JP5598147B2 - Manufacturing method of forged steel roll - Google Patents
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Description
本発明は、冷間または温間で使用する鍛鋼ロールの製造方法に関し、特に、使用に伴ってロール表面を繰り返し切削しても、良好な表面性状を保つことが可能な鍛鋼ロールの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a forged steel roll for use in cold or warm conditions, and particularly relates to a method for producing a forged steel roll capable of maintaining good surface properties even when the roll surface is repeatedly cut with use. .
一般に、鍛鋼ロールは、直径が大きいため、造塊法によって大型のインゴット（鋳塊）を鋳造し、これを鍛造することにより製造される。大型インゴットには、鋳造時に中心から表面近傍にかけてゴースト偏析と呼ばれるマクロ偏析が生成しやすく、このゴースト偏析は、鍛造工程および熱処理工程を経た後においても、製造された鍛鋼ロールの内部に偏析として残存する。 In general, a forged steel roll has a large diameter, and thus is manufactured by casting a large ingot (ingot) by a casting method and forging it. Macro segregation, called ghost segregation, tends to occur from the center to the surface of large ingots during casting, and this ghost segregation remains as segregation inside the manufactured forged steel roll even after the forging process and heat treatment process. To do.
図１は、一般的なマクロ偏析の発生状況を示す大型インゴットの縦断面図である。同図に示すように、一般的なマクロ偏析としてはＶ偏析とゴースト偏析がある。Ｖ偏析は、インゴットの中心部でＶ字状を呈し、上部の濃Ｖ偏析と下部の淡Ｖ偏析からなる。淡Ｖ偏析の下方には沈殿晶が存在する。ゴースト偏析は、ＣやＰ、またはＭｎやその他の合金成分が濃化した偏析であり、Ｖ偏析の外側からインゴットの半径の約１／２の位置までの領域に存在し、インゴットの上下方向に伸びた線状の偏析線の体をなす。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a large ingot showing a general macro segregation occurrence state. As shown in the figure, general macro segregation includes V segregation and ghost segregation. V segregation is V-shaped at the center of the ingot, and consists of an upper dense V segregation and a lower light V segregation. Precipitated crystals exist below the light V segregation. Ghost segregation is segregation in which C, P, Mn, and other alloy components are concentrated, and exists in a region from the outside of V segregation to about a half of the radius of the ingot. Forms an elongated linear segregation line.
ゴースト偏析は、生成位置がＶ偏析よりもインゴット表面に近いため、インゴットの鋳造以降の鍛造や熱処理工程で、このゴースト偏析を起点に加工変形時の応力や熱処理‐冷却時の熱応力で割れが発生するという問題がある。 Since ghost segregation is closer to the ingot surface than V segregation, cracking occurs in the forging and heat treatment processes after casting of the ingot, starting from this ghost segregation due to stress during work deformation and thermal stress during heat treatment-cooling. There is a problem that occurs.
また、鍛鋼ロールを使用していくうちに、表面が摩耗したり損耗したりすると、平滑度を規定範囲内に復元するために、ロール表面を切削する手入れが行われる。ゴースト偏析線が鍛鋼ロールの表面近傍に残存していると、製造工程で割れ等の欠陥が発生しなくても、この切削手入れによってロールの表面に偏析線が露出することがある。偏析線が露出したロールを圧延等の加工に使用すると偏析線が被加工材に転写されるため、ロール自体が再使用に適さなくなる。 Further, when the surface is worn or worn while using the forged steel roll, in order to restore the smoothness within a specified range, care is taken to cut the roll surface. If the ghost segregation line remains in the vicinity of the surface of the forged steel roll, the segregation line may be exposed on the surface of the roll by this cutting care even if a defect such as a crack does not occur in the manufacturing process. If a roll with an exposed segregation line is used for processing such as rolling, the segregation line is transferred to the workpiece, and the roll itself is not suitable for reuse.
以上のことから、鍛造や熱処理工程で割れが発生せず、また、鍛鋼ロールの表面を繰り返し切削手入れしても偏析線が露出せず、長期間にわたって安定して利用できるものとするには、ゴースト偏析をインゴットの鋳造段階で完全に抑制するか、少なくともインゴットの表面から中心寄りにゴースト偏析を封じ込める必要がある。 From the above, cracks do not occur in the forging and heat treatment process, and segregation lines are not exposed even if the surface of the forged steel roll is repeatedly cut and maintained, and can be used stably over a long period of time. It is necessary to completely suppress the ghost segregation at the casting stage of the ingot or to contain the ghost segregation at least from the surface of the ingot toward the center.
ゴースト偏析の発生機構は以下の通り説明できる。 The generation mechanism of ghost segregation can be explained as follows.
鋳造過程において、鋼中のＣやＰ、Ｓｉ等の軽元素は、凝固途上のデンドライト樹間でミクロ偏析する。ミクロ偏析した溶鋼は、これらの軽元素が濃化しているために、バルク（母材）溶湯よりも密度が低く、浮力により重力と反対方向の鉛直上向きの力を受ける。 In the casting process, light elements such as C, P, and Si in the steel are microsegregated between dendrite trees during solidification. Since the microsegregated molten steel has these light elements concentrated, it has a lower density than the bulk (base metal) molten metal, and receives a vertical upward force in the direction opposite to gravity due to buoyancy.
ミクロ偏析溶鋼は、生成当初には樹枝状のデンドライト樹間で止まっているが、その後浮力によりわずかに浮上し、さらに上部に位置していた別のミクロ偏析溶鋼と合体し、マクロ的な偏析溶鋼の集合体に成長して体積を増す。ミクロ偏析溶鋼は、さらに浮上して合体が進行し、体積が増すことによって、大きな浮力が生じ、上部に存在するデンドライトの樹枝を横切り、また、樹枝を破壊しながら上昇し、別のミクロ偏析溶鋼をさらに集めることとなる。 Microsegregated molten steel stops at the beginning of dendritic dendrite trees, but then floats slightly due to buoyancy, and then merges with another microsegregated molten steel located at the top to form a macrosegregated molten steel. Grows into an aggregate and increases the volume. Microsegregated molten steel is further levitated and coalesced and increases in volume, resulting in large buoyancy, crossing dendritic tree branches at the top, and rising while destroying the tree branches. Will be collected further.
この偏析溶鋼は、デンドライト樹間を上昇中に凝固の進展とともに凍結し、偏析線となってインゴットの内部に残り、これが、ゴースト偏析として現れる。 This segregated molten steel freezes with the progress of solidification while climbing between dendrites, and remains as a segregation line inside the ingot, which appears as ghost segregation.
ゴースト偏析は、その発生機構上、溶鋼中の軽元素の含有率が多ければ多いほど発生しやすいのは言うまでもない。 It goes without saying that ghost segregation is more likely to occur as the light element content in the molten steel increases due to its generation mechanism.
また、凝固組織であるデンドライト組織が粗いと、ミクロ偏析溶鋼の体積が大きくなりやすく、ゴースト偏析が粗大化しやすい。これは、デンドライト組織が粗いと、デンドライト樹間に最初に発生するミクロ偏析溶鋼の体積も大きくなることと、ミクロ偏析溶鋼が浮力により上昇し始める際の抵抗が小さいことにより、溶鋼の上昇流が容易に生起するためである。 Moreover, if the dendrite structure which is a solidification structure is coarse, the volume of the microsegregated molten steel tends to increase, and the ghost segregation tends to become coarse. This is because when the dendrite structure is rough, the volume of the micro-segregated molten steel first generated between the dendritic trees increases, and the resistance when the micro-segregated molten steel starts to rise due to buoyancy is small. This is because it occurs easily.
一般的に、ゴースト偏析は、デンドライト組織が粗いインゴット中心側の方が発生しやすい。しかし、インゴットが大型で、軽元素の含有率が高い場合には、インゴットの表面寄りにも発生しやすく、上述したように熱処理工程で割れが発生する等の問題が生じる。なお、インゴットの真中心では、鋳造時の凝固、収縮に起因するＶ偏析が発生しやすく、逆にゴースト偏析は発生しない。 In general, ghost segregation is more likely to occur at the center side of the ingot having a rough dendrite structure. However, when the ingot is large and the content of light elements is high, it tends to occur near the surface of the ingot, causing problems such as cracking in the heat treatment process as described above. At the true center of the ingot, V segregation is likely to occur due to solidification and shrinkage during casting, and ghost segregation does not occur.
以上の観点から、ゴースト偏析の発生は、デンドライト組織を微細化することによって抑制できると考えられる。デンドライト組織の微細化は、鋳造時の冷却速度を大きくすることによって実現することができるが、例えば、冷却速度の大きい小径のインゴットを製造しても、製品のロール径が制限されたり、インゴットの鍛造時の鍛錬比を充分に取れなかったりする問題がある。 From the above viewpoint, it is considered that the occurrence of ghost segregation can be suppressed by refining the dendrite structure. The dendrite structure can be refined by increasing the cooling rate during casting. For example, even if a small-diameter ingot with a large cooling rate is manufactured, the roll diameter of the product is limited, the ingot There is a problem that the forging ratio at the time of forging cannot be sufficiently obtained.
また、凝固組織の微細化を図る場合、真空アーク再溶解凝固法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解凝固法（ＥＳＲ）が一般的に適用されているが、これらの方法は、一旦素材を鋳造して、そのインゴットを加工して新たに電極として再溶解する方法であり、従来の普通造塊法と比較して、工数が多く、また電力も余計に必要であるため、製造コストが大幅に増加する。 In order to refine the solidification structure, vacuum arc remelting solidification (VAR) and electroslag remelting solidification (ESR) are generally applied. However, these methods once cast the material. The ingot is then processed and re-melted as an electrode. Compared with the conventional ordinary ingot-making method, it requires more man-hours and requires more power, resulting in a significant increase in manufacturing costs. To do.
特許文献１には、インゴットの鋳造時に生じるデンドライト組織が、このインゴットを素材とした冷間圧延機のワークロール表面の肌荒れの原因であるため、ロール表面の肌荒れを改善する方法として、Ｐの含有率を０．０２５〜０．０６０重量％としてデンドライト組織を微細化する方法が記載されている。しかし、Ｐは一般的に不純物元素であり、鉄鋼材料の脆化の原因となるため、Ｐの含有率を高くすることは好ましくない。また、Ｐは上述したようにゴースト偏析の原因となる軽元素であり、Ｐの含有率を高くすることは、ゴースト偏析の発生を助長することにもなると考えられる。
In
特許文献２には、任意の鋳造方案に基づく鋳造プロセスシミュレーションで算出する濃度や温度から、偏析溶湯流れを考慮したフレックル欠陥（偏析）評価指標（Ｒａ数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数；レイリー数））や、異結晶発生機構を考慮した異結晶欠陥評価指標を同時に評価し、鋳物方案の善し悪しを判定することを特徴とする鋳造プロセスシミュレータにおける判定方法が提案されている。同文献の段落［００５７］の記載のように、同文献の図１２の計算実施例からＲａ数が０．０７以上の場所でフレックル欠陥の発生する可能性が高いこと等を示唆できるが、記載鋳物材料を変えた場合、欠陥評価基準値をあらためて設定する必要がある。なお、ゴースト偏析とフレッケル欠陥は、ともに同じ発生機構であるチャンネル型偏析の一種である。 Patent Document 2 discloses a freckle defect (segregation) evaluation index (Ra number (Rayleigh number)) considering a segregated molten metal flow from a concentration and temperature calculated by a casting process simulation based on an arbitrary casting method, There has been proposed a determination method in a casting process simulator characterized by simultaneously evaluating different crystal defect evaluation indexes in consideration of a crystal generation mechanism and determining whether a casting method is good or bad. As described in paragraph [0057] of the same document, it can be suggested from the calculation example of FIG. 12 of the same document that there is a high possibility that a freckle defect occurs at a location where the Ra number is 0.07 or more. When the casting material is changed, it is necessary to set a new defect evaluation reference value. Note that ghost segregation and freckle defects are both types of channel segregation, which are the same generation mechanism.
上述のように、鍛鋼ロールの素材となるインゴットのデンドライト組織の微細化には、ロール径の制限や、工数および電力の増加、軽元素含有率の増大による脆化や偏析の発生等の問題がある。本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、軽元素を含有する鍛鋼ロールの素材となるインゴットを普通造塊法で鋳造するに当たり、ゴースト偏析を完全に抑制するか、少なくとも従来のインゴットでゴースト偏析が現れる位置よりも中心寄りにゴースト偏析を封じ込めることが可能な、鍛鋼ロールの製造方法を提供することにある。 As mentioned above, miniaturization of the dendrite structure of the ingot that is the material of the forged steel roll has problems such as the restriction of the roll diameter, the increase in man-hours and power, the occurrence of embrittlement and segregation due to the increase in light element content. is there. The present invention has been made in view of this problem, the problem is to completely suppress ghost segregation when casting an ingot as a material of a forged steel roll containing a light element by a normal ingot method, It is an object of the present invention to provide a method for producing a forged steel roll capable of containing ghost segregation closer to the center than a position where ghost segregation appears at least in a conventional ingot.
本発明者らは、上記の課題について検討した結果、溶鋼にＢｉを添加して、Ｂｉを所定量含有するインゴットを普通造塊法で鋳造することにより、軽元素を含有する場合であってもゴースト偏析の発生を抑制するとともに、デンドライト組織を微細化させることができることを知見した。この検討内容については後述する。 As a result of studying the above problems, the present inventors have added Bi to molten steel and cast an ingot containing a predetermined amount of Bi by a normal ingot casting method, even when it contains a light element. It was found that the generation of ghost segregation can be suppressed and the dendrite structure can be refined. Details of this examination will be described later.
本発明は、この知見に基づいて完成されたものであり、下記の鍛鋼ロールの製造方法を要旨としている。すなわち、Ｃを０．３質量％以上、Ｓｉを０．２質量％以上およびＰを０．０１質量％以上含有する鍛鋼ロールの製造方法であって、溶鋼にＢｉを添加して、Ｂｉ含有率が１０質量ｐｐｍ以上で１００質量ｐｐｍ以下であるインゴットを造塊法で鋳造し、前記インゴットを鍛造してロールを製造することを含み、前記鋳造において、下記（１Ａ）式を、インゴットの表面からインゴットの中心付近まで満たすようにＢｉを添加することを特徴とする鍛鋼ロールの製造方法。
Ｒａ／Ｒａ０＜１ …（１Ａ）
ここで、Ｒａ／Ｒａ０＝（ｄ／ｄ０）３、
ｄ:Ｂｉを含有するインゴットのデンドライト一次アーム間隔（μｍ）、
ｄ0:Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるデンドライト一次アーム間隔（μｍ）、
Ｒａ：Ｂｉを含有するインゴットのレイリー数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数）（−）、
Ｒａ0:Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるレイリー数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数）（−）。
This invention is completed based on this knowledge, and makes the summary the manufacturing method of the following forged steel roll. That is, a method for producing a forged steel roll containing 0.3 mass% or more of C, 0.2 mass% or more of Si and 0.01 mass% or more of P, wherein Bi is added to molten steel, Casting an ingot having a mass of 10 mass ppm to 100 mass ppm, and forging the ingot to produce a roll. In the casting, the following formula (1A) is calculated from the surface of the ingot: A method for producing a forged steel roll, comprising adding Bi so as to fill up to the vicinity of the center of the ingot.
Ra / Ra 0 <1 (1A)
Here, Ra / Ra 0 = (d / d 0 ) 3 ,
d: dendrite primary arm spacing (μm) of ingot containing Bi,
d 0 : Dendrite primary arm interval (μm) at the critical point of occurrence of ghost segregation in an ingot containing no Bi;
Ra: Rayleigh number (Rayleigh number) of ingot containing Bi (-),
Ra 0 : Rayleigh number (Rayleigh number) (−) at the critical point where ghost segregation occurs in an ingot containing no Bi.
本発明において「造塊法」とは、鋳型に溶鋼を流し込み鋳塊を造る鋳造方法をいう。 In the present invention, the “ingot-making method” refers to a casting method in which molten steel is poured into a mold to produce an ingot.
以下の説明では、鋼の成分組成について、「質量％（ｍａｓｓ％）」および「質量ｐｐｍ」を、単に「％」および「ｐｐｍ」と表記する。 In the following description, “mass%” and “mass ppm” are simply expressed as “%” and “ppm” for the component composition of steel.
本発明の鍛鋼ロールの製造方法によれば、インゴットの鋳造時に生成するマクロ偏析であるゴースト偏析を、インゴットの表面から中心よりに封じ込めることができる。そのため、インゴットの鍛造および熱処理時に偏析を起点とした割れを抑制することができるとともに、ロールを再使用するためにロールを切削手入れしてもゴースト偏析線が露出しにくいため、長期にわたってロールを安定して使用することができる。 According to the method for manufacturing a forged steel roll of the present invention, ghost segregation, which is macro segregation generated during casting of an ingot, can be contained from the center of the ingot from the center. As a result, cracks originating from segregation during ingot forging and heat treatment can be suppressed, and the ghost segregation lines are difficult to expose even if the roll is cut and cared for reuse. Can be used.
本発明の鍛鋼ロールの製造方法は、Ｃを０．３質量％以上、Ｓｉを０．２質量％以上およびＰを０．０１質量％以上含有する鍛鋼ロールの製造方法であって、溶鋼にＢｉを添加して、Ｂｉ含有率が１０質量ｐｐｍ以上で１００質量ｐｐｍ以下であるインゴットを造塊法で鋳造し、前記インゴットを鍛造してロールを製造することを含む方法である。前記鋳造において、下記（１Ａ）式を、インゴットの表面からインゴットの中心付近まで満たすようにＢｉを添加する。
Ｒａ／Ｒａ０＜１ …（１Ａ）
ここで、Ｒａ／Ｒａ0＝（ｄ／ｄ0）3、
ｄ:Ｂｉを含有するインゴットのデンドライト一次アーム間隔（μｍ）、
ｄ0:Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるデンドライト一次アーム間隔（μｍ）、
Ｒａ：Ｂｉを含有するインゴットのレイリー数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数）（−）、
Ｒａ0:Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるレイリー数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数）（−）。
A method for producing a forged steel roll according to the present invention is a method for producing a forged steel roll containing 0.3% by mass or more of C, 0.2% by mass or more of Si and 0.01% by mass or more of P. Is added, and an ingot having a Bi content of 10 mass ppm or more and 100 mass ppm or less is cast by an ingot- making method, and the ingot is forged to produce a roll. In the casting, Bi is added so that the following formula (1A) is satisfied from the surface of the ingot to the vicinity of the center of the ingot.
Ra / Ra 0 <1 (1A)
Where Ra / Ra 0 = (d / d 0 ) 3 ,
d: dendrite primary arm spacing (μm) of ingot containing Bi,
d 0 : Dendrite primary arm interval (μm) at the critical point of occurrence of ghost segregation in an ingot containing no Bi;
Ra: Rayleigh number (Rayleigh number) of ingot containing Bi (-),
Ra 0 : Rayleigh number (Rayleigh number) (−) at the critical point where ghost segregation occurs in an ingot containing no Bi.
以下に、本発明の鍛鋼ロールの製造方法を上述のとおり規定した理由および本発明の方法の好ましい態様について説明する。 Below, the reason which prescribed | regulated the manufacturing method of the forged steel roll of this invention as mentioned above and the preferable aspect of the method of this invention are demonstrated.
１．本発明の鍛鋼ロールの化学成分の範囲および限定理由
Ｃ：０．３％以上
Ｃは、インゴットの焼き入れ性向上、および鍛鋼ロールの強度向上の目的で含有させる元素であり、０．３％以上を含有させる必要がある。
1. Range of chemical components of forged steel roll and reason for limitation C: 0.3% or more C is an element to be contained for the purpose of improving the hardenability of the ingot and improving the strength of the forged steel roll, and is 0.3% or more. It is necessary to contain.
Ｓｉ：０．２％以上
Ｓｉは、インゴットの脱酸または焼き入れ性向上の目的で含有させる元素であり、０．２％以上を含有させる必要がある。
Si: 0.2% or more Si is an element to be contained for the purpose of deoxidizing an ingot or improving hardenability, and it is necessary to contain 0.2% or more.
Ｐ：０．０１％以上
Ｐは、一般に不純物として鋼中に混入する元素であり、通常０．０１％以上含有する。
P: 0.01% or more P is an element generally mixed in steel as an impurity, and usually 0.01% or more.
Ｂｉ：１０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下
Ｃ、ＳｉおよびＰは軽元素であるため、Ｃ含有率が０．３％以上である高炭素系の炭素鋼においてＳｉを０．２％以上、Ｐを０．０１％以上含有する場合、ゴースト偏析が生じやすい。しかし、後述するように、溶鋼にＢｉを添加して、Ｂｉ含有率を１０ｐｐｍ以上とすることにより、ゴースト偏析の発生を抑制することができる。Ｂｉ含有率が１００ｐｐｍを超えると、微量とはいえインゴットの熱間加工での脆化が問題となるため、Ｂｉ含有率は１００ｐｐｍ以下とする。
Bi: 10 ppm or more and 100 ppm or less Since C, Si, and P are light elements, Si is 0.2% or more and P is 0.01% in a high-carbon carbon steel having a C content of 0.3% or more. If it is contained above, ghost segregation tends to occur. However, as will be described later, the occurrence of ghost segregation can be suppressed by adding Bi to the molten steel so that the Bi content is 10 ppm or more. If the Bi content exceeds 100 ppm, embrittlement during hot working of the ingot becomes a problem even though the amount is small, so the Bi content is set to 100 ppm or less.
上記組成のインゴットは、普通造塊法で鋳造してもデンドライト組織が微細であるため、このインゴットを素材として鍛造して製造された鍛鋼ロールは、ゴースト偏析が完全に抑制されるか、Ｂｉを含有させない場合よりもインゴットの中心寄りにゴースト偏析が封じ込められており、鍛鋼ロールの表面を繰り返し切削手入れしても偏析線が露出せず、長期にわたって安定して使用することができる。 Since the ingot having the above composition has a fine dendrite structure even when cast by the ordinary ingot casting method, the forged steel roll manufactured by forging the ingot as a raw material can completely suppress ghost segregation or Bi. Ghost segregation is contained closer to the center of the ingot than when not contained, and even if the surface of the forged steel roll is repeatedly cut and maintained, the segregation line is not exposed and can be used stably over a long period of time.
２．Ｂｉを含有させることの効果
本発明者らは、溶鋼にＢｉを添加して、鋳造したインゴットにＢｉを微量（１０ｐｐｍ以上）に含有させることにより、デンドライト組織を微細化し、ゴースト偏析の発生を抑制することが可能であることを、以下の一方向凝固試験により見出した。
2. Effect of containing Bi The present inventors have added Bi to molten steel and contain a trace amount (10 ppm or more) of Bi in the cast ingot to refine the dendrite structure and suppress the occurrence of ghost segregation. The following unidirectional solidification test was found to be possible.
２−１．試験条件
直径が１５ｍｍ、高さが５０ｍｍの円柱形で、Ｂｉ含有率が１１ｐｐｍ、２４ｐｐｍおよび３３ｐｐｍであるインゴットとＢｉを含有しないインゴットについて試験を行った。冷却速度は、実用鋳塊の冷却速度に合わせて１０〜１５℃／ｍｉｎとした。
2-1. Test conditions Tests were performed on an ingot having a cylindrical shape with a diameter of 15 mm and a height of 50 mm and having a Bi content of 11 ppm, 24 ppm, and 33 ppm and an ingot that does not contain Bi. The cooling rate was set to 10 to 15 ° C./min according to the cooling rate of the practical ingot.
得られたインゴットは、中心を通る縦断面において軸方向にほぼ平行に延びる約１０本の一次アームについて間隔を測定し、算術平均した値を各インゴットのデンドライト一次アーム間隔とした。 In the obtained ingot, the interval was measured for about 10 primary arms extending substantially parallel to the axial direction in the longitudinal section passing through the center, and the arithmetic average value was taken as the dendrite primary arm interval of each ingot.
２−２．試験結果
図２は、Ｂｉ含有率とデンドライト一次アーム間隔との関係を示す図である。同図では、デンドライト一次アーム間隔（ｄ）を、Ｂｉ含有無しのインゴットのデンドライト一次アーム間隔（ｄB）に対する比（ｄ／ｄB）として縦軸に表示した。同図から、Ｂｉ含有率が高いほどデンドライト一次アーム間隔が狭くなることがわかる。すなわち、Ｂｉ含有率が高いほど、炭素鋼のデンドライト一次アーム間隔が狭くなり、デンドライト組織が微細となることがわかる。これは、Ｂｉが炭素鋼の固液界面の界面エネルギーを下げる効果を有する元素であり、その含有量が微量でもデンドライト一次アーム間隔の微細化に効果を示すことによるものと考えられる。Ｂｉ含有率は、後述の実施例に示すように、１０ｐｐｍ以上であればゴースト偏析の発生の抑制に効果がある。
2-2. Test Results FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the Bi content and the dendrite primary arm interval. In the figure, the dendrite primary arm interval (d) is shown on the vertical axis as the ratio (d / d B ) to the dendrite primary arm interval (d B ) of the ingot without Bi. From the figure, it can be seen that the higher the Bi content, the narrower the dendrite primary arm interval. That is, it can be seen that the higher the Bi content, the narrower the dendrite primary arm interval of the carbon steel and the finer the dendrite structure. This is considered to be because Bi is an element having an effect of lowering the interfacial energy at the solid-liquid interface of carbon steel, and is effective in miniaturizing the dendrite primary arm interval even if its content is very small. The Bi content is effective in suppressing the occurrence of ghost segregation as long as it is 10 ppm or more, as shown in Examples described later.
３．ゴースト偏析発生の尺度
本発明者らは、ゴースト偏析発生の尺度として、Ｒａ数を用いることに着目した。Ｒａ数は、温度場での対流流動無次元数であり、Ｐｒ数（Ｐｒａｎｄｔｌ数；プラントル数）とＧｒ数（Ｇｒａｓｈｏｆ数；グラスホフ数）の積であり、下記（１）式で表される。
Ｒａ＝Ｐｒ・Ｇｒ＝ｇβ（Ｔｓ−Ｔ∞）Ｌ3／να …（１）
ここで、ｇ［ｍ／ｓ2］：重力加速度、β［１／Ｋ］：体膨張係数、Ｔｓ［Ｋ］：物体表面温度、Ｔ∞［Ｋ］：流体の温度、ν［ｍ2／ｓ］：動粘性係数、α［ｍ2／ｓ］：熱拡散率、Ｌ［ｍ］：代表長さである。
3. The scale of occurrence of ghost segregation The inventors of the present invention focused on using the Ra number as a scale of occurrence of ghost segregation. The Ra number is a dimensionless number of convection flows in a temperature field, and is the product of the Pr number (Prandtl number; Prandtl number) and the Gr number (Grashof number; Grashof number), and is represented by the following equation (1).
Ra = Pr · Gr = gβ (Ts−T ∞ ) L 3 / να (1)
Here, g [m / s 2 ]: gravity acceleration, β [1 / K]: body expansion coefficient, Ts [K]: object surface temperature, T ∞ [K]: fluid temperature, ν [m 2 / s ]: Kinematic viscosity coefficient, α [m 2 / s]: Thermal diffusivity, L [m]: Representative length.
Ｒａ数は、物理的には流動抵抗力に対する流動駆動力である浮力の比と考えられ、上記(１)式に示すように代表長さの３乗に比例する。ゴースト偏析の発生の臨界について考える場合、Ｒａ数における代表長さは、デンドライト樹間のミクロ偏析の大きさとするべきである。この場合、ミクロ偏析溶鋼が生成初期にデンドライト樹間を満たすことから、ミクロ偏析の大きさをデンドライト一次アーム間隔と見なすことができるため、Ｒａ数における代表長さをデンドライト一次アーム間隔とすることができる。そのため、Ｒａ数は、デンドライト一次アーム間隔の３乗に比例するといえる。 The number of Ra is physically considered as a ratio of buoyancy, which is a flow driving force to a flow resistance force, and is proportional to the cube of the representative length as shown in the above equation (1). When considering the criticality of occurrence of ghost segregation, the representative length in Ra number should be the size of microsegregation between dendrite trees. In this case, since the microsegregated molten steel fills the dendrite trees in the early stage of generation, the size of the microsegregation can be regarded as the dendrite primary arm interval, so the representative length in the Ra number can be the dendrite primary arm interval. it can. Therefore, it can be said that the Ra number is proportional to the cube of the dendrite primary arm interval.
上述のように、デンドライト組織が粗いほどゴースト偏析が粗大化しやすいため、Ｒａ数が大きいほどゴースト偏析は発生しやすくなると考えられる。また、実際のインゴットでのゴースト偏析の発生実績と、Ｒａ数とを比較すれば、Ｒａ数をゴースト偏析の発生の臨界の指標とすることができる。インゴットにＢｉを微量に含有させることによるデンドライト一次アーム間隔の減少そのものが比較的小さくても、Ｒａ数はデンドライト一次アーム間隔の３乗に比例するため、インゴットにＢｉを含有させることは、Ｒａ数の低減に、すなわちゴースト偏析の発生の抑制に大変効果的である。 As described above, since the ghost segregation is likely to be coarser as the dendrite structure is coarser, it is considered that the ghost segregation is more likely to occur as the Ra number is larger. Further, by comparing the actual occurrence of ghost segregation in an ingot with the Ra number, the Ra number can be used as a critical index for the occurrence of ghost segregation. Even if the decrease in the dendrite primary arm interval due to containing a very small amount of Bi in the ingot is relatively small, the Ra number is proportional to the cube of the dendrite primary arm interval. This is very effective in reducing the occurrence of ghost segregation.
本発明の効果を、実際にインゴットを用いて行った予備試験、および数値計算によるシミュレーションにより評価した。 The effect of the present invention was evaluated by a preliminary test actually performed using an ingot and a simulation by numerical calculation.
１．予備試験
鋳型に溶鋼を流し込む普通造塊法による直径１１００ｍｍのインゴットの鋳造試験を予備試験として行った。対象鋼種は、０．９％Ｃ−０．６％Ｍｎ−０．０２％Ｐ−４％Ｃｒ−０．６％Ｍｏ（Ｂｉ含有無し）の高炭素鋼とした。この鋼種の液相線温度は１４６０℃であり、固相線温度は１２８０℃である。鋳造条件は、溶鋼規模１５ｔ、鋳片長４ｍ、鋳込み時溶鋼過熱度３０〜６０℃とした。
1. Preliminary test As a preliminary test, a casting test of an ingot having a diameter of 1100 mm by a normal ingot casting method in which molten steel was poured into a mold. The target steel was a high carbon steel of 0.9% C-0.6% Mn-0.02% P-4% Cr-0.6% Mo (without Bi). The liquidus temperature of this steel type is 1460 ° C., and the solidus temperature is 1280 ° C. The casting conditions were a molten steel scale of 15 t, a cast slab length of 4 m, and a molten steel superheat of 30 to 60 ° C. during casting.
その結果、インゴット表面から半径方向内部に２４５ｍｍの位置まではゴースト偏析の発生がなく、それよりも内側ではゴースト偏析が発生した。すなわち、ゴースト偏析発生の臨界点は、インゴット表面から半径方向内部に２４５ｍｍの位置であった。このインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるデンドライト一次アーム間隔をｄ0、Ｒａ数をＲａ0とし、以下の数値計算によるシミュレーションの基準値とする。 As a result, ghost segregation did not occur from the ingot surface to a position of 245 mm inside in the radial direction, and ghost segregation occurred inside it. That is, the critical point for occurrence of ghost segregation was a position of 245 mm radially inward from the ingot surface. The dendrite primary arm interval at the critical point of occurrence of ghost segregation in the ingot is d 0 , and the Ra number is Ra 0 , which are used as reference values for simulation by the following numerical calculation.
２．数値計算によるシミュレーション
数値計算シミュレーションの評価条件は以下の通り設定した。対象鋼種は、上記予備試験と同様の０．９％Ｃ−０．６％Ｍｎ−０．０２％Ｐ−４％Ｃｒ−０．６％Ｍｏとし、Ｂｉ含有率は０ｐｐｍ（Ｂｉ含有無し）、１０ｐｐｍおよび３５ｐｐｍとした。対象インゴットの直径も予備試験と同様の１１００ｍｍとした。
2. Simulation by numerical calculation The evaluation conditions for the numerical simulation were set as follows. The target steel type is 0.9% C-0.6% Mn-0.02% P-4% Cr-0.6% Mo as in the preliminary test, and the Bi content is 0 ppm (without Bi). 10 ppm and 35 ppm. The diameter of the target ingot was also 1100 mm as in the preliminary test.
この評価条件において、インゴットの半径方向一次元の非定常伝熱解析により、インゴット各部の凝固速度と冷却速度とを計算し、インゴットの表面から半径方向のデンドライト一次アーム間隔の分布を下記（２）式（「鉄鋼の凝固」、社団法人日本鉄鋼協会・鉄鋼基礎共同研究会、凝固部会、１９７７年、付−４）により算出した。（２）式は、凝固速度Ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）および温度勾配Ｇ（℃／ｃｍ）は温度勾配をパラメータとするデンドライト一次アーム間隔ｄ（μｍ）のＣｒ−Ｍｏ鋼の実験式である。
ｄ＝１６２０Ｖ-0.2Ｇ-0.4 …（２）
Under this evaluation condition, the solidification rate and cooling rate of each part of the ingot are calculated by one-dimensional unsteady heat transfer analysis in the radial direction of the ingot, and the distribution of the primary dendrite arm spacing in the radial direction from the surface of the ingot is as follows (2) Calculation was performed according to the formula (“solidification of steel”, Japan Iron and Steel Institute / Steel Basic Research Group, Solidification Subcommittee, 1977, Appendix-4). Formula (2) is an empirical formula for Cr—Mo steel with a dendrite primary arm interval d (μm) having solidification rate V (cm / min) and temperature gradient G (° C./cm) as parameters.
d = 1620V -0.2 G -0.4 (2)
図３は、インゴット表面から半径方向の距離とデンドライト一次アーム間隔との関係を示す図である。同図に示す、Ｂｉ含有無しの場合のデンドライト一次アーム間隔（ｄB）は、上記（２）式から算出した。Ｂｉを含有する場合のデンドライト一次アーム間隔（ｄ）は、前記図２に示される各Ｂｉ含有率（１０ｐｐｍおよび３５ｐｐｍ）についてのデンドライト一次アーム間隔の比率（ｄ／ｄB）を、（２）式から算出したｄBの値に乗じて算出した。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the radial distance from the ingot surface and the dendrite primary arm spacing. The dendrite primary arm interval (d B ) shown in the figure without Bi was calculated from the above equation (2). The dendrite primary arm interval (d) in the case of containing Bi is the ratio of the dendrite primary arm interval (d / d B ) for each Bi content (10 ppm and 35 ppm) shown in FIG. It was calculated by multiplying the value of the calculated d B from.
図４は、インゴット表面から半径方向の距離とＲａ／Ｒａ0の値との関係を示す図である。各Ｂｉ含有率のＲａ数（Ｒａ）は、前記（１）式から導出される下記（３）式に示すように、Ｒａ／Ｒａ0はｄ／ｄ0の３乗であるといえる。同図に示すＲａ／Ｒａ0は、この（３）式に基づいて算出した。
Ｒａ／Ｒａ0＝（ｄ／ｄ0）3 …（３）
ここで、Ｒａ／Ｒａ0は、各Ｂｉ含有率のＲａ数（Ｒａ）の基準となるＲａ数（上記予備試験で求めたＲａ0）に対する比であり、ｄ／ｄ0は、Ｂｉを含有するインゴットのデンドライト一次アーム間隔ｄと、Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるデンドライト一次アーム間隔ｄ0の比である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the radial distance from the ingot surface and the value of Ra / Ra 0 . The Ra number (Ra) of each Bi content rate can be said to be Ra / Ra 0 is the third power of d / d 0 as shown in the following equation (3) derived from the equation (1). Ra / Ra 0 shown in the figure was calculated based on the equation (3).
Ra / Ra 0 = (d / d 0 ) 3 (3)
Here, Ra / Ra 0 is the ratio of the Ra number (Ra) of each Bi content to the reference Ra number (Ra 0 obtained in the preliminary test), and d / d 0 contains Bi. This is the ratio between the dendrite primary arm interval d of the ingot and the dendrite primary arm interval d 0 at the critical point of ghost segregation in the ingot without Bi.
前記図３から、Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるデンドライト一次アーム間隔ｄ0は、９００μｍであることがわかる。デンドライト一次アーム間隔ｄがｄ0よりも大きいインゴット内部では、ゴースト偏析が発生する。一方、Ｂｉを微量（１０ｐｐｍおよび３５ｐｐｍ）含有する場合には、デンドライト一次アーム間隔ｄが、インゴット表面から半径方向のほぼ全域にわたって、上記臨界点におけるアーム間隔ｄ0よりも狭くなることがわかった。この場合、すなわち（ｄ／ｄ0 ） 3 ＜１を満たす場合には、ゴースト偏析の発生が抑制される。前記（３）式から、（ｄ／ｄ0 ） 3 ＜１は、Ｒａ数を用いて言い換えるとＲａ／Ｒａ0＜１となるため、Ｒａ／Ｒａ0＜１を満たす場合には、ゴースト偏析の発生が抑制されるといえる。 From FIG 3, dendrite primary arm spacing d 0 in ghost polarized析発raw critical point of the ingot without Bi content is found to be 9 00μm. Dendrite primary arm spacing d is in the large ingot inside than d 0, ghost segregation occurs. On the other hand, when Bi was contained in a small amount (10 ppm and 35 ppm), it was found that the dendrite primary arm interval d was narrower than the arm interval d 0 at the critical point over almost the entire radial direction from the ingot surface. In this case, that is, when ( d / d 0 ) 3 <1, the occurrence of ghost segregation is suppressed. From the above equation (3), ( d / d 0 ) 3 <1 becomes Ra / Ra 0 <1 in other words using the Ra number. Therefore, when Ra / Ra 0 <1 is satisfied, ghost segregation occurs. It can be said that the occurrence is suppressed.
また、前記図４によると、Ｂｉを含有する場合にはインゴットの表面からかなり深部（インゴットの中心付近）までＲａ／Ｒａ0＜１を満たしていることから、ゴースト偏析をインゴットの表面近傍のみならず中心付近まで封じ込めること、または完全にゴースト偏析の発生を抑制することができる可能性が示された。 Further, according to FIG. 4, when Bi is contained, Ra / Ra 0 <1 is satisfied from the surface of the ingot to a considerably deep part (near the center of the ingot). It was shown that it could be confined to the vicinity of the center or completely suppress the occurrence of ghost segregation.
以上の結果から、Ｂｉの含有率は、１０ｐｐｍ以上であればゴースト偏析の発生を確実に抑制することができる。 From the above results, the occurrence of ghost segregation can be reliably suppressed if the Bi content is 10 ppm or more.
さらに、前記図４から、Ｂｉを含有する場合のＲａ／Ｒａ0が１より小さくなる領域は、Ｂｉ含有無しの場合よりも、インゴット中央側に広がっていると考えられる。そのため、ゴースト偏析の発生位置をできるだけインゴット表面よりも遠ざけたいという目的は、任意のサイズのインゴットで達せられる可能性は充分にある。ただし、実際のインゴットの冷却は、必ずしも均等になされるとは限らず、均等でない場合も多いため、デンドライト一次アーム間隔が部分的に広くなることも想定できる。このことから、Ｂｉ含有率は１０ｐｐｍ以上とすることが肝要である。 Further, from FIG. 4, it is considered that the region where Ra / Ra 0 is smaller than 1 when Bi is contained is spread toward the center of the ingot than when Bi is not contained. For this reason, there is a possibility that the purpose of keeping the ghost segregation occurrence position as far as possible from the ingot surface can be achieved by an ingot of any size. However, the actual cooling of the ingot is not necessarily performed uniformly, and there are many cases where it is not uniform, so it can be assumed that the dendrite primary arm interval is partially widened. For this reason, it is important that the Bi content is 10 ppm or more.
以上のことから、Ｂｉをインゴットに微量に（１０ｐｐｍ以上）含有させることの効果の可能性が明確に示された。 From the above, the possibility of the effect of containing Bi in a small amount (10 ppm or more) in the ingot was clearly shown.
ただし、上述のように、Ｂｉの含有率が１００ｐｐｍを超えると、熱間加工時の脆化が問題となるため、Ｂｉ含有率は１００ｐｐｍを上限とする。 However, as described above, when the Bi content exceeds 100 ppm, embrittlement during hot working becomes a problem, and therefore the Bi content is limited to 100 ppm.
また、この実施例ではインゴットの形状を円柱形としたが、直方体のブルーム鋳片であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。 In this embodiment, the ingot has a cylindrical shape, but it goes without saying that the same effect can be obtained even with a rectangular parallelepiped bloom slab.
本発明の鍛鋼ロールの製造方法によれば、インゴットの鋳造時に生成するマクロ偏析であるゴースト偏析を、インゴットの表面から中心よりに封じ込めることができる。そのため、インゴットの熱処理時の偏析を起点とした割れを抑制することができるとともに、ロールを再使用するためにロールを切削手入れしてもゴースト偏析線が露出しにくいため、長期にわたってロールを安定して使用することができる。 According to the method for manufacturing a forged steel roll of the present invention, ghost segregation, which is macro segregation generated during casting of an ingot, can be contained from the center of the ingot from the center. Therefore, it is possible to suppress cracks starting from segregation during heat treatment of the ingot and to stabilize the roll over a long period of time because the ghost segregation lines are not easily exposed even if the roll is cut and maintained to reuse the roll. Can be used.
Claims (1)
溶鋼にＢｉを添加して、Ｂｉ含有率が１０質量ｐｐｍ以上で１００質量ｐｐｍ以下であるインゴットを造塊法で鋳造し、
前記インゴットを鍛造してロールを製造することを含み、
前記鋳造において、下記（１Ａ）式を、インゴットの表面からインゴットの中心付近まで満たすようにＢｉを添加することを特徴とする鍛鋼ロールの製造方法。
Ｒａ／Ｒａ０＜１ …（１Ａ）
ここで、Ｒａ／Ｒａ0＝（ｄ／ｄ0）3、
ｄ:Ｂｉを含有するインゴットのデンドライト一次アーム間隔（μｍ）、
ｄ0:Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるデンドライト一次アーム間隔（μｍ）、
Ｒａ：Ｂｉを含有するインゴットのレイリー数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数）（−）、
Ｒａ0:Ｂｉ含有無しのインゴットのゴースト偏析発生臨界点におけるレイリー数（Ｒａｙｌｅｉｇｈ数）（−）。
A method for producing a forged steel roll containing 0.3 mass% or more of C, 0.2 mass% or more of Si and 0.01 mass% or more of P ,
Bi is added to the molten steel, and an ingot having a Bi content of 10 mass ppm or more and 100 mass ppm or less is cast by an ingot casting method ,
Forging the ingot to produce a roll,
In the casting, a forged steel roll manufacturing method characterized by adding Bi so as to satisfy the following formula (1A) from the surface of the ingot to the vicinity of the center of the ingot.
Ra / Ra 0 <1 (1A)
Where Ra / Ra 0 = (d / d 0 ) 3 ,
d: dendrite primary arm spacing (μm) of ingot containing Bi,
d 0 : Dendrite primary arm interval (μm) at the critical point of occurrence of ghost segregation in an ingot containing no Bi;
Ra: Rayleigh number (Rayleigh number) of ingot containing Bi (-),
Ra 0 : Rayleigh number (Rayleigh number) (−) at the critical point where ghost segregation occurs in an ingot containing no Bi.
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