JP4222148B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の丸鋳片の連続鋳造において鋳片断面形状を真円状に保ち、鋳片表面割れを低減する連続鋳造方法に関する。

従来にあっても、丸鋳片の連続鋳造はすでに行われており、その際に連続鋳造丸鋳片の断面形状 (真円度) が悪化すると、次工程の圧延工程において設備破損など操業トラブルを誘発する。また、丸鋳片に表面割れが発生している場合は下工程の圧延工程において表面欠陥となり歩留の悪化および工程阻害を引き起こす。

例えば、特許文献１および特許文献２では、鋳片を成形ロールで圧下して真円度を保つ技術が開示されているが、ピンチロールの他に圧下設備が必要となり、かなりの設備費がかかる。

また、特許文献３には鋳型上端の断面形状を多角形とし、鋳型下端を円形にすることで真円度を保つ技術が開示されているが、成形ロールを用いて円形に矯正しなければ、真円度の仕様外れが発生する場合がある。

引用文献２の表３および図５には、鋳込丸鋳片の内部品質と、丸鋳片の真円度とが開示されているが、これは未凝固圧下技術に関連したものであり、丸鋳片を一旦偏平にしてから凝固後圧下ロールによって縮径して丸鋳片に成形した場合であって、鋳込みままの状態での丸鋳片の真円度と表面品質との関係について開示するものではない。
特開平９−201602号公報 特開平11−309552号公報 特開平６−269903号公報

したがって、本発明の課題は、コスト悪化を極力抑制した簡便な手段でもって、鋳込みままの状態での丸鋳片の真円度悪化防止と鋳片表面割れ防止を実現できる鋼の連続鋳造方法を提供することである。

本発明者らは、上述の課題を解決すべく、種々検討を重ねた結果、真円度と二次冷却水量の関係に着目し、真円度を確保するとともに、それに伴う鋳片表面割れ防止技術を確立し、本発明に至った。

なお、本明細書において、「真円度」とは、鋳込みままの状態でのそれを言い、凝固後圧下などの加工後の丸鋳片の真円度とは区別される。

ここに、本発明は次の通りである。

（１）炭素鋼および低合金鋼の丸鋳片を湾曲型または垂直曲型連続鋳造機で製造するにあたり、連続鋳造鋳型に注入される溶鋼成分の［Ａｌ％］および［Ｎ％］を［Ａｌ％］×［Ｎ％］≦２×１０^−４に調整するとともに、鋳造速度を１．４ｍ／ｍｉｎ以下として鋳造し、鋳型から引き抜かれた丸鋳片を、二次冷却比水量０．４Ｌ／ｋｇ以上、１．０ Ｌ／ｋｇ未満で二次冷却することを特徴とする連続鋳造方法。

(2) 前記丸鋳片の鋳片径が300mm 以上である上記(1) 記載の連続鋳造方法。

本発明によれば、丸鋳片を連続鋳造するにあたり、鋳込みままの状態での真円度と鋳片表面割れ防止を両立できるのであって、特に問題の多かった径300mm 以上の大型丸鋳片において真円度を確保でき表面割れが見られないということから、本発明の実用上の意義は大きい。

次に、本発明において真円度を確保するために上述のように連続鋳造条件を規定した理由について、その実施例を挙げて説明する。

図１に真円度の定義およびスペックを示す。図中、丸鋳片の鋳片断面を天側、地側を上下において示すが、図面で云う縦断面長さを天地径ａと言い、横断面長さをオーバル径ｂと言い、そのときの真円度は、 (ｂ−ａ)/b で定義され、 (ｂ−ａ)/b ≦0.03が要求される真円度仕様である。したがって、本明細書においても、上記範囲を満足するとき真円度が良好であると云う。

ここに、真円度の悪化とはピンチロールで鋳片を引抜く際に鋳片を圧下するために、天地径が短くなり、オーバル径が長くなる現象である。

真円度が0.03より悪化した場合は、次工程の圧延時に噛み込み不良等の操業トラブルの発生する可能性が高くなることから、鋳片を格下げにする必要があり、歩留まり悪化となる。かかる真円度の悪化に対しては、従来からピンチロールの鋳片押付圧力の低下による改善を試みていたが、鋳片滑落が発生し、現実的な対策ではなかった。

図２は、二次冷却と真円度との関係を示すグラフである。図２からも分かるように、真円度には鋳片の強度が大きな因子であり、二次冷却比水量を0.4L/kg 以上とすることで真円度は良好となる。

しかし、真円度を確保するために比水量を増加させると鋳片表面に微小な表面割れが発生する場合が認められる。

図３は、このときの表面割れの形態の模式的説明図である。

かかる表面割れは、いわゆるひび割れであると推定される。湾曲型または垂直曲げ型連続鋳造機で鋼を連続鋳造する場合、ピンチロールで鋳片を矯正する時に鋳片の天側面に表面割れが発生する。

この割れは鋳片矯正時の歪によって発生する表面割れであり、矯正歪は鋳片厚みが大きい程大きくなり表面割れは発生し易くなる。また、この割れはγ粒界割れであり、粒界に析出するAlN によって助長されると推定される。

図４は、このときの関係を模式的図であり、図４ａに示すように、γ相の粒界を構成するα相にはAlN が析出しており、これがロール矯正を受けると、図４ｂに示すように、このAlN を起点として粒界割れが生じるのである。

図５に示すように、一般に鋼には脆化温度範囲がありこの温度範囲で鋳片を矯正した場合に表面割れは発生し易い。従来から矯正時の鋳片表面温度を脆化温度より高温側もしくは低温側に回避することで表面割れを防止していた。

ここに、図５は、Ｃ:0.06%の鋼を1600℃で溶融し、10℃/sで1250℃まで冷却した後、600 〜950 ℃の温度領域で引張試験を行ったときの引張温度と減面率(RA)との関係を示すグラフである。減面率が小さいことは脆化が生じていることを意味し、その温度領域では鋳片矯正の際にも表面割れが生じる可能性が大きい。

鋳片厚みが大きい場合、矯正温度を脆化温度より高温に回避しようとすると、連続鋳造機の機長限界により鋳造速度を高くできないため不可能な場合がある。二次冷却水量を低下させ鋳片表面温度を上昇させることは可能であるが、先に述べたように丸鋳片の場合には、二次冷却水量を低下させると真円度が悪化し、圧延工程での操業トラブルが発生する。逆に脆化温度より低温に回避しようとすると、鋳造速度を低下させる必要があり、生産性が著しく悪化する。特に、このような傾向は鋳片径300mm 以上の大径丸鋳片に顕著である。

また、丸鋳片を連結冶具で繋げて操業を実施する場合には、繋ぎ目の矯正ができずに鋳片の反りが発生し操業を継続することが不可能となる。

また、鋳込初期、末期のいわゆる非定常部では鋳造条件を厳格に規定することが難しく、脆化域を高温側にも低温側にも回避できなく鋳片表面割れの発生頻度が高い。

上述のように鋳造条件により鋳片表面割れを防止しようとすると様々なデメリットが発生する。

したがって、本発明にあっては、溶鋼のAl含有量およびN 含有量を規定することで、その解決を図る。

図６に[Al]×[N] によるAlN の析出量の計算結果を示したが、 [Al] ×[N] が低下するに伴い、AlN 析出量が低減することがわかる。

Al＋Ｎ＝AlN ・・・(1)
Ｋ＝aAl×aN・・・(2)
aAl：溶鋼中Alの活量、aN：溶鋼中のＮの活量
すなわち、本発明によれば、表面割れを助長するAlN の粒界への析出量を減少させることで割れを防止するのである。 AlNの平衡反応式は(1) 式で表され、平衡定数Ｋは(2) 式で表される。つまり、溶鋼中のAlとＮを低下させることでAlN を低減できる。ここで、管理指標を簡単にするために、溶鋼中のAl濃度(mass%:[Al])とＮ濃度(mass%:[N]) の積を採用した。

次に、鋳片表面割れ発生状況を把握するために、丸ビレット鋳造−継目無鋼管プロセスで鋳片起因かつモールドパウダー起因以外のパイプの外面不良率を調査したところ鋳型サイズが大きい程表面検査で不良率が高いことがわかった (図７) 。

図７は、鋳型サイズとパイプの表面不良率の関係を示すグラフであり、これは矯正時の鋳片表面割れが原因である裏付けである。

直径191mm 、直径225mm では鋳片厚が小さいために矯正歪が小さく、表面割れは発生しにくい。そこで、鋳片径≧300mm で[Al]×[N] とパイプの表面不良率を調査したところ、 [Al] ×[N] の増加に伴いパイプの表面不良率が増加した。代表として直径360mm での調査結果を図８に示した。

上記結果より、鋳片径により溶鋼成分の[Al]×[N] を規制することでコスト悪化と鋳片表面割れを抑制することを考えた。つまり、鋳片径＜300mm では表面割れは発生しないため、コスト悪化抑制の観点から[Al]×[N] を制約しない。鋳片径≧300mm のみ[Al]×[N] ≦2000×10^-7に規制する。

本発明において、鋼の化学組成には特に制限されないが、その好適態様にあっては、次のような化学組成を備えた鋼種に本発明を適用することが、その効果をより確実に発揮させる上で好ましい。

Ｃ: 0.05〜0.20％
Mn: 0.3 〜1.5 ％
Si: 0.15〜0.35％
P 、Ｓ: 0.03％以下
Ｎ: 0.015 ％以下
Al: 0.05％以下
その他、必要に応じて、Cr、Ni、Mo、Nb、Ｖ等の合金元素を適宜配合することができる。

ここで、本発明にかかる連続鋳造方法についてその操作を具体的に説明すると次の通りである。

予め本発明にしたがってAl、Ｎ含有量を規定された溶鋼は、連続的に鋳型に注入されるが、本発明において使用する連続鋳造装置としては、湾曲型、垂直曲げ型のいずれでもよいが、断面均一に冷却が行われることが望ましい。本発明において用いる鋳型は断面丸型であり、丸鋳片径として300mm 以上に限定するが、これはそれよりも小さい径の場合には、特に問題が少ないからであり、それよりも小さい径の丸鋳片の製造に本発明を用いることも可能である。

鋳型に鋳込まれた溶鋼は、鋳型を通して一次冷却され、次いで鋳型から引き抜いてからさらに水冷却される。これを二次冷却という。二次冷却領域は、通常は、鋳型直下〜ローラーエプロン帯出側までを言うが、本発明の場合には、鋳型直下〜矯正帯入側までの領域を言い、したがって、二次冷却水量も、鋳型直下〜矯正帯入側の領域での合計冷却水量を云う。

かくして本発明によれば、成形ロールによる圧下を行うことなく、鋳込みままの状態で良好な真円度が得られ、また表面割れが効果的に防止できることから、高価な成形ロールを多数設ける必要がなく、設備自体も簡便化される、等の効果が得られる。

次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。

表１に示した成分の炭素鋼および低合金鋼を、それぞれ断面丸形の鋳型寸法が、直径310 mm、直径360 mmの曲率半径10.6メートルの湾曲型連続鋳造機で連続鋳造を実施した。

このときの真円度の評価は先に述べた方法で行い、鋳片表面割れの評価は鋳片天側のスケールをグラインダーで除去後浸透探傷試験で評価した。

その結果、比水量≧0.40L/kgで真円度不良は発生しなかった。ただし、比水量＝1.OL/kg では鋳片連結部に反りが発生したため、比水量＜l.OL/kg が望ましい。 [Al] ×[N] ≦2000×10^-7で表面割れは防止可能であった。

表２にこれらの結果をまとめて示す。

図９は、このとき得られた真円度と表面割れの関係を示すグラフであり、本発明の規定する範囲において真円度が良好で、かつ表面割れも見られない。図中、白丸で示す。

これらの結果からも分かるように、二次冷却の比水量が0.4 L/kg以上のときに、良好な真円度が確保できる。しかし、このときの比水量が1.OL/kg では鋳片の反りが見られ、望ましくは、比水量は、l.OL/kg 未満である。

また、[Al]×[N] ≦2000×10^-7を満足するときに、表面割れ防止が図られが、比較例７〜９に示すように、[Al]×[N] ≦2000×10^-7を外れると、丸鋳片径≧300mm では、矯正歪が大きいため表面割れが発生する。

真円度の定義および要求される仕様を示す図である。 二次冷却比水量と真円度の関係を示すグラフである 鋳片表面割れ発生状況を示す模式的説明図である。 図４ａおよびｂは、表面割れ発生機構の模式的説明図である。 鋼の高温引張り試験結果を示すグラフである。 AlN 析出量計算結果を示すグラフである。 鋳型サイズとパイプの表面不良率の関係を示すグラフである。 [Al]×[N] とパイプの表面不良率の関係を示すグラフである。 真円度と表面割れの関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 炭素鋼および低合金鋼の丸鋳片を湾曲型または垂直曲型連続鋳造機で製造するにあたり、連続鋳造鋳型に注入される溶鋼成分の［Ａｌ％］および［Ｎ％］を［Ａｌ％］×［Ｎ％］≦２×１０^−４に調整するとともに、鋳造速度を１．４ｍ／ｍｉｎ以下として鋳造し、鋳型から引き抜かれた丸鋳片を、二次冷却比水量０．４Ｌ／ｋｇ以上、１．０ Ｌ／ｋｇ未満で二次冷却することを特徴とする連続鋳造方法。
2. 前記丸鋳片の鋳片径が３００ｍｍ以上である請求項１記載の連続鋳造方法。

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