JPH0626755B2 - 薄肉鋳片連続鋳造装置用冷却ドラム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ツインドラム方式，単ドラム方式，ドラム−
ベルト方式等の薄肉鋳片連続鋳造装置に使用される冷却
ドラムに関する。

〔従来の技術〕

近年、金属の連続鋳造の分野では、製造コストの切り下
げ、新材質の創出等を目的として、最終形状に近い薄肉
鋳片を製造する技術の開発が強く望まれている。この要
求に対して各種の方法が提案され、その一部は工業生産
のレベルにまで達している。しかし、これまでの方法
は、生産性，鋳片品質の確保等の点で未だ充分なものと
はいえない。

これらの薄肉鋳片の連続鋳造方法の中で構造が比較的簡
単な設備を使用するものには、鋳型の主構成要素として
内部水冷機構を備えた一対のドラムを使用するツインド
ラム方式，一本の冷却ドラムを使用する単ドラム方式，
冷却ドラムとベルトとの間に湯溜り部を形成するドラム
−ベルト方式等がある。これらの鋳造法においては、鋳
片の表面性状を安定して高水準に維持することが重要な
課題である。

すなわち、これらの連続鋳造方法は、従来と連続鋳造設
備によって製造されるスラブの場合と異なり、以後の工
程で圧延される度合を小さくすることができる薄肉鋳片
を得ることを狙って、開発されたものである。そのた
め、薄肉鋳片に肉厚変動或いは表面割れ等があると、こ
れが製品表面の欠陥となり、商品価値を著しく損なう危
険性が大きい。

そこで、良好な表面品質の鋳片を安定して製造すること
を目的として、種々の方法が検討されている。その１つ
として、冷却ドラムと凝固シェルとの間に、断熱層とな
るエアギャップを形成するように、冷却ドラムの周面に
凹凸を設けることが特開昭60−184449号公報で提案され
ている。このエアギャップによって、冷却ドラムの抜熱
能力が小さくなり、溶融金属の緩慢な冷却が行われる。
その結果、凝固厚みが板幅方向で均一化され、形状特性
の優れた薄肉鋳片の製造が可能になるとされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、冷却ドラムの周面に特定深さの凹凸を均一に付
け、それを所期の状態に維持するようにしただけでは、
充分な効果が安定して得られないことが判った。たとえ
ば、冷却ドラムの周面に大きな凹凸を連続して設けると
き、得られた薄肉鋳片の表面に凹凸が発生することは勿
論、その部分における熱応力の集中が促進され、逆に割
れの発生が助長される。また、冷却ドラムの周面に線状
や角状の凹凸を形成すると、凹凸の角部が割れの起点と
なって、薄肉鋳片に多数の割れを発生させる。

そこで、本発明者等は、これらの問題を解消するため、
冷却ドラムの周面に形成する凹凸に対する検討を行い、
直径が0.1〜1.2mmで円形又は長円状の開口部をもち、深
さが５〜100μｍの窪みが効果的であることを見い出
し、特開平1-83340号公報に開示した。このようにして
冷却ドラムの周面に設けられた窪みは、鋳造時に互いに
連続しない独立したエアギャップを形成する。その結
果、凝固シェルの冷却条件が緩和され、局部的に剛性が
低い状態にある部分に応力が集中することによる悪影響
を抑制している。

ところが、その後の研究によって、鋼種によっては周面
に前述の窪みを設けた冷却ドラムを使用して鋳造を行っ
た場合においても、割れ等の欠陥が発生することがみら
れた。この原因を調査したところ、冷却ドラムの周面に
おける窪みの分布及びその変動が割れ発生に大きな影響
を与えることを解明した。

そこで、本発明は、冷却ドラムの周面に設ける窪みの分
布形態に改良を加えることにより、割れ等の欠陥がなく
表面性状，形状特性に優れた薄肉鋳片を製造することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の薄肉鋳片連続鋳造装置用冷却ドラムは、その目
的を達成するため、溶融金属から直接薄肉鋳片を製造す
るドラム方式の連続鋳造装置に用い、その鋳型の一部を
構成する冷却ドラムにおいて、直径が0.1〜1.2mmの円形
又は長円状の開口部をもち、深さが５〜１００μｍの窪
みを、鋳型の一部を構成する冷却ドラムの周面にその分
布が周期的に変化するように形成し、且つ窪みの分布を
冷却ドラム周面積に対する窪みの面積率で表したとき、
この面積率の変動量がドラム軸方向１mmの距離に対して
５％以内となるようにしたことを特徴とする。

ここで、面積率とは、上述したように、冷却ドラム表面
に形成した窪みのトータル面積が、冷却ドラム周面積全
体に占める割合として定義され、本発明では、ドラム軸
方向（鋳片幅方向）に2.5mm、ドラム周方向に10mmの範
囲について面積率測定を行なっている。また、面積率の
変動量とは、ドラム軸方向に単位長さ（本発明では１m
m）だけ離れた位置における面積率の変化量として定義
され、以下これを面積率変動率と記載する。

〔作用〕

第４図は、通常の冷却ドラムの周面における凝固シェル
の成長状態を模式的に表した図である。

冷却ドラム１の周面に接する溶融金属２は、冷却ドラム
１を介した抜熱によって冷却され、凝固シェル３とな
る。冷却効果の大きい個所では、凝固シェル３の成長が
早く、比較的厚いシェル3aとなる。他方、冷却効果の小
さな個所では、凝固シェル３の成長が遅れ薄肉部3bとな
る。この薄肉部3bは、厚肉部3aに比較して強度が弱く、
応力の集中が生じ易い個所となる。また、厚肉部3aの凝
固収縮に伴って、薄肉部3bが引っ張られ、冷却ドラム１
の周面との間にエアギャップ４が発生する。このエアギ
ャップ４が断熱層として働くため、薄肉部3bの成長が更
に遅れ、そこに割れ等の欠陥が発生する。

これに対し、冷却ドラム１の周面に窪みを設けた先願・
特開平1-83342号公報に開示した冷却ドラムでは、エア
ギャップ４を積極的に作り、冷却ドラム１の軸方向に関
して多数の厚肉部3a及び薄肉部3bを所定の周期で形成す
る。そして、多数の薄肉部3bが存在するため、応力集中
が分散され、割れ発生の原因となるような力が薄肉部3b
に加わることを抑制している。しかし、冷却ドラム１の
周面に均一な分布で窪みを形成した場合でも、鋼種によ
っては割れの発生を完全に防止することができない。

この割れ発生は、ステンレス鋼ＳＵＳ304等のように凝
固時に変態を伴う鋼種において、特に顕著に観察され
た。すなわち、これらの鋼種では、冷却ドラムの周面に
均一な窪みを形成することによって、マクロ的には応力
集中が分散されて、割れ発生を大幅に低減できた。しか
し、ミクロ的には、変態応力に起因すると考えられる10
〜50mmの周期的な凝固シェルの小さなうねりが発生し、
これが原因で微少な割れが認められた。

そこで、本発明においては、冷却ドラム１の周面に設け
る窪みの分布を所定周期をもつものとすると共に、その
周期における単位長さ当たりの面積率の変動量、すなわ
ち面積率変動率をドラム軸方向１mmの距離に対して５％
以内となるようにすることにより、冷却ドラム１の周面
で生じる凝固シェル３の厚肉部3a及び薄肉部3bの周期を
制御している。これにより、薄肉鋳片の変形が打ち消さ
れ、割れ等の欠陥がない高品質の製品となる。

ここで、面積率変動率とは、前述したように、刻設され
た窪みの密度によって変化する冷却ドラム１周面の窪み
の面積率の変化量をドラム軸方向単位長さ（本発明では
１mm）について表した値をいう。すなわち、窪みの刻設
によって、第１図に示すように、窪みが密な個所では面
積率が大きくなっており、粗な個所では面積率が小さく
なっている。この密な部分と粗の部分との間の面積率の
変動率α（％／mm）は、曲線上の各点における接線の勾
配で表される。

ここで、面積率変動率を５％／mm以内とすることが必要
である。これは、面積率変動率が５％／mmを越えた場
合、その部分の両側の面積率の差が大きくなりすぎるた
めに、鋳片の温度ムラが激しくなり、それに伴い鋳片に
熱収縮量の差、強度の差が生じ、割れの原因となるため
である。

なお、窪みの面積率変化の周期ｗを５〜40mm，周期ｗ内
での面積率の変化量ｈを10〜30％とすることが好まし
い。これは、先に述べたように凝固シェル自体の変形
は、実験事実として多くの場合10〜50mmの範囲でうねり
を生じることが確認され、しかもこの範囲のうねりを冷
却ドラム周面に形成した窪みの面積率変化で強制的に打
ち消すためには、凝固シェルの変形モード範囲に対応す
る冷却ドラム表面に、窪みの面積率の周期的な変化が少
なくとも２つ以上存在しなければ効果のないことが明ら
かとなった理由による。また、面積率に関しては、変化
量ｈが小さすぎても効果は低減し、10〜30％の範囲が最
適であることが判った。一方、窪みの面積率変化の周期
ｗと面積率の変化量ｈとの関係は、正弦函数を原則とす
るが、本実験結果では正弦函数からずれた連続函数であ
っても、あまり有意差のないことが確認された。

このように、本願発明において窪みの面積率及びその面
積率変動率を設定し、面積率変動率を規定する意味をま
とめてみると、以下の通りである。

まず、冷却ドラム周面が平滑で窪みがない場合には、得
られた鋳片の表面に割れが多発する。そこで、第１ステ
ップとして、冷却ドラム表面に均一な窪みを設けたとこ
ろ、鋳片表面の割れの発生は減少する。このように、冷
却ドラム表面に設けた窪みの特徴を表現するために、１
個の窪みについては、形状、大きさ、深さを指標として
設け、全体については、窪みの総量を冷却ドラム周面に
占める面積率によって定義している。

一方、冷却ドラム表面に均一な窪みを設けたとしても、
凝固シェル自体が変形して10〜50mmの範囲でうねりが生
じ、その結果、それに起因する割れが発生する。このよ
うな凝固シェルの変形は、その変形モード範囲に対応す
る冷却ドラム表面に、第１図に示したような窪みの面積
率の周期的変化を少なくとも２つ以上存在させることに
より、防止可能となる。

ところが、この窪みの面積率の周期的変化による面積率
の変動が大きくなり、単位長さ当たりの面積率の変動
量、すなわち、面積率変動率が５％／mmを越えるように
なると、窪みの面積率の大きい部分と小さい部分との冷
却条件に大きな違いがでてきて、割れが発生する。この
ように、面積率の変動が割れの発生に大きく影響するこ
とから、窪みの面積率の変動量、すなわち面積率変動率
が重要な意味を、持つ。

こうして、本願発明では、従来の知見（特開平1-83342
号公報参照）にあるように、窪みの仕様を直径が0.1〜
1.2mmの円形又は長円状の開口部をもち、深さが５〜１
００μｍのものとし、これを鋳型の一部を構成する冷却
ドラムの周面にその分布が周期的に変化するように形成
して、且つ窪みの分布を冷却ドラム周面積に対する窪み
の面積率で表したとき、この面積率の変動量がドラム軸
方向１mmの距離に対して５％以内となるようにする。な
お、窪みは、上記のような条件で冷却ドラム周面上に刻
設されるのであって、冷却ドラムそのものの形状、ある
いは構造を直接変更させることはない。

〔実施例〕

第２図は、冷却ドラムの周面に設けた窪みの分布例を示
した図である。ただし、冷却ドラムの軸方向を、第２図
において左右方向に揃えている。第２図(a)の例では、
冷却ドラムの軸方向に関し20mmの周期ｗで窪みの面積率
を最高30％から最低15％（変化量ｈ＝15％）で周期的に
変化させ、且つドラム軸方向にみた面積率変動率αを3.
5％／mm以内にしている。更に、周方向に関しても同様
な分布をもって窪みの個数を変化させている。

他方、第２図(b)の例では、冷却ドラムの軸方向に関
し、15mmの周期ｗで窪みの面積率を最高40％から最低10
％（変化量ｈ＝30％）で周期的に変化させ、面積率変動
率を2.0％／mm以内にしている。なお、本例において、
周方向に関する面積率の変化も、たとえば面積率の小さ
な個所が周方向に連続することがないように、周期的に
面積率の大きな個所を設けているが、勿論なくても効果
が得られる。また、図示するように、面積率の変化も、
周方向に関して若干ふらつかせている。

なお、第２図(a)及び(b)何れの例においても、一つの窪
みは、深さが30μｍで直径0.5mmの円形状開口部をもつ
ものとして刻設した。

このように窪みを形成した冷却ドラムを、第３図に示す
ように組み込み、薄肉鋳片を製造した。すなわち、タン
ディッシュ５から注入された溶融金属２は、一対の冷却
ドラム１の間でプールを形成する。それぞれの冷却ドラ
ム１の周面で成長した凝固シェルは、キッシングポイン
ト６で圧接され、薄肉鋳片７として送り出され、ピンチ
ロール８等を経由して次工程に搬送される。なお、冷却
ドラム１の周片には、クリーニングブラシ９，ドラムコ
ータ10等を配置する場合もある。

この装置を使用して、温度1500℃のステンレス鋼組成を
もつ溶鋼から、65ｍ／分の鋳造速度で肉厚2.4mm，板幅8
00mmの薄肉鋳片７を製造した。得られた薄肉鋳片７の表
面状態を測定したところ、冷却ドラム１の種類に起因し
て第１表に示すように割れ発生状況が異なっていた。な
お、割れ発生指数は、鋳片表面積１m²当たりの縦割れ長
さ(m)で表している。

第１表から明らかなように、周面を平滑に仕上げた冷却
ドラム１を使用して鋳造を行った場合、得られた薄肉鋳
片７には多数の割れが発生していた。これに対し、深さ
30μｍで直径0.5mmの円形状開口部をもつ窪みを周期的
に形成した冷却ドラム１を使用した場合、割れ発生率
は、1/10以下に低減した。しかし、この場合にも、若干
の割れが発生することは避けられない。

そこで、第２図(a)及び(b)に示すように窪みを周期的に
変化させ、且つ面積率変動率αを５％／mm以下にした冷
却ドラム１を使用し鋳造を行ったところ、割れ発生は実
質的になくなった。これは、前述した窪みの周期的変化
で割れ発生を抑え込むメカニズムに対する考察を支持す
るものである。

次いで、窪みの面積率変化の周期ｗ及び面積率の変化量
ｈをそれぞれ５mm及び15％で一定にし、面積率変動率α
が割れ発生に与える影響を調べた。第２表は、その実験
結果を表したものである。第２表から明らかなように、
面積率変動率αが５％／mmを越えて大きくなりすぎる
と、窪みを粗に形成した部分と密に形成した部分とにお
ける冷却条件の相違が顕著になり、境界部分に割れが生
じ易くなった。これに対して、面積率変動率αを最高で
５％／mm以内に抑えるとき、窪みを周期的に形成した効
果が発揮され、優れた品質の薄肉鋳片が得られた。な
お、第２表においては、面積率変動率αを最高値で表し
ている。

〔発明の効果〕 以上に説明したように、本発明においては、冷却ドラム
の周面に形成する窪みの分布に周期的な変化を与え、且
つ面積率変動率を５％／mm以内にすることによって、薄
肉鋳片の変形を打ち消すように凝固シェルの成長を行わ
せている。その結果、割れ等の欠陥がなく優れた表面性
状をもつ薄肉鋳片を製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷却ドラム周面に刻設した窪みの面積率変化の
周期ｗと面積率の変化量ｈとの関係を表したグラフであ
り、第２図は窪み分布に関する例を示し、第３図はこの
冷却ドラムを組み込んだ薄肉鋳片用連続鋳造装置を示す
概略図であり、第４図は凝固シェルの成長状態を模式的
に示す図である。 １：冷却ドラム、２：溶融金属 ３：凝固シェル、3a：厚肉部 3b：薄肉部、４：エアギャップ ５：タンディッシュ、６：キッシングポイント ７：薄肉鋳片、８：ピンチロール ９：クリーニングブラシ、10：ドラムコータ α：面積率変動率 ｗ：窪みの面積率変化の周期 ｈ：面積率の変化量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 重典 福岡県北九州市八幡東区枝光１丁目１番１ 号 新日本製鐵株式會社第三技術研究所内 (72)発明者 佐々木 邦政 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島製作所内 (72)発明者 山本 恵一 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融金属から直接薄肉鋳片を製造するドラ
   ム方式の連続鋳造装置に用い、その鋳型の一部を構成す
   る冷却ドラムにおいて、直径が0.1〜1.2mmの円形又は長
   円状の開口部をもち、深さが５〜１００μｍの窪みを、
   鋳型の一部を構成する冷却ドラムの周面にその分布が周
   期的に変化するように形成し、且つ窪みの分布を冷却ド
   ラム周面積に対する窪みの面積率で表したとき、この面
   積率の変動量がドラム軸方向１mmの距離に対して５％以
   内となるようにしたことを特徴とする薄肉鋳片連続鋳造
   装置用冷却ドラム。