JP7460903B2 - 特殊鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特殊鋼板の製造方法に関するものである。

省工程・省エネルギーの観点から、最終品に近い薄板を鋳造段階で製造する技術、すなわちニアネットシェイプ連続鋳造の開発が行われている。このうち、薄板系のニアネットシェイプ連続鋳造として有力なものとして、いわゆるストリップ連続鋳造法が知られている。ストリップ連続鋳造法とは、溶湯と鋳型ロール（あるいはベルト）を直接接触させて凝固させ、鋳造厚０．１～１０ｍｍ程度に連続鋳造するニアネットシェイプ連続鋳造法である（非特許文献１）。以下、ここでは「薄肉鋳片の連続鋳造」と呼ぶ。薄肉鋳片の連続鋳造方法としては、双ロール式連続鋳造方法、単ロール式連続鋳造方法、双ベルト式連続鋳造方法、単ベルト式連続鋳造方法などが知られている。

双ロール式連続鋳造装置による薄肉鋳片の連続鋳造においては、図１に示すように、一対の鋳造ロール１を配置し、ロール間の最近接距離（ギャップ最小部２０のギャップ）が鋳造する薄肉鋳片５の厚みとなる。鋳造ロール１の両端に固定堰２（サイド堰ともいう。）を押し付けて溶融金属プール部３を形成し、ノズル４から溶融金属プール部３に溶湯を連続的に供給しながら一対の鋳造ロール１を互いに反対方向に回転させる。ロール周面に沿って生成した一対の凝固シェル２３をロール間の最近接部位（ギャップ最小部２０）で圧着し薄肉鋳片５とする。鋳造ロール１の周速が、薄肉鋳片５の鋳造速度ｖとなる。

特許文献１に記載のように、双ロール鋳造においては、鋳造された鋳片のデンドライトが板面の垂線方向に対して１０～２０°傾くことが知られており、ロールの回転速度を大きくするほど、デンドライトの傾角も大きくなるとしている。

特殊鋼板の製造においては、冷間圧延前の板において板面に垂直な方向に＜１００＞方位が揃っている場合、磁気特性に優れた鋼板が製造できるとされている。特許文献１では、鋳片の鋳造組織におけるデンドライトを凝固シェルの表面に対して垂直に成長させ、板面に垂直な方向に＜１００＞方位が揃ったデンドライトを有する鋳片の場合、磁気特性に優れた鋼板が製造できるとしている。
特許文献１においては、双ロール鋳造の２個のロール間に形成される溶湯湯溜り部に溶湯の凝固開始点を固定する接触制限板を装入して、溶融プールがロールと接触する弧長を短くし、これによって同一の厚みを有する薄肉鋳片を製造する際の鋳造ロールの周速（鋳造速度）を低下させ、デンドライトの傾角を小さくする方法が開示されている。

特開平５－２７７６５７号公報

第５版鉄鋼便覧 第１巻 製銑・製鋼、第４５６～４５７頁 鉄と鋼、６１巻１４号（１９７５）２９８２～２９９０頁

特許文献１に記載の方法では、鋳片のデンドライト傾角を小さくするために鋳造ロールの周速、即ち鋳造速度を低下させており、低速鋳造のため、連続鋳造のスループットが小さくなり、生産性が悪化するという問題を有している。

ここでは、特殊鋼板の製造において、冷間圧延前の素材を「特殊鋼板素材」と呼ぶ。本発明は、双ロール式連続鋳造装置を用いた鋳造で低速鋳造を行うことなく、デンドライト傾角が小さい特殊鋼板素材を製造することのできる、特殊鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］双ロール式連続鋳造装置を用いて薄肉鋳片を鋳造し、前記薄肉鋳片を熱間圧延して特殊鋼板素材とする特殊鋼板の製造方法であって、
鋳片のデンドライトの傾きをθとし（板垂線との間の角度であって、鋳造方向を正とする。）、
製造する品種について、あらかじめ、θ＝０°の鋳片のサンプルを圧下率ｐで熱間圧延して得られたサンプルのデンドライトの傾きωと前記圧下率ｐとの関係式である下記（２）式から係数ａの値を定めるとともに、熱間圧延で再結晶しない限界圧下率ｐ_ｍａｘを定めておき、
前記係数ａを用い、下記（１）式で表すφ_Cが、－１０°≦φ_C≦１０°を満足するように、鋳片のデンドライトの傾きθと圧下率ｐとを、下記（４）式の範囲内で調整することを特徴とする特殊鋼板の製造方法。
ただし、圧下率ｐ（％）は、圧延前の板厚ｘと圧延後の板厚ｙとから下記（３）式によって求められる。
φ_C＝θ－ａ×ｐ （１）
ω＝－ａ×ｐ （２）
ｐ＝（ｘ－ｙ）／ｘ×１００ （３）
ｐ＜ｐ_ｍａｘ （４）
［２］双ロール式連続鋳造装置における鋳造速度を調整することにより、鋳片のデンドライトの傾きθを調整することを特徴とする［１］に記載の特殊鋼板の製造方法。

本発明の特殊鋼板の製造方法において、双ロール式連続鋳造と熱間圧延を用い、連続鋳造鋳片のデンドライトの傾きθを調整するとともに、熱間圧延の圧下率を調整することにより、熱間圧延後の特殊鋼板素材においてデンドライトの傾きφを最適範囲に調整して、良好な品質の特殊鋼板を製造することができる。

（Ａ）は双ロール式連続鋳造の状況を示す概念図であり、（Ｂ）は薄肉鋳片断面の拡大図である。 鋳片（凝固シェル）におけるデンドライトの傾きθを示す概念図である。 鋳片（デンドライトの傾きθ＝０°）を圧下率ｐで圧延したときの、圧下率ｐと圧延後のデンドライトの傾きωの関係を示す図である。 熱延圧下率と熱延後の結晶粒径の関係を示す図である。

回転する１対の鋳造ロールを用いる双ロール式連続鋳造装置においては、図１に示すように、１対の鋳造ロール１を回転させ、鋳造ロール１に凝固シェル２３を形成しつつ薄肉鋳片５を連続鋳造する。１対の鋳造ロール１は、お互いの表面が上方から下方に向かって距離が近接し、最も接近した部分においてギャップ最小部２０を形成する。さらに、鋳造ロール１の両端に接する固定堰２を有し、１対の鋳造ロール１のギャップ最小部２０の上部には、鋳造ロールと固定堰２とで囲まれた溶融金属プール部３を形成する。ノズル４を経由して溶融金属プール部３中に金属溶湯を供給すると、鋳造ロール１に接する部分で溶湯が凝固し、凝固シェル２３が形成される。鋳造ロール１を相互に反対方向に回転させることにより、鋳造ロール表面に形成された凝固シェル２３は鋳造ロール１とともに移動し、ギャップ最小部２０で両方の鋳造ロール表面の凝固シェル２３が圧着して薄肉鋳片５となり、ギャップ最小部２０から下方に薄肉鋳片５が排出される。

鋳造ロール１表面の周方向速度が、溶融金属プール部３における凝固シェル２３の走行速度となり、同時に薄肉鋳片５の鋳造速度ｖとなる。溶融金属プール部３の溶鋼にも湯流れが存在し、図２は、凝固シェル２３が鋳造方向２４に走行する状況を示す概念図である。凝固シェル表面２５は鋳造ロール（図示しない）に接している。凝固シェル２３と溶鋼プールとの固液界面２６において、溶融金属プール部の溶鋼流速ｗと凝固シェル２３の走行速度（鋳造速度ｖ）との差分が、両者の間の相対速度Ｖ（凝固シェル２３からみた溶鋼流速）となる。

凝固シェル２３の固液界面２６において、凝固シェル２３と溶鋼プールとの間に相対速度Ｖが存在すると、図２に示すように、形成するデンドライト２７の成長方向に傾きが生じることが知られている。薄肉鋳片（図２の凝固シェル２３）において、デンドライト２７の方向と、鋼板表面に対する垂線との間の角度を、デンドライトの傾きθとおく。相対速度Ｖが大きいほど、デンドライトの傾きθも大きくなる。相対速度Ｖの方向と、デンドライトの傾きの方向とは逆方向であることがわかっている。相対速度Ｖとデンドライトの傾きθとの関係については、岡野らによって明らかにされている。詳細は後述する。

ここで本発明では、薄肉鋳片のデンドライトの傾きの角度は、薄肉鋳片表面の垂線となす角度が鋳造方向２４を正、逆方向を負と定義した（図２参照）。

通常は、凝固シェル２３の走行速度（鋳造速度ｖ）が大きくなるほど、相対速度Ｖも大きくなる。従って、双ロール式連続鋳造においては、鋳造速度ｖを変動させることにより、鋳片のデンドライトの傾きθを変化させることができる。相対速度Ｖは鋳造速度ｖの反対方向なので、図２に示すように、デンドライト２７の傾斜は鋳造方向２４を向き、傾きθは正の値となる。

板材のロール圧延において、圧延前の板材にあらかじめ板表面に垂直な垂線を罫書いておき、あるいは鋳片のデンドライトが板表面に垂直である鋳片を用い、所定の圧下率で圧下を行うと、圧延の進行とともに順次材料の表面が中心部よりも先に進んだ状態になって、元の垂線は曲がったままロールから出てゆく。その結果、圧延後の板の断面において、表面から表面下１／４厚さまでの領域について見ると、圧延前に設けた罫書き線（デンドライト）（板表面に垂直）は、板の垂線との間に傾きωの傾きを有することになる。傾きωは圧下率ｐによって変化し、圧下率ｐが大きくなるほど傾きωも大きくなる。傾きωの傾斜方向は、圧延方向と反対方向である。鋳造方向と圧延方向とを同一方向とするとき、傾きωは負の値となる。

以上から明らかなように、双ロール式連続鋳造と熱間圧延を用いた薄鋼板の製造（鋳造方向と圧延方向を同一方向とする）においては、圧延前に傾きθ＝０°であった鋳片のデンドライトを圧延後にデンドライトの傾きωになり、熱間圧延の圧延率を調整することにより、傾きω（負の値）を調整することが可能である。また、双ロール連続鋳造の鋳造速度等の調整により、圧延前のデンドライトの傾きθ（正の値）を種々調整することが可能である。

そこで本発明では、特殊鋼板の製造方法において、双ロール式連続鋳造と熱間圧延を用い、連続鋳造鋳片のデンドライトの傾きθを調整するとともに、熱間圧延の圧下率を調整することにより、熱間圧延後のデンドライトの傾きφを最適範囲に調整して特殊鋼板素材としたとき、良好な品質の特殊鋼板を製造できるのではないか、と着想した。

《熱間圧延によるデンドライト傾き制御（θ＝０°の鋳片を使用）》
熱間圧延がデンドライトの傾きに及ぼす影響を調べるため、熱間圧延試験を行った。鋳型浸漬実験を用いて、鋳片のデンドライトの傾きθがほぼ０°の特殊鋼の片面サンプルを作製した。当該サンプルを熱間圧延し、熱間圧延の圧下率ｐがデンドライトの傾きω（≒φ）に及ぼす影響を調査した。鋳造した特殊鋼を９００℃で５ｍｉｎ加熱した後、熱間圧延を行った。熱延での圧下率ｐを調べるため、あらかじめマイクロメータにて鋳片の板厚を測定し、熱間圧延後にも測定し、（３）式を用いて圧下率ｐを算出した。また、得られたサンプルのＬ断面（鋳造方向及び板厚方向と平行）を切断し、研磨し、ピクリン酸エッチングを施す。表面から１／４厚み部のデンドライトの傾き２０点を測定・平均することでデンドライトの傾きωを求めた。結果を図３に示す。図３から明らかなように、圧下率ｐが大きくなるほどデンドライトの傾きωは負の方向で大きくなった。

圧下率ｐ（％）と傾きω（°）の関係を下記（２）式（ａは定数）で表したとき、係数ａは、鋼種によって変わるので、本試験例のように予め求めておくことが好ましい。発明者の諸々の試験では、例えば図３に用いた鋼種では、これらデータから最小二乗法により求めた傾き０．８７を、当該鋼種に適用する係数ａとした。異なる鋼種についても、同様な手法で係数ａを求めることができる。
ω＝－ａ×ｐ （２）
ｐ＝（ｘ－ｙ）／ｘ×１００ （３）

《双ロール式連続鋳造と熱間圧延の組み合わせによるデンドライト傾き制御》
図１に示すような、鋳造ロール幅４００ｍｍ、直径６００ｍｍの一対の鋳造ロールを有する双ロール鋳造装置を用いて、特殊鋼の鋳造を行った。鋳造弧角ηは４０°に固定した。鋳造速度は２０～１００ｍ／ｍｉｎまで行った。鋳造速度が速いほど、鋳片厚みが薄くなり、鋳片厚みｄは鋳造速度ｖの平方根にほぼ反比例する。
あらかじめそれぞれの鋳造速度での薄肉鋳片５のデンドライトの傾きθを測定した。双ロール法で鋳造した鋳片を採取し、幅中央のＬ断面（鋳造方向と板厚方向に平行）を切り出す。その後、断面を埋め込み、研磨し、ピクリン酸エッチングを施す。その後、鋳片表面から１／４厚み位置のデンドライトの傾きを２０点測定した。また、測定場所については、任意のデンドライトの傾きを選び測定した後、隣接するデンドライトを測定することを繰り返し、合計２０点測定を行った。２０点の平均値をデンドライトの傾きθとした。
なお、鋳造後の結晶粒径は鋳造速度にかかわらず、１００μｍ程度だった。

その後、熱間圧延を行い、熱延後の薄鋼板（特殊鋼板素材）の板厚が１ｍｍになるよう圧延を行った。鋳造方向と圧延方向は同一方向としている。
得られた薄鋼板（特殊鋼板素材）サンプルのＬ断面を観察し、デンドライトの傾きφを測定した。φの測定方法は、前述のθ、ωの測定方法と同様である。
また、同じＬ断面について結晶粒径を切片法（ＪＩＳ Ｇ０５５１）にて測定し、再結晶の有無を確認した。試料の断面にナイタールエッチングを施し、鋳片の板表面から１／８厚部の任意の位置で、板表面に平行に全長２ｍｍの直線を１本引き、この直線が横切った結晶粒の数ｎを求める。直線の端がその内部にある結晶粒は（１／２）個と数える。２ｍｍを結晶粒の個数ｎで割り、結晶粒径を求めた。圧延によるひずみは表層に多く入るので、表層から概ね１／４厚までの範囲が再結晶する。本発明では、表層から１／８厚位置における、平均結晶粒径を上記方法により求めた。なお、再結晶による結晶径の変化は相当大きく、再結晶が起きたか否かは視覚観察によって十分判別できる。特段結晶径の臨界値があるわけではない。例えば本実施例で示すように鋳造後平均径１００μｍであったものが、再結晶すると平均２０μｍ程度になる。このように平均粒径が急激に変化するときの圧下率を限界圧下率ｐ_ｍａｘとする。限界圧下率は鋼種や圧延条件によって変わるので、必要に応じてあらかじめ測定される。特殊鋼は図４に示すように、圧下率３０％以上の圧下を加えると再結晶した。

製造条件及び製造結果を表１に示す。表１から明らかなように、鋳造速度ｖが速くなるほど、鋳片厚ｄが薄くなるとともに、鋳片のデンドライトの傾きθが大きくなっていることがわかる。

表１に示す結果に基づき、まず、傾きθ、φと圧下率ｐとの間の関係を調査した。
前記（３）式にａ＝０．８７を代入し、各実施例について（３）式に基づいてωを算出した。次に、θ、ωとφとの相互関係について評価した。その結果、
φ＝θ＋ω （５）
の関係が成立していることが判明した。この式に（３）式を代入すると、
φ＝θ－ａ×ｐ （６）
が成立する。（６）式が、θ、ｐとφとの関係を示す実験式である。

また、表１の「デンドライト傾角ω計算値」に示すように、熱延後のデンドライト傾角φから鋳片のデンドライト傾角θを引いた値（ω＝φ－θ）と、（２）式から求めたデンドライト傾角（ω＝－ａ×ｐ）を比較すると、両者はほぼ一対一で対応した。これより、（６）式により熱延後のデンドライト傾角は予測できると考えられた。

前記（６）式は実験式であり、（６）式の右辺の値がφに一致するとの実験結果を表している。当該実験結果に基づいて本発明を実施するに際しては、（６）式の右辺の値を示す変数としてφ_Cを導入し、
φ_C＝θ－ａ×ｐ （１）
なる（１）式を定義する。そして、θとｐを調整して、（１）式から算出されるφ_Cについて－１０°≦φ_C≦１０°となるように調整する。

即ち、双ロール式連続鋳造を用い、鋳片のデンドライトの傾きθを調整するとともに、連続鋳造後の熱間圧延における圧下率ｐを調整することにより、（１）式に基づいてφ_Cを調整し、デンドライト傾角の小さい薄鋼板（特殊鋼板素材）の製造が可能となった。ここにおいて、製造する品種について、あらかじめ（１）式のａの値を実験により定めておく。

さらに、予め再結晶しない限界圧下率ｐ_ｍａｘを求めておき、下記（４）式を満たすことで、未再結晶の特殊鋼板素材が得られる。この結果、デンドライト傾角を小さくすることと生産性を両立し、高品質な特殊鋼板を製造できる。本試験で用いた２鋼種では、限界圧下率ｐ_ｍａｘはほぼ３０％同等であった。限界圧下率ｐ_ｍａｘは鋼種毎に都度求めておけばよい。
ｐ＜ｐ_ｍａｘ （４）

連続鋳造後の薄肉鋳片では、デンドライトの方向は＜１００＞方向である。そのため、熱間圧延で再結晶せずに凝固組織が残っている際には、熱間圧延後の特殊鋼板素材においても、デンドライトの方向は＜１００＞方向であるとみなされる。但し、熱間圧延で再結晶した場合には、内部から新しい結晶粒が生成・成長するため、凝固組織が完全に破壊されるので、デンドライトの傾きと＜１００＞方向は一致しなくなり、結晶方位はランダムになる。

表１に示す実施例において、本発明例Ｎｏ．１～１３については、（１）式のφ_Ｃが－１０°～１０°の範囲内にあり、圧下率ｐが（４）式を満足しており、結果として熱延後のンドライト傾角φが－１０°～１０°の範囲内にあり、再結晶していない特殊鋼鋼板素材を得ることができた。

一方、比較例Ｎｏ．１～８は、（１）式のφ_Ｃ及び熱延後のデンドライト傾角φがいずれも－１０°～１０°の範囲から外れていた。また、比較例Ｎｏ．１～４、６、７は、圧下率が（４）式を満たさず、特殊鋼板素材において再結晶が進行していた。なお、本発明範囲から外れる数値に下線を付している。

《溶鋼流動によるデンドライトの傾きθの推定》
通常の連続鋳造鋳片のデンドライトの傾きθは、岡野らによって（７）、（８）式に従うことが知られている（非特許文献２参照）。ここで、Ｖは溶鋼流速（溶鋼と凝固シェルとの間の相対速度）、ｆは凝固速度である。この式を変形すると（７）’、（８）’式で表せる。また、図２に示すように、凝固シェルと溶鋼との相対速度Ｖは、鋳造速度ｖと下降流の溶鋼流速ｗによって（９）式のように表せる。なお、溶鋼流速（相対速度Ｖ）が２～１００ｃｍ／ｓの範囲のとき、（７）’、（８）’式は適応できる。また、凝固速度ｆは鋳造スラブ厚などにも影響されるが、ｆ＝０．０１～１ｃｍ／ｓである。

このような知見から、薄肉鋳片についても、鋳造条件によっては、本式を用いてデンドライトの傾きθを推定することも可能である。
ｌｎＶ＝(θ＋9.73・ｌｎｆ＋33.7)／(1.45・ｌｎｆ＋12.5) ｖ＜５０ （７）
ｌｎＶ＝(θ＋4.83・ｌｎｆ＋7.2)／(0.1・ｌｎｆ＋5.4) ｖ≧５０ （８）
θ＝ｌｎＶ×(1.45 ・ｌｎｆ＋12.5)－(9.73・ｌｎｆ＋33.7) ｖ＜５０ （７）’
θ＝ｌｎＶ×(0.1 ・ｌｎｆ＋5.4)－(4.83・ｌｎｆ＋7.2) ｖ≧５０ （８）’
Ｖ＝ｖ－ｗ （９）

１ 鋳造ロール
２ 固定堰
３ 溶融金属プール部
４ ノズル
５ 薄肉鋳片
２０ ギャップ最小部
２３ 凝固シェル
２４ 鋳造方向
２５ 凝固シェル表面
２６ 固液界面
２７ デンドライト
ｖ 鋳造速度
ｗ 溶鋼流速
Ｖ 相対速度
θ 鋳片のデンドライトの傾き
φ 鋼板のデンドライトの傾き
ω 鋼板のデンドライトの傾き（鋳片のデンドライトの傾きが０°のとき）
η 鋳造弧角

Claims (2)

1. 双ロール式連続鋳造装置を用いて薄肉鋳片を鋳造し、前記薄肉鋳片を熱間圧延して特殊鋼板素材とする特殊鋼板の製造方法であって、
   鋳片のデンドライトの傾きをθとし（板垂線との間の角度であって、鋳造方向を正とする。）、
   製造する品種について、あらかじめ、θ＝０°の鋳片のサンプルを圧下率ｐで熱間圧延して得られたサンプルのデンドライトの傾きωと前記圧下率ｐとの関係式である下記（２）式から係数ａの値を定めるとともに、熱間圧延で再結晶しない限界圧下率ｐ_ｍａｘを定めておき、
   前記係数ａを用い、下記（１）式で表すφ_Cが、－１０°≦φ_C≦１０°を満足するように、鋳片のデンドライトの傾きθと圧下率ｐとを、下記（４）式の範囲内で調整することを特徴とする特殊鋼板の製造方法。
   ただし、圧下率ｐ（％）は、圧延前の板厚ｘと圧延後の板厚ｙとから下記（３）式によって求められる。
   φ_C＝θ－ａ×ｐ （１）
   ω＝－ａ×ｐ （２）
   ｐ＝（ｘ－ｙ）／ｘ×１００ （３）
   ｐ＜ｐ_ｍａｘ （４）
2. 双ロール式連続鋳造装置における鋳造速度を調整することにより、鋳片のデンドライトの傾きθを調整することを特徴とする請求項１に記載の特殊鋼板の製造方法。

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