JP2003064448A

JP2003064448A - 凝固組織に優れた軌条用鋳片

Info

Publication number: JP2003064448A
Application number: JP2001250121A
Authority: JP
Inventors: Takashi Morohoshi; 隆諸星; Akifumi Seze; 昌文瀬々
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-03-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】軌条用鋳片の凝固組織を均一な等軸晶にして
内部欠陥を防止し、加工性や溶接部の靱性を向上するこ
とができる凝固組織に優れた軌条用鋳片を提供する。【解決手段】炭素を０．５質量％以上を含む溶鋼１１
に、Ｍｇを添加してＭｇＯとＭｇＳの複合化合物を生成
させた溶鋼１１を連続鋳造１０して凝固させる。複合酸
化物は１０〜１０００個／平方ｍｍであることが望まし
く、また、Ｍｇ，Ｏ，Ｓの含有量が、（Ｍｇ質量％−
１．５×Ｏ質量％）×Ｓ質量％＞４×１０^−５かつ、
（Ｍｎ質量％）×（Ｓ質量％−１．３３×Ｍｇ質量％）
＞２×１０^−４

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、凝固組織を微細に
して鋳片の割れや中心偏析、センターポロシティ等の内
部欠陥を少なくし、内部品質に優れ、しかも、パーライ
ト組織を微細にして溶接部の靱性が低下するのを防止す
ることができる凝固組織に優れた軌条用鋳片に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋳片は、溶鋼から造塊法や連続鋳
造法により、スラブ、ブルーム、ビレット、薄鋳片等を
鋳造し、これを所定のサイズに切断して製造されてい
る。また、鋼材は、前記した鋳片を加熱炉等を用いて加
熱した後、粗圧延や仕上げ圧延等を施すことにより、軌
条等の形鋼に加工される。しかし、この鋳片は、凝固す
るまでの過程において、凝固組織が柱状晶等の大きな結
晶組織になるため、内部の凝固収縮に起因するセンター
ポロシティ（ザク）、膨れ（バルジング）や前記凝固収
縮時の負圧に起因する中心偏析、あるいは溶鋼が冷却さ
れて凝固する過程で、凝固シェル（凝固殻）に加わる歪
みに起因する内部割れ等の内部欠陥が生じる。こうし
て、鋳片に発生した内部欠陥は、圧延後も鋼材に残存す
るため、鋼材の品質を低下させ、場合によっては製品と
して使用できなくする（屑化）等の問題が生じる。

【０００３】この対策として、鋳片の凝固組織を微細な
等軸晶にし、鋳片と、その鋳片を加工して得られる鋼材
の表面及び内部欠陥を防止する方法が試みられている。
鋳片の凝固組織を等軸晶化する方法としては、１）溶鋼
の温度を低くして低温鋳造する方法、２）凝固過程の溶
鋼を電磁攪拌する方法、３）溶鋼が凝固する際に凝固核
となる金属酸化物を添加する方法、又は、これ等１）〜
３）を組合せて行う方法が知られている。低温鋳造の具
体例としては、例えば特公平７−８４６１７号公報に記
載されているように、溶鋼を連続鋳造する際、過熱温度
（実際の溶鋼温度からこの溶鋼の液相線温度を差し引い
た温度）を４０℃以下にし、鋳型内で溶鋼を冷却しなが
ら鋳型から引き抜き、凝固した鋳片の等軸晶の割合を７
０％以上にして、フェライト系ステンレス鋼板に発生す
るしわ状の疵（リジング）を防止する方法が提案されて
いる。更に、溶鋼の電磁攪拌については、特開昭５０−
１６６１６号公報に記載されているように、凝固過程の
溶鋼に電磁攪拌を行って、成長する柱状晶を抑制するこ
とで、鋳片の凝固組織の等軸晶を６０％以上にしてクロ
ムを含むフェライト系ステンレス鋼に発生するリジング
を防止する方法が提案されている。また、特開昭５３−
９０１２９号公報に記載されているように、溶鋼が凝固
する際に凝固核となる金属酸化物の添加と電磁攪拌を組
合わせることで、鋳片の厚み方向の全断面の凝固組織を
殆ど等軸晶にする方法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公平
７−８４６１７号公報に記載された方法では、過熱温度
が低いため、鋳造途中で溶鋼が凝固し、溶鋼を鋳型に注
湯するノズルの詰まりや鋳型内湯面の皮張りを生じて鋳
造が困難になる。更に、溶鋼の粘性が増加するため、介
在物の浮上が阻害されて介在物に起因した欠陥等が発生
する等から、十分な等軸晶を備えた鋳片を製造できる程
度の低い過熱温度にすることが困難である。また、特開
昭５０−１６６１６号公報に記載された方法では、鋳片
の表面層の凝固組織を改善してリジング等の表面欠陥の
発生を抑制できるが、鋳片の表面層から内部にわたって
凝固組織を均一な等軸晶にすることが難しく、内部に割
れや中心偏析、センターポロシティ等が発生したり、軌
条等の高炭素溶鋼では、内部にホワイトバンドが発生
し、このホワイトバンド部分の硬度が低下して品質を阻
害する。更に、特開昭５３−９０１２９号公報に記載さ
れた方法では、鋳型内の溶鋼に、Ｃｏ、Ｂ、Ｍｏ、Ｖ、
Ｎｉ等の酸化物を添加している。これ等の酸化物は、低
炭素やフェライト系ステンレス等の溶鋼の場合に凝固組
織の接種核として有効に作用し、電磁攪拌装置を併用し
て溶鋼を攪拌して等軸晶を増加させることも考えられる
が、設備制約から電磁攪拌装置の設置そのものが困難で
あり、例え設置できたとした場合でも多大の設備費用を
伴う等の問題もある。しかも、炭素含有量が多い高炭素
溶鋼を用いて軌条用の鋳片を製造する際に、如何なる種
類の接種核を用いれば良いか、更に、その添加条件をど
のようにすれば微細な凝固組織となる溶鋼を溶製し、微
細な凝固組織を備えた鋳片を低コストで工業的に安定し
て生産し、溶接特性等の品質を向上できるか等が明確で
なかった。

【０００５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、軌条用鋳片の凝固組織を均一な等軸晶にして内部欠
陥を防止し、加工性や溶接部の靱性を向上することがで
きる凝固組織に優れた軌条用鋳片を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る凝固組織に優れた軌条用鋳片は、炭素を０．５質量
％以上を含む溶鋼に、Ｍｇを添加してＭｇＯとＭｇＳの
複合化合物を生成させた溶鋼を連続鋳造して凝固させ
る。この軌条用鋳片は、溶鋼が凝固を開始する時に、Ｍ
ｇＯとＭｇＳの複合化合物であるＭｇ（ＯＳ）を接種核
として作用させて鋳片の凝固組織を微細にすることがで
きる。更に、溶鋼が凝固して形成される鋳片を冷却する
過程において、既に生成しているＭｇ（ＯＳ）の周囲に
ＭｎＳを析出させ、ＭｎＳ周辺部の共析変態の温度を上
昇させ、ＭｎＳを核として共析変態を生じ易くしてパー
ライト変態組織を微細にすることができ、この凝固時と
パーライト変態時の相乗した作用により、鋳片のパーラ
イト変態組織をより微細にすることができる。なお、炭
素が０．５質量％低くなると、溶鋼が凝固した組織がフ
ェライト相になるため、ＭｇＯとＭｇＳの複合化合物で
あるＭｇ（ＯＳ）が接種核として有効に作用せず、鋳片
の凝固した組織を微細にすることができない。

【０００７】ここで、前記ＭｇＯとＭｇＳの複合化合物
を１０〜１０００個／ｍｍ² 含むと良い。この鋳片は、
Ｍｇ（ＯＳ）が所定量含まれた溶鋼を凝固させるため、
鋳片の凝固組織及びパーライト変態組織を安定して微細
することができ、内部欠陥や表面欠陥の発生を防止し、
鋳片の品質を高めることができる。ＭｇＯとＭｇＳの複
合化合物が１０個／ｍｍ² 未満になると、接種核として
作用するＭｇ（ＯＳ）が不足するため、鋳片の凝固組織
を微細にすることができない。一方、ＭｇＯとＭｇＳの
複合化合物が１０００個／ｍｍ² を超えると、凝固組織
を微細化する効果が飽和し、Ｍｇの添加量の増加に伴う
合金コストが高くなる。

【０００８】更に、前記溶鋼に添加するＭｇ量は下式を
満たすことが好ましい。（Ｍｇ質量％−１．５×Ｏ質量％）×Ｓ質量％＞４×１０^-5 ・・・・・（１）かつ、（Ｍｎ質量％）×（Ｓ質量％−１．３３×Ｍｇ質量％）＞２×１０^-4 ・・・・・（２）なお、Ｍｇ質量％は溶鋼中に含まれるＭｇ質量％、Ｏ質
量％は溶鋼中に含まれるＯ質量％、Ｓ質量％は溶鋼中に
含まれるＳ質量％、Ｍｎ質量％は溶鋼中に含まれるＭｎ
質量％である。これにより、溶鋼中のＯ（酸素）とＳ
（硫黄）の濃度を所定の条件にしてＭｇを添加するた
め、溶鋼中にＭｇ（ＯＳ）を安定して生成でき、鋳片の
凝固組織を安定して微細にできる。更に、鋳片の冷却過
程においてＭｇ（ＯＳ）上にＭｎＳを析出させることに
より、共析変態の温度を上昇させ、ＭｎＳを核として共
析変態を生じ易くするので、パーライト変態組織を安定
して微細にすることができ、最終の鋳片の組織を安定し
て微細にすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。図１は本発明の一実施の形態に係る
凝固組織に優れた軌条用鋳片を製造する連続鋳造装置の
全体図である。図１に示すように、本発明の一実施の形
態に係る凝固組織に優れた軌条用鋳片を製造する連続鋳
造装置１０は、Ｍｇワイアを添加してＭｇ濃度を高めた
溶鋼１１を貯湯するタンディッシュ１２と、タンディッ
シュ１２の底部に取付けられた浸漬ノズル１３と、浸漬
ノズル１３を介して溶鋼１１が注湯される鋳型１４を有
し、鋳型１４の下方には、図示しない冷却水ノズルを設
けた支持セグメント１５と、凝固殻１６ａが形成された
鋳片１６を圧下する圧下セグメント１７と、鋳片１６を
所定の速度で引き抜くための一対のピンチロール１８を
備えている。

【００１０】次に、本実施の形態に係る凝固組織に優れ
た軌条用鋳片についてその製造方法と共に説明する。炭
素を０．５質量％以上を含む軌条用の溶鋼１１に、Ｍｇ
ワイアを挿入することにより金属Ｍｇを添加する。この
金属Ｍｇの添加は、予め溶鋼１１のサンプリングを行な
い成分分析により溶鋼１１中のＭｎ濃度、Ｏ濃度、Ｓ濃
度を測定し、下式を満たすように、Ｍｇを添加する。（Ｍｇ質量％−１．５×Ｏ質量％）×Ｓ質量％＞４×１
０^-5 かつ、（Ｍｎ質量％）×（Ｓ質量％−１．３３×Ｍｇ質量％）
＞２×１０^-4 なお、Ｍｇ質量％は溶鋼中に含まれるＭｇ質量％、Ｏ質
量％は溶鋼中に含まれるＯ質量％、Ｓ質量％は溶鋼中に
含まれるＳ質量％、Ｍｎ質量％は溶鋼中に含まれるＭｎ
質量％である。前記式において、（１．５×Ｏ質量％）
は、溶鋼中の酸素がすべてＭｇＯとなった場合の化学量
論的計算から求めた値であり、過剰に添加されたＭｇ質
量％は、（Ｍｇ質量％−１．５×Ｏ質量％）で表され
る。そして、実験の結果、この過剰に添加されたＭｇ質
量％とＳ質量％の濃度の積が４×１０^-5より大きければ
安定してＭｇＯとＭｇＳの複合化合物（以下Ｍｇ（Ｏ
Ｓ）という）を生成することが分かった。更に、Ｍｇ
（ＯＳ）の生成後にＭｎＳを生成させるには、Ｍｇと結
合する量より過剰のＳを添加する必要がある。この過剰
のＳは、（Ｓ質量％−１．３３×Ｍｇ質量％）で表さ
れ、この過剰のＳとＭｎの濃度の積、即ち、（Ｍｎ質量
％）×（Ｓ質量％−１．３３×Ｍｇ質量％）を２×１０
^-4以上より大きくすることにより、ＭｎＳを安定して生
成させることができる。

【００１１】Ｍｇが添加され、タンディッシュ１２に貯
湯された軌条用の溶鋼１１は、タンディッシュ１２の底
部に設けた浸漬ノズル１３を介して鋳型１４に注湯さ
れ、鋳型１４による冷却と、支持セグメント１５に布設
された冷却水ノズルからの散水によって冷却されて凝固
殻１６ａを形成する。この冷却によって順次凝固殻１６
ａの厚みを増した鋳片１６は、支持セグメント１５の下
流側に配置された圧下セグメント１７により、１〜１０
ｍｍの押し込み量で圧下された後、完全に凝固する。こ
の鋳片１６の凝固過程において、鋳片１６の内部には、
溶鋼１１の温度が低下して凝固を開始する前の温度、即
ち、溶鋼１１が凝固を開始する温度以上の温度で、Ｍｇ
ＯやＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ を生成する。しかし、このＭｇ
ＯやＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ は、軌条用の溶鋼１１の場合、
凝固初晶がγ−Ｆｅであるため、凝固時の接種核として
作用しない。

【００１２】溶鋼１１中に、Ｏ（酸素）との反応に消費
されるＭｇ量よりも多量のＭｇを添加することによっ
て、ＭｎＳの析出が開始される前に、過剰に添加された
Ｍｇが、溶鋼１１中のＳ（硫黄）と反応して１０〜１０
００個／ｍｍ² のＭｇ（ＯＳ）を生成するようにしてい
る。このＭｇ（ＯＳ）は、その生成過程によって、Ｍｇ
ＳとＭｇＯが異なる比率で形成される。そして、γ−Ｆ
ｅの接種核として作用するＭｇ（ＯＳ）の内のＭｇＳと
ＭｇＯの比率が限定される。接種核として作用させるに
は、γ−ＦｅとＭｇ（ＯＳ）の格子歪み（γ−ＦｅとＭ
ｇ（ＯＳ）の格子定数の差／Ｍｇ（ＯＳ）の格子定数の
値）を５％以下にすることが必要である。即ち、Ｍｇ
（ＯＳ）中に含まれるＭｇＯを２５質量％未満にし、Ｍ
ｇＳを７５質量％以上を含むＭｇ（ＯＳ）にすることに
よって、生成したＭｇ（ＯＳ）を凝固初晶がγ−Ｆｅで
ある軌条用の溶鋼１１の接種核として作用させ、凝固す
る鋳片の凝固組織を微細にすることができる。しかも、
溶鋼１１中のＭｎＳの格子歪み（ＭｎＳとＭｇ（ＯＳ）
の格子定数の差／Ｍｇ（ＯＳ）の格子定数の値）が小さ
く、即ち、格子整合性が良好であるため、鋳片１６が連
続鋳造装置１０内で冷却され、その温度が約１０００〜
１３００℃になる領域で、Ｍｇ（ＯＳ）の周囲にＭｎＳ
が優先的に析出する。また、炭素を０．５質量％以上を
含む軌条用の溶鋼１１は、凝固時の初晶がオーステナイ
ト組織であり、凝固後の冷却過程でオーステナイト相か
らフェライト相とセメンタイト相の共析相への変態いわ
ゆるパーライト変態を生じる。この相変態を有する溶鋼
１１に、Ｍｇを添加することにより、生成したＭｇ（Ｏ
Ｓ）は、溶鋼１１の凝固時のオーステナイト相の接種核
として作用し、オーステナイト相の凝固組織を微細に
し、更に、オーステナイト相からフェライト相とセメン
タイト相の共析相への移行過程で、ＭｇＳ比率の低いＭ
ｇ（ＯＳ）やＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ がフェライト
相の接種核として作用して、パーライト変態組織をより
微細化する。

【００１３】そして、冷却過程を経た鋳片１６では、Ｍ
ｎＳがＭｇ（ＯＳ）の周囲に優先的に析出するので、析
出したＭｎＳの成長に伴って、周囲のマトリックスから
Ｍｎ及びＳが欠乏する。特に、Ｍｎが欠乏すると、共析
変態の温度が上昇し、Ｍｎの欠乏したマトリックスで
は、Ｍｇ（ＯＳ）から離れた領域である通常部に比べて
優先的にγ相からα相への変態が生じる。即ち、ＭｎＳ
を核としてパーライト変態組織も微細にすることができ
る。この鋳片１６は、凝固組織が微細であるので、内部
に発生する内部割れや溶鋼流動に伴う中心偏析、センタ
ーポロシティ等の内部欠陥が無く、鋳片１６の手入れや
屑化をなくして良鋳片の歩留り及び品質を向上させるこ
とができる。このようにして鋳造された鋳片１６は、ピ
ンチロール１８により引き抜かれて、図示しない切断機
により所定のサイズに切断されてから圧延等の後工程に
搬送され、軌条が製造される。

【００１４】鋳片１６の介在物の種類と量は、鋳片１６
の全断面の一部を切り出して、この切り出し片を一般に
用いられている光学顕微鏡で観察することにより、測定
することができる。また、凝固組織は、鋳片１６をピク
リン酸でエッチングして、デンドライト組織を検出し、
この組織から等軸晶か、柱状晶かを判別することができ
る。

【００１５】

【実施例】次に、本発明に係る凝固組織の微細な軌条用
鋳片の実施例について説明する。主成分が表１に示す組
成の高炭素鋼用の溶鋼３５０トンを取鍋に入れ、この溶
鋼にＭｇとしてＭｇワイアを添加して、溶鋼中に生成す
るＭｇ（ＯＳ）の個数を変化させて、内寸で、厚み２５
０ｍｍ、内幅１２００ｍｍの鋳型に鋳湯し、０．８ｍ／
分の速度でピンチロールにより引き抜いて鋳片を鋳造し
た。

【００１６】

【表１】

【００１７】そして、鋳造した鋳片の凝固組織及びパー
ライト組織、内部品質、溶接部靱性について調査した。
その結果を表２に示す。実施例１〜４は、溶鋼中のＭｇ
（ＯＳ）の個数をそれぞれ９９５、４２０、５０、１０
個／ｍｍ² にし、前記（１）、（２）式の関係を満たす
場合であり、いずれも凝固組織を微細にでき、内部品質
も割れや中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥が
無く、この鋳片を加工した軌条の溶接部の靱性について
も良好な結果が得られた。更に、Ｍｎを含む溶鋼に
（１）式の関係を満たすように、Ｍｇを添加した場合に
ついても行ったが、凝固組織を細かくでき、内部品質も
割れや中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥が少
なく、この鋳片を加工した軌条の溶接部の靱性について
も良い結果を得ることができた。

【００１８】

【表２】

【００１９】これに対し、比較例１は、Ｍｇの添加量が
少なくなり、十分なＭｇ（ＯＳ）を生成できなかった場
合、比較例２は、溶鋼にＭｇを添加しなかった場合であ
り、いずれも凝固組織及びパーライト変態組織が粗大に
なり、内部品質が悪く、この鋳片を加工した軌条の溶接
部の靱性も低下した。

【００２０】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨
を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲であ
る。例えば、鋳片は、連続鋳造の他に、造塊法やベルト
キャスター、ロール等の鋳造法により鋳造することがで
きる。更に、Ｍｇとしては、金属ＭｇやＳｉ−Ｍｇ、Ｎ
ｉ−Ｍｇ等のＭｇ合金を薄鋼で覆った線状に加工したワ
イヤーを添加する他に、金属Ｍｇ、又はＭｇ合金等を溶
鋼に浸漬ランスを用いて吹き込んで添加することもでき
る。

【００２１】

【発明の効果】請求項１〜３記載の凝固組織に優れた軌
条用鋳片においては、炭素を０．５質量％以上を含む溶
鋼に、Ｍｇを添加してＭｇＯとＭｇＳの複合化合物を生
成させた溶鋼を連続鋳造して凝固させるので、凝固組織
を微細にして内部欠陥を防止し、圧延等の加工性や溶接
部の靱性を向上することができる。

【００２２】特に、請求項２記載の凝固組織に優れた軌
条用鋳片においては、ＭｇＯとＭｇＳの複合化合物を１
０〜１０００個／ｍｍ² 含むので、溶鋼が凝固した鋳片
の凝固組織を安定して微細にすることができる。

【００２３】請求項３記載の凝固組織に優れた軌条用鋳
片においては、溶鋼に、所定の量のＭｇを添加するの
で、溶鋼中にＭｇ（ＯＳ）を安定して生成し、溶鋼が凝
固する際の接種核として作用し、更に、共析変態の温度
を上昇させて共析変態を起こし易くして鋳片や製品であ
る軌条のパーライト変態組織をより安定して微細にする
ことができ、圧延等の加工性や溶接部の靱性をより向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る凝固組織に優れた
軌条用鋳片の製造に用いる連続鋳造装置の全体図であ
る。

【符号の説明】

１０：連続鋳造装置、１１：溶鋼、１２：タンディッシ
ュ、１３：浸漬ノズル、１４：鋳型、１５：支持セグメ
ント、１６：鋳片、１６ａ：凝固殻、１７：圧下セグメ
ント、１８：ピンチロール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素を０．５質量％以上を含む溶鋼に、
Ｍｇを添加してＭｇＯとＭｇＳの複合化合物を生成させ
た溶鋼を連続鋳造して凝固させることを特徴とする凝固
組織に優れた軌条用鋳片。
【請求項２】請求項１記載の凝固組織に優れた軌条用
鋳片において、前記ＭｇＯとＭｇＳの複合化合物を１０
〜１０００個／ｍｍ² 含むことを特徴とする凝固組織に
優れた軌条用鋳片。
【請求項３】請求項１又は２記載の凝固組織に優れた
軌条用鋳片において、前記溶鋼に添加するＭｇ量は下式
を満たしていることを特徴とする凝固組織に優れた軌条
用鋳片。（Ｍｇ質量％−１．５×Ｏ質量％）×Ｓ質量％＞４×１
０^-5 かつ、（Ｍｎ質量％）×（Ｓ質量％−１．３３×Ｍｇ質量％）
＞２×１０^-4 なお、Ｍｇ質量％は溶鋼中に含まれるＭｇ質量％、Ｏ質
量％は溶鋼中に含まれるＯ質量％、Ｓ質量％は溶鋼中に
含まれるＳ質量％、Ｍｎ質量％は溶鋼中に含まれるＭｎ
質量％である。