JP5045258B2

JP5045258B2 - 連続鋳造方法及び連続鋳造機

Info

Publication number: JP5045258B2
Application number: JP2007160653A
Authority: JP
Inventors: 浩淡路谷; 郁宏鷲見; 祐司三木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-06-18
Also published as: JP2008307599A

Description

本発明は、スラブ、ブルーム、ビレットなどの鋳片を鋳型から連続的に引き抜く連続鋳造方法及び連続鋳造機に関し、特に鋳片の表面の割れを減少させることができる連続鋳造方法及び連続鋳造機に関する。

連続鋳造機には、鋳型から垂直方向に鋳片を引き抜く垂直型のものと、鋳型を垂直方向に引き抜いた後、途中で湾曲させて水平方向に引き抜く湾曲型又は垂直曲げ型のものがある。鋳型を垂直方向に引き抜いたのでは、建屋が高くなってしまうので、鋳型を湾曲させる湾曲型又は垂直曲げ型の連続鋳造機が主流になってきている。

図１１は、垂直曲げ型連続鋳造機の模式図を示す。鋳片１は上部矯正帯１ａにおいて曲げられ、湾曲帯１ｂにおいて湾曲した状態を保った後、下部矯正帯１ｃにおいて平板状に曲げ戻される。上部矯正帯１ａ及び下部矯正帯１ｃにおいて、鋳片１には曲げ応力がかかる。この曲げ応力によって、上部矯正帯１ａにおいては鋳片１の下面側に引張りの歪２がかかり、下部矯正帯１ｃにおいては鋳片１の上面側に引張りの歪３がかかる。この鋳片１の上面側又は下面側の引張りの歪２，３が原因で、図１２に示されるように鋳片１（スラブ）の上面側又は下面側（主にコーナ部）には、横割れ４が発生することがある。横割れ４は最終的な製品の欠陥につながるので、横割れ４を減らしたり、鋳片１の表面を手入れしたりする加工が必要になる。

現在、薄板／厚板ハイテン材（高張力鋼板）やＮｂ，Ｖ添加鋼、Ｂ，Ｎ添加ブリキなど割れ感受性の高い鋼種では、連続鋳造機での横割れの発生を回避するため、鋳造速度の制限を設けたり、生産する連続鋳造機に規制を設けたりなどの対応を余儀なくされている。こういった鋼種の生産性は一般の鋼種に比べて生産性が低い上に、横割れ対策が工程上、運用上の大きな負荷になっている。

鋳片の横割れを防止する対策として、鋳片の二次冷却を制御する方法が知られている。この二次冷却の制御方法においては、例えば高温引張試験などによって材料の高温での延性を調査し、温度と断面収縮率（Reduction of area、以下ＲＡという）との関係から高温脆化温度域を求める。そして、上部矯正帯及び下部矯正帯における鋳片の表面の温度が高温脆化温度域に入らないように二次冷却を制御し、高温脆化温度域での矯正を避ける。鋳片の二次冷却を制御する方法の一例として、特許文献１には、鋳型出口の下方で鋳片を強く冷却し、鋳片の表面温度を一旦Ａｒ_３変態点以下にし、その後、高温脆化温度域よりも高温側に復熱させて鋳片を矯正することにより、鋳片の横割れの発生を防止する連続鋳造方法が提案されている。

鋳片の横割れを防止する技術として、鋳片の二次冷却を制御する方法以外に、鋳片に歪を付与する方法についても数多くの研究がなされている。例えば特許文献２には、連続鋳造時の鋳片の表層部深さ２ｍｍ以上に５％以上の加工歪を付与し、かくして連続鋳造時の鋳片の熱間割れ、さらには直送圧延、ホットチャージ圧延における鋳片の熱間割れを防止する技術が開示されている。非特許文献１には、鋳片に２０％以上の歪を付与することによって、動的再結晶によるオーステナイト粒径の微細化を図る技術が開示されている。
特開平９−２５３８１４号公報（特許請求の範囲参照）特公平４−６８０６９号公報（特許請求の範囲参照）材料とプロセス，１４（２００１）,１１５１大内ら

しかし、二次冷却の制御によって横割れを防止できるのは、一部の鋼種だけである。しかも鋳造速度を下げざるを得ない（高速鋳造であると、二次冷却の不足で鋳片の表面が充分に冷却されない）から、生産性を阻害する場合がある。

鋳片に歪を付与する方法においては、効果を発現させるための必要歪量は、これまでの報告事例のなかでは比較的大きい値となっている。例えば特許文献２には、連続鋳造時の鋳片の熱間割れを防止するためには、５％以上の加工歪を付与する必要があることが記載されている。非特許文献１には、動的再結晶に必要な歪量は概ね１５〜４０％であると記載されている。

連続鋳造機内で鋳片に５％以上の大きな歪を与えるのは困難を伴う（例えばダイ圧下プレスなどの大型設備が必要になる）ので、現状では実機に応用できていないのが実情である。しかも連続鋳造機の下部矯正帯の前で鋳片に５％以上の歪をかけると、その歪によって鋳片が割れるという弊害も出る。

そこで本発明は、連続鋳造機内での鋳片の横割れを防止することができる新たな連続鋳造方法及び連続鋳造機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻す連続鋳造方法において、鋳型から引き抜いた鋳片が前記下部矯正帯に到達するまでの間に、鋳片表面温度域が７００〜９００℃の当該鋳片に歪量が５％以内の複数回の歪を与え、当該鋳片の歪の歪速度を前記下部矯正帯の鋳片の歪速度よりも大きくすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連続鋳造方法において、複数の圧延ロールが鋳片を複数回圧延することによって、鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の連続鋳造方法において、前記下部矯正帯に鋳片が到達するまでの間に当該鋳片を曲げたり、曲げ戻したりすることによって、前記鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻すことができるように、鋳片の両側面に対向して配列される多数のロールと、鋳型から引き抜いた鋳片が前記下部矯正帯に到達するまでの間に、鋳片表面温度域が７００〜９００℃の当該鋳片に歪量が５％以内の複数回の歪を与える歪付与手段と、を備え、当該鋳片の歪の歪速度を前記下部矯正帯の鋳片の歪速度よりも大きくする連続鋳造機である。

歪を付与することによって連続鋳造時の鋳片の横割れを防止するためには、鋳片に５％以上の歪を付与することが常識であった。裏を返せば、５％以内の歪量では効果がないといわれていた。しかし実験の結果、５％以内の歪を複数回付与することで、鋳片の結晶粒が微細化し、延性が向上する効果があることがわかった。連続鋳造機内で鋳片に５％以下の歪をかけるのは現実的にも可能である。下部矯正帯の前で鋳片に予備的に５％以下の複数回の歪を付与することによって、延性が向上するので、下部矯正帯での鋳片の横割れを防止することができる。

以下添付図面に基づいて本発明の連続鋳造方法の一実施形態を説明する。図１は連続鋳造機の一例であるツーストランドタイプの垂直曲げ型連続鋳造機の概略図を示す。溶鋼はタンディッシュ６を介して鋳型７に注湯される。鋳型７から引き抜かれる鋳片９には、スプレーノズル８から冷却水が吹き付けられる。鋳型７から引き抜かれる鋳片９を垂直方向から水平方向に案内するために、円弧、放物線などの曲線に沿って多数のロール１０が配列される。多数のロール１０の下流側には、引抜き装置が連続して設けられる。引抜き装置の下流側には、固化した鋳片を切断するガストーチ、油圧切断などの切断装置１１が設けられる。切断装置１１によって切断された鋳片９は、連続鋳造機から排出され、圧延装置に搬送される。図中１２は電磁撹拌装置である。

本実施形態では、薄板／厚板ハイテン材や、Ｎｂ，Ｖ添加鋼、Ｂ，Ｎ添加ブリキなど割れ感受性の高い鋼種の連続鋳造機内の割れ防止対策として、図２に示されるように、下部矯正帯９ｃ前の湾曲帯９ｂの鋳片９に予備的に歪みを付与する歪付与手段１４を設けている。連続鋳造機内において、鋳片９に一度に大きな歪を付与するのには限界がある。しかしながら、連続鋳造機内で鋳片９（スラブ）は、複数のロール１０によってサポートされている。この複数のロール１０を用いて鋳片９の表層に小さな歪を複数回与える。歪付与手段１４は湾曲帯９ｂにおいて歪量が５％以内の複数回の歪を鋳片に付与する。この位置で歪を付与することで、結晶粒を微細化し、延性の向上を発現させる。

図３は、歪付与手段１４の具体例を示す。この例は、ロール圧下方式の歪付与手段である。連続鋳造機内には鋳片９の搬送方向に複数の、例えば三つの圧延ロール１０ａ〜１０ｃが設けられる。複数の圧延ロール１０ａ〜１０ｃで鋳片９を複数回圧延することによって、鋳片９に複数回の、例えば三回の歪を与えることができる。鋳片９の両側面に設けられる一対の圧延ロール１０ａ〜１０ｃが一回分の歪を付与する。一回の歪量は５％以内である。歪を付与するとき、圧延ロール１０ａ〜１０ｃにはロール反力がかかるので、圧延ロール１０ａ〜１０ｃの背面側にはバックアップロール１６が設けられる。

図４は、歪付与手段の他の例を示す。この例においては、鋳片を曲げられるように鋳片９のパスラインをずらして複数のパスライン変更ロール１０ｄ〜１０ｆを配列する。湾曲帯９ｂにおいて湾曲した状態の鋳片９をさらに曲げたり、曲げ戻したりすることによって、鋳片９に複数回の歪を与える。鋳片９を曲げる度に、鋳片９の両側面のうちの一方の表面には引張りの歪が付与され、他方の表面には圧縮の歪が付与される。鋳片９に付与される最大の圧縮又は引張りの歪は５％以内に設定される。図４では、歪の付与方法がわかりやすいように、スラブを直線的に示しているが、湾曲帯でも同様の形態で歪を付与する。

歪付与手段１４によって鋳片９に予備的に与えられる歪（以下予歪という）の歪速度は、連続鋳造機の矯正曲げの歪速度よりも大きく設定される。これにより、予歪によって割れが発生するのを防止する。歪速度については後述する。

以下に、鋼の脆化のメカニズムに関して、１．脆化挙動と歪速度との関係、２．脆化の予測式による検討の項目に分けて説明する。

１．脆化挙動と歪速度との関係
図５は、各温度域の鋼の脆化挙動を示すグラフである（（出典）鈴木ら，鉄と鋼，６５，２０３８（１９７９））。
１２００℃〜固相線での脆化はI領域の脆化と呼ばれ、原因としてはデンドライト樹間の残溶鋼による液膜脆化、粒界溶融による液膜脆化と言われており、延性は歪速度に依存しない。
９００℃〜１２００℃での脆化はII領域の脆化と呼ばれ、原因としては酸化物、硫化物、燐化物などの粒界析出と言われており、歪速度が大きいほど脆化する。
６００℃〜９００℃での脆化はIII領域の脆化と呼ばれ、原因としては酸化物、硫化物、炭・窒化物などの粒界析出、オーステナイト粒界に沿って生成する初析フェライトと言われており、歪速度が小さいほど脆化する。

表１に各温度域の鋼の脆化挙動の特徴を示す。

図５のメカニズムに従い、連続鋳造機内の矯正割れを分類した結果を表２に示す。連続鋳造機内での矯正割れは、鋳片（スラブ）の表面温度が概ね７００℃〜９００℃で発生している。この温度域は脆化のIII領域であり、歪速度が小さいほど脆化する領域である。連続鋳造機内の矯正歪の歪速度は約１０^-4〜１０^-3と小さいためにより割れを助長し易いといえる。

２．脆化の予測式による検討
ここではMintzらの研究を参照して、ＲＡに及ぼす歪速度の影響、結晶粒径の影響について考察する。Mintzらは数種の鋼の延性を調査し、また他の研究者のデータも参照した結果、下記に示すＲＡの推定式を導出している。

（（出典）B.Mintz,etc, International Materials Reviews,36,187(1991)）

なお、（１）式が適応できる範囲は、結晶粒径ｄが５００μｍ以下、歪速度ε′が１０^-4以上１０^-1以下、成分が１．０％＜Ｍｎ＜１．４％、０．００５％＜Ｓであり、この範囲内では±１２％の誤差で予測できるとしている（信頼区間９５％）。予測可能温度は７００℃から１０００℃としており、表１におけるIII領域の脆化に対応することになる。

この予測式から計算したMinimum ＲＡ（％）と歪速度の関係を図６に示す。ここでは便宜的にｓ＝１０００ｎｍとして算出を行った。図６より歪速度が大きくなるとＲＡが増加しており、歪速度が大きい変形に対しては割れにくくなるといえる。この温度域で鋳片に予歪加工を与える際には、歪速度を大きくすることで、ＲＡが低い状態での加工を避けることができる。例えば結晶粒径を５００μｍとすると連続鋳造機内の矯正曲げに相当する歪速度１０^-3／ｓではMinimum ＲＡが約１７％であるが、歪速度を１０^-1／ｓまで大きくするとMinimum ＲＡは約５７％まで上昇する。

上記検討より、７００℃〜９００℃程度の鋳片表面温度域で予歪加工を行う場合には、歪速度を大きくすることで、予歪加工そのものによって割れが発生することを回避できることがわかる。連続鋳造機内の矯正曲げに相当する歪速度が約１０^-3／ｓであるので、湾曲帯において予歪加工を行う場合の歪速度は、１０^-3／ｓ〜１／ｓに設定される。歪速度が１／ｓを越えると、式の予測範囲を超えて割れが発生するおそれがあるからである。さらにこの予歪加工で鋳片表層の結晶粒径を５００μｍから１００μｍまで微細化できたとすると、微細化効果によりＲＡは５０％まで向上するため、１０^-3／ｓの歪速度である連続鋳造機内の矯正歪に対しても、割れに関してある程度の耐性を持つことができる。

図７は、予測式から計算したMinimum ＲＡ（％）と結晶粒径の関係を示す。図６と同様に結晶粒径が小さくなると、すなわち結晶粒径が微細化すると、Minimum ＲＡ（％）が向上することがわかる。例えば歪速度を連続鋳造機内の矯正曲げに相当する歪速度１０^-3／ｓとすると、結晶粒径が５００μｍの場合にはMinimum ＲＡが約１７％であるが、結晶粒径を１００μｍまで微細化できるとMinimum ＲＡは約５０％まで上昇することがわかる。これにより、結晶粒を微細化することによる延性回復の効果を概ね算出することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、上記実施形態では、本発明を垂直曲げ型連続鋳造機に適用した例を説明したが、本発明は、図９に示される湾曲型連続鋳造機にも適用できる。垂直曲げ型連続鋳造機では垂直に鋳片を送るために平板鋳型であるが、湾曲型連続鋳造機の場合、円弧状に鋳片を送るために湾曲鋳型２１になっている。鋳型内面が湾曲しているため、湾曲した鋳片が送り出され、下部矯正帯２２で曲げ戻し矯正を行い鋳片とする。垂直曲げ型連続鋳造機とは上部矯正帯での曲げ工程がない点で相違する。

予歪の付与による脆化の回復効果を確かめる実験を行った。実験は、加工フォーマスタを用いる。サンプルに予歪加工を加えてから引張試験を行い、断面収縮率ＲＡを測定する。図８は繰返し歪付与実験温度の履歴を示す。予歪の歪速度は０．０１／ｓである。破断のときの歪速度は連続鋳造機の下部矯正帯の歪速度を想定して２×１０^-3／ｓとする。

表３は繰返し歪付与実験−実験水準一覧を示す。

表４はサンプル成分を示す。

比較例として予歪加工を行わないもの、一回歪付与を行ったもの、二回歪付与を行ったものを最終的に試験温度８５０℃で破断させた。

図１０はＲＡの測定結果を示す。予歪加工を行わなかった比較例のＲＡ＝４５．６％に対して、一回歪付与を行ったサンプルは歪量に応じてＲＡが上昇し、脆化が回復していることがわかる。また、二回歪付与を行ったサンプルについてもトータル歪量に併せてＲＡが上昇している。一回歪付与でも二回歪付与でも、概ねトータル歪量に併せてＲＡが増加している。言い換えると、歪を分割して少量ずつ与えても一回歪付与と同様の効果があることがわかる。連続鋳造機内においても、一度に大きな歪を付与するのではなく、複数回付与することで脆化回復に必要な一回あたりの歪量が低減可能であることが示唆される結果となった。

なお、この実験では３％の歪を二回付与した場合が最もＲＡが高くなることがわかった。また、予歪加工の歪速度は１０^-2／ｓと小さいもののここでは予歪加工することによるＲＡの低下（予歪そのものによるクラック、微小割れの発生などが想定される）は生じなかった。

垂直曲げ型連続鋳造機の概略図歪付与手段を示す概念図ロール圧下方式の歪付与手段を示す概念図パスライン変更方式の歪付与手段を示す概念図各温度域の鋼の脆化挙動を示すグラフＲＡに及ぼす歪速度の影響を示すグラフＲＡに及ぼす結晶粒径の影響を示すグラフ繰返し歪付与実験温度の履歴を示す図湾曲型連続鋳造機の模式図複数回付与による延性回復状況を示すグラフ垂直曲げ型連続鋳造機の模式図鋳片のコーナ部に発生する割れを示す斜視図

符号の説明

９…鋳片
９ｂ…湾曲帯
９ｃ…下部矯正帯
１０…ロール
１０ａ〜１０ｃ…圧延ロール
１０ｄ〜１０ｆ…パスライン変更ロール
１４…歪付与手段

Claims

鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻す連続鋳造方法において、
鋳型から引き抜いた鋳片が前記下部矯正帯に到達するまでの間に、鋳片表面温度域が７００〜９００℃の当該鋳片に歪量が５％以内の複数回の歪を与え、当該鋳片の歪の歪速度を前記下部矯正帯の鋳片の歪速度よりも大きくすることを特徴とする連続鋳造方法。
複数の圧延ロールが鋳片を複数回圧延することによって、鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造方法。
前記下部矯正帯に鋳片が到達するまでの間に当該鋳片を曲げたり、曲げ戻したりすることによって、前記鋳片に複数回の歪を与えることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造方法。
鋳型から引き抜いた鋳片を下部矯正帯において曲げ戻すことができるように、鋳片の両側面に対向して配列される多数のロールと、
鋳型から引き抜いた鋳片が前記下部矯正帯に到達するまでの間に、鋳片表面温度域が７００〜９００℃の当該鋳片に歪量が５％以内の複数回の歪を与える歪付与手段と、を備え、
当該鋳片の歪の歪速度を前記下部矯正帯の鋳片の歪速度よりも大きくする連続鋳造機。