JP4337565B2 - 鋼のスラブ連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼のスラブ連続鋳造方法に係り、特に鋳造速度や鋼種によらず縦割れやストリークを防止し得る連続鋳造方法に関する。

鋼を連続鋳造するにあたっては、生産性の向上のためにいわゆる高速鋳造が指向されている。近年の種々の技術開発によって、最大鋳造速度はスラブ厚によって異なるものの、スラブ厚２５０ｍｍ程度では３．５ｍ／ｍｉｎ、スラブ厚９０ｍｍ程度では８ｍ／ｍｉｎが達成されている。

しかしながら、鋳造速度の増大に伴い、特に鋳造速度が２ｍ／ｍｉｎ以上ときわめて高速になるのに伴い、鋳型内湯面変動が激しくなり、それに伴ってモールドフラックスが溶鋼中に巻き込まれ、製品欠陥の増加を招くという問題が発生しやすくなってきており、また、鋳型抜熱量の増大とそれに起因した不均一凝固起因の表面割れが発生しやすくなってきている。一方、中炭素鋼（Ｃ：０．０８〜０．１５ｍａｓｓ％）に代表される包晶凝固変態する鋼やδ−γ凝固する鋼は、不均一凝固起因の表面縦割れが発生しやすいという特徴がある。甚だしい場合には、７〜１０ｍのスラブ全長に亘り直線的な窪み（ストリーク）や割れを伴うストリーク状割れが発生する。

これらの問題を解決するため、一般に（１）モールドフラックスの粘度を適正な高粘度とすること、あるいは（２）モールドフラックスの結晶化温度を上昇させるという方法がとられているが、モールドフラックスの高粘度化や結晶化温度の高温度化に伴い、潤滑不良による拘束性ブレークアウトの発生頻度が増加し、安定操業が困難になったり、逆にストリークが発生しやすくなったりするため、生産性の阻害や鋳片手入れを余儀なくされている。このような問題に対して、特許文献１には、鋳型の長辺面の傾斜角度と鋳型振動ストロークとの関係および鋳型の最大上昇速度と鋳造速度との関係を所定の範囲に収めることとする手段が提案され、これによって鋳型潤滑が安定し、かつ表面割れのない鋳片を安定して製造することができるとされている。

特開２００３−０４１５５号公報

しかしながら、特許文献１記載の手段では、鋳造対象鋼種が低炭素鋼である場合には効果が認められるものの、鋳造対象鋼種が、たとえば極低炭素鋼、中炭素鋼、あるいは高炭素鋼となり、かつ鋳造速度が２ｍ／ｍｉｎを超える高速鋳造領域では必ずしも安定操業ができなくなるという問題があった。また、不均一凝固が顕著な中炭素鋼（普通鋼であると種々の合金成分を含むハイテン鋼であるとを問わない）やステンレス鋼で、鋳造速度が２ｍ／ｍｉｎ以下と比較的小さい条件で発生する縦割れ、ストリーク状割れ、ストリーク等の表面割れに対する対策はこれまでのところ開示されていない。

本発明は、低炭素鋼を高速で連続鋳造する際に生ずる製品欠陥や表面割れ、また、包晶凝固変態する鋼やδ−γ凝固する鋼で鋳造速度によらず生ずる縦割れ、ストリーク状割れ、ストリークの発生を効果的に防止可能なスラブ連続鋳造方法を提案することを目的とし、広く鋼種、鋳造速度に無関係に連続鋳造においてこれら欠陥の発生を防止することを課題とする。

本発明に係る連続鋳造方法は、４面の鋳型板により構成される鋼のスラブ連続鋳造用組み鋳型を用いて鋳造する際に、前記組み鋳型の設定条件を短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比β_ｎ／β_ｗを１．５以上６以下の範囲とするものである。ここにおいて、上記長辺テーパーβ_ｗ、短辺テーパーβ_nはそれぞれ次式で計算される値（％／ｍ）であり、その範囲は、β_ｗ：０．２％／ｍ以上０．９％／ｍ以下、β_n：０．８％／ｍ以上１．３％／ｍ以下とする。
β_w＝{（Ｔ_ｕ−Ｔ_ｄ）／Ｔ_ｕ／Ｌ}×１００（％）・・・（１）
β_n＝{（Ｗ_ｕ−Ｗ_ｄ）／Ｗ_ｕ}／Ｌ}×１００（％）・・・(２)
ここにおいて、
Ｔ_ｕ，Ｔ_ｄ：鋳型の短辺側の上端、下端幅（ｍｍ）、
Ｗ_ｕ，Ｗ_ｄ：鋳型の長辺側の上端、下端幅(ｍｍ)、
Ｌ：鋳型長さ（ｍ）
である。

上記発明において、長辺側テーパーβ_ｗを所定値に設定後、短辺側テーパーβ_ｎを調整するのが操業上望ましい。

このように、本発明は連続鋳造用鋳型のパラメータβ_ｎ、β_ｗおよびこれらの比β_ｎ／β_ｗについて上記のように定めて連続鋳造を行なうものであるが、そこに至る主な知見について簡単に説明すると以下のとおりである。

短辺側テーパーβ_ｎや長辺側テーパーβ_ｗを適正に設定することは、バルジングやブレークアウトを防止しながら健全な鋳片を得るための基本条件であり、従来から経験的に、短辺側テーパーβ_ｎを０．７〜１．３％／ｍ、長辺側テーパーβ_ｗを０〜１．０％／ｍとして操業することが行われている（鉄と鋼、６７巻、１９８１年、ｐ．９３、特開平１５−９４１５５号公報等参照）。

従来、これらの短辺側テーパーおよび長辺側テーパーは、基本的には上記範囲内で独立に調整され、鋼種等によって定められる鋳造条件毎にそれぞれ最適と思われる値を選択してきた。しかし、長辺シェルと短辺シェルは互いに組み合わされ連続体としての鋳片が構成されているため、連続鋳造鋳型内では溶鋼、凝固シェルを含む鋼物質のマスバランスを考慮しないと、短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗが個々には適正範囲であっても、鋳片表面割れ、鋳片形状不良、湯面変動増加等の問題が生じる場合があり、このマスバランスに短辺側テーパーβ_nと長辺側テーパーβ_ｗの比が関係するのである。

具体的に説明すると以下のとおりとなる。長辺側テーパーβ_ｗが短辺側テーパーβ_ｎに対して相対的に大き過ぎる場合、鋳型内において鋼物質がマスバランスを保つため短辺シェルが幅方向に張り出そうとするが、短辺シェルが十分に厚くて座屈しない場合、その反力として長辺シェルに圧縮力が発生し、長辺シェルが幅方向に座屈する結果を招く。そのため、不均一凝固が顕著な中炭素鋼（普通鋼であるかハイテン鋼を問わない）やステンレス鋼では、鋳造速度が２ｍ／ｍｉｎ以下と比較的小さい条件でも、ストリーク状割れやストリークが発生することとなる。このような欠陥は幅方向にほぼ等間隔に発生し、あるいは、鋳型幅方向中心線に沿うなど特定場所に発生するという特徴がある。

この問題は、短辺側に張り出すシェルを吸収するに足りるだけ短辺テーパーが緩やかであると、短片シェルが鋳型側に膨らむスペースが生じるため、長辺側シェルヘの反力が作用しなくなり、あるいは軽減され、その結果、短辺、長辺シェルに不必要な圧縮力が作用しなくなり、シェルの座屈が防止され、それによって解決される。同様の現象は、短辺テーパーが相対的に大き過ぎる場合にも、発生することとなる。このように、β_ｎが大きいときはβ_ｗを相対的に小さく、一方、β_ｗが大きいときはβ_ｎを相対的に小さく設定することにより、本発明の初期の目的を達成することができる。上記の短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比β_ｎ／β_ｗ及び短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの取り得る範囲の数値は上記考察に基づき本発明の目的の達成できる範囲を具体的に規定したものである。

本発明により鋳型の長辺側テーパーと短辺側テーパーとの関係が最適値に設定されるので、連続鋳造中の湯面変動が少なくなり、表面割れの発生が抑制される。それにより低炭素鋼では鋳造速度が２.０ｍ／ｍｉｎ超の高速連続鋳造となっても、低炭素鋼を高速で連続鋳造する際に生ずる製品欠陥や表面割れを防止することができ、また、包晶凝固変態する鋼やδ−γ凝固する鋼で鋳造速度によらず生ずる縦割れ、ストリーク状割れ、ストリークの発生を効果的に防止することができる。その結果、幅広い鋼種にわたって欠陥のない、すなわち手入れを要しないスラブを安定して得ることができ、操業の安定と生産性の向上が達成される。

本発明は、４面の鋳型板により構成される鋼のスラブ連続鋳造用組み鋳型を用いる連続鋳造方法が対象となる。鋼の連続鋳造用の鋳型は、一般に図１に示すように、水冷銅板によって構成される一対の短辺用鋳型板１Ａ，１Ｂに対して一対の長辺用鋳型板２Ａ，２Ｂを組み合わせることによって構成される。これら４面の鋳型板（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ）により構成される鋼のスラブ連続鋳造用組み鋳型は、鋼の連続鋳造の際、凝固シェルの熱収縮量を補償して凝固シェルが鋳型から大きく離れないようにするために、前記長辺用鋳型板および短辺用鋳型板を下方に至るに従い鋳型断面積が小さくなくようにテーパーが設けられている。

図１に従えば、短辺用鋳型板１が有する下向き先細りのテーパーによって長辺側テーパーβ_ｗが決定され、一方、短辺側テーパーβ_ｎは短辺用鋳型板１のあおり角度によって独自に決定される。このうち短辺側テーパーは図２に示されるように鋳型上端５と鋳型下端６との距離をＬ、短辺用鋳型板１（１Ａ，１Ｂ）が長辺用鋳型板２に接する部分の長辺用鋳型の上端側寸法をＷ_ｕ、鋳型下端側寸法をＷ_ｄとしたとき、
β_n＝{（Ｗ_ｕ−Ｗ_ｄ）／Ｗ_ｕ}／Ｌ}×１００（％／ｍ）・・・(２)
によって表される。同様にして図３を参照すれば、短辺側テーパーは
β_w＝{（Ｔ_ｕ−Ｔ_ｄ）／Ｔ_ｕ／Ｌ}×１００（％／ｍ）・・・（１）
と表される。本発明ではβ_ｎとβ_ｗにつき、以下に示す関係を設定する。

短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比、β_ｎ／β_ｗ：１〜６
鋳造速度が大になるに伴い、鋳造内で形成されるシェル厚が薄くなり、特に鋳造速度が２ｍ／ｍｉｎ以上の場合には、長辺シェルにおいては鋳型内でのバルジング傾向が増大し潤滑不良を招くため、鋳型とシェル間に流入するモールドフラックスの量を適正にすることが必要になる。そのためには、短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの間にβ_ｎ／β_ｗ≧１、換言すればβ_ｎ≧β_ｗの関係を維持する必要がある。

また、上記短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比β_ｎ／β_ｗが大きすぎると、短辺用鋳型板で生ずる抜熱量と長辺用鋳型板で生ずる抜熱量が不均一になり過ぎ、鋳型を出た後に行なわれる二次冷却時に鋳片断面形状が不均一になるおそれがある。またコーナー縦割れが発生する傾向もある。そのため短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比β_ｎ／β_ｗは６以下に制限する必要がある。

なお、短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比β_ｎ／β_ｗは１未満（β_ｗが大き過ぎる場合）であっても６超（β_ｎが大き過ぎる場合）であっても鋳造条件によっては湯面変動やコーナー割れを助長する。このため、安定操業の観点からも上記比β_ｎ／βｗは１以上６以下としなければならない。

短辺倒テーパーβ_ｎ：０．８〜１．３％／ｍ
一般的に、短辺側テーパーβ_ｎは、長辺用鋳型板に接して形成される鋳片シェル（以下「長辺シェル」という）の鋳片幅方向への収縮率に設定されている。この長辺シェルの収縮率は鋳造速度や鋼種により変化し、かつ操業中変動するので、最適値に設定することは非常に困難とされている。しかしながら、短辺側テーパーβ_ｎが小さすぎると、短辺用鋳型板に接して形成される鋳片シェル（以下「短辺シェル」という）にバルジングやコーナー縦割れも発生しやすく、さらには短辺用鋳型板と短辺シェルとの間に流入するモールドフラックス量が多くなり過ぎ、鋳型への抜熱量が減少して短辺シェルの成長が阻害され、短辺シェルが浸債ノズルからの噴流により再溶解されることによるブレークアウトが発生する危険がある。したがって、短辺側テーパーβ_ｎは０．８％／ｍ以上が望ましい。

しかしながら、特に鋳造速度２ｍ／ｍｉｎ以上の高速鋳造を行なう場合には長辺シェルがきわめて薄くなるため、短辺側テーパーβ_ｎが大きくなりすぎると、長辺シェルに座屈に基づくうねりを生じることがあり、それによりスラブ長辺面に表面割れ（縦割れ）やスラグストリークの生成が助長される傾向がある。このような現象は、鋳造速度が小さい場合でも不均一凝固が顕著な中炭素鋼（普通鋼であるとハイテン鋼であるとを問わない）あるいはステンレス鋼でも発生する。また、短辺側テーパーβ_ｎが大きいと、短辺用鋳型板と短辺シェル間へのモールドフラックスの流入が阻害される原因になり、鋳型板とシェル間の潤滑が悪化するため、拘束性ブレークアウトが発生する危険を生ずる。さらに、短辺側テーパーβ_ｎが大きくなるに伴い、鋳型振動の上昇過程において鋳型が短辺シェルを溶鋼側に押し込む距離が大きくなり、その結果、湯面が鋳型振動と共振して湯面変動が大きくなり、モールドフラックスの巻き込みや潤滑不良の原因になる。このような問題を考慮すると短辺側テーパーβ_ｎは１．３％／ｍ以下に限定される。

長辺側テーパーβ_ｗの適用範囲：０．２〜０．９％／ｍ
長辺側テーパーβ_ｗは小さすぎると、長辺シェルのバルジングを惹起する傾向が大となるおそれがある。また、長辺シェルと長辺用鋳型板との間隔が鋳片コーナー部近傍において大きくなり、その部位においてモールドフラックスの流入量が多くなり過ぎ、鋳型への抜熱が滅少してシェルの成長が阻害され、浸漬ノズルからの噴流によりシェルが再溶解されることによるブレークアウトが発生する危険がある。したがって、長辺側テーパーβ_ｗは０．２％／ｍ以上が望ましい。

しかし、長辺側テーパーβ_ｗが大きすぎると、鋳造速度が２ｍ／ｍｉｎ以上と大きいときには短辺シェルがより薄くなるため、短辺シェルが座屈して鋳片短辺中央部やコーナーから短辺幅の１／４〜１／６近傍に鋳造方向に走る凹状のストリークが生じる場合があり、表面割れ（縦割れ）やブレークアウトを助長するおそれがある。また、長辺側テーパーβ_ｗを大さくし過ぎると、長辺用鋳型板と長辺シェル間へのモールドフラックス流入が阻害される原因になり、鋳型板とシェル間の潤滑が悪化するため、拘束性ブレークアウトが発生する危険を生ずる。さらに、長辺側テーパーβ_ｗが大きくなるに伴い、鋳型振動の上昇過程において鋳型が長辺シェルを洛鋼側に押し込む距離が大きくなり、その結果、湯面が鋳型振動と共振して湯面変動が大きくなり、モールドフラックスの巻き込みや潤滑不良の原因になる。このような問題を考慮すると短辺側テーパーβ_ｗは０．９％／ｍ以下に限定すべきである。

本発明は鋳型条件を上記のように設定して連続鋳造することにより、鋳造中の湯面変動を小さくし、鋳型とシェル間へのモールドフラックスの流入量を適正に保ち、それによって不時のブレークアウトを防止しながら、スラブ表面割れ、特に縦割れ系のストリークのない健全な連鋳スラブを得ることを可能にする。

なお、本発明を実施するに際しては、４面の鋳型板により構成される鋼のスラブ連続鋳造用組み鋳型の長辺側テーパーβ_ｗ及び短辺側テーパーβ_ｎおよび比β_ｎ／β_ｗを所定範囲に収める必要がある。その手段としては、たとえば図１に示すように特定の、たとえば長辺側テーパーβ_ｗが０．４％／ｍとなるように短辺用鋳型板１Ａ，１Ｂを選び、これに長辺用鋳型板２Ａ，２Ｂを組み合わせ、さらにその状態で短辺用鋳型板１Ａ，１Ｂを公知の鋳型幅変更の手段を適用して短辺側テーパーβ_ｎを適当に調整することが挙げられる。

この場合、長辺側テーパーβ_ｗは短辺用鋳型板1によって固定されるので、これを鋼種や鋳造条件に応じて適正値に選択しておくことが重要であるが、鋳型幅変更手段として多くの連続鋳造設備に設けられている鋳型幅変更手段を用いることによって短辺側テーパーβ_ｎおよびβ_ｎ／β_ｗを適正値に設定できるので操業上多くの利点がある。もちろん、図１と異なる形態、たとえばまず短辺側テーパーβ_ｎが所定の値となるように長辺側鋳型板２Ａ，２Ｂを選び、これに短辺用鋳型板１Ａ，１Ｂを組み合わせ、さらにその状態で長辺用鋳型板２Ａ，２Ｂを調整することもできる。

以下、実施例および比較例を列挙して本発明の実施形態をより具体的にする。

図1に示す形式の連続鋳造機を用い、厚みが２２０、２３５、２７５ｍｍ、幅が７５０〜１６００ｍｍのスラブを表１〜４に示す条件で鋳造した。鋳型高さは９００ｍｍであり、使用した浸漬ノズルは吐出口直径が８０ｍｍ、吐出角度が下向き２０°（一定）のものとした。モールドフラックスは、炭素鋼の場合、凝固温度が１０００℃、粘度が０．０５Ｐａ・ｓ（１３００℃）、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が１.０のものを、また、ステンレス鋼の場合、凝固温度が１１００℃、粘度が０.０２Ｐａ・ｓ（１３００℃）、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が１．１のものを使用した。タンデイツシユにおける溶鋼過熱度は１０〜４０℃とした。対象鋼種としては、極低炭素鋼（鋼種Ａ）、低炭素鋼（鋼種Ｂ）、中炭素鋼（鋼種Ｃ）、ステンレス鋼（鋼種Ｄ）を選んだ。これら各鋼の組成（いずれもｍａｓｓ％）は以下のとおりである。

鋼種Ａ:Ｃ:０.０００５〜０.００９０％、Ｓｉ＜０.０５％、Ｍｎ＜０.５０％、Ｐ＜０.０３５％、Ｓ＜０.０２０％、Ａｌ:０.００５〜０.０６０％、Ｔｉ＜０.０８０％、Ｎｂ＜０.０５０％、Ｂ＜０.００３０％、残部は不可避的不純物を除きＦｅである。

鋼種Ｂ:Ｃ:０.０３〜０.０６％、Ｓｉ＜０.３％、Ｍｎ＜０.５０％、Ｐ＜０.０３５％、Ｓ＜０．０２０％、Al：０．００５〜０．０６０％、残部は不可避的不純物を除きFeである。

鋼種Ｃ:Ｃ：０．０８〜０．１６％、Ｓｉ＜０．３％，Ｍｎ＜１．０％、Ｐ＜０．０３５％、Ｓ＜０．０２０％、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、残部は不可避的不純物を除きＦｅである。

鋼種Ｄ：Ｃ:０．１０〜０．２０％、Ｓｉ＜０．３％、Ｍｎ＜０．４５％、Ｐ＜０．０２０％、Ｓ＜０．００１０％、Ａｌ＜０．００２％、Ｃｒ：８．５〜９．０％、残部は不可避的不純物を除きＦｅである。

これらの鋼の鋳造にあたっては、スラブ厚みが２２０ｍｍの場合には鋳型下端近傍で鋳型全幅に静磁場印加（ＥＭＢＲ）を施し（特開平２−２８４７５０号公報に記載）、スラブ厚みが２３５ｍｍの場合には浸漬ノズル吐出孔出側において静磁場印加（ＥＭＬＳ）を施した（特開昭５７−１７３５６号公報に記載）。また、鋼種Ｄはスラブ厚み２７５ｍｍとし、鋳型内での溶鋼流動制御は実施しなかった。

鋳造時にブレークアウト発生の有無を調査し、鋳型内溶鋼湯面を鋳型短面側から３６０ｍｍ入った厚さ方向の中央部で過流式レベルセンサーにより測定した。また、得られたスラブ（長さ７〜１０ｍ長さ）について面縦割れやコーナー縦割れの有無について調査した。結果は操業条件とともにまとめて表１〜４に示す。調査は１０〜３００チャージ単位で調べた。図４には、短辺、長辺テーパーと表面割れ、湯面変動、ブレークアウト発生状況の関係をまとめて示した。

表１〜４、および図４から明らかなように、本発明にしたがって鋳造した場合、鋳造速度が２．０ｍ／ｍｉｎ超えという高速鋳造においても、湯面変動幅を１０ｍｍ以下に抑えることができ、その結果、表面割れのないスラブをブレークアウトの発生なく安定した操業の下で製造することができた。また、鋳造速度が小さくても不均一凝固しやすい鋼種Ｄにおいて、スラブ表面のストリーク状縦割れや拘束性ブレークアウトの発生なく安定した操業が可能になった。

本発明の適用される代表的な連続鋳造鋳型の代表的な組立て構成を示す模式図である。 短辺側テーパーβ_ｎの説明図である。 長辺側テーパーβ_ｗの説明図である。 短辺テーパーと長辺テーパーの関係においての、表面割れ、湯面変動、ブレークアウト発生状況をまとめて示した説明図である。

符号の説明

１：短辺用鋳型板
２：長辺用鋳型板
５：鋳型上端
６：鋳型下端

Claims (2)

1. ４面の鋳型板により構成される鋼のスラブ連続鋳造用組み鋳型を用いて鋳造する際に、前記組み鋳型の設定条件を短辺側テーパーβ_ｎと長辺側テーパーβ_ｗの比β_ｎ／β_ｗを１．５以上６以下の範囲にすることを特徴とする連続鋳造方法。
   上記長辺テーパーβ_ｗ、短辺テーパーβ_nはそれぞれ次式で計算される値（％／ｍ）であり、その範囲は、β_ｗ：０．２％／ｍ以上０．９％／ｍ以下、β_n：０．８％／ｍ以上１．３％／ｍ以下である。
   β_w＝{（Ｔ_ｕ−Ｔ_ｄ）／Ｔ_ｕ／Ｌ}×１００（％）・・・（１）
   β_n＝{（Ｗ_ｕ−Ｗ_ｄ）／Ｗ_ｕ}／Ｌ}×１００（％）・・・(２)
   ここで、
   Ｔ_ｕ，Ｔ_ｄ：鋳型の短辺側の上端、下端幅（ｍｍ）、
   Ｗ_ｕ，Ｗ_ｄ：鋳型の長辺側の上端、下端幅(ｍｍ)、
   Ｌ：鋳型長さ（ｍ）
2. 長辺側テーパーβ_ｗを所定値に設定後、短辺側テーパーβ_ｎを調整することを特徴とする請求項１記載の連続鋳造方法。
   

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