JP5148472B2 - 連続鋳造用鋳型 - Google Patents
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Description
一般に、連続鋳造の凝固過程においては、鋳片に凝固収縮が発生するため、鋳片の引き抜き方向(鋳造方向)へ向けて、鋳型内面(冷却部材の内面)と鋳片表面との間に隙間が生じる。そのため、鋳型の対向配置された内面には、鋳型下方へ向けて、その凝固収縮分にあわせたテーパ(傾斜)がつけられている。
しかしそれでも、鋳片コーナー部では、冷却効率が他の部分よりも低下し、凝固が進行しにくい(以下、凝固遅れともいう)という問題が発生していた。
浸漬ノズルから出た吐出流は、鋳型の短辺側に形成される凝固シェルに衝突するため、図5に示すように、それまで凝固が進行していた凝固シェルの形成位置に白いライン、即ちホワイトバンドが形成される。
このホワイトバンドは、C(炭素)の負偏析帯であり、ある時点での凝固の進行度合いを示す指標となる。そこで、ホワイトバンドから鋳片(凝固シェル)表面までの距離のうち、その距離が一番小さくなる部分(即ち、鋳片コーナー部の凝固遅れの発生部分)での距離をLa(mm)とし、正常部(即ち、鋳片の幅方向中央部)での距離をLb(mm)として、La(mm)/Lb(mm)×100(%)を、凝固均一度と定義している。
ここで、凝固均一度が100%に近い場合は、鋳片のコーナー部での凝固遅れが小さく、ホワイトバンドから鋳片表面までの距離が、鋳片の場所によらず一定、即ち凝固の進行が安定していることを意味する。
まず、1つ目に、溶鋼の高速鋳造により、凝固シェルの再溶解が促進されていることが考えられる。具体的には、高速鋳造化が志向されることで、鋳片の鋳型からの引き抜き速度が速くなって、鋳型内で形成される凝固シェルの厚みが薄くなり、更に浸漬ノズルからの注湯量が増加して、溶鋼流動が激しくなる(吐出流が鋳片の短辺側の凝固シェルに衝突する)ことで、凝固シェルの再溶解が促進される。
2つ目に、高強度化(軽量化)した材料の製造ニーズが高まっていることが考えられる。この材料として中炭素鋼があるが、中炭素鋼は、包晶変態する成分系(炭素濃度:0.08〜0.15質量%)のものが多く、凝固収縮があり、他の材料と比較して凝固遅れが発生し易い。
このような凝固遅れの問題は、更に激しくなると形成される凝固シェルの厚みが減少し、鋳片にブレークアウトや縦割れが発生して、連続鋳造機の生産性を阻害する要因となる。
図6に示すように、垂直曲げ型連続鋳造機90は、鋳型91と、その下流側で、鋳型91から引き抜かれた鋳片92の上面側及び下面側に、それぞれ引き抜き方向に間隔を有して配置され、鋳片92を厚み方向から挟み込み搬送する複数のロール93とを有するものである。なお、垂直曲げ型連続鋳造機90の各ロール93は、鋳片が鉛直方向に引き抜かれる垂直部と、この垂直部に連続し、鋳片を曲率半径Rで曲げながら搬送する曲げ部を構成する。また、曲げ部に配置される鋳片の下面側に位置する下ロールは、その取付け位置が固定され、鋳片の上面側に位置する上ロールは、例えば油圧により、鋳片を下ロール側へ押圧している。
このような垂直曲げ型連続鋳造機90で鋳片92を引き抜く際、垂直部では、鋳片92の下面側に、曲げ部以降では、鋳片92の上面側へ、それぞれ曲げのモーメントが発生するため、鋳型91では、鋳片92の下面となる側の内面に、鋳片92が押し寄せられる。
一般的に、凝固遅れが大きくなると、ブレイクアウトが発生し易くなる。この原因としては、鋳片コーナー部での凝固が進行せず、凝固シェルの厚みが薄くなっていることが考えられ、鋳型直下での凝固シェルの再溶解等により、ブレークアウトの危険性が大きくなっていることが考えられる。
従って、ブレークアウトの発生も、鋳片の上面側に多くなるため、この上面側の凝固遅れを改善する必要があった。
また、特許文献2には、溶鋼を溶鋼鍋から鋳型へ注入する際のバッファーの役目をするダンディッシュから鋳型内へ、溶融金属を供給する連続鋳造用浸漬ノズルとして、その内面に複数の段差を設けたものが開示されている。これにより、連続鋳造用浸漬ノズル内へのアルミナ等の溶鋼中介在物の付着によるノズル内閉塞を防止すると共に、浸漬ノズル内での溶鋼偏流を抑制し、浸漬ノズルからの溶鋼の吐出流速の低減や片流れ等を抑制でき、鋳型内での溶鋼流動を安定化することができる。
そして、特許文献3には、四隅の領域を除いた対向する一対の短辺及び一対の長辺に、それぞれ鋳片の引き抜き方向に凝固シェルの凝固収縮量に追従して間隔が狭まる傾斜部を形成し、四隅の領域の短辺及び長辺に、それぞれ外側に向かって拡大すると共に、鋳片の引き抜き方向に凝固シェルの角部の凝固収縮量に追従して縮小する拡大部が形成された連続鋳造用鋳型が開示されている。これにより、凝固収縮によるコーナー部での隙間の抑制が図れ、その結果、鋳片の抜熱が図れるため、鋳片の凝固遅れの解消が図れる。
特許文献1のように、溶鋼の凝固初期に緩冷却化を行ったり、また特許文献2のように、鋳型内での溶鋼流動の安定化を図ったとしても、溶鋼の凝固過程においては、必ず凝固収縮が発生するため、鋳片コーナー部での凝固遅れを、抜本的に解消することは困難であるという問題がある。
更に、特許文献1では、本来鋳片の抜熱を行う鋳型内で、その冷却を弱めているため、鋳片の生産性が低下する問題もある。また、特許文献2では、段差を設けることで、鋳型内での溶鋼流動を安定化させ、鋳型内に形成された凝固シェルの再溶解を抑制することはできるが、鋳型内への溶鋼の流入量が制限され、鋳片の生産性が低下する問題もある。
また、特許文献3の連続鋳造用鋳型は、鋳片の厚み方向に対向配置された一対の長辺の各内面が同一形状であるため、この連続鋳造用鋳型を垂直曲げ型連続鋳造機に使用した場合、前記したように、鋳片の上面側の凝固遅れが下面側に比べて大きくなる。このため、鋳片のコーナー部での凝固遅れを、抜本的に解消できないという問題がある。
前記鋳片の厚み方向に対向配置される前記冷却部材の内面の間隔を、該冷却部材の下方へ向けて減少させ、しかも前記鋳片の上面となる側の前記冷却部材の内面の上端位置と下端位置を結ぶ直線の鉛直方向に対する傾斜角度θLを、前記鋳片の下面となる側の前記冷却部材の内面の上端位置と下端位置を結ぶ直線の鉛直方向に対する傾斜角度θFより大きくし、かつ前記傾斜角度θLと前記傾斜角度θFとの差を、0.007度以上0.2度以下の範囲内とした。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記各内面は、それぞれ、該各内面の前記上端位置から前記下端位置にかけて、鉛直方向に対する傾斜角度が順次減少する連続する複数の平面で構成されていることが好ましい。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記各内面は、それぞれ、該各内面の前記上端位置から前記下端位置にかけて、鉛直方向に対する接線角が順次減少する曲面で構成されていることが好ましい。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記溶鋼は中炭素鋼用溶鋼であることが好ましい。
そして、各内面を、それぞれ、各内面の上端位置から下端位置にかけて、鉛直方向に対する傾斜角度が順次減少する連続する複数の平面で構成する場合、冷却部材の内面形状を、冷却部材の上下方向の各高さ位置における鋳片の凝固収縮量に近づけた形状にできるので、凝固遅れを更に抑制できる。
また、各内面を、それぞれ、各内面の上端位置から下端位置にかけて、鉛直方向に対する接線角が順次減少する曲面で構成する場合、冷却部材の内面形状を、冷却部材の上下方向の各高さ位置における鋳片の凝固収縮量に近づけた形状にできるので、凝固遅れを更に抑制できる。
更に、溶鋼が中炭素鋼用溶鋼である場合、冷却時の変態収縮に伴って凝固遅れが発生するため、本願発明の効果がより顕著に現れる。
ここで、図1は本発明の第1の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の説明図、図2は同連続鋳造用鋳型を使用した垂直曲げ型連続鋳造機の説明図、図3は垂直曲げ型連続鋳造機の曲率半径Rと鋳片の凝固均一度差との関係を示す説明図、図4(A)〜(C)はそれぞれ第2〜第4の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の説明図である。
垂直曲げ型連続鋳造機11の各ロール16は、鋳片15が鉛直方向に引き抜かれる垂直部と、この垂直部に連続し、鋳片15を曲率半径Rで曲げながら搬送する曲げ部を構成している。なお、図2において、番号17は、曲げ部で曲げられた鋳片15を水平状態に曲げ戻すための矯正ロールであり、番号18は、鋳片15を鋳造方向へ引き抜くためのピンチロールである。
ここで、鋳片の曲率半径Rと凝固均一度差との関係を、図3に示す。この凝固均一度差とは、鋳片下面側と鋳片上面側の凝固均一度の差を表している。
なお、図3で使用した鋳型は、鋳片の厚み方向に対向配置された冷却部材の内面の間隔が、冷却部材の下方へ向けて徐々に減少するものであり、各内面が1つの傾斜面で構成されるシングルテーパで、しかも各傾斜面の鉛直方向に対する傾斜角度が0.032度のものである。また、溶鋼には包晶系の中炭素鋼用溶鋼(炭素濃度:0.11〜0.13質量%)を使用し、鋳造速度を1〜2.5m/分の間で変更している。
一方、曲率半径Rが9.5mを超える場合、曲率半径が大きくなって、鋳片の鋳片下面側への押され方が小さくなり、その結果、凝固均一度差が目標値である5%以下になるため、鋳片上面側の凝固遅れが問題となりにくい。
以上のことから、本願発明の作用効果を高めるため、垂直曲げ型連続鋳造機11の曲率半径Rを、6m以上9.5m以下の範囲内としたが、下限を6.5m、更には7m、上限を9m、更には8.5mとすることで、作用効果を更に高めることができる。
この冷却部材13の縦断面において、鋳片上面側の冷却部材13の内面19の上端位置PLTと下端位置PLBを結ぶ直線FLの鉛直方向に対する傾斜角度をθLとし、鋳片下面側の冷却部材13の内面20の上端位置PFTと下端位置PFBを結ぶ直線FFの鉛直方向に対する傾斜角度をθFとした場合に、傾斜角度θLを傾斜角度θFより大きくしている。具体的には、傾斜角度θLと傾斜角度θFとの差(即ち、θL−θF)を、0.007度以上0.2度以下の範囲内にしている。
以上のことから、傾斜角度θLと傾斜角度θFとの差を、0.007度以上0.2度以下の範囲内としたが、好ましくは、下限を0.1度とし、上限を0.15度とする。
従って、鋳片下面側の傾斜角度θFは、鋳片15の凝固収縮量の半分程度、例えば、0.02度以上0.05度以下程度とする。
また、傾斜角度θLと傾斜角度θFは、未使用鋳型又は補修により改削した鋳型を、連続鋳造で使用開始する際の角度である。これは、使用開始後の鋳型は摩耗し、冷却部材の内面に凹凸が発生して、傾斜角度θLと傾斜角度θFが測定しずらくなるためである。なお、本願発明者らが、上記した鋳型を継続して使用したところ、鋳型の磨耗が進行し、上記した傾斜角度が多少変化する場合があったが、ブレークアウトや凝固遅れ等の問題は無かった。
図4(A)に示す本発明の第2の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型21の冷却部材22は、鋳片上面側の冷却部材22の内面23が、冷却部材22の幅方向に渡って、内面23の上端位置PLTから下端位置PLBにかけて、1つのテーパ変更点を介して連続する2つの平面24、25で構成されている。また、鋳片下面側の冷却部材22の内面26も、冷却部材22の幅方向に渡って、内面26の上端位置PFTから下端位置PFBにかけて、1つのテーパ変更点を介して連続する2つの平面27、28で構成されている。
なお、一方側の内面23を構成する平面24、25の鉛直方向に対する傾斜角度θ1、θ2と、他方側の内面26を構成する平面27、28の鉛直方向に対する傾斜角度θ3、θ4は、順次減少している。このため、冷却部材22を上方からみた(平面視した)場合、鋳片上面側と鋳片下面側の各テーパ変更点は、内面23の上端位置PLTと下端位置PLBとの間、内面26の上端位置PFTと下端位置PFBとの間に、それぞれ位置する。
なお、一方側の内面32を構成する平面33〜35の鉛直方向に対する傾斜角度θ5〜θ7と、他方側の内面36を構成する平面37〜39の鉛直方向に対する傾斜角度θ8〜θ10は、順次減少している。このため、冷却部材31を上方からみた場合、鋳片上面側と鋳片下面側の各テーパ変更点は、内面32の上端位置PLTと下端位置PLBとの間、内面36の上端位置PFTと下端位置PFBとの間に、それぞれ位置する。
なお、各内面42、43をそれぞれ構成する各平面の鉛直方向に対する角度は、順次減少している。このため、冷却部材41を上方からみた場合、鋳片上面側と鋳片下面側の各テーパ変更点は、内面42の上端位置PLTと下端位置PLBとの間、内面43の上端位置PFTと下端位置PFBとの間に、それぞれ位置する。
ここで、冷却部材の内面は、複数のテーパ変更点を結ぶ曲面で構成してもよい。
この各鋳型21、30、40の冷却部材22、31、41の内面形状を決定するに際しては、テーパ変更点の位置を、鋳片の凝固収縮量に応じて決定するのがよい。
なお、対向する内面の各テーパ変更点の高さ位置は、冷却部材の製造上、冷却部材の同一高さ位置とするのが好ましいが、異なる高さ位置でもよい。
また、各テーパ変更点の部分は、角部のままでもよいが、丸みをつけることが好ましい。
図1、図2に示すように、鋳型10の冷却部材13の空間部12内に、溶鋼を供給する。このとき、溶鋼の湯面位置(即ち、メニスカス位置)は、冷却部材13の上端から下方へ50mm以上150mm以下の範囲内にある。
この溶鋼としては、アルミキルド鋼である低炭素鋼の低炭素鋼用溶鋼(炭素濃度:例えば、0.02〜0.04質量%)、又は中炭素鋼の中炭素鋼用溶鋼(炭素濃度:例えば、0.08〜0.15質量%)を使用できる。この中炭素鋼用溶鋼は、包晶変態する成分系を含むものであり、この包晶変態は、中炭素鋼用溶鋼を冷却する場合に発生する。このため、中炭素鋼用溶鋼の冷却過程において、δ→γ変態時に鋳片が変態収縮をおこすため、この収縮によって鋳片表面が冷却部材内面から離れ、鋳片からの抜熱が不十分となり、凝固シェルの成長が発達せず、凝固遅れが発生するという問題がある。この抜熱不良は、特に鋳片のコーナー部に確認される。
従って、溶鋼に中炭素鋼用溶鋼を使用した場合、特に本願発明の作用効果が顕著に現れる。
また、溶鋼の鋳造速度(引き抜き速度)は、1〜2.5m/分の間で行うが、鋳造速度を更に速く(例えば、3m/分)した場合は、鋳型内で形成される凝固シェルの厚みが更に薄くなるため、本願発明の作用効果が更に高められる。
これにより、鋳片のコーナー部の凝固遅れ、特に、鋳片の厚み方向上面側の凝固遅れを効果的に抑制し、操業の安定化や生産性の向上が図れる。
ここでは、図2に示す垂直曲げ型連続鋳造機11に、冷却部材の内面形状を種々変えた鋳型を設けて、溶鋼を鋳造した。
使用した溶鋼は、炭素濃度が0.11〜0.13質量%の包晶系の中炭素鋼用溶鋼と、炭素濃度が0.02〜0.04質量%の低炭素鋼用溶鋼である。
また、垂直曲げ型連続鋳造機11の曲げ部の曲率半径Rは、7.55mと11.0mの2つについて検討した。
そして、鋳型の冷却部材の内面形状(テーパの種類)は、図1に示す1つの傾斜面で構成されるシングルテーパ(シングル)と、図4(A)に示す2つの傾斜面で構成されるマルチテーパ(マルチ)の2つについて検討した。
これら実施条件及びその結果を、表1に示す。
表1に示すように、実施例1〜3は、鋳片上面側の内面の傾斜角度θLを変え、傾斜角度θLと傾斜角度θFとの差を0.007度以上0.2度以下の範囲に調整した冷却部材を有する鋳型を、曲率半径Rが7.55mの垂直曲げ型連続鋳造機に取付け、中炭素鋼用溶鋼を使用して鋳造を行った結果である。
表1から明らかなように、いずれの場合も、凝固均一度差を目標の5%以下にでき、しかも鋳片に表面割れの発生はなく、総合評価が「○」であった。
比較例1は、傾斜角度θLと傾斜角度θFとの差が、0.2度を超えていた(0.205度)ため、冷却部材が鋳片を押し込んでしまい、鋳片に表面割れが発生し、総合評価が「×」であった。
また、比較例2は、傾斜角度θLと傾斜角度θFとの差が、0.007度未満であった(0度)ため、鋳片と冷却部材の各内面との間で発生する隙間が、鋳片の凝固収縮量に追従できず、鋳片15の凝固遅れを解消できなかった。このため、凝固均一度差が目標の5%を大幅に超え(15%)、総合評価が「×」となった。
なお、このように、シングルテーパの代わりに、マルチテーパを使用した効果は、以後に示す実施例5と実施例6、また実施例7と実施例8、そして実施例9と実施例10からも、明らかであった。
なお、比較例3は、比較例2と同様の鋳型を用い、実施例5と同様の条件下で鋳造を行った結果である。この比較例3は、曲率半径が大きいため、上記したように、凝固均一度差が小さく、ブレークアウトが発生し易くなるという課題がない。このため、表1に示すように、凝固均一度の差は目標の5%以下(4%)となり、また表面割れも無かったが、実施例5のように、傾斜角度θLと傾斜角度θFとの差を0.007度以上0.2度以下の範囲に調整することで、3%まで低減できた。
また、実施例9は、実施例2と同様の冷却部材を有する鋳型を、実施例10は、実施例4と同様の冷却部材を有する鋳型を、曲率半径Rが11.0mの垂直曲げ型連続鋳造機にそれぞれ取付け、低炭素鋼用溶鋼を使用して鋳造を行った結果である。この場合、低炭素鋼用溶鋼を使用することに加え、曲率半径が大きいため、上記したように、凝固均一度差が小さく、ブレークアウトが発生しにくくなるので、凝固均一度の差を更に低減できた。
以上のことから、本願発明の連続鋳造用鋳型を使用することで、鋳片のコーナー部の凝固遅れ、特に、鋳片の厚み方向上面側の凝固遅れを効果的に抑制し、操業の安定化や生産性の向上が図れることを確認できた。
また、前記実施の形態においては、冷却部材の内面を、連続する複数の平面のみで構成した場合、又は曲面のみで構成した場合について説明したが、平面と曲面の双方で構成した場合についても、本願発明の権利範囲に含まれる。
鋳型の冷却部材内面と鋳片表面との間に生じる隙間を原因とする凝固遅れは、鋳片のコーナー部(コーナー頂点から300mm以下の範囲内)に顕著に見られる傾向がある。このため、鋳片上面側の冷却部材の内面を形成するための傾斜角度θLと、鋳片下面側の冷却部材の内面を形成するための傾斜角度θFとの関係を、少なくとも冷却部材のコーナー部のみに付与しても一定の効果が得られる。例えば、冷却部材のコーナー部の形状を、前記した傾斜角度θLと傾斜角度θFとの関係を満足する形状とし、コーナー部以外の部分の形状を、例えば、同一の傾斜角度となった形状とする方法がある。なお、この方法では、冷却部材に対して複雑な機械加工を施す必要があり、鋳型の製造が複雑になるが、前記した本願発明のメカニズムに基づき、その効果を得ることが可能である。
Claims (5)
- 垂直曲げ型連続鋳造機に使用され、上下方向に貫通した空間部を形成する冷却部材を有し、該空間部に溶鋼を供給して冷却しながら、前記冷却部材の下方へ引き抜いて鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、
前記鋳片の厚み方向に対向配置される前記冷却部材の内面の間隔を、該冷却部材の下方へ向けて減少させ、しかも前記鋳片の上面となる側の前記冷却部材の内面の上端位置と下端位置を結ぶ直線の鉛直方向に対する傾斜角度θLを、前記鋳片の下面となる側の前記冷却部材の内面の上端位置と下端位置を結ぶ直線の鉛直方向に対する傾斜角度θFより大きくし、かつ前記傾斜角度θLと前記傾斜角度θFとの差を、0.007度以上0.2度以下の範囲内としたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。 - 請求項1記載の連続鋳造用鋳型において、前記垂直曲げ型連続鋳造機の曲率半径Rが6m以上9.5m以下の範囲内であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記各内面は、それぞれ、該各内面の前記上端位置から前記下端位置にかけて、鉛直方向に対する傾斜角度が順次減少する連続する複数の平面で構成されていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記各内面は、それぞれ、該各内面の前記上端位置から前記下端位置にかけて、鉛直方向に対する接線角が順次減少する曲面で構成されていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記溶鋼は中炭素鋼用溶鋼であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
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