JP4469092B2 - 微細な凝固組織を備えた鋳片 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼中にＭｇＳを安定して形成し、微細な凝固組織を備え、鋳片の内部に発生する割れや中心偏析、センターポロシティ等の欠陥の無い微細な凝固組織を備えた鋳片に関する。
【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している。
また、鋼材は、前記の鋳片を加熱炉等を用いて加熱した後に、粗圧延や仕上げ圧延等を施すことにより、鋼板や形鋼等に加工される。
この鋳片は、溶鋼を鋳造してから凝固させることで製造するため、凝固過程において、冷却や凝固収縮の不均一等により表面に割れ等の表面欠陥が生じたり、内部の凝固収縮時の負圧に起因するセンターポロシティ（ザク）、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、あるいはバルジング等凝固途中に凝固シェル（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、圧延後も鋼板や形鋼等の鋼材に残存して、鋼材の品質が低下したり、場合によっては製品として使用できない（屑化）等の問題が生じる。
この対策として、鋳片の凝固組織を微細な等軸晶にし、鋳片に発生する内部欠陥を防止することが試みられている。
鋳片の凝固組織を等軸晶（微細）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や酸化物を添加する、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に、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℃以下にして鋳型内で冷却しながら引き抜きを行って、凝固した鋳片の等軸晶の割合を７０％以上にして、フェライト系ステンレス鋼板に発生するリジングを防止する方法が行われている。
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により、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行われている。
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接種核（凝固核）となる金属酸化物の添加と電磁攪拌を組合せて、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行われている。
【０００３】
【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、注湯に用いるノズルの詰まりが生じたり、また、鋳型内湯面に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、介在物に起因した欠陥等が発生するなどから、十分な等軸晶を備えた鋳片ができる程の低い過熱温度にすることが困難となる。
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微細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する場合がある。
この鋳片の内部の凝固組織を改善するため、電磁攪拌装置を多段に配置して、内部の溶鋼を攪拌することも考えられるが、設備制約から設置そのものが困難であり、しかも、多大の設備費用を伴う等の問題がある。
更に、特開昭５３−９０１２９号公報に記載された方法では、溶鋼が凝固する際に接種核（凝固核）として作用する酸化物等を鋳型内に添加しているが、鋼種によって酸化物の種類やその量が異なり、溶鋼が凝固した鋳片の等軸晶（微細組織）化を図ることができない。しかも、如何なる種類の凝固核を用いれば微細組織を備えた鋳片を安定して製造することができるか明確でない。
しかも、電磁攪拌を併用しても、特開昭５０−１６６１６号公報に記載された方法と同様に設置そのものが困難であり、しかも、多大の設備費用を伴う等の問題がある。
特に、炭素含有量の多い溶鋼（高炭素溶鋼）を用いて鋳片を製造する際に、如何なる種類の凝固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を有する鋳片にすることができ、しかも、低コストで工業的に生産することが可能であるか明確でなかった。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、炭素を多く含む溶鋼中に凝固核を安定して形成し、凝固組織を微細にして内部割れや中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥の無い微細な凝固組織を備えた鋳片を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明の微細な凝固組織を備えた鋳片は、凝固初晶がγ−Ｆｅ（γ相）であり炭素量が０．５質量％以上の溶鋼に、下式を満たすＭｇ合金を添加して凝固させる。
〔％Ｍｇ〕≧（４×１０^-5）／〔％Ｓ〕＋１．５×〔％Ｔ・Ｏ〕
ここで、〔％Ｍｇ〕は溶鋼中のＭｇ質量％、〔％Ｓ〕は溶鋼中のＳ質量％、〔％Ｔ・Ｏ〕は溶鋼中の総酸素質量％を表す（ただし、〔％Ｔ・Ｏ〕は、０．００２０質量％以下の場合を除く）。
これにより、溶鋼中に含まれる酸素量及びＳ濃度に応じてＭｇ合金を添加するので、溶鋼中にＭｇとＳが結合した接種核（凝固核）として作用するＭｇＳを十分に生成させることができる。なお、ここでＭｇ合金とは、金属Ｍｇ、又はＭｇを含む合金をいう。
また、炭素量が０．５質量％以上の高炭素溶鋼とすることにより、中心偏析、センターポロシティ等の発生し易い溶鋼に、凝固核として有効なＭｇＳが生成するので、凝固組織の微細化を図ることができる。なお、炭素量が０．５質量％未満になると、Ｍｇを添加して溶鋼中にＭｇＳを生成しても凝固組織を微細にすることができない。
【０００６】
更に、前記溶鋼は、連続鋳造によって凝固させると良い。
鋳型内の一次冷却と鋳型下方での散水による二次冷却によって凝固させるので、凝固核の生成を促進し、この凝固核を起点にして溶鋼を凝固させることができる。
【０００８】
【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。
通常溶鋼を凝固させて鋳片を製造する場合、表層部の凝固組織は、最表層に極薄いチル晶と、このチル晶の内側に大きな結晶組織の柱状晶を備えている。
更に、内部は、表層部で形成された柱状晶が緩慢な冷却に伴って成長し、粗大柱状晶が形成され、内部割れ、センターポロシティ（ザク）や中心偏析等の内部欠陥が生じ易い。
この内部欠陥を防止するために、Ｍｇ合金を溶鋼中に添加し、生成させたＭｇＳを凝固核として作用させ、微細な凝固組織の鋳片を製造することが行われている。
しかし、高炭素濃度の溶鋼にＭｇ合金を添加した際に、溶鋼中のＭｇの量が増加したにも係わらず、鋳片の凝固組織を微細にできない場合があることが判った。そこで、添加したＭｇを高い歩留りで溶鋼中に維持させ、しかも、有効な凝固核を生成する条件について鋭意研究を行った結果、溶鋼中に含まれる総酸素（Ｔ・Ｏ）と硫黄（Ｓ）に極めて関連性があることを知見し、本発明の完成に至った。図１は本発明の一実施の形態に係る微細な凝固組織を備えた鋳片の製造に適用する連続鋳造装置の全体断面図、図２は０．８％Ｃ鋼の等軸晶率とＭｇ、Ｓ、総酸素量の関係を表すグラフである。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る微細な凝固組織を備えた鋳片の製造に適用する連続鋳造装置１０は、タンディッシュ１１に貯湯された溶鋼１２を浸漬ノズル１３から鋳型１４に注湯し、鋳型１４の冷却により溶鋼１２を凝固させながら、支持セグメント１５に設けた図示しない冷却水ノズルから冷却水を散水し、凝固した鋳片１６を圧下セグメント１７により圧下してからピンチロール１８により引き抜き、引き抜いた鋳片１６は所定の長さに図示しない切断装置で切断される。
【０００９】
次に、本発明の一実施の形態に係る微細な凝固組織を備えた鋳片について説明する。
予め取鍋等でＭｇ合金の一例である金属Ｍｇを添加した炭素濃度が０．５質量％以上の溶鋼１２を、タンディッシュ１１に設けた浸漬ノズル１３から鋳型１４に注湯する。
そして、鋳型１４により冷却され、凝固殻を形成して鋳片１６となり、更に、支持セグメント１５の下流側に進むにつれて、支持セグメント１５に付設した冷却水ノズルからの散水によって抜熱される。そして、鋳片１６は、順次凝固殻の厚みを増しながらピンチロール２８により引き抜かれ、途中で圧下セグメント１７により圧下されてから完全に凝固する。
図２に示すように、例えば、溶鋼中の総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕が０．００１０質量％の場合、金属Ｍｇの量即ち、溶鋼中のＭｇ質量％〔％Ｍｇ〕が比較的低くても８０％以上の等軸晶率（図中●印で示す）が得られる。
しかし、総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕が０．００５０質量％の場合及び総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕が０．０１００質量％の場合では、Ｍｇ質量％〔％Ｍｇ〕を総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕の増加量に応じて高くすることにより、目標の等軸晶率（図中▲印、■印で示す）が得られる。
しかし、溶鋼中の総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕が０．００１０質量％の場合、Ｍｇ質量％〔％Ｍｇ〕が同じで、溶鋼中のＳ質量％〔％Ｓ〕が低い（図中○印で示す）と、溶鋼中にＭｇＳが生成されにくくなり目標の等軸晶率が得られない。同様に、溶鋼中の総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕が０．０１００質量％の場合、総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕が０．００５０質量％の場合も、Ｍｇ質量％〔％Ｍｇ〕が同じでＳ質量％〔％Ｓ〕が低い（図中□印、△印で示す）と、いずれも目標の等軸晶率が得られない。
これは、溶鋼に添加した金属Ｍｇが、溶鋼１２中に含まれるフリー酸素（Ｏ）と結びついたり、ＳｉＯ₂、ＭｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等を還元して、金属ＭｇがＭｇ酸化物（ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）となり、スラグ中へ吸収されたり、また、例え溶鋼１２中に残留しても凝固初晶であるγ−Ｆｅ（γ相）の凝固核として作用しなくなるためである。
【００１０】
従って、鋳片１６の凝固組織の粗大化を防止し、前述した内部割れ、センターポロシティ（ザク）や中心偏析等の内部欠陥の発生を抑制するには、溶鋼中の総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕と溶鋼中のＳ質量％〔％Ｓ〕に応じて、溶鋼に添加するＭｇ質量％〔％Ｍｇ〕を調整することが必要である。
即ち、下記式を満たす条件で、金属Ｍｇを添加することにより、溶鋼中にＭｇを残留させることができ、通常０．００５〜０．０３０質量％程度含まれているＳ（硫黄）と金属Ｍｇを接触させ、ＭｇＳを形成することができる。
〔％Ｍｇ〕≧（４×１０^-5）／〔％Ｓ〕＋１．５×〔％Ｔ・Ｏ〕
なお、（４×１０^-5）は、溶鋼におけるＭｇとＳの溶解度積であり、〔％Ｍｇ〕×〔％Ｓ〕を（４×１０^-5）以上にする必要があり、この値が低いと、溶鋼の凝固前にＭｇＳが生成せず、溶鋼の凝固時に接種核として作用するＭｇＳが不足する。
更に、Ｍｇは溶鋼中のＯと反応してＭｇＯを生成して１．５倍の〔％Ｔ・Ｏ〕に見合う量が消費されるので、１．５×〔％Ｔ・Ｏ〕以上のＭｇを添加しないと、溶鋼中にＭｇＳが生成できず、溶鋼の凝固組織を微細にすることができない。
このＭｇＳは、凝固初晶のγ−Ｆｅとの格子歪が７％以下であり、溶鋼１２が凝固する際に、凝固核として作用するので、この凝固核を起点に凝固が開始される。
また、凝固核として有効なＭｇＳを形成するＭｇ合金としては、上記した金属Ｍｇ、Ｓｉ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等を単体あるいは組み合わせて添加することができる。この場合、合金中のＭｇ量を求め、Ｍｇ質量％とする。
なお、ＭｇＳとγ−Ｆｅとの格子歪は、溶鋼１２の凝固初晶であるγ−Ｆｅの格子定数と接種核として利用する介在物（硫化物、酸化物）の格子定数の差を溶鋼１２の凝固初晶のγ−Ｆｅの格子定数で除した値であり、この値が小さい程凝固核（接種核）として有効であることを示している。
【００１１】
このようにして、溶鋼１２が鋳型１４及び支持セグメント１５に設けた図示しない冷却水ノズルからの散水等により凝固する際、溶鋼中に分散したＭｇＳが凝固核となり、この凝固核を起点に溶鋼１２の結晶の形成が促進されるので、鋳片１６を微細な凝固組織にすることができる。
鋳造された鋳片１６は、表層部から内部にいたる全断面の凝固組織をより微細（等軸晶）で、且つ均一なものにでき、内部の割れ等の発生が少なく、内部の溶鋼１２の供給不足に起因するセンターポロシティや中心偏析等の内部欠陥の発生も防止でき、しかも、凝固組織が微細な鋳片１６は、良好な加工特性を備えている。
そして、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る。
【００１２】
ここで、等軸晶とは、溶鋼１２が凝固する際の溶鋼１２の溶質成分の固液分配に起因するミクロ偏析を境界とする凝固組織単位を１個の等軸晶組織としたものである。また、等軸晶率とは、凝固した鋳片１６の厚み方向の断面が出るように切断し、その断面を研磨してから、例えばピクリン酸を用いてミクロ偏析の境界のエッチングを行い、この組織を１〜１０倍に拡大して観察し、鋳片１６の断面に対する等軸晶（全等軸晶組織）の比率を求めたものである。
更に、等軸晶率は、ミクロ偏析の境界をエッチングを行なった後、組織を撮像し、この画像を画像処理することにより求めることができる。
【００１３】
【実施例】
次に、本発明の一実施例に係る微細な凝固組織を備えた鋳片について説明する。凝固初晶がγ−Ｆｅであり炭素濃度が０．８質量％の軌条用高炭素溶鋼に、溶鋼中の総酸素質量％〔％Ｔ・Ｏ〕、溶鋼中のＳ質量％〔％Ｓ〕、金属Ｍｇの添加量を調整して溶鋼中のＭｇ質量％〔％Ｍｇ〕を変化させ、連続鋳造により鋳片を製造した。そして、鋳片断面の凝固組織をもとに等軸晶率を調査した。その結果を表１に示す。
実施例１は、炭素濃度が０．８質量％の高炭素溶鋼を用い、〔％Ｔ・Ｏ〕を０．００２１質量％、〔％Ｓ〕を０．００８１質量％とし、〔％Ｍｇ〕を０．００８８質量％にした場合であり、等軸晶率を８３％にすることができた。
実施例２は、〔％Ｔ・Ｏ〕を０．００４９質量％、〔％Ｓ〕を０．００７９質量％とし、〔％Ｍｇ〕を０．０１２７質量％にした場合であり、等軸晶率を８７％にすることができた。
実施例３は、〔％Ｓ〕がさらに高い場合であるが、〔％Ｍｇ〕を０．０１０５質量％に調整することで、等軸晶率を８６％にできた。
更に、実施例１〜３の鋳片は、いずれも凝固組織が微細になり、内部の割れやセンターポロシティ、中心偏析等の内部欠陥が見られなかった。
【００１４】
【表１】

【００１５】
これに対し、比較例１〜３は、〔％Ｔ・Ｏ〕と〔％Ｓ〕から決まる〔％Ｍｇ〕がいずれも本発明の範囲を満足しない場合であり、等軸晶率がそれぞれ１０％、１８％、１７％と低くなった。その結果、鋳片の凝固組織が粗大になり、内部の割れやセンターポロシティ、中心偏析等の内部欠陥の発生が生じた。
【００１６】
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、Ｍｇの添加方法は、金属Ｍｇ、又はＭｇ合金等を溶鋼１２に直接添加する方法か、あるいは金属ＭｇやＭｇ合金等を薄鋼で覆った線状に加工したワイヤーを連続的に供給する方法を用いることができる。
更に、Ｍｇを添加した溶鋼を、低温鋳造や電磁攪拌あるいはこれ等を組合せて鋳造することもできる。
また、鋳片１６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。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１、２記載の微細な凝固組織を備えた鋳片は、凝固初晶がγ−Ｆｅである溶鋼に、所定量のＭｇ合金を添加して凝固させているので、凝固核として有効なＭｇＳを溶鋼中に生成させ、鋳片の凝固組織を微細にし、内部割れや中心偏析、センターポロシティ等の内部欠陥を防止して鋳片の品質を向上することができる。
また、溶鋼に、炭素量が０．５質量％以上の高炭素溶鋼を用いるので、鋳片の凝固組織の微細化が図れ、中心偏析、センターポロシティ等の発生を確実に防止することができ、製品品質をより向上させることができる。
【００１８】
特に、請求項２記載の微細な凝固組織を備えた鋳片は、溶鋼を連続鋳造によって凝固させるので、凝固核となるＭｇＳの生成を促進させ、鋳片を微細な凝固組織にすることができるため、鋳片の品質をより向上させることができる。
【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を備えた鋳片の製造方法を適用する連続鋳造装置の全体断面図である。
【図２】０．８％Ｃ鋼の等軸晶率とＭｇ、Ｓ、総酸素量の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０：連続鋳造装置、１１：タンディッシュ、１２：溶鋼、１３：浸漬ノズル、１４：鋳型、１５：支持セグメント、１６：鋳片、１７：圧下セグメント、１８：ピンチロール

Claims (2)

1. 凝固初晶がγ−Ｆｅであり炭素量が０．５質量％以上の溶鋼に、下式を満たすＭｇ合金を添加して凝固させたことを特徴とする微細な凝固組織を備えた鋳片。
   〔％Ｍｇ〕≧（４×１０^-5）／〔％Ｓ〕＋１．５×〔％Ｔ・Ｏ〕
   ここで、〔％Ｍｇ〕は溶鋼中のＭｇ質量％、〔％Ｓ〕は溶鋼中のＳ質量％、〔％Ｔ・Ｏ〕は溶鋼中の総酸素質量％である（ただし、〔％Ｔ・Ｏ〕は、０．００２０質量％以下の場合を除く）。
2. 請求項１記載の微細な凝固組織を備えた鋳片において、前記溶鋼は、連続鋳造によって凝固させたことを特徴とする微細な凝固組織を備えた鋳片。

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