KR102245013B1 - 연속 주조용 주형 및 강의 연속 주조 방법 - Google Patents

연속 주조용 주형 및 강의 연속 주조 방법 Download PDF

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Abstract

수냉식 연속 주조용 주형을 구성하는 구리 합금제 주형 동판의 내벽면의 메니스커스보다 상방의 임의의 위치에서부터 메니스커스보다 하방의 임의의 위치까지의 범위에 복수 형성된 오목홈에 저열전도 금속이 충전되어 형성되는 저열전도 금속 충전부를 갖고, 주형 동판의 열전도율 λc (W/(m×K)) 에 대한 상기 저열전도 금속의 열전도율 λm (W/(m×K)) 이 80 ％ 이하이고, 하기 (1) 식에 의해 정의되는 열 저항비 R 이 5 ％ 이상인 연속 주조용 주형.
R＝{(T－H)/(1000×λc)＋H/(1000×λm)－T/(1000×λc)}/{T/(1000×λc)}×100 … (1)
여기서, R 은, 상기 저열전도 금속 충전부와 상기 주형 동판의 열 저항비 (％), T 는, 주형 냉각수의 유로가 되는 주형 동판의 슬릿 저면에서부터 주형 동판 표면까지의 거리 (mm), H 는, 저열전도 금속의 충전 두께 (mm) 이다.

Description

연속 주조용 주형 및 강의 연속 주조 방법
본 발명은, 주형 내에서의 응고 쉘의 불균일 냉각에서 기인되는 주편 (鑄片) 표면 균열을 억제하며 용강을 연속 주조할 수 있는 연속 주조용 주형, 및 이 주형을 사용한 강의 연속 주조 방법에 관한 것이다.
강의 연속 주조에서는, 주형 내에 주입된 용강은 수냉식 연속 주조용 주형에 의해 냉각되어, 주형과의 접촉면에서 용강이 응고되어 응고 쉘 (「응고층」이라고도 한다) 이 생성된다. 이 응고 쉘을 외각으로 하고, 내부를 미 (未) 응고층으로 하는 주편은, 주형의 하류측에 설치된 물 스프레이나 기수 (氣水) 스프레이에 의해 냉각되면서 주형 하방으로 연속적으로 인발된다. 주편은, 물 스프레이나 기수 스프레이에 의한 냉각에 의해 두께 중심부까지 응고되고, 그 후, 가스 절단기 등에 의해 절단되어 소정 길이의 주편이 제조되었다.
주형 내에서의 냉각이 불균일해지면, 응고 쉘의 두께가 주편의 주조 방향 및 주형 폭 방향에서 불균일해진다. 응고 쉘에는, 응고 쉘의 수축이나 변형에서 기인되는 응력이 작용하여, 응고 초기에는 이 응력이 응고 쉘의 박육부 (薄肉部) 에 집중되고, 이 응력에 의해 응고 쉘의 표면에 균열이 발생한다. 이 균열은, 그 후의 열 응력이나 연속 주조기의 롤에 의한 굽힘 응력 및 교정 응력 등의 외력에 의해 확대되어, 큰 표면 균열이 된다. 응고 쉘 두께의 불균일도가 큰 경우에는, 주형 내에서의 세로 균열이 되고, 이 세로 균열로부터 용강이 유출되는 브레이크 아웃이 발생하는 경우도 있다. 주편에 존재하는 균열은, 다음 공정의 압연 공정에서 표면 결함이 되기 때문에, 주조 후의 주편의 단계에 있어서, 주편의 표면을 보수하여 표면 균열을 제거하는 것이 필요하다.
주형 내의 불균일 응고는, 특히 탄소 함유량이 0.08 ∼ 0.17 질량％ 인 강(중탄소강이라고 한다) 에서 발생하기 쉽다. 탄소 함유량이 0.08 ∼ 0.17 질량％ 인 강에서는, 응고시에 포정 반응이 일어난다. 주형 내의 불균일 응고는, 이 포정 반응에 의한 δ 철 (페라이트) 로부터 γ 철 (오스테나이트) 로의 변태시의 체적 수축에 의한 변태 응력에서 기인되는 것으로 생각되고 있다. 요컨대, 이 변태 응력에서 기인되는 변형에 의해 응고 쉘이 변형되고, 이 변형에 의해 응고 쉘이 주형 내벽면으로부터 떨어진다. 주형 내벽면으로부터 떨어진 부위는 주형에 의한 냉각이 저하되고, 이 주형 내벽면으로부터 떨어진 부위 (이 주형 내벽면으로부터 떨어진 부위를 「디프레션」이라고 한다) 의 응고 쉘 두께가 얇아진다. 응고 쉘 두께가 얇아짐으로써, 이 부분에 상기 응력이 집중되어 표면 균열이 발생하는 것으로 생각되고 있다.
특히, 주편 인발 속도를 증가시킨 경우에는, 응고 쉘로부터 주형으로의 평균 열 유속이 증가될 (응고 쉘이 급속 냉각될) 뿐만 아니라, 열 유속의 분포가 불규칙하며 또한 불균일해지기 때문에, 주편 표면 균열의 발생이 증가되는 경향이 있다. 구체적으로는, 주편 두께가 200 mm 이상인 슬래브 연속 주조기에 있어서는, 주편 인발 속도가 1.5 m/min 이상이 되면 표면 균열이 발생하기 쉬워진다.
그래서, 종래, 표면 균열이 발생하기 쉬운 강종의 표면 균열 (특히 세로 균열) 을 억제하기 위해서, 각종 수단이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 결정화하기 쉬운 조성을 갖는 몰드 파우더를 사용하여, 몰드 파우더층의 열 저항을 증대시켜 응고 쉘을 완냉각시키는 것이 제안되어 있다. 이는, 완냉각에 의해 응고 쉘에 작용하는 응력을 저하시켜 표면 균열을 억제한다는 기술이다. 그러나, 몰드 파우더에 의한 완냉각 효과만으로는, 불균일 응고를 충분히 개선시키기까지는 이르지 못하여, 특히 응고에 수반되는 약간의 온도 저하에서 δ 철로부터 γ 철로의 변태가 발생하는 중탄소강에서는, 표면 균열의 발생을 충분히 억제할 수 없는 게 실정이다.
특허문헌 2 에는, 주형 내벽면에 세로 홈과 가로 홈을 형성하여, 이들 세로 홈 및 가로 홈의 내부에 몰드 파우더를 유입시키고, 이로써 주형의 냉각을 완냉각화시킴과 동시에 주형 폭 방향에서 균일화시켜, 주편의 세로 균열을 억제하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 주편과의 접촉에 의해 주형 내벽면은 마모되어, 주형 내벽면에 형성된 홈이 얕아지면, 몰드 파우더의 유입량이 적어져 완냉각 효과가 저감된다는 문제, 요컨대, 완냉각 효과가 지속되지 않는다는 문제가 있다. 또한, 주조 개시시에 빈 주형 공간 내로 용강을 주입할 때에, 주입된 용강이 주형 내벽면에 형성된 홈의 내부에 침입하여 응고되고, 주형 동판과 응고 쉘이 고착되어, 응고 쉘의 인발을 할 수 없게 되어, 구속성 브레이크 아웃이 발생될 우려가 있다는 문제도 있다.
특허문헌 3 에는, 주형 내벽면의 폭 방향 중앙부에, 홈 폭 및 홈 깊이를 몰드 파우더의 점도에 따라 설정한, 주조 방향에 평행한 세로 홈 또는 격자 홈을 형성하고, 형성된 홈을 몰드 파우더로 충전하지 않고 홈의 내부에 공극부를 형성시키고, 이 공극부에 공기를 유입시키고, 이로써, 주형의 냉각을 완냉각화시킴과 동시에 주형 폭 방향에서 균일화되어, 주편의 세로 균열을 억제하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 경우에도 주형 내벽면에 홈이 노출되어 있어, 특허문헌 2 와 마찬가지로 주형 내벽면의 마모에 의해 완냉각 효과가 지속되지 않는다는 문제가 있다. 또한, 주조 개시시에 용강이 주형 내벽면에 형성된 홈의 내부에 침입하여 응고되어, 응고 쉘의 인발을 할 수 없게 되어, 구속성 브레이크 아웃이 발생될 우려가 있다는 문제도 있다.
특허문헌 4 에는, 주형 내벽면에 격자 형상의 홈을 형성한 주형, 및 상기 격자 형상의 홈에 이종 (異種) 금속 (Ni, Cr) 또는 세라믹스 (BN, AlN, ZrO2) 를 충전한 주형이 제안되어 있다. 이 기술은, 홈부와 홈부 이외의 부분에서 발열량에 차이를 주기적으로 발생시키고, 응고 쉘의 δ 철로부터 γ 철로의 변태나 열 수축에 의한 응력을 저발열 영역에 분산시킴으로써, 주편의 세로 균열을 억제한다는 기술이다. 그러나, 홈이 격자 형상이고, 격자 홈 형상에서는, 주형 내벽면의 홈부와 주형 동판 (구리제 또는 구리 합금제) 의 경계가 직선이어서, 열팽창차에서 기인되어 경계면에 균열이 발생하고 또한 전파되기 쉬워, 주형 수명이 저하된다는 문제가 있다.
특허문헌 5 에는, 주형 내벽면에 주조 방향과 평행한 세로 홈을 형성한 주형, 및 상기 세로 홈에 이종 금속 (Ni, Cr) 또는 세라믹스 (BN, AlN, ZrO2) 를 충전한 주형을 사용하며, 주편 인발 속도와 주형 진동 주기를 소정의 범위로 규정하는 연속 주조 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 5 에 따르면, 주편 인발 속도에 따라 주형 진동 주기를 적정화시킴으로써, 주편에 형성되는 오실레이션 마크가 가로 홈을 부여한 바와 같이 작용하고, 세로 홈만으로도 특허문헌 4 와 동일한 표면 균열 저감 효과를 볼 수 있다고 되어 있다. 그러나, 특허문헌 4 와 마찬가지로 주형 내벽면의 홈부와 주형 동판 (구리제 또는 구리 합금제) 의 경계가 직선이어서, 열팽창차에서 기인되어 경계면에 균열이 발생하고 또한 전파되기 쉬워, 주형 수명이 저하된다는 문제가 있다.
특허문헌 6 에는, 주형 내벽면의 주형 내 용강탕면 (이하, 「메니스커스」라고도 기재한다) 근방에, 직경 2 ∼ 10 mm 인 오목홈을 형성하고, 이 오목홈의 내부에 이종 금속 (Ni, 스테인리스강) 또는 세라믹스 (BN, AlN, ZrO2 등) 를 매립하고, 매립한 간격을 5 ∼ 20 mm 로 하는 주형이 제안되어 있다. 이 기술도, 특허문헌 4, 5 와 마찬가지로 주기적인 열 전달 분포를 부여하여 불균일 응고를 저감시켜, 주편의 세로 균열을 억제하는 기술이다. 그러나, 특허문헌 6 에서는, 주형 동판 표면에 드릴 구멍을 개구하고, 거기에 드릴 구멍의 형상으로 성형된 이종 금속 또는 세라믹스를 매립하고 있으므로, 매립한 이종 금속 또는 세라믹스의 배면과 주형 동판의 접촉 상태는 일정하지 않아, 접촉 부분에 간극이 형성될 가능성이 높다. 간극이 형성되는 경우에는, 이 간극에 의해 각 오목홈 부위에서 그 발열량이 대폭 변화되어, 응고 쉘의 냉각을 적정하게 제어할 수 없게 된다는 문제가 발생한다. 또한, 매립한 이종 금속 또는 세라믹스가 주형 동판으로부터 박리되기 쉽다는 문제도 있다.
일본 공개특허공보 2005－297001호 일본 공개특허공보 평9－276994호 일본 공개특허공보 평10－193041호 일본 공개특허공보 평1－289542호 일본 공개특허공보 평2－6037호 일본 공개특허공보 평1－170550호
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 주조 개시시에서의 구속성 브레이크 아웃의 발생 및 주형 동판 표면의 균열에 의한 주형 수명 저하를 일으키지 않고 응고 초기의 응고 쉘의 불균일 냉각에 의한 주편 표면 균열, 및 포정 반응을 수반하는 중탄소강에서의 δ 철로부터 γ 철로의 변태에서 기인되는 응고 쉘 두께의 불균일에 의한 주편 표면 균열을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있는 연속 주조용 주형을 제공하는 것이고, 또한, 이 연속 주조용 주형을 사용한 강의 연속 주조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 요지는 이하와 같다.
[1] 수냉식 연속 주조용 주형으로서,
상기 주형을 구성하는 구리 합금제 주형 동판의 내벽면의 메니스커스보다 상방의 임의의 위치에서부터 메니스커스보다 하방의 임의의 위치까지의 범위에 복수 형성된 오목홈에 저열전도 금속이 충전되어 형성되는 저열전도 금속 충전부를 갖고,
상기 주형 동판의 열전도율 λc (W/(m×K)) 에 대한 상기 저열전도 금속의 열전도율 λm (W/(m×K)) 이 80 ％ 이하이고,
하기 (1) 식에 의해 정의되는 열 저항비 R 이 5 ％ 이상인 연속 주조용 주형.
R＝{(T－H)/(1000×λc)＋H/(1000×λm)－T/(1000×λc)}/{T/(1000×λc)}×100 … (1)
여기서, R 은, 상기 저열전도 금속 충전부와 상기 주형 동판의 열 저항비 (％), T 는, 주형 냉각수의 유로가 되는 주형 동판의 슬릿 저면에서부터 주형 동판 표면까지의 거리 (mm), H 는, 저열전도 금속의 충전 두께 (mm) 이다.
[2] 상기 오목홈은, 메니스커스보다 상방의 임의의 위치에서부터 주편 인발 속도 Vc (m/min) 에 의해 하기 (2) 식에서 산출되는 길이 L0 (mm) 이상 메니스커스보다 하방의 임의의 위치까지의 상기 주형 동판의 내벽면의 범위에 형성되어 있는 상기 [1] 에 기재된 연속 주조용 주형.
L0＝2×Vc×1000/60 … (2)
[3] 상기 연속 주조용 주형은, 상기 저열전도 금속 충전부가 형성된 상기 주형 동판의 내벽면의 범위에 있어서, 주기적인 열 저항 분포 또는 열 유속 분포를 갖는 상기 [1] 또는 상기 [2] 에 기재된 연속 주조용 주형.
[4] 상기 오목부의 상기 주형 동판 내벽면에서의 개구 형상이 원형 또는 의사 (擬似) 원형이고, 그 원형의 직경 또는 그 의사 원형의 원 상당 직경이 2 ∼ 20 mm 인 상기 [1] 내지 상기 [3] 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조용 주형.
[5] 상기 저열전도 금속 충전부끼리의 간격이, 그 저열전도 금속 충전부의 상기 직경 또는 상기 원 상당 직경에 대하여 하기 (3) 식의 관계를 만족시키는 상기 [4] 에 기재된 연속 주조용 주형.
P≥0.25×d … (3)
여기서, P 는, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 (mm), d 는, 저열전도 금속 충전부의 직경 (mm) 또는 원 상당 직경 (mm) 이다.
[6] 상기 저열전도 금속 충전부가 형성된 범위 내의 상기 주형 동판 내벽면의 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부의 면적의 총합 B (㎟) 의 비인 면적률 S (S＝(B/A)×100) 이 10 ％ 이상이고, 또한, 상기 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부와 상기 주형 동판의 경계 길이의 총합 C (mm) 의 비 ε (ε＝C/A) 가 하기 (4) 식의 관계를 만족시키는 상기 [1] 내지 상기 [5] 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조용 주형.
0.07≤ε≤0.60 … (4)
[7] 상기 저열전도 금속 충전부가 각각 독립적으로 형성되어 있는 상기 [6] 에 기재된 연속 주조용 주형.
[8] 상기 저열전도 금속은, 도금 처리 또는 용사 처리에 의해 상기 오목홈의 내부에 충전되는 상기 [1] 내지 상기 [7] 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조용 주형.
[9] 상기 주형 동판의 내벽면에는, 두께가 2.0 mm 이하인 니켈 또는 니켈을 함유하는 합금의 도금층이 형성되어 있고, 상기 저열전도 금속 충전부는 상기 도금층으로 덮여 있는 상기 [1] 내지 상기 [8] 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조용 주형.
[10] 상기 [1] 내지 상기 [9] 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조용 주형을 사용하는 강의 연속 주조 방법으로서,
탄소 함유량이 0.08 ∼ 0.17 질량％ 인 중탄소강을 상기 주형에 주입함과 함께, 주편 두께가 200 mm 이상인 슬래브 주편으로 하고 1.5 m/min 이상인 주편 인발 속도로 상기 주형으로부터 상기 중탄소강을 인발하여 연속 주조하는 강의 연속 주조 방법.
본 발명에서는, 저열전도 금속 충전부와 주형 동판의 열 저항비 R 이 5 ％ 이상이고, 주형 동판의 열전도율에 대하여 그 열전도율을 80 ％ 이하로 하는 저열전도 금속이 충전되어 형성되는 복수 개의 저열전도 금속 충전부를, 메니스커스 위치를 포함하여 메니스커스 근방의 연속 주조용 주형의 폭 방향 및 주조 방향에 설치한다. 이로써, 메니스커스 근방의 주형 폭 방향 및 주조 방향에 있어서의 연속 주조용 주형의 열 저항이 주기적으로 증감되어, 메니스커스 근방, 요컨대, 응고 초기에서의 응고 쉘로부터 연속 주조용 주형으로의 열 유속이 주기적으로 증감된다. 이 열 유속의 주기적인 증감에 따라, δ 철로부터 γ 철로의 변태에 의한 응력이나 열 응력이 저감되고, 이들 응력에 의해 발생하는 응고 쉘의 변형이 작아진다. 응고 쉘의 변형이 작아짐으로써, 응고 쉘의 변형에서 기인되는 불균일한 열 유속 분포가 균일화되고, 또한, 발생하는 응력이 분산되어 개개의 변형량이 작아져, 응고 쉘 표면에서의 균열 발생이 억제된다.
도 1 은, 본 실시형태에 관련된 수냉식 연속 주조용 주형의 일부를 구성하는 주형 장변 동판을 내벽면측에서 본 개략 측면도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 주형 장변 동판의 X－X' 단면도이다.
도 3 은, 저열전도 금속 충전부를 갖는 주형 장변 동판의 3 군데 위치에서의 열 저항을, 저열전도 금속 충전부의 위치에 대응하여 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4 는, 주형 장변 동판의 내벽면에 주형 표면 보호를 위한 도금층을 형성한 예를 나타내는 개략도이다.
도 5 는, 저열전도 금속 충전부에 충전한 저열전도 금속의 열전도율의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 저열전도 금속 충전부와 주형 동판의 열 저항비 R 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 저열전도 금속 충전부의 면적률 S, 및 경계 길이의 비 ε 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 저열전도 금속 충전부의 직경 d 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 시험 No. 40 ∼ 44 에 있어서의 저열전도 금속 충전부의 배치를 나타내는 개략 측면도이다.
도 10 은, 시험 No. 45 에 있어서의 저열전도 금속 충전부의 배치를 나타내는 개략도이다.
도 11 은, 시험 No. 46 에 있어서의 저열전도 금속 충전부의 배치를 나타내는 개략도이다.
이하, 발명의 실시형태를 통해서 본 발명을 구체적으로 설명한다. 도 1 은, 본 실시형태에 관련된 수냉식 연속 주조용 주형의 일부를 구성하는 주형 장변 동판 (1) 으로, 내벽면측에 저열전도 금속 충전부 (3) 가 형성된 주형 장변 동판 (1) 을 내벽면측에서 본 개략 측면도이다. 또한, 도 2 는, 도 1 에 나타내는 주형 장변 동판 (1) 의 X－X' 단면도이다.
도 1 에 나타내는 연속 주조용 주형은, 슬래브 주편을 주조하기 위한 연속 주조용 주형의 일례이다. 슬래브 주편용의 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형은, 1 쌍의 구리 합금제 주형 장변 동판과 1 쌍의 구리 합금제 주형 단변 동판을 조합해서 구성된다. 도 1 은, 그 중 주형 장변 동판 (1) 을 나타내고 있다. 주형 단변 동판도 주형 장변 동판 (1) 과 마찬가지로 그 내벽면측에 저열전도 금속 충전부 (3) 가 형성된다고 되어 있어, 여기서는 주형 단변 동판에 대한 설명은 생략한다. 단, 슬래브 주편에 있어서는, 슬래브 두께에 대해 슬래브 폭이 매우 크다는 형상에서 기인하여, 주편 장변면측의 응고 쉘에서 응력 집중이 일어나기 쉬워, 주편 장변면측에서 표면 균열이 발생하기 쉽다. 따라서, 슬래브 주편용의 연속 주조용 주형의 주형 단변 동판에는, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치하지 않아도 된다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 주형 장변 동판 (1) 에 있어서의 정상 (定常) 주조시의 메니스커스 위치보다 길이 Q (길이 Q 는, 제로보다 큰 임의의 값) 떨어진 상방의 위치에서부터 메니스커스보다 길이 L 만큼 하방의 위치까지의 주형 장변 동판 (1) 의 내벽면의 범위에는, 직경을 d 로 하는 복수 개의 저열전도 금속 충전부 (3) 가, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격을 P 로 하여 설치되어 있다. 여기서, 「메니스커스」란 「주형 내 용강탕면」이고, 비주조 중에는 그 위치는 명확하지 않지만, 통상적인 강의 연속 주조 조업에서는, 메니스커스 위치를 주형 동판의 상단으로부터 50 mm 내지 200 mm 정도 하방의 임의의 위치로 하고 있다. 따라서, 메니스커스 위치가 주형 장변 동판 (1) 의 상단으로부터 50 mm 하방의 위치여도, 또한, 상단으로부터 200 mm 하방의 위치여도, 길이 Q 및 길이 L 이, 이하에 설명하는 본 발명의 조건을 만족시키도록 저열전도 금속 충전부 (3) 를 배치하면 된다.
저열전도 금속 충전부 (3) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 주형 장변 동판 (1) 의 내벽면측에 각각 독립적으로 가공된 직경을 d 로 하는 원형 오목홈 (2) 의 내부에, 도금 처리 또는 용사 처리에 의해 주형 장변 동판 (1) 을 구성하는 구리 합금의 열전도율 λc 에 대하여 그 열전도율 λm 이 80 ％ 이하인 금속 (이하, 「저열전도 금속」이라고 기재한다) 이 충전되어 형성된 것이다. 여기서, 주형 동판 내벽면에서의 개구 형상이 원형인 오목홈 (2) 을 「원형 오목홈」이라고 한다. 또한, 도 2 에 있어서의 부호 4 는, 주형 장변 동판 (1) 의 배면측에 설치된 주형 냉각수의 유로가 되는 슬릿이고, 부호 5 는, 주형 장변 동판 (1) 의 배면과 밀착되는 백 플레이트이다.
도 3 은, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 갖는 주형 장변 동판 (1) 의 3 군데 위치에서의 열 저항을, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 위치에 대응하여 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 설치 위치에서는 열 저항이 상대적으로 높아진다.
복수의 저열전도 금속 충전부 (3) 를, 메니스커스 위치를 포함하여 메니스커스 근방의 연속 주조용 주형의 폭 방향 및 주조 방향에 설치함으로써, 메니스커스 근방의 주형 폭 방향 및 주조 방향에 있어서의 연속 주조용 주형의 열 저항이 주기적으로 증감되는 분포가 형성된다. 이로써, 메니스커스 근방, 요컨대, 응고 초기에서의 응고 쉘로부터 연속 주조용 주형으로의 열 유속이 주기적으로 증감되는 분포가 형성된다.
이 열 유속의 주기적인 증감에 따라, δ 철로부터 γ 철로의 변태 (이하 「δ/γ 변태」라고 기재한다) 에 의해 응고 쉘에 발생하는 응력이나 열 응력이 저감되고, 이들 응력에 의해 발생하는 응고 쉘의 변형이 작아진다. 응고 쉘의 변형이 작아짐으로써, 응고 쉘의 변형에서 기인되는 불균일한 열 유속 분포가 균일화되고, 또한, 발생하는 응력이 분산되어 개개의 변형량이 작아진다. 그 결과, 응고 쉘 표면에서의 표면 균열 발생이 억제된다.
또, 구리 합금의 열전도율 λc 와 저열전도 금속의 열전도율 λm 의 비교는, 상온 (약 20 ℃) 에서의 각각의 열전도율의 비교에서 정의된다. 구리 합금 및 저열전도 금속의 열전도율은, 일반적으로 고온이 될수록 작아지지만, 상온에서의 구리 합금의 열전도율 λc 에 대한 상온에서의 저열전도 금속의 열전도율 λm 이 80 ％ 이하이면, 연속 주조용 주형으로서의 사용 온도 (200 ∼ 350 ℃ 정도) 여도, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치한 부위의 열 저항과, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치하지 않은 부위의 열 저항에 차이를 발생시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 응고 쉘로부터 연속 주조용 주형으로의 열 유속이 주기적으로 증감되는 분포를 형성시키기 위해서, 바꾸어 말하면, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치한 부위의 열 저항과, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치하지 않은 부위의 열 저항에 명확한 차이를 발생시키기 위해서, 하기 (1) 식에 의해 정의되는, 저열전도 금속 충전부 (3) 와 주형 동판의 열 저항비 R 이 5 ％ 이상이 되도록, 주형 동판의 형상에 따라 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치한다. 여기서, 저열전도 금속 충전부 (3) 와 주형 동판의 열 저항비 R 은, (1) 식에 나타내는 바와 같이, 주형 냉각수의 유로가 되는 주형 동판의 슬릿 (4) 의 저면 (4a) 에서부터 주형 동판 표면까지의 거리 T 와, 저열전도 금속 충전부 (3) 에서의 저열전도 금속의 충전 두께 H 와, 주형 동판의 열전도율 λc 와, 저열전도 금속의 열전도율 λm 에서 정의된다.
R＝{(T－H)/(1000×λc)＋H/(1000×λm)－T/(1000×λc)}/{T/(1000×λc)}×100 … (1)
단, (1) 식에 있어서, R 은, 저열전도 금속 충전부와 주형 동판의 열 저항비 (％), T 는, 주형 냉각수의 유로가 되는 주형 동판의 슬릿 저면에서부터 주형 동판 표면까지의 거리 (mm), H 는, 저열전도 금속의 충전 두께 (mm), λc 는, 주형 동판의 열전도율 (W/(m×K)), λm 은 저열전도 금속의 열전도율 (W/(m×K)) 이다.
또, 열 저항비 R 이 100 ％ 보다 커지면, 저열전도 금속 충전부 (3) 에서의 응고가 현저히 지연되므로, 불균일 응고가 조장되어, 주편의 표면 균열이나 브레이크 아웃이 발생될 가능성이 있기 때문에, 열 저항비 R 은 100 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
초기 응고에 대한 영향을 감안하면, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 설치 위치는, 정상 주조시의 주편 인발 속도 Vc 에 따라 하기 (2) 식으로부터 산출되는 길이 L0 이상 메니스커스보다 하방의 위치까지로 하는 것이 바람직하다. 요컨대, 도 1 에 나타내는 메니스커스 위치로부터의 길이 L 은, 길이 L0 이상으로 하는 것이 바람직하다.
L0＝2×Vc×1000/60 … (2)
단, (2) 식에 있어서, L0 은, 길이(mm), Vc 는, 주편 인발 속도 (m/min) 이다.
길이 L0 은, 응고 개시한 후의 주편이 저열전도 금속 충전부 (3) 가 설치된 범위를 통과하는 시간에 관계하고 있어, 주편의 표면 균열을 억제하기 위해서는, 응고 개시 후부터 적어도 2 초간은, 주편이 저열전도 금속 충전부 (3) 가 설치된 범위 내에 체재하는 것이 바람직하다. 주편이 응고 개시 후부터 적어도 2 초간은 저열전도 금속 충전부 (3) 가 설치된 범위에 존재하기 위해서는, 길이 L0 은 (2) 식을 만족시키는 것이 필요하다.
응고 개시한 후의 주편이 저열전도 금속 충전부 (3) 가 설치된 범위 내에 체재하는 시간을 2 초 이상 확보함으로써, 저열전도 금속 충전부 (3) 에 의한 열 유속의 주기적인 변동의 효과가 충분히 얻어지고, 응고 쉘에 표면 균열이 발생하기 쉬운 고속 주조시나 중탄소강의 주조시에, 주편의 표면 균열 억제 효과를 높일 수 있다. 저열전도 금속 충전부 (3) 에 의한 열 유속의 주기적인 변동의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 주편이 저열전도 금속 충전부 (3) 가 설치된 범위를 통과하는 시간을 4 초 이상 확보하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 길이 L 에 상한을 정할 필요는 없지만, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치하기 위한 주형 동판 표면의 오목홈 가공 비용과 도금 처리 비용 또는 용사 처리 비용을 억제하는 관점에서 길이 L0 의 5 배 이내로 하는 것이 바람직하다.
한편, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 상단부 위치는, 메니스커스 위치보다 상방이면 어디 위치여도 상관 없고, 따라서, 도 1 에 나타내는 길이 Q 는, 제로를 초과한 임의의 값이면 된다. 단, 주조 중에 메니스커스는 상하 방향으로 변동하므로, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 상단부가 항상 메니스커스보다 상방 위치가 되도록, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 상단부를 설정되는 메니스커스보다 10 mm 정도 상방 위치로 하는 것이 바람직하고, 또한, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 상단부를 설정되는 메니스커스보다 20 mm ∼ 50 mm 정도 상방 위치로 하는 것이 보다 바람직하다.
도 1 및 도 2 에서는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 주형 장변 동판 (1) 의 내벽면에서의 개구 형상이 원형인 예를 나타냈지만, 개구 형상은 원형에 한정되지 않는다. 예를 들어 타원형과 같은, 소위 「모서리」를 갖지 않는, 원형에 가까운 형상이면, 어떠한 형상이어도 된다. 이하, 원형에 가까운 것을 「의사 원형」이라고 칭한다. 저열전도 금속 충전부 (3) 의 개구 형상이 의사 원형인 경우에는, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 형성시키기 위해서 주형 장변 동판 (1) 의 내벽면에 가공되는 오목홈 (2) 을 「의사 원형 오목홈」이라고 칭한다. 의사 원형란, 예를 들어 타원형이나, 모서리부를 원이나 타원으로 하는 장방형 등의 모서리부를 갖지 않는 형상이고, 또한 꽃잎 모양과 같은 형상이어도 된다. 의사 원형의 크기는, 의사 원형의 주형 장변 동판 (1) 의 내벽면에서의 개구 면적으로부터 구해지는 원 상당 직경에서 평가한다.
특허문헌 4 및 특허문헌 5 와 같이 세로 홈 혹은 격자 홈을 실시하고, 이 홈에 저열전도 금속을 충전한 경우에는, 저열전도 금속과 구리의 경계면 및 격자부의 직교부에 있어서, 저열전도 금속과 구리의 열변형차에 의한 응력이 집중되어, 주형 동판 표면에 균열이 발생한다는 문제가 일어난다. 이에 대해, 본 실시형태에 관련된 연속 주조용 주형은, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 형상을 원형 또는 의사 원형으로 하고 있다. 이로써, 저열전도 금속과 구리의 경계면은 곡면 형상이 되므로, 경계면에서 응력이 집중되기 어려워, 주형 동판 표면에 균열이 발생하기 어렵다는 이점이 발현된다.
저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 및 원 상당 직경 d 는, 2 ∼ 20 mm 인 것이 바람직하다. 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 및 원 상당 직경 d 를 2 mm 이상으로 함으로써, 저열전도 금속 충전부 (3) 에 있어서의 열 유속의 저하가 충분해져, 주편의 표면 균열 억제 효과를 높일 수 있다. 또한, 2 mm 이상으로 함으로써, 저열전도 금속을 도금 처리나 용사 처리에 의해 원형 또는 의사 원형의 오목홈 (2) 의 내부에 충전하는 것이 용이해진다. 한편, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 및 원 상당 직경 d 를 20 mm 이하로 함으로써, 저열전도 금속 충전부 (3) 에서의 열 유속의 저하가 억제되고, 요컨대, 저열전도 금속 충전부 (3) 에서의 응고 지연이 억제되고, 그 위치에서의 응고 쉘에 대한 응력 집중이 방지되어, 응고 쉘에서의 표면 균열 발생을 억제할 수 있다. 즉, 직경 d 및 원 상당 직경 d 가 20 mm 를 초과하면 응고 쉘에서의 표면 균열이 증가되는 경향이 있기 때문에, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 및 원 상당 직경 d 는 20 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 형상이 의사 원형인 경우에는, 이 의사 원형의 원 상당 직경 d 는 하기 (5) 식에서 산출된다.
원 상당 직경＝(4×S/π)1/2 … (5)
단, (5) 식에 있어서, S 는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 주형 동판의 내벽면에서의 개구 면적 (㎟) 이다.
원형 오목홈 및 의사 원형 오목홈에 충전하여 사용하는 저열전도 금속의 열전도율 λm 은, 주형 동판을 구성하는 구리 합금의 열전도율 λc 에 대하여 80 ％ 이하일 필요가 있다. 구리 합금의 열전도율에 대하여 80 ％ 이하인 저열전도 금속을 사용함으로써, 저열전도 금속 충전부 (3) 에 의한 열 유속의 주기적인 변동의 효과가 충분해지고, 주편에 표면 균열이 발생하기 쉬운 고속 주조시나 중탄소강의 주조시에서도, 주편의 표면 균열 억제 효과가 충분히 얻어진다.
본 실시형태에 관련된 연속 주조용 주형에 있어서 사용하는 저열전도 금속으로는, 도금 처리나 용사 처리에 의해 용이하게 충전할 수 있기 때문에, 니켈 (Ni, 열전도율 ; 90.5 W/(m×K)), 니켈계 합금, 크롬 (Cr, 열전도율 ; 67 W/(m×K)), 코발트 (Co, 열전도율 ; 70 W/(m×K)) 등이 바람직하다. 또, 본 명세서에 기재된 열전도율의 수치는, 상온 (약 20 ℃) 에서의 열전도율이다.
또한, 주형 동판으로서 사용하는 구리 합금으로는, 일반적으로 연속 주조용 주형으로서 사용되고 있는 크롬이나 지르코늄 (Zr) 등을 미량 첨가한 구리 합금을 사용하면 된다. 최근에는, 주형 내의 응고의 균일화 또는 용강 중 개재물의 응고 쉘에 대한 포착을 방지하기 위해서, 연속 주조용 주형에는, 주형 내의 용강을 교반하는 전자 교반 장치가 설치되어 있는 것이 일반적이다. 이 경우에는, 전자 코일로부터 용강으로의 자장 강도의 감쇠를 억제하기 위해서, 도전율을 저감시킨 구리 합금이 사용되고 있다. 구리 합금은, 그 도전율의 저하에 따라 열전도율도 저감되고, 따라서, 최근에는 순구리의 1/2 전후의 열전도율의 구리 합금제 주형 동판도 사용되고 있다. 이와 같은 연속 주조용 주형에서는, 주형 동판과 저열전도 금속의 열전도율차가 작아지지만, 상기 (1) 식에 나타내는 열 저항비 R 을 5 ％ 이상으로 함으로써, 주편의 표면 균열 저감 효과가 발휘된다.
저열전도 금속 충전부 (3) 의 충전 두께 H 는 0.5 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 충전 두께 H 를 0.5 mm 이상으로 함으로써, 저열전도 금속 충전부 (3) 에서의 열 유속의 저하가 충분해져, 주편의 표면 균열 억제 효과를 얻을 수 있다.
또한, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 충전 두께 H 는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 이하 및 원 상당 직경 d 이하로 하는 것이 바람직하다. 충전 두께 H 를 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 및 원 상당 직경 d 와 동등, 또는 그것들보다 작게 하므로, 도금 처리나 용사 처리에 의한 오목홈 (2) 으로의 저열전도 금속의 충전이 용이해지고, 또한, 충전된 저열전도 금속과 주형 동판의 사이에 간극이나 균열이 발생하는 일도 없다. 저열전도 금속과 주형 동판의 사이에 간극이나 균열이 발생한 경우에는, 충전된 저열전도 금속의 균열이나 박리가 발생하여, 주형 수명의 저하, 주편의 균열, 또한 구속성 브레이크 아웃의 원인이 된다.
저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 및 원 상당 직경 d 의 0.25 배 이상인 것이 바람직하다. 즉, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 는 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 또는 원 상당 직경 d 에 대하여 하기 (3) 식의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.
P≥0.25×d … (3)
단, (3) 식에 있어서, P 는, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 (mm), d 는, 저열전도 금속 충전부의 직경 (mm) 또는 원 상당 직경 (mm) 이다.
여기서, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 란, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 서로 이웃하는 저열전도 금속 충전부 (3) 의 단부 간의 최단 거리이다. 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 를 「0.25×d」이상으로 함으로써, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격이 충분히 크고, 저열전도 금속 충전부 (3) 에서의 열 유속과 구리 합금부 (저열전도 금속 충전부 (3) 가 형성되어 있지 않은 부위) 의 열 유속의 차이가 커져, 주편의 표면 균열 억제 효과를 얻을 수 있다. 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 의 상한값은, 특별히 정하지 않아도 되지만, 간격 P 가 커지면, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 면적률이 저하되므로, 「2.0×d」이하로 하는 것이 바람직하다.
저열전도 금속 충전부 (3) 의 배열은, 도 1 에 나타내는 바와 같은 지그재그 배열이 바람직하지만, 지그재그 배열에 한정되지 않고, 저열전도 금속 충전부끼리의 상기 간격 P 를 만족시키는 배열이면, 어떠한 배열이어도 된다.
저열전도 금속 충전부 (3) 가 형성된 범위 내의 주형 동판 내벽면의 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부 (3) 의 면적의 총합 B (㎟) 의 비인 면적률 S (S＝(B/A)×100) 는, 10 ％ 이상인 것이 바람직하다. 면적률 S 를 10 ％ 이상 확보함으로써, 열 유속이 작은 저열전도 금속 충전부 (3) 가 차지하는 면적이 확보되어, 저열전도 금속 충전부 (3) 와 구리 합금부에서 열 유속차가 얻어지고, 주편의 표면 균열 억제 효과를 안정적으로 얻을 수 있다. 또, 저열전도 금속 충전부 (3) 가 차지하는 면적률 S 의 상한은 특별히 정하지 않아도 되지만, 전술한 바와 같이, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 를 「0.25×d」이상으로 하는 것이 바람직하므로, 「P＝0.25×d」의 조건을 최대의 면적률 S 로 생각하면 된다.
또한, 저열전도 금속 충전부 (3) 가 형성된 범위 내의 주형 동판 내벽면의 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부 (3) 와 주형 동판의 경계 길이의 총합 C (mm) 의 비 ε (ε＝C/A) 는, 하기 (4) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.
0.07≤ε≤0.60 … (4)
비 ε 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 결과, 비 ε 가 (4) 식의 범위 밖인 경우에는, 표면 균열의 저감 효과가 적었다. 비 ε 는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 또는 원 상당 직경 d 및 저열전도 금속 충전부 (3) 의 개수에 의존하여 변화한다.
비 ε 가 0.07 미만일 때에는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 개수가 적어, δ/γ 변태시의 체적 수축이나 열 수축에 의해 발생한 응력이 쉘 전체에 균일하게 분산되기 어려워지므로, 주편 표면 균열의 억제 효과가 저감된다. 한편, 비 ε 가 0.60 보다 클 때는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 개수가 지나치게 많은 결과, 열 유속의 주기적인 증감이 목적으로 하는 수준에 도달하지 못하여, 주편 표면 균열의 억제 효과가 저감된다. 또한, 비 ε 가 0.60 보다 큰 경우에는, 주형 바로 아래에서의 주편 벌징도 확인되었다.
저열전도 금속 충전부 (3) 는, 연속 주조용 주형의 장변 주형 동판과 단변 주형 동판의 쌍방에 설치하는 것을 기본으로 하지만, 슬래브 주편과 같이 주편 단변 길이에 대해 주편 장변 길이가 현저하게 큰 경우에는, 주편의 장변측에 표면 균열이 발생하는 경향이 있고, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 장변 주형 동판에만 설치해도, 주편의 표면 균열 억제 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 형성시킨 주형 동판의 내벽면에, 응고 쉘에 의한 마모나 열 이력에 의한 주형 표면 균열을 방지하는 것을 목적으로 하여, 도금층 (6) 을 형성하는 것이 바람직하다. 이 도금층 (6) 은, 일반적으로 사용되는 니켈 또는 니켈을 함유하는 합금, 예를 들어, 니켈－코발트 합금 (Ni－Co 합금) 이나 니켈－크롬 합금 (Ni－Cr 합금) 등을 도금 처리함으로써 얻어진다. 도금층 (6) 의 두께 h 는 2.0 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 도금층 (6) 의 두께 h 를 2.0 mm 이하로 함으로써, 열 유속에 미치는 도금층 (6) 의 영향을 줄일 수 있어, 저열전도 금속 충전부 (3) 에 의한 열 유속의 주기적인 변동의 효과를 충분히 얻을 수 있다. 단, 도금층 (6) 의 두께 h 가 저열전도 금속 충전부 (3) 의 충전 두께 H 의 0.5 배보다 커지면, 저열전도 금속 충전부 (3) 에 의한 주기적인 열 유속 분포 차의 형성이 억제되므로, 도금층 (6) 의 두께 h 는, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 충전 두께 H 의 0.5 배 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 조건을 만족시키고 있는 한, 도금층 (6) 은 주형 상단에서부터 하단까지 동일한 두께여도 되고, 상단에서부터 하단에 걸쳐 두께가 상이해도 된다. 도 4 는, 주형 장변 동판의 내벽면에 주형 표면 보호를 위한 도금층을 형성한 예를 나타내는 개략도이다.
이와 같이 구성되는 연속 주조용 주형은, 특히 표면 균열 감수성이 높은, 탄소 함유량이 0.08 ∼ 0.17 질량％ 인 중탄소강의 슬래브 주편 (두께 ; 200 mm 이상) 을 연속 주조할 때에 사용하는 것이 바람직하다. 종래, 중탄소강의 슬래브 주편을 연속 주조하는 경우에는, 주편의 표면 균열을 억제하기 위해서, 주편 인발 속도를 저속화시키는 것이 일반적이지만, 상기 구성을 갖는 연속 주조용 주형을 사용함으로써 주편 표면 균열을 억제할 수 있으므로, 1.5 m/min 이상인 주편 인발 속도여도, 표면 균열이 없거나, 또는 표면 균열이 현저히 적은 주편을 연속 주조하는 것이 실현된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 연속 주조용 주형은, (1) 식에서 정의되는 열 저항비 R 이 5 ％ 이상인 복수 개의 저열전도 금속 충전부 (3) 가 메니스커스 위치를 포함하여 메니스커스 근방의 연속 주조용 주형의 폭 방향 및 주조 방향에 설치되어 있다. 이로써, 연속 주조용 주형의 메니스커스 근방의 주형 폭 방향 및 주조 방향에서의 연속 주조용 주형의 열 저항이 주기적으로 증감되고, 응고 초기에서의 응고 쉘로부터 연속 주조용 주형으로의 열 유속이 주기적으로 증감된다. 이 열 유속의 주기적인 증감에 따라, δ/γ 변태에 의한 응력이나 열 응력이 저감되고, 이들 응력에 의해 발생하는 응고 쉘의 변형이 작아진다. 응고 쉘의 변형이 작아짐으로써, 응고 쉘의 변형에서 기인되는 불균일한 열 유속 분포가 균일화되고, 또한, 발생하는 응력이 분산되어 개개의 변형량이 작아져, 응고 쉘 표면에서의 균열 발생이 억제된다.
또, 도 1 에서는, 동일 형상의 저열전도 금속 충전부 (3) 를 주조 방향 또는 주형 폭 방향에 설치한 예를 나타냈는데, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 형상은 동일하지 않아도 된다. 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 또는 원 상당 직경 d 가 2 ∼ 20 mm 의 범위 내이면, 직경이 상이한 저열전도 금속 충전부 (3) 를 주조 방향 또는 주형 폭 방향에 설치해도 된다. 단, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 직경 d 또는 원 상당 직경 d 가 장소에 따라 대폭적으로 상이하면, 저열전도 금속 충전부 (3) 의 면적률이 국소적으로 높은 영역에서 응고가 지연되고, 그 위치에서 주편에 표면 균열이 발생할 우려가 있으므로, 단일 직경 또는 원 상당 직경으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 2 에서는, 충전 두께 H 가 동일한 저열전도 금속 충전부 (3) 를 주조 방향에 설치한 예를 나타냈는데, 주형 폭 방향 또는 주편 폭 방향에 설치하는 저열전도 금속 충전부 (3) 의 충전 두께 H 는, 동일하게 하지 않아도 되고, 개개의 저열전도 금속 충전부 (3) 에서 충전 두께 H 가 상이해도 된다. 단, 어느 저열전도 금속 충전부 (3) 의 충전 두께 H 도 0.5 mm 이상인 것이 바람직하다.
또, 도 1 에서는, 주조 방향 또는 주형 폭 방향에 동일 간격으로 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치한 예를 나타냈는데, 저열전도 금속 충전부 (3) 를 설치하는 간격은 동일하지 않아도 된다. 단, 이 경우에도, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 는 (3) 식의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 설명은 슬래브 주편용의 연속 주조용 주형에 관해서 실시했는데, 본 실시형태에 관련된 연속 주조용 주형은 슬래브 주편용의 연속 주조용 주형에 한정되는 것이 아니라, 블룸 주편용이나 빌렛 주편용의 연속 주조용 주형에 있어서도 상기에 따라 적용할 수 있다.
실시예
C ; 0.05 ∼ 0.25 질량％, Si ; 0.10 ∼ 0.35 질량％, Mn ; 0.70 ∼ 1.30 질량％, P ; 0.010 ∼ 0.030 질량％, S ; 0.002 ∼ 0.006 질량％, Al ; 0.02 ∼ 0.05 질량％ 를 함유하는 용강을, 구리 합금제 주형 장변 동판의 내벽면 및 구리 합금제 주형 단변 동판의 내벽면에, 다양한 조건에서 저열전도 금속 충전부가 설치된 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형을 사용하여, 주편 장변 폭이 1500 ∼ 2450 mm, 주편 단변 두께가 220 mm 인 슬래브 주편으로 연속 주조하고, 주조 후 주편의 표면 균열을 조사하는 시험을 실시하였다.
사용된 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형의 상단에서부터 하단까지의 길이는 950 mm 이고, 정상 주조시의 메니스커스 (주형 내 용강탕면) 의 위치는, 주형 상단으로부터 100 mm 하방 위치에 설정하였다. 주형 상단으로부터 60 mm 하방의 위치에서부터 설정된 메니스커스 위치로부터 길이 L (mm) 하방의 위치까지의 범위인 주형 동판 내벽면에 원형 오목홈의 가공을 실시하고, 그 후, 전기 도금 처리에 의해 원형 오목홈에 저열전도 금속을 충전시켰다. 전기 도금 처리를 실시한 후, 표면 연삭을 실시하여 원형 오목홈 이외의 부위에 부착된 저열전도 금속을 제거하고, 재차 전기 도금 처리를 실시하는 공정을 복수 회 반복하여 저열전도 금속을 원형 오목홈에 완전히 충전시켜, 저열전도 금속 충전부를 형성하였다. 이 경우, 저열전도 금속 충전부와 그 주위의 구리 합금부 (저열전도 금속 충전부가 형성되어 있지 않은 부위) 는 단차가 없는 평활면으로 형성하였다. 그 후, 주형 동판 내벽면의 전체면에 Ni－Co 합금을 도금하고, 주형 상단에서의 두께 0.2 mm, 주형 하단에서의 두께 2.0 mm 인 도금층을 시공하였다.
주형 동판으로는, 열전도율이 298.5 W/(m×K) 및 120.0 W/(m×K) 인, 열전도율이 상이한 2 종류의 구리 합금을 사용하여, 충전용 저열전도 금속 (이하, 「충전 금속」이라고도 기재한다) 으로는, 순니켈 (열전도율 ; 90.5 W/(m×K)), 순코발트 (열전도율 ; 70 W/(m×K)), 순크롬 (열전도율 ; 67 W/(m×K)), 순구리 (열전도율 ; 398 W/(m×K)) 를 사용하였다.
연속 주조 조업에 있어서는, 몰드 파우더로서, 염기도 ((질량％ CaO)/(질량％ SiO2)) 가 1.0 ∼ 1.5 이고, 1300 ℃ 에서의 점도가 0.05 ∼ 0.20 Pa·s 인 몰드 파우더를 사용하였다. 연속 주조 종료 후, 주편 표면의 균열 발생 상황을 염색 침투 탐상 검사에 의해 조사하였다. 침투 탐상 검사에 의해 검출된 2 mm 이상인 길이의 표면 균열의 개수를 측정하고, 그 총합을, 표면 균열을 조사한 주편의 주조 방향 길이 (m) 로 나눈 값 (개/m) 을 표면 균열 지수로서 정의하고, 이 표면 균열 지수를 사용하여 표면 균열의 발생 상황을 평가하였다.
표 1 에, 시험 No. 1 ∼ 26 의 주형 시공 조건 및 주편 표면 검사 결과를 나타내고, 또한, 표 2 에 시험 No. 27 ∼ 48 의 주형 시공 조건 및 주편 표면 검사 결과를 나타낸다. 또, 표 1 및 표 2 의 비고란에는, 본 발명의 범위 내의 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형을 사용한 시험을 본 발명예, 저열전도 금속 충전부를 갖는 것의 본 발명의 범위를 만족시키지 못하는 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형을 사용한 시험을 비교예, 저열전도 금속 충전부를 갖지 않는 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형을 사용한 시험을 종래예로 표시하고 있다.
Figure 112019004140924-pct00001
Figure 112019004140924-pct00002
시험 No. 1 ∼ 8 은, 주형 동판의 열전도율 λc 에 대한 충전 금속의 열전도율 λm 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 시험이다. 도 5 에, 시험 No. 1 ∼ 8 의 시험 결과를 나타내는 바와 같이, 충전 금속의 열전도율 λm 이 주형 동판의 열전도율 λc 의 80 ％ 이하인 범위에서 주편의 표면 균열이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
시험 No. 9 ∼ 19 는, 저열전도 금속 충전부와 주형 동판의 열 저항비 R 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 시험이다. 도 6 에, 시험 No. 9 ∼ 19 의 시험 결과를 나타내는 바와 같이, 열 저항비 R 이 5 ％ 이상인 범위에서 주편 표면 균열이 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 단, 열 저항비 R 이 100 ％ 를 초과하면, 표면 균열의 저감 효과가 작아지는 것을 알 수 있었다. 또, 시험 No. 9 에 나타내는 바와 같이, 충전 금속의 열전도율 λm 이 주형 동판의 열전도율 λc 의 80 ％ 이하인 범위여도, 열 저항비 R 이 5 ％ 이상이 아닌 경우에는, 주편 표면 균열의 억제 효과는 얻어지지 않음을 확인할 수 있었다.
시험 No. 20 ∼ 26 은, 저열전도 금속 충전부가 형성된 범위 내의 주형 동판 내벽면의 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부의 면적의 총합 B (㎟) 의 비인 면적률 S 의 주편 표면 균열에 미치는 영향, 및 저열전도 금속 충전부가 형성된 범위 내의 주형 동판 내벽면의 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부와 주형 동판의 경계 길이의 총합 C (mm) 의 비 ε 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 시험이다. 도 7 에, 시험 No. 20 ∼ 26 의 시험 결과를 나타내는 바와 같이, 면적률 S 가 10 ％ 이상이고, 또한, 비 ε 가 0.07 ∼ 0.60 인 범위에 있어서는 주편 표면 균열이 억제되었다. 면적률 S 가 10 ％ 이상인 조건, 또는 비 ε 가 0.07 ∼ 0.60 의 범위인 조건을 벗어난 경우에는, 주편에 경미한 표면 균열이 발생하였다.
시험 No. 27 ∼ 32 는, 저열전도 금속 충전부의 직경 d 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 시험이다. 도 8 에, 시험 No. 27 ∼ 32 의 시험 결과를 나타내는 바와 같이, 저열전도 금속 충전부의 직경 d 가 2 ∼ 20 mm 인 범위에 있어서, 주편 표면 균열이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
시험 No. 33 ∼ 36 은, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 P 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 시험이다. 「P≥0.25×d」의 조건을 만족시키는 경우에는 주편 표면 균열이 억제되었다. 간격 P 가 「P≥0.25×d」의 조건을 벗어난 경우에는, 주편에 경미한 표면 균열이 발생하였다.
시험 No. 37 ∼ 39 는, 저열전도 금속 충전부를 배치한 범위의 길이 L 의 주편 표면 균열에 미치는 영향을 조사한 시험이다. 주편 인발 속도 Vc 에 의해 산출되는 길이 L0 에 대하여 길이 L 이 큰 범위에서, 주편 표면 균열이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
시험 No. 40 ∼ 46 은, 구리 합금제 주형 장변 동판 및 구리 합금제 주형 단변 동판의 내벽면에, 복수 개의 저열전도 금속 충전부가 연결되어 배치된 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형, 요컨대, 각각의 저열전도 금속 충전부가 독립되어 있지 않은 수냉식 구리 합금제 연속 주조용 주형을 사용한 시험이다.
이 중 시험 No. 40 ∼ 44 는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 직경 3 mm 인 저열전도 금속 충전부를 3 개 조합한 형상의 저열전도 금속 충전부를, 조합한 3 개의 저열전도 금속 충전부끼리 사이의 간격 P 를 변화시켜 배치한 시험이다. 시험 No. 40 ∼ 44 의 경우에도, 충전 금속의 열전도율 λm 이 주형 동판의 열전도율 λc 의 80 ％ 이하이고, 열 저항비 R 이 5 ％ 이상이고, 주편 인발 속도 Vc 에 의해 산출되는 길이 L0 에 대하여 길이 L 이 크고, 또한, 직경 d, 간격 P, 면적률 S, 비 ε 가 바람직한 조건을 만족시키는 경우에는, 주편 표면 균열이 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 면적률 S 또는 비 ε 가, 적합한 조건을 벗어난 경우에는, 주편에 경미한 표면 균열이 발생하였다.
시험 No. 45 는, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 주형의 폭 방향에서 저열전도 금속 충전부가 연결되어 배치된 수냉식 연속 주조용 주형을 사용한 시험이고, 시험 No. 46 은, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 주형의 폭 방향 및 주조 방향에서 모든 저열전도 금속 충전부가 연결되어 배치된 수냉식 연속 주조용 주형을 사용한 시험이다. 또, 도 10-(A) 및 도 11-(A) 는, 내벽면측에 저열전도 금속 충전부가 형성된 주형 장변 동판을 내벽면측에서 본 개략 측면도이고, 도 10-(B) 는, 도 10-(A) 에 나타내는 주형 장변 동판의 Y－Y' 단면도이고, 도 11-(B) 는, 도 11-(A) 에 나타내는 주형 장변 동판의 Y－Y' 단면도이다.
시험 No. 45 는, 주형 장변 동판 및 주형 단변 동판의 폭 방향에, 직경 d ; 8 mm, 충전 두께 H ; 4 mm, 간격 P ; 4 mm 인 저열전도 금속 충전부를 형성하고, 이 저열전도 금속 충전부 사이에, 직경 d ; 4 mm, 충전 두께 H ; 1 mm 인 저열전도 금속 충전부를 형성한 경우이다. 직경 8 mm 인 저열전도 금속 충전부 쪽이, 충전 두께 H 가 크기 때문에, 그 영역의 응고 쉘부에 δ/γ 변태시의 체적 수축이나 열 수축에 의해 발생한 응력이 분산되어, 주편의 표면 균열이 저감된 것으로 생각된다.
한편, 시험 No. 46 은, 모든 저열전도 금속 충전부가 연결되어 있어, 연속 주조시에 응고 쉘의 항시 동일한 위치에서 응고가 지연되고, 그 때문에 그 지점에 δ/γ 변태에 의한 응력이나 열 응력이 집중되어, 경미한 표면 균열이 발생한 것으로 생각된다.
시험 No. 47, 48 은, 저열전도 금속 충전부가 설치되어 있지 않은 종래의 연속 주조용 주형을 사용한 시험이다. 시험 No. 47, 48 에서는, 다수의 주편 표면 균열이 발생하였다.
1 : 주형 장변 동판
2 : 오목홈
3 : 저열전도 금속 충전부
4 : 슬릿
5 : 백 플레이트
6 : 도금층

Claims (10)

  1. 수냉식 연속 주조용 주형으로서,
    상기 주형을 구성하는 구리 합금제 주형 동판의 내벽면의 메니스커스보다 상방의 임의의 위치에서부터 메니스커스보다 하방의 임의의 위치까지의 범위에 복수 형성된 오목홈에 저열전도 금속이 충전되어 형성되는 저열전도 금속 충전부를 갖고,
    상기 주형 동판의 열전도율 λc (W/(m×K)) 에 대한 상기 저열전도 금속의 열전도율 λm (W/(m×K)) 이 80 ％ 이하이고,
    하기 (1) 식에 의해 정의되는 열 저항비 R 이 5 ％ 이상이고,
    상기 저열전도 금속 충전부가 형성된 범위 내의 상기 주형 동판 내벽면의 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부의 면적의 총합 B (㎟) 의 비인 면적률 S (S＝(B/A)×100) 이 10 ％ 이상이고,
    또한, 상기 면적 A (㎟) 에 대한, 모든 저열전도 금속 충전부와 상기 주형 동판의 경계 길이의 총합 C (mm) 의 비 ε (ε＝C/A) 가 하기 (4) 식의 관계를 만족시키는 연속 주조용 주형.
    R＝{(T－H)/(1000×λc)＋H/(1000×λm)－T/(1000×λc)}/{T/(1000×λc)}×100 … (1)
    0.07≤ε≤0.60 … (4)
    여기서, R 은, 상기 저열전도 금속 충전부와 상기 주형 동판의 열 저항비 (％),
    T 는, 주형 냉각수의 유로가 되는 주형 동판의 슬릿 저면에서부터 주형 동판 표면까지의 거리 (mm),
    H 는, 저열전도 금속의 충전 두께 (mm) 이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목홈은, 메니스커스보다 상방의 임의의 위치에서부터 주편 인발 속도 Vc (m/min) 에 의해 하기 (2) 식에서 산출되는 길이 L0 (mm) 이상 메니스커스보다 하방의 임의의 위치까지의 상기 주형 동판의 내벽면의 범위에 형성되어 있는 연속 주조용 주형.
    L0＝2×Vc×1000/60 … (2)
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연속 주조용 주형은, 상기 저열전도 금속 충전부가 형성된 상기 주형 동판의 내벽면의 범위에 있어서, 주기적인 열 저항 분포 또는 열 유속 분포를 갖는 연속 주조용 주형.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오목홈의 상기 주형 동판 내벽면에서의 개구 형상이 원형 또는 의사 (擬似) 원형이고,
    그 원형의 직경 또는 그 의사 원형의 원 상당 직경이 2 ∼ 20 mm 인 연속 주조용 주형.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저열전도 금속 충전부끼리의 간격이, 그 저열전도 금속 충전부의 상기 직경 또는 상기 원 상당 직경에 대하여 하기 (3) 식의 관계를 만족시키는 연속 주조용 주형.
    P≥0.25×d … (3)
    여기서, P 는, 저열전도 금속 충전부끼리의 간격 (mm),
    d 는, 저열전도 금속 충전부의 직경 (mm) 또는 원 상당 직경 (mm) 이다.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저열전도 금속 충전부가 각각 독립적으로 형성되어 있는 연속 주조용 주형.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저열전도 금속은, 도금 처리 또는 용사 처리에 의해 상기 오목홈의 내부에 충전되는 연속 주조용 주형.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주형 동판의 내벽면에는, 두께가 2.0 mm 이하인 니켈 또는 니켈을 함유하는 합금의 도금층이 형성되어 있고,
    상기 저열전도 금속 충전부는 상기 도금층으로 덮여 있는 연속 주조용 주형.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 연속 주조용 주형을 사용하는 강의 연속 주조 방법으로서,
    탄소 함유량이 0.08 ∼ 0.17 질량％ 인 중탄소강을 상기 주형에 주입함과 함께,
    주편 두께가 200 mm 이상인 슬래브 주편으로 하고 1.5 m/min 이상인 주편 인발 속도로 상기 주형으로부터 상기 중탄소강을 인발하여 연속 주조하는 강의 연속 주조 방법.
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