TW201615303A - 連續鑄造用鑄模以及鋼之連續鑄造方法 - Google Patents
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Abstract
為了提供一種連續鑄造用鑄模，可防止起因於凝固殼厚度的不均一之鑄片表面龜裂，該凝固殼厚度的不均一則是起因於會產生包晶反應的中碳鋼之從δ鐵往γ鐵進行變態。
具備有銅製或銅合金製的鑄模銅板之連續鑄造用鑄模，至少在從彎液面到離彎液面20mm以上的下方位置之鑄模銅板(1)的內壁面，將直徑2~20mm之複數個異種金屬填充部(3)分別獨立地設置，異種金屬填充部(3)是將熱傳導率為鑄模銅板的熱傳導率之80%以下或125%以上的金屬填充在設於前述內壁面之圓形凹槽所形成，鑄模銅板的維氏硬度HVc和所填充的金屬的維氏硬度HVm之比滿足下述(1)式，且鑄模銅板的熱膨脹係數αc和所填充的金屬的熱膨脹係數αm之比滿足下述(2)式。
0.3≦HVc/HVm≦2.3．．(1)、0.7≦αc/αm≦3.5．．(2)
Description
本發明是關於，可防止起因於鑄模內之凝固殼的不均一冷卻之鑄片表面龜裂而進行連續鑄造的連續鑄造用鑄模、以及使用該鑄模的鋼之連續鑄造方法。
在鋼的連續鑄造，注入鑄模內的熔鋼是藉由水冷式鑄模施以冷卻，在其與鑄模的接觸面使熔鋼凝固而生成凝固層(稱為「凝固殼」)。以該凝固殼作為外殼且內部為未凝固層之鑄片，一邊藉由設置於鑄模的下游側之水噴霧、氣水噴霧施以冷卻一邊被往鑄模下方連續地抽拉。鑄片，藉由利用水噴霧、氣水噴霧所進行的冷卻直到連其厚度的中心部都凝固之後，藉由氣切割機等進行切割而製造成既定長度的鑄片。
當鑄模內的冷卻不均一時，凝固殼的厚度在鑄片的鑄造方向及鑄片寬度方向變得不均一。起因於凝固殼的收縮、變形之應力會作用於凝固殼。在凝固初期，該應力集中於凝固殼的薄壁部，藉由該應力而在凝固殼的表面發生龜裂。該龜裂，藉由隨後的熱應力、連續鑄造機之
輥子所產生之彎曲應力及矯正應力等的外力而擴大，變成較大的表面龜裂。存在於鑄片之表面龜裂，在下個步驟之輥軋步驟變成鋼製品的表面缺陷。因此，為了防止鋼製品的表面缺陷發生，必須將鑄片的表面實施噴焰清理或磨削，而在鑄片階段將該表面龜裂除去。
鑄模內的不均一凝固，特別容易發生在碳含量為0.08~0.17質量%的鋼。碳含量為0.08~0.17質量%的鋼，在凝固時會產生包晶反應。鑄模內的不均一凝固是起因於，該包晶反應所進行之從δ鐵(肥粒鐵)往γ鐵(沃斯田鐵)變態時的體積收縮所造成的變態應力。亦即，起因於該變態應力的應變造成凝固殼變形，該變形使得凝固殼從鑄模內壁面脫離。從鑄模內壁面脫離的部位，其受鑄模的冷卻效果降低，而使該從鑄模內壁面脫離的部位(將該從鑄模內壁面脫離的部位稱為「凹陷」之凝固殼厚度變薄。因為凝固殼厚度變薄，上述應力會集中在該部分，而發生表面龜裂。
特別是當鑄片抽拉速度增加的情況，不僅從凝固殼往鑄模冷卻水之平均熱通量增加(凝固殼被急速冷卻)，熱通量的分布變得不規則且不均一，因此鑄片表面的龜裂發生有增加的傾向。具體而言，在鑄片厚度為200mm以上的鋼坯連續鑄造機，當鑄片抽拉速度成為1.5m/min以上時，容易發生表面龜裂。
以往，為了防止會產生上述包晶反應的鋼種(「中碳鋼」)之鑄片表面龜裂，嘗試使用易結晶化組成
的鑄模添加劑(mold powder)(例如，參照專利文獻1)。這是因為，易結晶化組成的鑄模添加劑，其鑄模添加劑層的熱阻增大，而使凝固殼被緩慢冷卻。藉由緩慢冷卻，使作用於凝固殼的應力降低，使表面龜裂變少。然而，僅利用鑄模添加劑之緩慢冷卻效果，無法充分改善不均一凝固，在會產生變態之體積收縮量大的鋼種，並無法防止表面龜裂的發生。
此外，讓鑄模添加劑流入設置於鑄模內壁面的凹部(縱槽、格子槽、圓孔)，賦予規則的熱傳遞分布而減少不均一凝固量的方法也已被提出(例如，參照專利文獻2)。然而，在該方法，當流入凹部之鑄模添加劑不足的情況，熔鋼會侵入凹部而發生限制性爆湯(breakout)，或是原先在凹部內填充的鑄模添加劑會在鑄造中脫落，使熔鋼侵入該部位而發生限制性爆湯。
另一方面，為了賦予規則的熱傳遞分布而減少不均一凝固，在鑄模銅板的內壁面實施槽加工(縱槽、格子槽)，在該槽填充低熱傳導材料的方法已被提出(例如，參照專利文獻3及專利文獻4)。
該方法，低熱傳導材料和鑄模銅板的熱應變差所產生的應力會作用在填充於縱槽或格子槽之低熱傳導材料和鑄模銅板的邊界面、及格子部的正交部，而在鑄模銅板的表面發生龜裂。
專利文獻1：特開2005-297001號公報
專利文獻2：特開平9-276994號公報
專利文獻3：特開平2-6037號公報
專利文獻4：特開平7-284896號公報
本發明是有鑑於上述事情而開發完成的，其目的是為了提供一種連續鑄造用鑄模，在連續鑄造用鑄模的內壁面，將複數個金屬嵌入部位分別獨立地形成，在該金屬嵌入部位嵌入熱傳導率比鑄模低或高之與鑄模不同種類的金屬，藉此，抑制限制性爆湯的發生及鑄模表面的龜裂所造成之鑄模壽命降低，防止凝固初期之凝固殼的不均一冷卻所造成之表面龜裂，亦即防止凝固殼厚度的不均一所造成之表面龜裂。此外，並提供使用該連續鑄造用鑄模的鋼之連續鑄造方法。
用來解決上述課題之本發明的要旨如下。
[1]一種連續鑄造用鑄模，其特徵在於，係具備有銅製或銅合金製的鑄模銅板之連續鑄造用鑄模，至少在從彎液面到離該彎液面20mm以上的下方位置的區域之前述鑄模銅板之內壁面的一部分或全體，將直徑2~20mm或圓等效直徑2~20mm之複數個異種金屬填充部分別獨立地設置，該異種金屬填充部，是將熱傳導率為前
述鑄模銅板的熱傳導率之80%以下或125%以上的金屬填充在設置於前述內壁面的圓形凹槽或準圓形凹槽所形成，前述鑄模銅板的維氏硬度HVc[kgf/mm2]和所填充的金屬的維氏硬度HVm[kgf/mm2]之比滿足下述(1)，且前述鑄模銅板的熱膨脹係數αc[μm/(m×K)]和所填充的金屬的熱膨脹係數αm[μm/(m×K)]之比滿足下述(2)式。
0.3≦HVc/HVm≦2.3．．．(1)
0.7≦αc/αm≦3.5．．．(2)
[2]如上述[1]所記載的連續鑄造用鑄模，其中，在前述鑄模銅板的內壁面形成有：斷裂伸長率8.0%以上之藉由鍍覆手段或熔射手段所形成的被覆層，用該被覆層覆蓋前述異種金屬填充部。
[3]如上述[2]所記載的連續鑄造用鑄模，其中，前述被覆層是由鎳或鎳-鈷合金(鈷含量：50質量%以上)所形成。
[4]一種鋼之連續鑄造方法，其特徵在於，是使用如上述[1]~上述[3]中任1項所記載之連續鑄造用鑄模，在前述鑄模注入熔鋼，利用該鑄模將熔鋼冷卻而形成凝固殼，將以該凝固殼作為外殼且內部為未凝固熔鋼之鑄片從前述鑄模抽拉而製造鑄片。
[5]如上述[4]所記載的鋼之連續鑄造方法，其中，讓前述鑄模銅板振動，並在注入前述鑄模之熔鋼的表面投入鑄模添加劑，該鑄模添加劑含有CaO、SiO2、Al2O3、Na2O及Li2O，以鑄模添加劑中的CaO濃度和SiO2濃度
之比(質量%CaO/質量%SiO2)表示的鹼度為1.0以上2.0以下，且Na2O濃度和Li2O濃度之和為5.0質量%以上10.0質量%以下。
[6]如上述[5]所記載的鋼之連續鑄造方法，其中，以前述鑄模的總排熱量Q成為0.5MW/m2以上2.5MW/m2以下的方式將前述鑄模冷卻。
依據本發明，將複數個異種金屬填充部沿著包含彎液面位置之彎液面附近的連續鑄造用鑄模銅板的寬度方向及鑄造方向設置，能使彎液面附近之鑄模寬度方向及鑄造方向上之連續鑄造用鑄模的熱阻呈規則且週期性地增減。如此，能使彎液面附近、亦即從凝固初期的凝固殼往連續鑄造用鑄模的熱通量呈規則且週期性地增減。利用該熱通量之呈規則且週期性的增減，減少從δ鐵往γ鐵變態所造成之應力、熱應力，而使因該等應力所產生之凝固殼的變形變小。藉由使凝固殼的變形變小，使得起因於凝固殼變形之不均一的熱通量分布成為均一化，並且讓所產生的應力分散而使各個應變量減小。結果可防止凝固殼表面的龜裂發生。
再者，依據本發明，因為將鑄模銅板的維氏硬度HVc和異種金屬的維氏硬度HVm之比、以及鑄模銅板的熱膨脹係數αc和異種金屬的熱膨脹係數αm之比限定在既定範圍內，可將起因於鑄模銅板和異種金屬填充部
的硬度不同所造成之鑄模銅板表面的磨耗量差異及熱膨脹差異而施加於鑄模銅板表面的應力予以減少。如此能使鑄模銅板的壽命更長。
1‧‧‧鑄模長邊銅板
2‧‧‧圓形凹槽
3‧‧‧異種金屬填充部
4‧‧‧鍍覆層
5‧‧‧冷卻水流路
6‧‧‧背板
圖1係將構成本發明的實施形態的一例之連續鑄造用鑄模的一部分之鑄模長邊銅板從內壁面側觀察的概略圖。
圖2(A)(B)係圖1所示的鑄模長邊銅板之形成有異種金屬填充部的部位之放大圖。
圖3係顯示，對應於異種金屬填充部的位置之具有異種金屬填充部的鑄模長邊銅板的三個位置之熱阻的概念圖。
圖4係顯示將用來保護鑄模銅板表面之鍍覆層設置在鑄模銅板內壁面的例子。
圖5係顯示異種金屬填充部的直徑和鋼坯鑄片的表面龜裂個數密度的關係圖。
圖6係顯示HVc/HVm和在異種金屬與鑄模銅板的邊界部分之裂痕深度的關係圖。
圖7係顯示αc/αm和在異種金屬與鑄模銅板的邊界部分之裂痕深度的關係圖。
圖8係顯示鑄模添加劑的鹼度和結晶化溫度的關係圖。
圖9係顯示鑄模添加劑之Na2O和Li2O的濃度之和與
鑄模總排熱量Q的關係圖。
圖10係顯示鑄模總排熱量Q和鋼坯鑄片的表面龜裂個數密度指數的關係圖。
圖11係顯示被覆層的斷裂伸長率和銅板的裂痕個數的關係圖。
圖12係顯示實施例之鋼坯鑄片的表面龜裂個數密度之比較圖。
以下，參照所附圖式來說明本發明的實施形態之一例。圖1係將構成本發明的實施形態的一例之連續鑄造用鑄模的一部分之鑄模長邊銅板從內壁面側觀察的概略圖。圖1所示的連續鑄造用鑄模，是用來鑄造鋼坯鑄片之連續鑄造用鑄模，鋼坯鑄片用的連續鑄造用鑄模，是由一對的鑄模長邊銅板和一對的鑄模短邊銅板所組合成。圖1顯示其中的鑄模長邊銅板。
在從離鑄模長邊銅板1之穩定鑄造時的彎液面位置距離Q(距離Q為零以上的任意值)之上方位置、到離彎液面距離R(距離R為20mm以上的任意值)之下方位置之內壁面的範圍內，設有複數個圓形凹槽(圖2(B)的符號2)。在該圓形凹槽填充熱傳導率比鑄模銅板的熱傳導率低或高的金屬(以下稱為「異種金屬」)，而形成複數個異種金屬填充部3。又圖1中的符號L，是鑄模下部之未形成異種金屬填充部3的範圍之鑄造方向長
度，表示從異種金屬填充部3的下端位置到鑄模下端位置的距離。
在此，「彎液面」是「鑄模內熔鋼液面」，雖然在非鑄造中其位置並不明確，但在通常的鋼之連續鑄造作業，彎液面位置是位於離鑄模銅板的上端50mm~200mm左右的下方。因此，不管彎液面位置是位於離鑄模長邊銅板1的上端50mm下方、或是離該上端200mm下方，只要以距離Q及距離R符合以下所說明之本發明的條件的方式來配置異種金屬填充部3即可。
亦即，考慮對於凝固殼之初期凝固的影響，異種金屬填充部3的設置區域至少必須在從彎液面到彎液面的下方20mm的區域，因此，距離R必須設定為20mm以上。
連續鑄造用鑄模的排熱量，在彎液面位置附近是比其他部位更高。亦即，彎液面位置附近的熱通量q比其他部位的熱通量q高。本發明人經由實驗的結果得知，雖也會取決於對鑄模之冷卻水供給量及鑄片抽拉速度，雖在離彎液面30mm的下方位置之熱通量q低於1.5MW/m2，但在離彎液面20mm的下方位置之熱通量q為大致1.5MW/m2以上。
在本發明，是在彎液面位置附近的鑄模內壁面讓熱阻變動。如此，可充分地確保異種金屬填充部3所產生之熱通量的週期性變動效果，縱使是容易發生表面龜裂之高速鑄造時或中碳鋼鑄造時，仍能充分地獲得鑄片表
面龜裂之防止效果。亦即，考慮對初期凝固的影響，至少必須在熱通量q大之從彎液面到離彎液面20mm的下方位置配置異種金屬填充部3。當距離R未達20mm的情況，鑄片表面龜裂的防止效果不足。
另一方面，異種金屬填充部3的上端部位置，只要是在與彎液面相同的位置、或比彎液面位置更上方，不管是任何位置皆可，因此距離Q可為零以上的任意值。但是彎液面在鑄造中必須存在於異種金屬填充部3的設置區域，而且彎液面在鑄造中會在上下方向產生變動，為了使異種金屬填充部3的上端部始終成為比彎液面更上方的位置，較佳為將異種金屬填充部3設置於：到所假想之離彎液面位置10mm左右的上方位置、更佳為20mm~50mm左右的上方位置。
省略其圖示之鑄模短邊銅板也是與鑄模長邊銅板1同樣的，在其內壁面側形成有異種金屬填充部3，以下省略關於鑄模短邊銅板的說明。但是，在鋼坯鑄片中，起因於其形狀而在長邊面側的凝固殼容易產生應力集中，而在長邊面側容易發生表面龜裂。因此，在鋼坯鑄片用的連續鑄造用鑄模之鑄模短邊銅板不一定要設置異種金屬填充部3。此外，在圖1中，雖是遍及鑄模長邊銅板1的內壁面之鑄片寬度方向全體設置異種金屬填充部3，亦可僅在應力容易集中於鑄片的凝固殼之相當於鑄片的寬度方向中央部的部位設置異種金屬填充部3。
圖2係圖1所示的鑄模長邊銅板之形成有異
種金屬填充部的部位之放大圖，圖2(A)是從內壁面側觀察的部位，圖2(B)是圖2(A)的X-X’剖面圖。異種金屬填充部3，是在鑄模長邊銅板1的內壁面側分別獨立加工而成之直徑d為2~20mm的圓形凹槽2之內部，藉由鍍覆手段、熔射手段等，填充其熱傳導率為鑄模銅板的熱傳導率之80%以下或125%以上之異種金屬而構成。圖2中的符號5代表冷卻水流路，符號6代表背板。
此外，異種金屬填充部3之異種金屬的填充厚度H較佳為0.5mm以上。藉由使填充厚度為0.5mm以上，異種金屬填充部3之熱通量充分降低。異種金屬填充部彼此的間隔P不一定要在所有的異種金屬填充部彼此都相同。然而，為了使後述之熱阻變動確實地呈週期性，較佳為所有的異種金屬填充部彼此的間隔P都相同。
圖3係對應於異種金屬填充部3的位置之鑄模長邊銅板1的三個位置之熱阻的概念圖。將填充有熱傳導率比鑄模銅板低的金屬之異種金屬填充部3、亦即熱阻比鑄模長邊銅板1高的異種金屬填充部3，沿包含彎液面位置的彎液面附近之連續鑄造用鑄模的寬度方向及鑄造方向設置複數個，藉此使彎液面附近之鑄模寬度方向及鑄造方向上的連續鑄造用鑄模的熱阻呈規則且週期性地增減。
如此，使從彎液面附近、亦即凝固初期之凝固殼往連續鑄造用鑄模的熱通量呈規則且週期性地增減。利用該熱通量之呈規則且週期性的增減，減少從δ鐵往γ鐵變態所造成之應力、熱應力，而使因該等應力所產生之凝固殼的
變形變小。藉由使凝固殼的變形變小，使得起因於凝固殼變形之不均一的熱通量分布成為均一化，並且讓所產生的應力分散而使各個應變量減小。結果可防止凝固殼表面的龜裂發生。
在本發明，作為鑄模銅板是使用純銅或銅合金。作為鑄模銅板用的銅合金可採用：一般作為連續鑄造用鑄模銅板之微量添加有鉻(Cr)、鋯(Zr)等的銅合金。近年來，為了謀求鑄模內的凝固均一化、或防止熔鋼中夾雜物被凝固殼捕捉，一般設有用來攪拌鑄模內的熔鋼之電磁攪拌裝置。在設有電磁攪拌裝置的情況，為了抑制電磁線圈往熔鋼之磁場強度衰減，是採用將導電率降低的銅合金。在此情況，對應於導電率降低其熱傳導率也會降低，而可能使用熱傳導率為純銅(熱傳導率：398W/(m×K))的大致1/2之銅合金製鑄模銅板。用於作為鑄模銅板之銅合金，一般而言熱傳導率是比純銅低。
作為填充於圓形凹槽2之異種金屬，必須使用其熱傳導率為鑄模銅板的熱傳導率之80%以下或125%以上的金屬。當異種金屬的熱傳導率為鑄模銅板的熱傳導率之大於80%或是小於125%時，異種金屬填充部3所產生之熱通量的週期性變動效果不足，因此在容易發生鑄片表面龜裂之高速鑄造時或中碳鋼鑄造時，鑄片表面龜裂的防止效果不足。
作為填充於圓形凹槽2之異種金屬，宜為容易進行鍍覆、熔射之鎳(Ni、熱傳導率：約90W/(m．
K))、鎳合金(熱傳導率：約40~90W/(m．K))、鉻(Cr、熱傳導率：67W/(m×K))、鈷(Co、熱傳導率：70W/(m×K))等。
此外，按照鑄模銅板的熱傳導率，也能將銅合金(熱傳導率：約100~398W/(m．K))、純銅作為填充於圓形凹槽2的金屬。當作為鑄模銅板是使用熱傳導率低的銅合金、作為異種金屬是使用純銅的情況，設有異種金屬填充部3的部位之熱阻比鑄模銅板的部位小。
圖1及圖2中，異種金屬填充部3在鑄模長邊銅板1之內壁面的形狀雖是圓形，但不一定要是圓形。例如像橢圓形等之只要不具有所謂「角」之近似圓形的形狀，則不管是什麼形狀皆可。以下，將近似圓形稱為「準圓形」。當異種金屬填充部3的形狀為準圓形的情況，為了形成異種金屬填充部3而在鑄模長邊銅板1的內壁面加工的槽稱為「準圓形槽」。準圓形為例如橢圓形、在角部形成有圓弧的長方形等之不具有角部的形狀，此外，亦可為花瓣圖案等的形狀。
準圓形的大小，可利用根據準圓形的面積所求出的圓等效直徑進行評價。該準圓形的圓等效直徑d可由下述(3)式算出。
圓等效直徑d=(4×S/π)1/2．．．(3)
(3)式中，S代表異種金屬填充部3的面積(mm2)。
像專利文獻4那樣設置縱槽或格子槽並在該
槽填充異種金屬的情況，異種金屬和銅的熱應變差所造成的應力會集中在異種金屬和銅的邊界面及格子部的正交部，而在鑄模銅板表面發生龜裂的問題。
相對於此，本發明是使異種金屬填充部3的形狀成為圓形或準圓形，因為異種金屬和銅的邊界面成為曲面狀，在邊界面不容易讓應力集中，而展現在鑄模銅板表面不容易發生龜裂的優點。
異種金屬填充部3的直徑d或圓等效直徑d必須為2~20mm。藉由設定成2mm以上，能使異種金屬填充部3之熱通量充分降低而獲得上述效果。
此外，藉由設定成2mm以上，容易將異種金屬藉由鍍覆手段、熔射手段填充於圓形凹槽2、準圓形凹槽(未圖示)的內部。另一方面，藉由將異種金屬填充部3的直徑d或圓等效直徑d設定成20mm以下，可抑制異種金屬填充部3之熱通量降低，亦即抑制異種金屬填充部3之凝固遲延，防止應力集中在該位置的凝固殼，防止凝固殼的表面龜裂發生。亦即，當直徑d或圓等效直徑d超過20mm時會發生表面龜裂，因此必須將異種金屬填充部3的直徑d或圓等效直徑d設定成20mm以下。
此外，在形成有異種金屬填充部3之鑄模銅板內壁面，為了防止凝固殼所造成的磨耗、熱歴程所造成之鑄模表面龜裂，較佳為設有：由鍍覆層、熔射層所形成的被覆層。圖4顯示，在鑄模銅板內壁面設置用來保護鑄模銅板表面之鍍覆層4的例子。鍍覆層4，一般是使用
鎳、鎳系合金、例如鎳-鈷合金(Ni-Co合金、鈷含量：50質量%以上)等進行鍍覆即可。但鍍覆層4的厚度h較佳為2.0mm以下。藉由將鍍覆層4的厚度h設定成2.0mm以下，可減少鍍覆層4對熱通量造成的影響，能充分獲得異種金屬填充部3所產生之熱通量的週期性變動效果。當被覆層是由熔射層所形成的情況也是按照上述說明進行設置即可。
又在圖1中，雖是沿鑄造方向或鑄模寬度方向設置相同形狀的異種金屬填充部3，在本發明並不一定要設置相同形狀的異種金屬填充部3。此外，只要異種金屬填充部3的直徑或圓等效直徑在2~20mm的範圍內，將不同直徑的異種金屬填充部3沿鑄造方向或鑄模寬度方向設置亦可。在此情況，可防止起因於鑄模內之凝固殼的不均一冷卻所造成的鑄片表面龜裂。
為了調查形成於鑄模銅板的內壁面之異種金屬填充部3的直徑d、與使用該鑄模所製造之鋼坯鑄片的表面龜裂個數密度的關係，進行了試驗。在該試驗所使用的水冷銅鑄模，係具有長邊長度2.1m、短邊長度0.25m的內面空間尺寸，且在內壁面形成有異種金屬填充部3。水冷銅鑄模之從上端到下端的長度(=鑄模長)為900mm，在試驗中，彎液面位於離鑄模上端80mm下方的位置，在從離彎液面30mm的上方到離彎液面190mm下方位置的範圍
(範圍長度：(距離Q+距離R)=220mm)之鑄模內壁面形成異種金屬填充部3。
在本試驗，作為鑄模銅板是使用熱傳導率λc為119W/(m．K)之銅合金，而且作為異種金屬是使用鎳合金(熱傳導率：90W/(m．K))，使用形成有複數個填充厚度H為0.5mm之圓形的異種金屬填充部3之連續鑄造用鑄模，進行複數次鋼的連續鑄造。
在各連續鑄造試驗中，改變圓形凹槽2的直徑d、亦即異種金屬填充部3的直徑d，測定所鑄造的鋼坯鑄片之表面龜裂密度。鋼坯鑄片的表面龜裂個數，是藉由染色滲透探傷(color check)而用目視確認，測定在鑄片表面發生之縱龜裂的長度，當長度為1cm以上的情況視為表面龜裂而進行計數，藉此算出表面龜裂個數密度(個/m2)。
異種金屬填充部3的直徑d與鋼坯鑄片表面龜裂個數密度的關係如圖5所示。當異種金屬填充部3的直徑未達2mm及超過20mm的情況，在鋼坯鑄片發生多量的表面龜裂。可推測當異種金屬填充部3的直徑未達2mm及超過20mm的情況，凝固殼變態時的體積收縮所造成的變態應力無法被分散而產生應力集中，而使得鋼坯鑄片的表面龜裂個數密度比設有直徑d為2~20mm的異種金屬填充部3的情況更大。
因為異種金屬填充部3的膨脹係數等的物性值與鑄模銅板(純銅或銅合金)的物性值不同，異種金屬填充部3在其與鑄模銅板的邊界部分容易產生剝離。起因於此，比起未形成異種金屬填充部3之以往的鑄模，本發明之連續鑄造用鑄模的壽命容易縮短。於是，本發明人等針對異種金屬填充部3的物性值進行深入的探討。結果獲得以下結論，亦即鑄模的耐久性是與：鑄模銅板的維氏硬度和異種金屬的維氏硬度之比、及鑄模銅板的熱膨脹係數和異種金屬的熱膨脹係數之比相關連。為了確認此結論而進行了試驗。
試驗，是採用比實驗1所使用的鑄模更小尺寸的鑄模進行300次試驗性的連續鑄造，藉此進行鑄模的極限確認試驗。只要將試驗性的連續鑄造進行300次，大致的情況，在內壁面之鑄模銅板和異種金屬的邊界部分會有發生裂痕的傾向。因此將該試驗性的300次連續鑄造進行複數次。在各試驗，藉由改變構成鑄模銅板的金屬(純銅、銅合金)和構成異種金屬填充部3的金屬，而使用HVc/HVm及αc/αm彼此不同的鑄模。關於所產生的裂痕深度、亦即在邊界部分產生的鑄模龜裂，是藉由超音波探傷法測定從測定鑄模表面起算之龜裂深度。HVc/HVm與在異種金屬和鑄模銅板的邊界部分之裂痕深度的關係如圖6所示，αc/αm與前述裂痕深度[mm]的關係如圖7所示。
從圖6及圖7可知，只要HVc/HVm為0.3以上2.3以下且αc/αm為0.7以上3.5以下，相較於此範圍
外的情況，縱使是在鑄模的內壁面發生裂痕的情況，仍能極度抑制裂痕深度。
亦即，在本發明中，鑄模銅板的維氏硬度和異種金屬的維氏硬度之比必須滿足下述(1)式。
0.3≦HVc/HVm≦2.3．．．(1)
在(1)式中，HVc代表鑄模銅板的維氏硬度(單位：kgf/mm2)，HVm代表異種金屬的維氏硬度(單位：kgf/mm2)。維氏硬度Hv可依據JIS Z 2244所規定的維氏硬度試驗進行評價。例如，當作為鑄模銅板是採用純銅的情況，維氏硬度HVc為37.6kgf/mm2，當作為異種金屬是採用鎳的情況，維氏硬度HVm為65.1kgf/mm2。
此外，在本發明中，鑄模銅板的熱膨脹係數和異種金屬的熱膨脹係數之比必須滿足下述(2)式。
0.7≦αc/αm≦3.5．．．(2)
在(2)式中，αc代表鑄模的熱膨脹係數(單位：μm/(m×K))，αm代表異種金屬的熱膨脹係數(單位：μm/(m×K))。熱膨脹係數α可藉由熱機械分析裝置(TMA：Thermal Mechanical Analysis)進行測定。例如當作為鑄模銅板是採用純銅的情況，熱膨脹係數αc為16.5μm/(m×K)，當作為異種金屬是採用鎳的情況，αm為13.4μm/(m×K)。
維氏硬度HV、熱膨脹係數α的數值，可藉由改變金屬組成或金屬材料而予以改變。例如，如果作為異種金屬是取代鎳而採用鉻的話，HVm提高但αm降低。
滿足(1)式及(2)式之連續鑄造用鑄模，在鋼之連續鑄造時的鑄模表面，異種金屬不容易剝離，此外，裂痕不容易發生。此外，縱使發生裂痕，其裂痕深度也不容易變大，鑄模壽命增長。在此，裂痕是指在鑄模銅板的內壁面所產生的龜裂，該龜裂特別容易發生在內壁面之鑄模銅板和異種金屬的邊界部分。
當進行鋼之連續鑄造的情況，是在連續鑄造用鑄模注入熔鋼，讓鑄模振動，並在注入鑄模後的熔鋼表面投入鑄模添加劑，一邊將鑄模冷卻一邊從鑄模抽拉凝固殼而製造出鑄片。以往，為了防止會產生包晶反應之中碳鋼的鑄片表面龜裂，嘗試使用易結晶化組成的鑄模添加劑。藉由易結晶化組成的鑄模添加劑，使鑄模添加劑層的熱阻增大，藉此促進凝固殼的緩慢冷卻。如上述般，當使用可發揮異種金屬填充部3所產生的熱通量週期性變動效果之連續鑄造用鑄模的情況，縱使不在鑄模添加劑的組成下工夫，藉由緩慢冷卻可減少作用於凝固殼的應力，就算是變態量大的鋼種，仍能獲得防止表面龜裂的效果。
然而，當使用上述連續鑄造用鑄模將中碳鋼的鑄片進行連續鑄造的情況，為了進一步防止鑄片表面龜
裂，本發明人等針對可促進異種金屬填充部3的緩慢冷卻之鑄模添加劑組成進行探討。
通常的鑄模，若使用促進緩慢冷卻的鑄模添加劑，因為鑄模的排熱量降低，會擔心凝固殼的厚度不足。然而，上述連續鑄造用鑄模，因為在彎液面附近之凝固殼變形減少，凝固殼和鑄模表面的密合性高，鑄模的排熱量有增大的傾向，可抑制凝固殼的厚度降低，迄今為止無法使用之促進緩慢冷卻的鑄模添加劑變得可以使用可能。以下說明這種鑄模添加劑組成。
在本發明中，使用含有CaO、SiO2及Al2O3作為主成分之鑄模添加劑，該鑄模添加劑中的以CaO濃度和SiO2濃度之比(質量%CaO/質量%SiO2)表示的鹼度為1.0以上2.0以下。在此，鑄模添加劑的主成分是指CaO、SiO2及Al2O3的濃度和成為80~90質量%。鹼度是為了生成均一的槍晶石(cuspidine)結晶之重要指標，本發明人等，針對鑄模添加劑的鹼度、和使鑄模添加劑結晶化的溫度(結晶化溫度)的關係進行調查。此關係如圖8所示。
從圖8可知，在鑄模添加劑的鹼度為1.0以上2.0以下的範圍內，結晶化溫度高，在鑄模內之緩慢冷卻效果所產生之龜裂抑制作用可有效地發揮。當鹼度未達1.0或超過2.0的情況，結晶化溫度低，可預料鑄模添加劑的結晶化所產生之緩慢冷卻效果降低。
從上述說明可知，當鹼度為1.0以上2.0以下
的範圍內的情況結晶化溫度會上昇，本發明人等進一步探討在鑄模添加劑添加：不會過度結晶化而能抑制過度促進鑄模內的緩慢冷卻化的成分，亦即抑制在鑄模出口側的凝固殼厚過薄的成分。
結果發現，只要鑄模添加劑進一步含有Na2O及Li2O，且Na2O濃度及Li2O濃度的和為5.0質量%以上10.0質量%以下，能將凝固殼緩慢冷卻並使鑄模內的凝固殼變厚。以下說明發現最佳鑄模添加劑的試驗。
試驗是使用異種金屬填充部3的直徑d為20mm之鑄模，所採用的鑄模添加劑，是含有CaO、SiO2及Al2O3作為主成分，且進一步含有Na2O及Li2O。其條件是與實驗1所採用的條件相同，進行複數次鋼之連續鑄造。試驗所使用的鑄模添加劑，其鹼度固定為1.5，將Na2O濃度和Li2O濃度的和予以改變。為了使鑄模添加劑對鑄模排熱量造成的影響明確化，對鑄模之冷卻水供給量在所有的試驗都是相同的。
根據複數次的試驗結果，調查鑄模添加劑之Na2O濃度和Li2O濃度的和對鑄模總排熱量Q造成的影響。圖9顯示鑄模添加劑的Na2O濃度和Li2O濃度的和、與鑄模總排熱量Q的關係。
從圖9可知，當Na2O濃度和Li2O濃度的和未達5.0質量%的情況，鑄模總排熱量Q有變大的傾向，鑄模內的緩慢冷卻難以達成。另一方面，當Na2O濃度和Li2O濃度的和超過10.0質量%的情況，會過度促進鑄模
添加劑的結晶化，而過度促進在鑄模內的緩慢冷卻化，使鑄模出口側的凝固殼厚變薄，會擔心發生爆湯。如此可知，當鑄模添加劑中的Na2O濃度和Li2O濃度的和為5.0質量%以上10.0質量%以下時，鑄模總排熱量Q成為適中程度的值。亦即，與嵌入異種金屬所產生之殼凝固的均一化效果相輔，可更加減少鑄片表面龜裂。
鑄模添加劑是含有CaO、SiO2及Al2O3作為主成分，還含有Na2O及Li2O，也能進一步含有其他成分。在鑄模添加劑中可添加：例如，MgO、CaF2、BaO、MnO、B2O3、Fe2O3、ZrO2等，或是用來控制鑄模添加劑的熔融速度之碳，鑄模添加劑也能含有其他的不可避免的雜質。
投入彎液面的鑄模添加劑，熔融而進入振動中的鑄模內壁和凝固殼之間，這時的振動行程可設定為4~10mm，振動數可設定為50~180cpm的條件。
使用Na2O濃度和Li2O濃度的和為7.5質量%之鑄模添加劑，改變對鑄模的冷卻水量，進行將鑄模總排熱量Q強制改變的試驗。其他條件是與實驗3所使用的條件相同，進行複數次鋼之連續鑄造。
根據複數次的試驗，求出鑄模總排熱量Q和鋼坯鑄片之表面龜裂個數密度的關係。試驗中，將使用並未形成異種金屬填充部3之習知鑄模來作為連續鑄造用鑄
模的鋼之連續鑄造所製造的鋼坯鑄片之表面龜裂個數密度(個/m2)設為1.0，求取表面龜裂個數密度指數來作為表面龜裂個數的尺度，該表面龜裂個數密度指數，是各試驗所鑄造的鋼坯鑄片之表面龜裂個數密度(個/m2)對於使用習知鑄模所鑄造之表面龜裂個數密度的比例。
圖10顯示鑄模總排熱量Q和鋼坯鑄片之表面龜裂個數密度指數的關係。從圖10可知，只要鑄模總排熱量Q為0.5MW/m2以上2.5MW/m2以下，可大幅抑制表面龜裂個數。此外，在鑄模總排熱量Q為約1.5~2.5MW/m2的範圍可觀察到，隨著鑄模總排熱量Q增加，表面龜裂個數密度指數有若干增加的傾向，可推測該傾向是起因於：雖可發揮異種金屬嵌入效果，但緩慢冷卻效果減弱。
亦即，在對形成有異種金屬填充部3的連續鑄造用鑄模注入熔鋼，且將含有CaO、SiO2及Al2O3作為主成分並含有Na2O及Li2O之鑄模添加劑投入鑄模內的熔鋼表面而進行鋼之連續鑄造的情況，較佳為以鑄模總排熱量Q成為0.5MW/m2以上2.5MW/m2以下的方式將鑄模冷卻。如此，能大幅抑制鋼坯鑄片的表面龜裂個數。
接著調查，形成於鑄模銅板的內壁面之被覆層(鍍覆層或熔射層)之斷裂伸長率對鑄模表面的裂痕發生造成的影響。被覆層的斷裂伸長率，是依JIS Z 2241所記載的金
屬材料拉伸試驗進行測定的「斷裂伸長率」。
在銅板的表面形成複數個異種金屬填充部3，進一步藉由鍍覆手段形成用來覆蓋該異種金屬填充部3之被覆層，製作出具有不同斷裂伸長率的被覆層之試樣。
對該等試樣實施熱疲勞試驗(JIS 2278，高溫側：700℃、低溫側：25℃)，根據在試樣表面發生的裂痕個數來評價鑄模壽命。圖11顯示被覆層的斷裂伸長率和銅板的裂痕個數之關係。
可確認，當被覆層的斷裂伸長率為8%以上的情況，可抑制銅板及異種金屬填充部3的熱膨脹所造成之銅板表面的裂痕。此外，當被覆層的斷裂伸長率未達8%的情況，無法抑制銅板及異種金屬填充部3之熱膨脹的影響，容易在銅板表面產生裂痕，因此並不理想。
如上述般，依據本發明，將複數個異種金屬填充部3沿著包含彎液面位置之彎液面附近的連續鑄造用鑄模銅板的寬度方向及鑄造方向設置，能使彎液面附近之鑄模寬度方向及鑄造方向上之連續鑄造用鑄模的熱阻呈規則且週期性地增減。如此，能使彎液面附近、亦即從凝固初期的凝固殼往連續鑄造用鑄模的熱通量呈規則且週期性地增減。利用該熱通量之呈規則且週期性的增減，減少從δ鐵往γ鐵變態所造成之應力、熱應力，而使因該等應力所產生之凝固殼的變形變小。藉由使凝固殼的變形變小，使得起因於凝固殼變形之不均一的熱通量分布成為均一化，並且讓所產生的應力分散而使各個應變量減小。結果
可防止凝固殼表面的龜裂發生。
再者，因為將鑄模銅板的維氏硬度HVc和異種金屬的維氏硬度HVm之比、以及鑄模銅板的熱膨脹係數αc和異種金屬的熱膨脹係數αm之比限定在既定範圍內，可將起因於鑄模銅板和異種金屬填充部的硬度不同所造成之鑄模銅板表面的磨耗量差異及熱膨脹差異而施加於鑄模銅板表面的應力予以減少。如此能使鑄模銅板的壽命更長。
此外，藉由調整鑄模添加劑的組成或調整冷卻水的供給量，而將鑄模總排熱量Q調整成既定的範圍，因此可防止凝固殼表面之龜裂發生，能抑制鋼坯鑄片之龜裂發生。
準備圖1所示般的在鑄模銅板的內壁面形成有複數個直徑20mm的圓形的異種金屬填充部之水冷銅鑄模，利用所準備的水冷銅鑄模，將中碳鋼(化學成分為C：0.08~0.17質量%、Si：0.10~0.30質量%、Mn：0.50~1.20質量%、P：0.010~0.030質量%、S：0.005~0.015質量%、Al：0.020~0.040質量%)進行鑄造，為了調查鑄造後之鑄片的表面龜裂而進行試驗。水冷銅鑄模具有：長邊長度1.8m、短邊長度0.26m的內面空間尺寸。
所使用的水冷銅鑄模之從上端到下端的長度(=鑄模長)為900mm，將穩定鑄造時的彎液面(鑄模內
熔鋼液面)位置設定在離鑄模上端100mm的下方位置。在從離鑄模上端80mm的下方位置到離鑄模上端300mm的下方位置的範圍(距離Q=20mm、距離R=200mm、範圍長度(距離Q+距離R)=220mm)之鑄模銅板內壁面，實施圓形凹槽的加工，在該圓形凹槽的內部利用鍍覆手段填充鎳合金(熱傳導率：80W/(m．K))等的異種金屬，藉此形成異種金屬填充部。
作為鑄模銅板，是使用熱傳導率為約380W/(m．K)、維氏硬度HVc為37.6kgf/mm2、熱膨脹係數αc為16.5μm/(m．K)之銅合金，改變填充於圓形凹槽的異種金屬，進一步改變所使用的鑄模添加劑組成、鑄模總排熱量Q，進行複數次的鋼之連續鑄造(本發明例1~11及比較例1~7)。此外，為了與本發明例1~11及比較例1~7做比較，使用並未形成異種金屬填充部之通常的連續鑄造用鑄模進行鋼之連續鑄造(習知知例)。
在本發明例1~11及比較例1~7所使用的連續鑄造鑄模之異種金屬的維氏硬度HVm及熱膨脹係數αm、本發明例1~11、比較例1~7及習知例所使用之鑄模添加劑的鹼度、Na2O濃度和Li2O濃度的和、以及鑄模總排熱量Q的條件等，如表1所示。
在本發明例1~11的鑄模，鑄模的維氏硬度HVc和所
填充的金屬的維氏硬度HVm之比(Hvc/HVm)為0.3以上2.3以下，且鑄模的熱膨脹係數αc和所填充的金屬的熱膨脹係數αm之比(αc/αm)為0.7以上3.5以下。如此，本發明例1~11的鑄模滿足(1)及(2)式。另一方面，在比較例，並不滿足(1)及(2)式之任一方或是兩方。
在本發明例1~11、比較例1~7及習知例中，測定所製造的鋼坯鑄片之表面龜裂密度。表面龜裂的個數，是藉由染色滲透探傷而用目視確認，測定在鑄片表面發生之縱龜裂的長度，當長度為1cm以上的情況視為表面龜裂而進行計數，藉此算出表面龜裂個數密度(個/m2)。將習知例之鋼坯鑄片的表面龜裂個數密度(個/m2)設為1.0，求取表面龜裂個數密度指數來作為表面龜裂個數的尺度，該表面龜裂個數密度指數，是各試驗的鋼坯鑄片之表面龜裂個數密度(個/m2)對於習知例之表面龜裂個數密度的比例。本發明例1~11及比較例1~7之表面龜裂個數密度指數如圖12所示。
如圖12所示般，在本發明例1~11，表面龜裂個數密度指數小於0.4，相對於此，在比較例1~7則是超過0.4。如此可確認，藉由滿足(1)式及(2)式的本發明，可防止凝固殼表面的龜裂發生，而能抑制鋼坯鑄片的龜裂發生。
1‧‧‧鑄模長邊銅板
3‧‧‧異種金屬填充部
L‧‧‧從異種金屬填充部的下端位置到鑄模下端位置的距離
Claims (6)
- 一種連續鑄造用鑄模，其特徵在於，係具備有銅製或銅合金製的鑄模銅板之連續鑄造用鑄模，至少在從彎液面到離該彎液面20mm以上的下方位置的區域之前述鑄模銅板之內壁面的一部分或全體，將直徑2~20mm或圓等效直徑2~20mm之複數個異種金屬填充部分別獨立地設置，該異種金屬填充部，是將熱傳導率為前述鑄模銅板的熱傳導率之80%以下或125%以上的金屬填充在設置於前述內壁面的圓形凹槽或準圓形凹槽所形成，前述鑄模銅板的維氏硬度HVc[kgf/mm2]和所填充的金屬的維氏硬度HVm[kgf/mm2]之比滿足下述(1)式，且前述鑄模銅板的熱膨脹係數αc[μm/(m×K)]和所填充的金屬的熱膨脹係數αm[μm/(m×K)]之比滿足下述(2)式，0.3≦HVc/HVm≦2.3．．．(1) 0.7≦αc/αm≦3.5．．．(2)。
- 如申請專利範圍第1項所述之連續鑄造用鑄模，其中，在前述鑄模銅板的內壁面形成有：斷裂伸長率8.0%以上之藉由鍍覆手段或熔射手段所形成的被覆層，用該被覆層覆蓋前述異種金屬填充部。
- 如申請專利範圍第2項所述之連續鑄造用鑄模，其中，前述被覆層是由鎳或鎳-鈷合金(鈷含量：50質量%以上)所形成。
- 一種鋼之連續鑄造方法，其特徵在於，是使用如申請專利範圍第1~3項中任一項所述之連續鑄造用鑄模，在前述鑄模注入熔鋼，利用該鑄模將熔鋼冷卻而形成凝固殼，將以該凝固殼作為外殼且內部為未凝固熔鋼之鑄片從前述鑄模抽拉而製造鑄片。
- 如申請專利範圍第4項所述之鋼之連續鑄造方法，其中，讓前述鑄模銅板振動，並在注入前述鑄模之熔鋼的表面投入鑄模添加劑，該鑄模添加劑含有CaO、SiO2、Al2O3、Na2O及Li2O，以鑄模添加劑中的CaO濃度和SiO2濃度之比(質量%CaO/質量%SiO2)表示的鹼度為1.0以上2.0以下，且Na2O濃度和Li2O濃度之和為5.0質量%以上10.0質量%以下。
- 如申請專利範圍第5項所述之鋼之連續鑄造方法，其中，以前述鑄模的總排熱量Q成為0.5MW/m2以上2.5MW/m2以下的方式將前述鑄模冷卻。
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