JP5053333B2

JP5053333B2 - 鋼の連続鋳造方法

Info

Publication number: JP5053333B2
Application number: JP2009160945A
Authority: JP
Inventors: 健介岡澤; 敏之梶谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2009220181A

Description

本発明は、鋼の連続鋳造の鋳造方法に関するものであり、高粘性パウダーを用いた鋳造、または、高鋳造速度での鋳造方法に関する。

鋼の連続鋳造では、粘性の高い連鋳パウダーを用いることや、高鋳造速度で鋳造することのメリットは大きい。前者は、パウダーの巻き込みを防止し、パウダーに起因する欠陥数を低減することができる。一方、後者は、生産性を上げ、プロセス生産計画に余裕を持たせることができる。

しかし、より高い粘性の連鋳パウダーを用いた鋳造、より高鋳造速度での鋳造のいずれの場合も、鋳造すること自体が困難である。その原因は、連鋳パウダーの粘性が高いほど、鋳造速度が大きいほど、溶融パウダーの鋳型−鋳片間への流入量が減り、潤滑性の欠如に起因する鋳片の焼き付け、さらには、ブレークアウトが発生するからである。

よって、粘性の高い連鋳パウダーを用いる場合または高鋳造速度での鋳造では、的確なパウダー流入量の予測が必須となってくる。

このパウダー流入については、従来多くのモデルが提案されている。非特許文献１、非特許文献２等のNavier-Stokes式を基礎式とするもの、非特許文献３、非特許文献４等のReynolds方程式を基礎式とするもの等が、その代表例として挙げられる。

ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ，Ｖｏｌ．５（１９９２），ｐ１２２１ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ，Ｖｏｌ．１（１９８８），ｐ１４６製鉄研究，第３２４（１９８７），ｐ３０Ｓｔｅｅｌ＆ＭｅｔａｌｓＭａｇａｚｉｎｅ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１０（１９９０），ｐ６６１

しかしながら、従来のモデル式では、図１に示すように、Navier-Stokes式やReynolds方程式から求まるパウダー１の静圧２と凝固シェル３の剛性４、溶鋼５の静圧６との釣り合いを静的に解き、パウダー消費量７を求めていた。この際、鋳型−鋳片間距離８は一定として扱われていた。

しかし、実現象は、図２に示すように、鋳型振動９により、鋳型−鋳片間距離８は時々刻々と変化すると考えられる。また、パウダー１の静圧２と凝固シェル３の剛性４、溶鋼５の静圧６との釣り合いは、静的でなく、動的に扱わなくてはならない。

本発明は、鋳型振動による鋳型−鋳片間距離の時間的変化を考慮し、パウダー圧力と凝固シェルの剛性、溶鋼静圧との関係を動的に扱うモデルを用いる。このモデル式を用い、連鋳パウダーの粘性が高い場合の鋳造、鋳造速度が大きい場合の鋳造、それぞれについて鋳造を可能にするオシレーション条件や鋳型テーパー等の鋳造諸条件を求め、これを用いた鋼の連続鋳造方法を提供する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は、以下のとおりである。

（１）鋼の連続鋳造において、１０ｐｏｉｓｅ以上の粘性の連鋳パウダーを用いるとき、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の鋳造速度を用いるとき、ばね係数Ｋを１（Ｓ^-2）以上１００（Ｓ^-2）以下、質量を表わす係数Ｍを１０（ｋｇ）以上１０⁶（ｋｇ）以下、物性依存係数Ａを１０⁵（ｍ^1-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以上１０⁷（ｍ^1-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以下、鋳型振動依存乗数γを１以上４以下として、下記（ａ）式と（ｂ）式と（ｅ）式とを解いて得られる鋳造条件で連続鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。

（２）鋼の連続鋳造において、１０ｐｏｉｓｅ以上の粘性の連鋳パウダーを用いるとき、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の鋳造速度を用いるとき、ばね係数Ｋを１（Ｓ^-2）以上１００（Ｓ^-2）以下、質量を表わす係数Ｍを１０（ｋｇ）以上１０⁶（ｋｇ）以下、物性依存係数Ａを１０⁵（ｍ^1-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以上１０⁷（ｍ^1-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以下、鋳型振動依存乗数γを１以上４以下として、上記（ａ）式と（ｂ）式と（ｅ）式とを解いて得られる鋳造条件にすることでパウダー消費量の時間平均値を０．１ｋｇ／ｍ²以上１０ｋｇ／ｍ²以下にして連続鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。

（３）鋳型と鋳片の間の溶融パウダーが充満している縦に細長い領域が、すべての深さでまたは上部１ｃｍを除く下部の範囲で、下に行くほど広がっているとして、前記各式を解くことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の鋼の連続鋳造方法。

（４）さらに、下記（ｆ）式を満たす鋳型オシレーションの振動数かつ鋳型オシレーションの振幅を用い、さらに、鋳型テーパーを０．５％以上１％以下にすることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼の連続鋳造方法。

本発明の連続鋳造方法を用いることにより、高粘性な連鋳パウダーを用いる鋳造、または、高鋳造速度での鋳造において、潤滑不良が発生することなく、安定した鋳造をすることができる。

従来のパウダー流入モデルの一例を説明する図である。本発明方法で用いるパウダー流入モデルを説明する図である。本発明方法で用いる座標系を説明する図である。本発明方法で用いる鋳型と凝固シェル間の隙間形状を示す図である。

本発明の方法は、（ａ）式と（ｂ）式を解いた結果、得られる鋳造条件を用いることによって、１０ｐｏｉｓｅ以上の高粘性の連鋳パウダーを用いる鋳造、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の高鋳造速度での鋳造等の、通常、困難とされる鋳造を可能にする方法である。

ここで、（ａ）式と（ｂ）式、これから説明する（ｃ）式と（ｄ）式での座標を、図３に示した。（ａ）式は、レイノルズ方程式であり、鋳型−鋳片間の溶融した連鋳パウダーの質量保存を表わしている。（ｂ）式は、凝固シェルの運動方程式である。

従来は、ナビエ−ストークス（Navier-Stokes）式またはレイノルズ（Reynolds）方程式（（ａ）式）を解き、図１に示したような、圧力と溶鋼静圧が釣り合っている静的な状態を仮定していた。しかし、図２に示したように、実際のパウダー流入は、鋳型１０が上下に振動９し（鋳型オシレーション）、この作用により鋳型−鋳片間距離（ｈ）８も変動するという非定常現象である。

本発明では、凝固シェル３を運動方程式（ｂ）式で扱うことによって、動的に解くことができる。この結果、経時的な鋳型−鋳片間距離ｈの変化を求めることができる。このｈを（ｄ）式に代入すると、経時的に変化するパウダー消費量Ｑが得られる。従来は静的な状態を仮定していたために、本来変化するＱが一定値として求められており、その大きさにも信頼性がなかった。

このパウダー消費量Ｑは、潤滑不良がない安定した鋳造が可能か不可能かの重要なパラメータとなる。本発明者らの経験では、このＱの時間平均値が０．１（ｋｇ／ｍ²）以上のとき、安定した鋳造が可能であるとの結果を得ている。つまり、このＱの時間平均値が０．１（ｋｇ／ｍ²）以上とならしめる鋳造条件が、安定した鋳造を可能にする鋳造条件である。

ただし、Ｑの時間平均値が大きくなり過ぎても鋳造不安定が生じる。Ｑが大きくなると、鋳型−鋳片間距離ｈが大きくなり、凝固シェルの水平方向への振れ幅が大きくなるからである。よって、Ｑの時間平均値は１０（ｋｇ／ｍ²）以下が望ましい。

鋳型−鋳片間距離ｈを求めるとき、（ａ）式を境界条件（ｆ）式で解くと得られる（ｃ）式を用いる方法が、特に有効である。（ａ）式の代わりに、この（ｃ）式を（ｂ）式と連立して解析的に解き、経時的に変化するｈを求め、以下同様にして安定した鋳造を可能にする鋳造条件を求めることができる。

ここで言う鋳造条件とは、鋳造速度Ｖｃ、鋳型振動振幅ｄ、鋳型振動周波数ｆ等の（ａ）式、（ｂ）式、および（ｃ）式で考慮されている鋳造で制御できるパラメータである。解析の結果、Ｑの時間平均値が０．１（ｋｇ／ｍ²）以上になったとき、この解析に用いたＶｃ、ｄ、ｆ等が、その鋳造条件ということになる。

（ｂ）式中の抵抗係数Ｂは、凝固シェルが動くときに、溶鋼や溶融スラグから受ける抵抗の程度を示している。当然、抵抗係数Ｂは、溶融スラグや溶鋼の流動や粘性に依存することになる。各鋳造において、溶鋼の流動や粘性には大きな変化がないと考えると、抵抗係数Ｂは、溶融パウダーの流動や粘性のみに依存することになる。

このような観点から、Ｂを（ｅ）式のようにモデル化する。（ｅ）式中の鋳型振動振幅と周波数は、溶融パウダーの流動の影響を表わしている。この式は非常に有効であり、パウダー消費量の粘性依存性や鋳型振動条件依存性を再現することができる。

また、（ｂ）式でのばね係数Ｋは、１（ｓ^-2）以上１００（ｓ^-2）以下、質量を表わす係数Ｍは、１０（ｋｇ）以上１０⁶（ｋｇ）以下が好ましい。ばね係数Ｋは、凝固シェルの弾性変形による復元力の程度を示している。一方、Ｍは、凝固シェルの質量を示しているが、パウダーが充満している深さだけではなく、実効的にその下の部分の質量も含んでいる。

それぞれに正確な値が存在するが、いずれも測定あるいは理論的に求めることは困難である。ただし、上記したＫおよびＭの範囲内では求まるパウダー消費量の大きさは一定しており、その傾向も現実を再現している。

このことから正確なＫおよびＭは、この範囲内にあると考えられる。逆に、Ｋ、Ｍが上記範囲を外れれば、パウダー消費量の大きさは現実のものと合わなくなってくる。

さらに、物性依存係数Ａは、１０⁵（ｍ^1-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以上１０⁷（ｍ^1-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以下、鋳型振動依存乗数γは１以上４以下とすることが望ましい。これらも正確な値を測定あるいは理論的に求めることは困難である。

ただし、上記したＡおよびγの範囲内であれば、求まるパウダー消費量の大きさは一定しており、その傾向も現実を再現している。上記範囲外であれば、パウダー消費量の大きさは現実のものと合わなくなってくる。

また、本発明方法では、図４に示すように、鋳型１０と凝固シェル３の間の溶融パウダー１が充満している縦に細長い領域１１が、すべての深さでまたは凝固シェルの上部１ｃｍ程度を除く下部の範囲で、下に行くほど広がっていることを仮定する必要がある。現実には、凝固シェル３の凝固による収縮により下に行くほど、広がると考えられる。そして、この領域の形状はパウダー流入減少に非常に大きな影響を与える。

もし、このように仮定しないと、鋳造速度が増加してもパウダー消費量が減少しない等、現実と異なる傾向になってしまうことになる。

この本発明方法の解析の結果、１０ｐｏｉｓｅ以上の高粘性の連鋳パウダーを用いる鋳造、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の高鋳造速度での鋳造、等の通常、困難とされる鋳造で、Ｑの時間平均値が０．１（ｋｇ／ｍ²）以上となる鋳造条件として、以下の条件が得られた。

まず、鋳型オシレーションの振動数と振幅、鋳造速度は、（ｆ）式を満足する値であること、次に、鋳型テーパーは、０．５％以上１％以下となることである。（ａ）〜（ｅ）式を解く方法も有効であるが、この条件を用いれば困難な鋳造を可能にすることができる。

以上述べたように、本発明方法を用いると、１０ｐｏｉｓｅ以上の高粘性の連鋳パウダーを用いる鋳造、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の高鋳造速度での鋳造等の、通常、困難とされる鋳造において潤滑を欠如することなく安定した鋳造を可能にすることができる。

（実施例１）
粘性が６ｐｏｉｓｅ、２４ｐｏｉｓｅの２種類の連鋳パウダーを使用し、鋳造を実施した。このとき鋼の組成は、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．００６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０２％、Ｍｎ：０．０５〜０．２％、Ｐ：０．０１〜０．０２％、Ｓ：０．００２〜０．０２％、Ａｌ：０．０２〜０．１％、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物元素である。鋳造速度は１ｍ／ｍｉｎとした。

また、表１に示すように、鋳型オシレーションの振動数と振幅が０．７５Ｈｚと４ｍｍ（半幅）（（ｆ）式を満たす）、鋳型テーパーを０．７％とした本発明の解析の結果得られる条件である本発明方式１、振動数と振幅が０．６３３Ｈｚと４ｍｍ（（ｆ）式を満たさずｆ＜１．１Ｖｃ／２πｌを満たす）、鋳型テーパーを０．７％とした本発明の解析の結果得られる条件ではない比較方式１、振動数と振幅が１．１７Ｈｚと４ｍｍ（（ｆ）式を満たさずｆ＞１．１Ｖｃ／２πｌを満たす）、鋳型テーパーが０．７％である本発明の解析の結果得られる条件ではない比較方式２、鋳型テーパーが０．４％、１．２％（本発明の解析で得られる条件の範囲外）とし、その他の条件は本発明方式１と同様である比較方式３、４について、それぞれの鋳造の状況を比較した。

表２に示すように、６ｐｏｉｓｅおよび２４ｐｏｉｓｅ双方の連鋳パウダーにおいて、表面欠陥、ブレークアウト等の障害なく鋳造できたのは、本発明方式１のみであった。いずれの比較方式も、２４ｐｏｉｓｅの連鋳パウダーでの鋳造に表面欠陥、ブレークアウトの障害が発生した。

以上のことから、本発明方法により高い粘性の鋳造が可能になることが判明した。

（実施例２）
１ｍ／ｍｉｎ、４ｍ／ｍｉｎの２通りの鋳造速度で、鋳造を実施した。このとき、鋼の組成は、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．００６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０２％、Ｍｎ：０．０５〜０．２％、Ｐ：０．０１〜０．０２％、Ｓ：０．００２〜０．０２％、Ａｌ：０．０２〜０．１％、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物元素である。パウダー粘性は、いずれも１ｐｏｉｓｅとした。

また、表３に示すように、鋳型オシレーションの振動数、振幅が０．７５Ｈｚと４ｍｍ（半幅）（（ｆ）式を満たす）、鋳型テーパーが０．７％とした本発明の解析の結果得られる条件である本発明方式２、振動数、振幅が０．６３３Ｈｚと４ｍｍ（（ｆ）式を満たさずｆ＜１．１Ｖｃ／２πｌを満たす）、鋳型テーパーが０．７％ある本発明の解析の結果得られる条件ではない比較方式５、振動数、振幅が１．１７Ｈｚと４ｍｍ（（ｆ）式を満たさずｆ＞１．５Ｖｃ／２πｌを満たす）、鋳型テーパーを０．７％とした本発明の解析の結果得られる条件ではない比較方式６、鋳型テーパーが０．４％、１．２％（本発明の解析で得られる条件の範囲外）とし、その他の条件は本発明方式２と同様である比較方式７、８について、それぞれの鋳造の状況を比較した。

表４に示すように、１ｍ／ｍｉｎおよび４ｍ／ｍｉｎ双方の鋳造速度において、表面欠陥、ブレークアウト等の障害なく鋳造できたのは、本発明方式２のみであった。いずれの比較方式も、４ｍ／ｍｉｎの鋳造速度で実施した場合、表面欠陥、ブレークアウトの障害が発生した。

以上のことから、本発明方法により高速な鋳造速度での鋳造が可能になることが判明した。

前述したように、本発明によれば、高粘性な連鋳パウダーを用いる鋳造、または、高鋳造速度で鋳造において、潤滑不良が発生することなく、安定した鋳造をすることができる。したがって、本発明は、鉄鋼製造産業における利用可能性が大きいものである。

１パウダー
２パウダーの静圧
３凝固シェル
４凝固シェルの剛性
５溶鋼
６溶鋼の静圧
７パウダー消費量
８鋳型−鋳片間距離
９鋳型振動
１０鋳型
１１縦に細長い領域

Claims

鋼の連続鋳造において、１０ｐｏｉｓｅ以上の粘性の連鋳パウダーを用いるとき、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の鋳造速度を用いるとき、ばね係数Ｋを１（Ｓ^-2）以上１００（Ｓ^-2）以下、質量を表わす係数Ｍを１０（ｋｇ）以上１０⁶（ｋｇ）以下、物性依存係数Ａを１０⁵（ｍ1^-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以上１０⁷（ｍ1^-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以下、鋳型振動依存乗数γを１以上４以下として、下記（ａ）式と（ｂ）式と（ｅ）式とを解いて得られる鋳造条件で連続鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
鋼の連続鋳造において、１０ｐｏｉｓｅ以上の粘性の連鋳パウダーを用いるとき、または、３ｍ／ｍｉｎ以上の鋳造速度を用いるとき、ばね係数Ｋを１（Ｓ^-2）以上１００（Ｓ^-2）以下、質量を表わす係数Ｍを１０（ｋｇ）以上１０⁶（ｋｇ）以下、物性依存係数Ａを１０⁵（ｍ1^-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以上１０⁷（ｍ1^-γｋｇ^-1ｓ^-γ）以下、鋳型振動依存乗数γを１以上４以下として、下記（ａ）式と（ｂ）式と（ｅ）式とを解いて得られる鋳造条件にすることでパウダー消費量の時間平均値を０．１ｋｇ／ｍ²以上１０ｋｇ／ｍ²以下にして連続鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
鋳型と鋳片の間の溶融パウダーが充満している縦に細長い領域が、すべての深さでまたは上部１ｃｍを除く下部の範囲で、下に行くほど広がっているとして、前記各式を解くことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼の連続鋳造方法。
さらに、下記（ｆ）式を満たす鋳型オシレーションの振動数かつ鋳型オシレーションの振幅を用い、さらに、鋳型テーパーを０．５％以上１％以下にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造方法。