JPH0215856A - 連続鋳造金属製品の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、連続鋳造中に製品の中央部に生じる大きな偏
析を減少、あるいは消滅させる冷却方法に関するもので
ある。

この冷却方法は、連続鋳造が困難であるといわれている
凝固区間が広い鉄鋼製品、例えば炭素含有量がほぼ０．
２５〜１．５％である鉄鋼製品の連続鋳造に応用した場
合に特に有利である。

従来の技術 以下の記述を分かり易くするため、凝固中の金属は同心
状の３つの部分、すなわち、溶融金属の液体の核と、そ
れを囲む柔らかい状態の環状の部分と、さらにそれを囲
む既に凝固した外側の殻または皮とから成っていると考
える。上記の「柔らかい状態」とは、金属が液相線と固
相線の間の温度にあって液体金属と固体結晶とが適当な
割合で共存する状態を意味する。

製品の引き抜きの間、製品は連続鋳造装置の間をゆっく
り進んで、その間に周辺部から中央部に凝固が進んでい
く。上記の液体の核と柔ろかい環状の部分とは、頂点が
連続鋳造装置の底の方向を向いた円錐形をしている。こ
れら互いに同心で且つ組織が異なる各部分の界面は、通
例、凝固開始部および凝固終了先端部とよばれる各部分
によってそれぞれ構成されている。凝固が進んだ段階で
は、（凝固開始部のプールの底の部分で）液体の核が消
滅し、凝固した殻と柔らかい状態の環状の部分のみが残
り、さらに凝固が進んだ段階では、柔らかい状態の環状
の部分も消滅して（凝固終了先端部のプールが閉じられ
て）、製品が完全に凝固する。

鋳造中の製品の凝固と冷却は、通常、連続鋳造装置の３
つの連続した領域、すなわち、引き抜き中の製品の進行
方向に沿った下記の３つの領域で行われる： （１）鋳型。ここでは、液体金属が循環水で強力に冷却
されている熱伝導性の良い壁と接する。この第１冷却領
域と呼ばれる領域では凝固殻の形成が始まり、この凝固
殻によって上記液体の核が取り囲まれる。また、製品は
一応最終的な形状となる。

（２）「第２冷却領域」と呼ばれる領域。この領域は上
記鋳型の直下から始まり、その長さはその局部的な条件
により異なる。この領域では、進行中の製品の凝固殻に
冷却液（通常、水または空気と水との混合気）がスプレ
ーされ、凝固開始部と凝固終了先端部とが製品の内側に
向かって進むのが加速される。しかし、水の噴霧が終わ
った位置でも製品は完全に凝固しておらず、製品の核は
液状のままである。

（３）上記第２冷却領域に続く部分。ここでは、進行中
の製品にスプレーがされず、自然冷却される。製品の核
の凝固が完了するのはこの領域である。

湯もれの危険を制限し、しかも、連続鋳造装置の生産性
に直接影響する製品の引き抜き速度を大幅に増加させる
ために、鋳型および鋳型から抜けた後に製品を強制冷却
するため、凝固殻の厚さは急激に増加する。

さらに、鉄の場合、炭素のような合金成分の溶解度は、
鉄が固体の状態のときの方が鉄が液体の状態のときより
も低い。そのため、柔らかい環状の部分では、炭素のよ
うな合金成分の濃度は液中で局部的に異なっている。従
って、柔らかい環状の部分で炭素に富む液体の移動があ
ると、完全に凝固した製品の中心部に「偏析」領域と呼
ばれる炭素（および／または他の偏析元素）の濃度が他
の部分よりかなり高い領域の存在となって顕れる。

他の合金元素も炭素と同様な挙動を示す。この偏析領域
の位置は、通常「バウマンプリンティング」試験と呼ば
れる試験を行うことによって調べることができる。この
試験では、製品の磨いた断面における硫黄の分布位置を
求めることができる。これらの偏析領域は金属組織学的
腐蝕によって位置を求めてることができる。いずれにせ
よ、この偏析領域は製品の機械的特性の均一性に不利な
影響を及ぼす。すなわち、製品中心部の炭素濃度が相対
的に高いと、圧延後の製品の中心部が他の部分よりも固
くなる。

この現象は、合金元素の濃度が高い鋼において特に顕著
であり、炭素濃度が０．５〜１．５％である一般に凝固
区間が広い鋼と呼ばれている、例えばフランス国家規格
（ＮＦ規格’）　１００　Ｃ５級軸受鋼（日本工業規格
Ｊ　Ｉｓ　Ｇ　４８（１５　ＳＵＪ　　２に相当）で顕
著である。この鋼製品の長袖に沿って採られた試料の「
バウマンプリント」は、鋼製品の軸線の周辺の偏析が「
Ｖ字型」になっていることを示す。なお、この偏析の生
成する機構は完全には明らかでない。

偏析した液体をより広い領域に拡散させるために、金属
の柔らかい凝固領域に電磁撹拌を行うことによってこの
問題を解決するために試みられている。しかし、この場
合には、その結果は確かに改善されるが、この現象の原
因を実際に解決するものではない。さらに、この方法で
は最低１個の誘導撹拌装置と相当な運転コストが必要に
なる。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、連続鋳造製品の核の高燗折領域をその
生成の原因を直接処理することによって減少、あるいは
消滅させる簡単で且つ安価な解決方法を提供することに
ある。本発明の方法は、柔らかい凝固領域の終端部での
電磁撹拌と置き換えるか、または、この電磁撹拌と同時
に用いることができる。

課題を解決するための手段 この目的を達成するための本発明による連続鋳造中の金
属製品、特に鋼の冷却方法は、金属製品が柔らかい凝固
の相にあるときに金属製品を強制冷却し、この冷却を、
柔らかい核とそれを囲む既に完全に凝固した殻との間の
熱収縮率の差により、常に殻が核を圧縮する効果を及ぼ
すよう行われることを特徴としている。

この冷却は、このような冷却を行っていない場合に、製
品の柔らかい核の冷却速度が製品の表面の冷却速度を超
えている点と、柔らかい核の冷却中の熱機械的挙動が凝
固した外殻の熱機械的挙動と一致する点との間の領域で
実行される。

本発明は、事実上凝固した外殻を冷却中の核の縮小に従
って機能するハイス（万力）として用いるところにある
ことが理解されるであろう。換言すれば、殻が核に対し
て何の作用も及ぼしていない場合には、形成された環状
部分の内径がより速く収縮するだけで、柔らかい核の直
径は収縮しない。上記のバイスは、連続鋳造装置の下側
部分、すなわち、従来は金属製品を自然冷却していた部
分における金属製品表面の冷却を単に加速することで熱
的に機能するものである。

作用 既に指摘したように、鋳造製品の中心部に「Ｖ字型」偏
析が生成する原因は、完全には明らかにされておらず、
また、説明されていないが、本発明者達は最も可能性の
高い以下の仮説を考えた。

本発明はこの仮説に基づいてなされたものである。

以下、この仮説の概略を説明する。

第２冷却領域を通過すると、液状の核が事実上一定の温
度であるにも関わらず金属製品の表面は急速に冷却され
る。金属製品が自然冷却領域に進むと、表面はもはやス
プレーされていないので、その冷却はかなりゆっくりに
なる。他方第２冷却領域の通常の長さを考えると、核（
このときは柔らかい状態である）の温度が実質的に低下
する傾向となるのは金属製品の大部分が既に自然冷却領
域に入っているときである。

金属製品の内部の柔らかい部分は、それをそれを取り囲
んでいる固体の層より速く冷却され、より大きな熱応力
を受ける。それによって発生した機械的な応力は、それ
以前には柔らかかった中心ブロックにヒビ割れが生じる
ことで開放され、このヒビの中に高偏析した液体が吸引
により入り込む。

そのため、完全に凝固した金属製品では、これらのヒビ
割れの位置が、上述の欠点に通じる合金元素の高い濃度
の部分に対応する。

炭素のような合金元素含有量が高い鋼、例えば１００　
Ｃ６のような鋼の場合には、凝固の開始する温度と終了
する温度との差が比較的大きいため、柔らかい部分の凝
固は、低合金鋼よりも広い領域で起こるであろう。液相
と固相との間の元素の偏析をより高い感度で捕らえられ
るならば、このことによって、合金鋼の品質が連続鋳造
製品の軸線の周辺の偏析領域の生成位置で低下する理由
を説明することができよう。極端な場合には、このよう
な欠点により十分な品質の最終製品を得ることが不可能
になり、連続鋳造による生産を断念することが求められ
る。

実施例 本発明がどのようにして、固体の殻に熱収縮を起こさせ
て、中心部の高偏析領域に起因する内部割れの生じた金
属製品を抑制するは容易に理解されたであろう。しかし
、添付図面を参照した以下の詳細な説明により、本発明
はより明確に理解され、またその他の特徴および利点も
明らかになるであろう。

第１図は、従来の設計の鉄鋼半製品用の湾曲形連続鋳造
装置の概略を図示したものである。

第２図は、第１図の装置に、本発明に従って鉄鋼半製品
の凝固の終端領域に冷却ランプを付加した装置を表した
ものである。

第３図は、連続鋳造装置の下部を進行する際の鉄鋼半製
品の表面および核の冷却速度の変化の例を示し、鉄鋼半
製品の凝固の終端領域に冷却装置を備えた場合と、冷却
装置がない場合の両方の場合が示されている。

第１図は、従来の連続鋳造装置の縦断面の概略であり、
特に凝固中の状態にある金属製品を示している。ここで
は、図示されていないとりべから溶鋼１がタンデイツシ
ュ２に注がれる。溶鋼１は、強力に水冷されている銅ま
たは銅合金の壁面を具備した１個または複数の鋳型３に
流れ込む。これらの鋳型のそれぞれまたは第１冷却領域
■において、製品４の凝固はその外周から始まり、製品
はこのように一応最終段階の形状となる。第１図に示さ
れている鋳型は曲がっており、その曲がりは製品に反映
する。まっすぐな製品を生産するまっすぐな鋳型が、工
業的に使用されている場合も見られる。第２冷却領域■
は、鋳型３の直下から始まり、製品４はその全長に亘っ
て噴霧器５のランプでスプレーされるが、その長さは装
置により異なる。噴霧器は、製品の周囲全体を通常はス
プレー水または噴霧水である冷却液でスプレーする。

従来の装置は、ここに図示したように、次に自然冷却領
域■が続き、製品を冷却する手段を備えていない。装置
のさらに下方の部分には、製品を真っ直ぐな形状にする
ための整形手段（不図示）と製品を適当な長さに切断す
る手段（不図示）がある。

第１図では、鋳造中の製品の内部の複数の同心の部分が
、その部分に含まれる材料の物理的状態に対応して区別
できるようになっている。装置の上部（例えば領域■）
にある製品の断面には、３つの連続する部分があること
がわかる。核（６の部分）では、金属は完全に液相であ
り、この領域の断面積は製品が凝固するにつれて減少し
、液体井戸（プール）の閉じる点７の後にはもはや液相
の金属は単独では見られない。液状の核６の周囲は、凝
固中の金属に相当する柔らかい部分８で、液相と固相の
両方の金属を含む。後者の割合は、温度が下がるに連れ
て増加する。柔らかい部分の周囲は、殻９で凝固した金
属のみを含む。凝固が終了し、プールが閉じる点１０を
超えると、この部分９は製品全体に拡がり、製品の凝固
は完了する。

第２図は、第１図の装置を本発明に従って改良した連続
鋳造装置を示す。第１図と共通な要素には、同じ参照番
号が付しである。２つの形状の違いは、従来の装置の領
域　に第２の噴霧器ランプ１１を付は加えたことにあり
、この領域　で製品の凝固が完了する。

第３図は、製品が凝固を完了する装置の領域を製品が進
行するときの表面および核の金属の温度変化速度Ｖの変
化の例を示している。進んだ距離はメニスカスすなわち
鋳型中の液体金属の表面までの距離りで表されている。

湾曲は、連続鋳造装置のユーザーが適用可能な湾曲に数
学的モデルの助けにより近似させて描かれている。これ
らは以下の鋳造条件に適応している。

一製品の形状＝１辺１（１５　ｍ＋ｎの正方形断面ビレ
ット 一製品の組成：０．７％炭素鋼 一製品の引き抜き速度：３．３ｍ／分 これらの条件のもとで、製品はメニスカスから１１．２
０ｍの距離のところで完全に凝固したが、図には直線Ｓ
で記しである。

曲線ＡおよびＢは、第１図の場合に対応し、装置の終わ
りの部分で、製品は一切の強制冷却を受けない。曲線Ａ
は、製品の表面の温度の変化速度を表している。問題と
なっている領域の長さに亘って、この速度はほぼ一定（
即ち、０．５℃／秒で低下）であることがわかる。曲線
Ｂは、製品の柔らかい核の温度の変化速度を表している
。問題の領域の最初の部分では、この温度は事実上一定
であることがわかる。柔らかい核の冷却がかなり加速さ
れるのは、メニスカスからの距離がおよそ８ｍになって
からである。メニスカスからの距離が９．５ｍを超える
と、柔らかい核の温度は、０．５℃／秒以上の速度で下
がり始め、それゆえ表面よりも速く冷えてしまう。この
ことは、表面の熱収縮よりも核の熱収縮が大きいことを
意味し、本発明者等の提唱する仮説によれば、この現象
が本発明が防ごうとする製品の製品の欠陥の原因となっ
ていた。

曲線ＣおよびＤは、第２図の場合に対応し、本発明に従
い、噴霧器１１のランプにより凝固の終了する領域■で
製品は強制冷却される。これらの曲線は、メニスカスか
らの距離が８．４０ｍ＝１１．２０　ｍの間で、１時間
、製品１　ｍ＋あたりの流量１２ｍ゛の水で製品がスプ
レーされるという前提のもとで描かれたものであり、こ
の流量は、スプレー領域全体で均一である。曲線Ｃは、
製品の表面の温度の変化速度を表し、曲線りは、製品の
柔らかい核の温度の変化速度を表す。冷却領域の上流側
では、これらの曲線はほとんど曲線ＡおよびＢと一致し
ている。冷却領域の始まった部分からは、メニスカスか
らの距離が９ｍのところで９−℃／秒を達成するように
表面の冷却は急激に加速される。その後、冷却水（流量
と温度は一定である）と製品（冷却領域を進むに従い温
度が下がる）との間の熱交換の質が徐々に悪化するため
、冷却はだんだんゆっくりになる。同時に、強制冷却は
柔らかい核の冷却を加速することになるが、この効果は
、遅れて（メニスカスからの距離が１０ｍのところで）
且つ徐々に顕れる。概して、柔らかい核の冷却が表面の
それよりも速くなるのはメニスカスからの距離がｌ１ｍ
のところである。この段階では、柔らかい核は、はぼ凝
固を完了しており、その熱機械的な挙動は、熱収縮の差
による現象を無視できるほどおよび「１字型」の偏析が
生成されないほど、完全に凝固した殻のそれに十分近く
なっている。

上記の例はもちろん、限定されたものではない。

第３図に類似した図は、所定の製品を特定の条件下で鋳
造すればどのような連続鋳造装置でも描くことができる
。

製品の柔らかい核の固体の部分が９０％に達する点を超
えたら、スプレーを続けることは無駄に感じられる。場
合によっては、固体の部分が６０％になるまでスプレー
すれば十分である。

計算に関する不確定な点を考慮すれば、計算で求められ
た凝固の終了する点をおよそ１ｍ超えた点まで強制冷却
を続けることが賢明である。第３図において、冷却ラン
プ１１が点１０を超えて延長して表されているのは、こ
のことを考慮してのこ吉である。同様に、第３図の曲線
ＡおよびＢ交点の決定に関する計算の誤差は、およそ±
１ｍである。

強制冷却を開始する点の選択には、この誤差を考慮に入
れなければならない。それゆえ、ランプ１１の最初の噴
霧器を前記の交点よりも最低１ｍ上流に配置することが
賢明である。しかしながら、このように冷却の開始を早
めることが、第３図の曲線ＣおよびＤの交差を早める原
因とならないことも必要であり、この交差は、最低柔ら
かい核の固体成分が６０％以下の点で起こらなければな
らない。

冷却水の推奨流量は、金属１　ｍｌあたりおよそ８〜１
５ｍ’／時である。好ましくは、１２ｍ’／ｍ’・時の
流量が選択される。

この方法は、鉄鋼製品の生産を目的とする全ての連続鋳
造装置に容易に適応させることができる。

特に、約０．２５〜１．５％の炭素を含有する鋼の鋳造
を目指したものである。

この方法に代わるものとして、冷却領域の最初と最後で
冷却液の流れが変わるように冷却ランプ１１を設計した
ものがある。領域全体の平均総流量の値は、上述の構成
に関して変わらない。このようにすると、冷却領域に沿
って製品から放出される熱流束をよりよく制御すること
ができ、第３図に示された製品の表面冷却の速度の減少
を遅くさせる。この方法では、凝固の完了まで核の冷却
を表面の冷却よりも速くしないように達成できる可能性
が高くなる。

一方では、本方法が適用された製品の核は、均一性に優
れているので、求める満足な冶金学的結果の再現性に好
都合であることを覚えておくべきである。この均一性は
、第２冷却領域または鋳型内においてでも液体の核の移
動を生じさせることにより達成可能であることが観測で
きる。この移動は、連続鋳造の分野で周知である電磁撹
拌手段の助けにより順調に達成してもよい。この手段は
、鋳造製品の周囲に配置され、鋳造の軸線の周りを回転
する磁場を発生する多相の環状誘導装置、または鋳造の
軸に平行または垂直な向きに進む磁場を発生する多相の
平面構造の誘導装置で構成することができる。下記の文
献には、この型の撹拌について多数の情報が掲載されて
いる。より詳細な点については、必要に応じて以下の文
献が参照可能である。回転磁場による鋳型内での撹拌に
関するフランス国特許第２．３１５．３４４号、第２冷
却領域の回転磁場手段による撹拌に関するフランス国特
許第２．２１１．３（１５号、第２冷却領域で鋳造軸線
に垂直に進行する磁場を発生する誘導装置の補助による
撹拌に関するルクセンブルグ国特許第６７、７５３号。

これら種々の文献には、本記述の参照に含まれることが
教示される。

当然、本発明は上述の実施例に制限されるものではなく
、添付の特許請求の範囲で参照される特徴に関連するな
らば、多数の変形または等価のものに拡張される。特に
、本発明に従う方法は、垂直形で直線形または湾曲形連
続鋳造装置および水平形連続鋳造装置さらに現在または
将来の厚さが薄い製品の直接連続鋳造用の装置ｊど応用
される。

一方、本発明は、鉄および鋼の半製品に限定されて適応
されるものではなく、連続鋳造されている、または連続
鋳造可能なあらゆる冶金製品に適用される分野８に拡張
される。

同様に、本発明は製品の形状、ブルーム、ビレットまた
はスラブ、特にブルームを形成するため分割される予定
のものであることに関係なく、どのような連続鋳造冶金
製品にも等しく適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の設計の鉄鋼半製品用の湾曲形連続鋳造
装置の概略を図示したものである。 第２図は、第１図の装置に本発明に従って製品の凝固の
終端領域に冷却ランプを付加した装置を表したものであ
る。 第３図は、装置の下部を進むときの製品の表面および核
の冷却速度の変化の例を示す。 〔主な参照番号〕 １・・・溶鋼、　２・ ３・・・鋳型、　４・ ５．１１・・・噴霧器、 ９・・・殻、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）連続鋳造中の金属製品、特に、鋼製品の冷却方法
   において、前記金属製品の核が柔らかい凝固相の状態に
   あるときに、この柔らかい核と該核の周りの既に完全に
   凝固した殻との間の熱収縮の差によって上記の核が上記
   の殻により常に圧縮される効果が生ずるように上記金属
   製品を強制冷却することを特徴とする冷却方法。 （２）前記強制冷却が、少なくとも、上記の冷却を行っ
   ていない場合に、製品の柔らかい核の冷却速度が製品の
   表面の冷却速度を超える点と、柔らかい核の冷却中の熱
   機械的挙動が凝固した外殻の熱機械的挙動と一致する点
   との間の連続鋳造装置に沿った領域で実行されることを
   特徴とする請求項１に記載の冷却方法。 （３）柔らかい核が凝固した殻によって圧縮される上記
   の効果が、柔らかい核中の固体成分の割合が少なくとも
   ６０％になるところまで続くように、前記強制冷却を維
   持することを特徴とする請求項１または２に記載の冷却
   方法。 （４）前記強制冷却が、水のような冷却液を鋳造製品の
   表面にスプレーすることで実行されることを特徴とする
   請求項１または２に記載の冷却方法。 （５）前記の水による強制冷却が、１時間当たり且つ金
   属製品１ｍ＾２当たりの平均流量が８〜１５ｍ＾３の水
   で実行されることを特徴とする請求項４に記載の冷却方
   法。 （６）前記の平均流量値が１時間当たり且つ金属製品１
   ｍ＾２当たり約１２ｍ＾３であることを特徴とする請求
   項５に記載の冷却方法。 （７）前記冷却液の流量が、冷却領域の最初と最後の間
   で変化していることを特徴とする請求項４に記載の冷却
   方法。 （８）前記冷却方法を、炭素含有量が約０．２５〜１．
   ５重量％の鋼製品の鋳造に適用することを特徴とする請
   求項１から４のいずれか一項に記載の冷却方法。 （９）撹拌手段を用いて金属製品の上記の核をさらに動
   かすことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に
   記載の冷却方法。 （１０）前記撹拌手段が、可動電磁場を発生する少なく
   とも１個の誘導装置によって構成されていることを特徴
   とする請求項９に記載の冷却方法。 （１１）鋳造製品を取り囲み且つ鋳造軸線の周りを回転
   する磁場を発生する誘導装置を用いることを特徴とする
   請求項１０に記載の冷却方法。 （１２）鋳造製品の進行方向に移動する磁場を発生する
   平面構造の誘導装置を用いることを特徴とする請求項１
   ０に記載の冷却方法。 （１３）請求項１または２に記載の冷却方法を実行する
   ための冷却手段が冶金学的長さの終わりの部分に設けら
   れていることを特徴とする金属製品、特に鋼製品の連続
   鋳造装置。（１４）前記冷却手段が、鋳造製品の表面に
   冷却液をスプレーするスプレー群によって構成されてい
   ることを特徴とする請求項１３に記載の連続鋳造装置。 （１５）請求項１に記載の方法を用いて得られる製品の
   構造および内部組織と一致した構造および内部組織を具
   備することを特徴とする連続鋳造により直接得られる冶
   金製品。