JPH0810920A - Ｎｉ含有鋼の連続鋳造時における表面割れ防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 連続鋳造時の二次冷却帯での冷却を制御し、
鋳片表面部における粒界酸化を抑制することにより、Ｎ
ｉ含有鋼鋳片の表面割れを防止する方法を提供する。 【構成】 Ｎｉを重量比で０．１〜５０％含有する鋼の
連続鋳造において、二次冷却帯で鋳片の表面温度が１２
００℃を超えないように冷却を制御し、鋳片表面部の粒
界酸化を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｎｉ含有鋼の連続鋳
造時に発生する横ひび割れやコーナー割れなどの表面割
れを防止する方法に関し、詳しくは二次冷却帯での冷却
を制御し、鋳片表面部における粒界酸化を抑制すること
により、Ｎｉ含有鋼鋳片の表面割れを防止する方法に係
わる。

【０００２】

【従来の技術】従来から、鋼にＮｉを添加すると低温靭
性が向上することが知られており、低温用鋼としてＮｉ
を２〜１０％含有する鋼が使用されている。そのなか
で、Ｎｉを９％程度含有する鋼は−１６０℃以下の超低
温での使用に耐えることから天然液体ガスなどの製造、
輸送、貯蔵用の構造部材などに使用されている。

【０００３】しかし、Ｎｉを２〜１０％含有する鋼は、
通常の炭素鋼や低合金鋼に比べて表面横ひび割れ、表皮
下割れ及びコーナー割れの発生が著しく、連続鋳造によ
る鋳片製造には困難な問題がある。

【０００４】一方、他の厚板材においても、材料特性の
向上を目的にＮｉを０．１〜１％程度含有した低合金鋼
が多用されている。しかしながら、これらの低合金鋼に
おいても、連続鋳造時に横ひび割れなどの表面割れが発
生する場合があり、このため次工程の圧延の前に精整手
入れを行なう工程が必要となり、熱延工程への直行率の
向上を妨げるという問題がある。

【０００５】前記横ひび割れは、連続鋳造機での鋳片上
面にオッシレーションマークに沿って発生する割れであ
る。その発生は、二次冷却帯での冷却条件に強く依存す
る。すなわち、連続鋳造の二次冷却時に鋳片表面温度が
熱間延性が低下するγ→α変態温度近傍（約６００〜８
５０℃）の脆化する温度域になり、このとき熱応力や矯
正応力を受けることにより割れが生じることが知られて
いる。

【０００６】前記Ｎｉ含有鋼の連続鋳造時における横ひ
び割れの発生を防止するには高温脆化温度域での矯正を
避ける必要があり、鋳片表面温度の管理を目的とする二
次冷却の制御が実施されている。また、Ｎｉ含有鋼の成
分を規制する方法も提案されている。

【０００７】前記二次冷却を制御する方法としては、例
えば特開昭５７−３２８６２号公報の「Ｎｉ鋼連続鋳造
における二次冷却方法」が知られているが、これは鋳片
の表面温度が９５０℃に降下するまでの初期段階では冷
却速度８０〜４０℃／ｍｉｎで、９５０℃以下の降下で
は冷却速度２０℃／ｍｉｎ以下で冷却し、いわゆる矯正
点での表面温度が延性の低下する温度域を高温側に回避
できるような弱冷却の冷却パターンを取り、かつ鋳片表
面温度の均一化を図る方法である。

【０００８】その他にも、二次冷却水ノズルにオーバル
タイプノズル〔鉄と鋼、６７（１９８０）、Ｓ−７３
８〕や気水ノズル（ミストノズル）を用いることにより
鋳片表面温度が均一化し、鋳片表面に発生する熱応力が
低減され、その結果鋳片表面疵を防止することが可能と
なることが報告されている。

【０００９】更に、鋳片表面温度の維持が困難な端部
（鋳片コーナ部分）での割れの防止を目的として、特公
平５−４１６９号公報の「含Ｎｉ鋼の連続鋳造における
表面割れ防止方法」では、Ｎｉ５〜１０％を含有する低
温用鋼の連続鋳造において、鋳片表面温度が１１５０〜
９５０℃の温度域で冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以下に制
御することにより、連続鋳造時の表面割れを防止する方
法が提案されている。

【００１０】一方、鋼の成分を規制した方法としては、
例えば特公昭６０−８１３４号公報の「含Ｎｉ低温用鋼
の連続鋳造における表面疵防止方法」がある。該発明は
Ｎｉ５．５〜１０％を含有する低温用鋼においてＳ、Ｎ
の含有量を低く抑制し、かつＣａやＴｉを添加すること
により材料の延性を改善し、鋳片表面に発生する疵を防
止する方法である。また、前記特公平５−４１６９号公
報の「含Ｎｉ鋼の連続鋳造における表面割れ防止方法」
では、前記冷却速度の制御に加えて、鋼中のＳ、Ｐ及び
Ｎの含有量を極力低下して高純化することにより効果が
得られることが報告されている。

【００１１】前記のごとくＮｉ５．５〜１０％を含有す
る低温用鋼については鋳片表面に発生する割れを防止す
るために冷却方法を改善する方法や、鋼の成分を規制す
る方法がいくつか提案されているものの、依然として連
続鋳造時に発生する割れを完全に防止するには至ってい
ない。

【００１２】また、一般の鋼について連続鋳造時に発生
する横ひび割れを防止するための方法として、例えば特
公昭５８−３７９０号公報の「鋼の連続鋳造における冷
却方法」には、一旦鋳型直下で急冷却して鋳片の表面温
度を６５０〜７００℃となし組織を微細化した後、それ
以降緩やかに復熱させて矯正点位置での鋳片の表面温度
を７００〜８００℃に保ち、矯正点では前述のγ→α変
態温度近傍の高温脆化域を回避する方法が提案されてい
る。

【００１３】前記のごとく、鋳片に発生する歪の原因と
なり、割れ発生の起点となる矯正点で、鋳片表面温度を
高温側あるいは低温側に回避するように二次冷却を制御
する方法は、一般の鋼においては効果をあげて行なわれ
ているものの、Ｎｉ含有鋼では十分な効果があがらず適
用されていない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】Ｎｉ含有鋼の連続鋳造
時に発生する横ひび割れ等を防止する方法は、前記のご
とく従来より種々と工夫提案されているものの、いずれ
も高温延性に着目した方法であり、横ひび割れの起点と
なるスケール形態に着目して横ひび割れの発生を防止す
る方法は見られなかった。

【００１５】従来においても、例えば前記特開昭５７−
３２８６２号公報の発明における実施例及び比較例に示
されているように、二次冷却帯で鋳片の表面温度が１２
００℃を超えないような冷却を行なった例が存在する
が、これは酸化温度によるスケール形態の変化に注意を
払った例ではない。従来の連続鋳造速度は、該公報に示
されるように１ｍ／ｍｉｎ以下（公報３頁左下欄５〜６
行参照）が中心であり、特に注意を払わなくとも二次冷
却帯で鋳片の表面温度が１２００℃を超えることはなか
った。

【００１６】しかし、近年Ｎｉ含有鋼の厚板材や特殊用
途材についても高速鋳造化、高温出片が推進されてお
り、連続鋳造時の鋳片の表面温度が高温化の傾向にあ
り、１２００℃を超える可能性が高まっている。そのた
め、Ｎｉ含有鋼の連続鋳造時の鋳片表面割れの有効な防
止方法の出現が望まれている。

【００１７】この発明は、かかる現状に鑑み、Ｎｉ含有
鋼の連続鋳造時に生じる問題点を解決するため、連続鋳
造時の二次冷却帯における鋳片の表面温度が１２００℃
を超えないように冷却を制御し、鋳片表面部における粒
界酸化を抑制することにより横ひび割れ等の表面割れの
発生を防止する方法を提供するものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、Ｎｉ含有鋼
の連続鋳造時に発生する表面疵防止技術の開発過程にお
いて、Ｎｉを僅かでも含有すると、鋳片の表面に生成す
る酸化スケールの形態が著しく変化し、Ｎｉ含有鋼に生
成する粒界酸化部分が割れ発生の起点となることに気付
いた。その結果、Ｎｉ含有鋼の連続鋳造時の二次冷却を
制御して粒界酸化を抑制することにより横ひび割れ等の
表面割れの発生を防止できることがわかった。この発明
は、この知見に基づいて完成したものである。

【００１９】すなわち、この発明の連続鋳造時における
表面割れ防止方法は、Ｎｉを重量比で０．１〜５０％含
有する鋼の連続鋳造において、二次冷却帯で鋳片の表面
温度が１２００℃を超えないように冷却を制御し、鋳片
表面部の粒界酸化を抑制することにある。

【００２０】

【作用】以下に、この発明を完成するに至る過程及び理
論を図面に基づいて説明する。前述したように、鋼はＮ
ｉをわずかでも含有すると横ひび割れの発生頻度が著し
く増加するという問題がある。本発明者は、その割れ発
生機構を解明するために、連続鋳造鋳片から試料を採取
し、表面の状況を観察した。その一例として図１にＮｉ
無添加鋼とＮｉ含有鋼の連続鋳造鋳片の表面部分に生成
した酸化スケールの形態を比較して示す。図（ａ）はＮ
ｉ無添加鋼、図（ｂ）はＮｉを０．２％含有するＮｉ含
有鋼の金属−酸化スケールの混合部、図（ｃ）はＮｉを
０．２％含有するＮｉ含有鋼の粒界酸化部分の断面顕微
鏡写真である。

【００２１】前記写真より、Ｎｉの有無により母材表面
の形態が変化し、図（ａ）のＮｉ無添加鋼では母材表面
は平滑であるに対し、Ｎｉ含有鋼では母材表面に凹凸が
生じ、図（ｂ）に示す酸化スケール中に母材金属が入り
組んだ部分と、図（ｃ）に示す母材中に酸化スケールが
侵入した粒界酸化部分とが存在することがわかる。

【００２２】実際の鋳片表面部分の断面をとり、横ひび
割れ部分を観察した結果、前記粒界酸化部分が切り欠き
効果を示して横ひび割れの起点となることが判明した。

【００２３】このようにＮｉ含有鋼の横ひび割れには酸
化スケールの形態が影響するので、本発明者はＮｉ含有
鋼の酸化スケールの形態を調査する実験を行なった。従
来より、Ｎｉを５％以上含有するときはＮｉの濃化した
金属相とＦｅＯを中心とする酸化物とからなるサブスケ
ールが生成することが知られている。しかし、実用低合
金鋼における挙動とは十分に対応していなかった。

【００２４】本発明者は、５％以下の低濃度のＮｉを含
有するときの挙動を明らかにするため、Ｎｉ＝０〜５％
を含有する鋼の試料を使用して９００〜１３００℃で０
〜２時間酸化した後、生成した酸化スケールを観察する
実験を行なった。その結果、Ｎｉ＝０．３〜５％の低濃
度の含有量であっても、Ｎｉを含有するときはサブスケ
ールが生成することを知り、既に報告した〔材料とプロ
セス６（１９９３）〕。

【００２５】その後、Ｎｉを５％以上含有する鋼種も含
めて更に詳細に調査し、酸化温度やＮｉの有無により酸
化スケールの形態が以下のように変化することを知っ
た。

【００２６】一例として１１００℃と１３００℃及びＮ
ｉの有無での酸化スケール断面の代表的な形態を図２及
び図３の顕微鏡写真に示す。図２（ａ）はＮｉ無添加鋼
の１１００℃での鋳片表面部の断面、図２（ｂ）は同じ
く１３００℃での鋳片表面部の断面、図３（ａ）はＮｉ
５％含有鋼の１１００℃での鋳片表面部の断面、図３
（ｂ）は１３００℃での鋳片表面部の断面である。

【００２７】１１００℃と１３００℃共にＮｉ含有鋼で
は、Ｎｉが濃化した金属相とＦｅＯを中心とする酸化物
とが複雑に入り組んだサブスケールが生成し、Ｎｉ無添
加鋼ではサブスケールは生成していない。そして、図３
（ｂ）に示すＮｉ含有鋼の１３００℃でのサブスケール
部分は、酸化物が粒界に深く侵入し、図４に模式的に示
すように、粒界酸化の先端部分にＦｅ₂ＳｉＯ₄が存在す
るのに対し、１１００℃では粒界酸化がさほど顕著では
なくＦｅ₂ＳｉＯ₄が存在しない。また、Ｎｉ無添加鋼は
１３００℃では酸化スケールと母材との境界部分にＦｅ
₂ＳｉＯ₄が存在するものの粒界への侵入は認められず、
１１００℃ではＦｅ₂ＳｉＯ₄は酸化物中に存在すること
がわかる_。

【００２８】種々の温度で２時間酸化したときの粒界酸
化の深さと初期Ｎｉ含有量との関係について調べた。そ
の結果の一例を図５に示す。なお、粒界酸化の深さは粒
界酸化の深い部分１０点を選び、それらの平均値を用い
た。この結果によれば、酸化温度が高いときに粒界酸化
は深く進行するが、１１００℃に比べ１３００℃では著
しく深く進行することがわかる。また、いずれの温度で
もＮｉ含有量の増加に伴いサブスケール層が厚くなり、
粒界酸化も進行することがわかる。

【００２９】このようにＮｉの有無あるいは酸化温度の
違いにより酸化スケールの形態が変化する機構について
は、以下のように説明することができる。Ｎｉ含有鋼で
はＦｅとＮｉの酸素との親和力の違いからＦｅのみが選
択的に酸化される。その結果、Ｎｉは酸化されずに残存
し、Ｎｉの濃化したＦｅ−Ｎｉ合金と酸化物とが複雑に
入り込んだ構造のサブスケールが生成する。一方、鋼中
にＳｉが存在すると酸化物中にＦｅ₂ＳｉＯ₄が生成する
が、この共晶温度は約１１９０℃であり、この温度以上
になったときＦｅ₂ＳｉＯ₄が溶融する。Ｎｉ含有鋼を１
２００℃以上の高温で酸化したときには、液相のＦｅ₂
ＳｉＯ₄が生じ、この相がＦｅ−Ｎｉ合金部分より粒界
を優先的に酸化する傾向が強く、このような形態となっ
たものと考えられる_。

【００３０】一方、Ｎｉ無添加鋼の場合には、液相のＦ
ｅ₂ＳｉＯ₄が存在してもＮｉの濃化部が存在しないため
に、粒界とその他の部分で酸化されやすさに差がなく、
Ｆｅ₂ＳｉＯ₄は酸化スケールと母材との界面にとどまっ
たものと考えられる。

【００３１】次いで、酸化スケールの形態に及ぼす成分
元素の影響について検討した。Ｎｉは、その含有量を
０．１％から５０％まで変化させても、含有量の多少に
係わらず、いずれもＮｉの濃化した金属相とＦｅＯを中
心とする酸化物とが複雑に入り込んだサブスケールが生
成していた。図５に示すように、微量でもＮｉを含有す
るときは粒界酸化が起こり、母材表面に凹凸が生じるよ
うになり、Ｎｉ含有量の増大と共に粒界酸化も深くなる
が、Ｎｉ含有量が０．１％未満の微量では割れに影響を
与えるほどではなく、実際の割れ頻度も小さいことから
本発明の対象鋼から除いた。

【００３２】Ｓｉは、鋼の脱酸と母材強度の確保のため
に０．０５％以上添加されるが、０．０５％の含有でも
Ｎｉが共存する場合には図１（ｃ）に示す場合と同様に
Ｆｅ₂ＳｉＯ₄が粒界酸化の先端部分に存在しており、こ
れ以上Ｓｉを含有する場合には同様の酸化スケール形態
となる。

【００３３】Ｎｉ、Ｓｉ以外の成分元素の含有量を変更
した鋼種並びにＣａ、Ｔｉ、Ｍｏを添加した鋼について
も同様に酸化スケールの観察を行なった結果、酸化スケ
ール形態はＮｉ以外の含有量を変化させても大きな変化
は見られない。したがって、この発明の対象鋼は、Ｎｉ
以外の成分元素の含有量を限定する必要はない。

【００３４】以上の結果より、Ｎｉ含有鋼ではスラブ表
面温度が１２００℃以上になるとＦｅ₂ＳｉＯ₄が溶融す
るために、粒界酸化が顕著となり、横ひび割れが発生し
やすくなることが判明した。したがって、鋳片表面温度
が常に１２００℃以下となるように二次冷却を制御すれ
ば横ひび割れの発生が抑制されることになる。

【００３５】

【実施例】この発明の詳細を実施例に基づいて説明す
る。機長２３ｍ、３点矯正の湾曲型連続鋳造機を使用し
て、表１の鋼の組成表に示すＮｉを０．３％含有する低
合金鋼（１）、Ｎｉを０．７％含有する低合金鋼
（２）、Ｎｉを９％含有する低合金鋼（３）及びＮｉを
４２％含有する高合金鋼について本発明の実施により、
鋳片表面温度が１２００℃を超えないように鋳型直下に
おける二次冷却水量を調節しながら連続鋳造した。前記
二次冷却は、通常スプレー水を使用して行われるが、こ
の際水量密度を鋳型直下部で向上することが、鋳型直下
強冷の一般的方法である。しかし、他にも水膜により冷
却する方法、気水混合ミストによる方法等が利用でき
る。なお、比較のため前記各鋼について二次冷却以外は
本発明の実施例とほぼ同一条件で連続鋳造した比較例を
示す。また、その連続鋳造時には鋳片の表面温度を、鋳
片表面に噛みこませた熱電対により測定した。

【００３６】前記のように、本発明の実施によれば、Ｆ
ｅ₂ＳｉＯ₄が溶融し、粒界酸化が進行することがないよ
うに、鋳型を出た後の復熱時の鋳片表面温度の最高値が
１２００℃を超えないように冷却水量を調節し、鋳型直
下強冷型の二次冷却とした。

【００３７】比較例は通常の二次冷却を行なった場合で
あり、復熱時の鋳片表面の最高温度は１２００℃を超え
ている。一例として、実施例１（実線）と比較例１（破
線）における鋳片表面温度の鋳造方向変化を図６に示
す。両者は鋳型直下部分以外の二次冷却水量を同じにし
て冷却を行なった結果、両者の矯正点における鋳片表面
温度はほぼ等しかった。

【００３８】結果の評価は、粒界酸化の深さ及び割れ発
生状況の調査により行なった。粒界酸化の深さは粒界酸
化の深い部分１０点を選び、その平均値により表した。
そして、割れの発生状況は、０を割れが全く発生しなか
った場合、５を全面に深い割れが発生し手入れが不可能
な場合として６段階の指数表示とした。鋳片が鋳型を出
た後の表面最高温度と、そのときの酸化物の粒界への侵
入の深さ及び割れ発生状況を表２の連続鋳造試験結果に
示す。

【００３９】前記表２の結果より、本発明の実施によれ
ば、Ｎｉ含有量の多寡にかかわらず比較例に比べ明らか
に表面割れが低減しており、本発明の方法が鋳片表面割
れの抑制に有効なことがわかる。

【００４０】また、実施例は湾曲型連続鋳造機を使用し
た場合であるが、本発明は垂直曲げ型連続鋳造機など鋳
造機の形式が変わっても表面割れ防止に効果を発揮でき
る。

【００４１】前記実施例、比較例では従来から行なわれ
ているような鋳片が矯正歪を受けるときの表面温度をγ
→α変態温度付近の脆化域から高温側あるいは低温側に
回避する方法を同時に実施したが、本発明を単独に実施
しても表面割れ改善に対する効果には変わりがない。ま
た、従来より提案されているような連続鋳造の二次冷却
を改善した方法や鋼の化学成分を規制する方法も合わせ
て実施すれば、より大きな効果が得られる。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【発明の効果】この発明の実施によれば、Ｎｉ含有鋼の
連続鋳造時に鋳片表面に生じる横ひび割れ等の表面割れ
を抑制し、鋳片の品質、歩留りを向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼の連続鋳造鋳片に生成した酸化スケールの形
態を示す鋳片表面部の断面顕微鏡写真であり、図（ａ）
はＮｉ無添加鋼を、図（ｂ）はＮｉ０．２％含有鋼の金
属−酸化物混合部を、図（ｃ）はＮｉ０．２％含有鋼の
粒界酸化部分を示す。

【図２】Ｎｉ無添加鋼の表面酸化によリ生成する酸化ス
ケールの形態を示す鋳片表面部の断面顕微鏡写真であ
り、図（ａ）は酸化温度１１００℃の場合、図（ｂ）は
酸化温度１３００℃の場合である。

【図３】Ｎｉ５．０％含有鋼の表面酸化によリ生成する
酸化スケールの形態を示す鋳片表面部の断面顕微鏡写真
であり、図（ａ）は酸化温度１１００℃の場合、図
（ｂ）は酸化温度１３００℃の場合である。

【図４】Ｎｉ％含有鋼の粒界酸化部分の模式図である。

【図５】酸化温度の違いによるＮｉ含有量と粒界酸化の
深さの関係を示すグラフである。

【図６】連続鋳造における鋳型上端からの距離と鋳片表
面温度との関係を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉを重量比で０．１〜５０％含有する
   鋼の連続鋳造において、二次冷却帯で鋳片の表面温度が
   １２００℃を超えないように冷却を制御し、鋳片表面部
   の粒界酸化を抑制することを特徴とするＮｉ含有鋼の連
   続鋳造時における表面割れ防止方法。