が、前記鋳片の幅方向中心位置を含む領域で外側に張り出す凸形状を有しており、
   前記凸形状は、前記幅方向中心位置からロール幅方向の両側に合計で長さ０．８０×Ｗの凸形状規定範囲において、外側に凸であって角部を有しない曲線形状、又は、外側に凸の曲線と長さが０．２５×Ｗ以内の直線との組み合わせであって角部を有しない形状、のいずれかであり、
   前記凸形状規定範囲の両端における圧下ロール半径に対し、前記幅方向中心位置における圧下ロール半径が０．００５×ｔ以上大きく、
   前記ロール外周形状は、前記ロール回転軸に平行な直線を幅方向両端部に有しており、前記直線に滑らかに接続し、前記鋳片に接する外側に凹の曲線を有している
   ことを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
2. 前記圧下ロールによって圧下する鋳造方向の鋳片位置は、完全凝固後の位置であ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。
3. 前記１対の圧下ロールによる前記鋳片の圧下量は、前記幅方向中心位置において、０．００５×ｔ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋼の連続鋳造方法。
4. 連続鋳造中に、鋳片幅：Ｗ（ｍｍ）、鋳片厚さ：ｔ（ｍｍ）の鋳片を圧下するための圧下ロールであって、
   ロール回転軸を含む断面におけるロール外周形状が、前記鋳片の幅方向中心位置を含む領域で外側に張り出す凸形状を有しており、
   前記凸形状は、前記幅方向中心位置からロール幅方向の両側に距離０．８０×Ｗの凸形状規定範囲において、外側に凸であって角部を有しない曲線形状、又は、外側に凸の曲線と長さが０．２５×Ｗ以内の直線との組み合わせであって角部を有しない形状、のいずれかであり、
   前記凸形状規定範囲の両端における圧下ロール半径に対し、前記幅方向中心位置における圧下ロール半径が０．００５×ｔ以上大きく、
   前記ロール外周形状は、前記ロール回転軸に平行な直線を幅方向両端部に有しており、前記直線に滑らかに接続し、前記鋳片に接する外側に凹の曲線を有している
   ことを特徴とする連続鋳造用の圧下ロール。

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