JP4501223B2

JP4501223B2 - 連続鋳造方法

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Publication number: JP4501223B2
Application number: JP2000145083A
Authority: JP
Inventors: 陽一伊藤; 祐司三木; 秀次竹内
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2001321905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片の中心部に微細な等軸晶を形成して、中心偏析を防止できる連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に連続鋳造によって鋳片を製造する場合、まず鋳型内に注入された溶鋼が鋳型と接触して冷却され、薄い凝固層（以下、凝固シェルという）を形成する。こうして溶鋼を鋳型内に注入しながら凝固シェルを下方へ引き抜くことによって鋳片を製造する。
【０００３】
連続鋳造において溶鋼の凝固は、鋳片の凝固シェル側から中心方向へ進行する。そのため鋳片の中心部にはポロシティの多い最終凝固部が形成され、その最終凝固部の周囲に粒径１mm以上の粗大な等軸晶と、その粗大な等軸晶を取り囲む柱状晶が形成される。また溶鋼中のＣ，Mn，Ｐ，Ｓ等の成分が鋳片の中心部に濃化する中心偏析が起こる。
【０００４】
このような中心部に形成される粗大な等軸晶や中心偏析は、耐水素誘起割れ性や低温靱性を低下させる原因になることが知られている。そこで耐水素誘起割れ性や低温靱性を改善するために、鋳片の中心部に微細な等軸晶を形成させ、中心偏析を抑制する技術が提案されている。
たとえば特公昭54-24373号公報には、連続鋳造法が開示されている。この方法は、低温鋳込において鋳型の下方に設けた電磁攪拌装置によって鋳片の未凝固溶鋼に回転流を付与することにより鋳型外周部の低温溶鋼と中央部の高温溶鋼を攪拌して均一に低下せしめ介在物の浮上および鋳片中央部の偏析や柱状晶の発達を防止しようとするものである。しかしこの方法では、Ｃ＜0.10質量％，Ｃ＞0.48質量％の範囲では包晶反応が起こらないので、等軸晶があまり発達しないという問題があった。
【０００５】
また特開昭63-157749 号公報には、連続鋳造鋳片の中心偏析防止方法が開示されている。この方法は、複数の電磁攪拌装置を用いて未凝固溶鋼を水平方向あるいは上下方向に攪拌することによって、粗大なデンドライトを微細化して中心偏析を防止しようとするものである。しかしこの方法では、凝固シェルがかなり成長した位置に電磁攪拌装置を配設するため、残溶鋼中に固相が析出しており、鋳片の中心部に結晶粒径１mm以上の粗大な等軸晶が形成されるのを回避できないという問題があった。
【０００６】
特公昭59-23902号公報には、連続鋳造における電磁攪拌方法が開示されている。この方法は、水平方向の電磁攪拌装置と鋳片引抜方向の電磁攪拌装置を用いて鋳片内溶鋼を攪拌することによって等軸晶を得ようとするものである。しかしこの方法においても特開昭63-157749 号公報に開示された方法と同様に、凝固シェルがかなり成長した位置に電磁攪拌装置を配設するため、残溶鋼中に固相が析出しており、鋳片の中心部に結晶粒径１mm以上の粗大な等軸晶が形成されるのを回避できないという問題があった。
【０００７】
特開平11-320050 号公報には、連続鋳造方法が開示されている。この方法は、取鍋，タンディッシュあるいは鋳型でMgを 0.002〜0.01％となるように含有せしめた溶鋼に、鋳型内メニスカスから鋳型下10ｍの間に配設された誘導電磁攪拌を用いて水平面内の旋回流を発生させることによって、微細な等軸晶を形成させようとするものである。しかしこの方法では、AlあるいはSiで脱酸処理を行なった溶鋼にMgを単独で添加しても、溶鋼中に存在する Al₂Ｏ₃系酸化物やSi−Mn系酸化物の還元にMgが費やされるため、凝固末期における等軸晶の結晶核となるMgＯ等の微細な酸化物が十分に形成されないので、鋳片の中心部に結晶粒径１mm以上の粗大な等軸晶が形成されるのを回避できないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような問題を解消し、鋳片の中心部に粒径１mm以下の微細な等軸晶を形成して、中心偏析を防止することによって、耐水素誘起割れ性や低温靱性に優れた鋳片を製造する連続鋳造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Mgを0.0005〜0.005 質量％含有し、さらに REMまたは／およびZrを含有し、 REMまたはZrを 0.001〜0.01質量％あるいは REMおよびZrを合計 0.001〜0.01質量％含有し、かつCaとＯとをその含有量の比Ca（質量％）／Ｏ（質量％）が 0.3〜2.5 の範囲を満足するように含有した溶鋼を鋳型に注入し、鋳型内の溶鋼を水平に速度20〜40cm／秒で旋回させ、かつ鋳片の厚さの80％〜 100％未満が凝固シェルとなる位置で凝固シェル内の溶鋼を速度５〜60cm／秒で旋回させる連続鋳造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に用いる連続鋳造設備の例を示す配置図である。図中の矢印は鋳片の引き抜き方向を示す。
本発明の連続鋳造方法では、Mgを0.0005〜0.005 質量％含有し、かつCaとＯとをその含有量の比Ca（質量％）／Ｏ（質量％）が 0.3〜2.5 の範囲を満足するように含有する溶鋼７を鋳型４に注入する。
【００１３】
溶鋼７の凝固初期、すなわち鋳型４に注入された溶鋼７が冷却される際には、鋳片の外周部から中心方向へ柱状晶が成長して、凝固シェル６を形成する。溶鋼７中のMgは、溶鋼７中のＯと反応してMgＯを形成し、このMgＯが溶鋼７中を沈降し、凝固末期すなわちクレーターエンド10近傍で鋳片の中心部に形成される等軸晶の結晶核となる。Mgの含有量が0.0005質量％未満の場合は、結晶核となるMgＯが十分に形成されないので、鋳片が完全に凝固したときに、中心部には粗大な等軸晶が形成される。
【００１４】
一方、AlあるいはSiで脱酸処理を行なった溶鋼７に 0.005質量％を超える量のMgを単独で添加しても、溶鋼７中に存在する Al₂Ｏ₃系酸化物やSi−Mn系酸化物の還元にMgが費やされる。そのため凝固末期、すなわちクレーターエンド10近傍における等軸晶の結晶核となるMgＯが十分に形成されないので、鋳片が完全に凝固したときに、中心部には粗大な等軸晶が生成される。よって溶鋼７のMg含有量の上限は 0.005質量％とする。
【００１５】
したがって溶鋼７のMg含有量は0.0005〜0.005 質量％とし、かつ以下に述べる理由によってCaを添加する。
AlあるいはSiで脱酸処理を行なった溶鋼７にCaを添加すると、CaＯ− Al₂Ｏ₃系酸化物やCaＯ−SiＯ₂ 系酸化物となる。これらの酸化物は、MgＯとともに溶鋼７中を沈降し、凝固末期すなわちクレーターエンド10近傍で鋳片の中心部に形成される等軸晶の結晶核となる。したがって鋳片が完全に凝固したときに、中心部に微細な等軸晶が形成される。
【００１６】
溶鋼７のCa含有量は、Ｏ含有量（すなわち溶鋼７中のトータル酸素量）に対する比Ca（質量％）／Ｏ（質量％）に換算して 0.3〜2.5 の範囲とする必要がある。Ca（質量％）／Ｏ（質量％）が 0.3未満の場合は等軸晶の結晶核となる酸化物が十分に形成されず、 2.5を超える場合はCaＳが多量に生成されるため鋳片の品質が劣化するからである。
【００１７】
鋳型４には電磁攪拌装置（以下、鋳型電磁攪拌装置５という）が配設されており、凝固シェル６内の溶鋼７を水平に旋回させる。溶鋼７を旋回させることによって、凝固シェル６を形成する柱状晶のデンドライトが分断されて微細な粒子として溶鋼７中を沈降し、クレーターエンド10近傍で等軸晶の結晶核となる。
Ｃ含有量が0.17〜0.48質量％の溶鋼７の連続鋳造においては包晶反応が起きるため比較的容易に等軸晶が形成されるが、Ｃ含有量がこの範囲を外れる溶鋼７の場合は包晶反応が起きないので等軸晶は形成されにくい。そこで包晶反応が起きない成分の溶鋼７を連続鋳造する際に、鋳型電磁攪拌装置５で鋳型４内の溶鋼７を旋回させて、等軸晶の形成を促進する。
【００１８】
溶鋼７は、Ce等の希土類金属（以下、REM という）または／およびZrを含有する。通常の連続鋳造では凝固シェル６中のデンドライト２次アームの間隔は 400μｍ程度であるのに対して、 REMまたは／およびZrを添加するとデンドライト２次アームの間隔が 100μｍ程度に減少し、微細な柱状晶が得られるからである。したがって鋳型４内の溶鋼７の旋回によって分断されるデンドライトの大きさも微細化され、その微細な粒子が溶鋼７中を沈降してクレーターエンド10近傍で等軸晶の結晶核となる。こうして鋳片の中心部に微細な等軸晶が形成される。
【００１９】
REMやZrの含有量は、 REMまたはZrを 0.001〜0.01質量％、あるいは REMおよびZrを合計 0.001〜0.01質量％である。含有量が 0.001質量％未満では柱状晶の微細化の効果が現われず、0.01質量％を超えると溶鋼７中の他の酸化物と反応してクラスターを形成するからである。
鋳型４内の溶鋼７の旋回速度は、20〜40cm／秒である。旋回速度が20cm／秒未満ではデンドライトが分断されず、40cm／秒を超えるとモールドパウダーを巻き込んで鋳片の品質が低下するからである。
【００２０】
鋳型４内の溶鋼７の旋回によって分断された微細なデンドライト，あるいはMgやCaの酸化物が、クレーターエンド10近傍へ沈降して等軸晶の結晶核となる。しかしこれらの粒子が沈降の途中で凝集すると、結晶核が減少するので形成される等軸晶は粗大になる。そのため結晶核となる粒子の凝集を抑制し、微細な等軸晶を生成させるために、クレーターエンド10近傍に電磁攪拌装置（以下、凝固末期電磁攪拌装置９という）を配設して、凝固シェル６内の溶鋼７を旋回させる。
【００２１】
凝固末期電磁攪拌装置９による凝固シェル６内の溶鋼７の旋回は、水平に旋回させても良いが、凝固末期電磁攪拌装置９を小型化するために、鋳片の横断面方向に旋回させるのが望ましい。
凝固末期電磁攪拌装置９を配設する位置が、鋳片の厚さに対して凝固シェル６の厚さが80％未満の位置である場合は、凝固シェル６内の溶鋼７を旋回した後で粒子が凝集するため、鋳片の中心部に粗大な等軸晶が形成される。また凝固シェル６の厚さが鋳片の厚さの 100％となる位置では凝固が完了している。したがって凝固末期電磁攪拌装置９を配設する位置は、鋳片の厚さの80％〜 100％未満が凝固シェル６となる位置である。
【００２２】
なお、凝固シェル６の厚さが鋳片の厚さの80％〜 100％未満となる領域全体で凝固シェル６内の溶鋼７を旋回しても良いし、その領域の一部で凝固シェル６内の溶鋼７を旋回しても良い。
凝固末期電磁攪拌装置９による凝固シェル６内の溶鋼７の旋回速度は、５〜60cm／秒である。旋回流の速度が５cm／秒未満では結晶核となる粒子が凝集し、60cm／秒を超える速度を付与するためには大規模な設備が必要となるからである。
【００２３】
なお本発明で製造する鋳片は、特定の形状や寸法に限定されない。すなわち本発明をスラブ，ブルームあるいはビレット等の連続鋳造に適用すれば、微細な等軸晶が中心部に形成され、中心偏析のない耐水素誘起割れ性や低温靱性に優れた鋳片を製造できる。
【００２４】
【実施例】
Ar雰囲気に調整した30kg高周波溶解炉を用いて、Ｃ含有量が0.08〜0.10質量％の溶鋼を溶製し、さらにFeを被覆したFe−Mg合金ワイヤーおよびFe−Ca合金ワイヤーを添加して、Mg含有量およびCa含有量を種々の組合せに変化させた。得られた溶鋼のＯ含有量は0.0020質量％、温度は1600℃とした。
【００２５】
この溶鋼を水冷鋳型（ 150×50×200 mm）内に注入し、鋳型内の溶鋼が旋回速度30cm／秒で水平に旋回するように磁場を印加した。凝固シェルが厚さ 2.5mmに成長したときに溶鋼７の旋回を停止し、さらに鋳型内で冷却して鋳片を製造した。各鋳片の中心部に形成される等軸晶の粒径を調査した。なおCa含有量は、Ｏ含有量に対する比Ca（質量％）／Ｏ（質量％）に換算して評価した。
【００２６】
その結果を表１に示す。表１中のMg含有量が０と記載されているのはFe−Mg合金ワイヤーを添加しなかった例であり、Ca／Ｏが０と記載されているのはFe−Ca合金ワイヤーを添加しなかった例である。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１から明らかなように、Mg含有量が0.0005〜0.005 質量％で、かつCa（質量％）／Ｏ（質量％）が 0.3〜2.5 を満足する鋳片の中心部に、粒径１mm以下の微細な等軸晶が形成された。
次に、同様にAr雰囲気に調整した30kg高周波溶解炉を用いて、Ｃ含有量が0.08〜0.10質量％の溶鋼を溶製し、さらにZrおよび REMとしてCeを添加して、ZrおよびCeの合計含有量を０〜0.014 の範囲で種々に変更した。この溶鋼を水冷鋳型（ 150×50×200mm ）内に注入し、鋳型内の溶鋼が旋回速度30cm／秒で水平に旋回するように磁場を印加した。凝固シェルが厚さ 2.5mmに成長したときに溶鋼７の旋回を停止し、さらに鋳型内で冷却して鋳片を製造した。
【００２９】
各鋳片の断面をピクリン酸を用いてエッチングして、鋳片表面から厚さ 2.5mmまでのデンドライト２次アームの間隔を調査した。ZrおよびCeの合計含有量（質量％）とデンドライト２次アーム間隔の平均値（μｍ）との関係を図２に示す。図２から明らかなように、ZrおよびCeの合計含有量が 0.001〜0.01質量％の範囲で、デンドライト２次アームの間隔が 100μｍ程度の微細な柱状晶が形成された。
【００３０】
次に、同様にAr雰囲気に調整した30kg高周波溶解炉を用いて、Ｃ含有量が0.10質量％、Mg含有量が0.0020質量％、Ca含有量が0.0015質量％、Ｏ含有量が0.0020質量％（すなわちCa／Ｏ：0.75）、ZrおよびCeの合計含有量が 0.005質量％の溶鋼を溶製して、水冷鋳型（ 150×50×200mm ）内に注入した。
凝固シェルの厚さが片側 2.5mm，10mm，17.5mm，20mmまたは22.5mmに成長したときに、鋳型内の溶鋼が旋回速度30cm／秒で水平に旋回するように磁場を印加して、そのまま鋳型内で冷却して鋳片を製造した。この鋳片の厚さは50mmであるから、鋳片の厚さに対する凝固シェルの厚さ（片側 2.5mm，10mm，17.5mm，20mm，22.5mm）の割合は、各々10％，40％，70％，80％，90％である。
【００３１】
各鋳片の断面をピクリン酸を用いてエッチングして、等軸晶が形成された領域の面積を調査し、等軸晶率を算出した。鋳片の厚さに対する凝固シェルの厚さの割合（％）と等軸晶率（％）との関係を図３に示す。なお等軸晶率は、下記の式で算出される値である。
等軸晶率（％）＝ 100×等軸晶が形成された領域の面積／鋼塊の断面積
図３から明らかなように、鋳片の厚さに対する凝固シェルの厚さの割合が80％以上の範囲で等軸晶率が向上した。
【００３２】
次いで、図１に示すような連続鋳造設備を用いて、Ｃ含有量が0.08〜0.10質量％の溶鋼７の連続鋳造を行なった。鋳型４の断面サイズは 260×2000mm，鋳造速度は0.60ｍ／分とした。
その連続鋳造において、Ca，Mg，CeおよびZrの添加の有無、凝固初期の鋳型４内あるいは凝固末期の凝固シェル６内の溶鋼７の旋回の有無を種々の組合せで実施し、鋳片の中心部に形成される等軸晶の粒径を調査した。その結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】

【００３４】
なおCa，Mg，CeおよびZrの添加は、Feを被覆した合金ワイヤーを添加して行なった。ただし本発明においては、Ca，Mg，CeおよびZrの添加方法は特定の方法に限定せず、粉末や塊状の合金をインジェクションする方法を用いても良い。
また凝固初期の鋳型４内の溶鋼７の旋回は、鋳型電磁攪拌装置５に 750Ａの電流（周波数３Ｈｚ）を流して、速度30cm／秒で旋回させた。凝固末期の凝固シェル６内の溶鋼７の旋回は、凝固末期電磁攪拌装置９に1000Ａの電流（周波数 0.5Ｈｚ）を流して、速度15cm／秒で旋回させた。凝固末期電磁攪拌装置９は、鋳片の厚さの80％が凝固シェルとなるメニスカス下方15ｍの位置に配設した。
【００３５】
比較例１は、Ca，Mg，CeおよびZrを添加せず、しかも凝固初期の鋳型４内，凝固末期の凝固シェル６内の溶鋼７を旋回しない例であり、等軸晶率が最も低く、等軸晶の粒径が最も大きい。参考例１は、溶鋼のMg含有量，Ca／Ｏ値，旋回が本発明の要件を満足するものの、CeやZrを添加しない例である。
参考例１と比較例２を比べると、鋳型４内の溶鋼７を水平に旋回した参考例１の方が、等軸晶率が高くなり、中心偏析は軽減された。しかも等軸晶の粒径は、比較例２が２mmであったのに対して、参考例１は１mmであった。
【００３６】
参考例２は、参考例１にCeおよびZrを添加した例であり、等軸晶率が参考例１よりさらに高く、しかも等軸晶の粒径は 0.5mmであった。発明例１は、さらに凝固末期で溶鋼７を旋回した例であり、等軸晶率が参考例２よりさらに高く、しかも等軸晶の粒径がさらに小さくなった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、連続鋳造の鋳片の中心部に粒径１mm以下の微細な等軸晶を形成させ、中心偏析を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する連続鋳造設備の例を示す配置図である。
【図２】 ZrおよびCeの合計含有量とデンドライト２次アーム間隔の平均値との関係を示すグラフである。
【図３】鋳片の厚さに対する凝固シェルの厚さの割合と等軸晶率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１取鍋
２タンディッシュ
３浸漬ノズル
４鋳型
５鋳型電磁攪拌装置
６凝固シェル
７溶鋼
８ガイドロール
９凝固末期電磁攪拌装置
10 クレーターエンド
11 駆動ロール

Claims

Mgを0.0005〜0.005 質量％含有し、さらに REMまたは／およびZrを含有し、 REMまたはZrを 0.001〜0.01質量％あるいは REMおよびZrを合計 0.001〜0.01質量％含有し、かつCaとＯとをその含有量の比Ca（質量％）／Ｏ（質量％）が 0.3〜2.5 の範囲を満足するように含有する溶鋼を鋳型に注入し、前記鋳型内の前記溶鋼を水平に速度20〜40cm／秒で旋回させ、かつ鋳片の厚さの80％〜 100％未満が凝固シェルとなる位置で前記凝固シェル内の前記溶鋼を速度５〜60cm／秒で旋回させることを特徴とする連続鋳造方法。